БУРОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ СКВАЖИН НА ВОДУ В РЫХЛЫХ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТАХ С НАПОРАМИ

Полезная модель относится к горной промышленности и строительству и может быть использована для сооружения водозаборных, наблюдательных, водопонижающих или иных скважин из подземных выработок, или помещений заглубленных зданий, или сооружений, например ГЭС, в основаниях которых находятся рыхлые водоносные горизонты.
Сооружение вышеупомянутых скважин осложняется тем, что статистический уровень водоносного горизонта, как правило, значительно превышает отметки заложения полов сооружений, с которых бурят и сооружают скважины, что приводит к самоизливу.
Из предшествующего технического уровня известно сооружение скважин буровой установкой, предусматривающей создание противодавления, создаваемого утяжеленными глинистыми растворами с помощью введения в них либо баритового, либо гематитового порошков [Справочник по осушению горных пород. Под редакцией И.К.Станченко. М. Недра, 1984. с 392-411]
Установка для сооружения скважин на воду включает шасси, платформу, на которой размещена мачта, лебедка, привод лебедки и бурильной колонны с породоразрушающим инструментом, буровой насос, с помощью которого промывочная жидкость подается на забой скважины и выносит разрушенная породу.
Недостатками классической установки и реализуемого ею способа являются:
- отсутствие устройств, обеспечивающих создание избыточного давления в скважине, превышающее пластовое давление жидкости;
- ограничение области применения утяжеленных буровых растворов, определяемой зависимостью
, м
В
где γ - удельный вес воды
УР
3
γ - удельный вес утяжеленного глинистого раствора, тс/м
ВГ
H - статистический напор водоносного горизонта, м вод. столба
Т
H - мощность толщи пород от основания выработки до кровли водоносного горизонта, м
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является установка для вскрытия водоносного горизонта вертикальной скважиной [П на изобретение №2244794]. Установка включает буровой насос для подачи воды на забой, маслостанцию, пульт управления, платформу с поворотной осью, вокруг которой рама, с расположенным на ней буровым агрегатом, подъемным устройством переводится из горизонтального в вертикальное положение. На этой раме закреплена неподвижная рама бурового агрегата с направляющими, по которым гидроцилиндром подачи перемещается подвижная рама с размещенными на ней вращателями бурильной и защитной колонн, снабженными индивидуальными регулируемыми приводами. При наращивании колонн вращатель бурильной колонны по направляющим, расположенным перпендикулярно оси бурения, отдельным гидроцилиндром отводится от оси или подводится к оси скважины. Вращатель защитной колонны снабжен узлом для механического свинчивания и развинчивания секций защитных и бурильных труб, а в состав защитной колонны включен не менее чем один фильтровый элемент с возможностью его установки в скважине на заданной отметке в процессе бурения. В качестве породоразрушающего инструмента на защитной колонне закреплен режущий инструмент в виде кольца с углом резания 45-60, обращенного конической поверхностью в межколонное пространство и диаметром в 1,1-1,5 раза превышающим диаметр обсадной колонны.
Установка позволяет осуществлять вскрытие водоносного горизонта и посадку фильтровой колонны под защитой обсадной колонны, которая наряду с бурильной колонной участвует в разрушении породы. Бурение скважины данной установкой осуществляется двумя колоннами, имеющими независимые приводы, и вращающимися с разными частотами. Промывочная жидкость, с помощью которой осуществляется охлаждение породоразрушающих инструментов и вынос разрушенной породы, движется по внутренней бурильной колонне, поступает на забой и поднимается по кольцевому пространству, образованному внешней поверхностью бурильной колонны и внутренней поверхностью защитной колонны. Попадание промывочной жидкости в кольцевое пространство между внешней поверхностью защитной колонны и стенками скважины исключается благодаря особой форме коронки, устанавливаемой на торце бурильной колонны.
Известная установка не приспособлена для ведения работ по водоносному горизонту в условиях самоизлива так как фильтрационный поток, действуя со стороны забоя, стенок скважины и направленный вверх, разрушает все структурные связи между частицами, слагающими водоносный горизонт. Горная масса приходит в движение, заполняя кольцевое пространство между защитной и бурильной колоннами, обрушая стенки скважины и, во время остановки бурового насоса, образует в бурильной колонне песчаную пробку, что делает процесс углубки скважины невозможным.
Задачей полезной модели является расширение арсенала буровых установок путем создания буровой установки для сооружения скважин на воду в рыхлых водоносных горизонтах с напорами, превышающими отметку поверхности земли.
Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации заявляемой полезной модели являются:
- обеспечение возможности бурения скважин на воду в рыхлых водоносных горизонтах с напорами, превышающими отметку поверхности земли;
- снижение нагрузок на исполнительные органы буровой установки;
- повышение надежности проведения буровых работ.
Решение указанной задачи и достижение вышеперечисленных технических результатов стали возможны благодаря тому, что в буровой установке для сооружения скважин на воду в рыхлых водоносных горизонтах с напорами, включающая буровой насос для подачи промывочной жидкости, маслостанцию, пульт управления, бурильную и защитную колонны, платформу с поворотной осью, подъемник, неподвижную раму с установленным на ней гидроключем, подвижную раму, гидроцилиндр перемещения подвижной рамы, на которой размещены вращатели внутренней бурильной и защитной колонн, оснащенные индивидуальными гидроприводами, при этом бурильная колонна снабжена долотом, а защитная колонна - коронкой, в условиях ведения работ с самоизливом скважины долото бурильной колонны дополнительно оснащено отрывным устройством и снабжено обратным клапаном, установленным с возможностью исключения выноса водопесчаной смеси по бурильной колонне, на устье защитной колонны установлен герметизатор бурильной колонны с возможностью исключения самоизлива в фазе бурения, в коронке защитной колонны установлено кольцо с конусной поверхностью с возможностью перекрытия кольцевого пространства, образованного внутренней поверхностью коронки защитной колонны и внешней поверхностью бурильной колонны, а на корпусе долота бурильной колонны установлены конусный диск с уплотнительной манжетой с возможностью полного перекрытия кольцевого пространства при постановке защитной колонны на забой, установка также дополнительно снабжена отводящей линией с запорной арматурой и нагнетательной линией с дополнительным насосом, обратным клапаном и измерительной аппаратурой, установленных с возможностью поддержания в затрубном пространстве избыточного давления на 3-5 м водяного столба, и пакером, в котором вверху выполнен паз под байонетный переходник, установленный на бурильной колонне.
Заявляемую буровую установку для сооружения скважин в рыхлых водоносных горизонтах с напорами иллюстрируют следующие фигуры:
Фиг.1 Общий вид буровой установки в рабочем состоянии: маслостанция, пульт управления, платформа с поворотной осью, подъемник, подрамник, неподвижная рама, направляющие, гидроцилиндр, подвижная рама, вращатель защитной колонны, вращатель бурильной колонны, гидроцилиндр, патрон, герметизатор бурильной колонны, забойный герметизатор.
Фиг.2 Фрагмент буровой установки: коронка защитной колонны с опорным кольцом с конусной поверхностью, долото бурильной колонны с обратным клапаном, диском и уплотнительной манжетой, отрывное устройство.
Фиг.3 Фрагмент буровой установки. Показана герметизация кольцевого пространства, образованного фильтром и внутренней поверхностью защитной колонны: обвязка устья скважины, герметизатор защитной колонны, отводящая линия с запорной арматурой, отводным трубопроводом, дополнительный насос с нагнетательной линией и обратным клапаном, контрольно- измерительная аппаратура, бурильная колонна, и защитная колонна в фазе бурения.
Фиг.4 Фрагмент буровой установки. Показана герметизация кольцевого пространства, образованного фильтром и внутренней поверхностью защитной колонны: пакер, паз под байонетный переходник, долото, оставленное на забое.
Заявляемая буровая установка для сооружения водоносных скважин в рыхлых водоносных горизонтах с напорами включает маслостанцию 1 (фиг.1), пульт управления 2, платформу 3 с поворотной осью 4, подъемник 5 и подрамник 6. На подрамнике 6 жестко закреплена неподвижная рама 7 с направляющими 8, по которым гидроцилиндром 9 перемещается подвижная рама 10. На подвижной раме 10 размещен вращатель 11 защитной колонны 12 и вращатель 13 бурильной колонны 14. При наращивании защитной колонны 12 и бурильной колонны 14 вращатель 13, с помощью гидроцилиндра 15, может перемещаться по направляющей 16 перпендикулярно оси бурения. Для захвата защитной колонны 12 при ее свинчивании - развинчивании на неподвижной раме 7 размещен гидроключ 17, а на вращателе 11 установлен патрон 18. Для исключения излива пластовых вод через кольцевое пространство (на фиг.не показано), образованное внутренней поверхностью защитной колонны 12 и внешней поверхностью бурильной колонны 14 на торце защитной колонны 12 устанавливается герметизатор 19 бурильной колонны 14, который исключает самоизлив в процессе бурения. При снятом герметизаторе 19 (в фазе наращивания защитной колонны 12 и бурильной колонны 14), герметизация этого кольцевого пространства осуществляется устройством 20 (фиг.2), у которого опорное кольцо 21 с конусной поверхностью размещено в коронке 22, установленной на защитной колонне 12 (фиг.1), а запирающий кольцевое пространство конусный диск 23 (фиг.2) с уплотнительной манжетой 24 размещен на корпусе долота 25. Перекрытие кольцевого пространства осуществляется только при наращивании путем постановки защитной колонны 12 и бурильной колонны 14 на забой. Перекрытие доступа напорных пластовых вод внутрь бурильной колонны 14 осуществляется обратным клапаном 26 Долото 25 соединено с бурильной колонной 14 через специальное отрывное устройство 27, способное передавать расчетный крутящий момент и осевое усилие на забой. При завершении бурения скважины до проектной глубины, когда необходимо извлечь бурильную колонну 14, специальное отрывное устройство 27 расчетным усилием вверх отсоединяется от бурильной колонны 14, исключая приток пластовых вод внутрь защитной колонны 12.
Для создания заданного давления в кольцевом пространстве (на фиг. не показано), образованном стенкой скважины (на фиг. не показана) и внешней поверхностью защитной колонны 12 в состав установки введен герметизатор 28 (фиг.3) защитной колонны 12 (фиг.1) с внешней водоотводящей линией 29 (фиг.3), запорной арматурой 30, отводным трубопроводом 31, нагнетательной линией 32 с обратным клапаном 33, дополнительным насосом 34 и контрольно-измерительной аппаратурой 35.
Подача промывочной жидкости в скважину осуществляется буровым насосом (на фиг. не показан) через сальник-вертлюг 36. Для оборудования скважины фильтром «впотай» установка включает пакер 37 (фиг.4), в котором в верху выполнен паз 38 под байонетный переходник 39, устанавливаемый на бурильной колонне 14. Расположение пакера 37 в защитной колонне 12 показано на фиг.4.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом.
В горной выработке (котловане) монтируют буровую установку (фиг.1) в соответствии с проектом и геолого-техническим нарядом на скважину (на фиг. не показана). Сначала устанавливают кондуктор (на фиг. не показан) и цементируют. На кондуктор устанавливают герметизатор 28 защитной колонны 12 с отводящей линией 29, запорной арматурой 30, отводным трубопроводом 31, нагнетательной линией 32 с обратным клапаном 33, дополнительным насосом 34 и контрольно-измерительной аппаратурой 35 и производят сборку установки по схеме, изображенной на фиг.1. После этого подключают буровой насос и пока долото 25 и коронка 22 находятся в кондукторе проверяют работоспособность сальника-вертлюга 36, герметизатора 19 бурильной колонны 14, герметизатора 28 защитной колонны 12, настраивают запорную арматуру 30 и 33 на расчетное давление. Затем включают с заданной частотой вращатель 13 бурильной колонны 14, затем вращатель 11 защитной колонны 12, устанавливают расчетное давление на забой (на фиг. не показан) и приступают к бурению скважины. После завершения бурения на длину секции бурильной колонны 14 и защитной колонны 12 перекрывают торец коронки 22 долотом 25. Затем выключают буровой насос, с защитной колонны 14 снимают герметизатор 19, с помощью гидроцилиндра 15 отводят вращатель 13 от оси скважины. Сначала наращивают бурильную колонну 14, а затем - защитную колонну 12. На защитной колонне 12 устанавливают герметизатор 19, перемещают вращатель 13 к оси скважины и соединяют его с бурильной колонной 14. включают насос (на фиг. не показан). Бурильную колонну 14 вращением подают вперед на 30-50 мм, после чего патроном 18 захватывают защитную колонну 12, включают ее вращение и цикл бурения возобновляется.
По окончании бурения скважины (на фиг. не показана) до проектной глубины торец коронки 22 перекрывают долотом 26. С помощью отрывного устройства 27 отсоединяют бурильную колонну 14 от долота 25, промывают скважину от шлама и извлекают бурильную колонну 14.
После этого опускают в скважину сборную фильтровую колонну (на фиг. не показана). На нижнюю секцию бурильной колонны 14 (фиг.4) устанавливают байонетный переходник 39, через паз 38 соединяют с пакером 37, на котором устанавливают фильтровую колонну и спускают ее до забоя скважины бурильной колонной 14. После завершения этой операции на заданную высоту извлекают защитную колонну 12, удерживая бурильную колонну 14 в неподвижном состоянии. При ее извлечении используют патрон 18 и гидроключ 17. Защитную колонну 12 извлекают до тех пор, пока опорное кольцо 21 не коснется пакера 37. После этого поворотом бурильной колонны 14 влево выводят из зацепления байонетный переходник 39 из паза 35 пакера 37 и извлекают бурильную колонну 14.
Таким образом, введение в заявляемую полезную модель дополнительных устройств, обеспечивающих герметизацию кольцевого пространства, образованного бурильной и защитной колоннами на устье и забое скважины, перекрытие внутреннего сечения бурильной колонны, через которые возможен вынос водопесчаной смеси фильтрационным потоком пластовых вод, создание условий для поддержания избыточного по отношению к давлению вод пластовой жидкости, давления в затрубном пространстве позволяет обеспечить устойчивость стенок скважины от обрушения, снизить нагрузки на защитной колонне и дает возможность бурения скважин в рыхлых водоносных горизонтах с напорами, превышающими отметку поверхности земли, т.е. расширить арсенал известных средств для бурения.
Промышленная применимость заявляемой полезной модели показана на примере сооружения насосной станции на одном из участков метрополитена г.Москвы (перегон «Текстильщики - Волгоградский проспект»).
Строительство ведется в сложных гидрогеологических условиях, характеризующихся наличием под железобетонным полом толщиной 1,2 м мощного песчаного водоносного горизонта с коэффициентом фильтрации до 20 м/сутки и напором над бетонным полом 4 м водяного столба.
Проходка шахтного ствола под насосную станцию возможна только с использования осушения строительной площадки
Заявляемая установка использована для сооружения двух водопонижающих скважин под насос ЭЦВ - 6. Для понижения уровня грунтовых вод.
Для понижения уровня грунтовых вод на 2 м ниже основания насосной станции необходимо пробурить скважину 18 м.
Сооружение скважины началось с проходки шурфа 0,4×0,4 м и глубиной 1,0 м. Далее был установлен кондуктор и зацементирован. Затем смонтирована отводящая линия с герметизатором защитной колонны. После этого была смонтирована платформа с буровым агрегатом, опробованы его рабочие органы. На бурильной и защитной колонне установлены долото и коронка. Собранные для работы защитная и бурильная колонны введены в кондуктор. После чего были включены редукторы обоих колонн, буровой насос и настройка запорной аппаратуры герметизатора защитной колонны на сбросной минимум работы с давлением в скважине, превышающем пластовое на 3-5 м водяного столба (0,3-0,5 атм). Процесс бурения велся циклично. Объем технологического цикла по бурению скважин определялся операциями, с бурением, связанными с наращиванием колонн их герметизацией и настройкой на заданный режим. После проходки скважины до 18 м торец коронки защитной колонны перекрыли долотом. Защитную колонну захватили гидроключем, что обеспечило ей неподвижность, бурильной колонне сообщили движение вверх и при усилии 6 т отсоединили с помощью отрывного устройства долото от бурильной колонны. Перед посадкой фильтровой колонны внутреннюю полость защитной колонны тщательно промыли чистой водой. После чего бурильную колонну извлекли на поверхность, а во внутрь спустили фильтровую колонну из расчетного числа фильтров. Спуск фильтровой колонны осуществляли бурильной колонной, на нижней секции которой установлен переходник с байонетным соединением, входящим в паз пакера. После достижения фильтром долота часть защитной колонны извлекли, обнажив фильтр. При ее подъеме бурильную колонну принудительно удерживают в неподвижном состоянии. После извлечения защитной колонны на расчетную высоту бурильную колонну отсоединяют от фильтровой колонны путем ее поворота влево на 90 град, и подтягивания вверх. Моментом отсоединения считается свободное вращение бурильной колонны. После извлечения бурильной колонны демонтировали отводное устройство и герметизатор защитной колонны. Скважина готова к прокачке и эксплуатации.
Таким образом, заявляемая совокупность существенных признаков полезной модели позволила пробурить две скважины на воду в рыхлых водоносных горизонтах с напорами, превышающими отметку поверхности земли, исключив вынос песка из пласта, при этом были снижены нагрузки на исполнительные органы буровой установки и повышена надежность и безопасность проведения буровых работ.