способ сооружения горизонтальной или наклонной скважины в трещиноватых породах, разрабатываемых с помощью буровзрывных работ, и буровая установка для его реализации

Формула изобретения

1. Способ сооружения горизонтальной или наклонной скважины в трещиноватых породах, разрабатываемых с применением буровзрывных работ, включающий монтаж буровой установки на точке, подачу бурового снаряда с помощью цилиндра подачи на забой, забуривание и бурение, отличающийся тем, что буровой станок устанавливают за границей опасной зоны с возможностью смещения в горизонтальной плоскости от оси бурения, на участке от бурового станка до забоя устанавливают по оси бурения искусственное устье, снабженное шарнирами, обеспечивающими ему возможность поворота в вертикальной или горизонтальной плоскостях, которое собирают за границей опасной зоны, вводят в искусственное устье соосно с ним устьевую колонну, подают через нее на забой буровой снаряд, забуривание осуществляют в режиме бурения при минимальной скорости подачи, регулируемой путем дросселирования полости слива цилиндра подачи, и высокой частоте вращения, на глубину, превышающую мощность зоны интенсивно трещиноватых пород.

2. Буровая установка для сооружения горизонтальной или наклонной скважины в трещиноватых породах, содержащая транспортную базу, основание буровой установки, буровой станок, включающий соединенные передним и задним подкосами нижнюю раму и поворотную раму, на которой установлены вращатель со шпинделем бурового станка, гидрораскрепитель, гидровилка и гидроцилиндр, цилиндр подачи вперед-назад, включая полость нагнетания и полость слива, систему подачи промывочной жидкости, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью бурения в трещиноватых породах горизонтальной и наклонной скважины путем снабжения бурового станка дросселем на полости слива цилиндра подачи, искусственным устьем, состоящим из соединенных секций, закрепленным на раме, шарнирно соединенной с опорной рамой основания бурового станка, которое снабжено не менее чем двумя шарнирами, обеспечивающими поворот искусственного устья в вертикальной и горизонтальной плоскостях и в рабочем положении зафиксированного системой гибких растяжек, обеспечивающих единую ось со шпинделем бурового станка, снабженного устьевой колонной, установленной внутри искусственного устья соосно с ним, с возможностью обеспечения подачи бурового снаряда на забой, а основание буровой установки снабжено передним и задним винтовыми домкратами, обеспечивающими отклонение бурового станка от горизонтальной оси бурения вверх и вниз.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к способам сооружения горизонтальных или наклонных скважин с помощью вращательного бурения в трещиноватых породах и установке вращательного бурения, и может быть использовано при проведении разведочного бурения в карьерах и шахтах, например, железорудных месторождений.

Известно, что большинство железорудных месторождений, особенно в районе Курской магнитной аномалии, представлено крутопадающими рудными телами. Разведку таких месторождений выполняют с помощью буровой установки путем сооружения вертикальных или слабонаклонных к вертикали скважин. [1. Г.А.Блинов и др. Техника и технология высокоскоростного бурения. М.: Недра, 1982]. Аналогично при разработке таких месторождений карьерами эксплуатационную разведку осуществляют с помощью буровой установки вращательного бурения путем сооружения, в основном, вертикальных скважин [Н.А.Григорян. Бурение наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров. М.: Недра, 1974 г.]. Эффективность разведочных работ определяется количеством геологической информации на погонный метр бурения. Это достигается путем выбора ориентировки ствола скважины в направлении максимальной изменчивости геологических характеристик горных пород. Для месторождений с крутопадающим залеганием геологических структур сооружение вертикальных разведочных скважин малоэффективно, так как ствол скважины направлен вдоль контактов горных пород и полученная информация по скважине не характеризует рудную толщу в целом. Наиболее эффективно производить разведку пологонаклонными к горизонтали или горизонтальными скважинами, при этом ствол скважины пересекает породы в направлении вкрест простирания геологических структур, что не может быть достигнуто известным способом.

Повышения эффективности разведочного бурения добиваются путем бурения горизонтальных разведочных скважин при разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом [2. Кодзаев Ю.В. Бурение разведочных горизонтальных скважин. М.: Недра, 1978 г.]

Согласно способу размещают буровую установку в горной выработке или в камере, где обеспечивают безопасные условия для буровой бригады, закрепляют буровой станок с помощью винтовых домкратов или же другим способом (цементированием площадки с закреплением рамы бурового станка с помощью анкеров и т.д.).

Недостатком известного способа является большая трудоемкость при монтаже и демонтаже оборудования в камере, низкая эффективность бурения в трещиноватых породах по причине слабой управляемости скорости подачи.

Кроме того, согласно единым правилам безопасности, при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом, утвержденных Госгортехнадзором России в 2001 г., запрещается находиться людям в пределах призмы обрушения на уступах и в непосредственной близости от откоса уступа на расстоянии, определенном в ведомственных правилах безопасности и обоснованном в проекте, которое для железорудных предприятий может быть равным 15 метрам и более. Такие требования исключают возможность применения существующего способа и оборудования при бурении горизонтальных скважин применительно к условиям открытого способа отработки месторождений.

Одним из путей решения проблемы безопасного ведения работ является способ, сущность которого сводится к предварительному укреплению откоса, например, инъектированием [3. RU 2002127100/03, БИПМ №11, 20.04.04].

Недостатком этого способа является сложность его реализации, высокая себестоимость и продолжительность выполнения.

В качестве прототипа для установки взята буровая установка вращательного бурения УДБ-8 (Отчет по НИР, шифр 1.5-5(78)-А-13-81-Р, Белгород, 1983, с.10-13), включающая общее основание, буровой станок, имеющий нижнюю неподвижную раму и поворотную раму, на которой установлены вращатель, гидровилка, гидрозахват и гидроцилиндр, буровой снаряд, состоящий из бурильных труб и колонкового набора, механизм свинчивания и развинчивания бурильных труб, механизм подачи бурового снаряда вперед-назад, систему подачи промывочной жидкости и реализуемый ею способ, который предусматривает установление бурового станка на точку уступа скального карьера или в камеру шахты, подачу бурового снаряда на забой и забуривание.

Недостатком прототипа, как и аналогов, является то, что они не позволяют вести бурение горизонтальных или наклонных скважин при расположении общего основания буровой установки далее чем 1,5-2,0 м от откоса карьера, а в подземных условиях требует значительных затрат труда при перемещении оборудования по камере.

К недостаткам прототипа относится и то, что он не позволяет эффективно вести бурение в условиях отработки скальных пород с помощью буровзрывных работ. Применение буровзрывных работ в скальных породах за счет энергии взрыва приводит к их полному разрушению на отрабатываемом блоке. На участках (откосах, бермах, стенках), прилегающих к отрабатываемому блоку, за счет воздействия энергии взрыва при ее рассеивании в горном массиве образуется зона интенсивной техногенной трещиноватости. В этой зоне образованная сеть техногенных трещин сильно осложняет бурение, а в некоторых случаях делает его вообще невозможным за счет интенсивного неконтролируемого поглощения промывочной жидкости, а частые скачкообразные переходы от кусков скальной породы к раскрытым трещинам требуют специального регулирования в технологии подачи бурового снаряда.

Задачей изобретения является разработка безопасного и высокопроизводительного способа сооружения горизонтальной или наклонной скважины, включая разведочную скважину, в трещиноватых породах скальных уступов карьера и шахтах, разрабатываемых с помощью буровзрывных работ, отвечающего требованиям правил техники безопасности и обеспечивающего снижение трудозатрат при перемещениях оборудования и создание буровой установки для реализации этого способа.

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

для способа

- повышение технологичности буровых работ;

- обеспечение возможности контроля направления бурения при размещении буровой установки на безопасном расстоянии от откоса;

- повышение производительности при сооружении скважины;

- повышение эффективности геологоразведочных работ;

для установки

- надежность;

- простота эксплуатации;

- расширение функциональных возможностей.

Решение указанной задачи и достижение вышеперечисленных результатов стало возможным:

для способа

- благодаря тому, что в известном способе сооружения горизонтальной или наклонной скважины в трещиноватых породах, разрабатываемых с применением буровзрывных работ, включающем монтаж буровой установки на точке, подачу бурового снаряда с помощью цилиндра подачи на забой, забуривание и бурение, буровую установку устанавливают на безопасном расстоянии за границей опасной зоны с возможностью смещения в горизонтальной плоскости от оси скважины, на участке от бурового станка до забоя устанавливают по оси скважины искусственное устье, снабженное шарнирами, обеспечивающими ему возможность поворота в вертикальной и горизонтальной плоскостях, которое собирают за границей опасной зоны, вводят в искусственное устье соосно с ним устьевую колонну, подают через нее на забой буровой снаряд, забуривание осуществляют в режиме бурения при минимальной скорости подачи, регулируемой дросселированием полости слива цилиндра и высокой частотой вращения на глубину, превышающую мощность зоны интенсивно трещиноватых пород;

для установки

- благодаря тому, что известная буровая установка для сооружения горизонтальной или наклонной скважины в трещиноватых породах, содержащая транспортную базу, основание буровой установки, буровой станок, включающий соединенные передним и задним подкосами нижнюю раму и поворотную раму, на которой установлены вращатель со шпинделем бурового станка, гидрораскрепитель, гидровилка и гидроцилиндр, цилиндр подачи, включающий полость нагнетания и полость слива, систему подачи промывочной жидкости, выполнена с возможностью бурения в трещиноватых породах горизонтальной или наклонной скважины путем снабжения бурового станка дросселем на полости слива цилиндра подачи, искусственным устьем, состоящим из соединенных секций, закрепленном на раме, шарнирно соединенной с опорной рамой основания бурового станка, которое снабжено не менее чем двумя шарнирами, обеспечивающими поворот искусственного устья в вертикальной и горизонтальной плоскостях и в рабочем положении зафиксированного системой гибких растяжек, обеспечивающих единую ось со шпинделем бурового станка, снабженного устьевой колонной, установленной внутри искусственного устья соосно с ним, с возможностью обеспечения подачи бурового снаряда на забой, а основание бурового станка снабжено передним и задним винтовым домкратами, обеспечивающими отклонение бурового станка от горизонтальной оси бурения вверх и вниз.

Реализация заявляемого способа с применением искусственного устья, дросселирования линии слива цилиндра подачи, регулирования режима бурения принципиально изменяет подход к работам в зоне трещиноватых пород и обеспечивает их безопасное и эффективное ведение как на уступах карьеров, так и в шахтах в связи с установлением бурового станка за границей опасной зоны, а также расширяет функциональные возможности за счет проведения разведочного бурения горизонтальными или наклонными скважинами, т.е. кратно повышает его информативность в связи с большой площадью исследуемых пластов.

Заявляемое изобретение также дает возможность контроля направления бурения при размещении буровой установки на безопасном расстоянии от откоса за счет его проведения через устьевую трубу, которая упирается в грудь забоя.

Повышение производительности обеспечивается за счет возможности оперативной сборки искусственного устья и быстроты смены его пространственного положения. Способ технологичен благодаря простоте сборки и закрепления искусственного устья, доступности к технологическим узлам.

Заявляемое изобретение иллюстрируют следующие фигуры:

Фиг.1 Буровая установка, состоящая из бурового станка, маслостанции, пульта управления, бурового насоса, искусственного устья и основания.

Фиг.2 Буровой станок в рабочем состоянии, установленный в карьере за опасной зоной (в рабочем состоянии).

Фиг.3. Искусственное устье в сборе (вид сбоку), состоящее из секций.

Фиг.4. Искусственное устье в сборе (вид сверху).

Заявляемая буровая установка состоит из блоков (фиг.1) и включает буровой станок 1, маслостанцию 2, пульт управления 3, буровой насос 4, искусственное устье 5 и основание 6.

Привод бурового станка 1 осуществляется от маслостанции 2 через пульт управления 3, с помощью которого ведут подачу масла буровому станку 1 и поддержание заданных параметров. Подачу промывочной жидкости в скважину осуществляют буровым насосом 4.

Буровой станок 1 состоит из нижней рамы 7 (фиг.2), поворотной рамы 8, вращателя 9, шпинделя 10, сальника-вертлюга 11, цилиндра подачи 12, гидрораскрепителя 13, шарниров 14, гидровилки 15, гидроподхвата 16, заднего подкоса 17, переднего подкоса 18, гидроцилиндра 19, обеспечивающего смещение нижней рамы 7 относительно основания 6 в горизонтальной плоскости, транспортной базы 20, соединенной с основанием 6 шарниром 21 и винтовыми домкратами 22.

Искусственное устье 5 (фиг.2) является сборной конструкцией и имеет общую ось со шпинделем 10 бурового станка 1. Оно состоит из секций 23 (фиг.3, 4), соединенных между собой фланцевыми соединениями 24 в единую колонну. Первая (начальная) секция 25 в виде трубы устанавливается на опорной плите 26 и шарниром 27 крепится к раме 28, поворачивающейся в горизонтальной плоскости относительно шарниров 29. Шарниры 29 крепят к опорной раме 30. Фиксация рамы 28 на опорной раме 30 осуществляется винтовыми поворотными стяжками 31.

Жесткость секций 23 искусственного устья 5 достигают гибкими растяжками 32 и 33, расположенными соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Натяжения гибких растяжек 32 и 33 обеспечивают натяжными винтами 34. Для устранения прогиба колонны под собственным весом гибкая растяжка 33 опирается на ролик 35, установленный на секции 25. Для подъема собранных в единую колонну секций 23 устройство снабжено гидравлическим домкратом 36, с помощью которого колонну можно поднять относительно шарнира 27 на угол, обеспечивающий свободный поворот искусственного устья 5 до совмещения его оси с вертикальной плоскостью, проходящей через ось шпинделя 10.

Буровая установка монтируется на транспортной базе 20 (фиг.2) и устанавливается за границей опасной зоны. Для изменения зенитного угла в пределах ±10° могут быть использованы винтовые домкраты 22, установленные впереди и сзади основания 6.

В искусственном устье 5 по оси бурения установлена устьевая колонна 37, на конце которой размещено уплотнительное устройство (не показано). Устьевую колонну 37 доводят до упора в грудь забоя 38 и закрепляют в искусственном устье 5. После этого собирают буровой снаряд с колонковой трубой и коронкой (не показаны).

Заявляемая буровая установка работает следующим образом.

За границей опасной зоны устанавливают транспортную базу 20 буровой установки, на которой крепят буровой станок 1, маслостанцию 2, пульт управления 3, буровой насос 4. Задний подкос 17 отсоединяют от поворотной рамы 8 и с помощью гидравлического переднего подкоса 18 вокруг шарнира 14 поворотную раму 8 устанавливают на заданный угол и фиксируют задним подкосом 17. После чего маслопроводами (не обозначены) соединяют маслостанцию 2, пульт управления 3 и буровой станок 1 в единую систему, проверяют работоспособность буровой установки.

За границей опасной зоны производят сборку искусственного устья 5 (фиг.3, 4) из секций 23 и 25 и осуществляют выполнение операций, обеспечивающих ему жесткость и возможность изменения пространственного положения.

После монтажа искусственного устья 5 за границей опасной зоны его поднимают гидравлическим домкратом 36 с опорной плитой 26 вокруг шарнира 27 до высоты, позволяющей вывести искусственное устье в плоскость, совпадающую по вертикали с осью шпинделя 10 станка 1, поворачивают с рамой 28 вокруг шарниров 29 и жестко связывают с опорной рамой 30 винтовыми стяжками 31.

Вводят в искусственное устье 5 устьевую колонну 37 (фиг.2), доводят до упора в уступ 38, жестко закрепляют и подают через нее буровой снаряд, забуривание осуществляют в режиме бурения при минимальной скорости подачи, регулируемой дросселем на сливе цилиндра подачи и высокой частоте вращения на глубину, превышающую мощность зоны интенсивной трещиноватости пород откоса, а после извлечения бурового снаряда устанавливают кондуктор меньшего диаметра чем устьевая колонна (не показан) с возможностью герметизации затрубного пространства.

Бурение наклонных скважин вниз или вверх с углами не более чем 5-10° осуществляют путем подъема передней или задней части основания 6 винтовыми домкратами 22 на транспортной базе 20 (фиг.2).

Пример.

Испытание заявляемого способа и устройства произведено в карьере Лебединского ГОКа.

Геологические условия ведения работ:

- Рудное тело - кварциты X-XII категории по буримости.

- Падение слоев до 75° от вертикали.

Осуществлено бурение первых двух скважин под углом 25-30° непосредственно в берму уступа карьера, при этом буровую установку располагали на безопасном расстоянии от откоса уступа, определяемого едиными правилами безопасности (ЕПБ).

Коммерческая скорость составляет 0,57-0,62 м/ч.

Третью скважину сооружали под углом 1-1,5° к горизонту. Для этого собирали искусственное устье длиной, равной расстоянию до уступа, поворачивали его и жестко устанавливали по оси бурения, устанавливалась устьевая труба до упора ее в откос уступа. Через нее подавался буровой снаряд. Забуривание осуществляли алмазными коронками диаметром 76 мм при минимальной скорости подачи и высокой частоте вращения.

Устанавливали в зоне трещиноватости кондуктор, герметизировали затрубное пространство, и дальнейшее бурение осуществляли алмазными коронками с диаметром 59 мм.

Коммерческая скорость бурения составила 1,2-1,3 м/ч.

Расход алмазов по скважине сократился в 1,7 раз. Выход керна превышает 90%.

За счет повышения информативности геологических данных была резко повышена эффективность геолого-разведочных работ при снижении затрат на их осуществление более чем в 2 раза.

Таким образом, реализация заявляемого изобретения позволяет полностью решить поставленную задачу и создать оптимально надежный способ для сооружения горизонтальной или наклонной скважины в трещиноватых породах скального карьера или шахты, конкурентоспособные технические средства для его осуществления, что обеспечивает ему практическую применимость и безопасность.