АВТОМАТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ
AUTOMATIC DRILL COLUMN POSITION SENSING

Область техники
Настоящее изобретение относится к автоматическому определению положения бурильной колонны и разработано определенно, но не исключительно, для инклинометрии скважин, создаваемых буровыми станками с перфоратором.
Предшествующий уровень техники
Во многих применениях, например в подземных горных работах в условиях твердой породы, очень важно иметь своевременные и точные данные о положении буровой скважины. Буровые скважины, в общем называемые глубокими скважинами (т.е. бурение и взрывные работы для глубоких скважин), обычно используются для размещения взрывчатых веществ для подземных работ, производимых способами выемки открытым забоем, подэтажной выемки, этажного обрушения, выемки обратным ходом вертикальными воронками и подэтажного обрушения. В подземных горных работах, для которых требуется бурение глубоких скважин, целесообразно размещать взрывчатые вещества в породе или проводить коммуникации через породу. Также применяются способы разработки месторождения параллельно поверхности с применением буровых станков с перфоратором, для которых также необходимы точные замеры отклонений.
Подземные работы способами выемки открытым забоем или подэтажной выемки осуществляют добычу руды в открытых выемках, обычно с закладкой после разработки. Выемками являются пустоты проходки в породе, с наибольшими габаритами в вертикальном направлении. Рудное тело разделяют на отдельные выемки для выемки открытым забоем, подэтажной выемки. Эта конфигурация в обычном виде показана на фиг.4: подземные выемки 22 формируют при помощи подэтажных горизонтальных горных выработок 23, стратегически размещенных в качестве провешенной линии на местности для буровой установки выполнения глубоких скважин в целях выполнения бурения схемы взрывных работ в глубоких скважинах, которая обычно указывается радиальными линиями 24. Руду обычно извлекают через подрубки 25 в виде рештаков в пункты 26 выпуска.
Между выемками определяют рудные участки для целиков, являющихся опорами висячего бока. Целики обычно имеют форму вертикальных балок, проходящих по рудному телу. Горизонтальные участки также оставляют для опоры подземным выработкам над производственными выемками, известными под названием верхних целиков. Обеспечение стабильности окружающей массе породы благоприятно влияет на эффективность горных работ. На стабильность сильно влияет верность и точность бурения глубоких скважин как часть горных работ.
В рудном теле выполняют подэтажные штреки для бурения глубоких скважин между основными этажами. Штреки стратегически располагают в качестве провешенной линии на местности для буровой установки бурения глубоких скважин в целях выполнения схемы взрывных работ в глубоких скважинах, показанной линиями 24. Для взрывных работ в глубоких скважинах соблюдение схемы размещения буровых скважин является наиболее важным условием. Схема размещения буровых скважин определяет местоположение устья ствола взрывных скважин, глубину и угол каждой скважины. Для успешного выполнения взрывных работ в глубокой скважине все параметры задаются с высокой точностью. Если схема размещения глубоких скважин отклоняется от заданного плана, то это может привести к разубоживанию рудного тела в результате бурения вне заданной области, к созданию слишком крупной разрушенной породы из-за низкой плотности зарядов между отклоняющимися скважинами и к повреждению висячего бока/подошвы, и поэтому, к проблемам стабильности в связи с повышенной плотностью зарядов.
В настоящее время глубокие скважины выполняют как «направленные вверх скважины», «направленные вниз скважины», «веерные скважины». Вследствие практических ограничений рабочей высоты в таких подземных работах, как в подэтажных штреках 23, буровые установки имеют небольшую длину буровой штанги и соответствующую небольшую длину хода бурильной колонны и стрелы-манипулятора, для обеспечения удобства работы. Для повышения КПД горных работ подэтажи бурения располагают друг от друга как можно экономнее, вследствие чего должно соблюдаться требование бурения скважин многократно на имеющуюся длину штанги. Обычная длина этих штанг составляет от 1,2 до 3 м, в то время как длина глубоких скважин может превышать 60 м.
Следовательно, каждая буровая установка имеет много штанг и нередко имеет автоматизированную «карусель» штанг, которые можно вводить в бурильную колонну по мере продвижения буровой коронки. С увеличением количества штанг в скважине будет увеличиваться число соединений, и будет ухудшаться точность процесса бурения. Для бурения скважины первую штангу и буровую коронку «заустьивают» как можно ближе к обследуемому положению, с правильным выравниванием для обеспечения нужной скважины. После «заустьивания» проверяют центрирование скважин, и бурение начинают с введением новой штанги по мере прохождения колонной скважины.
После ее заканчивания скважину промывают водой для удаления обломков, и штангу затем извлекают из скважины.
Для точной инклинометрии буровых скважин требуется измерение искривления скважины после заканчивания скважины. Эта необходимость обусловлена тем, что глубокие скважины обычно бурят буровыми станками с выносным перфоратором, который оказывает ударное усилие на бурильную колонну. Несмотря на то, что технология инклинометрии буровых скважин в реальном масштабе времени (т.е. как часть бурения) применяется в тех случаях, когда бурильная колонна не подвергается воздействию выносного перфоратора, но до настоящего времени не было возможности использовать приборы для измерения искривления скважины в реальном масштабе времени в условиях бурения с применением выносных перфораторов в связи с разрушительным характером ударной силы в бурильной колонне.
Хотя некоторые изготовители бурового оборудования, использующего выносные перфораторы, заявляют о наличии возможности выполнения инклинометрии полностью как бортовой функции, они исходят из сомнительного предположения о том, что скважины, будучи начатыми, всегда будут прямыми. На практике это не так, и скважины могут иметь значительные отклонения с увеличением их длины. Обычно инклинометрия с использованием этого оборудования заключается только в предоставлении данных о длине и направлении скважины на основании параметров, которые можно регистрировать на буровой установке.
Единственным в настоящее время имеющимся способом точной инклинометрии, которым могут пользоваться операторы буровых станков с выносным перфоратором, является инклинометрия после бурения, для чего нужно опустить прибор для измерения искривления скважины после ее бурения, промывки и переезда буровой установки в местоположение другой скважины. Для этого требуется много времени и затрат, и таким образом можно действительно определить характеристики скважины; но если произошло отклонение сверх допустимых ограничений, тогда значительная корректировка необходима как вторичный или третичный этап после перемещения бурового станка с выносным перфоратором с данной буровой площадки.
В настоящее время нет способа инклинометрии в реальном масштабе времени, на котором не сказывались бы вибрация в забое скважины и ускорение, присущие бурению с применением выносного перфоратора, и который смог бы уверенно определять фактическую траекторию скважины до заканчивания и затем передавать данные в средства программного обеспечения, принимающие решение.
Помимо этого многие существующие системы, работа которых основывается на магнитном поле Земли для определения положения, невозможно точно использовать в условиях намагничиваемости.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает способ инклинометрии скважины, согласно которому прибор для измерения искривления скважины вводят в ствол скважины в конце бурильной колонны как часть выполнения бурения, приводят в действие этот прибор после завершения бурения и с этого прибора считывают показания о положении при извлечении бурильной колонны из скважины.
Прибор для измерения искривления скважины предпочтительно находится в состоянии готовности к работе во время выполнения бурения.
Прибор для измерения искривления скважины предпочтительно выполнен с возможностью определения факта прекращения бурения и введения в действие после завершения бурения.
Показания положения скважины предпочтительно считываются с прибора для измерения искривления скважины, когда извлечение бурильной колонны временно приостанавливается для снятия каждой буровой штанги с бурильной колонны.
Краткое описание чертежей
В объем данного изобретения могут входить любые другие виды его осуществления, и предпочтительный вариант осуществления ниже излагается только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 схематически изображает вертикальное поперечное сечение рудника и иллюстрирует бурение скважины при помощи бурового станка с выносным перфоратором;
фиг.2 - увеличенное изображение сечения А, показанного на фиг.1;
фиг.3 - увеличенное изображение бурового инструмента, используемого по фиг.1;
фиг.4 - схематическое подземное изображение конфигурации горных работ методом выемки открытым забоем.
Подробное описание предпочтительных осуществлений изобретения
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения буровой станок 10 расположен в горизонтальной горной выработке 9 доступа/бурения, тип которой имеет общее обозначение 23 на фиг.4 и изложен выше со ссылкой на известный уровень техники.
Буровой станок содержит гидравлический колонковый перфоратор 11, установленный на направляющей 12, обычно закрепленной скрепляющими связями 7 и 8, которые прикрепляют станок к подошве и кровле соответственно горизонтальной выработки 9 доступа/бурения.
В буровой станок поступают буровые штанги с карусели (не показана), откуда они подаются в манипулятор инструмента (не показан) и закрепляются зажимом 13.
Станок имеет описанный ниже прибор для измерения искривления скважины, выполненный с возможностью направлять информацию в приемник 15, установленный на блоке 16 автоматизированного определения положения бурильной колонны на буровой установке.
Бурильная колонна 3 на своем рабочем конце имеет буровую коронку 1, которая более подробно описывается со ссылкой на фиг.3.
Непосредственно над буровой коронкой 1 расположена амортизирующая система 18, соединенная в свою очередь с инерциальным модулем 21 инклинометрии. Амортизирующая система 18 предназначена для изолирования модуля (19, 20, 21) электронной аппаратуры от вибраций и ускорения в корпусе 17 буровой трубы/прибора. Модуль 21 инклинометрии направляет данные измерений в устройство 20 регистрации данных, запитываемое от аккумуляторных батарей 19.
В состав инерциального модуля 21 инклинометрии обычно входят приборы измерения искривления скважины обычного типа, изготавливаемые для использования в безударном бурении, подобранные исходя из их сопротивления вибрации и удару. Эти приборы обычно являются навигационными приборами, сконструированными для использования в военных ракетах с боеголовками и пр.
Можно также выбрать приборы для измерения искривления скважины такого типа, на которые не влияют магнитные поля, чтобы их можно было использовать в данном изобретении в условиях намагничиваемости.
При выполнении бурения глубокой скважины с помощью бурового станка с выносным перфоратором в соответствии с известными способами проектное (идеальное) положение 5 скважины (фиг.1) первоначально определяется и соответствующим образом отмечается обычными методами измерения искривления скважины. Длину и направление скважины вычисляют для получения наиболее эффективного результата, обычно получаемого с помощью пакета программ проектирования горных работ или средств программного обеспечения для каротажа. На практике положение скважины определяет оператор путем сравнения таких параметров, как положение устья скважины и угла, которые можно определить на буровом станке 10, с представленным ему расчетным положением. На практике это может привести к тому, что положение скважины, которая будет буриться в положении 6, будет определено как нахождение в положении 5, в результате чего возникнет ошибка в работах по выполнению глубоких скважин еще до начала бурения.
По причине гибкости состоящих из многих штанг бурильных колонн фактический маршрут скважины отклонится от положений 5 или 6 на значительную величину. Автоматический прибор и способ определения положения бурильной колонны согласно настоящему изобретению позволяют определение, в реальном масштабе времени, фактической траектории 3 скважины как части бурения, и поэтому следующие скважины можно будет выравнивать и более точно размещать для создания нужной схемы размещения скважин и контролировать плотность и размещение зарядов.
Настоящее изобретение обеспечивает возможность определения положения скважины в процессе бурения и извлечения бурильной колонны из скважины. Аккумуляторы, устройства регистрирования данных, электронные средства и инерциальные датчики-измерители помещены в герметичном блоке 19, 20, 21, который по существу изолирован (амортизирован) от вибрации и ускорения, вызываемых ударным выносным перфоратором. Во время проходки скважины прибор будет обычно «находиться в состоянии готовности» и затем включаться и регистрировать данные с извлечением каждой штанги. Когда штанги будут неподвижными, и будет работать карусель, тогда прибору станет известно, что он прошел длину штанги. При этом время, в течение которого датчики будут производить измерение, будет ограничено, и поэтому боковое отклонение ствола скважины и, следовательно, ошибка, будут уменьшены. Необходимо отметить, что выносной перфоратор не будет работать во время извлечения бурильной колонны, в результате чего будет сведен к минимуму риск повреждения инерциальных датчиков-измерителей во время их работы.
После завершения извлечения штанг зарегистрированные данные передаются в установленный на буровой установке приемник, и фактическая траектория 3 скважины будет отображена относительно проектной траектории 5. После каждой скважины выполняется некоторая калибровка для учета бокового отклонения ствола скважины/ошибки перед началом новой скважины. Эти данные можно ввести в дорожный компьютер и обработать при помощи проводного подключения, хотя можно в конечном счете точно сопоставить данные бурения с данными инклинометрии.
При осуществлении настоящего изобретения данные запоминают, преобразуют или передают средствами радиосвязи, чтобы горные инженеры смогли определить возможное нахождение определенной скважины вне проектных параметров. Эти этапы можно полностью автоматизировать и связать с расчетными средствами программного обеспечения для автоматического внесения изменений в отношении следующей скважины.
Эти данные можно также использовать для определения факта возможного отклонения скважины в пустую породу или в зону влияния других скважин, и тогда она не будет иметь полной загрузки взрывчатых веществ, либо она, возможно, будет взорвана в данной последовательности раньше или позднее.
Таким образом, можно обеспечить прибор для измерения искривления скважины для его использования с буровым станком с выносным перфоратором, который позволит определять положение в данное время пробуриваемой скважины в масштабе реального времени, чтобы последующие скважины можно было скорректировать для учета отклонения предыдущей скважины от расчетных параметров. За счет этого значительно сократится время для измерения искривления скважины, требуемого при проведении подземных горных работ, в результате чего горные работы будут более безопасными и более эффективными.
Несмотря на то, что настоящее изобретение изложено со ссылкой на конкретные примеры, специалистам в данной области техники будет понятно, что это изобретение можно осуществить во многих других вариантах.