способ образования скважин и выработок в горных породах

Формула изобретения

Способ образования скважин и выработок в горных породах, включающий разрушение пород на забое воздействием механическим инструментом и струями рабочего агента, истекающего под давлением, удаление бурового шлама к устью скважины отраженным от забоя рабочим газообразным агентом, отличающийся тем, что на площадь забоя воздействуют рабочим газовым агентом при его температуре 700-900°С, давлении струй агента на забой 3-10 кгс/см² в течение 1-2 мин при одновременном наложении на эти струи акустических колебаний от рабочего органа и насадок бурового устройства и создания условий смены участков на забое, таким воздействием разупрочняют слой 5-10 мм породы, преодолевая ее тепловую и механическую инерционность, на прогретый забой кратковременным импульсом подают хладагент в течение 1-3 с, давлением 10-70 кгс/см² в виде углекислого газа или смеси воды с этим газом, образуют сетку трещин и микротрещин в этом слое, импульсным воздействием на забой рабочим газовым агентом при давлении 50-100 кгс/см² и температуре 600-800°С испаряют остатки хладагента, удаляют из забоя разрушенную породу, создают постоянный восходящий к устью поток бурового шлама, выбирая скорость его подъема в пределах 20-60 м/с за счет регулирования количества от 2 до 9 м³/с газового потока, подаваемого от термогазогенератора в часть рабочих насадок бурового аппарата, далее указанные операции повторяют в той же последовательности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам проходки горных пород путем воздействия на буримую среду энергией струй рабочего агента под давлением и предназначено для образования скважин и выработок различного назначения.

Технологические процессы проходки горных пород и образования скважин в настоящее время решены определенными приемами и операциями, из которых наиболее представительными являются способы образования скважин, существенными приемами и признаками которых являются: оборудование устья постановкой превентора, проходка геологических горизонтов путем воздействия на буримую среду энергией струй рабочего агента, формирование восходящего потока к устью скважины для выноса бурового шлама из зоны забоя и полости скважины [Дмитриев А.П. и др. Термическое и комбинированное разрушение горных пород, М., Недра, 1978, с.135-136; US 3917007, 175/14; FR 2232670, E21B 7/18; RU 2161245, E21B 7/14].

Существенными и очевидными недостатками аналогичных способов являются: сверхнормативные удельные расходы рабочего агента на забое и повышенные затраты энергии на формирование потока бурового шлама, направляемого из ствола к устью скважины; неуправляемость характеристик процесса по тепловой и кинетической энергиям, параметрам рабочего агента и воздействию его на забой и стенки проходимой скважины. Это ведет к стохастическому процессу выбора операций и параметров способа и отражается на перерасходах компонентов, формирующих объем рабочего агента для проходки скважины в геологических горизонтах.

Наиболее близкой по технической сущности является технология (способ) образования скважин и выработок в осадочных горных породах, включающая воздействие на буримую среду энергией струй рабочего агента, истекающих из рабочего органа автономного бурильного агрегата на забой под давлением, удаление бурового шлама к устью скважины, закрепление стенки скважины [RU 2168598, 10.06.2001, E21B 7/14, E21C 37/16].

Существенные недостатки данного способа аналогичны некоторым указанным выше отрицательным характеристикам способов-аналогов, в частности, данный способ (технология) не учитывает условия инерционности горных пород процессу температурного воздействия на массив и отдельные включения неоднородного характера; отсутствуют также приемы и операции формирования оптимальных скоростей потока бурового шлама, а также - поддержания устойчивого давления в полости проходимой скважины.

Технической задачей и положительным технологическим результатом предлагаемой технологии образования скважины и выработок является дальнейшее совершенствование процессов, операций и параметров воздействия на забой, стенки скважины, формирование потока бурового шлама, за счет выбора оптимальных операций, режимов и их параметров для процесса разрушения массива породы на забое, дробления отдельных частиц, управления скоростями и температурой воздействия рабочего агента и потока бурового шлама, ведущих к повышению эффективности способа и увеличению производительности используемого бурильного агрегата.

Способ образования скважин и выработок в горных породах, включающий разрушение пород на забое воздействием механическим инструментом и струями рабочего агента, истекающего под давлением, удаление бурового шлама к устью скважины отраженным от забоя рабочим газообразным агентом, характеризуется тем, что на площадь забоя воздействуют рабочим газовым агентом при его температуре 700-900°C, давлении струй агента на забой 3-10 кгс/см² в течение 1-2 минут при одновременном наложении на эти струи акустических колебаний от рабочего органа и насадок бурового устройства и создания условий смены участков на забое, таким воздействием разупрочняют слой 5-10 мм породы, преодолевая ее тепловую и механическую инерционность, на прогретый забой кратковременным импульсом подают хладагент в течение 1-3 с, давлением 10-70 кгс/см² в виде углекислого газа или смеси воды с этим газом, образуют сетку трещин и микротрещин в этом слое, импульсным воздействием на забой рабочим газовым агентом при давлении 50-100 кгс/см² и температуре 600-800°C испаряют остатки хладагента, удаляют из забоя разрушенную породу, создают постоянный восходящий к устью поток бурового шлама, выбирая скорость его подъема в пределах 20-60 м/с за счет регулирования количества от 2 до 9 м³/с газового потока, подаваемого от термогазогенератора в часть рабочих насадок бурового аппарата, далее указанные операции повторяют в той же последовательности.

Способ поясняется приводимыми чертежами, где:

на фиг.1 показан общий вид технологической схемы проходки скважин;

на фиг.2 - конструкция бурового агрегата;

на фиг.3 - узел А на фиг.2.

Способ включает подготовку рабочей площадки, выбор точки для проходки скважины 1, монтаж на ее устье 2 опорного превентора 3, бурильного агрегата 4, монтаж: подъемно-транспортирующего оборудования 5, насосов 6 и силовых приводов 7, вспомогательного оборудования и рабочего инструмента. Проходку скважины ведут воздействием на породы забоя комбинированными нагрузками. Начиная от устья, проходку ведут за счет разрушения породы ламинарными и периодически подаваемыми на забой турбулентными струями в импульсном режиме. На часть струй, истекающих из насадок рабочего органа 8, накладывают акустические колебания за счет насадок 9, генерирующих струи с акустическими колебаниями. Выбирают расход рабочего агента (газа, парогазовой композиции) для указанных струй в массовом соотношении, а также выбирают воздействие разных струй, их геометрию и участки разрушения породы. Для снижения расхода агента центральную площадь забоя разрабатывают несколькими струями агента, направленными под углом друг к другу - в виде клина, меняя температуру и давление; расширение забоя ведут методом скалывания, направляя струи под острыми углами к его поверхности, окончательное формирование диаметра скважины ведут кольцевыми струями 10 агента, истекающими под острым углом в направлении к устью скважины. Удаление бурового шлама к устью ведут комбинированным подъемом частиц породы, используя отработанный на забое агент и дополнительный неконденсирующийся газ. Кольцевые струи формируют насадками с соответствующим соплом 10; дробление породы и калибровку забоя ведут механическими насадками 11, этот процесс усиливают за счет насадок 9 (фиг.3), имеющих проточки 12 для формирования акустических волн в истекающих струях рабочего агента.

Бурильный агрегат 4 (фиг.2) имеет оригинальную конструкцию, где между твердыми топливными элементами 13 и элементом 14 размещены камеры 15 с хладагентом и топливные элементы 16, оба вида топливных элементов предназначены для воздействия на забой: в режиме ламинарном с постоянной температурой и давлением и в режиме импульсного ударного воздействия для отрыва и выноса разрушенных частиц породы, используя насадки 17 агрегата. Способ образования скважин и выработок осуществляют следующим образом. После подготовки рабочей площади (расчистка, планировка, выбор участка), монтажа подъемно-транспортного оборудования, превентора 3 на устье 2 скважины 1, насосов 6, силовых приводов 7, бурильного агрегата 4 осуществляют проходку скважины. Разрушение пород на забое ведут воздействием механическим инструментом 11 и струями рабочего агента, истекающими из насадок 9, 10 рабочего органа 8 бурильного агрегата 4. Буровой шлам из забоя по стволу скважины 1 к ее устью 2 удаляют восходящим потоком отработанного на забое газообразного рабочего агента. Проходку скважины ведут в соответствии с принятыми техническими условиями, когда типичными диаметрами, начиная от устья, ствола являются: 500 мм, 324 мм, 235 мм, 186 мм и 166 мм, при этом по мере углубления диаметр ствола соответственно уменьшается. Наиболее эффективно вести проходу воздействием на забой рабочим газовым агентом при его температуре 100-900°C (оптимально - 760-840°C), выбирая давление струй на породу забоя 3-10 кгс/см² в течение 0,1-2,0 минут (наиболее эффективно: 4-5 кгс/см ² в течение 0,1-1,2 мин) при обязательном одновременном наложении на истекающие на забой газовые струи акустических колебаний в диапазоне 100-1000 Гц, (наиболее эффективно для разрушения пород - 100-300 Гц); это акустическое воздействие на струи осуществляется за счет выбора режима работы насадок 9 рабочего органа 8 бурильного агрегата 4; акустические колебания струй создают условия постоянного рыскания (перемещения струй в двухмерном пространстве забоя) струй участкам по площади забоя. Отмеченные операции, их режимы и параметры позволяют в указанные короткие промежутки времени преодолевать тепловую (теплопроводимость) и механическую (по податливости разрушению) инерционности породы забоя, разупрочнить сеткой трещин и микротрещин слой 8-10 мм (до 18 мм), определить этот слой от подстилающей породы; для дробления на частицы прогретого слоя на забой кратковременным импульсом в течение 1-3 с под давлением 10-70 кгс/см² (предпочтительно: 17-38 кгс/см² ) подают хладагент в виде струй из смеси воды с CO₂ или CO₂ (газ). Такая резкая смена теплового воздействия - на охлаждение позволяет полностью разрушить слой по сетке трещин и микротрещин. Вслед за этим на разрушенный слой импульсно (в течение 1-3 с) воздействуют рабочим газовым агентом при его температуре 600-800°C (предпочтительно - 660-720°C), и давление струй этого агента на забой 50-100 кгс/см² (преимущественно - 50-70). Этой операцией отрывают разрушенный слой в виде частиц, испаряют остатки хладагента и созданным восходящим потоком газа и пара поднимают к устью скважины буровой шлам, организуя этими агентами постоянный восходящий поток со скоростью его подъема в пределах 20-60 м/с за счет регулирования количества газа (и пара от хладагента) в этом потоке от 2 до 9 м³/c. Рабочий газовый агент подают от термогазогенератора 13 в рабочие насадки или в часть рабочих насадок 9. Окончательное формирование сечения (стенок) скважины ведут кольцевыми струями 10 рабочего агента, а зачистку забоя осуществляют совместной работой струи из насадок 9 и 10 и механических резцов 11, закрепленных на стенках рабочего органа 8. В процессе проходки скважины возможен выбор наиболее эффективного процесса разрушения забоя, в частности, для снижения расхода рабочего газового агента (на 8-15%) центральную часть забоя целесообразно разрабатывать несколькими струями этого агента, направленными под углом друг к другу - в виде клина, сходящегося в центре забоя, а расширение забоя - вести методом скалывания породы на стенках за счет направления струй под острым углом (15-20%) к поверхности стенок моновыработок на забое.

Таким образом, разработанный и экспериментально проверенный способ образования скважин и выработок в горных породах обладает эффективной оригинальной технологической последовательностью операций процесса разрушения пород. Технологические операции имеют строгую последовательность, экспериментально выбранные режимы и параметры воздействия на разрушаемую породу. Это дает основания для вывода о том, что данный способ удовлетворяет требованиям: «новизна»; «изобретательский уровень», «промышленная применимость».

При необходимости заявитель может представить более подробные данные по сущности и эффективности способа образования скважин и выработок.