Разработка методики профилирования и многофункционального бурового комплекса для бурения подземных направленных скважин

Современное состояние подземного бурения в угольных шахтах характеризуется отсутствием цельного технического и организационного подхода к его проведению.

Имеющееся на ряде угольных предприятий Донбасса зарубежное буровое оборудование для проведения дегазации является высокопроизводительным, но его закупка и массовое внедрение в значительной степени сдерживается высокой стоимостью и затратами на обслуживание и ремонт.

Выходом из сложившейся ситуации в настоящий момент может стать внедрение ранее разработанных технических средств и технологий, не реализованных ранее в силу ряда причин экономического и организационного характера.

В настоящий момент проводятся работы по разработке методики профилирования подземных направленных скважин и созданию модернизированных под современные требования образцов бурового инструмента на основе существующих конструктивных схем.

При бурении скважин из подземных горных выработок преобладает их восстающее направление, сочетающее прямолинейные и криволинейные участки. Сами скважины в зависимости от горно-геологических условий залегания дегазируемого пласта и условий забуривания могут быть как плоско- так и пространственно-искривленными. Скважины, буримые из подземных горных выработок могут профилироваться по простиранию пласта при его горизонтальном залегании, по восстанию пласта и по падению пласта.

На рис. 1 представлена схема для расчета параметров плоско-пространственного профиля скважины.

Рисунок 1 - Схема к расчету плоско-пространственного профиля скважины

Для удобства проектирования и оперативного контроля пространственного положения профиля скважины необходимо определить координаты любой точки скважины, расположенной на заданной длине от устья, угол наклона скважины в этой точке и разворот ее относительно оси горной выработки, который определяет азимутальное направление скважины.

Проведенные исследования позволили получить математическое описание координат ствола скважины описывающих ее пространственное положение относительно горной выработки в прямоугольной системе координат.

Для расчета координат скважины используются следующие величины:

• Радиус искривления скважины
• Расстояние от оси горной выработки до горизонтальной проекции прямолинейного участка скважины
• Межпластовая мощность
• Угол отклонения траектории скважины относительно оси горной выработки
• Угол характеризующего текущее положение забоя скважины относительно системы координат
• Угол наклона плоскости скважины к горизонту
• Расстояние от устья до требуемой точки

Для автоматизации процесса проектирования траектории скважины была составлена расчетная программа, системный вид диалогового окна которой приведен рис. 2.



Рисунок 2 - Интерфейс программы расчета координат восстающей скважины

При проведении бурения криволинейных участков дегазационных скважин целесообразно применять отклонители непрерывного действия с фиксированным значением обеспечиваемого радиуса кривизны R. Для этих целей выполняются работы по созданию многофункционального бурового комплекса, предназначенного для ориентирования и бурения направленных скважин.

Конструктивно комплекс включает ориентирующий и отклоняющий блоки. Отклоняющий блок состоит из корпуса камеры 9 с ползуном 6, выходящим за габариты корпуса под действием расширяющейся резиновой камеры 7 (рис. 3).



Рисунок 3 - Буровой комплекс направленного бурения

Внутренняя полость отклонителя сообщается с полостью резиновой камеры через отверстие, выполненное в центральном валу. Ползун 6 снабжен набором роликов, которые при выдвижении ползуна контактируют со стенкой, удерживая корпус отклонителя от поворота.

Наружная поверхность отклонителя армирована твердосплавными вставками выполняющими функцию опорных элементов, регулирующих интенсивность искривления скважины.

В верхней части отклонителя размещен ориентирующий блок гидравлического типа. Он включает ниппель 4 внутренняя часть которого имеет пазы для сопряжения с валом отклонителя. В нижней части ниппеля выполнен паз, предназначенный для размещения ориентирующего шара 3 при ориентировании корпуса отклонителя.

На верхнем валу расположен блокировочный шпоночный узел, сопрягаемый с пазами ориентирующего ниппеля 4.

Для компенсации смещения вала при операции ориентирования в нижней части верхнего вала размещен шпоночный разъем 5. Вал снабжен отверстиями для гидравлической сигнализации об окончании процесса ориентирования.

В кольцевой полости, образованной внутренней поверхностью ниппеля 4 и расточкой верхнего вала 1 под шпоночным участком вала, размещен ориентирующий шар 3, свободно перекатывающийся в исходном положении под действием силы тяжести.

Для ориентирования выполняют подтягивание вала за колонну бурильных труб. При этом верхний вал 1 получает возможность небольшого смещения вверх по шпоночному разъему ниппеля 4. Это освобождает шар 3, который перекатывается по кольцевой полости, занимая положение, соответствующее нижней образующей апсидальной плоскости скважины. Опускают снаряд до забоя, включают подачу промывочной жидкости и начинают медленное проворачивание корпуса снаряда через колонну бурильных труб. При этом осуществляют периодическую досылку и извлечение верхнего вала. В тот момент, когда положение паза совпадет с нижней образующей апсидальной плоскости скважины, ориентирующий шар 3 переместится в паз ниппеля 4. При этом вал 1 сместится вниз, разъединится шпоночное соединение вала и корпуса, сместится вниз нижний шпоночный разъем, тем самым открыв боковые отверстия вала, и промывочная жидкость получит возможность выхода, что даст гидравлический сигнал, отмечаемый по манометру, о завершении ориентирования.

Благодаря наличию дросселирующей втулки 12, во внутренней полости вала 10 создается повышенное давление, что приводит к расширению резиновой камеры 7 и выдвижению ползуна 6 до упора его роликов в стенку скважины. Корпуса 2 и 11, упираясь в противоположную стенку скважины твердосплавными вставками на эксцентричных выступах, обеспечивают заданный перекос оси снаряда.

Применение данного комплекса направленного бурения позволяет повысить надежность работ по искривлению, так как устраняются такие причины отказов из-за дезориентации снаряда, как случайное или намеренное снятие осевой нагрузки, запуск снаряда в нагруженном состоянии и др.

Наличие встроенного шарикового ориентирующего узла позволяет сократить число рейсов, необходимых для ориентирования и постановки отклонителя, а значит эффективно использовать разработанный снаряд для бурения как наклонных, так и горизонтальных и восстающих скважин.