способ роторно-турбинного бурения и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ роторно-турбинного бурения, согласно которому в рабочем органе, включающем связанные между собой забойные двигатели, например турбобуры, вращают породоразрушающие наконечники вокруг собственных осей, или/и еще вокруг центральной оси рабочего органа, осуществляют осевую подачу с колебательными движениями рабочего органа, очистку призабойной зоны и удаление разрушенной породы промывочной жидкостью на поверхность, отличающийся тем, что выработку осуществляют при помощи рабочего органа, выполненного в виде связанного рамой линейного ряда турбобуров и центрального снаряда с внутренней колонной, причем для увеличения габаритов центральной части выработки на центральном снаряде устанавливают инерционный или складывающийся расширитель, который располагают с опережением по отношению к породоразрушающим наконечникам, установленным на турбобурах, при этом проводят дополнительную очистку призабойной зоны при помощи вращения шнекообразных или спиралевидных секций, установленных соосно на шпинделях линейного ряда турбобуров и внутренней колонне центрального снаряда, и подачи промывочной жидкости в призабойную зону с помощью расположенных между турбобурами со шнековыми или спиралевидными секциями напорных трубопроводов с гидронасадками, а также вакуумизации верхней части колонны труб центрального снаряда.

2. Устройство для роторно-турбинного бурения, содержащее рабочий орган в виде связанных между собой турбобуров с породоразрушающими наконечниками, отличающееся тем, что турбобуры связаны между собой в линейный ряд рамой, а рабочий орган снабжен центральным снарядом, состоящим из наружной трубы и внутренней колонны, причем на шпинделе каждого турбобура и на внутренней колонне центрального снаряда соосно установлены шнековые или спиралевидные секции, в верхней части наружной трубы центрального снаряда установлены герметизирующее приспособление и боковой отвод для подключения к вакуумной установке, а на раме между турбобурами c шнековыми или спиралевидными секциями размещены напорные трубопроводы с гидронасадками, выходящими в призабойную зону.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному оборудованию и может быть использовано при сооружении противофильтрационных завес и бурении скважин больших размеров при гидродобыче полезных ископаемых, строительстве фундаментов или «стен в грунте».

Известно устройство для проходки горных выработок, включающее породоразрушающие инструменты, гидроцилиндр подачи, гидравлически соединенный с приводом вращения и системой распора. Продукты разрушения вместе с промывочной жидкостью эрлифтом удаляются на поверхность (а.с. СССР №1599487, кл. Е 02 F 5/20, Е 21 D 1/06). Недостатком данного устройства является неполная очистка призабойной зоны от разрушенной породы.

За прототип выбран способ роторно-турбинного бурения, включающий вращение долот вокруг собственных осей с помощью турбобуров, осевую подачу с колебательными движениями, удаление разрушенной породы промывочной жидкостью (а.с. СССР №1701925, Е 21 D 1/06). Недостатком данного способа является неудовлетворительная очистка призабойной зоны из-за резкого снижения скорости восходящего потока промывочной жидкости в условиях большого поперечного сечения, что вызывает скопление шлама и части породы в нижней части выработки.

Устройство, указанное в этом же источнике, содержит траверсу, турбобуры с долотами, корпус, подвешенный к траверсе, и привод колебаний долот. Недостатком этого устройства является то, что не достаточно полно производится очистка призабойной зоны от разрушенной породы, что может привести к «прихвату» и «зависанию» рабочего органа.

Таким образом, недостатки рассматриваемого в качестве прототипа способа и устройства приводят к снижению механической и рейсовой скорости бурения, а также могут вызвать аварийную ситуацию и осложнения.

Задачей предлагаемого изобретения является достижение более тщательной очистки призабойной зоны от разрушенной породы в процессе бурения, что позволит повысить производительность и надежность бурения.

Указанная задача решается за счет того, что в способе, включающем вращение долот вокруг собственных осей с помощью турбобуров, осевую подачу с колебательными движениями, удаление разрушенной породы промывочной жидкостью, проводят дополнительную очистку призабойной зоны при помощи шнекообразных или спиралевидных секций, установленных на шпинделях линейного ряда турбобуров, составляющих рабочий орган, и дополнительной подачи промывочной жидкости в призабойную зону. При вращении шнекообразных или спиралевидных секций в определенном направлении шлам (разрушенная порода) перемещается и подается в центральный снаряд, откуда поднимается на поверхность с помощью вращающихся шнековых или спиралевидных секций, установленных на внутренней колонне. При этом центральную часть выработки (по сравнению с размерами долот, установленных на турбобурах) выполняют более крупногабаритной при помощи инерционного или складывающегося расширителя, установленного на центральном снаряде, что позволяет интенсивнее удалять большее количество разрушенной породы, скапливающейся у центрального снаряда. В верхней части центральной колонны труб создают вакуумизацию для ускорения процесса очистки. Все это позволяет увеличить механическую и рейсовую скорости бурения, избежать аварийных ситуаций и осложнений.

Отличительными признаками предлагаемого способа являются:

- дополнительная очистка призабойной зоны при помощи вращения шнекообразных или спиралевидных секций, установленных на шпинделях линейного ряда турбобуров и внутренней колонне центрального снаряда, составляющих рабочий орган, а также дополнительной подачи промывочной жидкости в призабойную зону;

- выполнение центральной части выработки более крупногабаритной;

- вакуумизация верхней части колонны труб центрального снаряда.

Предлагаемое устройство в отличие от прототипа, содержащего траверсу, турбобуры с долотами, корпус, подвешенный к траверсе, содержит также связанные между собой рамой линейный ряд турбобуров и центральный снаряд, состоящий из наружной трубы и внутренней колонны. На шпинделе каждого турбобура и на внутренней колонне центрального снаряда соосно установлены шнековые или спиралевидные секции, а в верхней части наружной трубы центрального снаряда установлено герметизирующее приспособление и боковой отвод для подключения к вакуумной установке. Кроме того, на раме между турбобурами со шнековыми секциями размещены напорные трубопроводы с гидронасадками, выходящими в призабойную зону.

Отличительными признаками предлагаемого устройства являются:

- выполнение рабочего органа в виде связанного рамой линейного ряда турбобуров и центрального снаряда, которые снабжены породоразрушающими наконечниками, причем на центральном снаряде установлен инерционный или складывающийся расширитель, расположенный с опережением по отношению к породоразрушающим наконечникам, установленным на турбобурах;

- выполнение центрального снаряда, состоящего из наружной трубы и внутренней колонны, причем наружная труба центрального снаряда выполнена таким образом, чтобы нижний край ее выступал ниже рамы не более чем на 10 см;

- наличие шнековых или спиралевидных секций, установленных соосно на шпинделе каждого турбобура и на внутренней колонне центрального снаряда;

- наличие герметизирующего приспособления и бокового отвода в верхней части наружной трубы центрального снаряда для подключения к вакуумной установке;

- наличие на раме между турбобурами и шнековыми секциями напорных трубопроводов с гидронасадками, выходящими в призабойную зону.

На чертеже изображено устройство при сооружении противофильтрационной завесы (выработки) в середине рабочего цикла.

Выработка 1 сооружается рабочим органом 2, выполненным в виде линейного ряда турбобуров 3, 4, 5, 6 и центрального снаряда, состоящего из наружной трубы 7 и внутренней колонны 8, при этом турбобуры и центральный снаряд связаны между собой рамой 9. Причем наружная труба 7 центрального снаряда выполнена таким образом, чтобы ее нижний край выступал ниже рамы 9 не более чем на 10 см. На шпинделях 10, 11, 12, 13 турбобуров 3, 4, 5, 6 и внутренней колонне 8 установлены породоразрушающие наконечники 14, 15, 16, 17 и 18. Наконечник 18, установленный на внутренней колонне 8, выполнен в виде инерционного или складывающегося расширителя и расположен с опережением по отношению к породоразрушающим наконечникам 15 и 17, а породоразрушающие наконечники 15 и 17 с опережением по отношению к породоразрушающим наконечникам 14 и 16. Между каждым турбобуром и породоразрушающим наконечником на шпинделях 10, 11, 12, 13 установлены шнековые или спиралевидные секции 19, 20, 21 и 22. Причем направление навивки спиралей таково, чтобы при определенном направлении вращения шпинделя разрушенная порода подавалась к центральному снаряду, у которого на внутренней колонне 8 установлены шнековые или спиралевидные секции 23. А сама внутренняя колонна 8 через ротор 24, вертлюг 25 и подвеску 26 соединена с буровой установкой (не показана). Наружная труба 7 центрального снаряда жестко соединена с рамой 9, вертлюгом 27, а через него с буровой установкой (не показана). В рабочем органе 2 над турбобурами установлен коллектор 28, к которому по шлангу 29 подается промывочная жидкость. Из коллектора 28 промывочная жидкость поступает к турбобурам 3, 4, 5, 6, а часть ее по напорным трубопроводам 30,31,32 и 33, размещенным между турбобурами 3, 4, 5, 6 со шнековыми секциями 19, 20, 21 и 22, поступает в гидронасадки 34, 35, 36 и 37, а из них в призабойную зону. При этом в выработке и в центральном снаряде формируется «обратная циркуляция» промывочной жидкости, а на породоразрушающих наконечниках и гидронасадках - прямая циркуляция. Рядом с выработкой 1 располагается канавка 38, из которой берут промывочную жидкость. И канавку 38 и выработку 1 перекрывают настилом 39. В верхней части наружной трубы 7, в вертлюге 27 устанавливают герметизирующее приспособление 40 и боковой отвод 41 для подключения к вакуумной установке (не показан).

Сооружение выработки осуществляется следующим образом. Собранный рабочий орган 2 устанавливают над заданной точкой сооружаемой выработки 1. Включают подачу промывочной жидкости и вращение внутренней колонны 8 ротором 24, проверяют правильность направления вращения породоразрушающих наконечников 14, 15, 16, 17 и 18. Плавно производят спуск рабочего органа 2. Разрушенная порода с помощью шнековых или спиралевидных секций 19, 20, 21 и 22 и воздействия промывочной жидкости через гидронасадки 34, 35, 36 и 37 на призабойную зону собирается около внутренней колонны 8 и с помощью шнековых или спиралевидных секций 23 по наружной трубе 7 подается к вертлюгу 27, а из него отводится в сторону. Для активизации удаления породы боковой отвод 41 подключают к вакуумной установке. С целью устойчивой работы всего рабочего органа 2 внутренней колонне 8 через подвеску 26 сообщают колебательные движения вдоль оси центрального снаряда, чтобы не образовывались скопления разрушенной породы и для предупреждения прихвата всего рабочего органа 2.

В зависимости от конкретных гидрогеологических условий, физико-механических свойств горных пород и цели сооружаемой выработки производят подборку количества и типоразмер турбобуров в линейном ряду, вид и типоразмер шнековых или спиралевидных секций, вид и типоразмер породоразрушающих наконечников (долот), высоту напорных трубопроводов с гидронасадками над долотьями, а также определяют оптимальные режимы всего бурового процесса. Так, например, при сооружении фильтрационной завесы (траншеи) используют вращение долот только вокруг собственной оси с переносом рабочего органа в нужном направлении после формирования необходимой глубины выработки. При необходимости получения скважины большого размера необходимо использовать возможность вращения долот как вокруг собственной оси, так и вокруг оси центрального снаряда.

Технико-экономические преимущества предлагаемого изобретения заключаются в обеспечении интенсивной очистки призабойной зоны, что позволяет увеличить механическую и рейсовую скорости бурения и избежать аварийных ситуаций и осложнений.