УСТАНОВКА ДЛЯ БУРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СКВАЖИН

Полезная модель относится к технике бурения, в частности к проходке вертикальных замораживающих скважин, для предупреждения их искривления в процессе бурения и может быть использована при добыче минеральных вод, рассолов, инженерно-геологических исследованиях и во многих других случаях.
Известно устройство в составе установки для бурения скважин, содержащее вращающийся став с установленным на поверхности приводом (1). Устройство содержит жестко соединенный с буровым ставом корпус и породоразрушающий инструмент, который выполнен в виде нескольких имеющих рабочую часть и хвостовик элементов. Элементы установлены в корпусе с возможностью качания в радиальном направлении посредством размещения хвостовиков элементов породоразрушающего инструмента в профильных пазах корпуса. Буровой став периодически поднимают и он, ударно взаимодействуя через породоразрушающий инструмент с забоем скважины, совершает радиальное перемещение по забою с разрушением породы скалыванием. Такое исполнение устройства обеспечивает за счет радиального перемещения элементов, а также эффекта маятника предупреждение от искривления скважин.
Недостатком устройства является не эффективное предупреждение искривления скважин, которое обеспечивают за счет конструктивного исполнения бурового става, что усложняет процесс бурения.
Известна компоновка бурильной колонны для вращательного бурения с передачей крутящего момента через колонну бурильных труб (2). Компоновка содержит бурильную трубу со смещенным центром тяжести поперечного сечения за счет смещения оси внутренней цилиндрической поверхности относительно оси наружной цилиндрической поверхности корпуса трубы. При этом на боковой поверхности опорно-центрирующих устройств установлены опоры качения, таким образом, чтобы контакт со стенкой скважины приходился именно на опоры качения. В бурильную колонну компоновка установлена или над породоразрушающим инструментом или между обычными бурильными трубами с определенным шагом по всему интервалу сжатой части колонны. При бурении в процессе вращения компоновка прижимается к стенке скважины опорами качения, что снижает силу трения, затраты мощности на проходку и искривление скважин.
К недостатку такой конструкции можно отнести опосредованное воздействие на процесс предупреждения искривления скважин исключительно за счет взаимодействия компоновки со стенками последних.
Известно также устройство для уменьшения интенсивности естественного искривления скважин (3). Устройство включает внутреннюю трубу с переводниками по концам и свободно расположенную между ними подпружиненную наружную трубу. Торцы переводников и торцы наружной трубы, обращенные друг к другу, имеют профильные поверхности с выступами, которые образованы прямыми и наклонными в сторону вращения стенками. В случае прихвата наружной трубы бурильную колонну разгружают и вводят в зацепление торцы переводников и наружной трубы. Затем поворачивают бурильную колонну и вводят в зацепление профильные поверхности торцов переводников и наружной трубы. В результате, при проскальзывании наклонных поверхностей друг относительно друга, создается вибрационный режим для ликвидации прихвата. Для увеличения эффекта на торцевые поверхности трубы установлены дополнительно штыри со сферическими головками.
Недостатком конструкции устройства является, по сути, устранение уже случившегося искривления скважины, однако таким образом невозможно предупредить появление процесса искривления как такового.
Предложено устройство для бурения глубоких скважин, которое обеспечивает предупреждение их искривление (4). Устройство включает корпус, верхний и нижний переводники, центратор и кольцевой груз, смонтированный на корпусе. Груз выполнен из нескольких секций, которые снабжены радиальными пазами на верхнем торце и установлены с возможностью вращения и перемещения в осевом направлении. Нижний торец каждой секции снабжен упругим элементом. С нижним переводником жестко связано долото. В процессе бурения происходят соударения секций груза из-за продольной вибрации инструмента, при этом за счет упругих элементов продольные вибрации частично гасятся, а так как секции груза установлены на корпусе с зазором, то они перемещаются в вертикальном направлении, что способствует предупреждению искривления скважины.
Такое исполнение устройства, однако, не исключает явление искривления скважин как таковое, а лишь обеспечивает их частичное устранение в процессе бурения.
Известна конструкция установки УБЗШ-2 для бурения замораживающих скважин глубиной до 400 м роторным и турбинным способом (5). Буровой агрегат содержит платформу с четырьмя опорами, снабженными гидравлическими цилиндрами для выравнивания платформы в горизонтальной плоскости и колесами ля перемещения по кольцевым рельсам. На платформе смонтированы горизонтальные домкраты с канатным захватом для перемещения установки с одной скважины на другую, буровая лебедка с ротором, приводным электродвигателем и электрической пусковой аппаратурой. Вращение ротора осуществляют электрическим двигателем лебедки через коробку скоростей и карданный вал. Установка комплектуется буровыми трубами диаметром 114 мм и утяжеленными буровыми трубами (УБТ) диаметром 178 мм.
Недостатком такой конструкции установки является не высокая мобильность при перемещении ее с одной скважины на другую, а также не эффективная стабилизация ствола скважины при бурении, которая обеспечивается маятниковым эффектом оснастки утяжеленного низа УБТ.
Наиболее близко к предлагаемой полезной модели техническое решение установки для проходки замораживающих скважин типа УБЗШ - модификации 2-20 и 2-30, которая и выбрана в качестве прототипа (6). Установка содержит буровой блок, смонтированный на станине, которая установлена на шасси автомобиля МАЗ. Насосно-силовой блок на шасси прицепа, например, МАЗ-5207В и на отдельном шасси прицепа блок с оборудованием, рабочей площадкой с подсвечниками, навесное оборудование. На буровом блоке смонтировано силовое оборудование, лебедка, мачта, жестко связанная со станиной, ведущая штанга, ротор, гидрораскрепитель, механизм свинчивания труб, спуско-подъемный и ловильный инструмент. Буровой агрегат включает также переносные опорные регулирующие домкраты, буровую колонну с компоновкой утяжеленного низа (УНБК) маятникового типа с породоразрушающим инструментом, а также систему стабилизации и контроля вертикальности. Контроль вертикальности осуществляют при монтаже установки над устьем скважины путем вертикального установки мачты посредством отвесов и периодического последующего контроля теодолитом и регулировки осевой нагрузки на буровую колонну. При этом стабилизацию вертикальности скважины обеспечивают посредством использования маятникового эффекта и забуревания ведущей штангой
Недостатком прототипа является не эффективная стабилизация вертикальности проходки скважин, которая обеспечивается исключительно маятниковым эффектом оснастки утяжеленного низа и забуревания скважины по вертикали без УНБК.
Задачей полезной модели является устранение указанного недостатка и повышение эффективности процесса бурения, за счет исключения искривления скважин и обеспечения строго вертикальной их проходки.
Технически результатом полезной модели является обеспечение строго вертикального хода подвижного вращателя в процессе проходки скважин путем поддержания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях горизонтального положения станины буровой установки, а также контроль стабилизации вертикальности бурения датчиками уровня.
Поставленная задача решена тем, что в установке для бурения вертикальных скважин, содержащей станину с опорными регулируемыми домкратами и жестко связанную с ней мачту, буровую колонну с компоновкой утяжеленного низа с породоразрушающим инструментом, а также системы стабилизации и контроля вертикальности, согласно полезной модели, мачта снабжена подвижным вращателем, а система стабилизации вертикальности содержит два колибратора в качестве фрезера и два спаренных центратора в составе компоновки утяжеленного низа, причем последняя выполнена с возможностью жесткого центрирования с осью скважины, а система контроля содержит датчики уровня функционально связанные с опорными домкратами, которые смонтированы с возможностью поддержания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях горизонтального положения станины с обеспечением строго вертикального хода подвижного вращателя, при этом буровая колонна растянута под осевой нагрузкой не более 80% от веса компоновки утяжеленного низа.
Датчики уровня смонтированы на станине или мачте, или вращателе и функционально связаны с системой контроля вертикальности, которая содержит теодолит, установленный на поверхности земли вне станины буровой установки.
Датчики уровня выполнены на базе цилиндрических или круглых пузырьковых гидравлических уровней с ценой деления 1-10 секунд.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена принципиальная блок - схема мобильной буровой установки.
На фиг.2 - схема бурильной колонны с компоновкой утяжеленного низа
(УНБК).
Установка 13 содержит станину 1, с тремя опорными регулируемыми домкратами 2 (один из них на чертеже не показан). На станине 1 размещена жестко связанная с ней мачта 3 с подвижным вращателем 4 и гидравлическими цилиндрами подачи 5. На мачте 3 установлены во взаимно перпендикулярных плоскостях два датчика горизонтального уровня 6 в виде цилиндрических гидравлических пузырьковых уровней. Датчики 6 функционально связаны с теодолитом 7, который установлен на грунте отдельно от станины 1 установки 13 и предназначен для настройки уровня 6 и отслеживания вертикальности хода вращателя 4. Вращатель 4 приводным валом (на чертеже не показан) соединен с буровой колонной содержащей буровые трубы 8, компоновку УНБК с породоразрушающим инструментом-долотом 9, утяжеленные бурильные трубы (УБТ) 10, два калибратора 11, смонтированные на концах первой УБТ, два центратора 12, установленные в середине и на верхнем конце колонны УБТ.
Установка работает следующим образом.
Станину 1 буровой установки 13 монтируют над устьем скважины 14, мачту 3 устанавливают в строго вертикальном положении. Регулировку установки мачты 3 и оси хода вращателя 4 производят с помощью трех домкратов 2. Точность установки мачты 3 по вертикали, и соответственно оси хода вращателя 4, определяют по уровню 6, который предварительно настраивают с помощью теодолита 7. В процессе настройки контролируют, чтобы горизонтальное положение пузырьков уровня 6 отслеживало вертикальный ход вращателя 4, при этом точность регулировки вертикальности определяется ценой деления уровня 6 и составляет 1-10 секунд и выше, в зависимости от заданной величины, которую требуется выдержать в процессе бурения. Затем осуществляют вертикальное забуревание скважины 14, при этом буровая колонна в момент забуревания уже оснащена УНБК, что обеспечивает стабилизацию набранного направления бурения. В процессе забуревания аналогичным образом, как и при установке мачты 3, непрерывно контролируют по
уровню 6 и регулируют домкратами 2 вертикальность хода вращателя 4, который таким же образом постоянно контролируют и регулируют в процессе дальнейшего бурения скважины 14. При этом проверяют, чтобы допустимое отклонение оси вращателя 4 от вертикали составляло не более допустимых проектных значений. Стабилизацию набранного вертикального направления при забуревании и дальнейшем бурении осуществляют посредством бурильной колонны из труб 8 с жестко сцентрировнной компоновкой утяжеленных труб 10 с двумя калибраторами 11 и двумя центраторами 12, при этом бурение ведут на растянутой бурильной колонне под осевой нагрузкой на долото 9 не свыше 80% от веса УНБК.
Установка согласно полезной модели успешно испытана при бурении вертикальных замораживающих скважин на строительстве шахтных стволов Краснослободского рудника РУП «ПО Беларуськалий» (Беларусь, г. Солигорск). Было пробурено 76 скважин глубиной 220 м диаметром 244,5 мм. Допустимое проектное отклонение от вертикали составляло 0,5 м и 0,9 м или 7,8 минут на конечной глубине. Достигнутая фактическая вертикальность скважин на 70% соответствовала проектным требованиям, а в остальных 30% лишь незначительно превысила их.
Такой результат получен благодаря применению принципиально нового конструктивного решения по обеспечению стабилизации вертикальности бурения, а именно: строго направленное вертикальное перемещение подвижного вращателя 4, которое постоянно контролируется датчиками уровня 6 и корректируется удержанием станины 1 с жестко связанной с ней мачтой 3 в горизонтальном положении. Установка позволяет осуществлять забревание скважины вертикально, стабилизировать набранное направление, и как показали испытания в производственных условиях, практически полностью исключает возникновение явления искривления скважин.
Высокая эффективность стабилизации вертикальности позволила отказаться от бурения 10 дополнительных скважин, первоначально предусмотренных проектом на случай существенного отклонения от вертикали основных
замораживающих скважин по результатам предшествующих аналогичных буровых работ при строительстве 4-х рудников за последние 60 лет и получить экономию средств порядка 180.000 долларов США.
Источники информации:
7
1. RU №99121060 А, МПК Е 21 В 7/00; Е 21 В 10/00, (22) 1999.10.06, (54) «Способ бурения скважин и устройство для его осуществления».
6
2. RU №93037028 А, МПК 1993.07.21, (54) «Компоновка бурильной колонны».
5
3. RU №2010939 С1, МПК Е 21 В 7/10; (22) 1991.03.01, (54) «Устройство для уменьшения интенсивности естественного искривления скважин».
6
4. RU №2052068 С1, МПК Е 21 В 7/10; (22) 07.06.1990, (54) «Устройство для бурения скважин».
5. Проходка стволов шахт способом замораживания. Изд. «НЕДРА», Москва - 1968, «Буровая установка УБЗШ-2», с.21-22.
6. Буровые установки для проходки скважин и стволов. Справочник: А.Т.Николаенко, Б.Я.Седов, Н.Д.Терехов, Н.С.Болотских, изд. 3-е, перераб. и доп., М. «Недра», 1985, с.52, 53 (прототип).