СПОСОБ ВСКРЫТИЯ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ В НЕУСТОЙЧИВЫХ ПОРОДАХ ВОССТАЮЩЕЙ ДРЕНАЖНОЙ СКВАЖИНОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF OPENING OF WATERBEARING STRATUM IN UNSTABLE ROCKS BY UPWARD BOREHOLE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано для сооружения восстающих дренажных скважин на два и более водоносных горизонта в неустойчивых породах при строительстве систем защиты горных предприятий от обводнения, обеспечивающих дополнительный отбор воды.
Из технического уровня известен способ вскрытия водоносного горизонта, представленного обводненными песками и песчано-гравийными породами, восстающими дренажными скважинами при строительстве систем осушения на горнодобывающих предприятиях и устройство для его осуществления.
Известный способ предусматривает бурение фильтровой колонной с пакером и пакерными трубами с прямой промывкой на первый водоносный горизонт со свободным нерегулируемым выпуском из скважины воды с песком из водоносного горизонта, посадку в первый водоносный горизонт фильтровой колонны с пакером и пакерными трубами на небольшую глубину (4-5 м), извлечение пакера и пакерных труб и последующую эксплуатацию скважины.
Устройство для сооружения восстающей скважины включает буровой станок для бурения восстающих скважин, кондуктор, оборудование устья скважины, фильтровую колонну с пакером и пакерными трубами (Е.П.Писанец и др. Техника и технология сооружения дренажных скважин из подземных горных выработок. «Справочник по осушению горных пород». М.: «Недра», 1984, стр. 411-416).
Недостатками известного способа вскрытия водоносного горизонта и устройства для его осуществления являются высокая аварийность при сооружении восстающих дренажных скважин, неуправляемый вынос песка и песчано-гравийных пород из водоносного горизонта и высокая вероятность заполнения горной выработки песчано-гравийной породой, а также неуправляемый процесс вскрытия водоносного горизонта, небольшая глубина посадки фильтровой колонны в водоносный горизонт. Поэтому производительность скважин из водоносного горизонта изменяется в очень широких пределах. Фильтровой колонной перекрывается небольшая мощность первого водоносного горизонта, исключается возможность вскрытия двух водоносных горизонтов.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленным способу и устройству является способ вскрытия водоносных горизонтов в неустойчивых породах восстающей дренажной скважиной буровой установкой УДБ-8. Буровая установка УДБ-8 включает буровой станок, буровой насос, вращатель, буровой снаряд, промежуточную колонну труб, фильтровую колонну труб и оборудование устья скважины, содержащее кондуктор, корпус устья скважины, подхват труб, сальник, нажимную втулку, отводной патрубок и задвижку. Для сооружения восстающей дренажной скважины устанавливают в камере буровую установку. Забуривают скважину под кондуктор, устанавливают кондуктор и цементируют его, к кондуктору крепят оборудование устья скважины, бурят скважину буровым снарядом до первого водоносного горизонта, бурят промежуточной колонной труб в первом водоносном горизонте на небольшую глубину, бурят скважину фильтровой колонной труб и вскрывают второй водоносный горизонт (Тимошков И.А., Беляков С.И. и др. Опыт сооружения восстающих скважин в Китае. Материалы 2-го международного симпозиума «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях». Белгород, ВИОГЕМ, 1993, с.136-139).
Недостатком прототипа является неуправляемый процесс бурения в неустойчивых породах водоносных горизонтов, высокая аварийность при бурении скважин, большой разброс в производительности скважин.
Задачей изобретения является создание управляемого способа вскрытия водоносных горизонтов, обеспечивающего возможность бурения восстающих дренажных скважин на два или более водоносных горизонтов в неустойчивых породах, и устройства для его реализации.
Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации заявляемого изобретения, являются:
- Обеспечение устойчивости стенок скважины;
- Регулируемый вынос песка, песчано-гравийных пород и других неустойчивых пород из водоносных горизонтов;
- Обеспечение управляемости процесса вскрытия водоносного горизонта;
- Обеспечение возможности вскрытия двух и более водоносных горизонтов;
- Обеспечение возможностей эксплуатации двух водоносных горизонтов одной восстающей дренажной скважиной.
Решение указанной задачи и достижение вышеперечисленных результатов стало возможным благодаря тому, что в известном способе вскрытия водоносных горизонтов в неустойчивых породах восстающей дренажной скважиной, включающем монтаж основного бурового насоса, бурового станка, бурение восстающей скважины под кондуктор с фланцем, цементирование кондуктора, крепление на фланце кондуктора подхвата для труб и корпуса устья скважины с уплотнительным кольцом, нажимной втулкой, отводным патрубком и задвижкой, бурение восстающей скважины буровым снарядом до первого водоносного горизонта с оставлением перемычки и его извлечение, бурение промежуточной колонной труб, бурение фильтровой колонной труб, имеющей меньший диаметр, чем диаметр промежуточной колонны труб, и извлечение из нее пакера и пакерных труб, монтируют дополнительный буровой насос и подключают его к отводному патрубку корпуса устья скважины, после извлечения бурового снаряда устанавливают на входе этого патрубка насадку, диаметр которой рассчитывают в зависимости от статического уровня водоносных горизонтов на устье скважины, дополнительным буровым насосом непрерывно подают промывочную жидкость для создания противодавления между стенками скважины и промежуточной или фильтровой колоннами труб выше пластового, при этом дополнительный буровой насос работает непрерывно во время бурения этими колоннами труб, а основной включают только на время процесса разрушения породы, после завершения бурения промежуточной колонной труб и посадки ее до кровли первого водоносного горизонта перекрывают кольцевое пространство между кондуктором и этой колонной путем подачи уплотнительного кольца кольцом, жестко закрепленным на нижнем торце промежуточной колонны труб, а после окончания бурения фильтровой колонной труб ее подвешивают к фланцу нажимной втулки, крепят к нему задвижку, закрывают задвижку на отводном патрубке и демонтируют насадку, а также благодаря тому, что известное устройство для вскрытия водоносных горизонтов в неустойчивых породах восстающей дренажной скважиной, включающее буровой станок, вращатель, основной буровой насос, буровой снаряд, промежуточную колонну труб, фильтровую колонну труб и оборудование устья скважины, содержащее кондуктор, корпус устья скважины, подхват труб, сальник, нажимную втулку, отводной патрубок и задвижку, промежуточная колонна труб снабжена кольцом, жестко установленным на ее нижнем торце с возможностью установки уплотнительного кольца для перекрытия кольцевого зазора между кондуктором и промежуточной колонной труб, устройство снабжено дополнительным буровым насосом, связанным с отводным патрубком корпуса устья скважины, а также насадкой, устанавливаемой на выходе этого патрубка, диаметр которой зависит от статистического уровня водоносных горизонтов на устье скважины, и краном поворотным для пропуска воды в отводной патрубок от дополнительного бурового насоса. В частном примере использования способа при сооружении восстающей дренажной скважины в первом водоносном горизонте для добычи из него воды в качестве промежуточной колонны труб используют фильтровую колонну труб.
Изобретательским шагом является создание при вскрытии водоносного горизонта противодавления в кольцевом пространстве в области водоносных горизонтов выше статического уровня водоносных горизонтов, что позволяет создать устойчивость стенок скважины, обеспечить управляемый процесс бурения в водоносных горизонтах, возможность бурения на два водоносных горизонта, возможность перекрытия кольцевого пространства между кондуктором и промежуточной колонной. Возможность эксплуатации двух водоносных горизонтов одной восстающей дренажной скважиной обеспечена использованием в качестве промежуточной колонны труб фильтровой колонны труб.
Заявляемое изобретение иллюстрируют следующие фигуры:
Фиг.1. Показана компоновка бурового станка, бурового снаряда и оборудования устья скважины в камере, кондуктор, подхват труб, корпус устья скважины, задвижка.
Фиг.2. Показано оборудование устья скважины: кондуктор, подхват труб, корпус устья скважины, уплотнительное кольцо, сальник, нажимная втулка, отводной патрубок, кран поворотный, задвижка, корпус насадки и насадка.
Фиг.3. Показана промежуточная колонна труб: породообразующий инструмент в виде шарошечного долота, переводник с обратным клапаном, переводники, трубы, труба с приваренным кольцом.
Фиг.4. Показана фильтровая колонна труб: переводник, пакерная труба с левой резьбой, пакерная труба, муфты, фильтр, пакер, короткая труба, трубы, фланец.
Устройство для вскрытия водоносных горизонтов в неустойчивых породах восстающей дренажной скважины включает буровой станок 1 (фиг.1), который установлен в камере подземной горной выработки (на фиг. не показана). В этой же камере установлены основной буровой насос (на фиг. не показан) и дополнительный буровой насос (на фиг. не показан). Устройство включает буровой снаряд 2 (фиг.1), состоящий из бурильных труб с породоразрушающим инструментом (на фиг. не показан), оборудование устья скважины (фиг.2), промежуточную колонну труб (фиг.3) и фильтровую колонну труб (фиг.4).
Оборудование устья скважины (фиг.2) включает кондуктор 3, подхват труб 4, корпус 5 устья скважины, задвижку 6, уплотнительное кольцо 7, сальник 8, нажимную втулку 9, отводной патрубок 10, на котором закреплен поворотный кран 11. К задвижке 6 крепится корпус 12 насадки с насадкой 13, диаметр которой рассчитывают в зависимости от статического напора водоносных горизонтов на устье скважины для обеспечения напора в кольцевом пространстве скважины выше статического напора водоносных горизонтов на устье скважины.
Промежуточная колонна труб (фиг.3) включает породоразрушающий инструмент 14 в виде шарошечного долота, переводник с обратным клапаном 15, переводник 16, трубу 17, нижнюю трубу 17 с приваренным к ней кольцом 18, предназначенным для подъема уплотнительного кольца 7 для перекрытия кольцевого зазора между кондуктором 3 и промежуточной колонной труб после посадки ее на заданную глубину, переводник 19 для соединения промежуточной колонны с валом вращателя (на фиг. не показан) бурового станка 1.
Фильтровая колонна труб (фиг.4) состоит из переводника 20, пакерной трубы 21 с левой резьбой, муфт 22, фильтров 23, пакерных труб 24 с правой резьбой, короткой трубы 25, пакера 26, труб 27, переводника 28 для соединения фильтровой колонны с валом вращателя бурового станка 1, фланца 29.
Заявленный способ сооружения восстающей дренажной скважины осуществляют следующим образом. В камере горной выработки монтируют буровой станок 1, основной буровой насос (на фиг. не показан) и дополнительный буровой насос (на фиг. не показан). Забуривают скважину на глубину 4-5 м. На эту глубину устанавливают кондуктор 3 с фланцем (на фиг. не показан) и цементируют кольцевое пространство. К фланцу кондуктора 3 крепят корпус 5 устья скважины с задвижкой 6 на отводном патрубке 10, нажимной втулкой 9 и сальником 8. Затем в скважину посылают буровой снаряд 2 и бурят до первого водоносного горизонта, оставляя перемычку (на фиг. не показана). После извлечения бурового снаряда 2 в скважину посылают промежуточную колонну труб (фиг.3) с породоразрушающим инструментом 14 в виде шарошечного долота. К задвижке 6 отводного патрубка 10 крепят корпус насадки 12. В корпус насадки 12 вставляют насадку 13. В дальнейшем процесс бурения выполняют с использованием основного и дополнительного буровых насосов. Дополнительным буровым насосом через поворотный кран 11 подают промывочную жидкость в отводной патрубок 10 для создания противодавления выше пластового в кольцевом пространстве между стенками скважины и промежуточной или фильтровой колоннами труб. Дополнительный буровой насос работает непрерывно, основной буровой насос - только в процессе разрушения породы. На заданной глубине бурение промежуточной колонной труб заканчивают, кольцевое пространство между кондуктором 3 и промежуточной колонной труб перекрывают уплотнительным кольцом 7 путем его подачи кольцом 18, буровые насосы выключают, промежуточную колонну труб крепят подхватом труб 4.
Затем в скважину посылают фильтровую колонну труб (фиг 4), переводник 20 фильтровой колонны труб соединяют с переводником с обратным клапаном 15 промежуточной колонны труб. При медленном вращении фильтровой колонны труб происходит отсоединение переводника 15 с обратным клапаном и породоразрушающим инструментом 14 в виде шарошечного долота.
Бурение фильтровой колонной труб осуществляют при непрерывной работе дополнительного бурового насоса, что позволяет создать противодавление в кольцевом пространстве скважины при проходке водоносного горизонта. На заданной глубине бурение фильтровой колонной труб заканчивают. Фильтровую колонну труб подвешивают к нажимной втулки 9. К фланцу 29 фильтровой колонны труб крепят задвижку 6. Закрывают задвижку 6 на отводном патрубке 10, демонтируют корпус насадки 12 и насадку 13. В фильтровую колонну труб посылают буровой снаряд 2, с помощью которого извлекают пакер 26, пакерную трубу 21, пакерные трубы 24. Выполняют операции по прокачке скважины и начинают ее эксплуатацию.
Пример 1. Прототип
На горнодобывающих предприятиях КМА пробурено более 20 восстающих дренажных скважин на два водоносных горизонта. Первый водоносный горизонт залегает на глубине 60-70 м, второй водоносный горизонт - на глубине 80-90 м. Использовались буровой станок УДБ-8-01, основной буровой насос НБ 160/6,3, оборудование устья скважины, промежуточная колонна труб диаметром 114 мм и фильтровая колонна труб диаметром 89 мм с пакером и пакерными трубами.
Кондуктор из труб диаметром 146 мм установлен на глубину 3-5 м, к нему установлены подхват труб и оборудование устья скважины. До глубины 55 м бурение осуществлялось буровым снарядом диаметром 89 мм с шарошечным долотом диаметром 132 мм, с глубины 55 м до 65 м - промежуточной колонной труб диаметром 114 мм с шарошечным долотом диаметром 132 мм, с глубины 65 м до 85 м - фильтровой колонной труб диаметром 89 мм с шарошечным долотом диаметром 132 мм. Промежуточная колонна труб крепилась с помощью подхвата труб, фильтровая колонна труб крепилась к нажимной втулке.
Процесс бурения в водоносных горизонтах проходил с большими осложнениями. Резко возрастали крутящие моменты на колоннах труб, прихваты их, из скважины выносилось большое количество песка. Были скважины аварийные, отмечен большой разброс в производительности дренажных скважин.
Пример 2
Для горнодобывающего предприятия разработан проект вскрытия двух водоносных горизонтов восстающими дренажными скважинами.
Бурение восстающих дренажных скважин производят из камер на нулевом горизонте буровой установкой УДБ-8-01, укомплектованной основным и дополнительным буровыми насосами НБ 160/6,3.
В геологическом разрезе по скважине представлен первый слой железистых кварцитов, сланцев, плагиогранитов, магнетитов коры выветривания VIII группы грунтов по буримости, I группы грунтов по устойчивости мощностью 50 м; второй слой песков разнозернистых каолинизированных с прослоями глин и песчаников III группы грунтов по буримости, II группы грунтов по устойчивости мощностью 15 м; третий слой глин песчанистых с прослоями песков глинистых, алевритов песчанистых, песков кварцевых III группы грунтов по буримости, II группы грунтов по устойчивости мощностью 30 м; четвертый слой песков разнозернистых, алевритов, галечников, очень редко глин III группы грунтов по буримости, II группы грунтов по устойчивости мощностью 5 м. Второй и пятый слой песков рассматриваются как два водоносных горизонта с напорами на устье до 100 м.
Для проходки скважины до проектной отметки принимают трехколонную конструкцию скважин. Все скважины вертикальные.
Кондуктор из труб диаметром 168 мм устанавливают на глубину 5 м, промежуточную колонну труб диаметром 114 мм - на глубину 65 м, фильтровую колонну труб диаметром 89 мм - на глубину 100 м. Затрубное пространство между трубами диаметром 168 мм и стенами скважины диаметром 215 мм цементируются. Бурение вертикальной дренажной скважины до глубины 5 м осуществляют шарошечным долотом 215 мм, до глубины 45 - шарошечным долотом диаметром 146 мм, до глубины 100 м - шарошечным долотом 132 мм.
Бурение промежуточной колонной труб с глубины 45 м до 65 м и фильтровой колонной труб с глубины 65 м до 100 м осуществляют с обеспечением напора промывочной жидкости на устье скважины 1,1 МПа. Для принятого напора на устье скважин и производительности дополнительного насоса, равного 160 л/мин, диаметр насадки равен согласно расчету 8,6 мм.
Как видно из примера 2, заявленная совокупность существенных признаков изобретения позволяет решить поставленную задачу, а именно создать управляемый способ вскрытия водоносного горизонта, обеспечивающего возможность бурения восстающих дренажных скважин на два и более водоносных горизонтов за счет создания противодавления выше пластового напора в кольцевом пространстве сквжины в течение всего времени бурения скважины в неустойчивых породах, обеспечиваемое подачей промывочной жидкости в отводной патрубок дополнительным буровым насосом и выпуском водопесчаной смеси через отрегулированную насадку. При этом глубина посадки фильтровой колонны труб достигает проектной глубины.