способ сооружения горизонтальной или наклонной дренажной скважины в обводненных песчаных горизонтах, установка для его реализации, фильтровая труба (варианты)

Формула изобретения

1. Способ сооружения горизонтальной или наклонной дренажной скважины в обводненных песчаных породах, включающий бурение за счет передачи осевого усилия на забой через внешнюю колонну труб с режущей кромкой и внутреннюю колонну, на которой устанавливают элемент для разрушения породы и перекрытия торца внешней колонны на периоды остановки для наращивания труб и эксплуатации с регулированием выноса породы в виде песка, подачу промывочной жидкости, вынос разрушенной породы с промывочной жидкостью, оборудование сооружаемой скважины фильтровыми трубами, отвод дренируемой воды через внутреннюю полость фильтровых труб, отличающийся тем, что оборудование сооружаемой скважины фильтровыми трубами осуществляют в процессе бурения путем включения во внешнюю колонну фильтровых труб и буровой головки, имеющей сплошную цилиндрическую поверхность, внешний диаметр которой составляет 1,1-1,15 внешнего диаметра фильтровых труб, а на внутреннюю колонну в качестве элемента для разрушения породы и перекрытия торца внешней колонны устанавливают долото с тыльной стороной, имеющей коническую поверхность, и коронкой, в буровой головке формируют гидравлическую камеру путем отделения ее от фильтрового межколонного пространства герметизатором с обратными клапанами, с длиной гидравлической камеры, определяемой по формуле

l=d tg,

где l - длина гидравлической камеры;

d - диаметр буровой головки;

- угол внутреннего трения песка под водой,

гидравлическую камеру заполняют, создавая гидрозатвор, промывочной жидкостью до давления близкого или равного пластовому, бурение осуществляют путем вращения внешней колонны при частоте в диапазоне 0,5-3,0 об/мин, а внутренней - 80,0-120,0 об/мин, вынос разрушенной породы осуществляют с промывочной жидкостью через обратные клапаны герметизатора, которые настраивают на открывание при давлении, близком или равном пластовому, отвод дренируемой воды производят через полость внешней колонны, вынос породы в виде песка регулируют, изменяя величину зазора между конической поверхностью внутренней полости цилиндрического кольца, являющегося одной из частей дополнительного составного механического затвора, установленного с упором в торец цилиндрической выемки, выполненной во внутренней поверхности буровой головки и конической поверхностью тыльной стороны долота, являющейся другой частью этого дополнительного составного механического затвора, путем перемещения по горизонтали не менее чем одной из этих частей относительно другой, при условии равенства углов, образованных образующими этих поверхностей и угла эффективного резания мягких пород.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вращение внешней и внутренней колонн труб осуществляют в противофазе.

3. Установка для сооружения горизонтальной или наклонной дренажной скважины в обводненных песчаных горизонтах, включающая пульт управления и буровой агрегат, который содержит вращатель внешней колонны, вращатель внутренней колонны, коаксиальные внешнюю и внутреннюю колонны труб, за счет соответствующих поверхностей которых сформировано межколонное пространство, режущую кромку на торце внешней колонны и элемент для разрушения породы и перекрытия торца внешней колонны на период остановок для наращивания труб и эксплуатации, отличающаяся тем, что внешняя колонна включает фильтровые трубы и снабжена в забойной части буровой головкой, имеющей сплошную цилиндрическую поверхность, внешний диаметр которой составляет 1,1-1,15 внешнего диаметра фильтровых труб, а внутри буровой головки установлен герметизатор, с возможностью создания в области герметизатор - торец внешней колонны гидравлической камеры с давлением жидкости, близким пластовому или равному ему, и длиной, определяемой по формуле

l=d tg,

где l - длина гидравлической камеры;

d - диаметр буровой головки;

- угол внутреннего трения песка под водой,

кольцевой герметизатор снабжен обратными клапанами для вывода разрушенной породы от забоя с потоком промывочной жидкости, настроенными на открывание под давлением жидкости в гидравлической камере, близким или равным пластовому, а со стороны забоя во внутренней поверхности буровой головки выполнена цилиндрическая выемка, глубина и длина которой достаточны для установления с упором в торец этой цилиндрической выемки одной из частей дополнительного составного механического затвора в виде цилиндрического кольца с внутренней полостью в форме усеченного конуса, переходящего в цилиндрическую полость и обращенного в сторону забоя основанием этого конуса, а также элемента для разрушения пород и перекрытия торца внешней колонны, в качестве которого буровой агрегат содержит долото, с тыльной стороной, имеющей коническую поверхность, являющейся другой частью дополнительного составного механического затвора, образующей зазор с конической полостью цилиндрического кольца, при условии равенства углов, образованных образующей этой конической полости, образующей конической поверхности тыльной стороны долота и угла эффективного резания мягких пород.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что по диаметру цилиндрической полости цилиндрического кольца выполнены дополнительные сквозные горизонтальные полуканалы в форме полусфер.

5. Фильтровая труба, в которой выполнены круглые сквозные отверстия, отличающаяся тем, что круглые сквозные отверстия выполнены одноступенчато, при этом диаметр круглого сквозного отверстия со стороны внешней поверхности фильтровой трубы больше диаметра круглого сквозного отверстия со стороны внутренней поверхности фильтровой трубы, а высота ступени со стороны внешней поверхности фильтровой трубы превышает высоту фильтрующего элемента, выполненного в виде цилиндрической таблетки из фильтрующего материала, с диаметром цилиндрической таблетки, обеспечивающим возможность ее плотной посадки на кольцевую ступень в каждое круглое сквозное отверстие со стороны внешней поверхности фильтровой трубы.

6. Фильтровая труба по п.5, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена крепежными кольцами по числу круглых сквозных отверстий с внешним диаметром кольца, равным диаметру фильтрующего элемента.

7. Фильтровая труба по п.5, отличающаяся тем, что в качестве фильтрующего материала для цилиндрических таблеток использована сетка из коррозионностойкого материала.

8. Фильтровая труба, имеющая сквозные отверстия, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена фильтрующими элементами по числу сквозных отверстий с конфигурацией, повторяющей форму сквозных отверстий, обеспечивающей их плотную установку в этих сквозных отверстиях на дополнительных сквозных стопорных элементах по числу сквозных отверстий с конфигурацией, также повторяющей форму этих сквозных отверстий, ширина которых достаточна для удержания на них фильтрующих элементов, и установленных на глубине сквозных отверстий, превышающей высоту этих фильтрующих элементов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к способам сооружения горизонтальных или наклонных скважин в обводненных песчаных горизонтах и устройствам, реализующим этот способ, и может быть применено при сооружении дренажных скважин из котлованов и шахтных стволов в сложных гидрогеологических условиях, а именно в песчаных водоносных горизонтах в широком диапазоне гидростатических напоров.

Известны способ и устройство для сооружения горизонтальных скважин под руслами рек задавливанием фильтровых труб, представляющее собой агрегат, состоящий из фильтровой колонны и гидравлических домкратов, с помощью которых фильтровую колонну без вращения задавливают в водоносный пласт, при этом часть породы через отверстия в головке, установленной на переднем фильтре, выносится пластовой водой по фильтровой колонне. Способ характеризуется приложением высоких осевых усилий (до 3000 кН) и применим только в гравелистых и крупнозернистых неоднородных водоносных пластах. Недостатками способа являются: ограниченная область применения, интенсивное искривление скважин, неуправляемый вынос песка из пласта [П.А.Анатольевский, Г.А.Разумов. Горизонтальные скважины, М., 1970. с].

Известны также способ для сооружения дренажных скважин методом бурения шнекофильтрами из скважин диаметром 800 мм и устройство для этих целей с глубиной заложения дрен до 50 м. Сооружение дрен осуществляют с помощью специальных шнекофильтров, являющихся одновременно буровой колонной и фильтром. Вращательное, с частотой 60-100 об/мин, и поступательное движения шнекофильтру сообщают погружаемым в скважину механизмом, в корпусе которого размещены гидродвигатель, редуктор и вращатель-толкатель. Шнекофильтры подают с поверхности специальным контейнером. Маслостанцию и пульт управления размещают на поверхности.

Недостатками способа являются высокие нагрузки, невозможность управления пространственным положением оси скважины, глубиной сооружаемых скважин, объемом выносимого из пласта песка. Предложенный способ бурения шнекофильтром показал, что шнек при 100% заполнении пространства устойчиво работать не может. Он начинает работать как шуруп. Неуправляемый вынос песка приводит к появлению зон разуплотнения в пласте и искривлению сооружаемой скважины [И.Ф.Оксанич, В.С.Береснев, А.Б.Гордон и др. Осушение месторождений при строительстве железорудных предприятий. - М., Недра, 1977, с. 88].

Из предшествующего уровня известны также способ сооружения дренажных скважин и устройство для его осуществления по а.с. №1682547, согласно которому разрушение породы (крепкие трещиноватые породы) осуществляют двумя связанными с внутренней и наружной колоннами труб породоразрушающими элементами при приложении крутящего момента к каждой из колонн и одинакового по величине осевого усилия подачи. Повышение производительности и уменьшение энергозатрат при бурении перемежающихся по крепости пород достигают перемещением внутренней колонны относительно внешней для связи между собой породоразрушающих элементов внутренней и внешней колонн труб, после чего отсоединяют внешнюю колонну от внешнего породоразрушающего инструмента и осуществляют разрушение породы при равных угловых скоростях вращения породоразрушающих элементов, при этом обеспечивают вращение внутреннего породоразрушающего элемента с большей угловой скоростью, чем угловая скорость внешней колонны, для чего внутренняя колонна труб установлена с возможностью поступательного перемещения относительно внешней колонны, а внутренняя поверхность породоразрушающего элемента внешней колонны имеет пазы для взаимодействия с выступами, выполненными на внешней поверхности породоразрушающего элемента внутренней колонны (А.с. 1682547, 07.10.91 БИ 37). Данный способ и устройство неприемлемы для сооружения скважин в обводненных песках.

Наиболее близкими и выбранными в качестве прототипа для заявляемых способа и устройства для его реализации являются способ бурения и оборудования фильтрами горизонтальных и слабо наклонных (до 10%) скважин в обводненных песках под защитой обсадной колонны установкой лучевого бурения УЛБ-130, включающей буровой агрегат, маслостанцию и пульт управления. Пульт управления и буровой агрегат монтируют внутри шахтного колодца на рабочих полках. Установка имеет вращатель внешних (рабочих) труб и вращатель шнеков с гидроцилиндрами подачи. Силовым приводом обеих вращателей служат гидродвигатели. Оба вращателя могут работать независимо друг от друга. Внешняя колонна оборудована режущим элементом, внутренняя колонна оборудована специальным породоразрушающим инструментом, позволяющим перекрывать торец внешней колонны на период наращивания и посадки фильтровой колонны. Диаметр породоразрушающего элемента больше диаметра внешней колонны и при бурении на 1,5-2,0 см опережает внешнюю колонну. Сооружение скважин осуществляют внутренней колонкой (шнековой) под защитой внешней колонны (обсадной), подаваемых одновременно, при этом обе колонны соосно расположены относительно оси вращения. Бурение ведут циклично на длину секции шнеков и, соответственно, длины секции рабочих труб. Вращение каждой колонны труб обеспечивают индивидуальные вращатели.

Вскрытие пласта осуществляют породоразрушающим элементом в виде специальной коронки, установленной на шнековой колонне, имеющей диск, с помощью которого можно менять зазор между диском и торцом внешней защитной обсадной колонны и в определенных пределах регулировать вынос песка из пласта. При этом связь атмосферы с пластом сохраняется через кольцевое пространство между защитной и шнековой колоннами.

Внешняя колонна труб защищает скважину от обвалов и позволяет оборудовать ее фильтровой колонной, для чего после окончания бурения шнековую колонну извлекают, в скважину соосно внешней колонне до забоя вставляют фильтровую колонну. После посадки фильтровой колонны внешнюю колонну извлекают, и скважина готова к работе [Л.Д.Чучелин, В.С.Кузькин, Ф.С.Малацковский, И.И.Бондаренко и др. Временные методические рекомендации по технологии сооружения лучевых дренажных скважин буровой установкой УЛБ-130, г. Белгород, 1981 г., с. 19].

При данном способе бурения идет вскрытие напорного резервуара, заполненного водопесчаной смесью. При значительных напорах воды в пласте (свыше 3 м водного столба) управление за выносом песка из пласта практически невозможно, что приводит к возникновению зон разуплотнения и, соответственно, к искривлению скважины.

Недостатками являются также значительные затраты времени, связанные с извлечением внешней выполняющей роль защитной колонны после установки в ней фильтровой колонны, а также высокая степень возможности разрушения фильтрующей поверхности. Такая возможность объясняется тем, что в условиях обжатия защитной колонны песком ее извлечение осуществляют только вращением на предельных осевых усилиях назад. Описанное вращение в условиях обжатия приводит к контакту неровностей внутренней поверхности внешней колонны с фильтрующей поверхностью и, как следствие, к ее разрушению. Приходится заново перебуривать скважину, что делает процесс ненадежным, длительным и трудоемким. Скорость извлечения рабочей колонны сопоставима со скоростью бурения.

В практике водоотбора фильтровыми колоннами большое значение имеют особенности ее конструктивного решения, обусловленного реальными условиями их эксплуатации.

Основными конструктивными типами фильтров, получившими наибольшее распространение в практике осушительных работ, являются: дырчатые, проволочные, сетчатые, каркасно-стержневые и гравийные (каркасно-набивные).

Так, из предшествующего уровня известны, например, конструкции фильтров с сетками на основе перфорированных труб из металла и полиэтилена. На трубах диаметром 100 мм при диаметре отверстий 10 мм число отверстий составляет 800 на 1 м. При диаметре труб 125 мм и диаметре отверстий 12 мм - 700 на 1 м. Напайка сетки и намотка проволочной спирали производится по продольным ребрам, выполненным из проволоки диаметром 4-5 мм. Такие ребра устанавливаются путем приварки к стальному каркасу или термического прокола нагретых конусов проволоки в каркас. Недостатком такой конструкции является то, что намотка проволочных спиралей на трубы из металла приводит к их деформации и смещению витков спирали при транспортировке и спуске в скважину [В.М.Гаврилко, В.С.Алексеев. Фильтры буровых скважин. - М., 1985, с 49-50].

В некоторых случаях для осушения мелкозернистых песков применяют фильтры блочного типа, состоящие из металлического каркаса, на который надевают готовые блоки, выполненные из керамики, пористого бетона или склеенных зерен гравия. Уменьшение размеров проходных отверстий на фильтрующей поверхности фильтра при откачке из мелкозернистых песков приводит к возникновению больших входных сопротивлений, снижающих эффективность водопонижения.

В связи с этим при откачке воды из мелкозернистых песков большое значение приобрели фильтры с гравийно-песчаной обсыпкой, загружаемой с поверхности, что делает неприменимым этот вид фильтров для водопонижения горизонтальными дренажными скважинами [Осушение месторождений при строительстве железорудных предприятий. - М., "Недра", 1977, И.Ф.Оксанич, В.С.Береснев, А.Б.Гордон и др., с. 58].

Известен также элемент фильтра лучевого водозабора по а.с. 969841 (30.10.82 БИ №40), выполненный перфорированным, при этом фильтровая труба собирается из элементов с разной скважностью, примыкающей ступенчато в направлении от головки к устью, обеспечивающей равенство средних скоростей движения через отверстия каждого элемента.

Основная часть аналогов неработоспособна при использовании их в качестве рабочих в процессе вращательного бурения за счет высокого сопротивления, обусловленного необтекаемостью фильтровых труб.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому и выбранным в качестве прототипа для фильтровой трубы является дырчатый фильтр, включающий фильтровую трубу со сквозными отверстиями. Этот тип фильтра применяют для осушения водоносных горизонтов, сложенных гравием, крупными песками, гравелистыми песками с частицами крупностью от 1 до 10 мм и с преобладанием частиц крупностью от 2 до 5 мм (число таких частиц более 50%). Отверстия выполнены круглыми, диаметр отверстий 5-10 мм. Уменьшение размеров проходных отверстий на фильтрующей поверхности фильтра вызывает увеличение входного сопротивления и снижение эффективности водоотбора [Осушение месторождений при строительстве железорудных предприятий. - М., "Недра", 1977, И.Ф.Оксанич, В.С.Берсенев, А.Б.Гордон и др., с. 58-59].

Задачей изобретения является разработка способа сооружения горизонтальных или наклонных дренажных скважин, позволяющего безопасно вскрывать песчаные водоносные горизонты в широком диапазоне гидростатических напоров без нанесения экологического ущерба и разработка технических средств для его реализации, включая создание прочной фильтровой трубы с защищенными фильтрующими элементами, не повышающими сопротивление фильтровой трубы при вращательно-поступательном движении.

Техническими результатами которые могут быть получены при реализации изобретения, являются:

для способа

- обеспечение регулируемого выноса песка при высоких гидростатических напорах;

- расширение рабочего диапазона гидростатических давлений;

- сокращение сроков строительства;

- повышение глубины и длины сооружаемой дренажной скважины;

- повышение технологичности;

- повышение экологичности и безопасности способа;

для установки, реализующей способ

- устранение свободного сообщения внутренней полости внешней колонны с напорными водоносными горизонтами;

- упрощение конструкции;

- повышение производительности;

- снижение энергоемкости;

- повышение надежности;

- снижение нагрузок на исполнительные органы установки (крутящих моментов, осевых усилий);

для фильтровой трубы

- расширение функциональных возможностей;

- обеспечение возможности использования фильтровой трубы в напорных песчаных водоносных горизонтах;

- защита фильтрующих поверхностей от механического воздействия.

Решение указанной задачи и достижение ожидаемых технических результатов для заявленных способа и установки для его реализации стали возможны благодаря тому, что в известном способе сооружения горизонтальной или наклонной дренажной скважины в обводненных песчаных породах, включающем бурение за счет передачи осевого усилия на забой через внешнюю колонну труб с режущей кромкой и внутреннюю колонну, на которой устанавливают элемент для разрушения породы и перекрытия торца внешней колонны на периоды остановки для наращивания труб и эксплуатации с регулированием выноса породы в виде песка, подачу промывочной жидкости, вынос разрушенной породы с промывочной жидкостью, оборудование сооружаемой скважины фильтровыми трубами, отвод дренируемой воды через внутреннюю полость фильтровых труб, оборудование сооружаемой скважины фильтровыми трубами осуществляют в процессе бурения путем включения во внешнюю колонну фильтровых труб и буровой головки, имеющей сплошную цилиндрическую поверхность, внешний диаметр которой составляет 1,1-1,15 внешнего диаметра фильтровых труб, а на внутреннюю колонну в качестве элемента для разрушения породы и перекрытия торца внешней колонны устанавливают долото с тыльной стороной, имеющей коническую поверхность, и коронкой, в буровой головке формируют гидравлическую камеру путем отделения ее от фильтрового межколонного пространства герметизатором с обратными клапанами, с длиной гидравлической камеры, определяемой по формуле

l=d tg,

где l - длина гидравлической камеры;

d - диаметр буровой головки;

- угол внутреннего трения песка под водой,

гидравлическую камеру заполняют, создавая гидрозатвор, промывочной жидкостью до давления, близкого или равного пластовому, бурение осуществляют путем вращения внешней колонны при частоте в диапазоне 0,5-3,0 об/мин, а внутренней - 80,0-120,0 об/мин, вынос разрушенной породы осуществляют с промывочной жидкостью через обратные клапаны герметизатора, которые настраивают на открывание при давлении, близком или равном пластовому, отвод дренируемой воды производят через полость внешней колонны, вынос породы в виде песка регулируют, изменяя величину зазора между конической поверхностью внутренней полости цилиндрического кольца, являющегося одной из частей дополнительного составного механического затвора, установленного с упором в торец цилиндрической выемки, выполненной во внутренней поверхности буровой головки и конической поверхностью тыльной стороны долота, являющейся другой частью этого дополнительного составного механического затвора, путем перемещения по горизонтали не менее чем одной из этих частей относительно другой, при условии равенства углов, образованных образующими этих поверхностей и угла эффективного резания мягких пород, при этом в предпочтительном случае исполнения способа вращение колонн осуществляют в противофазе, а также благодаря тому, что в известной установке для сооружения горизонтальной или наклонной дренажной скважины в обводненных песчаных горизонтах, включающей пульт управления и буровой агрегат, который содержит вращатель внешней колонны, вращатель внутренней колонны, коаксиальные внешнюю и внутреннюю колонны труб, за счет соответствующих поверхностей которых сформировано межколонное пространство, режущую кромку на торце внешней колонны и элемент для разрушения породы и перекрытия торца внешней колонны на период остановок для наращивания труб и эксплуатации, внешняя колонна включает фильтровые трубы и снабжена в забойной части буровой головкой, имеющей сплошную цилиндрическую поверхность, внешний диаметр которой составляет 1,1-1,15 внешнего диаметра фильтровых труб, а внутри буровой головки установлен герметизатор с возможностью создания в области герметизатор - торец внешней колонны гидравлической камеры с давлением жидкости, близким пластовому или равному ему и длиной, определяемой по формуле

l=d tg,

где l - длина гидравлической камеры;

d - диаметр буровой головки;

- угол внутреннего трения песка под водой,

герметизатор снабжен обратными клапанами для вывода разрушенной породы от забоя с потоком промывочной жидкости, настроенными на открывание под давлением жидкости в гидравлической камере, близким или равным пластовому, а со стороны забоя во внутренней поверхности буровой головки выполнена цилиндрическая выемка, глубина и длина которой достаточны для установления с упором в торец этой цилиндрической выемки одной из частей дополнительного составного механического затвора в виде цилиндрического кольца с внутренней полостью в форме усеченного конуса, переходящего в цилиндрическую полость и обращенного в сторону забоя основанием этого конуса, а также элемента для разрушения пород и перекрытия торца внешней колонны, в качестве которого буровой агрегат содержит долото с тыльной стороной, имеющей коническую поверхность, являющейся другой частью дополнительного составного механического затвора, образующей зазор с конической полостью цилиндрического кольца при условии равенства углов, образованных образующей этой конической полости, образующей конической поверхности тыльной стороны долота и угла эффективного резания мягких пород, при этом в лучшем примере исполнения по диаметру цилиндрической полости цилиндрического кольца выполнены дополнительные сквозные горизонтальные полуканалы в форме полусфер.

Решение указанной задачи и достижение технических результатов для фильтровой трубы стали возможны благодаря тому, что в известной фильтровой трубе, имеющей круглые сквозные отверстия, круглые сквозные отверстия выполнены одноступенчато, при этом диаметр круглого сквозного отверстия со стороны внешней поверхности фильтровой трубы больше диаметра круглого сквозного отверстия со стороны внутренней поверхности фильтровой трубы, а высота ступени со стороны внешней поверхности фильтровой трубы превышает высоту фильтрующего элемента, выполненного в виде цилиндрической таблетки из фильтрующего материала, с диаметром цилиндрической таблетки, обеспечивающим возможность ее плотной посадки на кольцевую ступень в каждое круглое сквозное отверстие со стороны внешней поверхности фильтровой трубы.

В предпочтительном примере исполнения фильтровая труба дополнительно снабжена крепежными кольцами по числу круглых сквозных отверстий с внешним диаметром, равным диаметру фильтрующего элемента, а в качестве фильтрующего материала для цилиндрических таблеток использована сетка из коррозионно-стойкого материала.

Вариантом заявляемой фильтровой трубы, имеющей сквозные отверстия, является дополнительное снабжение ее фильтрующими элементами по числу сквозных отверстий с конфигурацией, повторяющей форму сквозных отверстий, обеспечивающей их плотную установку в этих сквозных отверстиях на дополнительных сквозных стопорных элементах по числу сквозных отверстий с конфигурацией, также повторяющей форму этих сквозных отверстий, с шириной, достаточной для удержания на них сквозных фильтрующих элементов, и установленных на глубине сквозных отверстий, превышающей высоту этих фильтрующих элементов.

Вскрытие песчаных водоносных горизонтов способом и установкой по прототипу влечет вынос песка, который увеличивается с увеличением гидростатического напора в пласте. В результате этой зависимости вынос песка начинает превышать объем сооружаемой скважины. При этом основная часть песка поступает из верхней сводовой части, что, естественно, влечет за собой разуплотнение песка и вовлечение в движение больших объемов породы. Это является основной причиной искривления внешней колонны в направлении разуплотнения. Вышесказанное вытекает из наличия связи забоя вскрываемого напорного пласта с устьем скважины, т.е. атмосферным давлением, через межколонное пространство и ограничивает возможности способа по прототипу по напорам, глубине и длине сооружаемой скважины. Совокупность существенных признаков предложенной установки позволяет исключить прямую связь напорных пластовых вод с атмосферой воздуха через межколонное пространство путем формирования в нем гидравлической камеры на забое, в которой создают гидрозатвор путем заполнения гидравлической камеры промывочной жидкостью, например водой до давления, близкого или равного пластовому, т.е. за счет разделения межколонного пространства в области забоя на фильтровую и нефильтровую части герметизатором с обратными клапанами. При давлении в камере, превышающем пластовое, идет поглощение пластом промывочной жидкости и повышение пластового давления, в связи с чем обратные клапаны настраивают на открывание при близком или равном пластовому давлению, а количество клапанов определяют в каждом конкретном случае исходя из производительности насоса. Длину гидравлической камеры и, соответственно, расстояние, на котором устанавливают герметизатор в буровой головке, определяют в зависимости от диаметра буровой головки и угла внутреннего трения песка под водой.

В этом случае в созданной гидравлической камере песок может скапливаться в объеме, равном объему внутренней полости, в форме усеченного конуса с углом конусности, равным углу внутреннего трения песка под водой. Гидравлическая камера служит гасителем гидростатического напора пласта, в результате чего нерегулируемый выброс породы в виде песка становится невозможным. Для каждого водоносного горизонта, имеющего определенный гранулометрический состав, величина угла внутреннего трения - справочная величина. Введение в совокупность существенных признаков способа такого признака, как бурение внешней фильтровой колонной в присутствии гидрозатвора, за счет составления внешней колонны из фильтровых труб с буровой головкой, в которой выполнена гидравлическая камера, наполняемая промывочной жидкостью до давления, близкого или равного пластовому, позволяет проходить дренажные скважины в водонасыщенных песках с высокими гидростатическими напорами. Такой подход к решению проблемы сооружения горизонтальных или наклонных дренажных скважин в напорных песчаных горизонтах является принципиально новым и приближен к естественным процессам. Осуществление бурения внешней колонной, включающей фильтровые трубы, например с гладкой поверхностью и защищенными фильтрующими элементами, повышает экологичность способа, упрощает его за счет придания функции фильтрового устройства внешней колонне.

Снижение нагрузок на исполнительные органы достигают путем управления выносом песка. Объем разрушенной породы, выносимой в единицу времени (V_рп), должен поддерживаться в соотношении

V_pп=кS_скв·V_мех л/мин,

где к - коэффициент разрыхления песка, равный 1,1-1,2;

S_скв - площадь сечения забоя;

S_скв = 0,785-d², дм²;

d - диаметр буровой головки;

V_мех - механическая скорость бурения, дм/мин.

При соблюдении такого соотношения над сводовой частью внешней колонны не происходит разуплотнение песка и, соответственно, не происходит искривление дренажной скважины.

Существенным признаком способа является достижение возможности регулирования процессом выноса породы в виде песка в межколонное пространство при высоких гидростатических напорах, обеспечиваемое регулированием величины зазора между двумя частями дополнительного составного механического затвора, находящегося в гидравлической камере буровой головки, что в свою очередь облегчает этот процесс. В качестве одной из частей дополнительного составного механического затвора служит цилиндрическое кольцо с конической полостью в форме усеченного конуса, обращенного основанием в сторону забоя, в качестве второй - тыльная сторона долота, имеющая коническую поверхность. Требуемую ширину зазора устанавливают путем перемещения по горизонтали не менее чем одной из частей дополнительного составного механического затвора. На практике она колеблется от 0,01 до 50-70 мм в зависимости от гидрогеологических условий (в основном - величины напора пластовой воды) и определяется опытным путем по объему выносимой породы. Достижение такого технического результата, как обеспечение регулированного выноса песка, приводит к увеличению длины сооружаемых горизонтальных или наклонных дренажных скважин, снижению энергоемкости процесса бурения, расширению технических возможностей способа, обеспечивающего вскрытие водоносных пластов с высокими гидростатическими давлениями. Заявленный способ имеет важное практическое применение для осушения подтопленных зданий, сооружений, построенных на песках, уровень грунтовых вод в которых под воздействием разных факторов (техногенных, природных и др.) поднялся выше уровней фундаментов полов подвальных помещений, вследствие чего произошло так называемое подтопление зданий, территорий при строительстве лучевых, в том числе и подрусловых водозаборов. Поскольку доказано, что лучевой дренаж несмотря на его ненадежность признается на настоящий момент самым эффективным, придание ему надежности за счет управляемости процессом и изоляции вскрываемого пласта от устья, является значительным и принципиальным шагом, в корне меняющим подход к существующим в этой области проблемам. Заявленный способ работоспособен и при осушении бортов карьеров, котлованов, осушении подземных горных выработок. Введение в заявляемый способ признака бурения внешней колонной, составленной из фильтровых труб, позволяет принципиально оптимизировать технологичность процесса за счет совмещения таких операций, как бурение, оборудование сооружаемой дренажной скважины фильтрами и укрепление ее стенок. Это снижает по сравнению с прототипом трудозатраты, энергоемкость и повышает надежность.

По прототипу время чистого бурения, взятого по 4 скважинам, составляет 4,12 ч, время установки фильтров 5,05 ч, время извлечения защитной колонны 7,33 ч. Из приведенных данных видно, что две последние операции примерно в 3 раза длительнее, чем время производительное, связанное с бурением скважины. А так как при выполнении всех этих операций задействован и привод установки, то, естественно, что и энергозатраты в 3 раза больше, чем при осуществлении чистого бурения скважины.

Вращение внешней и внутренней колонн в предпочтительном случае исполнения в противофазе уменьшает вероятность искривления скважины и исключает разворот внешней колонны при вращении внутренней колонны, например, при удалении шлама.

Предложенные в способе и устройстве существенные признаки в совокупности позволяют выйти на достижение оптимальных режимов бурения дренажных скважин по осевому усилию, крутящему моменту и частоте вращения на внешней колонне. Они являются определяющими на глубину заложения сооружаемых дренажных скважин и при регулированном выносе песка в забое определяются по следующим зависимостям:

где Р - осевое усилие в общем случае;

f - коэффициент трения песка о сталь;

P₂ - давление горных пород в объеме свода естественного давления, т/м;

Р_рк - вес внешней колонны вместе с внутренней колонной, т/м;

L - длина дренажной скважины, м;

Р₃ - осевое усилие на разрушение породы (песков), т.

Поскольку внешняя колонна вращается, суммарные силы трения разлагают на осевые (Р _ос) и вращательные (Р_вр)

где - угол, образованный результирующей и осевой силами трения и применительно к сложному движению внешней колонны поступательно вперед со скоростью V_мех и вращательному с частотой n_T.

Угол определяется по следующей зависимости:

где R - радиус внешней колонны, м;

V_поступ= V_мех;

V_вращ - скорость вращения внешней колонны, м/с. Задавая частоту вращения внешней колонны n_т и механическую скорость бурения (V_мех), определяется угол , а через него Р_ос и Р_вр, а через них и крутящие моменты на внешней колонне (М_т)

где Д - диаметр внешней колонны, м.

Анализ зависимостей 2, 3, 6 показывает, что увеличение частоты вращения внешней колонны в зависимости от механической скорости бурения снижает силы трения поступательному вращению внешней колонны в 3-6 раз и увеличивает крутящие моменты в 1,5-2 раза. Вместе с тем следует отметить, что увеличение частоты вращения внешней колонны свыше 0,06 с^-1 (4 об/мин) существенного влияния на изменение сил трения поступательному движению и крутящие моменты не оказывают, что позволяет выйти на оптимальные осевые усилия при бурении, определяемые как минимальные при минимальном своде обрушения, образующемся над внешней колонной и частотой ее вращения в пределах 0,5-3,0 об/мин. При таком анализе видно, что чем меньше будет величина сил трения, вызванных горным давлением, тем больше возможностей увеличить длину сооружаемых дренажных скважин.

Выполнение в устройстве дополнительных сквозных горизонтальных полуканалов в форме полусфер по диаметру цилиндрической полости цилиндрического полукольца, установленного с упором в торец цилиндрической выемки на внутренней поверхности буровой головки, обеспечивает, в предпочтительном случае исполнения устройства, улучшение выноса породы.

Заявленная фильтровая труба обеспечивает защиту фильтрующих поверхностей от механического воздействия и расширение функциональных возможностей устройства, т.е. возможность применять последнюю в качестве буровой трубы.

Так, выполнение круглых сквозных отверстий предложенной формы заявленного ограничения, т.е. чтобы высота ступени со стороны верхней поверхности фильтровой трубы превышала высоту фильтрового элемента, позволяет как бы утопить, т.е. защитить фильтрующий элемент, расположить его в полости стенки трубы, что, с одной стороны, полностью устраняет механическое воздействие на фильтрующую поверхность при транспортировке и бурении внешней колонной, составленной из предлагаемых фильтров, с другой стороны, песок, который осядет на фильтрующую поверхность до уровня поверхности фильтровой трубы создаст над каждым фильтрующим элементом как бы песчаную обсыпку, улучшающую фильтрационные свойства, что позволяет расширить фильтрационные возможности фильтровой трубы. Выполнение фильтрующего элемента в виде цилиндрической таблетки из фильтрующего материала позволяет регулировать скважность фильтра в зависимости от условий бурения и характеристик водоносного пласта, а жесткое крепление, осуществляемое, например, путем прессования, не сильно усложняет технологию изготовления фильтра по сравнению с прототипом и более упрощено по сравнению с изготовлением других типов фильтров.

Снабжение фильтровой трубы крепежными кольцами по числу круглых сквозных отверстий с внешним диаметром кольца, равным диаметру фильтрующих элементов, позволяет усилить крепление этих фильтрующих элементов, упростить технологию крепления и повысить надежность фильтровой трубы, а использование в качестве фильтрующего материала для цилиндрической таблетки сетки из коррозионно-стойкого материала, например нержавеющей стали, улучшает фильтрационные и эксплуатационные характеристики фильтра. Аналогичные технические результаты достигаются путем снабжения фильтровой трубы со сквозными отверстиями фильтрующими элементами по числу сквозных отверстиях с конфигурацией, повторяющей форму сквозных отверстий, обеспечивающей их плотную установку в этих сквозных отверстиях на дополнительных сквозных стопорных элементах по числу сквозных отверстий с конфигурацией, также повторяющей форму этих сквозных отверстий, ширина которых достаточна для удержания на них фильтрующих элементов, и установленных на глубине сквозного отверстия, превышающей высоту этих фильтрующих элементов.

Внешняя колонна, составленная из описанных вариантов фильтровых труб, обладает необходимой жесткостью и поверхностью, обеспечивающей низкое сопротивление при бурении, что снижает сопротивление при ее вращении и продвижении вперед, позволяет выдерживать высокие осевые нагрузки и свободно пропускать воду и пылеватые частицы пласта, находящиеся в поровом пространстве песчаного скелета, при этом диаметр отверстий фильтрующего элемента должен предотвращать вынос песка, составляющего его скелет, то есть частицы песка, соответствующие d 50 гранулометрического состава, что предохраняет пласт от разрушения.

Таким образом, предложенная совокупность признаков для заявленных способа, установки и фильтровой трубы (варианты) достаточна для решения поставленной задачи и достижения технических результатов.

Сущность изобретения иллюстрируют следующие чертежи:

- фиг.1. Общий вид установки для сооружения горизонтальной или наклонной дренажной скважины в обводненных песчаных горизонтах.

- фиг.2. Внешняя и внутренняя колонны и элемент для разрушения породы и перекрытия торца внешней колонны в момент бурения.

- фиг.3. Общий вид фильтровой трубы с фильтрующим элементом.

- фиг.4. Отверстие в фильтровой трубе с фильтрующим элементом и крепежным кольцом.

- фиг.5. Вариант фильтровой трубы со стопорным кольцом.

Установка для сооружения горизонтальной или наклонной скважины в обводненных песчаных горизонтах (фиг.1) представляет собой маслостанцию 1 (обычно установленную на поверхности 2), а также пульт управления 3 и буровой агрегат, который содержит вращатель 4 внешней колонны 5, вращатель 6 внутренней колонны 7, коаксиальные внешнюю колонну 5 и внутреннюю колонну 7, соответствующие поверхности которых формируют межколонное пространство. Передача осевого усилия и вращающего момента от вращателя 4 на внешнюю колонну 5 осуществляют специальным патроном 8, удержание внешней колонны 5 при свинчивании-развинчивании секций - гидроключом 9. Вращатели размещены на подвижной раме 10, перемещающейся при движении вперед-назад по неподвижной раме 11. Внешняя колонна 5 оснащена буровой головкой 12, которая является продолжением внешней колонны 5 и имеет режущую кромку 13. Внутренняя колонна 7 снабжена элементом для разрушения породы и перекрытия торца внешней колонны 5 в виде долота 14 с коронкой 15 и хвостовиком 16. Внешняя колонна 5 включает фильтровые трубы 17 с круглыми сквозными отверстиями 18. Буровая головка 12 имеет сплошную цилиндрическую поверхность и ее внешний диаметр составляет 1,1-1,15 внешнего диаметра фильтровых труб 17.

Часть буровой головки 12 изолирована от фильтровой части внешней колонны в межколонном пространстве 19 герметизатором 20 с образованием в забойной части межколонного пространства гидравлической камеры 21, закрепленным на внутренней поверхности буровой головки 12. Длина гидравлической камеры 21 определяется по формуле

l=d·tg,

где l - длина гидравлической камеры;

d - диаметр буровой головки;

- угол внутреннего трения песка под водой,

при этом герметизатор 20 снабжен обратными клапанами 22, настроенными на открывание под давлением жидкости в гидравлической камере 21, близким или равным пластовому. Во внутренней поверхности буровой головки 12 со стороны забоя выполнена цилиндрическая выемка 23. Глубина и длина этой цилиндрической выемки 23 достаточны для установления в ней одной из частей дополнительного составного механического затвора с упором в ее торец 24, а также долота 14 с коронкой 15 и хвостовиком 16. Дополнительный составной механический затвор состоит из двух частей, одной из которых является цилиндрическое кольцо 25, соосное с внешней колонной 5 и внутренней колонной 7. Цилиндрическое кольцо 25 имеет внутреннюю полость в форме усеченного конуса 26, переходящего в цилиндрическую полость (не показана), диаметр которой на практике равен 1,1-1,15 диаметра хвостовика 16 долота 14. Тыльная сторона долота 14 имеет коническую поверхность и является другой частью дополнительного составного механического затвора. При условии равенства углов, образованных образующей конической полости 26 цилиндрического кольца 25, образующей конической поверхности тыльной стороны долота 14 и угла эффективного резания мягких пород, образуется зазор 27. При выдвижении, например, внутренней колонны 7 ширина зазора 27 меняется и образуется угол конусности, равный углу эффективного резания мягких пород 60-45. По диаметру цилиндрической полости (не показана) цилиндрического кольца 25 выполнены дополнительные сквозные горизонтальные полуканалы 28 в форме полусферы.

Забойная часть внешней колонны 5 и внутренней колонны 7 для наглядности на фиг.2 разделена условно на три функциональные зоны:

А - зона механического регулирования;

В - зона гидравлического затвора;

С - зона связи атмосферы воздуха с межколонным пространством.

В качестве фильтровых труб в составе заявляемой установки наиболее целесообразно применить фильтровую трубу (фиг.3), в которой круглые сквозные отверстия выполнены одноступенчато, при этом диаметр круглого сквозного отверстия со стороны внешней поверхности 29 фильтровой трубы больше диаметра круглого сквозного отверстия со стороны внутренней поверхности 30 фильтровой трубы, а высота h₁ со стороны внешней поверхности фильтровой трубы превышает высоту h₂ фильтрующего элемента 31 (фиг.5 и 4), выполненного в виде цилиндрической таблетки с диаметром, обеспечивающим возможность ее плотной посадки на кольцевую ступень 32 в каждое круглое сквозное отверстие со стороны внешней поверхности 29 фильтровой трубы, ширина которой должна быть достаточной для удержания фильтрующего элемента 31 от выпадения внутрь фильтровой трубы.

Крепление фильтрующих элементов 31 в круглых сквозных отверстиях фильтровой трубы в предпочтительном примере исполнения может быть выполнено с помощью крепежных колец по числу круглых сквозных отверстий с внешним диаметром кольца, равным диаметру фильтрующего элемента.

Вариантом исполнения может быть фильтровая труба, имеющая сквозные отверстия (фиг.5), которая также снабжена фильтрующими элементами 31 по числу сквозных отверстий 34 с конфигурацией, повторяющей форму фильтрующих элементов 31, обеспечивающей их плотную установку в этих сквозных отверстиях на дополнительных сквозных стопорных элементах (не показаны) по числу сквозных отверстий с конфигурацией, также повторяющей форму этих сквозных отверстий, ширина которых достаточна для удержания на них фильтрующих элементов 31, при этом дополнительный сквозной стопорный элемент 35 устанавливают в сквозное отверстие на глубину, превышающую высоту фильтрующего элемента.

В качестве фильтрующего материала для цилиндрических таблеток в предпочтительном примере использована сетка из коррозионно-стойкого материала (нержавеющей стали).

Способ осуществляют следующим образом: монтируют установку для сооружения горизонтальной или наклонной скважины по борту карьера, подключают маслостанцию 1 к источнику энергоснабжения (не показан) и с помощью трубопроводов с пультом управления 3, а последний с вращателем 4 внешней колонны 5 и вращателем 6 внутренней колонны 7, проверяют направление бурения, работу гидроключа 9, патрона 8. Собирают буровую головку 12, в которой устанавливают герметизатор 20 с обратными клапанами 22 колонны 5, формируя гидравлическую камеру 21 длиной l=d · tg. Внутреннее цилиндрическое кольцо 25 вставляют в буровую головку 12 и закрепляют стопорным винтом (не показан).

В закрепленную буровую головку 12 вставляют трубу (не показана) внутренней колонны 7 с прорезями под хвостовик 16 долота 14 и через торец буровой головки 12 вставляют долото 14 с коронкой 15, тыльная сторона которого, имеющая коническую поверхность, является одной из частей дополнительного составного механического затвора, и соединяют с трубой (не показана), формируя внутреннюю колонну. Затем наращивают фильтровые трубы 17 внешней колонны и, зажав собранную фильтровую колонну 5 в патроне 8, вращением соединяют с буровой головкой 12, предварительно зажатой в гидроключе 9. Собрав такую компоновку, соединяют с вращателем 6 внутреннюю колонну 7.

После сборки внешней колонны 5 и внутренней колонны 7, как это показано на фиг.1, разжимают патрон 8 станка и подачей внутренней колонны 7 вперед (назад) устанавливают величину (расчетную) зазора 27 между коническими поверхностями цилиндрического кольца 25 и тыльной стороны долота 14. После зажатия в патроне 8 внешней колонны 5 гидроключ 9 разжимают и подачей подвижной рамы 10 вперед вводят собранный снаряд в грунт, после чего включают вращение внутренней колонны 7, потом внешней колонны 5, включают промывочную жидкость и подачу вперед.

При этом величину параметров бурения определяют заранее. В качестве таких параметров используют частоту вращения фильтровой колонны, расход промывочной жидкости, осевое усилие на забой и зазор, через который выходит разгрузочная порода с забоя.

Величину осевого усилия выбирают с таким расчетом, чтобы механическая скорость бурения была не выше расчетной, при которой объем разрушенной породы не превышал 1,15 объема скважины.

Вращение внешней колонны 5 и внутренней колонны 7 осуществляют или в одну сторону, или в противофазе, при этом последнее уменьшает вероятность искривления скважины и предотвращает разворот внешней колонны 5 при вращении внутренней колонны при удалении шлама.

Важное место занимает контроль за давлением и расходом промывочной жидкости. Ее расход должен быть достаточным для полного удаления шлама, а давление таково, чтобы исключить поглощение пластом жидкости

При бурении в неустойчивых обводненных песках ключевым параметром является частота вращения внешней колонны 5.

Практическими данными доказано, что в начале бурения при небольших силах трения на внешнюю колонну 5 частота вращения фильтровых труб должна быть минимальной _т=0,5-1,0 об/мин. При увеличении сил трения поддерживать частоту вращения в этих пределах очень трудно, т.к. при больших сопротивлениях вращательному движению гидромотор вращателя при таких оборотах останавливается (все масло уходит в дренаж) и необходимо увеличивать обороты до 3 об/мин.

Увеличение частоты вращение внешней колонны 5 свыше 3 об/мин ведет к искривлению скважин. Поэтому оптимальным для внешней колонны 5 является частота 0,5-3,0 об/мин.

Частота вращения внутренней колонны 7 оказывает существенную роль в интенсивности разрушения породы. Для песков оптимальный ее диапазон составляет 80-110 или 80-120 об/мин, при которых способ еще является работоспособным. Вынос разрушенной породы осуществляют промывочной жидкостью через обратные клапаны 22 герметизатора 20, которые настраивают на открывание при давлении, близком или равном пластовому, отвод дренируемой воды производят через фильтровую часть внешней колонны 5 межколонного пространства 19. В процессе бурения дополнительно регулируют вынос породы, изменяя величину зазора 27 между конической полостью 26 цилиндрического кольца 25, являющегося одной из частей дополнительного составного механического затвора, установленного с упором в торец 24 цилиндрической выемки 23, выполненной во внутренней поверхности буровой головки 12 и конической поверхностью тыльной стороны долота 14, являющейся другой частью дополнительного составного механического затвора, путем перемещения по горизонтали одной из его частей относительно другой, при условии равенства углов, образованных образующими этих поверхностей, и угла эффективного резания мягких пород. Осуществляют этот процесс путем смещения либо одной колонны, либо обеих.

Улучшение процесса выноса песка обеспечивают снабжением устройства в предпочтительном случае исполнения дополнительными сквозными горизонтальными полуканалами в форме полусфер, что приводит к улучшению динамики процесса.

Заявленные варианты фильтровой трубы позволяют при бурении обеспечить минимальное сопротивление внешней колонны 5 и предохранить поверхность фильтрующих элементов 31, утопленных в стенке фильтровой трубы 17, за счет превышения высоты h₁ со стороны внешней поверхности высоты h₂ фильтрующего элемента 31. При бурении внешней колонной 5 песок оседает на поверхности каждого фильтрующего элемента 31, создавая над ним песчаную обсыпку, в результате чего повышается степень очистки поступающей через фильтрующие элементы 31 воды из пласта.

Практическая применимость способа, установки и вариантов фильтровой трубы показаны на следующих примерах.

Пример 1.

Месторождение железных руд КМА.

Добычу ведут открытым способом.

Месторождение представлено обводненными сеноман-альбскими песками мощностью до 30 м. Пески неоднородны по составу: вверху находятся мелкозернистые, а в самом низу гравелистые с высокими коэффициентами фильтрации.

В настоящее время нерабочие борта карьера из-за выходящих из строя ранее сооруженных дренажных систем требуют дополнительных мероприятий.

Заявляемой установкой сооружают в осушаемом борту карьера горизонтальную дренажную скважину путем бурения за счет передачи осевого усилия на забой через внешнюю колонну труб с режущей кромкой и внутреннюю колонну, на которую устанавливают долото с коронкой. Тыльная сторона долота имеет коническую поверхность. Оборудование сооружаемой скважины фильтровыми трубами осуществляют в процессе бурения. В качестве фильтровых труб использованы металлические трубы из нержавеющей стали с круглыми сквозными отверстиями, выполненными одноступенчато, в каждом из которых установлен фильтрующий элемент в виде цилиндрической таблетки, в качестве фильтрующего материала для которой использована сетка из нержавеющей стали. Высота круглого сквозного отверстия со стороны внешней поверхности фильтровой трубы превышает высоту фильтрующего элемента в 1,4 раза. Скважность фильтра составляет 37% (в зависимости от К_ф песка).

В торце внешней фильтровой колонны устанавливают буровую головку, при этом диаметр фильтровой трубы составляет 168 мм, внешний диаметр буровой головки 190 мм, что составляет соотношение 1,1, являющееся минимальным в заявляемых пределах. В буровой головке формируют гидравлическую камеру длиной l, равной 600 мм, рассчитанной по формуле l=·tg, и заполняют ее промывочной жидкостью до давления, равного пластовому. Вращение внешней колонны осуществляют при частоте от 1 об/мин до 3,0 об/мин. Увеличение частоты вращения свыше заявляемого предела резко увеличивает осевые усилия и искривление дренажной скважины. Вращение внутренней колонны осуществляют в зависимости от ситуации в пределах 80-120,0 об/мин. Выход за эти пределы приводит к неоправданному увеличению энергозатрат. Вращение внутренней и внешней колонн осуществляют в одном направлении. Вынос разрушенной породы осуществляют с помощью промывочной жидкости через обратные клапаны герметизатора, которые настраивают на давление, равное пластовому, отвод дренируемой воды производят через фильтровую часть межколонного пространства. Вынос породы (песка) через клапаны герметизатора регулируют изменением ширины зазора дополнительного составного механического затвора путем перемещения долота на внутренней колонне. Углы, образованные образующей конической поверхностью цилиндрического кольца, конической поверхностью тыльной стороны долота и угол эффективного резания мягких пород равны и составляют 45-60.

Показатели

Механическая скорость бурения (V_мех), м/ч 35

Техническая скорость (включая наращивание, извлечение внутренней колонны), м/ч 20

Трудоемкость, раз 0,3

Энергоемкость, раз 0,3

Длина дренажной скважины, м 65

Надежность,% 100

Пример 2.

По примеру 1. Сооружают наклонную дренажную скважину. В процессе бурения опробован весь заявляемый диапазон частот вращения внешней 0,5-3,0 об/мин и внутренней 80-120 об/мин колонн. Бурение осуществляют в противофазе. Угол наклона сооружаемой скважины 3,0. Отношение внешнего диаметра буровой головки и внешнего диаметра фильтровой трубы составляет 1,15, обратные клапаны герметизатора для вывода разрушенной породы с забоя потоком промывочной жидкости настроены на открывание под давлением жидкости в гидравлической камере, близким к пластовому. В качестве фильтровой трубы использованы фильтровые трубы скважностью 5% с фильтровым элементом в виде цилиндрической таблетки из сетки, выполненной из нержавеющей стали, установленным внутри каждого сквозного отверстия на стопорное кольцо. Отношение глубины установки стопорного кольца к высоте фильтрового элемента составляет 1,4. Породу (песок) выводят также через дополнительные сквозные горизонтальные полуканалы.

Показатели:

Механическая скорость бурения 30

V_мех, м/ч

Техническая скорость бурения

(включая наращивание, извлечение

внутренней колонны), м/ч 18

Трудоемкость, раз 0,3

Энергоемкость, раз 0,3

Длина фильтровой дренажной скважины, м 70

Надежность,% 100

Пример 3.

Условия для осуществления способа - сооружение горизонтальной дренажной скважины из шахтного ствола в водоносных песчаных горизонтах, когда уровень грунтовых вод превышает давление над устьем и его величина остается постоянной по всей длине скважины. Давление составляет 4-5 м водного столба.

Бурение осуществляют по примеру 1, только предварительно в крепи шахтного ствола устанавливают специальный герметизатор, который, плотно обжимая фильтровую колонну, предотвращает прорыв песка из-за крепи ствола. Введение буровой головки с герметизатором, с обратными клапанами в пласт осуществляют при закрытом дополнительном составном механическом затворе. После введения буровой головки в пласт включают буровой насос и формируют в буровой головке гидравлическую камеру длиной 600 мм и заполняют, создавая гидрозатвор, промывочной жидкостью до давления, равного пластовому. Затем подачей внутренней колонны приоткрывают затвор, включают вращение внутренней, потом внешней колонн и подают обе колонны вперед, регулируя ширину зазора экспериментально. Бурение осуществлено при вращении внешней и внутренней колонны в противофазе. При бурении опробованы частоты вращения внешней колонны и внутренней колонн в диапазонах: внешней колонны 1-3 об/мин, внутренней 80-100 об/мин.

Фильтровая труба по примеру 1 дополнительно снабжена крепежными кольцами по числу отверстий с внешним диаметром, равным диаметру фильтрующего элемента.

Показатели:

Механическая скорость бурения 25

V_мех, м/ч

Техническая скорость бурения

(включая наращивание,

установку устья скважин,

извлечение внутренней колонны), м/ч 15

Трудоемкость, раз 0.35

Энергоемкость, раз 0.35

Длина дренажной скважины, м 70

Надежность,% 100

Пример 4.

Сооружают горизонтальную дренажную скважину в условиях примера 1 установкой УЛБ-130 (по прототипу).

Показатели:

Механическая скорость бурения 35

V_меx, м/ч

Техническая скорость бурения

(включая наращивание, посадку

фильтров, извлечение

защитной колонны), м/ч 4,5

Трудоемкость, раз 1

Энергоемкость, раз 1

Длина дренажной скважины, м 50

Надежность,% 30

Как видно из примеров 1-3, способ, сооружение горизонтальной или наклонной дренажной скважины в обводненных песчаных горизонтах, установка и фильтровая труба (варианты) работоспособны в заявленных пределах. При способе сооружения горизонтальной дренажной скважины, включающем бурение в противофазе, заметного увеличения скорости бурения и длины сооружаемых дренажных скважин не установлено. Однако исключена опасность разворота колонны при длительном вращении внутренней колонны. Увеличение внешнего диаметра буровой головки, имеющей сплошную цилиндрическую поверхность по сравнению с диаметром фильтровых труб внешней колонны в заявленных пределах, позволяет получить разуплотнение песка вокруг фильтра, улучшить условие выноса мелких пылеватых фракций. Это приводит к формированию вокруг внешней колонны зоны с повышенной проницаемостью и увеличению дебита скважины. По сравнению с прототипом значительно снижены такие важные показатели как трудоемкость (в 3,3 раза), энергоемкость (в 3,3 раза), а также увеличена длина сооружаемой дренажной скважины (более чем в 2 раза) и надежность (на 70%).

Использование в составе внешней колонны заявленных вариантов фильтровых труб с утопленными в стенке трубы фильтрующими элементами, например, в виде цилиндрической таблетки из фильтрующего материала позволяют снизить сопротивление при продвижении фильтровой трубы при бурении. Использование в качестве фильтрующего материала сетки из коррозионно-стойкого материала (нержавеющей стали) повышает срок фильтровой трубы. Оба варианта фильтровых труб работоспособны и позволяют реализовать заявленный способ. Использование крепежных колец по числу круглых сквозных отверстий с внешним диаметром кольца, равным диаметру фильтрующих элементов, повышает надежность фильтровой трубы.

Таким образом, реализация заявляемого изобретения позволяет полностью решить поставленную задачу и создать оптимальный надежный способ для сооружения горизонтальной или наклонной дренажной скважины в обводненных песчаных горизонтах и конкурентоспособные технические средства для его осуществления, что обеспечивает ему практическую применимость и безопасность.