способ забивного бурения на акваториях и буровой снаряд для осуществления способа

Формула изобретения

1. Способ забивного бурения на акваториях, включающий спуск обсадной колонны труб до дна акватории, перемещение в крайнее нижнее положение съемного керноприемника его элемента герметизации кольцевого зазора между съемным керноприемником и колонной, спуск съемного керноприемника с элементом герметизации в колонну, создание давления воды в колонне над съемным керноприемником и его фиксацию в колонне, их совместную забивку в породы на длину рейса и извлечение съемного керноприемника из скважины вместе с поступившим в него керном, отличающийся тем, что к элементу герметизации съемного керноприемника прикладывают силу, постоянно удерживающую элемент герметизации в его крайнем нижнем положении, причем величину этой силы устанавливают равной или несколько большей силы трения, возникающей при перемещении элемента герметизации по съемному керноприемнику.

2. Буровой снаряд для забивного бурения на акваториях, включающий обсадную колонну труб с башмаком, жестко соединенный с колонной и выступающий вовнутрь нее кольцевой конический выступ, нагнетательный переходник на верхнем конце обсадной колонны, забивной снаряд и съемный керноприемник, содержащий керноприемный стакан, башмак с кернодержателем, эжекторный насос, грибок под ловитель съемного керноприемника и подвижную герметизирующую втулку, перемещаемую по корпусу эжекторного насоса, отличающийся тем, что между подвижной герметизирующей втулкой и грибком под ловитель съемного керноприемника на корпус эжекторного насоса надета винтовая цилиндрическая пружина с начальной силой межвиткового давления, равной или несколько превосходящей силу трения между герметизирующей втулкой и корпусом эжекторного насоса.

3. Буровой снаряд для забивного бурения на акваториях по п.2, отличающийся тем, что в башмаке съемного керноприемника со стороны его нижней торцевой поверхности в радиальном направлении выполнены промывочные каналы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области горного дела, а именно к забивному бурению на акваториях в рыхлых породах с совмещением процессов отбора керна и крепления скважин обсадными трубами.

Известен способ [1, с.248-253] забивного бурения, включающий спуск обсадной колонны с башмаком, спуск в колонну керноприемника и добивку его до упора в башмак, фиксацию (закрепление) керноприемника в колонне, их совместную забивку в породы, освобождение керноприемника от связи с колонной и извлечение его на поверхность вместе с поступившим в него керном. Этот способ бурения реализуется при помощи бурового снаряда [3], содержащего керноприемник с обратным клапаном, направляющий цилиндр с установленным в него подвижным грузом, подвешенным на тяговом канате, наковальню, соединенную с верхним концом керноприемника, и механизм закрепления снаряда в кольцевой проточке обсадной колонны, жестко связанный с подвижным грузом и включающий две защелки, размещенные на оси и постоянно распираемые пружиной.

Способ и устройство [3] недостаточно надежны вследствие возможного деформирования механизма закрепления снаряда в кольцевой проточке обсадной колонны. Кроме того, их недостатком является необходимость добивания бурового снаряда.

Известен способ [1, с.253-256] забивного бурения на акваториях, принятый за прототип и включающий спуск обсадной колонны до дна акватории, спуск в колонну керноприемника до упора в грунт забоя скважины, фиксацию керноприемника в колонне давлением воды в полости колонны выше керноприемника, создание обратных потоков воды в заколонном пространстве и в керноприемнике, забивку колонны с керноприемником в породы на длину рейса, освобождение керноприемника от связи с колонной и извлечение его на поверхность вместе с поступившим в него керном.

Указанный способ бурения реализуется при помощи бурового снаряда [2], принятого за прототип устройства и содержащего обсадную колонну труб, съемный керноприемник с обратным клапаном, нагнетальный переходник на верхнем конце обсадной колонны, забивной снаряд, эжекторный насос, грибок под ловитель съемного керноприемника и узел герметизации, включающий жестко смонтированный в колонне кольцевой конический выступ и подвижную герметизирующую втулку, перемещаемую по корпусу эжекторного насоса.

Недостаток прототипа заключается в нестабильной работе узла фиксации бурового снаряда в обсадной колонне. В известном буровом снаряде [2] перед его спуском в колонну труб подвижная герметизирующая втулка, перемещающаяся по наружной поверхности корпуса эжектора, устанавливается в ее крайнее нижнее положение исходя из того, что она еще до касания башмаком керноприемника забоя скважины упрется в кольцевой конический выступ колонны, а при создании в колонне давления воды керноприемник сместится относительно втулки вниз, внедряясь в породы. Однако втулка при малой плотности посадки ее на корпусе эжектора в процессе спуска керноприемника в колонну под действием гидравлического сопротивления воды, находящейся в колонне, может сместиться вверх, вплоть до ее упора в бурт грибка под ловитель. В этом случае после постановки керноприемника на забой скважины кольцевой зазор между керноприемником и колонной не загерметизирован, в колонне не удается создать необходимого давления воды и при нанесении ударов забивным снарядом по колонне труб керноприемник не внедряется в породы.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в создании таких способа забивного бурения на акваториях и бурового снаряда для осуществления способа, которые бы стабильно обеспечивали надежную фиксацию керноприемника в обсадной колонне труб при их совместном погружении ударами в породы любой плотности и при любых рациональных длинах рейса.

Технический результат изобретения - повышение эффективности забивного бурения на акваториях за счет обеспечения надежной и безаварийной фиксации керноприемника в обсадной колонне труб, а также повышение качества и длины рейса бурения за счет уменьшения сопротивления пород продвижению в них керноприемника по его лобовой и боковым поверхностям.

Технический результат в предлагаемом способе достигается следующим образом.

Способ забивного бурения на акваториях включает спуск обсадной колонны труб до дна акватории, перемещение в крайнее нижнее положение съемного керноприемника его элемента герметизации кольцевого зазора между керноприемником и колонной, спуск керноприемника с элементом герметизации в колонну, создание давления воды в колонне над керноприемником и его фиксацию.

Отличительной особенностью способа является то, что к элементу герметизации керноприемника прикладывают силу, постоянно удерживающую элемент герметизации в его крайнем нижнем положении, причем величину этой силы устанавливают равной или несколько большей силы трения, возникающей при перемещении элемента герметизации по керноприемнику.

В конкретном случае выполнения способа силу, постоянно удерживающую элемент герметизации в его крайнем нижнем положении, прикладывают посредством, например, винтовой цилиндрической пружины.

Технический результат устройства достигается следующим образом.

Буровой снаряд для забивного бурения на акваториях включает обсадную колонну труб с башмаком, жестко соединенный с колонной и выступающий вовнутрь нее кольцевой конический выступ, нагнетательный переходник на верхнем конце обсадной колонны, забивной снаряд и съемный керноприемник, содержащий керноприемный стакан, башмак с кернодержателем, эжекторный насос, грибок под ловитель керноприемника и подвижную герметизирующую втулку, перемещаемую по корпусу эжекторного насоса.

Отличительной особенностью бурового снаряда является то, что между подвижной герметизирующей втулкой и грибком под ловитель керноприемника на корпус эжекторного насоса надета винтовая цилиндрическая пружина с начальной силой межвиткового давления, равной или несколько превосходящей силу трения между герметизирующей втулкой и корпусом эжекторного насоса.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид бурового снаряда для забивного бурения на акваториях при спуске керноприемника в обсадной колонне труб до забоя скважины; на фиг.2 - то же при наличии давления воды в обсадной колонне труб и совместном погружении колонны и керноприемника в породы (стрелками показано направление движения нагнетаемой в обсадную колонну труб воды).

Буровой снаряд для забивного бурения на акваториях содержит колонну обсадных труб 1 с внутренним кольцевым коническим выступом 2. На нижнем конце колонны труб 1 закреплен выступающий вовнутрь колонны породоразрушающий башмак 3, а на верхнем - нагнетательный переходник 4, соединяемый при помощи шланга 5 с нагнетательной линией бурового насоса (не показан). Обсадная колонна труб 1 снабжена наковальней 6 под забивной снаряд 7, установленный на колонне 1 с возможностью перемещения по ней посредством троса 8 лебедкой, установленной на буровом плавсредстве (не показаны). В интервале между кольцевым выступом 2 и породоразрушающим башмаком 3 в трубе обсадной колонны 1 выполнены выходные отверстия 9, расположенные на одном уровне. Внутри колонны труб 1 установлен съемный керноприемник, состоящий из керноприемного стакана 10 и эжекторного насоса. На нижнем конце керноприемного стакана 10 установлен башмак 11 с кернодержателем. В башмаке 11 со стороны его нижней торцевой поверхности в радиальном направлении выполнены промывочные каналы 12. Верхний конец керноприемного стакана 10 жестко соединен с нижним концом корпуса 13 эжекторного насоса при помощи переходника 14, в котором смонтированы диффузор 15 эжекторного насоса, канал 16 выхода воды из него и обратный клапан 17. В корпусе 13 эжекторного насоса образована камера смешения 18 и над ней установлены насадок 19 и шайбы 20, при помощи которых регулируют величину расстояния между диффузором 15 и насадком 19 эжекторного насоса. С верхним концом корпуса 13 эжекторного насоса жестко соединен грибок 21 и в нем выполнены каналы 22 для поступления воды в эжекторный насос. Грибок 21 своим нижним концом фиксирует положение насадка 19 и регулировочных шайб 20 эжекторного насоса и служит для извлечения съемного керноприемника из скважины при помощи ловителя (не показан). На внешней поверхности корпуса 13 эжекторного насоса установлена с возможностью принудительного по нему перемещения подвижная коническая втулка 23. Между втулкой 23 и грибком 21 на корпус 13 эжекторного насоса установлена винтовая цилиндрическая пружина 24, характеризующаяся начальной силой межвиткового давления, равной или несколько превосходящей силу трения между втулкой 23 и корпусом 13. Втулка 23 выполнена из эластичного материала и при взаимодействии с кольцевым выступом 2 выполняет функцию герметизатора кольцевого зазора между колонной труб 1 и корпусом 13 эжекторного насоса в процессе бурения.

Забивное бурение на акваториях с использованием предложенных способа и устройства осуществляется следующим образом.

Обсадную колонну труб 1 опускают при помощи лебедки в проем бурового плавсредства. Поочередно наращивая трубы, колонну опускают до упора породоразрушающего башмака 3 в дно акватории. Далее съемный керноприемник в собранном виде сбрасывают в колонну труб 1, на верх колонны устанавливают нагнетательный переходник 4, соединенный шлангом 5 с буровым насосом, и в полость колонны нагнетают воду. Съемный керноприемник падает в колонне под действием собственной тяжести. Находящаяся впереди падающего керноприемника вода перетекает по кольцевому зазору между колонной труб 1 и втулкой 23, а также через канал 16, диффузор 15 и обратный клапан 17, далее через насадок 19 и каналы 22 грибка 21. Керноприемник по завершении падения в первую очередь упирается втулкой 23 в кольцевой выступ 2 колонны, так как под действием силы межвиткового давления пружины 24, превосходящей силу трения втулки 23 о корпус 13 эжекторного насоса, втулка 23 при падении керноприемника в колонне труб 1 всегда находится в ее крайнем нижнем положении. После достижения втулкой 23 кольцевого выступа 2 зазор между колонной труб 1 и корпусом эжекторного насоса перекрыт, и нагнетаемая в колонну труб 1 вода поступает только через каналы 22 в эжекторный насос съемного керноприемника, преодолевая соответствующие гидравлические сопротивления. Величина этих сопротивлений во многом зависит от сечения элементов эжекторного насоса и каналов 22 для прохода через них воды.

Величины сечений этих элементов и каналов 22 определяют расчетным путем при проектировании и изготовлении съемного керноприемника с учетом необходимой силы его прижатия к башмаку 3 колонны труб 1. Величина этой силы равна произведению давления воды в колонне над керноприемником на площадь поперечного сечения эжекторного насоса. Эта сила, сжимая пружину 24, перемещает съемный керноприемник относительно уже неподвижной втулки 23 вниз даже через возможно оставшуюся на башмаке 3 колонны труб 1 после предыдущего рейса часть породы до упора башмака 11 керноприемника в башмак 3 колонны и удерживает башмаки с такой силой прижатия друг к другу в процессе совместного погружения колонны труб 1 и съемного керноприемника в породы, т.е. в процессе бурения скважины. При этом прошедшая через каналы 22 вода поступает далее через насадок 19, диффузор 15 и канал 16 выхода воды из эжекторного насоса в кольцевой зазор между стенками колонны труб 1 и керноприемного стакана 10.

В соответствии с принципом работы эжектора часть воды, нагнетаемой в кольцевой зазор между стенками колонны труб 1 и керноприемного стакана 10, поступает вниз до упора в породоразрушающий башмак 3, засасывается через промывочные каналы 12 башмака 11 керноприемника в керноприемный стакан 10 и далее через обратный клапан 17 в камеру смешения 18 и из нее через диффузор 15 снова нагнетается в кольцевой зазор между стенками колонны труб 1 и керноприемного стакана 10. Таким образом, осуществляется принудительный отсос воды из керноприемного стакана и обратная циркуляция ее в нем. Это улучшает условия поступления керна в керноприемный стакан, так как снижает давление или обеспечивает разрежение в полости стакана над керном, а также снижает коэффициент трения входящих в керноприемный стакан пород на контакте с его внутренними стенками.

Вторая же, большая часть воды, поступает из кольцевого зазора между стенками колонны труб 1 и керноприемного стакана 10 через отверстия 9 в трубе колонны в кольцевой зазор между колонной труб 1 и стенками скважины, омывает наружную поверхность колонны труб 1 и изливается из кольцевого зазора на уровне дна акватории. Создание в заколонном пространстве потока нагнетаемой воды облегчает условия забивки колонны в породы, так как снижает коэффициент трения по ее боковой поверхности.

Продолжая нагнетание воды, колонну труб 1 погружают в породы на длину рейса бурения ударами по наковальне 6 забивным снарядом 7, поочередно поднимая и опуская его на тросе 8. Съемный керноприемник погружается при этом в породы одновременно с колонной труб 1. Обусловлено это перепадом давления воды над и под керноприемником, которое создает силу, необходимую для прижатия башмака 11 керноприемника к башмаку 3 колонны труб 1.

В моменты нанесения ударов забивным снарядом 7 по наковальне 6 из-за инерционности съемного керноприемника возможно мгновенное его отставание от породоразрушающего башмака 3 колонны труб 1. При этом колонна труб 1 перемещается вниз, а керноприемник зависает. Однако втулка 23 не отстает от перемещения колонны труб 1 и ее выступа 2, так как обладает малой инерционностью и прижата к выступу 2 силой, равной сумме сил: межвиткового давления сжатой пружины 24 и создаваемой перепадом давления воды над и под втулкой. Поэтому втулка 23 перемещается вниз вместе с колонной труб 1 и скользит при этом по поверхности корпуса 13 эжекторного насоса. Этим самым стабильно сохраняется надежная герметизация кольцевого зазора между стенками колонны труб 1 и корпусом 13 эжекторного насоса. При отставании съемного керноприемника от башмака 3 в полости колонны труб 1 над керноприемником резко повышается давление воды. Поэтому в промежутках времени между ударами забивным снарядом 7 по наковальне 6 съемный керноприемник при наличии обратной циркуляции воды перемещается вниз на величину забивки в породу колонны труб 1 до упора башмака 11 в башмак 3. При этом корпус 13 эжекторного насоса скользит относительно втулки 23 вниз. Поэтому в итоге съемный керноприемник не отстает от колонны труб 1.

После углубления на необходимую длину рейса забивку колонны труб 1 прекращают, выключают буровой насос, от колонны труб 1 отсоединяют переходник 4 вместе с шлангом 5, на тросе специальной лебедки бурового плавсредства опускают в колонну труб 1 ловитель, который захватывает грибок 21 съемного керноприемника, извлекают керноприемник из скважины, освобождают керноприемный стакан 10 от керна, грибок 21 от ловителя и съемный керноприемник готов к следующему спуску в скважину.

При подъеме керноприемника из скважины сила межвиткового давления пружины 24 автоматически перемещает и удерживает втулку 23 в ее крайнем нижнем положении. Поэтому отпадает необходимость выполнения операций по перемещению подвижной втулки в ее крайнее нижнее положение перед каждым спуском керноприемника, т.е. по сравнению с прототипом уменьшаются затраты времени и труда на перемещение втулки 23 во всех рейсах бурения.

Принудительное удержание элемента герметизации (подвижной втулки) в его крайнем нижнем положении при помощи силы межвиткового давления пружины исключает случаи нарушения герметизации кольцевого зазора между колонной труб и съемным керноприемником, имеющие место при использовании прототипа. Это исключает дополнительные потери времени на чистку забоя скважины, спуски и подъемы керноприемника, потери качества бурения из-за чистки забоя скважины. Обусловлено это тем, что исключение разгерметизации кольцевого зазора между колонной труб и керноприемником обеспечивает возможность поддержания повышенного давления воды в полости колонны над керноприемником и тем самым стабильность и надежность фиксации (удержания) башмака съемного керноприемника у башмака колонны.

Выполнение в башмаке съемного керноприемника промывочных каналов и ограничение его хода вниз башмаком обсадной колонны исключает случаи заклинивания керноприемника в колонне, улучшает условия поступления керна в керноприемный стакан, так как снижает давление или обеспечивает разрежение в полости стакана над керном, а также уменьшает коэффициент трения входящих в керноприемный стакан пород на контакте с его внутренними стенками.

Источники информации

1. Пронкин А.П., Хворостовский И.С., Хворостовский С.С. Морские буровые моноопорные основания / Под ред. С.С.Хворостовского. - М.: OOO "Недра-Бизнесцентр", 2002. - 303 с. (аналог способа: с.248-253, прототип способа и устройства: с.253-256).

2. RU 1571212 A1, 15.06.1990 (прототип устройства).

3. RU 985249 A1, 30.12.1982 (аналог устройства).