способ образования скважин и выработок в геологических структурах

Формула изобретения

1. Способ образования скважин и выработок в геологических структурах, включающий воздействие на забой несколькими последовательно чередующимися рабочими агентами и формируемыми из них рабочими струями, вынос отделенных от забоя и разрушенных частиц горной породы из зоны забоя ориентированными в сторону, противоположную от забоя, струями газа, которые образуют восходящий поток бурового шлама и вынос его к устью скважины или выработки, а скорость восходящего к устью потока газов поддерживают выше скорости витания в этом потоке разрушенных частиц породы на забое, отличающийся тем, что первоначально на забой воздействуют низкотемпературными газовыми струями в ламинарном режиме истечения до прогрева и начала испарения из структуры породы включенной в нее влаги, после этого на забой воздействуют высокотемпературными газовыми струями, а окончательное дробление породы и вынос разрушенного слоя из зоны забоя осуществляют низкотемпературными и высокоскоростными струями рабочего агента в импульсном взрывном режиме в течение 3-5 с, а по окончанию проходки в полости скважины поддерживают давление газа, превышающее давление грунтовых вод в пройденных горизонтах, и ведут закрепление стенок скважины, после которого давление в полости скважины доводят до ее естественного давления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура низкотемпературных газовых струй составляет 300-500°С при давлении в структуре истекающей струи 10-30 кгс/см², а температура высокотемпературного газового потока или струй составляет не менее 700°С при давлении в структуре истекающей струи 50-200 кгс/см² и воздействии этих струй на забой в течение 60-100 с.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что закрепление стенок скважины при проходке водонасыщенных и неустойчивых горизонтов ведут за счет воздействия на эти стенки высокотемпературным газовым потоком, превышающим давление воды в водонасыщенном горизонте, при этом ведут одновременное напыление на стенки скважины слабоплавкого материала, составленного из смеси полиимида с полиэлектролитным гидрогелем и фуллеритом при выборе соотношения этих компонентов в зависимости от водонасыщенности проходимого горизонта на его контакте со стенкой проходимой скважины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии проходки скважин и выработок в геологических структурах и может быть использовано для этих целей в горной промышленности и стройиндустрии.

В настоящее время известны принципиальные направления решения этой технологии, наиболее представительным из которых и наиболее близким по технической сущности является способ образования скважин и выработок в геологических структурах, включающий воздействие на забой несколькими последовательно чередующимися рабочими агентами и формируемыми из них рабочими струями, вынос отделенных от забоя и разрушенных частиц горной породы из зоны забоя ориентированными в сторону, противоположную от забоя, струями газа, которые образуют восходящий поток бурового шлама и вынос его к устью скважины или выработки, а скорость восходящего к устью потока газов поддерживают выше скорости витания в этом потоке разрушенных частиц породы на забое [1].

Обладая определенными преимуществами по отношению к другим аналогам, этот способ имеет и существенные недостатки, заключающиеся в его принципиальной технологической схеме, при которой на забой передают незначительные удельные нагрузки по сравнению с общими нагрузками, прикладываемыми к бурильному агрегату, используемому для этого способа, что определяет и незначительную эффективность данного способа при одновременных высоких энергетических и трудовых затратах на осуществление данного способа.

Технический результат данного изобретения заключается в существенном повышении эффективности данного способа за счет увеличения доли удельных нагрузок на забой от суммы нагрузок, передаваемых на процесс проходки при одновременном снижении затрат энергии и времени на процесс образования скважины или выработки, при расширении технологических возможностей и повышении технической культуры этого способа.

Этот технический результат в изобретении достигается за счет того, что в способе образования скважин и выработок в геологических структурах, включающем воздействие на забой несколькими последовательно чередующимися рабочими агентами и формируемыми из них рабочими струями, вынос отделенных от забоя и разрушенных частиц горной породы из зоны забоя ориентированными в сторону, противоположную от забоя, струями газа, которые образуют восходящий поток бурового шлама и вынос его к устью скважины или выработки, а скорость восходящего к устью потока газов поддерживают выше скорости витания в этом потоке разрушенных частиц породы на забое, предварительно на забой воздействуют низкотемпературными газовыми струями в ламинарном режиме истечения до прогрева и начала испарения из структуры породы включенной в нее влаги, после этого на забой воздействуют высокотемпературными газовыми струями, а окончательное дробление породы и вынос разрушенного слоя из зоны забоя осуществляют высокоскоростными и низкотемпературными, при этом, струями рабочего агента в импульсном взрывном режиме в течение 3-5 с, а по окончании процесса проходки в полости скважины поддерживают давление газа, превышающее давление грунтовых вод в пройденных горизонтах и ведут закрепление стенок скважины, после которого давление в полости скважины доводят до ее естественного давления.

При этом температура низкотемпературных газовых струй составляет 300-500^oC при давлении в структуре истекающей струи 10-30 кгс/см², а температура высокотемпературного газового потока и формируемых из него струй составляет не менее 700^oC при давлении в структуре струи 50-200 кгс/см² и воздействии этих струй на забой в течение 60-100 с.

Закрепление стенок скважины при проходке водонасыщенных и неустойчивых горизонтов ведут за счет воздействия на эти стенки высокотемпературными газовыми потоками, превышающим давление воды в водонасыщенном горизонте, при этом ведут одновременное напыление на стенки скважины слабоплавкого материала, составленного из смеси полиимида с полиэлектролитным гидрогелем и фуллеритом при выборе соотношения этих компонентов в зависимости от водонасыщенности проходимого горизонта на его контакте со стенкой проходимой скважины или выработки.

Описываемый способ образования скважин и выработок в геоструктурах осуществляют следующим образом. Намеченную к проходке скважину (или выработку), начиная с устья, проходят за счет воздействия на разрушаемую породу на забое струями рабочего агента, истекающими под давлением из рабочего органа. При этой принципиальной схеме воздействия на забой прикладывают нагрузки от нескольких последовательно чередующихся по воздействию рабочих агентов и формируемыми из этих рабочих агентов рабочими породоразрушающими струями: первоначально на забой воздействуют низкотемпературными, в диапазоне температур 300-500^oC, газовыми струями в ламинарном режиме истечения их и взаимодействия с разрушаемой горной породой (ламинарный режим обеспечивают за счет давления в структуре истекающей газовой струи 10-30 кгс/см²; такими струями осуществляют режим прогрева горной породы на забое для обеспечения начала испарения из структуры породы влаги, включенной в эту структуру, что приводит к резкому ослаблению прочности верхнего слоя на забое и приводит к условию интенсивного разрушения этого слоя, разрушение которого интенсифицируют за счет последующего воздействия на забой потоком высокотемпературных газовых струй, при температуре потока не менее 700^oC (желательно - до 1100^oC) и при давлении в структуре струй этого потока 50-200 кгс/см² и в течение 60-100 с. Этот режим приводит к интенсивному разрушению и отделению верхнего слоя породы на забое, а окончательное дробление породы (при проходке скальных горных пород) и вынос разрушенного слоя из зоны забоя осуществляют воздействием на забой высокоскоростными - 2-5 М (где М - число Маха, как отношение скорости задаваемого потока к скорости звука в атмосфере воздуха), и низкотемпературными при этом (300-500^oC) струями рабочего агента, режим истечения которого задают в импульсном взрывном режиме (т.е. мгновенной подачей на забой без инерционного разгона потока), - это приводит к отрыву ранее обработанного, как указано выше, струями верхнего слоя породы на забое, его окончательному дроблению на мелкие фракции и тонкие частицы с последующим выносом из зоны забоя и выносом из полости скважины к ее устью. Такое воздействие ведут импульсно в течение 3-5 с, а после него на забой продолжают в течение 5-10 с воздействовать высокотемпературным, как указано выше, потоком струй рабочего агента; а вынос разрушенных частиц породы осуществляют к устью скважины за счет истечения струй низкотемпературного агента в сторону, противоположную от забоя (забою), за счет которого создают восходящий поток бурового шлама (газ с породой) и выносят его к устью скважины, освобождая ее сечение. Все указанные в последовательности операции повторяют в строгой их последовательности, выдерживая постоянной только режим выноса шлама из полости скважины к ее устью - за счет указанного восходящего потока шлама.

При проходке различных горизонтов в полость скважины возможно попадание грунтовых вод. Для избежания заливания скважины и забоя этими водами в полости скважины поддерживают постоянное давление, превышающее давление воды в пласте - на 15-25%, при этом скорость восходящего к устью потока шлама поддерживают выше - на 5-10 м/с скорости витания в нем отдельных разрушенных и выносимых частиц породы, так при скорости витания частиц 35-45 м/с скорость потока поддерживают - 40-55 м/с за счет соответствующей скорости восходящего потока газа, отходящего от забоя и ориентированного в сторону, противоположную забою (как указано ранее).

По окончании процесса проходки скважины, или - цикла проходки, в полости скважины продолжают некоторое время, определяемое ее состоянием (имеются ли выбросы воды, оплывы, или стенки устойчивы), поддерживать давление газа, превышающее давление грунтовых вод, за счет подачи в полость скважины низкотемпературного потока газа, но под давлением, превышающим на 20-30% давление грунтовых вод в пройденных горизонтах геоструктур; одновременно ведут закрепление стенок скважины (выработки) за счет напыления на стенки слабоплавкого материала (вещества), например, полиимида (температура плавления 420^oC) в смеси с полиэлектролитным гидрогелем и фуллеритом при их соотношении, соответственно, - 3 : 1: 0,01 (мас.ч.), а температуру высокотемпературного газового потока, для напыления этого материала на стенки скважины, выбирают в пределах 700-800^oC, значение по температуре которого не приводит к перегреву наносимого, напыляемого, вещества ввиду кратковременности процесса взаимодействия этого газа на указанную смесь компонентов, составляющих облицовочный материал для стенок скважины. Время воздействия газовым потоком выбирают в этом случае в пределах 10-20 с на 1 пог. метр скважины.

Толщину слоя, наносимого на стенку скважины, выбирают в зависимости от пластового давления воды в водонасыщенном горизонте - из расчета удержания этой воды в пласте и обеспечения механической прочности стенки скважины. Экспериментами, выполненными заявителем, определена толщина такой формируемой стенки в пределах от 3 до 15 мм. Такая стенка обеспечивает и последующий эксплуатационный режим пройденной скважины при переводе ее в промысловую.

Если закрепление стенок ведется для обеспечения водоподавления (предупреждения попадания воды в полость скважины), то попавшая в скважину вода вытесняется из ее полости использованием восходящих вверх, к устью скважины, потоков газа, направляемого по сечению скважины от забоя и от операции закрепления стенок скважины, при которых (этих процессах) в полости скважины выдерживают постоянное избыточное, по отношению к давлению пластовой воды, давление газовой среды. После водоподавления и обеспечения чистоты полости проходимой скважины процесс технологической проходки ее продолжают, соблюдая всю указанную последовательность проводимых операций и все режимы принятых температурных и других показателей.

Таким образом, разработанный способ образования скважин и выработок обладает универсальной технологией образования различных скважин и широкими технологическими приемами, отвечающими современной технической культуре проходки горных пород.

Источники информации

1. Дмитриев А.П., и др. Термическое и комбинированное разрушение горных пород, М., Недра, 1978, с. 16, 22, 187, 236-237.