устройство для бурения скважин в неустойчивых и разрушенных горных породах с одновременной обсадкой

Формула изобретения

1. Устройство для бурения скважин в неустойчивых и разрушенных горных породах с одновременной обсадкой, состоящее из бурильной и обсадной колонн, башмака с центратором, породоразрушающего элемента, направляющего элемента и отклонителя с подводящими каналами, отличающееся тем, что направляющий элемент выполнен с эксцентричным поперечным пазом прямоугольной формы, нижняя часть которого на величину эксцентриситета, определяемого разностью R_СКВ. - R_П.И., где R_СКВ. и R _П.И., радиусы скважины и породоразрушающего инструмента соответственно, выполнена с конусностью - равной конусности хвостовика отклонителя, который размещен в эксцентричном поперечном пазу направляющего элемента с возможностью осевого и горизонтального смещений, при этом ось подводящего канала отклонителя для подачи очистного агента на забой скважины расположена под углом к его оси и оси скважины.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что хвостовик отклонителя имеет продольное отверстие некруглой формы, большая ось которого параллельна его оси и оси скважины и расположена на расстоянии от оси отклонителя, равном не менее 1,5 величинам эксцентриситета со смещением в сторону эксцентриситета, в котором размещена горизонтальная ось, жестко соединенная с направляющим элементом.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что минимальная длина продольного отверстия некруглой формы, расположенного на хвостовике отклонителя, равна величине эксцентриситета.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в подводящие каналы направляющего элемента и отклонителя вмонтирована эластичная втулка с возможностью осевого перемещения в канале направляющего элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, в частности к бурению водозаборных, геологоразведочных, дренажных и других скважин технического назначения, проходимых в неустойчивых и разрушенных горных породах, и может быть использовано при создании буровых снарядов для бурения с одновременной обсадкой.

Известно шарошечное долото [1], которое можно использовать при бурении скважин с одновременной обсадкой, состоящее из корпуса, одной основной породоразрушающей и одной калибрующей шарошек, лапы которых установлены в корпусе на осях с возможностью поворота и шарнирно соединены между собой тягами. Такое долото имеет ряд существенных недостатков: конструкция очень сложна в изготовлении из-за наличия нескольких осевых узлов, размещенных в довольно ограниченном пространстве; долото предназначено для бурения в твердых и крепких породах, так как чтобы привести его в рабочее положение, необходимо создать значительное усилие на забой скважины, что возможно только в указанных выше породах, а при бурении неустойчивых и разрушенных породах это сделать практически невозможно; для эффективного разрушения твердых и крепких пород требуется значительное осевое усилие на забой скважины, а это значит, что оси шарошек и тяг должны иметь достаточную прочность, которую создать в таком ограниченном пространстве весьма проблематично.

Известно также устройство [2], состоящее из обсадной колонны с внутренним продольным выступом в нижней части, внутри которой расположена бурильная колонна со специальным породоразрушающим инструментом с пазами на корпусе, позволяющие ему при бурении выходить за приделы обсадной колонны. Породоразрушающий инструмент соединен с бурильной колонной эксцентриковым переходником, на котором размещен эксцентриковый центратор, служащий для смещения оси бурильной колонны относительно оси обсадной колонны в призабойной части скважин - прототип. Недостатками этой конструкции являются: сложность конструкции, а соответственно и изготовления, необходимость применения специального, а не серийного, породоразрушающего инструмента, значительная сложность перевода устройства из транспортного положения в рабочее и обратно, так как трудно добиться высокой точности при совмещении внутреннего продольного выступа на обсадной колонне с пазом центратора в призабойной зоне, что снижает надежность устройства в целом.

В основу настоящего изобретения поставлена задача - создание конструкции устройства для бурения скважин в неустойчивых и разрушенных горных породах с одновременной осадкой, обеспечивающего надежную работу в широком диапазоне физико-механических свойств горных пород, быстрый и безотказный перевод из транспортного положения в рабочее и обратно и использовать серийный породоразрушающий инструмент.

Поставленная задача решается тем, что устройство для бурения скважин в неустойчивых и разрушенных горных породах с одновременной обсадкой (в дальнейшем - устройство), состоящее из бурильной и обсадной колонн, башмака с центратором, направляющего, отклоняющего (в дальнейшем - отклонителя) и породоразрушающего элементов, в котором направляющий элемент выполнен с эксцентричным поперечным пазом прямоугольной формы, нижняя часть которого по высоте на величину эксцентриситета выполнена с конусностью, равной конусности хвостовика отклонителя, размещенного в эксцентричном поперечном пазу направляющего элемента с возможностью осевого и горизонтального смещения, при этом ось промывочного канала отклонителя направлена под углом к оси скважины, а в каналы направляющего элемента и отклонителя, подающие очистной агент на забой скважины, вмонтирована эластичная втулка с возможностью осевого перемещения в канале направляющего элемента; хвостовик отклонителя имеет продольное отверстие некруглой формы, большая ось которого параллельна его оси и оси скважины и расположена на расстоянии от оси отклонителя, равном не менее 1,5 величины эксцентриситета е со смещением в сторону эксцентриситета, определяемого разностью R_СКВ. - R_П.И., где R_СКВ. и R_П.И. - радиусы скважины и породоразрушающего инструмента соответственно, в котором размещена горизонтальная ось, жестко соединенная с направляющим элементом, а минимальная длина продольного отверстия в хвостовике отклонителя равна величине эксцентриситета - е.

Отличием предлагаемого технического решения устройства является наличие в направляющем элементе эксцентричного поперечного паза прямоугольной формы, нижняя часть которого по высоте на величину эксцентриситета выполнена с конусностью, равной конусности хвостовика отклонителя, размещенного в поперечном прямоугольном пазу с возможностью осевого и горизонтального смещения, при этом ось промывочного канала отклонителя направлена под углом к его оси и оси скважины, а в каналы направляющего элемента и отклонителя вмонтирована эластичная втулка с возможностью осевого перемещения в канале направляющего элемента; хвостовик отклонителя имеет продольное отверстие некруглой формы, большая ось которого параллельна его оси и оси скважины и отстоит от оси отклонителя на величину не менее 1,5е со смещением в сторону эксцентриситета, в котором размещена горизонтальная ось, жестко соединенная с корпусом направляющего элемента, а минимальная длина продольного отверстия равна или больше величины эксцентриситета.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображено предлагаемое устройство в разрезе, находящееся в рабочем положении на забое скважины.

Устройство состоит из бурильной 1 и обсадной 2 колонн, находящихся в скважине 3. В нижней части обсадная колонна имеет башмак 4 с центратором 5, закрепленном в башмаке с помощью стопорного кольца 6. Кольцевая проточка под стопорное кольцо в башмаке 4 выполнена с конической фаской для обеспечения беспрепятственного подъема центратора в случае необходимости замены изношенного породоразрушающего инструмента, а также для последующей установки фильтра в водозаборных скважинах. В рабочем положении устройства нижняя часть направляющего элемента 7 находится в центраторе 5, обеспечивая положение отклонителя 8 в строгом соответствии с заложенным эксцентриситетом. Хвостовик 9 отклонителя 8 своим торцем упирается в дно эксцентричного поперечного прямоугольного паза 10 в направляющем элементе 7. При этом нижняя коническая часть направляющего элемента, конгруэнтная хвостовику 9 отклонителя 8 и по высоте равная не менее величины эксцентриситета h ₁ = е, плотно сопрягается с поверхностью хвостовика 9, препятствуя горизонтальному смещению его относительно оси скважины. В таком положении пары направляющий элемент - отклонитель осевая нагрузка и вращающий момент от бурового станка передаются породоразрушающему инструменту и на забой скважины. В этот момент горизонтальная ось 11, жестко соединенная с направляющим элементом, размещенная в отверстии некруглой формы 12, расположенным на расстоянии h ₂, равном не менее 1,5 величины эксцентриситета от оси отклонителя 8, которая в свою очередь отстоит от оси скважины на величину эксцентриситета, упирается в нижнее основание отверстия 12 и также препятствует горизонтальному смещению хвостовика 9. Большая ось продольного отверстия 12 имеет величину, равную или большую величине эксцентриситета Le.

Рабочие органы породоразрушающего инструмента (в данном случае одна из шарошек трехшарошечного долота), жестко и соосно соединенного с отклонителем 8, в этот момент занимают положение, которое обеспечивает образование ствола скважины заданного диаметра, равного или большего диаметру обсадной трубы. Здесь необходимо обратить внимание на одно очень важное обстоятельство. В предлагаемом устройстве в качестве породоразрушающего инструмента используются серийно выпускаемые отечественной промышленностью шарошечные долота или лопастные долота режущего типа в зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых горных пород, что исключено при использовании известных устройств.

После завершения бурения скважины бурильную колонну отрывают от забоя на расстояние большее величины эксцентриситета. Породоразрушающий инструмент 13 вместе с отклонителем 8 опускается под собственным весом на величину эксцентриситета h₁ = e до упора горизонтальной оси 11 в верхнюю часть продольного отверстия некруглой формы 12, т.е. система отклонитель - породоразрушающий инструмент зависает на горизонтальной оси 11. При этом нижняя часть хвостовика 8 выходит из зацепления с нижней частью направляющего элемента 7, а образовавшийся между ними зазор позволяет отклониться оси отклонителя и породоразрушающего инструмента на величину t, равную или большую величине е, что при дальнейшем подъеме бурильной колонны позволяет системе отклонитель - породоразрушающий инструмент свободно проходить внутри башмака 4 обсадной колонны 2. Положение возможного отклонения отклонителя 8, а следовательно, и породоразрушающего инструмента 13, от первоначального рабочего положения на чертеже показано пунктирной линией. На устье скважины поднимаются породоразрушающий инструмент, отклонитель, направляющий элемент и центратор со стопорным кольцом, что в дальнейшем дает возможность установить фильтр в башмаке обсадной колонны при бурении водозаборных скважин.

Для обеспечения прохода очистного агента на забой скважины в подводящие каналы 14 и 15 направляющего элемента и отклонителя вмонтирована эластичная втулка 16, обеспечивающая герметизацию и соединение двух каналов. При этом ось подводящего канала отклонителя направлена под углом к его оси и оси скважины, а подводящий канал направляющего элемента делается несколько большего диаметра эластичной втулки, что позволяет ей свободно перемещаться в осевом направлении скважины, необходимом при спуске и подъеме бурильной колонны.

Таким образом, предлагаемое техническое решение устройства имеет следующие преимущества перед известными:

1. Значительно упрощается конструкция устройства при высокой надежности работы.

2. Значительно расширяется область применения устройства при проходке скважин с одновременной обсадкой.

3. Исключается необходимость использования специальных породоразрушающих инструментов.

4. Отсутствуют непроизводительные затраты на приведение устройства из транспортного положения в рабочее и обратно, что увеличивает эффективность буровых работ.

Источники информации:

1. Патент РФ №1798467, кл. Е 21 В 7/20.

2. Патент РФ №938647, кл. Е 21 В 10/64.