способ бурения скважин и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ бурения скважин, включающий вращение бурового става установленным на поверхности приводом, периодический подъем става и его ударное взаимодействие через породоразрушающий инструмент с забоем скважины, отличающийся тем, что в процессе подъема бурового става элементы породоразрушающего инструмента совершают радиальное перемещение по забою скважины с разрушением породы скалыванием.

2. Устройство для бурения скважин, содержащее жестко соединенный с буровым ставом корпус и породоразрушающий инструмент, отличающееся тем, что породоразрушающий инструмент выполнен в виде нескольких имеющих рабочую часть и хвостовик элементов, установленных в корпусе с возможностью качания в радиальном направлении посредством размещения хвостовиков элементов породоразрушающего инструмента в профильных пазах корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бурению горных пород и может быть использовано при эксплуатации шахт и карьеров для бурения взрывных скважин в породах мягких и средней крепости.

Известен способ шарошечного бурения взрывных скважин, реализующий принцип разрушения забоя за счет вдавливания вооружения. С энергетической точки зрения такое воздействие на забой не является оптимальным.

Известен ударно-вращательный способ бурения взрывных скважин, который также реализует принцип разрушения забоя за счет динамического вдавливания лезвийной или штыревой коронки. Постоянное вращение бурового инструмента с приложением осевой нагрузки неблагоприятно отражается на износе его рабочей части.

Известен ударно-поворотный способ бурения взрывных скважин, который аналогично ударно-вращательному способу реализует принцип разрушения забоя за счет динамического вдавливания вооружения буровой коронки, однако поворот ее происходит без приложения осевой нагрузки и снятия веса бурового отава, что оказывает положительное влияние на износ бурового инструмента [1].

Известен виброударник, включающий корпус, соединенный с бурильной колонной, породоразрушающий инструмент с резьбовым хвостовиком, на котором размещены основная и дополнительная гайки, взаимодействующие с корпусом через шлицевое соединение, а с хвостовиком - через резьбу, пружины и ударник [2]. В этом устройстве вращение бурильной колонны преобразуют в ударные импульсы, передаваемые на породоразрушающий инструмент. Однако получить высокие энергии удара, достаточные для эффективного бурения в этой конструкции, проблематично.

Наиболее близким по технической сущности и получаемому результату к заявляемым способу и устройству является погружной буровой вибратор, включающий жестко соединенный с буровым ставом корпус с кулачками, коническую обойму с роликами и породоразрушающий инструмент [1]. Данное устройство преобразует энергию вращения бурового става в осевое перемещение его и ударное взаимодействие с породоразрушающим инструментом. В формировании ударного импульса участвует вся масса бурового става и прилагаемое осевое усилие, следовательно, возможно получение высокой энергии удара, достаточной для эффективного разрушения пород.

Однако имеется возможность более эффективного использования подводимой для вращения бурового става мощности для разрушения породы менее энергоемким чем вдавливание процессом, а именно скалыванием или резанием.

Таким образом, задачу, решаемую изобретением, можно сформулировать как повышение эффективности разрушения породы на забое скважины.

Технический результат, получаемый при использовании изобретения, состоит в том, что определенную часть разрушения породы на забое осуществляют наиболее экономичным с точки зрения энергетики процессом, резанием или скалыванием.

Указанный технический результат получают за счет того, что в известном способе бурения скважин, включающем вращение бурового става установленным на поверхности приводом, периодический подъем става и его ударное взаимодействие через породоразрушающий инструмент с забоем скважины, в процессе подъема бурового става элементы породоразрушающего инструмента совершают радиальное перемещение по забою скважины с разрушением породы скалыванием.

Указанный технический результат получают также за счет того, что в известном устройстве для бурения скважин, содержащем жестко соединенный с буровым ставом корпус и породоразрушающий инструмент, породоразрушающий инструмент выполнен в виде нескольких имеющих рабочую часть и хвостовик элементов, установленных в корпусе с возможностью качания в радиальном направлении посредством размещения хвостовиков элементов породоразрушающего инструмента в профильных парах корпуса.

Заявляемый способ характеризуется следующей совокупностью рабочих операций:

- вращение бурового става установленным на поверхности приводом;

- периодический подъем бурового става с одновременным радиальным перемещением породоразрушающих элементов по забою скважины с разрушением его скалыванием;

- ударное взаимодействие породоразрушающих элементов с забоем скважины под действием массы всего бурового става и накопленной в нем упругой энергии.

Заявляемый способ не представляется возможным осуществить с использованием известных буровых устройств и инструментов, поэтому предлагается новое устройство, реализующее заявляемый способ.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема устройства в статическом положении на забое скважины; на фиг.2 - то же в положении максимального подъема бурового става; на фиг.3 - сечение по А-А фиг.1; на фиг.4 - сечение по В-В фиг.2; на фиг.5 - сечение по Г-Г фиг.1.

Устройство для бурения скважин содержит корпус 1, установленный с возможностью вращения в трубчатой направляющей, имеющей верхнюю 2 и нижнюю 3 части. Верхняя часть 4 корпуса снабжена резьбой для соединения с буровым ставом (на чертеже не показан), а в нижней части 5 корпуса 1 выполнено углубление 6, имеющее продольные боковые стенки 7. Нижняя 3 и верхняя 2 части направляющей соединены между собой с помощью резьбового соединения. Породоразрушающий инструмент устройства выполнен в виде нескольких элементов 8, имеющих рабочую часть 9 и хвостовик 10. Элементы 8 снабжены полуцилиндрической опорой 11, сопряженной с аналогичной впадиной 12, выполненной в хвостовике 10. Элементы 8 установлены в радиальных пазах 14 крышки 13 нижней части 3 направляющей с возможностью качания относительно осей 15 и зафиксированы от выпадения из нее при нерабочем положении стопорами 16. Хвостовики 10 элементов 8 породоразрушающего инструмента установлены в углублении 6 нижней части 5 корпуса 1 и находятся в постоянном контакте о профильными боковыми стенками 7 углубления 6. В крышке 13 выполнено отверстие 17 для центральной продувки разрушаемого забоя скважины. В корпусе 1 выполнен центральный канал 18 для прохода сжатого воздуха.

Заявляемое устройство работает следующим образом. При приложении осевой нагрузки на буровой став и его вращении рабочая часть 9 элементов 8 породоразрушающего инструмента врезается в забой скважины, при этом верхняя 2 и нижняя 3 части трубчатой направляющей стопорятся, а корпус 1 продолжает вращаться. Так как хвостовики 10 элементов 8 находятся в постоянном контакте с профильными боковыми стенками 7 углубления 6, при вращении корпуса 1 происходит радиальное перемещение хвостовиков 10, а следовательно, элементы 8 породоразрушающего инструмента и их рабочие части 9 также совершают радиальное перемещение в противоположную сторону, вращаясь вокруг оси 15. Если породы относительно мягкие, зубья рабочей части 9 внедряются в породу и совершают ее скалывание. В этом случае подъем бурового става минимален, либо отсутствует полностью, а ударного взаимодействия не происходит. В случае бурения относительно прочных пород, когда не происходит скалывание породы рабочей частью инструмента, поворот элементов 8 сопровождается подъемом устройства и бурового става. При подходе хвостовиков 10 к резкому изменению профиля боковой стенки 7 элементы 8 мгновенно возвращаются в исходное положение, сопротивление вращению трубчатой направляющей снимается, происходят поворот элементов 8 устройства на некоторый угол, скалывание породы и последующее ударное взаимодействие породоразрушающего инструмента под действием массы бурового става и его упругих сил. Энергия ударного взаимодействия сопровождается внедрением рабочей части 9 элементов 8, скалыванием породы и последующим стопорением трубчатой направляющей. Далее цикл повторяется.

Источники информации

1. Авт. свид. СССР № 235671, Е 21 С 3/28, опубл. 24.01.69, заявл. 12.06.67.

2. Авт. свид. СССР № 378617, Е 21 В 5/00, заявл. 21.07.71. опубл. 18.04.73.