УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВСКРЫТИЯ НАПОРНЫХ ВОДОНОСНЫХ ПЛАСТОВ ВОССТАЮЩЕЙ, НАКЛОННОЙ ИЛИ НИСХОДЯЩЕЙ СКВАЖИНОЙ
DEVICE FOR OPENING ARTESIAN AQUIFERS BY RISING, DIRECTIONAL OR DOWNHOLE WELL

Изобретение относится области горного дела и может быть использовано при сооружении восстающих и наклонных к горизонту дренажных скважин, в том числе с противодавлением, при защите горных предприятий от обводнения, при добыче воды как полезного ископаемого при давлении пластовых вод над устьем скважины, затрудняющем процесс сооружения восстающей скважины, а при значительных дебитах и напорах, способных также привести к затоплению горной выработки, из которой ведется ее сооружение.
При работе в условиях высоких напоров водоносных пластов важным узлом, влияющим на надежность буровой установки и технологического процесса вскрытия напорных водоносных пластов восстающей, наклонной или нисходящей скважиной, является герметизатор бурильной колонны буровой установки, установленный на ее устье и предохраняющий горную выработку при бурении от притока пластовых вод.
Улучшение эксплутационных условий узла для герметизации бурильной колонны достигнуто за счет конструктивных изменений в устройстве для сооружения восстающей скважины с противодавлением [RU №2386776]. Устройство включает буровую установку, которая содержит буровой агрегат, маслостанцию, пульт управления, буровой насос, бурильную колонну, промежуточную колонну труб, фильтровую колонну труб и оборудование устья скважины. Оборудование устья скважины включает кондуктор, задвижку, отводной патрубок и корпус устья скважины. Дополнительно устройство включает подхват для удержания промежуточной колонны, дополнительный насос для создания противодавления на пласт, насадку на отводном патрубке, диаметр которой выбирается по статистическому давлению пластовой жидкости на устье скважины, поворотный кран на дополнительном насосе, позволяющий осуществлять практически мгновенную подачу промывочной жидкости в кольцевое пространство, сформированное фильтровой колонной и стенками скважины. При этом герметизатор в качестве уплотнительных элементов содержит набор резиновых колец цилиндрической формы, поджимаемый нажимной втулкой. Опыт эксплуатации устройства для сооружения восстающей скважины с таким герметизатором показал, что при сооружении восстающих скважин его моторесурс исчерпывается проходкой 2-3 м скважины по водоносному горизонту. Ремонт и восстановление герметизирующих уплотнительных элементов при бурении невозможен, т.е. дальнейшая углубка скважины с большими утечками вод через изношенные уплотнительные кольца также практически невозможна. Это приводит к резкому снижению эффективности буровой установки.
В качестве прототипа выбрано устройство для вскрытия напорных водоносных пластов восстающей или наклонной скважиной, совпадающее с заявляемым по совокупности существенных признаков [Тимошков И.А. 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 стр.136-139]. Устройство для сооружения восстающей дренажной скважины включает буровую установку, которая содержит буровой агрегат, маслостанцию, пульт управления, буровой насос, буровую колонну, промежуточную колонну труб, фильтровую колонну труб и оборудование устья скважины. Оборудование устья скважины включает кондуктор, задвижку, отводной патрубок и корпус устья скважины. Герметизацию бурильной колонны в процессе бурения обеспечивает герметизатор, установленный в корпусе устья скважины, включающий в качестве уплотнительных элементов набор резиновых колец цилиндрической формы, поджимаемый нажимной втулкой. Нажимную втулку, по мере истирания резиновых колец и увеличения утечек по кольцевому пространству, перемещают вдоль оси бурового снаряда с помощью винтов, смонтированных на фланце корпуса.
Недостатком такого герметизатора бурильной колонны является его ненадежность и ограниченность функциональных возможностей. Практика показала, что при сложном движении бурильной колонны (вращении и поступательном вверх), наличии вибрации бурового снаряда, пазов на его соединительных муфтах уплотнительные элементы в виде набора резиновых колец быстро выходят из строя, что приводит к протечкам на контакте бурильная колонна - резиновое кольцо. Для устранения этих протечек нажимное кольцо подтягивают. При давлении на герметизирующий элемент столба пластовой воды до 200 м водяного столба и более за счет протечек воды создаются неблагоприятные условия для обслуживания установки, приводящие к нарушению правил техники безопасности (работа в мокрой спецодежде на скользких поверхностях элементов бурового агрегата, с которых производится подтягивание нажимного кольца, работа на высоте 2,0-2,5 м).
При значительном износе резиновых колец уплотнительного элемента их замена невозможна, что приводит к поступлению через неисправный уплотнительный элемент значительного количества пластовых вод и песка, а также разрушению и порче находящегося в выработке оборудования.
Задачей изобретения является создание надежной буровой установки для вскрытия напорных водоносных пластов восстающей или наклонной скважиной с высокими эксплутационными качествами.
Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации установки, являются:
- повышение надежности работы буровой установки;
- повышение надежности работы герметизатора бурильной колонны в динамике;
- повышение срока эксплуатации герметизатора бурильной колонны в динамике;
- повышение безопасности ведения горных работ при сооружении восстающих и нисходящих дренажных скважин с высокими давлениями на устье;
- улучшение условий труда обслуживающего персонала;
- повышение производительности труда;
- обеспечение возможности ремонта герметизатора в динамике в технологическом процессе;
- механизация работ по герметизации кольцевого пространства.
Решение указанной задачи и достижение вышеуказанных результатов стало возможным благодаря тому, что известное устройство для вскрытия напорных водоносных пластов восстающей, наклонной или нисходящей скважиной, включающее буровую установку, содержащую буровой станок, маслостанцию, маслопроводы, пульт управления, буровой насос, бурильную колонну, фильтровую колонну, оборудование устья скважины, содержащее кондуктор, задвижку, отводной патрубок и герметизатор бурильной колонны в динамике, включающий корпус и расположенные в нем уплотнительный элемент и нажимную втулку, устройство снабжено двумя парами дополнительных гидроцилиндров с приводами, связанными с пультом управления, и дополнительным герметизатором бурильной колонны в статике, при этом в герметизаторе бурильной колонны в динамике уплотнительный элемент выполнен в виде пустотелого цилиндра из резины с торцевыми поверхностями в виде конусных поверхностей, одна из которых направлена внутрь цилиндра, а другая - наружу, и расположен между двумя кольцами, одно из которых имеет внешнюю, а другое - внутреннюю конусные поверхности, при этом углы конуса колец идентичны углам конуса торцевых поверхностей уплотнительного элемента, под кольцом размещен дополнительный уплотнительный элемент из материала с низким коэффициентом трения, в нажимной втулке выполнен продольный паз под бурильную колонну, а штоки пары дополнительных гидроцилиндров, связанные с нажимной втулкой, имеют шарниры, при повороте вокруг которых обеспечивается доступ к дополнительному уплотнительному элементу, герметизатор бурильной колонны в статике установлен перед герметизатором бурильной колонны в динамике и включает корпус с присоединительными и опорными фланцами, внутри корпуса к опорным фланцам прикреплен уплотняющий элемент в виде пустотелого цилиндра и охватывающие этот уплотняющий элемент плашки, установленные с возможностью его обжатия и связанные со штоками второй пары дополнительных гидроцилиндров.
Изобретательским шагом является создание устройства для вскрытия напорных водоносных пластов восстающей, наклонной или нисходящей скважиной, позволяющего управлять процессом бурения скважины по водоносному горизонту, что обеспечивается введением в конструкцию устройства герметизатора бурильной колонны в статике, позволяющего осуществлять ремонт и замену изношенного герметизирующего уплотнительного элемента герметизатора бурильной колонны в динамике, совершенствование герметизатора бурильной колонны в динамике путем введения в его конструкцию дополнительного уплотнительного элемента из материала с низким коэффициентом трения, содержащего графитовую смазку, и выполнения продольной прорези во втулке, а также введение гидравлического привода управления работой герметизатора.
Заявляемое устройство для вскрытия напорных водоносных пластов восстающей, наклонной или нисходящей скважиной иллюстрируют следующие фигуры.
Фиг.1. Показано устройство для вскрытия напорных водоносных пластов восстающей, наклонной или нисходящей скважиной: буровой станок, маслостанция, пульт управления, буровой насос, кондуктор, бурильная колонна, устье скважины.
Фиг.2. Показана компоновка оборудования устья скважины, сооружаемой на один водоносный горизонт: задвижка, отводное устройство, герметизатор бурильной колонны в статике, герметизатор бурильной колонны в динамике.
Фиг.3. Показан герметизатор бурильной колонны в статике: корпус, присоединительные фланцы, опорные фланцы, герметизирующий элемент, плашки.
Фиг.4. Показан герметизатор бурильной колонны в динамике: корпус, кольца в форме пустотелого усеченного конуса, уплотняющий элемент, дополнительный уплотняющий элемент, дополнительные гидроцилиндры, шарниры.
Заявляемое устройство для вскрытия напорных водоносных пластов восстающей наклонной или нисходящей скважиной (фиг.1) включает буровой станок 1, маслостанцию 2, пульт управления 3, буровой насос 4, бурильную колонну 5 и устье скважины 6. Устье скважины 6 (фиг.2) содержит кондуктор 7, задвижку 8, отводное устройство 9, герметизатор 10 бурильной колонны 5 в статике, герметизатор 11 бурильной колонны 5 в динамике. Герметизатор 10 бурильной колонны 5 в статике снабжен гидрозамком 12 и маслопроводами 13, по которым масло подается от пульта управления 3 к двум дополнительным гидроцилиндрам 14. Штоки 15 дополнительных гидроцилиндров 14 связаны с плашками 16, размещенными в корпусе 17 герметизатора 10 (фиг.2) бурильной колонны 5 в статике. В корпусе 17 размещен уплотнительный элемент 18 в виде пустотелого цилиндра, удерживаемого в корпусе 17 прижимными фланцами 19 посредством болтов 20. Обжатие бурильной колонны 5 уплотнительным элементом 18 осуществляется после подачи масла к дополнительным гидроцилиндрам 14, обеспечивающим перемещение штоков 15 к оси скважины, Величина удельного давления на уплотнительный элемент 18 определяется из выражения
где
сж
2
σ - величина удельного давления, создаваемого двумя дополнительными гидроцилиндрами на плашку, кГс/см;
пл
2
F - площадь плашки, см;
гц
2
P - осевое усилие, создаваемое дополнительным гидроцилиндром, кГс/см;
п
2
F - площадь поршня гидроцилиндра, кГс/см;
2
g - величина давления масла, подаваемого под поршень дополнительного гидроцилиндра, кГс/см.
В зависимости от величины пластового давления, которое может создаваться в корпусе 17 при неизменной площади поршня, выбирают величину давления масла, подаваемого к паре дополнительных гидроцилиндров 14.
Герметизатор 11 бурильной колонны в динамике (фиг.4) подсоединен к нижнему присоединительному фланцу 21 корпуса 17 герметизатора 10 бурильной колонны 5 в статике (фиг.3) фланцем 22 посредством болтов 23. В корпусе 24 герметизатора 11 бурильной колонны 5 в динамике размещен уплотнительный элемент 25 и дополнительный уплотнительный элемент 26, обладающие разными антифрикционными и физико-механическими свойствами. Уплотнительный элемент 25 выполнен в виде пустотелого цилиндра из резины с торцевыми поверхностями в виде конусных поверхностей, одна из которых направлена внутрь цилиндра, а другая - наружу. В корпусе 24 уплотнительный элемент 25 размещен между двумя кольцами 27, одно из которых имеет внешнюю, а другой внутреннюю конусные поверхности. При этом углы конуса колец 27 идентичны углам конуса торцевых поверхностей уплотняющего элемента 25. Угол конуса колец 27 выбирается с учетом максимального преобразования осевого усилия, передаваемого нажимной втулкой 28, в боковое. Дополнительный уплотнительный элемент 26 расположен в корпусе 24 ниже уплотнительного элемента 25 и отделен от него кольцом 27. Он изготовлен из легкодеформируемого, пропитанного смазкой материала с низким коэффициентом трения и выполнен в виде жгута, диаметр и длина которого определяется необходимостью заполнения кольцевого пространства (не показано), образованного бурильной колонной 5 и корпусом 24 герметизатора 11 бурильной колонны 5 в динамике. Деформация уплотнительного элемента 25 и дополнительного уплотнительного элемента 26 осуществляется через нажимную втулку 28, в которой выполнен продольный паз (не показан) под бурильную колонну 5. Нажимная втулка 28 приводится в движение парой дополнительных гидроцилиндров 29. Дополнительные гидроцилиндры 29 соединяются с пультом управления 3 (фиг.1) посредством маслопроводов (не показаны). Поддержание заданного давления масла в рабочих полостях дополнительных гидроцилиндров 29 осуществляется с помощью гидрозамка (не показан). При сжатии дополнительного уплотнительного элемента 26 выделяется графитовая смазка, смазывающая бурильную колонну 5, которая при перемещении ее вверх смазывает внутреннюю поверхность уплотнительного элемента 25, предотвращая его от износа, и увеличивает моторесурс герметизатора 11 в целом. Для удобства работы при замене дополнительного уплотнительного элемента 26 штоки 30 дополнительных гидроцилиндров 29 крепятся к фланцу 22 корпуса 24 на шарнирах 31, при повороте вокруг которых обеспечивается доступ к дополнительному уплотнительному элементу 26 для его замены при остановках в бурении. В нажимной втулке 28 выполнен продольный паз (не показан) под бурильную колонну 5, обеспечивающий возможность поворота гидроцилиндров 29 вокруг шарниров 31.
Заявляемое устройство на примере сооружения восходящей скважины работает следующим образом. В камере горной выработки (не показана) монтируют буровой станок 1 (фиг.1), маслостанцию 2, пульт управления 3, насос 4 и в кровле бурят восстающую скважину под кондуктор 7 (фиг.2). Цементируют затрубное пространство. После затвердевания цемента кондуктор 7 спрессовывают на герметичность и оборудуют задвижкой 8 и отводным устройством 9 (фиг.2). На бурильной колонне 5 сначала устанавливают герметизатор 11 бурильной колонны 5 в динамике, потом герметизатор 10 бурильной колонны 5 в статике, соединяют их между собой, после чего фланцы 21 герметизатора 10 бурильной колонны 5 в статике соединяют с отводным устройством 9. Устанавливают бурильную колонну 5 в кондукторе 7 и производят обвязку дополнительных гидроцилиндров 14 и дополнительных гидроцилиндров 29 (фиг.3 и 4) герметизатора 10 бурильной колонны 5 в статике и герметизатора 11 бурильной колонны 5 в динамике, проверяют их работу, после чего приступают к бурению восстающей скважины. В процессе бурения по мере износа уплотнительного элемента 26 герметизатора 11 бурильной колонны 5 в динамике образуются протечки, которые устраняют перемещением нажимной втулки 28, связанной с двумя дополнительными гидроцилиндрами 29. При полном износе уплотнительного элемента 26 его извлекают и меняют на новый. При этом бурение останавливают и включают в работу герметизатор 10 бурильной колонны 5 в статике (фиг.2). Для этого включают в работу дополнительные гидроцилиндры 14. Выдвижением штоков 15, связанных с плашками 16 (фиг.3), производят обжатие уплотнительного элемента 18 (фиг.3). После прекращения протечек приступают к замене дополнительного уплотнительного элемента 26 (фиг.4) герметизатора 11 бурильной колонны 5 в динамике. Для этого дополнительный гидроцилиндр 29 вместе с нажимной втулкой 28 (не показан) перемещают вниз, нажимную втулку 28, через выполненный в ней паз (не указан), вместе с дополнительными гидроцилиндрами 29 отводят в сторону путем их поворота на шарнирах 31 и заменяют уплотнительный элемент 26. После его замены дополнительные гидроцилиндры 29 вместе с нажимной втулкой 28 перемещают в рабочее положение и поджимают герметизирующий уплотнительный элемент 26. После ремонтных работ герметизатора 11 бурильной колонны 5 в динамике плашки 16 герметизатора 10 бурильной колонны в статике вместе со штоками 15 отводят назад. При этом герметизирующий уплотняющий элемент 18 освобождает бурильную колонну 5. Количество производимых ремонтных работ зависит от мощности водоносного горизонта и его литологического состава.
Практическое применение заявляемого устройства для вскрытия напорных водоносных пластов восстающей, наклонной или нисходящей скважиной показано на следующих примерах.
Пример 1 (прототип)
Устройство для вскрытия напорных водоносных пластов, включающее буровую установку, содержащую буровой станок, маслостанцию, маслопроводы, пульт управления, буровой насос, бурильную колонну, фильтровую колонну, оборудование устья скважины, содержащее кондуктор, задвижку, отводной патрубок и герметизатор бурильной колонны в динамике, испытано на стенде с созданием давлений 15, 25, 40 атм.
Герметизатор бурильной колонны в динамике содержит корпус, расположенный в корпусе уплотняющий элемент из материала в виде резиновых колец и нажимную втулку.
Через 30 мин работы бурильной колонны появились протечки, свидетельствующие об износе уплотнительного элемента. За счет деформационных свойств резиновых колец их полный износ наступил после трех циклов подтяжек нажимной втулки.
Испытания показали, что герметизатор бурильной колонны в динамике при разных свойствах уплотнительного элемента и разных давлениях приходит в негодность через 1,5-2,0 часа работы.
Пример 2
Произведено стендовое испытание заявляемого устройства. Настройка работы стенда на заданное давление проводилась при уплотнении герметизатора бурильной колонны в динамике уплотнительным элементом в виде пустотелого цилиндра из резины с торцевыми поверхностями в виде конусных поверхностей, одна из которых направлена внутрь цилиндра, а другая - наружу, и дополнительным уплотнительным элементом, который изготовлен из легкодеформируемого, пропитанного смазкой материала в виде жгута. Деформацию уплотнительного элемента и дополнительного уплотнительного элемента с низким коэффициентом трения осуществляют через нажимную втулку, в которой выполнен продольный паз под бурильную колонну. Нажимную втулку приводят в движение парой дополнительных гидроцилиндров. Дополнительные гидроцилиндры соединяются с пультом управления посредством маслопроводов. После создания расчетного давления бурильную колонну вращали и проверяли работу нижнего герметизатора бурильной колонны в динамике, а затем при выключенном вращении бурильной колонны проверяли работу верхнего герметизатора бурильной колонны в статике. Испытания проведены с созданием давления 15, 25, 40 атм.
Герметизатор бурильной колонны в динамике позволяет вести работы по вскрытию водоносного горизонта без замены герметизирующих уплотняющих элементов до двух часов, а с заменой, при исправном герметизаторе бурильной колонны в статике, - на протяжении заданного технологического цикла.
Герметизатор бурильной колонны в статике работает надежно и перекрывает весь поток жидкости в диапазоне давлений 15-40 атм при проведении ремонтных работ герметизатора бурильной колонны в динамике. Пределы работы герметизирующего уплотнительного элемента не установлен.
Дополнительные гидроцилиндры надежно выполняют функциональную предназначенность и позволяют механизировать работы по герметизации кольцевого пространства.
Как видно из примеров, заявляемая совокупность существенных признаков устройства для вскрытия напорных водоносных пластов восстающей, наклонной или нисходящей скважиной позволяет повысить надежность работы буровой установки, которая обеспечивается введением в конструкцию устройства герметизатора бурильной колонны в статике, позволяющего осуществлять ремонт и замену изношенных герметизирующих уплотнительных элементов герметизатора бурильной колонны в динамике, повысить срок эксплуатации герметизатора бурильной колонны в динамике за счет наличия дополнительного уплотнительного элемента с высокими антифракционными свойствами (низким коэффициентом трения) и возможности его замены при остановках, повысить безопасность ведения горных работ при сооружении восстающих и нисходящих дренажных скважин с высокими давлениями на устье, улучшить условия труда обслуживающего персонала за счет устранения протечек; повысить производительность труда за счет обеспечения механизации работ по герметизации кольцевого пространства, создание принципиально новой возможности ремонта герметизатора в динамике в технологическом процессе за счет выполнения в нажимной втулке продольного паза под бурильную колонну и установки герметизатора бурильной колонны в статике.