Устройство для корректируемого по направлению расширения пилотной скважины
DEVICE FOR DIRECTIONAL EXPANSION OF A PILOT WELL

Изобретение относится к области строительства, в частности к средствам горизонтально-направленного бурения или наклонно-направленного бурения (ГНБ, ННБ) с расширением инженерных скважин, например, методом разбуривания, и к средствам, применяемым при бестраншейном сооружении трубопроводов в грунте.
Проблема заключается в следующем.
Основной способ производства инженерной скважины включает направленное бурение пилотной скважины и образование ствола инженерной скважины посредством расширения пилотной скважины. Этапы реализации инженерной скважины состоят из разработки проекта будущей скважины, бурения пилотной скважины, точность положения которой контролируется локационной системой ГНБ по положению измерительного зонда, размещаемого в буровой головке, выхода буровой колонны на поверхность земли, замены буровой головки на расширитель необходимого диаметра с прикрепленным к нему через вертлюг трубопроводом, обратного протягивания буровой колонны с расширением скважины для свободного затягивания трубопровода, и обрезки трубопровода в технологических котлованах после полного затягивания трубопровода в скважину. При этом необходимая точность бурения пилотной скважины обеспечивается применением локационной системы с размещенным в буровой головке измерительным зондом, а управляемость по направлению - несимметричностью бурового инструмента, закрепленного на буровой головке.
При вращении буровой головки с режущим инструментом и надавливании на буровую колонну со стороны буровой установки происходит примерно прямолинейное бурение пилотной скважины. Любая неоднородность почвы вызывает отклонение буровой колонны с буровой головкой от заданного направления. Коррекция направления бурения достигается проворачиванием буровой головки до необходимого положения и продавливанием неподвижной буровой колонны на некоторое расстояние. Из-за несимметричного крепления режущего инструмента буровой головки происходит сдвиг буровой головки в нужную сторону. После чего бурение продолжается до очередной коррекции.
Для затягивания в скважину трубопровода необходимого диаметра производится расширение пилотной скважины специальным инструментом - расширителем, который крепится к буровой колонне вместо буровой головки. Чтобы избежать вращения трубопровода в образующейся скважине, последний присоединяется к расширителю через вертлюг, содержащий подшипниковое соединение и карданы-проушины с обеих сторон, чтобы создавать в основном продольные усилия на трубопровод при затягивании в скважину. В настоящее время практически все конструкции расширителей имеют осесимметричную форму.
При выполнении особо ответственных работ при прокладке инженерных скважин, например, для обустройства ливневой канализации, требуется минимальное отклонение от проектной трассы. И если при бурении пилотной скважины руководствуются показаниями локационной системы ГНБ и могут управлять положением и направлением буровой головки, то при расширении скважины изначально считается, что трасса пройдет по пилотной скважине. Вместе с тем, при прокладке скважины в слабых грунтах, относящихся к классу дисперсных по ГОСТ 25100-2011 (глинистые, ил, сапропели и т.п.), происходит отклонение (проседание) трассы пилотной скважины от проектных значений из-за собственного веса буровой колонны и вместо круглого отверстия сечение пилотной скважины в середине трассы представляет собой вытянутый эллипс, вследствие чего буровая колонна совместно с расширителем «разбивает» слабый грунт пилотной скважины и проходит по ее нижней части, при этом готовая скважина уже не будет соответствовать проектной трассе. При большом прогибе скважина становится неработоспособной из-за появления отрицательных уклонов. Таким образом, можно говорить о "слепом" (не контролируемом) расширении пилотной скважины.
При расширении пилотной скважины стандартным расширителем в слабом грунте усилия давления на расширитель примерно симметричны, вес буровой колонны с расширителем ничем не скомпенсирован и из-за вытянутого (щелеобразного) поперечного сечения пилотной скважины и расширитель вместе с буровой колонной и затягиваемым трубопроводом постепенно уходит вниз с трассы пилотной скважины.
Известны способы и устройства создания инженерной скважины, включающие направленное бурение скважины и одно или многократное расширение пилотной скважины посредством расширителя на колонне из бурильных штанг с возможностью одновременного протаскивания в скважину трубопровода, например, описанные в патентах US 7389829 В2, 2008/06/24, "Method and apparatus for forming bored hole", US 7730969 B2, 2010/06/08, "Reamer and method for directional drilling", CA 2815739 A1. 2012/05/03, "Method for the underground installation of a pipe", но ни один из них не предлагает решения для высокоточной по положению прокладки инженерной скважины.
С точки зрения логики, для создания высокоточной инженерной скважины необходимо знать на этапе расширения положение расширителя под землей и иметь механизм корректировки последнего, чтобы компенсировать отклонения рабочей скважины от проектной трассы. Целям управляемого расширения скважины в этом случае могут служить измерительный зонд локационной системы, расположенный в непосредственной близости к расширителю и служащий для измерения глубины, наклона и положения расширителя, а также несимметричная форма расширителя, которая при протяжке позволяет в небольших пределах корректировать положение формируемой инженерной скважины.
Так, известны способ высокоточной прокладки ствола инженерной скважины, представленный в патенте US 2006/0269361 A1, 2006/11/30, "Apparatus for on-grade boring" и реализующее его устройство, выбранное в качестве прототипа.
Способ производства подземного трубопровода включает начальный этап бурения пилотной скважины через грунт под заданным углом наклона путем удлинения бурильной колонны с прикрепленной к ней управляемой буровой головкой через грунт.
После завершения пилотного бурения буровая головка заменяется на расширитель, имеющий диаметр больше, чем пилотное отверстие, и который прикреплен к бурильной колонне, причем расширитель снабжен ударным устройством, таким как пневматический ударный элемент, включающий ударник, который обеспечивает повторяющиеся удары по расширителю. Расширитель проталкивается назад (в сторону буровой установки) через пилотное отверстие под углом наклона, в то время как ударный элемент приводится в действие, чтобы помочь расширителю продвигаться по земле и протягивать трубопровод, соединенный с расширителем, в образовавшуюся скважину большего диаметра вслед за расширителем.
Согласно патенту, как один из вариантов исполнения, расширитель состоит из двух частей, где первая часть представляет собой несимметричный режущий расширитель для управления положением под землей, перед которым смонтировано гнездо для зонда навигационной системы ГНБ с закрепленным в нем зондом, чтобы указывать оператору буровой установки ориентацию рулевой поверхности на передней части расширителя.
Реализация способа производства скважины согласно патенту US 20060269361 A1 отличается большой сложностью. Кроме того, использование только ударного механизма для продвижения расширителя с прикрепленным к нему трубопроводом возможно только В относительно мягких грунтах с уплотнением стенок скважины. Передняя асимметричная часть расширителя с прикрепленным зондом навигационной системы здесь играет вспомогательную роль и практически не участвует в расширении инженерной скважины.
Приведенный способ в разных вариантах использует тандемную схему несимметричного режущего расширителя и ударного уплотняющего расширителя. Для контроля за положением несимметричного режущего расширителя перед последним установлена буровая штанга с гнездом для измерительного зонда локационной системы ГНБ, в котором жестко закреплен измерительный зонд, дающий оператору буровой установки информацию о положении несимметричного режущего расширителя.
Один из вариантов реализации способа согласно патенту US 2006/0269361 A1 основан на использовании только несимметричного режущего расширителя (риммера) с закрепленной перед ним штангой с измерительным зондом (раздел 0044 патента), что является прототипом для заявляемого технического решения. Ниже дан перевод раздела 0044 патента US 2006/0269361 А1 со ссылками на чертежи к описанию этого патента.
Режущий риммер, согласно известного изобретения, также можно использовать отдельно, без помощи ударного риммера, для выполнения бурения под уклоном. Как показано на фиг. 11 и 12, выдвигающийся назад фланец 65 риммера 51 соединен U-образной скобой 66 с обычным съемником для труб, таким как съемник 67 для расширенных конических труб. Скоба 66 вставляется через проушину 68 во фланце 65 и фиксируется с помощью болта 69 через проушину 71 в выдвигающемся вперед фланце 72 съемника труб 67. Скобу 66 можно заменить кабелем или любым аналогичным тянущим соединителем, используемым в промышленности. Кроме того, желательно подавать в режущий риммер 51 буровой раствор (такой как бентонит) через полый буровой снаряд. Буровой раствор впрыскивается из ряда отверстий 74 на внешней поверхности риммера 51 способом, хорошо известным в данной области техники, при этом отверстия сообщаются с центральным каналом 31 через буровую головку. Режущий риммер 51 может также иметь зубцы и/или спиральные канавки (76, фиг. 11), которые эффективны для улучшения режущего действия.)
Согласно этому решению, режущий риммер разрушает грунт при вращении и протягивании буровой колонны, а буровой раствор способствует выносу грунта из скважины и укреплению ее стенок. Для корректировки направления при неподвижной буровой колонне несимметричный режущий риммер совместно с измерительным зондом поворачивается таким образом, чтобы при протягивании буровая колонна совместно с несимметричным режущим риммером и прикрепленным трубопроводом сдвигалась в сторону уменьшения ошибки отклонения инженерной скважины от проектной трассы. Далее вновь начинается вращение с разрушением грунта режущим риммером. Процедура корректировки может повторяться многократно до завершения прокладки инженерной скважины.
Полнофункциональная реализация способа производства скважины согласно патенту US 20060269361 A1 отличается большой сложностью. Кроме того, использование только ударного механизма для продвижения расширителя с прикрепленным к нему трубопроводом возможно только в относительно мягких грунтах с уплотнением стенок скважины. Передняя асимметричная часть расширителя с прикрепленным зондом навигационной системы здесь играет вспомогательную роль и практически не участвует в расширении инженерной скважины.
Существенным недостатком такого решения является размещение измерительного зонда в гнезде буровой штанги перед несимметричным режущим риммером. Буровая штанга с гнездом для измерительного зонда или (или то же самое, буровая головка с гнездом для измерительного зонда) является самым слабым местом буровой колонны как при бурении пилотной скважины, так и при ее расширении методом разбуривания вследствие обязательного присутствия длинных продольных щелей на корпусе гнезда для беспрепятственного выхода переменного магнитного поля, несущего всю необходимую информацию, из измерительного зонда. Даже при бурении пилотной скважины буровая головка с размещенным в ней измерительным зондом испытывает сильное торсионное скручивание. Если же речь идет о расширении пилотной скважины методом разбуривания, усилия скручивания растут пропорционально диаметру режущего риммера, что требует кардинального усиления прочности ближайшей к риммеру буровой штанги с гнездом для измерительного зонда. Поэтому прогрессивный способ разбуривания инженерной скважины режущим расширителем большого диаметра с выносом породы вместе с буровым раствором, который позволяет прокладывать трубопроводы во всех категориях грунтов, здесь неприменим или применим с большими ограничениями вследствие появления чрезмерных скручивающих нагрузок на гнездо (пенал) зонда, которые могут привести к его разрушению и выходу всего механизма из строя. Таким образом, известное устройство является ненадежным в работе.
Задачей является повышение надежности работы устройства за счет обеспечения возможности прокладки трубопровода без воздействия чрезмерных скручивающих нагрузок на гнездо (пенал) зонда.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для корректируемого по направлению расширения пилотной скважины, включающем несимметричный расширитель с жестко присоединенным к нему пеналом для размещения измерительного зонда локационной системы ГНБ, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, пенал с измерительным зондом установлен продольно, жестко закреплен непосредственно за несимметричным режущим расширителем и соединен с затягиваемым трубопроводом через вертлюг, при этом несимметричный расширитель выполнен в виде комбинации половинок двух симметричных режущих расширителей разного конструктивного исполнения для создания неравновесных сдвигающих усилий в поперечном направлении при протяжке буровой колонны.
Выполнение несимметричного режущего расширителя в виде комбинации половинок двух симметричных режущих расширителей разного конструктивного исполнения позволяет создать неравновесные сдвигающие усилия в виде поперечных усилий сдвига при протяжке буровой колонны, а жесткое крепление пенала с измерительным зондом непосредственно сразу за несимметричным расширителем дает возможность при использовании вертлюга избежать воздействия на него скручивающих нагрузок с беспрепятственным отображением положения несимметричного расширителя по показаниям измерительного зонда, обеспечивая в совокупности повышение надежности работы устройства.
Заявляемое устройство обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как выполнение несимметричного режущего расширителя в виде комбинации половинок двух симметричных режущих расширителей разного конструктивного исполнения, продольное расположение пенала с измерительным зондом, жесткое закрепление его сразу за несимметричным режущим расширителем и соединение его с затягиваемым трубопроводом через вертлюг, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, которые обеспечивали бы в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемое устройство соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемое устройство может найти применение в горизонтально/наклонно-направленном бурении (ГНБ, ННБ) с расширением инженерных скважин, например, методом разбуривания, и в бестраншейном сооружении трубопроводов в грунте, поэтому соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется чертежами, где представлены на:
- фиг. 1 - процесс расширения пилотной скважины путем вращения и вытягивания буровой колонны;
- фиг. 2 - конструкция несимметричного расширителя;
- фиг. 3а - 3с - симметричные расширители, используемые для изготовления несимметричного расширителя;
- фиг. 4 - схема корректируемого по направлению расширения, позволяющая получить минимальные ошибки при прокладке инженерной скважины.
На фиг. 1a, б схематично показан процесс расширения пилотной скважины путем вращения и вытягивания буровой колонны. Здесь 1 - первая буровая штанга перед расширителем, 2 - несимметричный режущий расширитель, 3 - пенал, где размещается измерительный зонд 4 локационной системы ГНБ. Вертлюг 5 служит для предотвращения вращения оголовка 6 с закрепленным в нем концом затягиваемого в скважину трубопровода 7.
Здесь устройство для корректируемого по направлению расширения пилотной скважины включает в себя несимметричный расширитель 2 с присоединенным к нему пеналом 3 для размещения измерительного зонда 4 локационной системы ГНБ. При этом пенал 3 с измерительным зондом 4 установлен продольно, жестко закреплен непосредственно за несимметричным режущим расширителем 2 и соединен с затягиваемым трубопроводом 7 через вертлюг 5. При этом несимметричный режущий расширитель 2 (фиг. 2) изготовлен из половинки расширителя типа «морковка» (фиг. 3а) и полого режущего расширителя (фиг. 3в) для создания неравновесных сдвигающих усилий в поперечном направлении при протяжке буровой колонны. Также он может быть изготовлен и из комбинации половинок расширителей, показанных на фиг. 3с и 3d.
Коррекция положения расширителя 2 (риммера) с колонной буровых штанг в пилотной скважине осуществляется за счет неравновесных усилий сжатия корпуса несимметричного расширителя 2 при его кратковременном протягивании при неподвижной буровой колонне (в процессе разбуривания). Коррекция может быть многократной с постоянным контролем положения расширителя 2 показаниям локационной системы ГНБ, использующей сигналы измерительного зонда 4, закрепленного в жестко соединенном с несимметричным расширителем 2 пенале 3. При этом высокая точность определения глубины до зонда, что позволяет избежать ошибки отклонения создаваемой скважины от проекта, достигается использованием решений согласно принадлежащего заявителю патента RU 2717360, G01V 3/12, 25.06.2019 на изобретение «Способ повышения точности измерения глубины положения электронного зонда под землей для локационной системы ГНБ».
На фигуре 4 приведена схема корректируемого по направлению расширения пилотной скважины, позволяющая получить минимальные ошибки при прокладке инженерной скважины.
В сравнении с прототипом заявляемое устройство является более надежным в работе.