Результат интеллектуальной деятельности: Способ сооружения скважин большого диаметра

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для расширения пилот-скважин при разработке и добыче полезных ископаемых.

Известен способ разработки руд методом выбуривания с помощью добычного комбайна (Михайлов Ю.В. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых. М.: Изд. Центр «Академия», 2008, с. 225-229). Комбайн устанавливают в буровой выработке и с помощью буровой колонны и известных породоразрушающих рабочих инструментов, например, шарошечных долот, осуществляют бурение пилот-скважины по рудному телу. Устье пилот-скважины расположено в буровой выработке, а выход её – в другой выработке, например, в транспортно-сортировочной. После окончания бурения пилот-скважины в транспортно-сортировочной выработке демонтируют рабочий инструмент, которым бурили пилот-скважину, а вместо него на буровую колонну прикрепляют расширитель, который доставляют к разбуриваемой скважине с помощью монтажной тележки. Породоразрушающий рабочий инструмент расширителя закрепляют в расширителе со стороны устья пилот-скважины. Буровой шлам, образующийся при разбуривании пилот-скважины, самотеком перемещается к выходу из разбуриваемой скважины в сторону транспортно-сортировочной выработки и в этой выработке его улавливают и обрабатывают оборудованием, входящим в состав добычной установки, для дальнейшей выдачи его на дневную поверхность.

Общими признаками аналога и предлагаемого технического решения являются: бурение пилот-скважины с помощью буровой колонны, разбуривание пилот-скважины до заданного диаметра расширителем, оснащенным породоразрушающим рабочим инструментом, удаление бурового шлама из транспортно-сортировочной выработки.

Недостатком этого способа является высокая энергоемкость процесса породоразрушения из-за использования шарошечного бурения и значительных габаритов и массы оборудования (соответственно, и стоимость), реализующего способ, что существенно снижает эффективность и надежность способа. Возможность использования добычного комбайна только в подземных условиях ограничивает область применения данного способа.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ расширения скважин, реализованный при работе установки для добычи крепких руд из маломощных пластов методом выбуривания по патенту РФ № 2486339, Е21С 27/22, опубл. 27.06.2013, Бюл. № 18, включающий бурение пилот-скважины буровым станком с буровой колонной, разбуривание пилот-скважины до заданного диаметра расширителем, оснащённым породоразрушающим инструментом и установленным в нижней части буровой колонны, перемещение бурового шлама при помощи шнека в сторону транспортно-сортировочной выработки, удаление бурового шлама из транспортно-сортировочной выработки, перемещение буровой колонны с расширителем посредством лебёдки с тросом.

Общими признаками прототипа и предлагаемого способа являются: бурение пилот-скважин буровым станком с буровой колонной, разбуривание пилот-скважины до заданного диаметра расширителем, оснащенным породоразрушающим инструментом и установленным в нижней части буровой колонны, удаление бурового шлама из транспортно-сортировочной выработки, перемещение расширителя посредством лебёдки с тросом.

Недостатком этого способа является высокая энергоемкость процесса породоразрушения из-за использования шарошечного бурения и проведения дополнительных операций при разбуривании пилот-скважины (размещение лебёдки в транспортно-сортировочной выработке, соединение расширителя со шнеком, перемещение приёмной воронки, шламового насоса, трубопровода и сосуда по транспортно-сортировочной выработке, установка и эксплуатация подъемного устройства для лебёдки на необходимой высоте и т.д.) с использованием дополнительного оборудования (гидродомкраты, шнек и т.д.), что существенно снижает эффективность и надёжность способа.

Другим недостатком данного способа является необходимость использования сложного горного оборудования при работе установки (шламопровод, шламонасос и т.д.), что также приводит к снижению надёжности способа. Поскольку при реализации способа буровой станок закрепляют снизу, сбоку и сверху подземной выработки гидродомкратами, это ограничивает область его применения, не позволяя разбуривать пилот-скважины с дневной поверхности. Кроме того, жесткое статическое взаимодействие горной породы и расширителя неизбежно приводит к быстрому износу и поломке последнего, что также снижает надёжность способа. Жёсткое статическое взаимодействие горной породы и расширителя, использующего наиболее энергоёмкое шарошечное бурение, приводящее к большому энергопотреблению, уменьшает скорость разбуривания пилот-скважины, что значительно уменьшает эффективность известного способа.

Перепуск бурового шлама, содержащего влагу, через приёмную воронку, шламонасос и трубопроводы неизбежно приводит к периодическому заклиниванию буровым шламом этой системы, и как следствие, снижает надёжность способа.

Проблемы заключаются в повышении эффективности способа сооружения скважин большого диаметра за счет увеличения скорости разбуривания пилот-скважины при наименее энергоемком воздействии расширителем на породный массив при образовании скважины большого диаметра и за счет расширения области применения способа путём возможности разбуривания пилот-скважины и с дневной поверхности, и с использованием подземных выработок, а также в повышении надежности способа за счет использования простого, менее дорогостоящего и более износостойкого оборудования, чем в прототипе.

Решение проблем достигается в способе сооружения скважин большого диаметра, включающем бурение пилот-скважины с помощью бурового станка с буровой колонной, разбуривание упомянутой пилот-скважины до заданного диаметра расширителем, оснащенным породоразрушающим инструментом и установленным в нижней части буровой колонны, удаление бурового шлама из транспортно-сортировочной выработки, при этом перемещение расширителя осуществляют посредством лебёдки с тросом. Согласно техническому решению буровой станок и указанную лебёдку устанавливают на передвижную платформу, зафиксированную над сооружаемой скважиной, а для разбуривания пилот-скважины используют расширитель тангенциально-ударного действия, оборудованный центрирующим устройством, направленным в пилот-скважину, и породоразрушающим инструментом в виде, по меньшей мере, двух блоков подвижных элементов, оснащенных отдельными двигателями для вращения валов упомянутых подвижных элементов.

Установка бурового станка и указанной лебёдки с тросом на передвижной платформе, которую фиксируют над сооружаемой скважиной, позволяет использовать способ как в подземных условиях, так и на дневной поверхности, что расширяет область применения способа, и сравнительно быстро, без особых усилий, позволяет перемещать буровой станок на следующую скважину, что повышает эффективность способа и, как следствие, снижает стоимость его реализации.

Указанная совокупность признаков позволяет, в отличие от прототипа, избежать постоянного статического контакта расширителя со стенкой сооружаемой скважины большого диаметра, поскольку в предлагаемом способе разбуривание пилот-скважины до заданного диаметра реализуют не статическими усилиями расширителя, а динамическими, тангенциально-ударными, наименее энергоёмкими воздействиями его на кровлю и стенку создаваемой скважины большого диаметра, которые осуществляют породоразрушающим инструментом в виде, по меньшей мере, двух блоков подвижных элементов, оснащенных отдельными двигателями для вращения валов упомянутых подвижных элементов. Это значительно повышает скорость разбуривания пилот-скважины при снижении энергетических параметров всей установки, т.е. повышает эффективность способа и его надежность при снижении стоимости, т.к. поломка или износ одного из подвижных элементов породоразрушающего инструмента не приводит к остановке процесса разбуривания пилот-скважины до заданного диаметра.

Оснащение при этом расширителя центрирующим устройством позволяет осуществлять его центрирование в пилот-скважине и предотвращать смещение его от проектной траектории заданной скважины большого диаметра, что повышает эффективность и надёжность способа.

Целесообразно использовать расширитель, приспособленный для попеременного разбуривания пилот-скважины как из транспортно-сортировочной выработки к устью, так и обратно. Причем при разбуривании из транспортно-сортировочной выработки к устью пилот-скважины породоразрушающий инструмент в расширителе закрепляют со стороны устья пилот-скважины, а при разбуривании из устья пилот-скважины к транспортно-сортировочной выработке расширитель предварительно переворачивают вокруг его диаметральной оси на 180˚. Указанные операции позволяют использовать попеременно один и тот же расширитель при сооружении скважин большого диаметра как из верхней выработки или с дневной поверхности, так и из транспортно-сортировочной выработки, расширяя область применения способа, что существенно повышает его эффективность.

Целесообразно в качестве подвижных элементов использовать молотковые роторы. Практика сооружения скважин большого диаметра однозначно дает основание полагать, что применение молотковых роторов позволяет эффективно воздействовать на породный массив, при этом износ и поломка молотковых роторов – минимальны. Ремонт и замена молотковых роторов не требуют серьёзных затрат при низкой их стоимости.

Сущность технического решения поясняется примером конкретной реализации способа сооружения скважин большого диаметра (далее - способ) и чертежами фиг. 1-5, где на фиг. 1 изображена реализация предлагаемого способа из транспортно-сортировочной выработки (исходное положение), на фиг. 2 – схема реализации способа в процессе разбуривания пилот-скважины при ходе буровой колонны из транспортно-сортировочной выработки к устью пилот-скважины, на фиг. 3 - схема реализации способа в процессе разбуривания пилот-скважины при ходе буровой колонны из устья пилот-скважины к транспортно-сортировочной выработке, на фиг. 4 – выносной элемент I на фиг. 2 в увеличенном масштабе, на фиг. 5 – разрез А-А на фиг. 4, стрелки на фиг. 2, 3 показывают направления вращения буровой колонны и её перемещения, на фиг. 5 – направление вращения молоткового ротора.

Способ реализуют следующим образом. Над проектной отметкой сооружаемой скважины 1 большого диаметра устанавливают передвижную платформу 2 (далее – платформа 2), которую жестко фиксируют в породном массиве, например, монтажными анкерами 3 (фиг. 1). Платформа 2 оснащена плитой 4 для монтажа бурового станка 5 с буровой колонной 6 и лебёдки 7 с тросом. После их установки бурят пилот-скважину 8 до транспортно-сортировочной выработки 9. Нижний конец буровой колонны 6 соединяют с расширителем 10 тангенциально-ударного действия (далее - расширитель 10), оборудованным центрирующим устройством 11, представляющим собой втулку с диаметром, равным или немного меньшим диаметра пилот-скважины 8. Расширитель 10 оборудован породоразрушающим инструментом в виде, по меньшей мере, двух блоков 12 подвижных элементов, например, молотковых роторов 13, оснащенных отдельными двигателями 14 (пневматическими, гидравлическими или электрическими), передающими вращательное движение через передачу 15 (цепную, ремённую и т.д.) на валы 16 молотковых роторов 13 (фиг. 4, 5). Молотковые роторы 13 в предлагаемом способе могут быть заменены на роторы с цепями, тросами и т.д. По меньшей мере, два блока 12 молотковых роторов 13 необходимы для обеспечения равновесия расширителя 10, т.е. предотвращения его перекоса при сооружении скважины 1 большого диаметра и извлечении из неё.

При разбуривании используют расширитель 10, приспособленный для попеременного разбуривания пилот-скважины 8 как из транспортно-сортировочной выработки 9 к устью, так и обратно, причем при разбуривании из транспортно-сортировочной выработки 9 к устью пилот-скважины 8 породоразрушающий инструмент в расширителе 10 закрепляют со стороны устья пилот-скважины 8, а при разбуривании из устья пилот-скважины 8 к транспортно-сортировочной выработке 9 расширитель 10 предварительно переворачивают вокруг его диаметральной оси на 180˚.

При сооружении скважины 1 большого диаметра из транспортно-сортировочной выработки 9 к устью скважины 1 включают буровой станок 5. Буровая колонна 6, соединенная с расширителем 10 на нижнем её конце, поднимается вверх (фиг. 2). Центрирующее устройство 11 предотвращает смещение расширителя 10 от заданной траектории бурения, а в качестве направляющей для центрирующего устройства 11 используют пилот-скважину 8. Расширитель 10 разбуривает пилот-скважину 8 до заданного диаметра, сооружая скважину 1. Буровой шлам падает в транспортно-сортировочную выработку 9 и удаляется для дальнейшей переработки известными способами. После того, как расширитель 10 достигнет поверхности разрабатываемого породного массива в буровой выработке или дневной поверхности, сооружение скважины 1 большого диаметра завершено. Расширитель 10 при помощи лебёдки 7 с тросом опускают в транспортно-сортировочную выработку 9. Демонтируют монтажные анкеры 3 и перемещают платформу 2 на следующую проектную отметку. Цикл повторяют.

При реализации способа в процессе разбуривания пилот-скважины 8 при ходе буровой колонны 6 из устья пилот-скважины 8 к транспортно-сортировочной выработке 9 после проходки пилот-скважины 8 до транспортно-сортировочной выработки 9 буровую колонну 6 бурового станка 5 поднимают выше устья пилот-скважины на 0,3-0,5 м в зависимости от размеров центрирующего устройства 11 расширителя 10. Расширитель 10 предварительно поворачивают вокруг его диаметральной оси на 180˚. Нижний конец буровой колонны 6 соединяют с расширителем 10, оборудованным центрирующим устройством 11 (фиг. 3). Буровую колонну 6 бурового станка 5 с расширителем 10, оборудованным центрирующим устройством 11, вращая расширитель 10, подают вниз по образованной ранее пилот-скважине 8. Буровой шлам, образующийся при разбуривании пилот-скважины 8, самотёком перемещается к выходу последней в транспортно-сортировочную выработку 9, где его удаляют и обрабатывают оборудованием, входящим в состав добычной установки, для дальнейшей выдачи его на дневную поверхность. После того, как расширитель 10 достигнет верхней границы транспортно-сортировочной выработки 9, сооружение скважины 1 большого диаметра завершено. Буровую колонну 6 бурового станка 5 с расширителем 10 поднимают в буровую выработку или на дневную поверхность. Далее демонтируют монтажные анкеры 3 и перемещают платформу 2 на следующую проектную отметку. Цикл повторяют.