способ бурения скважин с одновременной обсадкой и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ бурения скважин с одновременной обсадкой, влючающий разрушение периферийной и центральной частей забоя скважины посредством ударно-вращательного действия на него обсадно-буровым инструментом, содержащим кольцевую коронку и центральное долото, при одновременном продвижении обсадной трубы в сторону забоя под действием ударных импульсов, отличающийся тем, что сначала разрушают периферийную часть забоя кольцевой коронкой с образованием в центральной части забоя керна до его контакта с торцем центрального долота, после чего разрушают керн, продолжая разрушать периферийную часть забоя кольцевой коронкой.

2. Устройство для бурения скважин с одновременной обсадкой, включающее обсадную трубу с внутренним выступом в передней части, погружную ударную машину с обсадно-буровым инструментом, содержащим местную циркуляционную систему энергоносителя, кольцевую коронку с головной и хвостовой ступенями, последняя из которых размещена свободно в обсадной трубе, и центральное долото, установленное в погружной ударной машине с возможностью взаимодействия с кольцевой коронкой при передаче ей ударных импульсов и крутящего момента, отличающийся тем, что центральное долото установлено на торце хвостовой ступени кольцевой коронки, которая снабжена муфтой, взаимодействующей с внутренним выступом обсадной трубы и соединенной с центральным долотом посредством подвижного шлицевого соединения.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что местная циркуляционная система энергоносителя в обсадно-буровом инструменте выполнена в виде продувочных и шламоотводных каналов в центральном долоте, продольных продувочных пазов на внутренней поверхности выступа обсадной трубы и торцевых радиальных пазов на головной ступени кольцевой коронки.

Описание изобретения к патенту

Техническое решение относится к горной промышленности, а именно к способам и устройствам для бурения скважин с одновременной обсадкой, и может найти применение также в строительстве.

Известен метод «Odex» бурения скважин с одновременной обсадкой (см. «Atlas Copco Manual», third edition, Copyright Atlas Copco AB, Stockholm, Sweden, 1978 г., стр.251, 386), заключающийся в том, что предварительно выбуривают центральную часть забоя скважины, а затем расширяют его периферийную часть посредством ударно-вращательного действия на него обсадно-буровым инструментом с расширительной ступенью при одновременном продвижении обсадной трубы в сторону забоя под действием ударных импульсов.

Недостатком метода «Odex» является то, что предварительно выбуривают центральную часть забоя, а затем расширяют периферийную его часть, поэтому при бурении перемежающихся пород с включениями валуно-галечных отложений процесс расширения периферийной части забоя вызывает осложнения и приводит к искривлению скважины. Метод используют только при бурении однородных рыхлых осадочных пород.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому способу является известный метод «Symmetrix» (см. журнал «Горное дело & строительство», 2005 г., №1, изд. фирмы «Atlas Copco», стр.22, 23), который заключается в том, что предварительно выбуривают центральную часть забоя скважины с образованием периферийного кольцевого выступа и последующим его разрушением.

Недостатком метода «Symmetrix» является то, что разрушение центральной части забоя скважины происходит в сплошном горном массиве без наличия свободных обнаженных поверхностей. С точки зрения энергоемкости бурения такая последовательность разрушения забоя скважины неэффективна.

Известно устройство для промывки бурильного инструмента по патенту США №5040621, кл. Е21В 7/20, 10/32, 10/60, 21/10, опубл. 20.08.91, которое включает обсадную трубу с внутренним выступом в передней части, призабойную ударную машину с обсадно-буровым инструментом, состоящим из наковальни, взаимодействующей с обсадной трубой, и породоразрущающей коронки, имеющей хвостовую часть, пилотную и расширительную ступени, выполненные за одно целое, и закрепленной хвостовой частью в наковальне эксцентрически с возможностью осевого перемещения и поворота на 180° относительно наковальни, причем расширительная ступень размещена эксцентрически оси наковальни, а пилотная ступень - эксцентрически оси хвостовой части породоразрушающей коронки.

Недостатком этого устройства является то, что при бурении перемежающихся пород с включениями валуно-галечных отложений породоразрушающая коронка, закрепленная эксцентрически, испытывает значительные изгибающие напряжения, что приводит к искривлению скважины и поломке устройства.

Известно также буровое устройство для проходки скважин в неустойчивых породах по патенту РФ №2125147, кл. Е21В 7/20, опубл. в БИ №2, 1999 г., включающее обсадную трубу с внутренним выступом в передней части, призабойную ударную машину с обсадно-буровым инструментом, состоящим из наковальни, взаимодействующей с обсадной трубой, и породоразрушающей коронки, имеющей хвостовую часть, пилотную и расширительную ступени, выполненные за одно целое, и закрепленной хвостовой частью в наковальне эксцентрически с возможностью осевого перемещения и поворота на 180° относительно наковальни. Расширительная ступень размещена эксцентрически оси наковальни, а пилотная ступень - эксцентрически оси хвостовой части коронки, которая имеет кулачок, выполненный за одно целое с ней. Коронка закреплена в наковальне посредством ведущей втулки и двух полуколец, размещенных в проточке хвостовой части коронки. Ведущая втулка снабжена торцевым кулачком, выполненным с возможностью взаимодействия с кулачком коронки.

Недостатком такого бурового устройства с эксцентрической породоразрушающей коронкой является то, что при наличии в мягких и сыпучих породах включений из крепких горных пород (валунов) процесс бурения значительно осложняется из-за асимметричности осевой силы, действующей на эксцентрическую породоразрушающую коронку, возникновения большого крутящего момента и искривления скважины.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для реализации метода «Symmetrix» (см. журнал «Горное дело & строительство», 2005 г., №1, изд. фирмы «Atlas Copco», стр.22, 23). Устройство включает пилотное долото с большими внутренними промывочными отверстиями и внешними промывочными канавками, симметричную кольцевую коронку с внутренним штыковым соединением и забивной башмак для продвижения обсадной трубы. Пилотное долото закреплено к симметричной кольцевой коронке штыковым соединением, а забивной башмак приварен к обсадной трубе. При бурении обсадная труба не вращается.

Недостатком известного устройства является то, что разрушение забоя скважины пилотным долотом с опережением симметричной кольцевой коронки приводит к необходимости увеличения массы пилотного долота, усложняет его конструктивное исполнение и ухудшает передачу ударной мощности симметричной кольцевой коронке.

Техническая задача - повышение эффективности способа бурения скважин с одновременной обсадкой за счет снижения энергоемкости процесса разрушения забоя скважины, улучшения условий передачи энергии удара и крутящего момента и повышения надежности устройства, реализующего способ, за счет упрощения конструкции.

Поставленная задача решается посредством того, что в способе бурения скважин с одновременной обсадкой, включающем разрушение периферийной и центральной частей забоя скважины посредством ударно-вращательного действия на него обсадно-буровым инструментом, содержащим кольцевую коронку и центральное долото, при одновременном продвижении обсадной трубы в сторону забоя под действием ударных импульсов, согласно предлагаемому техническому решению сначала разрушают периферийную часть забоя кольцевой коронкой с образованием в центральной части забоя керна до его контакта с торцем центрального долота, после чего разрушают керн, продолжая разрушать периферийную часть забоя кольцевой коронкой.

Первоначальное разрушение периферийной части забоя кольцевой коронкой значительно снижает прочностные свойства центральной его части за счет образования керна с наружной обнаженной поверхностью, поэтому при разрушении керна центральным долотом снижается энергоемкость процесса разрушения, что повышает эффективность способа бурения скважин с одновременной обсадкой.

Задача решается также тем, что в устройстве для бурения скважин с одновременной обсадкой, включающем обсадную трубу с внутренним выступом в передней части, погружную ударную машину с обсадно-буровым инструментом, содержащим местную циркуляционную систему энергоносителя, кольцевую коронку с головной и хвостовой ступенями, последняя из которых размещена свободно в обсадной трубе, и центральное долото, установленное в погружной ударной машине с возможностью взаимодействия с кольцевой коронкой при передаче ей ударных импульсов и крутящего момента, согласно предлагаемому техническому решению центральное долото установлено на торце хвостовой ступени кольцевой коронки, которая снабжена муфтой, взаимодействующей с внутренним выступом обсадной трубы и соединенной с центральным долотом посредством подвижного шлицевого соединения.

Такое исполнение устройства позволяет существенно уменьшить массу центрального долота и упростить его конструкцию по сравнению с прототипом, что повышает его надежность, а также улучшает условия передачи энергии удара и крутящего момента кольцевой коронке, что повышает эффективность бурения скважин с одновременной обсадкой.

Целесообразно местную циркуляционную систему в обсадно-буровом инструменте выполнить в виде продувочных и шламоотводных каналов в центральном долоте, продольных продувочных пазов на внутренней поверхности выступа обсадной трубы и радиальных торцевых пазов на головной ступени кольцевой коронки.

Такое исполнение позволяет подавать весь поток энергоносителя вначале для очистки периферийной части забоя, а затем его центральной части, что улучшает очистку периферийной части забоя, устраняет повторное дробление разрушенной породы, снижает энергоемкость процесса разрушения, повышая эффективность бурения.

Сущности способа бурения скважин с одновременной обсадкой и устройства для его осуществления поясняются примерами реализации способа и конкретного исполнения устройства и чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез устройства, общий вид в статическом состоянии; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1.

Способ бурения скважин с одновременной обсадкой реализуют с помощью устройства (фиг.1), которое включает обсадную трубу 1 с внутренним выступом 2 в передней части, погружную ударную машину 3 с обсадно-буровым инструментом, состоящим из кольцевой коронки 4 с головной и хвостовой ступенями и центрального долота 5, установленного на торце 6 хвостовой ступени кольцевой коронки 4, которая снабжена муфтой 7, взаимодействующей с внутренним выступом 2 обсадной трубы 1 и соединенной с центральным долотом 5 посредством подвижного шлицевого соединения 8 (фиг.2). Головная ступень кольцевой коронки 4 и центральное долото 5 армированы породоразрушающими штырями 9, посредством которых разрушают периферийную 10 и центральную 11 части забоя скважины. Местная циркуляционная система энергоносителя выполнена в виде продувочных каналов 12, 13 в центральном долоте 5, кольцевого зазора 14 между муфтой 7 и обсадной трубой 1, продольных продувочных пазов 15 на внутренней поверхности выступа 2 обсадной трубы 1 (фиг.3), торцевого зазора 16 и радиальных торцевых пазов 17 на головной ступени кольцевой коронки 4. Шламоотводные каналы 18, 19 и 20 выполнены в центральном долоте 5. Для отвода шлама из скважины используют также кольцевой зазор 21 между корпусом погружной ударной машины 3 и внутренней поверхностью обсадной трубы 1.

Способ бурения скважин с одновременной обсадкой осуществляют следующим образом. В погружную ударную машину 3 подают энергоноситель и приводят ее в ударно-вращательное действие. Центральное долото 5 передает крутящий момент муфте 7 посредством подвижного в осевом направлении шлицевого соединения 8. Муфта 7 закреплена на кольцевой коронке 4, которая свободно вращается в обсадной трубе 1 в зоне выступа 2. Ударную мощность центральное долото 5 передает кольцевой коронке 4 через кольцевую площадку на торце 6 хвостовой ступени кольцевой коронки 4. При этом породоразрушающие штыри 9, закрепленные в головной ступени кольцевой коронки 4, разрушают периферийную часть 10 забоя с образованием центрального керна 11 и последующим его разрушением породоразрушающими штырями 9, запрессованными в призабойной части центрального долота 5. В процессе бурения периферийную часть 10 забоя углубляют, увеличивая торцевой зазор 16 до некоторой заданной величины, а нижний торец муфты 7 при этом перемещают до контакта с торцем выступа 2 обсадной трубы 1. Ударные импульсы через кольцевую коронку 4 и муфту 7 воздействуют на торец выступа 2, и обсадная труба 1 перемещается в осевом направлении в сторону головной ступени кольцевой коронки 4, уменьшая при этом торцевой зазор 16. Далее процесс бурения и одновременной обсадки повторяют. В процессе бурения осуществляют вынос разрушенной породы с периферийной 10 и центральной 11 частей забоя скважины за счет постоянной подачи энергоносителя магистрального давления через каналы 12 и 13 в центральном долоте 5, кольцевой зазор 14 между муфтой 7 и обсадной трубой 1, продольные пазы 15 на внутренней поверхности выступа 2 обсадной трубы 1, торцевой зазор 16 и через радиальные торцевые пазы 17 на головной ступени кольцевой коронки 4 в зону разрушения периферийной части 10 забоя скважины. Шлам удаляют по зазору между керном в центральной части 11 забоя и внутренней поверхностью кольцевой коронки 4, а также через каналы 18, 19, 20 в центральном долоте 5 и через кольцевой зазор 21 между корпусом погружной ударной машины 3 и внутренней поверхностью обсадной трубы 1.