способ образования скважин и выработок в осадочных горных породах и мёрзлых грунтах

Формула изобретения

Способ образования скважин и выработок в осадочных горных породах и мерзлых грунтах, включающий разупрочнение и разрушение породы на забое струями рабочего агента под давлением, удаление бурового шлама из зоны забоя и полости скважины к ее устью, одновременно с разупрочнением и разрушением породы на забое осуществляют формирование стенок скважины путем воздействия на отходящий от забоя поток бурового шлама нормально ориентированным по отношению к этому потоку потоком рабочего агента, отличающийся тем, что на поток рабочего агента, ориентированный к отходящему от забоя потоку бурового шлама, накладывают акустические колебания и одновременно часть отходящих от поверхности забоя частиц породы внедряют в стенку проходимой скважины, а другую часть частиц породы, восходящих от забоя в потоке бурового шлама, подвергают воздействию восходящего потока сжатого газа, часть которого подают в призабойную зону скважины за пределом корпуса автономного бурильного аппарата, за счет подачи этого сжатого газа по коаксиальной магистрали, внутреннюю магистраль которой соединяют с источником сжатого газа, а другую часть сжатого газа периодически подают в полость скважины для создания восходящего потока к устью скважины, которым ведут продувку полости скважины без совмещения процесса продувки с процессом проходки скважины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии проходки выработок и образования скважин в осадочных горных породах и мерзлых грунтах путем воздействия на разрушаемую среду энергией струй рабочего агента под давлением, формируемыми из объема газа и парогазовой смеси.

В настоящее время известны принципиальные направления развития этой технологии, где наиболее представительным и наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ образования скважин и выработок в осадочных горных породах и мерзлых грунтах, включающий разупрочнение и разрушение породы на забое струями рабочего агента под давлением, удаление бурового шлама из зоны забоя и полости скважины к ее устью, одновременно с разупрочнением и разрушением породы на забое осуществляют формирование стенки скважины путем воздействия на отходящий от забоя поток бурового шлама нормально ориентированными по отношению к этому потоку потоком рабочего агента / RU 2178506. 20.01.2002/.

При наличии определенных преимуществ перед аналогами, в частности возможности выбора операций разрушения породы на забое и возможности формирования стенки проходимой скважины, этот способ обладает также существенными и очевидными недостатками, заключающимися в том, что процесс разрушения породы на забое, процесс удаления бурового шлама из зоны забоя и из полости проходимой скважины, а также процесс формирования стенки скважины ведут при несогласованности этих технологических операций, что приводит к неполному использованию возможности отходящего от забоя потока бурового шлама и неэффективному процессу обработки и формирования стенки скважины, допуская при этом слабое упрочнение стенки, пропуски участков обработки и закрепления стенки, и не гарантирует требуемого качества поверхности стенки, что может привести к выбросам в полость скважины при проходке водонасыщенного горизонта. Эти недостатки существенно снижают эффективность способа и техническую надежность его операций.

Технической задачей изобретения и технологическим его результатом является повышение процесса надежного формирования стенок проходимой скважины (выработки) в неустойчивых геологических горизонтах при устранении непроизводительных вспомогательных операций.

Эта техническая задача и результат в изобретении достигается за счет того, что в способе образования скважин и выработок в осадочных горных породах и мерзлых грунтах, включающем разупрочнение и разрушение породы на забое струями рабочего агента под давлением, удаление бурового шлама из зоны забоя и полости скважины к ее устью, одновременно с этим осуществляют формирование стенок скважины путем воздействия на отходящий от забоя поток бурового шлама нормально ориентированными по отношению к этому потоку потоком рабочего агента, причем на поток рабочего агента, ориентированный к отходящему от забоя потоку бурового шлама, накладывают акустические колебания и одновременно часть отходящих от поверхности забоя частиц породы внедряют в стенку проходимой скважины, а другую часть частиц породы, восходящих от забоя в потоке бурового шлама, подвергают воздействию восходящего потока сжатого газа, часть которого подают в призабойную зону скважины за пределом корпуса автономного бурильного аппарата, за счет подачи этого сжатого газа по коаксиальной магистрали, внутреннюю магистраль которой соединяют с источником сжатого газа, а другую часть сжатого газа периодически подают в полость скважины для создания восходящего потока к устью скважины, которым ведут продувку полости скважины без совмещения процесса продувки с процессом проходки скважины.

Описываемый способ поясняется на примере его осуществления со ссылкой на чертеж, где отражен процесс проходки скважины, начиная от устья 1, далее - ее ствола 2 за счет разупрочнения и разрушения породы на забое 3, который плавно своей поверхностью переходит в поверхность стенки 4 скважины 2. Проходку пород и образование скважины 2 осуществляют за счет работы автономного бурильного агрегата 5, оснащенного рабочим породоразупрочняющим и разрушающим органом 6 с соплами 7, разрабатывающими породу на забое 3 и соплами 8, формирующими стенку скважины при переходе забоя в поверхность стенки 4 в непосредственной контактной части этих поверхностей забоя и стенки скважины 2, распространяющейся за пределы верхнего торца 9 аппарата 5, над которым в полости скважины 2 расплагают коаксиальную магистраль 10, имеющую наружную коаксиальную полость 11 по отношению к внутренней коаксиальной полости 12 этой магистрали. Внутренняя магистраль 12 и внешняя магистраль 11 соединены (каждая) с источником сжатого газа. Внутренняя магистраль 12 имеет в своей стенке отверстия 13, из которых газ истекает в полость магистрали 11, которая, в свою очередь, имеет в своей стенке отверстия 14, выполненные со скосом и под углом вверх (к устью 1 скважины), а на торце магистрали 11 выполнены отверстия 15, нормально ориентированные к поверхности 16 стенки скважины 2 в непосредственной контактной зоне стенки скважины в области поверхности 4, примыкающей с поверхности забоя.

Отходящий от забоя поток бурового шлама используют для формирования стенки скважины 2. Для этого часть отходящего бурового шлама подвергают воздействию струй, истекающих из сопел 8, однако в этой зоне забоя отходящие частицы породы имеют криволинейные стахостически нерасчетные траектории движения и использование их для процесса закрепления стенок скважины малоэффективно (менее 3-х %), поэтому на уже упорядоченный линейный восходящий поток бурового шлама над торцем 9 аппарата 5 воздействуют нормально ориентированными на стенку скважины струями из отверстий 15 и часть частиц породы внедряют в стенку проходимой скважины на участке поверхности 16-4, прогрессивно следующим за забоем 3 в процессе проходки скважины; это позволяет существенно повысить объем внедряемых частиц породы (по экспериментальным данным заявителя - до 12-17%) в формируемую стенку проходимой скважины 2, предупреждая ее разупрочнение и разрушение при проходке неустойчивых горизонтов, пропластков, насыщенных влагой грунтов и сыпучих несвязных пород проходимых геоструктур.

Полость скважины 2 периодически, не согласуя этот процесс с процессом ее проходки, продувают потоком сжатого газа, который подают под давлением P₁ в полость магистрали 11 и под давлением Р₂ в полость внутренней магистрали 12, причем эти давления могут быть или равными, или P₂ выбирают на 5-10 кгс/см², превышающим давление P₁, это условие соблюдают для предупреждения обратного ухода сжатого газа вверх по магистрали 12.

Такой процесс проходки скважины с независимыми один от другого процессами образования скважины, формирования ее стенок и периодической продувки полости скважины позволяет более эффективно вести как основной процесс - проводку скважины в геоструктурах, так и два остальных процесса: закрепление стенок проходимой скважины в непосредственной близости 4-16 от забоя 3 скважины, что гарантирует более эффективное разрушение породы на забое 3 за счет организации восходящего потока работой магистрали 10 и более оперативного полного освобождения зоны забоя и полости скважины от бурового шлама, выносимого к устью 1 скважины.

При этом осуществляют эффективное закрепление стенок проходимой скважины за счет работы, как указано выше, струй, истекающих из отверстий 15 магистрали 11, и струй сопел 8 аппарата 5.