ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН И ВЫРАБОТОК
TECHNOLOGY FOR DEVELOPMENT OF WELLS AND BORES

Изобретение относится к способам проходки горных пород путем воздействия на буримую среду энергией струй рабочего агента под давлением и предназначено для образования скважин и выработок различного назначения.
Технологические процессы проходки горных пород и образования скважин в настоящее время решены определенными приемами и операциями, из которых наиболее представительными являются способы образования скважин, существенными приемами и признаками которых являются: оборудование устья постановкой превентора, проходка геологических горизонтов путем воздействия на буримую среду энергией струй рабочего агента, формирование восходящего потока к устью скважины для выноса бурового шлама из зоны забоя и полости скважины [Дмитриев А.П. и др. Термическое и комбинированное разрушение горных пород. М.: Недра, 1978, с.135-136; US 3917007, 175/14; FR 2232670, Е21В 7/18; RU 2161245, Е21В 7/14].
Существенными и очевидными недостатками аналогичных способов являются: сверхнормативные удельные расходы рабочего агента на забое и повышенные затраты энергии на формирование потока бурового шлама, направляемого из ствола к устью скважины; неуправляемость характеристик процесса по тепловой и кинетической энергиям, параметрам рабочего агента и воздействию его на забой и стенки проходимой скважины. Это ведет к стахостическому процессу выбора операций и параметров способа и отражается на перерасходах компонентов, формирующих объем рабочего агента для проходки скважины в геологических горизонтах.
Наиболее близкой по технической сущности является технология (способ) образования скважин и выработок в осадочных горных породах, включающая воздействие на буримую среду энергией струй рабочего агента, истекающих из рабочего органа автономного бурильного агрегата на забой под давлением, удаление бурового шлама к устью скважины, закрепление стенки скважины [RU 2168598, 10.06.2001, Е21В 7/14, Е21С 37/16].
Существенные недостатки данного способа аналогичны некоторым указанным выше отрицательным характеристикам способов-аналогов, в частности данный способ (технология) не учитывает условия инерционности горных пород процессу температурного воздействия на массив и отдельные включения неоднородного характера; отсутствуют также приемы и операции формирования оптимальных скоростей потока бурового шлама, а также поддержания устойчивого давления в полости проходимой скважины.
Технической задачей и положительным технологическим результатом предлагаемой технологии образования скважины и выработок является дальнейшее совершенствование процессов, операций и параметров воздействия на забой, стенки скважины, формирование потока бурового шлама за счет выбора оптимальных операций, режимов и их параметров для процесса разрушения массива породы на забое, дробления отдельных частиц, управления скоростями и температурой воздействия рабочего агента и потока бурового шлама, ведущих к повышению эффективности способа и увеличению производительности используемого бурильного агрегата.
Это в предлагаемой технологии образования скважин и выработок в осадочных горных породах достигается за счет того, что процесс включает воздействие на буримую среду энергией струй рабочего агента, истекающих из рабочего органа автономного бурильного агрегата на забой под давлением, удаление бурового шлама к устью скважины, закрепление стенки скважины, в процессе проходки скважины расход рабочего парогазового агента ведут в объеме, создающем отходящий от забоя поток бурового шлама со скоростью, превышающей скорость витания основного количества частиц разбуренной породы, составляющих по своим размерам и массе большую часть бурового шлама, отдельные более крупные по размерам и с большей массой частицы породы, отделенные от забоя, подвергают динамическому и высокотемпературному воздействию парогазового рабочего агента за счет периодического импульсного повышения скорости и температуры истекающих струй указанного рабочего агента, создавая этим условия их разрушения до размеров и массы частиц, удаляемых из зоны забоя к устью скважины в общем потоке бурового шлама, при этом скорость отходящего от забоя бурового шлама задают зависимостью:
пб
вч
вч
V=V+ΔV, м/с,
пб
где V - скорость отходящего от забоя потока, достаточная для удаления основного количества разбуренных частиц;
вч
V - скорость витания частиц породы основного количества в отходящем потоке бурового шлама;
вч
ΔV - добавленная величина скорости потока рабочего агента для превышения на 5-10% скорости витания крупных частиц в потоке бурового шлама,
а при проходке водонасыщенных неустойчивых горизонтов давление в полости скважины задают превышающим давление пород этих горизонтов на стенку скважины за счет увеличения расхода рабочего парогазового агента из рабочего органа или из вспомогательного расходного насадка бурильного агрегата, сохраняют это избыточное давление в полости скважины до завершения процесса разработки забоя и очистки полости скважины от бурового шлама, после этого прекращают процесс разработки забоя и расходом рабочего агента из вспомогательного насадка поддерживают указанное избыточное давление в полости скважины на время процесса закрепления ее стенки.
Технология образования скважин предусматривает воздействие на указанные более крупные частицы в виде гальки, щебня парогазовым рабочим агентом с его температурой около 700°С и периодическим импульсным повышением скорости, в 2-3 раза превосходящей скорость витания этих крупных частиц, с повторением импульсов через 5-10 с и длительностью импульса 2-3 с.
В этой технологии образования скважин при проходке водонасыщенных неустойчивых горизонтов давление в полости скважины за счет расхода агента из вспомогательного насадка выдерживают превышающим в 1,5-2,0 раза давление пород этого горизонта на стенку скважины.
Технология образования скважин поясняется ссылкой на чертежи, где на фиг.1 показан общий вид бурильного агрегата, размещенного на забое; на фиг.2 - принципиальная конструкция бурильного агрегата.
Бурильный агрегат 1 своим рабочим органом 2 размещен на забое 3 скважины 4, имеющей устье 5. Агрегат 1 имеет также вспомогательный насадок 6 в торцевой верхней части, предназначенный для подачи дополнительного объема рабочего парогазового агента в полость скважины и формирования дополнительного восходящего потока для удаления от забоя и выноса к устью скважины бурового шлама. Агрегат 1 имеет в своем корпусе генератор 7 парогазовой смеси для подачи в полость рабочего органа 2 и его рабочие сопловые насадки 8 и 9 рабочего агента, а также для подачи части объема парогазовой смеси в указанный насадок 6 с его соплом 10, ориентированным к устью скважины. Агрегат 1 оснащен программированным управляющим устройством 11, работающим вначале по команде, передаваемой по стволу скважины от ее устья с помощью направленных акустических волн, далее устройство 11 работает в скважине 4 в зависимости от фактического давления в полости скважины, создаваемого отходящим от забоя потоком бурового шлама и с учетом меняющегося давления в скважине.
Технологию образования скважин и выработок в осадочных горных породах осуществляют следующим образом. С помощью бурильного агрегата 1 и его рабочего органа 2 разрушают породу на забое 3, проходя геологические горизонты и образуя скважину 4, начиная от ее устья 5; разрушение пород ведут воздействием на забой струями парогазового агента под давлением и с заданной температурой, при этом расход рабочего агента ведут в объеме, создающем восходящий поток бурового шлама с его скоростью, превышающей скорость витания большего количества частиц породы, составляющих собой основную - большую часть по своим размерам и массе, составляющих восходящий поток бурового шлама, так для частиц, имеющих условный диаметр 10-20 мм и размер в поперечнике 5-10 мм необходимо создавать скорость восходящего потока около 24 м/с; для частиц меньшего размера достаточно создать поток 10-15 м/с, которые выносят на дневную поверхность (к устью 5) поднимающим их снизу отработанным потоком рабочего агента, заполняющим ограниченный диаметром и длиной скважины ее объем.
При разработке забоя возможен отрыв частиц породы размерами 25÷50 мм × 10÷20 мм. Такие крупные частицы эффективнее целенаправленно дробить, подвергая их динамическому и высокотемпературному воздействию за счет подачи на забой 3 из рабочего органа 2 импульсного скоростного потока рабочего агента, с длительностью импульса 2-3 с, повторением через 5-10 с, со скоростью более 100 м/с и температурой агента около 700°С (в пределах 650-750°С); это вызывает разрушающее термогазодинамическое действие на крупные частицы (гальку, щебень), дробление их до размеров основной массы частиц и обеспечивает вынос бурового шлама к устью. При этом скорость отходящего от забоя бурового шлама задают зависимостью:
пб=
вч
вч
VV+ΔV, м/с,
пб
где V - скорость отходящего от забоя потока, достаточная для удаления из зоны забоя основного количества частиц разбуренной породы;
вч
V - скорость витания частиц породы основного количества в отходящем потоке бурового шлама;
вч
ΔV - добавленная величина скорости потока рабочего агента для превышения на 5-10% скорости витания крупных частиц в потоке бурового шлама.
Этим обеспечивают необходимую скорость подъема бурового шлама и удаление частиц разбуренной породы из ствола скважины к устью.
При проходке водонасыщенных неустойчивых горизонтов, где возможны выбросы воды, обвалы стенки скважины, давление в стволе (полости) скважины 4 задают превышающим в 1,5-2,0 раза давление пород этих горизонтов на стенку скважины за счет увеличения расхода рабочего парогазового агента из рабочего органа 2 и/или из вспомогательного расходного насадка 6 агрегата 1; этим избыточным давлением предупреждают нарушения стенки скважины, которое (давление) сохраняют до завершения процесса разработки забоя, выдерживая скорость потока бурового шлама около 50 м/с, до очистки полости скважины от бурового шлама и поступившей воды; поддерживают указанное избыточное давление в скважине на время процесса закрепления ее стенок.
Такой принципиальный способ образования скважины позволяет использовать для проходки геологических горизонтов (и структур) автономные буровые агрегаты и аппараты (по конструкции и технологии А.Плугина) с автономным энерговооружением для работы в скважине без использования металлоемких бурильных труб. Это позволяет использовать данный способ в условиях неподготовленных площадок и при отсутствии стационарных источников энергоснабжения (тундра, пустыни, горные местности, болота и т.п.).
Эффективность процесса разработки забоя повышается на 10-12% за счет подачи рабочего агента в импульсном режиме с повышенной при импульсе температурой, что позволяет более мелко дробить частицы породы и выносить их в общем потоке шлама; кроме того, возможность регулирования давления парогазовой смесью (продукты расхода топливных компонентов в смеси с испаряемой водой и испаряемой твердой углекислотой, задающие условия постоянного расширения объема) предупреждает нарушения стенки скважины при проходке неустойчивых и водонасыщенных горизонтов. Эти преимущества способа определяют прогрессивность технологии проходки горных пород и образования скважин различного назначения.