Способ бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к горной промышленности и предназначена для бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин в грунтах. Способ заключается в том, что механически разрушают забой и удаляют продукты разрушения шнекобуровым инструментом с разрывами шнековой спирали, которому сообщают непрерывное вращательное и осевые колебательные движения с амплитудой, превышающей за один цикл колебаний длину наибольшего разрыва шнековой спирали. Шнекобуровой инструмент делят на две неравные части и помещают во внутреннее пространство колонны обсадных труб. Первую головную часть постоянной длины прикрепляют к забойной части колонны обсадных труб и перемещают вместе с ней поступательно в осевом направлении без колебательных движений. Вторую часть секционно наращивают по мере удлинения колонны обсадных труб и углубления скважины и подвижно-телескопически в осевом направлении соединяют с первой головной частью с возможностью совместного непрерывного вращательного движения и раздельных с головной частью осевых колебательных движений, а внутреннюю поверхность колонны обсадных труб сопрягают фиксированно с опорным подшипниковым узлом головной части и подвижно-поворотно - с опорными подшипниковыми узлами, размещенными в разрывах шнековой спирали. Обеспечивается повышение скорости бурения, восстановление транспортирующей способности на участке разрыва шнековой спирали в зоне опоры подшипниковых узлов при совмещении процессов транспортирования, крепления стенок скважины и предотвращения пробкообразования. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Заявляемая группа изобретений относится к горной промышленности и предназначена для бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин в грунтах.

Известен способ бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин (Авторское свидетельство СССР №1513090, опубл. 07.10.89, бюл. №37), согласно которому шнековый буровой став устанавливают с возможностью вращения в обсадной трубе, затем производят механическое разрушение забоя с последующим удалением продуктов разрушения шнековым буровым ставом. Одновременно с поступлением в рабочую зону продуктов разрушения их влажность повышают до границы текучести.

Недостатком данного способа является трение и износ шнекового бурового става вследствие его контакта с внутренней поверхностью обсадной трубы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин (Авторское свидетельство СССР №1701903, опубл. 30.12.91, бюл. №48), включающий механическое разрушение забоя инструментом и удаление продуктов разрушения вращающимся шнековым буровым ставом, отличающийся тем, что вращающемуся шнековому буровому ставу сообщают колебательные движения в осевом направлении с амплитудой, превышающей за каждый цикл колебаний длину наибольшего разрыва шнековой спирали.

Недостатками данного способа являются износ стенки скважины вследствие трения постоянно вращающегося и одновременно колебательно движущегося шнекового бурового става о внутреннюю поверхность стенок скважины, износ шнекового бурового става, потеря направленности скважин и, как следствие, снижение скорости бурения.

Известен шнековый буровой инструмент машин горизонтального бурения (Расширитель прямого хода для машин горизонтального бурения. Информационный листок Кемеровского ЦНТИ №12-89, 1989 г.), содержащий штанги, размещенные на опорно-дистанционных узлах, состоящих из стакана, двух радиальных и двух упорных подшипников качения, двух крышек и радиальных лучей, опирающих стакан на внутреннюю поверхность защитной трубы-кожуха.

Недостатком данного бурового инструмента является значительный разрыв шнековой спирали в местах расположения опорно-дистанционных узлов из-за больших осевых габаритов, что приводит к возникновению пробок из транспортируемых продуктов бурения, снижающему производительность процесса транспортирования в целом.

В настоящее время в технике достаточно активно используются радиальные подшипники качения с твердосмазочным антифрикционным заполнителем, обладающим самосмазывающими и самогерметизирующими свойствами (Маметьев Л.Е. Конструктивные элементы узлов и механизмов для шнековых машин горизонтального бурения / Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов. - Справочник. Инженерный журнал, 2010, №11, с. 25-26). Применение подшипников данного типа в опорно-дистанционных узлах позволяет конструктивными методами уменьшить отрицательный эффект, оставляя вышеуказанный недостаток в целом.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является буровой инструмент для бурения скважин (Способ бурения скважин. Информационный листок Кемеровского ЦНТИ №91-14, 1991 г.), включающий шнековый буровой став в виде забурника, расширителя прямого хода и последвательно соединенных замками штанг со шнековой спиралью.

Недостатками данного бурового инструмента являются наличие больших энергетических потерь вследствие трения шнековой спирали штанг о внутреннюю поверхность стенок скважины, износ шнековой спирали, высокое усилие подачи, снижение направленности буровых скважин, и, как следствие, снижение скорости бурения.

Техническим результатом предлагаемой группы изобретений является повышение скорости бурения, восстановление транспортирующей способности на участке разрыва шнековой спирали в зоне опоры подшипниковых узлов при совмещении процессов транспортирования, крепления стенок скважины и предотвращения пробкообразования.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что в способе бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин, по которому механически разрушают забой и удаляют продукты разрушения шнекобуровым инструментом с разрывами шнековой спирали, которому сообщают непрерывное вращательное и осевые колебательные движения с амплитудой, превышающей за один цикл колебаний длину наибольшего разрыва шнековой спирали, согласно заявляемому техническому решению шнекобуровой инструмент делят на две неравные части и помещают во внутреннее пространство колонны обсадных труб, при этом первую головную часть постоянной длины прикрепляют к забойной части колонны обсадных труб и перемещают вместе с ней поступательно в осевом направлении без колебательных движений, а вторую часть секционно наращивают по мере удлинения колонны обсадных труб и углубления скважины и подвижно-телескопически в осевом направлении соединяют с первой головной частью с возможностью совместного непрерывного вращательного движения и раздельных с головной частью осевых колебательных движений, а внутреннюю поверхность колонны обсадных труб сопрягают фиксированно с опорным подшипниковым узлом головной части и подвижно-поворотно - с опорными подшипниковыми узлами, размещенными в разрывах шнековой спирали, чем обеспечивают непрерывное транспортирование продуктов разрушения забоя.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается следующим. С предлагаемым способом единым изобретательским замыслом связан шнекобуровой инструмент для его осуществления, включающий расширитель, секционные шнековые штанги с разрывами шнековой спирали, в котором согласно заявляемому техническому решению поперечные сечения лучей опорных подшипниковых узлов выполнены в виде трехгранных призм, при этом призмы лучей опорного подшипникового узла головной части шнекобурового инструмента обращены ребром двугранного угла к расширителю и зафиксированы в направляющих ручьях с возможностью фиксации - расфиксации дистанционно управляемыми замками внутри кольцевого вкладыша-ножа, жестко соединенного с забойной частью комплекта обсадных труб, а с противоположной от расширителя стороны на валу опорного подшипникового узла выполнен шлицевой хвостовик, который подвижно сопряжен со второй, секционно наращиваемой частью шнекобурового инструмента, причем длина шлицевого хвостовика больше или равна длине наибольшего разрыва шнековой спирали.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается также и тем, что опорные подшипниковые узлы в разрывах шнековой спирали размещены внутри вкладышей-замков, жестко соединенных с секциями комплекта обсадных труб, на внутренней поверхности вкладышей-замков жестко закреплена профильная винтовая линия, а в ее межшаговом пространстве размещены трехгранные призмы лучей опорных подшипниковых узлов с возможностью осевого перемещения и поворота относительно оси скважины путем кинематической связи с профильной винтовой линией.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается также и тем, что призмы лучей опорных подшипниковых узлов в разрывах шнековой спирали обращены ребром двугранного угла в противоположную от расширителя сторону.

Заявляемые технические решения взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел, следовательно, данная группа изобретений удовлетворяет требованию единства изобретения.

Заявляемая группа изобретений поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин по предлагаемому способу с помощью предлагаемого устройства, на фиг. 2 - сечение А-А; на фиг. 3 - развертка внутренней поверхности колонны обсадных труб в месте фиксированного сопряжения головной части шнекобурового инструмента; на фиг. 4 - сечение Б-Б; на фиг 5 - развертка внутренней поверхности колонны обсадных труб в месте подвижно-поворотного сопряжения секционно наращиваемой части шнекобурового инструмента.

Шнекобуровой инструмент делят на две неравные части 1 и 2 и размещают в колонне обсадных труб 3, при этом первую головную часть 1 постоянной длины прикрепляют к забойной части колонны обсадных труб 3 и перемещают вместе с ней поступательно в осевом направлении без колебательных движений, а вторую часть 2 секционно наращивают по мере удлинения колонны обсадных труб 3 и углубления скважины и подвижно-телескопически в осевом направлении соединяют с головной частью 1 с возможностью совместного непрерывного вращательного движения и раздельных с головной частью осевых колебательных движений, а внутреннюю поверхность колонны обсадных труб 3 сопрягают фиксированно с опорным подшипниковым узлом 4 головной части и подвижно-поворотно - с опорными подшипниковыми узлами 5, размещенными в разрывах шнековой спирали l_p. Осевые колебательные движения подшипниковых узлов 5 с амплитудой, превышающей за один цикл колебаний длину наибольшего разрыва шнековой спирали l_p, обеспечивают гарантированное перекрытие разрыва и непрерывное транспортирование продуктов разрушения забоя без образования пробок.

Шнекобуровой инструмент для осуществления способа бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин включает расширитель 6, секционные шнековые штанги 7 с разрывами шнековой спирали l_p. Поперечные сечения лучей 8 и 9 опорных подшипниковых узлов 4 и 5 выполнены в виде трехгранных призм, при этом призмы лучей 8 опорного подшипникового узла 4 головной части шнекобурового инструмента обращены ребром двугранного угла к расширителю 6 и зафиксированы в направляющих ручьях 10 с возможностью фиксации - расфиксации дистанционно управляемыми замками 11 внутри кольцевого вкладыша-ножа 12, жестко соединенного с забойной частью комплекта обсадных труб 3. Дистанционное управление осуществляется с помощью валов 13, секционно наращиваемых одновременно со второй частью 2 шнекобурового инструмента. С противоположной от расширителя стороны на валу опорного подшипникового узла 4 выполнен шлицевой хвостовик 14, который подвижно сопряжен со второй, секционно наращиваемой частью 2 шнекобурового инструмента, причем длина шлицевого хвостовика 14 больше или равна длине наибольшего разрыва шнековой спирали l_p.

Опорные подшипниковые узлы 5 в разрывах шнековой спирали l_p размещены внутри вкладышей-замков 15, жестко соединенных с секциями комплекта обсадных труб 3, на внутренней поверхности вкладышей-замков 15 жестко закреплена профильная винтовая линия 16, а в ее межшаговом пространстве размещены трехгранные призмы лучей 9 опорных подшипниковых узлов 5 с возможностью осевого перемещения и поворота относительно оси скважины путем кинематической связи с профильной винтовой линией 16. Секционно наращиваемые валы 13 на наружной поверхности вкладышей-замков 15 центрируются и защищаются опорно-направляющими кожухами 17.

Призмы лучей 9 опорных подшипниковых узлов 5 в разрывах шнековой спирали l_p обращены ребром двугранного угла в противоположную от расширителя 6 сторону.

Предлагаемый способ осуществляют с использованием предлагаемого устройства следующим образом.

При подготовке к бурению горизонтальных и слабонаклонных скважин первую головную часть 1 постоянной длины шнекобурового инструмента прикрепляют к забойной части колонны обсадных труб 3 и перемещают вместе с ней поступательно в осевом направлении со скоростью ν_бур без колебательных движений. Головная часть 1 шнекобурового инструмента включает расширитель 6, закрепленный со стороны забоя на валу опорного подшипникового узла 4 и вращающийся с частотой вращения n_шби. Призмы лучей 8 опорного подшипникового узла 4 обращены ребром двугранного угла к расширителю 6, чем обеспечивается минимальное сопротивление транспортированию со скоростью ν_тр продуктов разрушения забоя для достижения тем самым заявляемого технического результата.

Внутреннюю поверхность колонны обсадных труб 3 сопрягают фиксированно с опорным подшипниковым узлом 4 головной части. Для этого призмы лучей 8 опорного подшипникового узла 4 зафиксированы в направляющих ручьях 10 с возможностью фиксации - расфиксации дистанционно управляемыми замками 11 внутри кольцевого вкладыша-ножа 12, жестко соединенного с забойной частью комплекта обсадных труб 3. Фиксация призм лучей 8 опорного подшипникового узла 4 с расширителем 6 приводит к одновременному с комплектом обсадных труб 3 поступательному перемещению в осевом направлении со скоростью ν_бур без колебательных движений вращающегося с частотой вращения n_шби расширителя 6 с его забурником, резцовыми лучами с откидной резцовой группой и двухзаходными шнековыми лопастями для механического разрушения забоя при бурении горизонтальной или слабонаклонной скважины с необходимой скоростью и транспортирования продуктов разрушения с одновременным креплением ее стенок, чем обеспечивается заявляемый технический результат.

Дистанционное управление осуществляется, например, с помощью валов 13, секционно наращиваемых одновременно со второй частью 2 шнекобурового инструмента. Секционно наращиваемые валы 13 на наружной поверхности вкладышей-замков 15 центрируются и защищаются опорно-направляющими кожухами 17.

По мере углубления скважины секционно наращивают и размещают в удлиняющейся колонне обсадных труб 3 вторую часть 2 переменной длины шнекобурового инструмента, собираемую из секционных шнековых штанг 7 с разрывами шнековой спирали l_p.

Вторую секционно наращиваемую часть 2 шнекобурового инструмента подвижно-телескопически в осевом направлении соединяют с первой головной частью 1 с возможностью совместного непрерывного вращательного движения с частотой вращения n_шби и раздельных с головной частью осевых колебательных движений со скоростью ν_шби. Для этого с противоположной от расширителя 6 стороны на валу опорного подшипникового узла 4 выполнен шлицевой хвостовик 14, который подвижно сопряжен со второй, секционно наращиваемой частью 2 шнекобурового инструмента. Заявляемый технический результат обеспечивается тем, что длина шлицевого хвостовика 14 больше или равна длине наибольшего разрыва шнековой спирали l_p, следовательно, его гарантированным перекрытием при перемещении опорных подшипниковых узлов 5 в осевом направлении при колебательных движениях со скоростью ν_шби и с амплитудой, превышающей за один цикл колебаний длину наибольшего разрыва шнековой спирали l_p, и таким образом устранением пробок из транспортируемых продуктов бурения.

Внутреннюю поверхность колонны обсадных труб сопрягают подвижно-поворотно с опорными подшипниковыми узлами, размещенными в разрывах шнековой спирали l_p. Для этого опорные подшипниковые узлы 5 в разрывах шнековой спирали l_p размещены внутри вкладышей-замков 15, жестко соединенных с секциями колонны обсадных труб 3. Вкладыши-замки 15 могут быть выполнены из отрезка трубы с размерами, идентичными размерам секций колонны обсадных труб 3, и, следовательно, после сборки за счет жесткого соединения составляют с ними одно целое. Профильная винтовая линия 16 может быть выполнена из прутка, приваренного к внутренней поверхности вкладышей-замков 15, за счет чего и имеет с ней жесткое закрепление. Технический результат достигается за счет подвижно-поворотного сопряжения внутренней поверхности колонны обсадных труб 3 на участках вкладышей-замков 13 с опорными подшипниковыми узлами 5 в разрывах шнековой спирали l_p. Перемещаясь под действием колебательных движений в осевом направлении со скоростью ν_шби, опорные подшипниковые узлы 5 с лучами 9, трехгранные призмы которых имеют кинематическую связь с профильной винтовой линией 14, то есть образуют с ней подвижное многозаходное несамотормозящееся винтовое сопряжение, совершают также поворот относительно оси скважины с малой частотой вращения n_опу. Призмы лучей 9 опорных подшипниковых узлов 5 в разрывах шнековой спирали l_p обращены ребром двугранного угла в противоположную от расширителя 6 сторону, что позволяет использовать во время движения, перекрывающего l_p, поверхности их боковых граней для транспортирования продуктов разрушения забоя, чем также обеспечивается заявляемый технический результат.

Возможность расфиксации призм лучей 8 опорного подшипникового узла 4 с расширителем 6 обеспечивает легкость его монтажа - демонтажа, необходимость в котором имеется, например, если при бурении глухой скважины требуется замена резцов на лучах или на откидной группе расширителя 6. В этом случае секционно наращиваемые валы 13 поворачивают дистанционно управляемые замки 11, призмы лучей 8 подшипникового узла 4 получают возможность осевого перемещения внутри от колонны обсадных труб 3 раздельно с ним, но совместно со второй секционно наращиваемой частью 2 шнекобурового инструмента. При этом, проходя сквозь вкладыши-замки 15, призмы лучей 8 также образуют в это время кинематическую связь с профильной винтовой линией 14 - подвижное многозаходное несамотормозящееся винтовое сопряжение, совершают поворот относительно оси скважины, транспортируя возможно оставшиеся внутри колонны обсадных труб 3 продукты разрушения забоя, чем также обеспечивается заявляемый технический результат.

1. Способ бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин, по которому механически разрушают забой и удаляют продукты разрушения шнекобуровым инструментом с разрывами шнековой спирали, которому сообщают непрерывное вращательное и осевые колебательные движения с амплитудой, превышающей за один цикл колебаний длину наибольшего разрыва шнековой спирали, отличающийся тем, что шнекобуровой инструмент делят на две неравные части и помещают во внутреннее пространство колонны обсадных труб, при этом первую головную часть постоянной длины прикрепляют к забойной части колонны обсадных труб и перемещают вместе с ней поступательно в осевом направлении без колебательных движений, а вторую часть секционно наращивают по мере удлинения колонны обсадных труб и углубления скважины и подвижно-телескопически в осевом направлении соединяют с первой головной частью с возможностью совместного непрерывного вращательного движения и раздельных с головной частью осевых колебательных движений, а внутреннюю поверхность колонны обсадных труб сопрягают фиксированно с опорным подшипниковым узлом головной части и подвижно-поворотно - с опорными подшипниковыми узлами, размещенными в разрывах шнековой спирали, чем обеспечивают непрерывное транспортирование продуктов разрушения забоя.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1 в виде шнекобурового инструмента, включающего расширитель, секционные шнековые штанги с разрывами шнековой спирали, отличающееся тем, что поперечные сечения лучей опорных подшипниковых узлов выполнены в виде трехгранных призм, при этом призмы лучей опорного подшипникового узла головной части шнекобурового инструмента обращены ребром двугранного угла к расширителю и зафиксированы в направляющих ручьях с возможностью фиксации - расфиксации дистанционно управляемыми замками внутри кольцевого вкладыша-ножа, жестко соединенного с забойной частью комплекта обсадных труб, а с противоположной от расширителя стороны на валу опорного подшипникового узла выполнен шлицевой хвостовик, который подвижно сопряжен со второй, секционно наращиваемой частью шнекобурового инструмента, причем длина шлицевого хвостовика больше или равна длине наибольшего разрыва шнековой спирали.

3. Устройство по п. 2 для осуществления способа по п. 1, отличающееся тем, что опорные подшипниковые узлы в разрывах шнековой спирали размещены внутри вкладышей-замков, жестко соединенных с секциями комплекта обсадных труб, на внутренней поверхности вкладышей-замков жестко закреплена профильная винтовая линия, а в ее межшаговом пространстве размещены трехгранные призмы лучей опорных подшипниковых узлов с возможностью осевого перемещения и поворота относительно оси скважины путем кинематической связи с профильной винтовой линией.

4. Устройство по п. 2 или 3 для осуществления способа по п. 1, отличающееся тем, что призмы лучей опорных подшипниковых узлов в разрывах шнековой спирали обращены ребром двугранного угла в противоположную от расширителя сторону.