СПОСОБ СКВАЖИННОЙ ДОБЫЧИ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к скважинной добыче твердых полезных ископаемых, конкретно для добычи их в сложных горногеологических условиях, представляющих чередующиеся тонкие пласты твердых полезных ископаемых и породы более мягкой, чем полезное ископаемое (например, сланец-глина).

Известны способ и устройство для бурения опережающей (направляющей) скважины по подземному аркообразному участку между двумя наземными точками с последующим разбуриванием ее обратным ходом инструмента большего диаметра.

Применение данного способа и устройства для его реализации для добычи твердых полезных ископаемых в указанных условиях практически невозможно, так как для монтажа расширителя и бурения обратным ходом необходим выход наружу опережающей скважины. При этом эффективность добычи очень низкая из-за необходимости двойного прохождения пустых пород как опережающей скважиной, так и расширителем. Кроме того, способ и устройство предназначены для прохождения пикообразных скважин с входом и выходом инструмента на поверхность земли, т.е. проход инструмента по продуктивному пласту минимален и выход добытого ископаемого мал, а затраты велики [1].

Известно устройство для добычи полезных ископаемых через скважины, включающие две коаксиально расположенные трубы, внутренняя из которых предназначена для выдачи на поверхность продуктов добычи, а кольцевое пространство между трубами - для подачи промывочной жидкости, приспособление для бурения в виде гидромонитора, разделительные перегородки, установленные в кольцевом сечении между трубами.

Недостатком данного устройства является то, что оно предназначено только для добычи более мягких полезных ископаемых из пластов, находящихся среди пластов пород более твердых классов. Кроме того, добыча полезного ископаемого ведется из относительно небольшого участка продуктивного пласта [2].

Известны способ скважинной добычи твердых полезных ископаемых и устройство для его осуществления [3]. Данные технические решения взяты за прототип.

Известный способ включает проходку опережающей скважины гидромониторной струей в покрывающих породах продуктивного пласта, обнажая его поверхность, монтаж расширителя после подъема и снятия гидромонитора, при этом опускают на забой в скважину расширитель, внедряют его в породы продуктивного пласта и выбуривают их обратным ходом расширителя.

Устройство для реализации данного способа включает две коаксиально расположенные колонны труб, внутренняя из которых предназначена для выдачи на поверхность продуктов добычи, а кольцевое пространство между трубами - для подачи рабочей жидкости, рабочий орган необходим для разрушения пород и выполнен в виде гидромонитора, привод управления положением рабочего органа, направляющие, установленные в кольцевом пространстве между трубами, рабочий орган выполнен сменным, для выбуривания породы продуктивного пласта рабочий орган выполнен в виде расширителя, на корпус которого шарнирно установлены режущие лопасти, а внутри корпуса размещен полый шток, контактирующий с режущими лопастями, причем корпус и полый шток выполнены с возможностью соединений их соответственно с наружной и внутренней трубами, при этом последняя подпружинена относительно наружной.

Известный способ предназначен для добычи твердых полезных ископаемых для условий, представляющих чередующиеся тонкие пласты твердых полезных ископаемых и породы более мягкой, чем полезное ископаемое. Использование разности твердости граничащих пород (полезное ископаемое и порода) позволяет выполнить опережающую скважину гидромониторной струей в приграничном с пластом полезного ископаемого района породы, при этом скважина повторяет все искривления продуктивного слоя. Это позволяет обратным ходом рабочего органа расширителя разбуривать продуктивный слой полезного ископаемого, превращать его в гидропульпу с последующим подъемом на поверхность.

Недостатком известного способа является то, что в связи с различной твердостью продуктивного пласта с большим трудом и не всегда удается врезаться в его кровлю таким рабочим органом, как расширитель с режущими лопастями. Из-за того, что не происходит внедрения в кровлю продуктивного пласта, расширитель раскрывается только в верхних мягких породах, что не позволяет осуществлять добычу полезного ископаемого. Кроме того, использование системы коаксиально расположенных колонн труб создает значительные гидравлические нагрузки на верхние слои пород, после чего происходит гидравлический разрыв этих пород, что приводит к нарушению круговой циркуляции промывочной жидкости, а это препятствует процессу бурения и добычи полезного ископаемого.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, а именно добычи полезных ископаемых в пластах различной категории твердости и геологической сложности.

Поставленная задача решается следующим образом. В способе скважинной добычи твердых полезных ископаемых, включающем проходку опережающей скважины с использованием промывной жидкости, монтаж рабочего органа в виде расширителя, внедрение его в породы продуктивного пласта и извлечение обратным ходом рабочего органа выбуренных пород в виде гидросмеси на поверхность, первоначально опережающую скважину бурят наклонно до "кровли" продуктивного пласта, затем разработку скважины ведут путем внедрения в продуктивный пласт до его середины, при этом бурение производят инструментом с цилиндрическим наконечником, армированным резцами, на следующем этапе разработки осуществляют выполаживание - переход наклонной части скважины в горизонтальную, причем используют рабочий орган с наконечником шарообразной формы, армированным резцами, которому сообщают наряду с вращательным качательное движение в пределах от 0 до 2°, последующую разработку опережающей скважины ведут внутри продуктивного пласта, повторяя его искривления относительно горизонта, при этом разработку осуществляют рабочим органом с наконечником в форме усеченного конуса с выемкой в форме усеченного конуса, причем наружная и внутренняя поверхности наконечника армированы резцами, кроме этого он снабжен гибкой и центрирующей компоновкой, на последнем этапе разработки осуществляют разбуривание породы в продуктивном пласте, при этом в качестве рабочего органа используют расширитель с лопастями, армированными резцами, который вводят в опережающую скважину, пробуренную внутри продуктивного пласта, до забоя со сложенными лопастями, затем гидравлическим усилием лопасти расширителя раскрывают и одновременно с этим расширителю сообщают вращательное движение, после чего осуществляют разбуривание пласта полностью раскрытыми лопастями и включением обратного хода рабочего органа производят выбурение по продуктивному пласту полезного ископаемого с одновременным подъемом его на поверхность в виде гидропульпы, а после окончания выбуривания подачу промывочной жидкости прекращают, лопасти расширителя приводят в исходное положение и рабочий орган извлекают из скважины.

Поставленная задача решается следующим образом. В устройстве, содержащем рабочий орган, выполненный сменным для поэтапной разработки опережающей скважины, привод управления положением рабочего органа, рабочий орган в виде расширителя, включающий корпус, снабженный с шарнирно установленными режущими лопастями, полый шток, размещенный в корпусе и контактирующий с лопастями, и пружину, корпус расширителя выполнен из двух частей, при этом на передней части корпуса смонтированы режущие лопасти, армированные резцами, а внутри ее расположен полый шток, снабженный поршнем с внутренним промывочным каналом, при этом пружина расположена внутри передней и задней частей корпуса и снабжена удерживающими кольцами, расположенными на концах пружины, а для бурения наклонной части опережающей скважины и последующего вхождения до середины продуктивного пласта рабочий орган выполнен в форме цилиндрического наконечника, состоящего из двух полых цилиндрических корпусов, вставленных один в другой с образованием кольцевого промывочного канала и снабженного поршнем для выдавливания обуренной породы, размещенным внутри цилиндрических корпусов, армированных по торцам резцами, кроме того, внешний корпус имеет утолщение в виде пояска, на котором также расположены резцы, а наконечник имеет с противоположной стороны продолжение в форме трубы, которая выполнена с возможностью соединения с бурильными трубами, кроме того, для выполаживания наклонной части ствола опережающей скважины в горизонтальную часть рабочий орган выполнен с шарообразным наконечником, шарообразная часть которого армирована резцами, в цилиндрической части выполнена выемка, в которой размещена часть карданного отклонителя, вторая часть которого размещена в выемке, выполненной в переходнике, который соединен с бурильными трубами, а промывочный канал выполнен внутри шарообразного наконечника, карданного отклонителя, переходника и соединен с промывочным каналом бурильных труб, для разработки горизонтальной части ствола опережающей скважины в продуктивном пласте рабочий орган выполнен с наконечником в форме усеченного конуса, большее основание которого расположено в передней части инструмента, со стороны которого в теле наконечника выполнена выемка также в форме усеченного конуса с образованием режущей кромки, при этом поверхность выемки и боковая поверхность наконечника армированы резцами, а сам наконечник снабжен гибкой трубой с шаровым центратором, выполненным с возможностью соединения с бурильными трубами, кроме того, рабочий орган имеет промывочный канал.

Поэтапная разработка ствола опережающей скважины, выполнение ее по середине продуктивного пласта, а также конструктивное выполнение сменного рабочего органа для каждого этапа разработки дает возможность производить добычу полезных ископаемых в тонких и очень тонких продуктивных пластах.

На фиг.1 изображена схема устройства с разрезом месторождения полезных ископаемых; на фиг.2 - рабочий орган с цилиндрическим наконечником для забуривания в продуктивный пласт до его середины; на фиг.3 - вид А на фиг.2; на фиг.4 - рабочий орган с шарообразным наконечником; на фиг.5 - вид А на фиг.4; на фиг.6 - рабочий орган с наконечником в форме усеченного конуса; на фиг.7 - вид А на фиг.6; на фиг.8 - рабочий орган - расширитель; на фиг.9 - вид А на фиг.8.

Устройство для скважинной добычи твердых полезных ископаемых состоит из бурового станка 1 с вертлюгом-вращателем 2, бурильных труб 3, бурового насоса 4, емкости для улавливания и отстаивания пульпы добытого полезного ископаемого 5 и рабочего органа 6.

Рабочий орган 6 выполнен сменным для поэтапной разработки ствола опережающей скважины и добычи полезного ископаемого. Для вбуривания в продуктивный пласт рабочий орган 6 выполнен (фиг.2, фиг.3) с цилиндрическим наконечником, состоящим из двух полых цилиндрических корпусов: наружного 7 и внутреннего 8 с образованием промывочного канала 9 между корпусами. Корпуса-цилиндры 7 и 8 выполнены с режущей кромкой по торцу, ближе к которому наружный корпус имеет утолщение в виде пояска, на котором расположены резцы 10, а с противоположной стороны наружный корпус 7 имеет продолжение в форме трубы, которая выполнена с возможностью соединения с бурильными трубами 3, внутри корпусов размещен поршень 11, а внутренняя полость корпуса 8 служит приемной емкостью 12 для разбуренной породы.

Для выполаживания наклонной части ствола опережающей скважины в горизонтальную часть рабочий орган 6 выполнен с шарообразным наконечником (фиг.4, фиг.5), состоящий из шарообразной части 13 и цилиндрической 14, в которой выполнена выемка для размещения в ней части карданового отклонителя 15, вторая часть которого размещена в выемке, выполненной в переходнике (переходной трубе) 16, выполненной с возможностью соединения с бурильными трубами 3. В шарообразном наконечнике в его шарообразной части 13 и цилиндрической 14, в кардановом отклонителе 15 и переходнике 16 выполнен промывочный канал 17. Шарообразная часть 13 наконечника армирована резцами 18.

Для разработки горизонтальной части ствола опережающей скважины в продуктивном пласте рабочий орган 6 (фиг.6, фиг.7) выполнен с наконечником в форме усеченного конуса 19, большее основание которого расположено в передней части инструмента, со стороны которого в теле наконечника выполнена выемка в форме усеченного конуса 20, с образованием режущей кромки, при этом наружная и внутренняя поверхности наконечника армированы резцами 21, а наконечник снабжен гибкой трубой 22 с шаровым центратором 23, выполненным с возможностью соединения с бурильными трубами 3. Внутри рабочего органа на всей протяженности выполнен промывочный канал 24.

Для разбуривания продуктивного слоя полезного ископаемого в качестве рабочего органа 6 использован расширитель (фиг.8, фиг.9), состоящий из корпуса, образованного двумя частями, передней 25 и задней 26. Внутри передней части корпуса 25 установлен поршень 27, в котором выполнен промывочный канал 28. Передняя часть корпуса 25 снабжена режущими лопастями 29, которые армированы резцами 30 и установлены в пазах на шарнирах 31. Поршень 27, контактирующий с режущими лопастями 29, соединен с пружиной 32 через нижнее кольцо 33, установленное внутри передней части 25 корпуса, а внутри задней части 26 корпуса установлено верхнее кольцо 34, к которому присоединен второй конец пружины 32. Корпус расширителя соединен с бурильными трубами 3.

Устройство работает следующим образом.

Вначале наклонно выполняют в мягкой породе 34 опережающую скважину большого диаметра на глубину 6 м, устанавливают обсадную трубу 35 (фиг.1), которую цементируют в грунте. Затем скважину доводят до пласта твердого полезного ископаемого 33, после чего по внутренней поверхности обсадной трубы 35 спускают обсадную трубу 36 и устанавливают ее на "кровлю" продуктивного пласта 33. Между обсадными трубами 35 и 36 осуществляют герметизацию. К подземному концу бурильных труб 3 крепят рабочий орган 6, который выполняют сменным, так для врезания в продуктивный пласт до его середины устанавливают рабочий орган 6 с цилиндрическим наконечником. Врезание осуществляют за счет режущих кромок на торцах корпусов-цилиндров 7 и 8 и резцов 10, расположенных на боковой поверхности внешнего корпуса-цилиндра 7. По промывочному каналу 9 подается промывочная жидкость, а с помощью поршня 11 осуществляется выдавливание обуренной горной породы из приемной емкости 12 для создания опоры при вхождении в твердый продуктивный пласт. Для осуществления выполаживания в скважину вводят рабочий орган 6, выполненный с шарообразным наконечником, состоящим из шарообразной части 13 и цилиндрической 14. Шарообразная армированная резцами форма наконечника в комплексе с карданным отклонителем 15, имеющим изменяющий угол наклона к горизонту от 0 до 2°, позволяет подготовить плавный переход наклонной части опережающей скважины в горизонтальную часть 37 за счет комплексного движения инструмента в породе - вращательного и качательного одновременно, выполнение промывочного канала 17 позволяет подать промывочную жидкость в центральный канал шарообразного наконечника для смывания его поверхности. После завершения выполаживания бурильные трубы 3 поднимают и производят замену сменного рабочего органа 6. Для бурения опережающего ствола скважины внутри тонкого продуктивного пласта 33 по горизонтали на бурильных трубах 3 монтируют рабочий орган 6 с наконечником в форме усеченного конуса 19 с выемкой 20 также в форме усеченного конуса, выполненной в теле наконечника со стороны большего основания с образованием режущей кромки. Наконечник армирован резцами 21. Такое выполнение наконечника позволяет выбуривать опережающую скважину в твердой породе, а за счет того, что рабочий инструмент снабжен гибкой трубой 22 и центратором 23, опережающую скважину разрабатывают с повторением рельефа продуктивного пласта. Выполнение наконечника в форме усеченного конуса и расположение большего основания в передней части инструмента позволяет вести разработку строго в границах твердого продуктивного пласта и не выходить в мягкую породу со стороны "кровли" или "подошвы" продуктивного пласта.

Для выбуревания (добычи) полезного ископаемого используют рабочий орган - расширитель, который вводят в скважину с закрытыми лопастями 29 и доводят до забоя опережающего ствола скважины, включают вращатель 2 и за счет прокачивания промывочной жидкости создают давление на поршень-толкатель 27 с внутренним промывочным каналом 28, которое раскрывает лопасти 29, и одновременно сообщают рабочему органу 6 вращение. Осуществляют разбуривание продуктивного пласта до полного раскрытия лопастей расширителя, после этого включают обратный ход бурильных труб, производя таким образом выбуривание (добычу) ископаемого по продуктивному пласту, одновременно вымывая на поверхность продукты добычи, которые улавливаются и отстаиваются в приемных емкостях 5. После окончания выбуривания (добычи) прекращают подачу промывочной жидкости, снимают давление на поршень-толкатель 27, пружина 32 сжимается и втягивает поршень-толкатель 27 вовнутрь корпуса 25, лопасти 29 приходят в исходное закрытое положение и расширитель извлекают из скважины.

Источники информации

1. Патент США №4979637, МПК E 21 B 7/07, 1975.

2. А.с. №617584, МПК E 21 B 43/28, 1978.

3. Патент РФ №2000437, МПК E 21 C 45/00, 1993.