буровое устройство для расширяемой скважины

Формула изобретения

1. Буровое устройство для расширяемой скважины, включающее корпус, раздвижные породоразрушающие органы в виде поворотных кулис на осях, закрепленных в корпусе, и кондуктор с возможностью продольных перемещений относительно корпуса и клинообразного контакта с опорными поверхностями кулис, отличающееся тем, что кондуктор выполнен в виде цилиндра с радиальными пазами, наклонными по отношению к его продольной оси и вмещающими опорные поверхности кулис, весь периметр кулис в пределах радиуса расширения оснащен породоразрушающим инструментом, например резцами, в корпусе выполнена цилиндрическая полость на диаметр поверхности кондуктора с возможностью его вмещения и отверстие с возможностью сообщения с бурильными трубами, а в кондукторе выполнено сквозное продольное отверстие.

2. Буровое устройство по п.1, отличающееся тем, что наклонные пазы в кондукторе, вмещающие опорные поверхности кулис, продолжены параллельно продольной оси кондуктора на высоту, соответствующую высоте расширения скважины за один рейс.

3. Буровое устройство по п.1, отличающееся тем, что кондуктор снабжен породоразрушающим органом (буровым долотом) на диаметр бурения скважины до ее расширения.

4. Буровое устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстие в корпусе соединено с трубой, телескопически контактирующей со сквозным отверстием в кондукторе.

5. Буровое устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в теле кондуктора выполнена замкнутая полость.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бурению скважин с расширением их нижней части, преимущественно для сооружения опор фундаментных свай, а также для добычи алмазоносной руды буровым способом.

Известно буровое устройство для расширения нижнего участка ранее пробуренной скважины, включающее раздвижные породоразрушающие органы с применением погружного электродвигателя, редукторов и с возможностью применения обратной циркуляции бурового раствора /см., например, патент Японии по заявке N 57-7273, МКИ E 21 B 10/26; 4/00/. В заявляемом изобретении общими существенными признаками по отношению к указанному аналогу являются раздвижные породоразрушающие органы и возможность применения обратной циркуляции бурового раствора. Недостатками этого аналога являются сложность погружных механизмов /редукторов/ для разведения породоразрушающих органов, а также низкая производительность при бурении переходного конического /квазиконического/ участка скважины, который выполняется рядом последовательных заходок по высоте с постепенным ступенчатым увеличением диаметра расширения /см., например, рекламный бюллетень BH-110 фирмы Tone Boring Co., Ltd, Япония, 1989/.

Известно буровое устройство для расширения нижнего участка ранее пробуренной скважины, включающее раздвижные породоразрушающие органы, установленные на наклонных рельсах и движимые поршнями под давлением жидкости, подаваемой с поверхности по специальному каналу, а также канал для обратной циркуляции буровой жидкости /см., например, патент Японии по заявке N 58-9231, МКИ E 21 B 10/34/. В заявляемом изобретении общими существенными признаками по отношению к этому аналогу являются раздвижные породоразрушающие органы и канал для обратной циркуляции бурового раствора. Недостатками этого аналога являются сложность гидросистемы, создающей усилие, необходимое для разведения породоразрушающих органов, и ограниченный радиус расширения, приращение которого теоретически не может превышать радиус ранее пробуренной скважины за вычетом радиуса промывочной трубы расширителя.

Известно буровое устройство для расширения нижнего участка скважины, включающее раздвижные породоразрушающие органы, установленные на наклонных рельсах и движимые силой тяжести с опорой на забой ранее пробуренной скважины через посредство бурового долота, а также телескопический канал для обратной циркуляции бурового раствора /см., например, патент /Японии по заявке N 59-39033, МКИ E 21 B 10/32/. В заявляемом изобретении общими существенными признаками по отношению к этому аналогу являются раздвижные породоразрушающие органы, использование силы тяжести для их разведения с опорой о забой ранее пробуренной скважины, а также телескопическое устройство канала обратной циркуляции бурового раствора. В заявляемом изобретении частным существенным признаком, общим по отношению к этому аналогу, является использование бурового долота. Недостатками этого аналога являются ограниченный радиус расширения скважины, приращение которого теоретически не может превышать радиус ранее пробуренной скважины за вычетом радиуса центральной промывочной трубы. Недостатком прототипа является также опирание наклонных рельс о забой ранее пробуренной скважины через посредство породоразрушающей буровой коронки /бурового долота/, в связи с чем буровая коронка и разводимые породоразрушающие органы /расширяющие коронки/ одновременно разрушают забой, подвигаясь вдоль оси скважины с различными скоростями, зависящими от давления на породоразрушающем инструменте /резцах/в центральной и расширяющих коронках. Вследствие этого профиль расширения /его радиальные координаты по высоте/ является неопределенным. Возможно, что при некотором радиусе раздвижки, не достигшем проектного значения, давление на резцах раздвижных коронок уравняется с давлением на резцах центральной коронки. При этом дальнейшее бурение будет идти уже без расширения, и достижение проектного диаметра расширения будет теоретически невозможно. В любом случае профиль расширения остается неконтролируемым, что также относится к основным недостаткам этого аналога.

По технической сути, достигаемому технологическому результату и совокупности признаков, в наибольшей мере влияющих на достижение искомого эффекта, наиболее близким к предлагаемому изобретению является буровое устройство для расширения низа пробуренной скважины, включающее корпус с породоразрушающим наконечником, раздвижные породоразрушающие органы в виде поворотных кулис /плит/ на осях, закрепленных в корпусе, кондуктор в виде шайбы, опираемой о забой ранее пробуренной скважины и клинообразно контактирующей с породоразрушающими ребрами кулис при продольном перемещении корпуса относительно шайбы под действием веса корпуса и бурильных штанг /см. авторское свидетельство СССР N 905448, МКИ E 21 C 17/00/ - прототип.

В заявляемом изобретении общими существенными признаками по отношению к прототипу являются корпус, раздвижные породоразрушающие органы в виде поворотных кулис на осях, закрепленных в корпусе, кондуктор, опираемый о забой ранее пробуренной скважины и клинообразно контактирующий с кулисами при продольном перемещении корпуса относительно кондуктора под действием веса корпуса и бурильных штанг.

Недостатками прототипа являются невозможность выполнения дальнейшего расширения скважины ниже кондуктора в виде шайбы, опертой о забой, неэффективное разрушение прочных горных пород ввиду отсутствия на ребрах кулис /плит/ породоразрушающего инструмента, который не может быть использован ввиду необходимости скользящего контакта между кулисами и кондуктором, отсутствие и невозможность выполнения каналов для циркуляции буровой жидкости, в связи с чем разрушаемый грунт остается на дне скважины, образуя разрыхленный слой, непригодный для возведения на нем достаточно эффективного фундамента /буронабивной сваи/, а также необходимость внедрения в грунт породоразрушающего наконечника корпуса в отсутствие удаления из забоя продукта разрушения.

Сущность изобретения

В основу изобретения поставлена задача создать в буровом устройстве для расширяемой скважины путем конструктивных усовершенствований такие условия взаимодействия элементов устройства между собой и их взаимодействия с забоем образуемой горной выработки, при которых будут обеспечены образование расширения любого необходимого профиля, эффективное разрушение горных пород без ограничений по их прочности, эффективное удаление из забоя разрушенной породы, образование расширяемой скважины на неограниченную глубину при ограниченной высоте устройства, надежная координация и минимальный износ взаимоподвижных конструктивных элементов устройства, минимальные износ и потери мощности при трении устройства о породный массив.

Известными существенными необходимыми признаками изобретения являются наличие корпуса, раздвижных породоразрушающих органов в виде поворотных кулис на осях, закрепленных в корпусе, и кондуктора с возможностью продольных перемещений относительно корпуса и клинообразного контакта с опорными поверхностями кулис, а также использование силы тяжести корпуса и присоединенных к нему элементов с опорой кондуктора о забой ранее пробуренной скважины.

Отличительными необходимыми существенными признаками изобретения являются:

- выполнение кондуктора в виде цилиндра с радиальными пазами, наклонными по отношению к его продольной оси и вмещающими опорные поверхности кулис;

- оснащение всего периметра кулис в пределах радиуса расширения породоразрушающим инструментом;

- выполнение в корпусе цилиндрической полости на диаметр поверхности кондуктора с возможностью его вмещения;

- выполнение в корпусе отверстия с возможностью сообщения с бурильными трубами;

- выполнение в кондукторе сквозного продольного отверстия.

Отличительными частными существенными признаками изобретения являются:

- продолжение наклонных пазов в кондукторе пазами, параллельными продольной оси кондуктора на высоту, соответствующую достаточной высоте расширения скважины за один рейс;

- снабжение кондуктора породоразрушающим органом /буровым долотом/ на диаметр бурения скважины до ее расширения;

- снабжение корпуса трубой, сообщающейся с отверстием в корпусе и телескопически контактирующей со сквозным отверстием в кондукторе;

- выполнение в теле кондуктора замкнутой полости.

Выполнение кондуктора в виде цилиндра с радиальными пазами, наклонными по отношению к его продольной оси и вмещающими опорные поверхности кулис, обеспечивает разведение кулис силой тяжести корпуса и присоединенных к нему элементов без внедрения в забой корпуса /как в прототипе/ и в совокупности с оснащением периметра кулис в пределах радиуса расширения породоразрушающим инструментом обеспечивает эффективное внедрение кулис в боковые стенки скважины и образование расширения в породах практически любой прочности. При этом выполнение в корпусе цилиндрической полости на диаметр поверхности кондуктора с возможностью его вмещения обеспечивает необходимое продольное подвигание корпуса при неподвижном в продольном направлении кондуктора, а выполнение в корпусе отверстия с возможностью сообщения с бурильными трубами в совокупности с выполнением в кондукторе сквозного продольного отверстия обеспечивает эффективное удаление с забоя разрушаемой породы потоком буровой жидкости по трубам /эрлифтом/, что является необходимым условием образования расширения в скважине. Взаимное выполнение корпуса и кондуктора в форме, по существу, гидроцилиндра и плунжера обеспечивает их надежную взаимную координацию.

Продолжение наклонных пазов в кондукторе пазами, параллельными продольной оси кондуктора на высоту, соответствующую высоте расширения скважины за один рейс, как частный существенный признак изобретения, обеспечивает продолжение разведения кулис и дальнейшее расширение нижнего участка скважины на необходимую высоту при продолжении совместного вращения корпуса и кондуктора и освобождении кондуктора от передачи породоразрушающих нагрузок и снижении потерь мощности на трение торца кондуктора о забой ранее пробуренной скважины.

Снабжение кондуктора породоразрушающим органом /буровым долотом/ на диаметр бурения скважины до ее расширения, как частный существенный признак изобретения, обеспечивает выполнение расширения на неограниченную глубину /одновременно с выбуриванием центральной части скважины/.

Снабжение корпуса трубой, сообщающейся с отверстием в кондукторе, как частный существенный признак изобретения, позволяет исключить накопление буровой мелочи в полости корпуса и ее засорение.

Выполнение в теле кондуктора замкнутой полости, как частный существенный признак изобретения, позволяет уменьшить вес кондуктора и снизить потери мощности при его трении о забой.

На фиг. 1-4 представлены примеры возможного конструктивного выполнения предлагаемого бурового устройства для расширения скважины и графические пояснения его функционирования.

Фиг. 1 - общий вид бурового устройства /продольный разрез/ в нерабочем состоянии.

Фиг. 2 - фрагмент устройства в промежуточный момент разведения породоразрушающих органов при выполнении расширения скважины.

Фиг. 3 - общий вид устройства в момент окончания разведения породоразрушающих органов при выполнении расширения скважины.

Фиг. 4 - фрагмент устройства, соответствующего частному существенному признаку изобретения, в рабочем положении.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Предлагаемое буровое устройство включает корпус 1, раздвижные породоразрушающие органы в виде поворотных кулис 2, соединенных с корпусом посредством осей 3 и снабженных породоразрушающим инструментом /в качестве примера - резцами/ 4 по всему периметру, соответствующему радиусу расширения. Внутри корпуса 1 выполнена цилиндрическая полость 5, в которую, подобно поршню, входит цилиндрический кондуктор 6 с возможностью осевых перемещений относительно корпуса. В кондукторе 6 выполнены пазы 7 с поверхностями 8, наклонными по отношению к продольной оси 9 устройства. В эти пазы входят опорные элементы 10 и 11 кулис 2. В кондукторе 6 выполнен сквозной продольный канал 12 диаметром d. Отверстие такого же диаметра выполнено в торцовой части 13 корпуса 1.

К корпусу 1, как частный вариант конструкции, присоединена осевая труба 14, телескопически соединенная с кондуктором 6 и сообщающаяся с отверстием в торцовой части 13 корпуса; соединение снабжено уплотнением 15.

Пазы 7 с наклонными поверхностями 8 /наклонные пазы/ продолжаются в кондукторе, как частный вариант конструкции, пазами 16, параллельными продольной оси устройства, с возможностью вмещения опорных элементов 10 и 11 кулис. Высота h пазов 7 и 16 соответствует глубине полости 5 в корпусе 1.

В корпусе 1 выполнены пазы 17, частично вмещающие кулисы 2.

К торцу 18 кондуктора, как частный вариант конструкции, присоединено буровое долото 19 /см. фиг. 4/ с шарошечным инструментом 20.

В теле кондуктора 6, как частный вариант конструкции, выполнена замкнутая кольцевая полость 21.

В состоянии, соответствующем фиг. 1, устройство подсоединяется к бурильным трубам 22 и опускается в ранее пробуренную скважину до касания ее забоя торцом 18 кондуктора 6. После включения системы циркуляции буровой жидкости, поток которой входит в радиальное отверстие 23, выполненное в кондукторе, далее поднимается по каналу 12, осевой трубе 14 /или непосредственно через полость 5, если труба 14 не введена в устройство/ и через бурильные трубы 22 и последующие уходит на поверхность. Через бурильные трубы /или от погружного привода/ корпуса 1 сообщается вращение. Затем устройству сообщается осевая нагрузка /как разность веса корпуса 1 с присоединенными к нему деталями в совокупности с буровой колонной и усилия подвеса на крюке бурового станка на поверхности/. Указанная осевая нагрузка передается через оси 3 и опорные элементы 11 кулис 2 наклонным поверхностям 8 кондуктора 6 и, в конечном счете, забоя скважины в сумме с весом самого кондуктора/. Наклонные поверхности 8 клинообразно взаимодействуют с опорными элементами 11, вследствие чего на кулисах 2 возникает момент, направленный на поворот кулис вокруг осей 3 в сторону внедрения кулис в боковые стенки выработки. По мере опускания корпуса 1 относительно неподвижного в осевом направлении кондуктора 6 кулисы постепенно расходятся в радиальном направлении, причем породоразрушающий инструмент 4 /резцовый, например/ образует за пределами диаметра ранее пробуренной скважины кольцеообразный вруб /см. фиг. 2/, что обеспечивается расположением породоразрушающего инструмента 4 по всему периметру контакта кулис с горным массивом. Выполнение полости 5 в корпусе и кондуктора 6 наподобие гидроцилиндра и плунжера в нем обеспечивает их надежную взаимную координацию. Описанный механизм разведения кулис продолжается до окончания наклонных поверхностей 8 в пазах 7 /см. фиг. 2/, после чего клинообразное действие кондуктора прекращается. Дальнейшее разведение кулис под действием осевой нагрузки происходит за счет опоры нижних ребер кулис о сформированную уже часть кольцевого вруба. При этом площадь опоры о забой нижних ребер кулис 2 значительно превышает площадь о забой радиально направленной части ребер при относительном вначале равенстве вертикальной R_z и радиальной R_r реакций, действующих на кулису 2. По мере разведения кулис реакция R_r все возрастает при неизменном значении R_z. Разведение кулис заканчивается при достижении невооруженной частью верхних ребер кулис опорных поверхностей 24, выполненных в корпусе 1. Радиус расширения определяется длиной кулисы, конструктивно не ограничен, может превышать удвоенный радиус расширяемой скважины.

Дальнейшее выполнение расширения скважины на проектную высоту идет, как частный вариант, за счет продолжения опускания корпуса 1 вдоль кондуктора 6 /см. фиг. 3/, причем обеспечивается постепенное вмещение верхней части кондуктора 6 полостью 5, выполненной в корпусе 1. При этом кондуктор 6 не воспринимает породоразрушающей осевой нагрузки, чем обеспечивается снижение потерь мощности на трение торца кондуктора о забой скважины. Такой процесс может продолжаться вплоть до касания забоя опорными элементами 11 кулис 2.

Опорные элементы 11 и 10 кулис 2 входят в пазы 7 кондуктора 6, за счет чего обеспечивается вращение кондуктора совместно с корпусом 1 и исключается существенный износ контактирующих поверхностей корпуса и кондуктора в полости 5. Подобную функцию выполняют также продольные пазы 16, продолжающие наклонные пазы 7 кондуктора.

При необходимости выполнения расширения скважины на большую высоту /в частности, при буровой добыче алмазоносной руды/ или ограниченной высоте устройства оно после начала расширения полным диаметром поднимается на поверхность, к торцу 18 кондуктора, как частный вариант устройства, подсоединяется буровое долото 19 с шарошечным инструментом 20 /см. фиг. 4/. При опускании устройства в скважину и опирании бурового долота о забой и дальнейшем надвигании корпуса 1 на кондуктор 6 кулисы 2 разводятся аналогично описанной выше схеме, а затем выполняется бурение скважины долотом 19 с одновременным ее расширением на неограниченную глубину.

Во избежание оседания породной мелочи в полости 5, как в значительно расширенной части канала гидровыдачи пульпы /падение скорости потока/, к корпусу 1 /см. фиг. 1/ присоединена, как частный вариант устройства, осевая труба 14, телескопически входящая в центральный канал 12 кондуктора 6, снабженного уплотнением 15, так что поток буровой жидкости пойдет по трубе 14, минуя полость 5.

При движении кулис 2 вдоль пазов 16 торец 18 кондуктора испытывает трение о забой ранее пробуренной скважины только под собственным весом за вычетом архимедовой силы. Для снижения давления на забой торцовой поверхности 18 и ее износа при вращении кондуктора 6 в его теле выполнена замкнутая полость 21, за счет чего уменьшается вес кондуктора.

За счет крутизны наклонных поверхностей 8 и размеров кулис 2 может быть обеспечен требуемый профиль расширения скважины.

При бурении скважин малого диаметра разрушаемая порода удаляется из забоя восходящим потоком буровой жидкости по затрубному пространству, а подается жидкость /от насоса/ по бурильным трубам 22, полости 5 и каналу 12.