МЕХАНИЗМ ПОДАЧИ БУРОШНЕКОВОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ БУРЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ И СЛАБОНАКЛОННЫХ СКВАЖИН

Предлагаемое техническое решение относится к оборудованию для бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин с креплением их стенок трубчатым кожухом и может быть использовано для прокладки продуктопроводов, канализации, кабелей под водными и земляными преградами, транспортными магистралями, природоохранными зонами и др.
Известен механизм подачи бурошнековой установки для бестраншейной прокладки трубопроводов (патент РФ на полезную модель №185552, МПК Е21В 7/04, E02F 5/18, опубл. 11.12.2018), включающий неподвижные упоры двухстороннего действия, зафиксированные в верхних пазах продольных направляющих балок модульной составной рамы с возможностью взаимного замкового зацепления с ответными поверхностями подвижных упоров двухстороннего действия, жестко прикрепленных к штокам гидродомкратов подачи каретки с бурошнековой машиной, секционной обсадной колонной и инструментом, самонастраивающееся подъемно-опускающее устройство, которое выполнено в виде вертикальной упорной стойки, подвижно сопряженной со штоком гидродомкрата подачи, и поворотного в вертикальной плоскости изогнутого рычага, шарнирно прикрепленного к цилиндру гидродомкрата подачи с возможностью подъема или опускания вертикальной упорной стойки для выхода или входа в замковое зацепление с клиновыми сторонами неподвижных упоров направляющих балок.
Недостатком данного технического решения является низкая техническая производительность процесса бурения горизонтальной скважины, обусловленная трудоемкостью совместного монтажа-демонтажа каретки с бурошнековой машиной и шарнирно соединенных с кареткой гидродомкратов подачи на продольных направляющих балок модульной составной рамы, сложностью позиционирования с помощью рычажных систем гидродомкратов подачи в процессе настройки, приводящей в вероятному отказу самонастраивающегося подъемно-опускающего устройства, а, следовательно, механизма подачи в целом.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению, выбранным в качестве прототипа, является механизм подачи бурошнековой установки для бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин (патент РФ на полезную модель №190838, МПК Е21В 7/04, Е21В 23/00, E02F 5/18, опубл. 15.07.2019), включающий неподвижные упоры двухстороннего действия в верхних пазах продольных направляющих балок модульной составной рамы, подвижные упоры двухстороннего действия на концах штоков гидродомкратов подачи каретки с бурошнековой машиной, секционной обсадной колонной и инструментом, при этом подвижные упоры кинематически сопряжены с самонастраивающимися на всю длину прямого или обратного шаговых ходов подъемно-опускающими устройствами для поочередного замкового зацепления с любой из сторон неподвижных упоров направляющих балок. Механизмы подъема и опускания подвижных упоров для выхода или входа в замковое зацепление с неподвижными упорами направляющих балок выполнены в виде гибких связей, верхние концы которых размещены на боковых элементах лобовины каретки, нижние концы прикреплены к цилиндрам гидродомкратов подачи, а внутри размещены устройства для изменения линейной длины гибких связей.
Недостатком данного технического решения является неравнозначность максимальных осевых усилий подачи каретки с бурошнековой машиной на забой скважины при реализации двухэтапного процесса бурения прямым и обратным ходом вследствие работы у гидродомкратов подачи либо поршневых, либо штоковых полостей. В случае подачи рабочей жидкости в штоковые полости гидродомкратов, при уменьшении полезной площади поршня на величину площади сечения штока, каретка с бурошнековой машиной, секционной обсадной колонной и инструментом перемещается ускоренно, но под действием уменьшенного усилия подачи, что целесообразно использовать при маневровых или холостых режимах работы.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, - обеспечение максимального усилия подачи как на прямом, так и на обратном ходе при реализации двухэтапного процесса бурения горизонтальной скважины.
Указанный технический результат достигается тем, что в механизме подачи бурошнековой установки для бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин, включающем неподвижные упоры двухстороннего действия в верхних пазах продольных направляющих балок модульной составной рамы, подвижные упоры двухстороннего действия на концах штоков гидродомкратов подачи каретки с бурошнековой машиной, секционной обсадной колонной и инструментом, при этом подвижные упоры кинематически сопряжены с самонастраивающимися на всю длину прямого или обратного шаговых ходов подъемно-опускающими устройствами для поочередного замкового зацепления с любой из сторон неподвижных упоров направляющих балок, механизмы их подъема и опускания для выхода или входа в замковое зацепление с неподвижными упорами направляющих балок в виде гибких связей, верхние концы которых размещены на боковых элементах лобовины каретки, а нижние концы прикреплены к цилиндрам гидродомкратов подачи, согласно заявляемому техническому решению, боковые элементы лобовины каретки выполнены в виде радиально-упорных центрирующих втулок с вертикальными осями, в которых размещены П-образные колонны с возможностью совместного поворота всех их конструктивных частей на 180° и фиксации от осевого перемещения относительно осей центрирующих втулок, при этом верхние выступающие полки П-образных колонн выполнены в виде площадок, сверху которых размещены лебедки укорачивания или удлинения гибких связей, а сбоку расположены приемные углубления центраторов верхнего ориентированного положения цилиндров гидродомкратов подачи, а нижние выступающие полки П-образных колонн выполнены в виде проушин, которые в свою очередь шарнирно соединены через горизонтальные оси с торцевыми проушинами цилиндров гидродомкратов подачи с возможностью их подъема в верхнее ориентированное положение относительно центраторов или опускания в нижнее ориентированное положение относительно верхних пазов продольных направляющих балок.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена фронтальная проекция бурошнековой установки с предлагаемым механизмом подачи при бурении пионерной скважины прямым ходом (гидродомкраты подачи условно показаны в двух положениях - нижнем ориентированном и верхнем ориентированном); на фиг. 2 - вид сверху на бурошнековую установку с предлагаемым механизмом подачи при бурении пионерной скважины прямым ходом; на фиг. 3 - вид справа на бурошнековую установку с предлагаемым механизмом подачи; на фиг. 4 - выносной элемент I с фиг. 1 с сечением сопряжения конструктивных частей П-образных колонн; на фиг. 5 - фронтальная проекция бурошнековой установки с предлагаемым механизмом подачи при разбуривании скважины обратным ходом (гидродомкраты подачи условно показаны в двух положениях - нижнем ориентированном и верхнем ориентированном); на фиг. 6 - вид сверху на бурошнековую установку с предлагаемым механизмом подачи при разбуривании скважины обратным ходом.
Механизм подачи бурошнековой установки для бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин (фиг. 1-3, 5, 6) включает неподвижные упоры 1 двухстороннего действия в верхних пазах продольных направляющих балок 2 модульной составной рамы 3, подвижные упоры 4 двухстороннего действия на концах штоков 5 гидродомкратов подачи 6 каретки 7 с бурошнековой машиной 8, секционной обсадной колонной 9 и инструментом 10, при этом подвижные упоры 4 кинематически сопряжены с самонастраивающимися на всю длину прямого или обратного шаговых ходов подъемно-опускающими устройствами 11 для поочередного замкового зацепления с любой из сторон неподвижных упоров 1 направляющих балок 2, механизмы их подъема и опускания для выхода или входа в замковое зацепление с неподвижными упорами направляющих балок в виде гибких связей 12, верхние концы которых размещены на боковых элементах лобовины каретки 7, а нижние концы прикреплены к цилиндрам гидродомкратов подачи 6.
Боковые элементы лобовины каретки 7 выполнены в виде радиально-упорных центрирующих втулок 13 с вертикальными осями, в которых размещены П-образные колонны 14 с возможностью совместного поворота всех их конструктивных частей на 180° и фиксации от осевого перемещения относительно осей центрирующих втулок 13, при этом верхние выступающие полки П-образных колонн 14 выполнены в виде площадок 15, сверху которых размещены лебедки 16 укорачивания или удлинения гибких связей 12, а сбоку расположены приемные углубления центраторов 17 верхнего ориентированного положения цилиндров гидродомкратов подачи 6, а нижние выступающие полки П-образных колонн 14 выполнены в виде проушин 18, которые в свою очередь шарнирно соединены через горизонтальные оси с торцевыми проушинами цилиндров гидродомкратов подачи 6 с возможностью их подъема в верхнее ориентированное положение относительно центраторов 17 или опускания в нижнее ориентированное положение относительно верхних пазов продольных направляющих балок 2.
Сопряжение центральных частей П-образных колонн 14 с нижними выступающими полками в виде проушин 18 (фиг. 4) осуществлено соединением «вал-втулка». Совместный поворот на 180° всех конструктивных частей П-образных колонн 14 относительно вертикальных осей осуществляется во вкладыше 19 и подпятнике 20 радиально-упорной части, а осевая фиксация П-образных колонн 14 в сборе замковыми устройствами 21 осуществляется в центрирующей части радиально-упорных центрирующих втулок 13, являющихся боковыми элементами лобовины каретки 7.
Предлагаемое техническое решение работает следующим образом.
Для предварительной настройки циклического прямого или обратного шагового хода (фиг. 1, 2, 5, 6) поднимают гибкими связями 12, верхние концы которых размещены на боковых элементах лобовины каретки 7, а нижние концы прикреплены к цилиндрам гидродомкратов подачи 6, за счет их укорачивания, самонастраивающиеся подъемно-опускающие устройства 11 совместно со штоками 5 гидродомкратов подачи 6, цилиндры которых шарнирно прикреплены к каретке 7, до выведения подвижных упоров 4 из замкового зацепления с неподвижными упорами 1 в верхних пазах продольных направляющих балок 2 модульной составной рамы 3. Затем для последующего замкового зацепления с неподвижными упорами 1 на прямой или обратный ход подвижные упоры 4 настраивают на соответствующее положение с дальнейшей их фиксацией.
Укорачивание или удлинение гибких связей 12 осуществляется наматыванием или разматыванием с помощью лебедок 16, размещенных на площадках 15, в виде которых выполнены верхние выступающие полки П-образных колонн 14, размещенных вдоль вертикальных осей в радиально-упорных центрирующих втулок 13, являющихся в свою очередь боковыми элементами лобовины каретки 7.
Для обеспечения подачи на раме 3 по ее направляющим балкам 2 каретки 7 с бурошнековой машиной 8, секционной обсадной колонной 9 и инструментом 10 на забой на полную длину циклического прямого или обратного шагового хода (фиг. 1-3, 5, 6), осуществляемой гидродомкратами подачи 6, цилиндры которых шарнирно прикреплены к каретке 7, опускают самонастраивающиеся подъемно-опускающие устройства 11 в рабочее положение гибкими связями 12 за счет их удлинения.
Бурение пионерной скважины циклическим прямым ходом (фиг. 1, 2) осуществляется на раздвигающихся штоках 5 гидродомкратов подачи 6, чем достигается максимальное осевое усилие подачи каретки 7 с бурошнековой машиной 8, секционной обсадной колонной 9 и инструментом 10 на забой.
В работе находятся подвижные упоры 4 для замкового зацепления с неподвижным упором 1 на прямой ход. Самонастраивающиеся подъемно-опускающие устройства 11 обеспечивают в процессе ускоренного циклического сокращения штоков 5 преодоление наружными частями подвижных упоров 4 сил трения, дальнейшее движение вперед с подъемом и одновременным поворотом относительно общих горизонтальных осей шарнирных соединений торцевых проушин цилиндров гидродомкратов подачи 6 с проушинами 18 нижних выступающих полок П-образных колонн 14, последующее скольжение по верхним часям неподвижных упоров 1. Ход штоков 5 гидродомкратов подачи 6 в 1,1÷1,2 раза больше шага параллельно закрепленных в верхних пазах неподвижных упоров 1 вдоль обеих направляющих балок 2 модульной составной рамы 3, поэтому после преодоления всей длины верхних частей неподвижных упоров 1 самонастраивающиеся подъемно-опусакющие устройства 11 имеют возможность вновь опуститься на направляющую балку 2. При начале раздвижки штоков 5 гидрдомкратов подачи 6 торцевой клиновой участок подвижного упора 4 входит во взаимное зацепление с ответной клиновой поверхностью неподвижного упора 1, чем вновь обеспечивается подача на раме 3 по ее направляющим балкам 2 каретки 7 с бурошнековой машиной 8, секционной обсадной колонной 9, инструментом 10 на забой на полную длину циклического прямого шагового хода. Высота самонастраивающихся подъемно-опускающих устройств 11 такова, что оси гидродомкратов подачи 6 при циклическом прямом шаговом ходе расположены в плоскости, проходящей через ось буримой под трубопровод скважины.
Маневровое ускоренное циклическое движение в противоположном направлении каретки 7 с бурошнековой машиной 8 для последующей установки в освобождающееся пространство между кареткой 7 и забоем очередной секции обсадной колонны 9 со шнековой секцией инструмента 10 внутри осуществляется на сокращающихся штоках 5 гидродомкратов подачи 6.
После окончания бурения пионерной скважины циклическим прямым ходом на полную длину гидродомкраты подачи 6 поднимаются сокращением гибких связей 12 - наматыванием их с помощью лебедок 16, размещенных сверху площадок 15. При подъеме гидро домкратов подачи 6 поворотом в вертикальное положение относительно общих горизонтальных осей шарнирных соединений торцевых проушин цилиндров гидродомкратов подачи 6 с проушинами 18 нижних выступающих полок П-образных колонн 14 их цилиндры оказываются удерживаемыми приемными углублениями центраторов 17, оси которых также находятся в вертикальной плдоскости, а сами они расположены сбоку площадок 15.
Удерживаемые в вертикальном положении, гидродомкраты подачи могут быть повернуты на 180° совместно с П-образными колоннами 14 относительно вертикальных осей вращения размещающих их радиально-упорных центрирующих втулок 13, являющихся боковыми элементами лобовины каретки 7. Сопряжение центральных частей П-образных колонн 14 с нижними выступающими полками в виде проушин 18 может быть осуществлено, например, шлицевым соединением (фиг. 4). Совместный поворот на 180° всех конструктивных частей П-образных колонн 14 относительно вертикальных осей осуществляется во вкладыше 19 и подпятнике 20 радиально-упорной части, а осевая фиксация П-образных колонн 14 в сборе замковыми устройствами 21 осуществляется в центрирующей части радиально-упорных центрирующих втулок 13, являющихся боковыми элементами лобовины каретки 7.
Таким образом, гидродомкраты подачи 6, торцевые проушины цилиндров которых шарнирно соединены через горизонтальные оси с проушинами 18 нижних выступающих полок П-образных колонн 14, оказываются с противоположной стороны лобовины карктки 7.
В таком случае и разбуривание скважины циклическим обратным ходом (фиг. 5, 6) осуществляется в вышеописанном порядке на раздвигающихся штоках 5 гидродомкратов подачи 6, чем достигается максимальное осевое усилие подачи инструмента 10 на забой.
Маневровое ускоренное циклическое движение в противоположном направлении каретки 7 с бурошнековой машиной 8 для сокращения пространства, освобождающееся после демонтажа очередной секции обсадной колонны 9 со шнековой секцией инструмента 10 внутри осуществляется на сокращающихся штоках 5.
Таким образом, заявляемый технический результат достигается:
- выполнением боковых элементов лобовины каретки в виде радиально-упорных центрирующих втулок с вертикальными осями, в которых размещены П-образные колонны с возможностью совместного поворота всех их конструктивных частей на 180° и фиксации от осевого перемещения относительно осей центрирующих втулок, что позволяет в стесненном пространстве котлована уравнять функциональные возможности обеих сторон лобовины каретки для обеспечения максимального усилия подачи при бурении как на прямом, так и на обратном ходе двухэтапного процесса бурения горизонтальной скважины;
- выполнением верхних выступающих полок П-образных колонн в виде площадок, сверху которых размещены лебедки укорачивания или удлинения гибких связей, а сбоку расположены приемные углубления центраторов верхнего ориентированного положения цилиндров гидродомкратов подачи, что также обеспечивает процесс их переустановки на противоположную сторону лобовины каретки, уравнивая тем самым функциональные возможности обеих сторон лобовины каретки для обеспечения максимального усилия подачи при бурении как на прямом, так и на обратном ходе двухэтапного процесса бурения горизонтальной скважины;
- выполнением нижних выступающих полок П-образных колонн в виде проушин, которые в свою очередь шарнирно соединены через горизонтальные оси с торцевыми проушинами цилиндров гидродомкратов подачи с возможностью их подъема в верхнее ориентированное положение относительно центраторов или опускания в нижнее ориентированное положение относительно верхних пазов продольных направляющих балок, что позволяет в процессе бурения сохранять оси гидродомкратов подачи в плоскости, проходящей через ось буримой под трубопровод скважины, а после окончания бурения, в процессе переустановки на противоположную сторону лобовины каретки, поднимать их в вертикальное положение с последующим поворотом относительно вертикальных осей радиально-упорных центрирующих втулок, уравнивая тем самым функциональные возможности обеих сторон лобовины каретки для обеспечения максимального усилия подачи при бурении как на прямом, так и на обратном ходе двухэтапного процесса бурения горизонтальной скважины.