УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ ОТВЕРСТИЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ КОЛОННЫ И СПОСОБ СКВАЖИННОЙ ДОБЫЧИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ КАМЕРАМИ РЫХЛЫХ И ОБВОДНЕННЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
DEVICE FOR OPENING HOLES OF PRODUCTION STRING AND METHOD OF BOREHOLE PRODUCTION OF LOOSE AND WATERED MINERAL RESOURCES USING HORIZONTAL CHAMBERS

Изобретение относится к горному делу для скважинной добычи горизонтально расположенными камерами рыхлых (в том числе обводненных) полезных ископаемых при разработке их на любых глубинах с помощью направленных скважин, пробуренных в горизонтальной их части с одновременной обсадкой, с последующим размывом рыхлых (в том числе обводненных) пород гидромониторными струями добычного агрегата и выдачей их в виде пульпы с помощью гидроэлеватора, с доступной для его работы глубины или с добавлением эрлифта, когда напора одного гидроэлеватора недостаточно, по пульпоподъемной колонне агрегата на земную поверхность.
Известно устройство для разгерметизаци, используемое для осуществления способа установки скважинного фильтра в вертикальной скважине. Для среза пробок на поверхности собирают компоновку: фреза, подшипник-центратор, винтовой забойный двигатель (ВЗД), жесткий центратор. (Патент RU №2514040, МПК Е21В 43/08, опубликовано 27.12.2012 г.).
Существенным недостатком данной устройства является то, что она позволяет срезать пробки только сверху вниз и исключена возможность локальной разгерметизации фильтра. Кроме того, устройство невозможно использовать для забойного пакера одним спуск-подъемом бурильных труб.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по совокупности признаков, и выбранный нами за прототип, является устройство, используемое для осуществления способа безрезьбового крепления герметизирующих и разгерметизирующих полых пробок в циркуляционных отверстиях корпуса скважинного фильтра. Устройство для разгерметизации состоит из оправки, которая с помощью переходника жестко крепится к трубам НКТ. (Патент РФ №2301324, МПК Е21В 43/08, опубликовано 20.06.2007 г.).
Данное устройство для разгерметизации фильтра имеет существенный недостаток, а именно - его нельзя использовать для локальных (выборочных) участков колонны и тем более транспортировать оправку к месту среза, не задевая другие пробки или для доставки пакера к башмаку фильтра.
Известны многочисленные способы скважинной гидродобычи рыхлых пород через вертикально расположенные камеры (Аренс В.Ж., Исмагилов Б.В., Шпак Д.Н. «Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых». М., Недра, 1980 г., с. 7-14, с. 66-72, с. 91-124; Бабичев Н.И «Технология скважинной гидродобычи, полезных ископаемых». Учебное издание. Изд. МГРИ, 1981 г. с. 4-14, с. 41-49, с. 58-61, с. 69-81; и др.), заключающиеся в бурении вертикальных скважин с обсадкой их до продуктивного пласта, спуска гидродобычного снаряда, подачи через него под напором промывочной жидкости для разрыхления породы и подъема по нему полученной пульпы на земную поверхность.
Известен близкий по защите от разубоживания пустыми породами способ скважинной гидродобычи вертикальными камерами рыхлых полезных ископаемых. Способ извлечения материалов из мощных подземных формаций, включающий вскрытие формации скважиной, размещение в ней скважинного гидромониторного агрегата, формирование свода естественного равновесия над добычной камерой в пределах продуктивного горизонта, размыв пород формации с выдачей пульпы на поверхность, причем в добычной камере создают избыточное давление, соответствующее условию
Ркамер.≥Рпласт.+0.03 МПа,
где Ркамер. - давление рабочей жидкости в добычной камере;
Рпласт. - пластовое давление,
при этом давление в камере постоянно контролируют датчиками, установленными в нижней и верхней частях подвижной трубы гидромониторного агрегата, а избыточное давление в добычной камере обеспечивают регулированием подачи рабочей жидкости в скважину при качественной гидроизоляции затрубного пространства растворами на основе бентонитовых порошков с условной вязкостью от 50 с до состояния «не течет». (RU №2447287, МПК Е21С 45/00, опубликовано 10.04.2012 г.)
Общим недостатком перечисленных способов является низкая эффективность их использования в условиях рыхлых обводненных пород, которые при таких способах добычи будут обрушаться со всех сторон в Добычную скважину, препятствуя разработке продуктивного пласта.
Известен способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающий вскрытие пласта скважиной, размещение в ней добычного агрегата, извлечение горной массы слоями в направлении сверху вниз с выдачей гидросмеси на поверхность и формированием выемочной камеры, заполнение камеры закладочным материалов, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности гидродобычи за счет одновременного проведения операций по извлечению и закладке, при отработке основной части пласта в камере создают подвижную в вертикальном направлении перемычку, извлечение горной массы ведут под перемычкой, а заполнение камеры закладочным материалов производят над ней. (патент RU №2023879, МПК Е21С 45/00, опубликовано 30.11.1994 г.)
Недостатком данного способа является невозможность ограничивать поступления рыхлых пород из стенок добычной камеры, увеличивая тем самым ее размеры за пределы созданной защитной перегородки, что позволит породам кровли горизонта разубоживать добываемое полезное ископаемое.
Наиболее близким аналогом по существу решаемой задачи, выбранный нами за прототип является способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых при наклонном залегании пластов, включающий сооружение гидродобычных и вспомогательных скважин, причем гидродобычные и вспомогательные скважины располагают линиями по простиранию наклонных пластов и пересекают их, причем забои вертикальных гидродобычных скважин разбуривают ниже по падению, а вспомогательных скважин, имеющих вертикальные и наклонные части скважины, вертикальную часть бурят до одноименных наклонных пластов и наклонной частью входят в одноименные продуктивные пласты, как из верхних пластов, так и в пределах продуктивных пластов, и направляют в сторону гидродобычных скважин, расстояние между линиями расположения гидродобычных и вспомогательных скважин определяют устойчивостью межпластовых пластов-мостов выработанного пространства пластов рыхлых руд, а расстояние между гидродобычными и между вспомогательными скважинами определяют технической возможностью бурения наклонных ответвлений в сторону гидродобычных, обеспечивающих дезинтеграцию рыхлых руд между линиями расположения гидродобычных и вспомогательных скважин всех одноименных пластов, подлежащих отработке и пересеченных гидродобычными и вспомогательными скважинами. (патент RU №2425222, МПК Е21С 45/00, опубликовано 27.07.2011 г.)
Недостатком данного способа гидродобычи полезных ископаемых является применение нескольких скважин: гидродобычной и вспомогательных, которые расположены по падению разрабатываемого пласта в сторону гидродобычной, и возможности разработки рыхлых отложений только при наличии в их кровле пластов крепких, плотных пород, с обязательным условием наличия для продуктивных и вмещающих пород уклона от 30° до 80°
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства локального применения для разгерметизации насадок гидромонитора и приемных отверстий в эксплуатационной колонне, а также установки в ее башмаке забойного пакера и способа скважинной гидродобычи горизонтальными камерами рыхлых и обводненных полезных ископаемых, а так же разработка надежного и высокопроизводительного способа гидродобычи при любом залегании пластов с применением только одной направленной (наклонно - или вертикально-горизонтальной) скважины.
Поставленная задача по совершенствованию устройства решается тем, что устройство для разгерметизации насадок гидромонитора и отверстий в эксплуатационной колонне включающее оправку, которая с помощью переходника жестко крепится к насосно-компрессорным трубам, выполнена в виде плашек с подпружиненными центраторами, свободно перемещающимися в плашкодержателе, с возможностью менять свой размер наружного и внутреннего диаметра, за счет скольжения по ее внутренней поверхности гайки-конуса, перемещающейся по резьбе вращающегося вала, на котором закреплен съемный забойный пакер с закрепителем и клапаном, герметизирующими башмак.
Поставленная задача по совершенствованию способа решается тем, что способ скважинной гидродобычи рыхлых и обводненных полезных ископаемых горизонтальными камерами, путем размыва их рабочей жидкостью, включающий сооружение скважин и спуск гидродобычного агрегата, причем для осуществления процесса гидродобычи бурится и обустраивается только одна направленная скважина с обустройством ее горизонтальной части эксплуатационной колонной, загерметизированной забойным пакером в башмаке, имеющей насадки гидромонитора и приемные отверстия, закрытые герметизаторами, срезающимися устройством перед установкой в ней гидродобычного агрегата, образующим с эксплуатационной колонной линии нагнетания и всасывания и пакером, разделяющим эксплуатационную колону на нагнетательную и всасывающие части, в затрубном пространстве которых происходит гидроразмыв и перемещение полезного ископаемого из интервала разработки на земную поверхность.
Выполнение в устройстве оправки в виде плашек с подпружиненными центраторами, свободно перемещающимися в плашкодержателе в радиальном направлении за счет скольжения по их внутреней поверхности гайки-конуса, перемещающейся по резьбе вращающегося вала, на котором закреплен съемный забойный пакер с закрепителем и клапаном, герметизирующими башмак, позволило создать устройство для разгерметизации насадок гидромонитора и приемных отверстий локального применения, а также установки забойного пакера в башмаке эксплуатационной колонны при гидродобыче горизонтальными камерами рыхлых и обводненных полезных ископаемых.
Совершенствование способа осуществляется тем, что в процессе гидродобычи бурят направленную скважину, обустраивают ее в горизонтальной части эксплуатационной колонной, имеющей насадки гидромонитора и приемные отверстия, закрытые герметизаторами, с помощью устройства по п. 1 устанавливают в башмаке эксплутационной колонны забойный пакер и срезают герметизаторы, спускают гидродобычный агрегат, образующий с эксплутационной колонной линии нагнетания и всасывания и пакером, разделяющим эксплуатационную колону на нагнетательную и всасывающие части, осуществляют гидроразмыв и перемещение полезного ископаемого из интервала разработки в пульпоподъемную колонну и далее на земную поверхность.
Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:
фиг. 1 - Устройство для разгерметизации отверстий эксплуатационной колонны;
фиг. 2 - Гидродобычный агрегат для добычи рыхлых и обводненных полезных ископаемых;
Заявляемое устройство для разгерметизации отверстий эксплуатационной колонны, а также для установки забойного пакера, поясняется чертежом на Фиг. 1, где представлены; ограничители 1 плашкодержателя 3, жестко закрепленные на валу 4, но свободно вращающиеся относительно плашкодержателя 3, позволяющие ему двигаться вдоль оси вала 4, по которому перемещается вдоль его оси по резьбовой части гайка-конус 7, тем самым то раздвигая плашки 5, с подпружиненными центраторами 6, то сближая их, в зависимости от цели, при этом захваты 8 плашек 5 имеют возможность удерживать, при транспортировании к башмаку 23, забойный пакер за его заднюю часть 9, находящейся в зацеплении с валом 4, но имеющую возможность свободного перемещения по нему, в то время как его передняя часть 12 не имеет соединения с валом 4 и находится в соединении с его задней частью 9, а сам забойный пакер крепится в башмаке 23 в месте установки 22 за счет сжатия манжеты 11 шайбой 10 путем свинчивания задней части 9 и передней части 12 пакера и отсоединяется от вала 4 на закрепителе 16 с клапаном 17 и буртиком 21, герметизируя башмак 23 эксплуатационной колонны 2, имеющей загерметизированные насадки гидромонитора герметизаторами 13 с заклепками, заглушки 14 насадок гидромонитора с фиксаторами 15 и саморезами и заглушки 19 приемных отверстий, фиксаторы 18 приемных отверстий с саморезами, герметизаторы 20 приемных отверстий с заклепками.
Герметизация приемных отверстий и насадок гидромониторов в приемной части эксплуатационной колонны производится на поверхности с помощью герметизаторов 20 приемных отверстий с заклепками, фиксаторов 18 с саморезами и герметизаторов 13 насадок гидромонитора с заклепками, фиксаторов 15 с саморезами, а также заглушек 14, 19.
Предлагаемое устройство работает следующим образом: после установки, в процессе горизонтального бурения, обсадной (эксплуатационной) колонны и совмещения ее загерметизированных приемных отверстий и насадок гидромонитора с планируемым участком разработки полезного ископаемого, и извлечения бурового снаряда, осуществляют герметизацию башмака 23. Для этого на поверхности в пределах площадки буровой установки на устройстве фиксируется забойный пакер (Фиг. 1). Фиксация забойного пакера осуществляется с помощью вращения вала 4 в правую сторону, что обуславливает перемещение гайки-конуса 7 по направлению к ограничителям 1 плашкодержателя 3 до момента, пока захваты 8 плашек 5 не упрутся в проточку задней части 9 забойного пакера. После фиксации забойного пакера устройство спускается на специальных технологических трубах, далее СТТ, в приемную часть эксплуатационной колонны 2 вместе с забойным пакером и его закрепителем 16 до тех пор, пока пакер не достигнет своего места установки 22 и его передняя часть 12 не заклинется в нем. Далее вращением задней части 9 относительно передней части 12 забойного пакера с помощью труб СТТ и вала 4, сжимается манжета пакера 11, которая крепит его в башмаке 23, при этом захваты 8 плашек 5 выходят из зацепления с забойным пакером. После этого обратным вращением вал 4 отсоединяется от закрепителя 16 забойного пакера, а само устройство устанавливается в одном из интервалов эксплуатационной колонны (далее именуемым «интервал разработки»), представляющий собой несколько насадок гидромонитора (по окружности), создающих линию нагнетания и серию приемных отверстий (по окружности) - от одной до нескольких, представляющих линию всасывания, разделенных при гидродобыче разделительным пакером (Фиг. 2) гидродобычного агрегата. Длина «интервала разработки» выбирается в зависимости от горно-геологических условий и типа полезного ископаемого. Для разгерметизации насадок гидромонитора и приемных отверстий «интервала разработки» необходимо срезать их герметизаторы. Для этого устройство приводится в рабочее положение, а именно: плашки 5 устройства за счет правого вращения вала 4 переводятся почти вплотную к внутреннему диаметру эксплуатационной колонны. Через СТТ подается осевая нагрузка на устройство, и оно торцами своих плашек 5 срезает герметизаторы «интервала разработки», проталкивая их по направлению к забойному пакеру. При этом заглушки 14 насадок гидромонитора и заглушки 19 приемных отверстий, имеющие конусный профиль, удерживаются за счет этого в корпусе эксплуатационной колонны от выпадания внутрь, а от выпадания в затрубное пространство их удерживают фиксаторы 15 и 18 с саморезами. Затем вращением СТТ плашки 5 переводятся в положение, когда они приближены к валу 4, и устройство извлекается на поверхность. «Интервал разработки» эксплуатационной колонны готов к осуществлению добычных работ.
Заявляемый способ скважинной гидродобычи горизонтальной камерой поясняется чертежом, где на Фиг. 2 изображен гидродобычной агрегат в эксплуатационной колонне, разъединенной разделительным пакером на нагнетательную и приемную части, состоящий из направляющей колонны 24, эксплуатационной колонны 2, става 25 гидродобычного агрегата, пульпоподъемной колонны 26, насадки 27 гидроэлеватора кольцевого типа, насадки 29 гидромонитора, с направлением напорных струй 28, линии нагнетания рабочей жидкости гидроэлеватора, подпружиненных центраторов 30, линии всасывания 31 гидроэлеватора, манжеты 32 разделительного пакера, шайбы 33 разделительного пакера, накидной гайки 34 разделительного пакера, приемных отверстий 35, 36 для гидросмеси с направлением всасывающихся струй; задней части 9 забойного пакера, передней части 12 забойного пакера, манжеты 11 забойного пакера, шайбы 10 забойного пакера, буртика 21, закрепителя 16 забойного пакера, шарикового клапана 17, башмака 23.
Заявляемый способ гидродобычи включается в процесс только после окончания подготовительных работ, а именно - бурения верхнего участка наклонной или вертикально-наклонной части направленной скважины, осуществляется стандартным способом, а ее горизонтальная часть - с помощью бурового снаряда для бурения с одновременной обсадкой (Патент RU №166522 от 10.11.2016 г.), в дальнейшем буровой снаряд.
После завершения проходки верхней части направленной скважины она крепится обсадной колонной с цементацией затрубного пространства для осуществления гидроизоляции продуктивного пласта от вышезалегающих водоносных горизонтов, а также крепления неустойчивых пород от обрушения, и создания направления для прохождения горизонтальной части скважины, которая осуществляется с применением бурового снаряда, с одновременной установкой обсадной (эксплуатационной) колонны.
В случае, если продуктивный пласт, представленный рыхлыми и обводненными породами, маломощный, его добыча происходит непосредственно в процессе проходки скважины от устья к забою, с направлением выноса продуктов разрушения полезного ископаемого через пространство между обсадной колонной и бурильными трубами. В этом случае обсадная (эксплуатационная) колонна предохраняет этот пласт от разубоживания породами кровли.
инт
ст
о
ст
инт.
ст.
инт.
Если же продуктивный пласт большой мощности, то обсадная (эксплуатационная) колонна подготавливает условия для его добычи, которая осуществляется поинтервально от забоя горизонтальной части скважины. Для этого, еще до начала бурения горизонтальной части скважины, на буровой площадке в стенках обсадной колонны (в дальнейшем используемой как эксплуатационной) создают отверстия для насадок гидромониторов и приема пульпы, расположение которых соответствует данным по разведке месторождения в районе проектируемой трассы горизонтальной части скважины, и герметизируют их (Фиг. 1). Заглушки 14 гидромонитора и заглушки 19 приемных отверстий, со стороны нижней части конуса, заранее накрест пропилены на глубину 2/3 своей высоты для того, чтобы заглушки 14 гидромониторов, при образовании избыточного давления, разрушались и выдавливались в затрубное пространство гидромониторными струями (Фиг. 2), а заглушки 19 приемных отверстий разрушались от пониженного давления внутри колонны при работе гидроэлеватора в процессе гидродобычи. Длина «интервала разработки», расположение приемных отверстий 35, 36 и насадок 29 гидромонитора с направлением напорных струй, так же, как и расстояние между ними, выбирается для каждого конкретного пласта месторождения в зависимости от расположения в нем полезного ископаемого, его мощности, водоносности и других условий, учет которых обеспечивает наиболее эффективную работу струи гидромонитора по будированию разрабатываемой пород. На основании опубликованных материалов (Бабичев Н.И «Проектирование геотехнологических комплексов», Учебное пособие. Изд. МГРИ, 1985 г., с. 9), можно определить длину таких «интервалов разработки» - L. Исходя из того, что основным фактором, влияющим на расстояние переноса породы от насадки гидромонитора к приемным отверстиям, является длина струи гидромонитора (l.), работающего в затопленном забое, то по Табл. №1 на с. 9 определяем для рыхлых, слабосвязных пород, при рабочем давлении Р=1,5-2,0 МПа в насадке гидромонитора, что l.=5-15 м. При угле наклона насадок к эксплуатационной колонне γ=30° L=l⋅cos30°=(5-15 м)0,8572=(4,3-12,9) м, а при γ=45° L=(5-15)0,6947=(3,5-10.4) м.
После установки, одновременно с бурением, эксплуатационной колонны 2, в нее спускается гидродобычной агрегат с кольцевым гидроэлеватором и разделительным пакером, необходимым для разделения, намеченного «интервала разработки» этой колонны на нагнетательную и всасывающие части. Разделительный пакер добычного агрегата устанавливается и закрепляется между приемными отверстиями 35, 36 и насадками 29 гидромонитора, намеченного «интервала разработки». Закрепление разделительного пакера (Фиг. 2) происходит аналогично закреплению забойного пакера, за исключением того, что сдавливание манжеты 32 осуществляется с помощью накидной гайки 34 через шайбу 33. Внутреннее отверстие накидной гайки 34 имеет форму шестигранника. Для закрепления разделительного пакера в скважинный агрегат спускается инструмент (шестигранник) на трубах СТТ, с помощью которого на накидную гайку 34 передается вращение и, в зависимости от задачи, манжета 32 разделительного пакера либо сдавливается, либо разжимается, закрепляя разделительный пакер или разжимая его.
Процесс гидродобычи начинается с подачи в независимые друг от друга две линии нагнетания рабочей жидкости, а отвод пульпы осуществляется из линии всасывания, которая переходит в пульпоподъемную колонну.
Струи гидромонитора (Фиг. 2), вылетая под большим давлением из насадок 29 будируют полезное ископаемое, превращая его в пульпу, которая поступает в приемные отверстия 35, 36 и через них внутрь эксплуатационной колонны. Далее пульпа, за счет разрежения в камере смешения гидроэлеватора, проталкивается в пульпоподъемную колонну и поднимается на земную поверхность. Когда напора гидроэлеватора недостаточно, особенно на больших глубинах, то пульпа проталкивается через приемные отверстия эксплуатационной колонны в пульпоподъемную колонну с добавлением энергии противодавления и далее поднимается по ней с помощью эрлифта.
После отработки первого «интервала разработки» эксплуатационной колонны производится разгерметизация манжеты разделительного пакера 32 (Фиг. 2) с помощью СТТ и гидродобычной агрегат извлекается на земную поверхность.
Затем в эксплуатационную колонну вновь опускается устройство, с помощью которого подготавливается следующий «интервал разработки» в эксплуатационной колонне и так процесс повторяется, пока не закончатся все ранее подготовленные «интервалы разработки».
По окончании отработки запланированного горизонтального участка полезного ископаемого эксплуатационная колонна в зависимости от геологических условий или извлекается на земную поверхность, или остается на месте отработки полезного ископаемого, а устье скважины герметизируется.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и может быть изготовлено на стандартном оборудовании с применением современных материалов и технологий.