Буровая установка для прокладки трубопроводов в обводненных грунтах

Буровая установка для прокладки трубопроводов в обводненных грунтах относится к области горного дела и строительства и может быть использована для прокладки защитных колонн, в которых укладываются трубопроводы различного назначения, сооружаемые в неустойчивых обводненных грунтах. Реализация назначения буровой установки для прокладки трубопроводов диаметром больше 168 мм в обводненных грунтах, сохранение заданного направления бурения, снижение нагрузок на защитной колонне и увеличение глубины бурения достигнуты благодаря включению в состав установки инвентарной ведущей трубы, размещенной в шпинделе вращателя защитной колонны в фазе его расположения на задней площадке подвижной рамы бурового агрегата с возможностью осуществления посекционного наращивания заданного типоразмера защитной колонны, и снабженной с одной стороны переходником соответствующего типоразмера, а с другой - сальником вертлюгом, пакера с обратным клапаном, установленным в защитной колонне перед породоразрушающим инструментом с возможностью исключения оттока промывочной жидкости из затрубного пространства через внутреннюю полость защитной колонны, а на устье скважины - герметизатора кольцевого пространства, образованного стенкой скважины и внешней поверхностью защитной колонны, при этом кольцевая полость этого герметизатора оснащена подпитывающей гидравлической линией и отводящей гидравлической линией с гидравлическим затвором, верхняя точка которого не менее, чем на 3-5 метров водяного столба выше статистического уровня пластовых вод, в котором ведется бурение скважины, и вторым скользящим пакером с обратным клапаном, установленным с возможностью сохранения жидкости во внутренней полости защитной колонны во время наращивания очередной секции защитной колонны, и перемещения натяжным тросиком после наращивания каждой новой секции.

Полезная модель относиться к области горного дела и строительства и может быть использована для прокладки защитных колонн, в которых укладываются трубопроводы различного назначения: водопроводы, кабели, канализации, газопроводы, водосбросные скважины для отвода дренажных вод при осушении строительных площадок, карьеров, шахтных и рудных полей, сооружаемых в неустойчивых обводненных грунтах, в том числе и в песках.

Из предшествующего технического уровня известна установка шнекового бурения [«Справочник бестраншейной технологии в России». Москва. 2006 г. стр.18-34]. Установка состоит из силового агрегата, обеспечивающего как усилие подачи, зада вливающего стальной футляр, так и вращение шнекового става, оснащенного буровой головкой. Диаметр шнека определяется диаметром стального футляра, длина секций шнека зависит от марки установки. В установках американских производителей она составляет 3 метра, усилие задавливания в зависимости от диаметра защитного футляра и состава грунта изменяются от 14 тс до 590 тс. К недостаткам установки можно отнести ограничение по области применения, вызванные тем, что при бурение горизонтальных скважин в обводненных рыхлых грунтах шнеком забой скважины остается открытым и фильтрационный поток, воздействуя на грунт, разрушает его структуру, вследствие чего происходит не только оплывание забоя, но и выбросы грунта во внутрь защитного футляра. В следствие разрушения естественной структуры грунта, происходит разрушение стенок скважины, что вызывает обжатие защитного футляра. В связи с отсутствием в установке устройств, нейтрализующих фильтрационные силы, шнек работает с коэффициентом заполнения, превышающим во много раз нормальный, обусловленный бурением. При коэффициенте заполнения свыше К>0,4 нагрузки на шнек сильно возрастают до критических. Кроме того, при выносе породы в объеме, превышающем объем скважины в 2 и более раз, над скважиной может произойти оседание грунта, что недопустимо.

Известно также устройство для прокладки стальных трубопроводов с помощью пневмопробойников [«Справочник бестраншейной технологии в России». Москва. 2006. с.35-40]. Пневмопробойник устанавливают на направляющие в заданной точке котлована, или выработки, проходят выемку (неглубокую скважину, азимутальный и зенитный углы которой соответствуют трассе прокладываемого трубопровода) и далее, в зависимости от принятой технологии, либо проходят сначала лидерную скважину с последующей установкой в ней защитного футляра, либо устанавливают его сзади пневмопробойника и трубопровод протягивается по мере углубки скважины. Возможен вариант забивки сразу трубопровода. В этом случае на секцию трубы устанавливают конусную головку, диаметр которой не превышает диаметра забиваемой трубы, а на торец устанавливают специальный переходник с внутренней конусной поверхностью, отвечающий рабочей конусной поверхности пневмопробойника. Внедрение пневмопробойника или трубы в грунт происходит под действием удара, который наносит специальный ударник, движущийся внутри корпуса по наковальне, размещенной в головной части пневмопробойника. Устройство обеспечивает высокую производительность укладки трубопровода, экологически чисто. Основными недостатками являются: невозможности проходки скважин в грунтах, имеющих включения в виде гальки, валунов, техногенных захоронений, вызывающих сильное отклонение скважины. Кроме того, устройства позволяют проходить скважины только в сжимаемых грунтах (суглинки, глины и другие отложения с идентичными свойствами).

Известно устройство для прокладки трубопроводов в горизонтальных скважинах, сооружаемых установками горизонтального направления бурения (ГН Б) «Справочник бестраншейной технологии в России». Москва. 2006. с.53-68]. Установка позволяет сооружать горизонтальные скважины большой протяженности в широком диапазоне гидрогеологических условий, в том числе и в обводненных грунтах. Удержание стенок скважины от обрушения осуществляется глинистым раствором, создающим в скважине давление, превышающее пластовое давление грунтовых вод. Это условие достигается благодаря тому, что установка позволяет бурить скважину по криволинейной траектории и имеет три участка. Первый участок начинается с поверхности земли и имеет наклон под углом вниз 12-30 град, к горизонту, второй - прямолинейный, а третий бурят под углом 12-30 вверх с выходом породоразрушающего инструмента на поверхность. В условиях, когда отметка устья скважины и отметка выхода ее из забоя на поверхность превышает отметку напора грунтовых вод, всегда создается избыточное давление промывочной жидкости на пласт, обеспечивая устойчивость стенок скважины. В такой скважине рабочим участком скважины является второй, а первый и третий - технологическими. Их длина зависит от первоначальных углов забуривания, проектной глубины заложения трубопровода.

Основным недостатком устройства является невозможность применения его в условиях плотной городской застройки из-за отсутствия площадок для первого и третьего участков криволинейной траектории скважины, где размещается оборудование, собирается плеть затаскиваемого трубопровода, наличие в литологическом разрезе твердых включений, вызывающих неуправляемое отклонение от оси скважины от проектной траектории.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков и выбранной в качестве прототипа является установка горизонтального бурения [Л.Д. Чучелин, B.C. Кузькин, Ф.С. Малацковский и др. Временные методические рекомендации по технологии сооружения лучевых дренажных скважин буровой установкой УЛБ-130. Белгород, ВИОГЕМ. 1981 г. С 19].

Установка содержит маслостанцию, пульт управления и буровой агрегат. Буровой агрегат содержит неподвижную раму с направляющими. По этим направляющим гидроцилиндром подачи перемещается подвижная рама, на которой размещен вращатель бурильной и вращатель защитной колонн, каждый из которых оснащен индивидуальным гидроприводом. Вращатель защитной колонны выполнен с проходным шпинделем под свободный проход защитной колонны диаметром 168 мм. Для передачи вращения защитной колонне шпиндель снабжен гидравлическим патроном. Для свинчивания-равинчивания секций защитной колонны при ее наращивании и извлечении на неподвижной раме установлен гидроключ, который совместно с гидропатроном обеспечивает выполнение операций по сборке-разборке защитной колонны.

Установка также снабжена бурильной и защитной колоннами, специальным породоразрушающим инструментом, позволяющим перекрывать торец защитной колонны как при бурении, так и при посадке фильтров.

Вынос разрушенной породы осуществляется водой, подаваемой буровым насосом по бурильным трубам к забою скважины и свободному истечению обогащенной шламом жидкости по кольцевому пространству, образованному внутренней поверхностью защитной и внешней поверхностью бурильной колонн.

Устройств для поддержания стенок скважины от обрушения установка не имеет.

Силы трения, вызванные горным давлением и действующие на защитную колонну, преодолеваются силовым способом за счет мощного крутящего момента и высоких осевых усилий, которые заложены в технической характеристике установки.

Установку преимущественно используют при осушении городских территорий, промышленных площадок, строительном водопонижении методом лучевого дренажа, включающих в себя шахтных ствол диаметром 4,0 метров в свету системой горизонтальных дренажных скважин. Очень часто для решения задач строительного или эксплуатационного водопонижения сооружается от 3-х до 10 лучевых дренажных скважин. Дебит поступающих в шахтные стволы вод зависит от ряда факторов: напора, коэффициента фильтрации водоносного горизонта, длины и количества скважин. Устройство в каждом шахтном стволе насосной станции с отводным трубопроводом требует больших материальных и эксплуатационных затрат. С целью их сокращения только один ствол преобразуют в насосную станцию, а из каждого из шахтного ствола в этот ствол бурят сбросные скважины. При значительных притоках дренажных вод в шахтный ствол, их отвод в режиме самотечного трубопровода требует укладки водоводов больших диаметров, чем позволяют технические возможности УЛБ-130. Анализ проектных решений показывает, что в качестве самотечных трубопроводов, как правило закладываются полиэтиленовые трубы диаметром 160 мм и выше. Реализация такого решения на настоящее время сдерживается отсутствием бурового оборудования для сооружения скважин с установкой в них защитной колонны диаметром более 168 мм.

Ограниченный диаметр бурения установки по прототипу, определяемый максимальным диаметром защитной колонны равной 168 мм, не позволяет сооружать скважины с укладкой трубопровода свыше 125 мм

Задачей полезной модели является расширение арсенала технических средств путем создания буровой установки для прокладки трубопроводов диаметром больше 168 мм в скважине с защитной колонной в сложных гидрогеологических условиях, в том числе в обводненных песчаных отложениях.

Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании заявляемой полезной модели, являются:

- реализация с положительным результатом назначения буровой установки для прокладки трубопроводов диаметром больше 168 мм в обводненных грунтах, в том числе песчаных;

- сохранение заданного направления бурения;

- снижение нагрузок на защитной колонне;

- увеличение глубины бурения.

Решение указанной задачи и достижение ожидаемых технических результатов стало возможно благодаря тому, что буровая установка для прокладки трубопроводов в обводненных грунтах, включающая маслостанцию, пульт управления, буровой агрегат, состоящий из неподвижной рамы, по которой гидроцилиндром по направляющим перемещается подвижная рама, на которой размещены вращатели бурильной и защитной колонн со шпинлелями, бурильная и защитная колонны с породоразрушающим инструментом, выполненным с возможностью регулировки кольцевого сечения между бурильной и защитной колоннами, перекрытия торца защитной колонны на период оборудования ее фильтрами и буровой насос, дополнительно снабжена инвентарной ведущей трубой, размещенной в шпинделе вращателя защитной колонны в фазе его расположения на задней площадке подвижной рамы бурового агрегата с возможностью осуществления посекционного наращивания заданного типоразмера защитной колонны, и снабженной с одной стороны переходником соответствующего типоразмера, а с другой - сальником-вертлюгом, кроме того установка дополнительно снабжена пакером с обратным клапаном, установленным в защитной колонне перед породоразрушающим инструментом с возможностью исключения оттока промывочной жидкости из затрубного пространства через внутреннюю полость защитной колонны, а на устье скважины установлен герметизатор кольцевого пространства, образованного стенкой скважины и внешней поверхностью защитной колонны, при этом кольцевая полость этого герметизатора оснащена подпитывающей гидравлической линией и отводящей гидравлической линией с гидравлическим затвором, верхняя точка которого не менее, чем на 3-5 метров водяного столба выше статистического уровня пластовых вод, в котором ведется бурение скважины, и вторым скользящим пакером с обратным клапаном, установленным с возможностью сохранения жидкости во внутренней полости защитной колонны во время наращивания очередной секции защитной колонны, и возможностью перемещения натяжным тросиком после наращивания каждой новой секции.

Заявляемую буровую установку иллюстрируют следующие фигуры: Фиг.1. Показана буровая установка: маслостанция, пульт управления, буровой насос, неподвижная рама, подвижная рама, вращатель защитной колонны, ведущая труба, секции защитной колонны заданного типоразмера, породоразрушающий инструмент, пакер с обратным клапаном, скользящий пакер с обратным клапаном, герметизатор.

Фиг.2. Показан герметизатор устья скважины с гидравлическими линиями для восполнения возможных потерь раствора при бурении и для отвода промывочной жидкости с буровым шламом: подводящая линия с резервной емкостью и запорной аппаратурой, отводящая линия с патрубком, запорной аппаратурой, накопительной емкостью.

Заявляемая буровая установка включает буровой насос 1 (фиг.1), маслостанцию 2, пульт управления 3, раму 4 с направляющими 5, по которым гидроцилиндром 6 перемещается подвижная рама 7, на заднюю площадку 8 которой вместо вращателя бурильной колонны (на фиг. не показан) с передней площадки 9 подвижной рамы перемещен вращатель 10 защитной колонны (на фиг. не показана), патрон 11, который осуществляет захват и передачу крутящего момента и осевого усилия ведущей трубе 12, на заднем конце которой установлен сальник-вертлюг 13, а на переднем - переходник 14 для соединения с секцией 15 защитной колонны, с помощью которого осуществляется бурение скважины. На торце секции 15 защитной колонны перед породоразрушающим инструментом 16 установлен пакер 17 с обратным клапаном 18 с помощью которых исключается возможность перетекания жидкости с забоя скважины и из-за затрубного пространства во внутрь защитной колонны. Для сохранения внутри защитной колонны, составленной из секций 15 промывочной жидкости при отсоединениях ведущей трубы 12 от последней секции 15 при наращиваниях защитной колонны в ней устанавливается дополнительный скользящий пакер 19 с обратным клапаном 20, тросиком 21 и кольцом 22 с помощью которых пакер 19 из последней секции 15 защитной колонны перемещается к устью нарощенной секции.

Для исключения свободного выхода промывочной жидкости, находящейся в затрубном пространстве и управления давлением в ней на входе защитной колонны в крепь шахтного ствола 23 установлен герметизатор 24.

К корпусу 25 (фиг.2) герметизатора 24 подведены две гидравлические линии. Подводящая линия 26 с запорной арматурой 27 и резервной емкостью 28 с раствором служит для пополнения жидкости в затрубном пространстве при бурении и технологических утечках. Патрубок 29 и запорная арматуру 30 включены в состав отводящей линии 31, служащей для отвода промывочной жидкости, обогащенной буровым шламом, в накопительную емкостью 32 для бурового шлама и раствора. Отводящая линия 31 выполнена с устройством гидрозатвора (на фиг. не показан), верхняя точка которого превышает высотную отметку гидростатического столба пластовых вод не менее чем на 3-5 м водяного столба.

Для удержания секций 15 защитной колонны при наращиваниях используют гидрозахват 33.

Творческим шагом является обеспечение условий по сооружению горизонтальных или слабонаклонных скважин для прокладки трубопроводов диаметром больше 168 мм в обводненных, в том числе не связных грунтах, за счет введения в установку пакера с обратным клапаном, исключающим отток промывочной жидкости из-за затрубного пространства, герметизатора защитной колонны с подводящей линией с резервной емкостью, расположенной на 3-5 м выше уровня грунтовых вод и отводящей линией с гидравлическим затвором, исключающим снижение давления жидкости в затрубном пространстве ниже пластового что позволило вести сооружение скважины при выполнении полного комплекса технологических операций, включая наращивание, с давлением промывочной жидкости, превышающим пластовое, благодаря чему обеспечивается устойчивость стенок скважины от обрушения., создаются необходимые предпосылки для снижения нагрузок на защитную колонну и увеличения глубины бурения, для исключения оттока промывочной жидкости из внутренней полости защитной колонны на ее устье установлен скользящий пакер с обратным клапаном, обеспечивая тем самым снижение затрат времени на восстановление циркуляции промывочной жидкости.

Перемещение вращателя защитной колонны на заднюю площадку подвижной рамы и использование его в качестве привода ведущей трубы с сальником-вертлюгом и переходником на защитную колонну заданного типоразмера позволяет использовать основные преимущества вращателя: высокий крутящий момент, проходной шпиндель, патрон для захвата ведущей трубы, передача вращения и механизации процессов свинчивания-развинчивания ведущей трубы при наращиваниях секции защитной колонны, что позволяет расширить технические возможности установки, увеличив диаметр сооружаемых скважин, снизить нагрузки на защитной колонне за счет удержания стенок скважины от обрушения и увеличить глубину бурения. Дополнительный технический результат заявляемой полезной модели заключается еще и в том, что увеличение диаметра защитной колонны приводит к увеличение ее жесткости, что обеспечивает сохранение заданного направления бурения.

Заявляемая полезная модель работает следующим образом.

Сначала в шахтном стволе 23 устанавливают корпус 25 герметизатора 24, осуществляют монтаж подводящей линии 26 с запорной 27 арматурой и резервной емкостью 28, потом монтируют отводящую линию 31 с патрубком 29, запорной арматурой 30 и накопительной емкостью 32 (фиг.2).

Для сооружения скважин с использованием защитной колонны диаметром больше 168 мм (фиг.1) с задней площадки подвижной рамы 7 снимают вращатель бурильной колонны (на фиг не показан), а с передней площадки 9 снимают вращатель 10 защитной колонны (на фиг не показана), и закрепляют на задней площадке 8 рамы 7. Запустив буровую установку в работу, подвижную раму 7 перемещают в крайнее заднее положение, освободив пространство между вращателем 10 и гидрозахватом 33 защитной колонны 15 для наращивания и снаряжения установки для бурения. Для этого первую секцию 15 защитной колонны (на фиг. не показана) с породоразрушающим инструментом 16 (долотом), пакером 17 с обратным клапаном 18 вводят в корпус 25 герметизатора 24, а защитную колонну зажимают гидрозахватом 33, после чего наращивают ее рабочую секцию 15, в торце устанавливают дополнительно скользящий пакер 19 с обратным клапаном 20, тросиком 21 и кольцом 22. К собранной компоновке подводят ведущую трубу 12 с переходником 14 к торцу секции 15. Зажав патроном 11 ведущую трубу 12, производят их соединения. Установив на торец ведущей трубы 12 сальник-вертлюг 13, включают буровой насос 1, заполняют подводящую линию раствором, добиваются циркуляции промывочной жидкости по затрубному пространству, настраивают буровой насос 1 на заданную производительность и приступают к бурению. После проходки скважины на длину секции 15 буровой насос 1 выключают, ведущую трубу 12 отсоединяют от секции 15, подвижную раму 7 гидроцилиндром 6 перемещают в крайнее заднее положение, после чего производят наращивания очередной секции 15 защитной колонны. При этом, скользящий пакер 19 с помощью тросика 21 и кольца 22 перемещается к устью наращиваемой секции 15. После этого ведущую трубу 12 соединяют с секцией 15, включают циркуляцию промывочной жидкости и возобновляют цикл бурения. Так цикл за циклом скважину проходят до шахтного ствола 23 или смотрового колодца, откуда оказывается помощь для проходки крепи породоразрушающему инструменту 16 (долоту). В точке его выхода кольцевое пространство, образованное стенкой скважины и внешней поверхностью защитной колонны, герметизируют.

Породоразрушающий инструментом 16(долото) долото и пакер 17 с обратным клапаном 18 отсоединяют. В стволе, из которого велось бурение скважины, от секции 15 защитной колонны отсоединяют ведущую трубу 12, извлекают скользящий пакер 19 с обратным клапаном 20, с подвижной рамы 7 снимают вращатель 10 и в защитной колонне монтируют трубопровод с заданным функциональным назначением.

Практическая применимость заявляемой полезной модели показана на следующем примере исполнения.

Пример.

Горизонтальные скважины для укладки водосбросного трубопроводов между насосной станцией, шахтным колодцем 1, шахтным колодцем 2 и колодцем-гасителем на одном из объектов Московского метрополитена сооружались в обводненных песках. Диаметр напорного трубопоровода - 160 мм, материал труб-полиэтилен, диаметр защитной колонны, в который укладываются полиэтиленовые трубы - 219 мм.

Для бурения под данное техническое задание были разработаны: герметизатор колонны с подводящей и отводящей линиями, защитная колонна диаметром 219, гидрозахват, породоразрушающий инструмент, пакеры, ведущая труба с сальником-вертлюгом. Бурение проведено в штатном режиме. Для перемещения дополнительного пакера сальник-вертлюг после проходки каждой секции снимали, производили соединение наращиваемой секции защитной колонны, после чего трос устьевого пакера с помощью ручной лебедки, закрепленной к закладной детали блока шахтного колодца перемещали к устью нарощенной секции. Отсоединив тросик от лебедки и оставив его в ведущей трубе, устанавливают сальник-вертлюг на место и возобновляют бурение. При достижении коронки крепи ствола, в который входила водосбросная скважина в месте выхода долота крепь ствола разрушали изнутри путем бурения скважин малого диаметра по контуру долота с установкой кондуктора. Из-за высокой жесткости колонны отклонение оси скважины от проектной составило не более 0,3 м. Всего с применением заявляемой полезной модели пробурено 3 скважины длиной 42, 30, 26.м.

С применением данной установки можно сооружать скважины с установкой защитной колонны диаметром до 426 мм.

Как видно из приведенного примера, удалось, благодаря совокупности существенных признаков заявляемой полезной модели, пополнить арсенал технических средств буровой установкой для прокладки трубопроводов диаметром больше 168 мм в скважине с защитной колонной в сложных гидрогеологических условиях, в том числе в обводненных песчаных отложениях. При этом снижаются нагрузки на защитную колонну благодаря сохранению устойчивости стенок скважины и увеличивается глубина бурения. Кроме того что увеличение диаметра защитной колонны приводит к увеличение ее жесткости, что обеспечивает сохранение заданного направления бурения.

Буровая установка для прокладки трубопроводов в обводненных грунтах, включающая маслостанцию, пульт управления, буровой агрегат, состоящий из неподвижной рамы, по которой гидроцилиндром по направляющим перемещается подвижная рама, на которой размещены вращатели бурильной и защитной колонн со шпинделями, бурильная и защитная колонны с породоразрушающим инструментом, выполненным с возможностью регулировки кольцевого сечения между бурильной и защитной колоннами, перекрытия торца защитной колонны на период оборудования ее фильтрами и буровой насос, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена инвентарной ведущей трубой, размещенной в шпинделе вращателя защитной колонны в фазе его расположения на задней площадке подвижной рамы бурового агрегата с возможностью осуществления посекционного наращивания заданного типоразмера защитной колонны и снабженной с одной стороны переходником соответствующего типоразмера, а с другой - сальником-вертлюгом, кроме того, установка дополнительно снабжена пакером с обратным клапаном, установленным в защитной колонне перед породоразрушающим инструментом с возможностью исключения оттока промывочной жидкости из затрубного пространства через внутреннюю полость защитной колонны, а на устье скважины установлен герметизатор кольцевого пространства, образованного стенкой скважины и внешней поверхностью защитной колонны, при этом кольцевая полость этого герметизатора оснащена подпитывающей гидравлической линией и отводящей гидравлической линией с гидравлическим затвором, верхняя точка которого не менее чем на 3-5 м водяного столба выше статистического уровня пластовых вод, в котором ведется бурение скважины, и вторым скользящим пакером с обратным клапаном, установленным с возможностью сохранения жидкости во внутренней полости защитной колонны во время наращивания очередной секции защитной колонны и перемещения натяжным тросиком после наращивания каждой новой секции.