Способ образования ниши и устройство для его осуществления

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ()964096

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ8У (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 28. 12.79 (21) 2862257/22-03 (5I)M. Кл.

E 21 В 7/00 с присоединением заявки И

9мударетвенный квинтет

СССР во делам нзабретеннй н открытнй (23) Приоритет

Опубликовано 07. 10.82. Бюллетень М 37 (53) УД К 622.233..059(088.8) Дата опубликования описания 07.10 82

В. И. Васильков, A. Д. Ананьев, P. Е. Василько и В. Д. Павлов (72) Авторы изобретения

Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени исследовательский горно-металлургический инст цветных металлов (71) Заявитель (5 1) СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ НИШИ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к горному делу и предназначено для образования в массиве горных пород ниши преимущественно для выпопнения спуско-подъемных операций и наращивания длинномерных труб при бурении глубоких скважин в подземных условиях.

Известен буровзрывной способ образования в массиве горных пород камерыниши для выполнения операций с длинномерными трубами бурового снаряда.

Указанный способ включает бурение вспомогательных скважин в направлении, обратном направлению основной скважины, и их разделку, включающую заряжение и взрывание с уборкой взорванной горной массы и образованием камеры-ниши на глубине, обеспечивающей выполнение спуско-подъемных операций и наращивание длинномерными трубами бурового cHBpsIQB при бурении основной скважины (1) .

Недостатками известного способа являются большой объем извлекаемой горной массы, значительная сложность взрыв ных работ при образовании ниши в выработках с проложенными энергетическими и трансп ортными коммуникациями (трубопроводы, кабели, рельсовый путь и т. п.), 5 а также необходимость в сооружении специальных устройств для центрапии заднего конца длинномерных труб при их заворачивании и отворачивании во время спускоподъемных операций и наращивания снаря1О да.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ образования ниши для выполнения спуско15 подъемных операций и наращивания длинномерных труб при бурении скважин в подземных условиях.

Указанный способ предусматривает бурение ряда параллельных скважин, при котором каждая скважина пересекает соседнюю и образуется щель в ьпде соединенных между собой цилиндрических полостей (2j .

964096

Недостатками указанного способа являются сложность применяемого оборудования, необходимость бурения скважин большого диаметра для получения щели, достаточной для операций с трубами,. неудобство в операциях с трубами в щели с неровными стенками и необходимость в дополнительной центрации заднего конца длинномерных труб при операциях с ними. 1О

Известны устройства для образования, щели при отклонении ствола скважины от

",заданного направления, включающие породоразрушающий инструмент, соединяемый с врашательно-подающим механизмом бу» . д рового станка снарядом с шарнирными звеньями, и отклоняющее устройство в виде клина.

Отклонение скважин указанными устройствами включает бурение скважин, ус- 2О тановку и. закрепление в заданном направлении отклоняющего клина, вращение с осевой нагрузкой породоразрущакццего инструмента и подачей промывочной жи кости в скважину 13) .

25 Недостатками этих устройств являются сложность операции установки клина, малая величина отклонения скважины за одну операцию, а также большие затраты времени на процесс отклонения скважины.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для образования ниши, включающее врашательно-подающий механизм, промывочный сальник, породоразрушаюший инструмент, армированный износостойкими элементами, механизм отклонения оси инструмента от оси вращения (4 1 .

Недостатками данного устройства являются малый угол отклонения скважины, большие затраты времени на процесс его

40 ориентации и отклонение скважины, слож.ность применяемого оборудования, большой объем удаляемой породы при сооружении щели, а также отсутствие возможности центрации заднего конца труб при выполнении щели в горизонтальной плоскости и направлении ее вниз.

Пель изобретения - снижение объема извлекаемой горной породы и обеспечение центрации длинномерных труб в нише в процессе их наращивания и спуск -подъемных операций при бурении основной скважины.

Поставленная цель достигается тем, что разделку вспомогательной скважины выполняют цилиндрическим породоразрушаюшим. инструментом, армированным изно, остойкиии элементами, путем ввода его в раэделываемую скважину, создания на выступающую из скважины часть инстру-. мента боковой нагрузки, вращения инструмента с одновременным осевым возвратнопоступательным перемещением на величи« ну шага износостойких элементов и прорезанием щели в виде двух трапеций, сопряженных малыми основаниями.

Устройство для реализации способа, включающее вращательно-подающий механизм, промывочный сальник, породоразрушаюший инструмент, армированный износостойкими элементами, механизм отклонения оси инструмента от оси врашателя, 1 снабжено отклоняющим грузом, соединенным посредством тяги с корпусом сальника, а промывочный сальник закреплен на выходящем иэ скважины конце породоразрушаю|цего инструмента, при этом длина инструмента равна длине отклоняемой скважины.

Кроме того, породораэрушаюший инструмент армирован иэносостойкими элементами с насыщением, убывающим по его длине от концов к середине.

На фиг. 1 изображена ниша, боковой вид; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1 (вид из выработки, где установлен буровой станок); на фиг. 3 - устройство для образования ниши; на фиг. 4 - прием извлечения длинномерной трубы или наращивание снаряда.

В горной выработке 1 осуществляется бурение основной и вспомогательной 2 скважины. 1Целеобразкая ниша состоит из устьевой 3 и забойной 4 части.

Устройство для образования ниши (фиг. 3) размещено в скважине и состоит иэ цилиндрического породораэрушаюшего инструмента 5, армированного по наружной поверхности иэносостойкими элементами 6 (резцами, алмаэсодержащими вставками и т. и;). Внутри инструмента выполнен центральный 7 и радиальные 8 каналы для промывочной жидкости. На выходящем в горную выработку конце породоразрушающего инструмента крепятся промывочный сальник с невращающимся корпусом 9 и ротором 10. К ротору сальника крепится шарнирный (гибкий) буровой вал 11, который соединяется с вращательно-подающим механизмом 12 бурового станка. К корпусу сальника крепится трос 13 с грузом 14. Направление тросу задается с помощью направляющего ролика 15, закрепленного хомутом 16 на распорной колонке 17.

Способ осу1цествляется следующим образом.

9640

5

В горной выработке 1 устанавливают буровой станок. Врашатель 12 бурового станка ориентирует по оси бурения основной скважины и осуществляют в обратном направлении бурение вспомогательной сква-S жины 2. После бурения расширяют одновременно устьевую и забойную части вспомогательной скважины в противоположных боковых направлениях с образованием плос кой щели, имеющей продольное сечение в виде двух трапеций 3 и 4, соединенных малыми основаниями в середине скважй.ы.

Для этого породоразрушающий инструмент вводят в разделываемую вспомогательную скважину, создают на выступающий из 15 скважины конец инструмента боковую на-. грузку, осуществляют вращение инструмента с одновременным его осевым перемещением вперед-назад на величину шага расположенных на его боковой поверхнос20 ти износостойких элементов.

Диаметр вспомогательной скважины выбирают исходя иэ условия свободного вращения и осевого перемещения в ней труб бурового снаряда. Глубина вспомога2S тельной скважины должна обеспечивать размещение от ее забоя до шпинделя бурового станка длинномерной трубы. Направление расширения (отклонения) устьевой части скважины выбирают исходя из условий удобства осуществления операций с

ЗО длинномерными трубами и минимума объема извлекаемой горной породы. Оптимальными направлениями дпя отклонения. устья скважины могут буть вниз (при складировании труб ниже шпинделя бурово-55 го станка) или в сторону установленного в горной выработке стеллажа для труб. ° .

В случае наличия у бурового станка в указанных направлениях деталей, значительно отстоящих от оси буренИя, исходя из условия минимального объема извлекаемой горной породы рациональными могут оказаться также и другие направления для отклонения скважины и образова ния щели. 45

Необходимая величина отклонения скважины зависит от габаритов бурового станка, его удаления от начала ниши и длины применяемых труб. Так, например, при установке бурового станка на расстоянии

1 м от борта горной выработки, при минимальном удалении деталей станка от оси бурения в 200 м и длине бурильных труб в 3,0 м необходимый угол отклонения скважины при образовании щелеобразной

S5 о ниши составляет 8 . В случае применения труб длиной более ширины выработки необходимый угол бтклонения скважины щели зависит также от соотношения длины применяемых труб и шчрины горной выработки.

Устройство, осушес-твляюшее способ;

; работает следующим образом.

Для образования ниши в пробуренную скважину 2 вставляется породоразрушаюший инструмент 5, длина которого равна длине отклоняемой скважины, а диаметр его - несколько больше диаметра труб, которыми осуществляется наращивание ! снаряда и спуско-подъемные операции.

При малом расстоянии между буровым станком и бортом горной выработки породоразрушающий инструмент собирается из звеньев, длина которых должна быть меньше или равной максимальному расстоянию от вращателя бурового станка 12 до борта горной выработки 1. К выходящему из скважины концу породоразрушаюшего инс1 румента 5 крепятся ротор 10 промывочного сальника, шарнирный (гибкий) буровой вал 11 и врашательно-подающий механизм бурового станка 12. Определяется ,рациональное направление отклонения сква.жины. В горной выработке 1 вблизи устья отклоняемой скважины 2 устанавливается распорная колонка 17, на которой закрепляется один или два направляющих ролика 15. К корпусу 9 сальника крепится конец троса 13, который перебрасывается через направляющий ролик 15. К другому концу троса подвешивается груз 14 и осуществляется подача промывочной жидкости и вращение снаряда.

Промывочная жидкость в скважину выходит через передний конец 7 трубчатого породораэрушающего инструмента и боковые (радиальные) отверстия 8 в нем и ,служит для охлаждения породораэрушаюших элементов 6 и выноса шлама из сква. жины при ее отклонении. При отклонении (расширении) горизонтальной скважины вниз отклоняющий груз 14 может быть подвешен непосредственно к корпусу 9

=альника беэ применения распорной колонки 17 и направляющего ролика 15.

Подвешенный к тросу груз создает на породоразрушающий инструмент отклоняющую нагрузку, в результате чего происходит отклонение скважины с прорезанием щели. Наибольшее отклонение от исходного положения имеют концы породоразрушающего инструмента, вследствие чего образуется две трапециевидные щели 3 и 4, соединенные малыми основаниями в средней части отклоняемой скважины.

В связи с тем,,что объем разрушаемой породы максимален на концах породо- .

9640 разрушающего инструмента и уменьшается к его середине, равномерный износ всех породоразрушаюших элементов может быть достигнут при уменьшении интенсивности насыщения ими инструмента от концов к середине. При перекрытии породсуазрушаюшими элементами всей поверхности инструмента образование щели возможно за счет вращения снаряда без его осевого перемещения. При установке породоразрушаюших 10 элементов на длине инструмента с определенным интервалом (шагом) необходимо осуществлять одновременно с вращением и осевое перемещение (вперед-назад) инструмента на величину этого интервала. 15

Направление щели задается выбором места крепления направляющего ролика по высоте распорной колонки, углом установки колонки в выработке и изменении расстояния колонки от скважины. 20

Таким образом, щелеобразная ниша заданной конфигурации с ориентацией ее в любом удобном для работы направлении образуется буровым станком без смещения его врашателя с оси и угла буре- 25 ния основной скважины.

Ниша предлагаемой формы выполняется с минимальным объемом извлекаемой породы. Так, например, ниша в виде треугольника, которую теоретически возмож- З0 но выполнить за счет многократных постановок отклоняющих клиньев при одинаковом заданном угле поворота длинной трубы, имеет объем, в несколько раз превышающий объем предлагаемой ниши.

Образование щелеобразной ниши с зад- . ней стороны бурового станка (фиг. 4) во вспомогательной скважине позволяет осуществлять наращивание снаряда, а также спуско-подъемные и т. п. операции длинном ерным и трубам и без с м еще ния враща40 теля с оси бурения с задней стороны шпинделя бурового станка. Для наращивания снаряда длинпомерная труба 1<3 вводится в щель вспомогательной скважины под углом к оси бурения, поворачивается соосно с основной осью бурения и подается вперед для соединения с колонкой. Операция извлечения длинномерных труб производится в обратной последовательности.

При этом щелеобразная ниша, выполненная в виде двух трапеций, независимо от направления щели обеспечивает соосность наращиваемой штанги с основной колонной, что облегчает их соединение при наращивании снаряда и спуско-подъемных опера- SS цпях, Такая функция ниши позволяет исключить из комплекса бурового оборудования устройства (нли дополнительного рабочего).

6 Я предназначенные для центрации заднего конца длинномерных штанг при их соединении и разъединении с основной колонной.

В связи с тем, что применение предлагаемого устройства не требует значительных затрат времени на подготовительно заключительные операции и позволяет выполнить нишу за одну операцию, то затраты времени на ее образование незначительны.

Предлагаемое устройство используется в сочетании с основным буровым станком и не требует разработки каких-либо сложных узлов и деталей, что существенно упрощает применяемое оборудование и повышает надежность его эксплуатации.

Лрмировка породоразрушающего инструмента износостойкими элементами с интенсивностью насыщения, убывающей от концов к середине инструмента, позволяет снизить общее количество элементов, обеспечить равномерный износ всех элементов, производить одновременно заточку элементов или их бракову. Снижение расхода износостойких элементов доститается также установкой их на поверхности инструмента с определенным интервалом (шагом) и осевым смешением инструмента впередназад во время отклонения скважины на величину этого интервала.

Отсутствие необходимости в смешении вращателя с оси бурения существенно упрощает конструкцию бурового станка, а применение длинномерных труб для HQpB» щивания снаряда и бурения, скважины снижает стоимость изготовления бурового снаряда и вероятность возникновения аварий со снарядом, так как стоимость его изготовления и количество аварий находятся в прямой зависимости от числа резьбовых соединений. Кроме того, с применением длинномерных штанг снижаются затраты времени на процесс наращивания снаряда и спуско-подъемные операции.

Применение длинномерных колонковых труб при бурении разведочных скважин в стесненных шахтных условиях позволит снизить искривление скважин, увеличить стойкость бурового снаряда, а также проходку за каждый рейс бурения.

Образование щелеобразной ниши пред1 лагаемым устройством снижает объем подготовительных горных работ для установки разведочных буровых станков, так как стоимость выполнения ниш в горных выработках буровзрывным способом весьма высокая, кроме того, сооружение ниш для работы с длинномерными трубами буровзрывным способом в ряде случаев

<.36сф0," и-1

9 практически невозможно. Подача промывочной жидкости непосредственно в породоразрушающий инструмент, минуя буровой вал, позволяет существенно упростить . конструкцию шарнирных узлов бурового вала и увеличить допускаемый этим валом угол отклонения инструмента от первоначального направления.

Формула изобретения

1. Способ образования ниши для выполнения спуско-подъемных операций и наращивания длинномерных труб при бурении глубоких скважин в подземных условиях, включающий бурение в обратном направлении вспомогательной скважины и ее разделку с удалением горной породы, отличающийся тем, что, с целью снижения объема извлекаемой горной породы и обеспечения центрации длинномерных труб в нише в процессе их наращивания и спуско-подъемных операций при бурении основной скважины, разделку вспомогательной скважины выполняют ци,линдрическим породоразрушающим инструментом, армированным износостойкими элементами, путем ввода его в разделываемую скважину, создания на выступаю щую из скважины часть инструмента бо30 ковой нагрузки, вращения инструмента с одновременным осевым возвратно-noc Tyrrareaavsw перемещением его на величину шага износостойких элементов и прорезанием щели в виде двух трапеций, 35 сопряженных малыми основаниями.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, включающее вращательноподаюший механизм, промывочный сальник, породоразрушающий инструмент, армированный износостойкими элементами, и механизм отклонения оси инструмента от оси вращения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью ускорения образования ниши и упрощения конструкции, оно снабжено отклоняющим грузом, соединенным посредством тяги с корпусом сальника, а промывочный сальник закреплен на выходящем из скважины конце породоразрушаюшего инструмента, при этом длина инструмента

;ивна длине отклоняемой скважины.

3. Устройство по и. 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью снижения расхода износостойких элементов, породоразрушаюший инструмент армирован с насыщением, убывающим по его длине от концов к середине, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l. Руководство по алмазному колонковому бурению. Л., "Недра", 1970, с. 126-12.

2. Патент Франции М 231605, кл. E 21 С 1/00, 1977 (прототип).

3. Лиманов Е. Л. и др. Направленное бурение разведочных скважин. М., "Недра", 1978, с. 118.

4. Авторское свидетельство СССР № 386117, кл. Е 21 В 7/08, 1967 (прототип).