PL202695B1 - Sposób manewrowania głowicą wiertniczą - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób manewrowania głowicą wiertniczą, który został opracowany w szczególności, choć nie wyłącznie, do sterowania kierunkowego głowicą wiertniczą do wiercenia płynem, używaną do wiercenia otworów wiertniczych, w górnictwie albo podobnych zastosowaniach wewnątrz gruntu.

Głowice wiertnicze do wiercenia płynem są używane w wielu różnych zastosowaniach związanych z wierceniem otworu wiertniczego i typowo stosuje się w nich obrotową głowicę z pewną liczbą dysz, z których wypływają strumienie pod wysokim ciśnieniem, skierowane w taki sposób, aby kruszyć i erodować czoło skalne przed głowicą wiertniczą. Tego typu głowice wiertnicze do wiercenia płynem są opisane w międzynarodowym zgłoszeniu patentowym PCT/AU96/00783.

Trudnością związaną z tego typu głowicami wiertniczymi do wiercenia płynem jest sterowanie kierunkiem głowicy. W większości zastosowań jest wysoce pożądane uzyskanie dokładności kierunkowej podczas wykonywania otworu wiertniczego, zwłaszcza w sytuacjach takich jak odprowadzanie metanu z pokładów węgla podczas przygotowywania wydobycia. W takich sytuacjach krytyczne znaczenie ma uzyskanie równomiernego układu otworów odprowadzających oraz zapewnienie na tyle dokładnego rozmieszczenia otworów, aby przechodziły przez miejsca proponowanej lokalizacji chodników przewozowych w operacji wydobycia.

W przeszłości trudność sprawiało dokładne sterowanie albo manewrowanie tego typu głowicą wiertniczą do wiercenia płynem, która jest zasilana poprzez elastyczny wąż, zwykle albo z miejsca wiercenia na powierzchni za pośrednictwem konfiguracji wiertniczej o małym promieniu, bądź też z lokalizacji podziemnej poprzez pola wybierania, do rozbudowy kopalni i do wierceń poszukiwawczych.

Z międzynarodowej publikacji patentowej nr WO97/21900 znane jest urządzenie służące do sterowania albo manewrowania głowicą wiertniczą do wiercenia płynem dzięki obracaniu elastycznego węża. Okazało się jednak, że dostarczenie niezawodnych środków do obracania elastycznego węża w celu uzyskania zdolności manewrowej jest trudne.

Zgodny z wynalazkiem sposób manewrowania głowicą wiertniczą do wiercenia płynem, należącą do głowic typu zasilanych płynem pod wysokim ciśnieniem za pomocą elastycznego węża, zgodnie z którym wąż podaje się z obrotowego bębna, mającego związane z nim urządzenie nośne, do sąsiedniego otworu wiertniczego, przy czym oś obrotu bębna znajduje się zasadniczo pod kątami prostymi do osi otworu wiertniczego, obejmujący etap dostarczania siły odchylającej do głowicy wiertniczej, charakteryzuje się tym, że steruje się kierunkiem siły odchylającej poprzez realizowane drogą obracania bębna i związanego z nim urządzenia nośnego wokół osi otworu wiertniczego obracanie elastycznego węża wokół jego wzdłużnej osi, z wywołaniem ruchu obrotowego głowicy wiertniczej.

Korzystnie stosuje się obrotowy bęben mający zasadniczo poziomą oś obrotu, a wąż jest obracany poprzez obrót bębna i związanego z nim urządzenia nośnego wokół osi pionowej, zasadniczo współliniowej z pionowym otworem, przez który wprowadza się wąż w ziemię.

Ponadto korzystnie głowicę wiertniczą do wiercenia płynem wprowadza się z poziomu ziemi, przy czym bęben i związane z nim urządzenie nośne są umiejscowione na poziomie ziemi albo powyżej niego.

Głowicę wiertniczą do wiercenia płynem można również korzystnie wprowadzać z miejsca pod ziemią, przy czym sąsiedni otwór wiertniczy jest bardziej poziomy niż pionowy.

W korzystnej postaci wykonania wynalazku stosuje się głowicę wiertniczą o szeregu strumieni tnących wyrzucanych z obrotowej głowicy, przy czym siłę odchylającą dostarcza się poprzez częściowe przesłonięcie co najmniej jednego strumienia tnącego na ustalonym ograniczonym łuku jego obrotu.

Korzystnie to częściowe przesłonięcie dostarcza asymetryczny pierścień kalibrujący usytuowany na głowicy wiertniczej do wiercenia płynem.

Korzystnie siłę odchylającą dostarcza się za pomocą asymetrycznego układu strumieni wstecznych, napędzających głowicę wiertniczą do przodu, bądź też za pomocą stałej, przesuniętej dyszy strumieniowej w głowicy wiertniczej.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia proponowaną konfigurację podziemnych chodników przewozowych w kopalni, ukazując pożądane umiejscowienie otworów wiertniczych do odprowadzania gazów kopalnianych, w przekroju poziomym; fig. 2 przedstawia typowe urządzenie wiertnicze o małym promieniu, wykorzystujące głowicę wiertniczą do wiercenia płynem zasilaną elastycznym wężem, w schematycznym przekroju pionowym; fig. 3 przedstawia umieszczone na powierzchni obrotowe, podające wąż urządzenie wiertnicze

PL 202 695 B1 według wynalazku, w schematycznym widoku perspektywicznym; fig. 4 przedstawia urządzenie wiertnicze podobne do urządzenia przedstawionego na fig. 3, zamontowane na ciężarówce albo na przyczepie, w schematycznym widoku perspektywicznym; fig. 5 przedstawia schematycznie zapadkowy mechanizm obrotowy, używany do wywoływania obrotu węża w alternatywnej postaci wynalazku; fig. 6 przedstawia przedni koniec głowicy wiertniczej do wiercenia płynem, ukazując asymetryczny pierścień kalibrujący wykorzystywany do wytwarzania siły odchylającej głowicę wiertniczą, w widoku perspektywicznym.

Korzystna postać wynalazku zostanie opisana w odniesieniu do typowej sytuacji odprowadzania gazu z kopalni, gdzie pionowy otwór wierci się z powierzchni ziemi i stosuje się układ z klinem odchylającym w celu wykonania promieniowych otworów biegnących na zewnątrz od pionowego otworu na ustalonych głębokościach; należy jednak docenić to, że sposób według wynalazku można wykorzystać w wielu innych sytuacjach wiercenia płynem, włączając poziome wiercenie poprzez pola wybierania z lokalizacji podziemnej.

Fig. 1 przedstawia typową operację wiercenia otworów odprowadzających gaz kopalniany, gdzie z pokładów 1 węgla, w miejscu planowanych chodników przewozowych 2, przewidzianych do wykonania w ramach operacji wydobywczej, pożądane jest odprowadzanie metanu albo innych niebezpiecznych gazów. Odprowadzenie gazów kopalnianych można zrealizować w sposób bezpieczny i ekonomiczny, wiercąc pewną liczbę pionowych otworów 3 z powierzchni i używając technik wiertniczych o małym promieniu do wiercenia otworów promieniowych 4, biegnących od pionowych otworów 3. Należy zauważyć, że kontrolowanie kierunku otworów promieniowych musi być na tyle dokładne, aby przechodziły one przez każde z oddzielnych pól wybierania w chodnikach przewozowych 2.

Układ wiertniczy o małym promieniu można bardziej dokładnie zobaczyć na fig. 2, gdzie z powierzchni 5 ziemi wierci się pionowy otwór 3, a w dół pionowego otworu prowadzi się rurę 6 w celu podtrzymywania układu 7 z klinem odchylającym w wybranej wnęce 8 w żądanym miejscu, w celu wiercenia promieniowych otworów w pokładzie 9 węgla.

Głowica wiertnicza 10 do wiercenia płynem jest zasilana cieczą pod wysokim ciśnieniem (zazwyczaj wodą) poprzez elastyczny wąż 11, który przechodzi przez rurę 6, a podnoszone ramię 12 w układzie 7 z klinem odchylającym zmienia jego kierunek na poziomy.

Giętki wąż doprowadza się z powierzchni, gdzie jest zmagazynowany na obrotowym bębnie 20 zamontowanym na napowierzchniowym urządzeniu wiertniczym 13 wokół poziomej osi 14.

Napowierzchniowe urządzenie wiertnicze może także zawierać inne elementy, jak np. drugi bęben 15 dla wiązki sterującej 16 oraz prowadzące krążki linowe (niepokazane), umieszczone w celu kierowania wężem i wiązką sterującą tak, aby były ustawione współosiowo w pionowym otworze 3.

Bęben 20 z wężem jest zasilany wodą pod wysokim ciśnieniem poprzez wąż zasilający 18 z pompy wysokociśnieniowej 19.

W celu zapewnienia sterowania manewrowaniem głowicy wiertniczej 10 do wiercenia płynem, w celu kontrolowania pionowego położenia głowicy i utrzymywania jej wewnątrz pokładu węglowego 9 oraz w celu kierowania głowicy wiertniczej w żądanym kierunku, aby uzyskać układy otworów wiertniczych typu pokazanego na fig. 1, głowicę poddaje się działaniu siły odchylającej, dążącej do odchylania albo kierowania głowicy wiertniczej tak, aby podążała po torze krzywoliniowym. Następnie siłę odchylającą ukierunkowuje się, obracając głowicę wiertniczą poprzez obracanie elastycznego węża 11. Można to osiągnąć na szereg różnych sposobów, jak to będzie opisane w dalszym ciągu.

Siłę odchylającą można wytworzyć na szereg różnych sposobów, lecz stwierdzono, że korzystne jest wytworzenie tej siły poprzez zastosowanie asymetrycznego pierścienia kalibrującego, umieszczonego na głowicy wiertniczej do wiercenia płynem.

Międzynarodowe zgłoszenie patentowe PCT/AU02/01550, będące jednocześnie przedmiotem postępowania, opisuje głowicę wiertniczą do wiercenia płynem, mającą pierścień kalibrujący i opracowano bardzo prostą zmianę, polegającą na wykonaniu asymetrycznej krawędzi natarcia pierścienia kalibrującego, jak pokazano na fig. 6. W tej konfiguracji pierścień kalibrujący 29, który jest zamontowany współśrodkowo na obrotowej głowicy strumieniowej 21 do płynu, jest wykonany jako asymetryczny, bądź poprzez wykonanie krawędzi natarcia 22 pierścienia kalibrującego bardziej wysuniętej do przodu z jednej strony niż z drugiej, bądź też poprzez inne ukształtowanie krawędzi natarcia pierścienia kalibrującego na inne asymetryczne sposoby. W ten sposób płyn wypływający ze skierowanej w bok dyszy strumieniowej 23 może być częściowo blokowany albo odchylany przez krawędź natarcia pierścienia kalibrującego w jednym punkcie obrotu głowicy strumieniowej 21 tak, aby wytworzyć nie4

PL 202 695 B1 równą albo odchylającą siłę poprzeczną, dążącą do wprowadzenia głowicy wiertniczej do wiercenia płynem na trajektorię zakrzywioną.

Alternatywne sposoby wytwarzania siły odchylającej działającej na głowicę wiertniczą można zrealizować odchylając siłę strumieni wstecznych wykorzystywanych do poruszania głowicy do przodu, jak opisano w międzynarodowym zgłoszeniu patentowym PCT/AU96/00783, bądź to poprzez stworzenie jednego strumienia większego niż inne, bądź też poprzez częściowe odchylenie jednego ze strumieni wstecznych pod większym kątem względem osi głowicy wiertniczej niż inne strumienie.

Alternatywnie, w głowicy wiertniczej można zainstalować stałą, przesuniętą dyszę strumieniową.

Korzystny sposób obracania elastycznego węża 11, i tym samym głowicy wiertniczej 10, w celu ukierunkowania siły odchylającej w żądanym kierunku uzyskuje się obracając całe napowierzchniowe urządzenie wiertnicze 13 wokół pionowej osi elastycznego węża 11, przy czym wąż biegnie w dół w pionowym otworze 3. Konfigurację tę przedstawiono schematycznie na fig. 3, gdzie napowierzchniowe urządzenie wiertnicze 13 obraca się w płaszczyźnie poziomej wokół osi stołu obrotowego 24, przy czym na stole obrotowym urządzenie wiertnicze podtrzymują zwykle krążki 25, a zewnętrzny koniec urządzenia wiertniczego podtrzymują ustawione obwodowo kółka 26. W ten sposób całe napowierzchniowe urządzenie wiertnicze można obracać w celu wywołania obrotu elastycznego węża 11.

Jak pokazano na fig. 4, całe urządzenie wiertnicze można zamontować na platformie 27 ciężarówki albo naczepy tak, że urządzeniem wiertniczym można obracać, tak samo wokół pionowej części elastycznego węża 11, umożliwiając ruch obrotowy całego węża podczas wprowadzania go w dół przez platformę ciężarówki.

Dowolny ruch obrotowy urządzenia wiertniczego 13 jako stołu obrotowego przekształca się na odpowiedni ruch obrotowy węża wokół jego osi wzdłużnej, a tym samym można go wykorzystać do ustawiania odchylenia wiertła na dowolną żądaną wartość skręcenia. Konieczne układy, jakie należy podłączyć do układu stołu obrotowego albo elastycznego węża obejmują wodę pod wysokim ciśnieniem, zasilanie elektryczne oraz przewody sygnałowe przyrządów. Wysokociśnieniowe złącze obrotowe doprowadzające wodę można umieścić nad ramą prowadzącą wzdłuż osi obrotu stołu. Prymitywnym, lecz skutecznym sposobem podłączenia przewodów zasilających i sygnałowych jest nawijanie tych przewodów z bębna zasilającego zamontowanego na platformie 27 naczepy bezpośrednio na bęben zamontowany na stole obrotowym. Należy zapewnić długość przewodu wystarczającą np. na 100 obrotów stołu obrotowego, co uważa się za liczbę mało prawdopodobną do osiągnięcia podczas kontrolowanego wiercenia promieniowego albo poprzecznego. Po zakończeniu wiercenia poprzecznego przewody nawija się z powrotem na bębny zasilające, przygotowując je do wiercenia innego otworu poprzecznego.

Ten sposób obracania węża z powierzchni ma tę zaletę, że wszystkie części składowe układu są usytuowane na powierzchni i poza otworem wiertniczym. Jest to zaletą dlatego, że prawidłowe działanie poszczególnych części składowych można kontrolować wizualnie, jak również ułatwia to operacje związane z konserwacją i niezawodnością. Układ jest zdolny do uzyskania doskonałej kontroli nad orientacją odchylenia wiercenia i może obracać narzędzie w obydwu kierunkach.

W alternatywnych sposobach obracania elastycznego węża 11 można zastosować różnorodne postacie napędzanych lub nienapędzanych mechanizmów obrotowych zamontowanych w wężu.

Przykładowo, do węża można wprowadzić wewnętrzny napędzany mechanizm obrotowy, zwykle umieszczając go w pionowym otworze wiertniczym podczas operacji wiercenia. Mechanizm obrotowy można uruchomić z powierzchni w celu wykonania obrotu o żądaną wielkość (tylko w jednym kierunku i skokowo, co pewną liczbę stopni). Do mechanizmu obrotowego są podłączone oddzielne przewody zasilające (hydrauliczne albo elektryczne), tak aby umożliwić jego działanie, i jako takie wymagają opuszczania w głąb otworu wiertniczego podczas operacji wiercenia. Typowy mechanizm obrotowy 28 przedstawiono szkicowo na fig. 5.

W jeszcze kolejnym sposobie obracania węża, bezpośrednio za głowicą wiertniczą 10 albo w połączeniu w wężu w pewnym miejscu wewnątrz pionowego otworu 3 można zamontować nienapędzany obrotowy mechanizm zapadkowy. Technika ta, stanowiąc prosty, choć prymitywny środek manewrujący, opiera się na zjawisku polegającym na tym, że wąż pod wysokim ciśnieniem ulega pewnemu skręceniu wskutek albo zmian ciśnienia wewnątrz węża, albo wskutek zmian naprężenia węża.

Zmiany ciśnienia i/lub naprężeń w wężu powodują ruch obrotowy węża względem bębna 20 na wąż. Ruch obrotowy jest znoszony przez mechanizm zapadkowy w mechanizmie obrotowym, co oznacza, że siła powodująca działanie zapadki musi być mniejsza niż opór przy obrocie działający na narzędzie wiertnicze albo połączenie narzędzia i węża ze strony otworu wiertniczego i toru węża

PL 202 695 B1 w układzie z klinem odchylającym. Po ponownym doprowadzeniu ciśnienia/naprężenia wąż będzie obracać się w przeciwnym kierunku.

Zapadka w mechanizmie obrotowym uniemożliwia powrotny ruch obrotowy węża do pierwotnego położenia względem narzędzia wiertniczego, a w efekcie narzędzie wiertnicze musi skręcić.

Technika ta opiera się na możliwości wywołania kontrolowanego względnego ruchu obrotowego mechanizmu obrotowego węża wraz ze zmianą ciśnienia wody albo naprężenia węża. Czynnikiem komplikującym jest wpływ ciśnienia w wężu na długość węża, a tym samym na naprężenie węża.

Mimo iż napędzany mechanizm obrotowy albo nienapędzany zapadkowy mechanizm obrotowy można zamontować blisko głowicy wiertniczej albo nawet w samej głowicy wiertniczej, korzystne jest, aby były one usytuowane bliżej bębna podającego, tak aby elastyczny wąż był obracany z miejsca oddalonego od głowicy wiertniczej.

Mimo iż wynalazek opisano jak dotąd do stosowania tam, gdzie pionowy otwór wierci się od powierzchni ziemi, a układ z klinem odchylającym służy do wykonywania promieniowych otworów, biegnących na zewnątrz od pionowego otworu, wynalazek może być w równej mierze stosowany w innych sytuacjach wiercenia pł ynem, jak np. przy poziomym wierceniu w poprzek pól wybierania z miejsca pod ziemią. Operację tę stosuje się z podziemnego chodnika przewozowego do wiercenia otworów wiertniczych w przyległych pokładach w celu uwolnienia niebezpiecznych gazów, zanim rozpocznie się operacja wydobycia, bądź w celu zbierania z pokładów węgla wartościowych gazów, jak np. metanu, w celu wytwarzania energii.

Sytuacja wiercenia w poprzek pól wybierania jest podobna do opisanej wyżej za wyjątkiem tego, że wąż podaje się z bębna zamontowanego z osią obrotu podpartą na łożu, które z kolei jest obrotowe w odpowiedniej ramie nośnej wokół osi, zwykle zasadniczo poziomej, współliniowej z sąsiednim otworem, do którego jest wprowadzany wąż. Mimo iż w niniejszym kontekście używany jest termin „poziomy, należy docenić, że otwór wiertniczy może być nachylony, lecz zwykle jest bardziej poziomy niż pionowy.

Działając na głowicę wiertniczą 10 do wiercenia płynem siłą odchylającą, a następnie sterując kierunkiem działania siły poprzez obracanie elastycznego węża 11, korzystnie obracając całe napowierzchniowe urządzenie wiertnicze w sposób pokazany na fig. 3 i 4, uzyskuje się dokładne sterowanie kierunkowe narzędzia wiertniczego. Jeżeli jest pożądane prowadzenie narzędzia po linii „prostej, wąż można obracać bez przerwy, co daje płytki, wydłużony tor spiralny głowicy wiertniczej, który stanowi przybliżenie linii prostej.

Jeżeli jest pożądany skręt w określonym kierunku, głowicę wiertniczą obraca się w taki sposób, że siła odchylająca wymusza ruch głowicy wiertniczej w żądanym kierunku i utrzymuje się ją w tym ułożeniu aż do zakończenia skrętu.

Claims (10)

1. Sposób manewrowania głowicą wiertniczą do wiercenia płynem, należącą do głowic typu zasilanych płynem pod wysokim ciśnieniem za pomocą elastycznego węża, zgodnie z którym wąż podaje się z obrotowego bębna, mającego związane z nim urządzenie nośne, do sąsiedniego otworu wiertniczego, przy czym oś obrotu bębna znajduje się zasadniczo pod kątami prostymi do osi otworu wiertniczego, obejmujący etap dostarczania siły odchylającej do głowicy wiertniczej, znamienny tym, że steruje się kierunkiem siły odchylającej poprzez realizowane drogą obracania bębna i związanego z nim urządzenia nośnego wokół osi otworu wiertniczego obracanie elastycznego węża wokół jego wzdłużnej osi, z wywołaniem ruchu obrotowego głowicy wiertniczej.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się obrotowy bęben mający zasadniczo poziomą oś obrotu, a wąż jest obracany poprzez obrót bębna i związanego z nim urządzenia nośnego wokół osi pionowej, zasadniczo współliniowej z pionowym otworem, przez który wprowadza się wąż w ziemię.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że głowicę wiertniczą do wiercenia płynem wprowadza się z poziomu ziemi, przy czym bęben i związane z nim urządzenie nośne są umiejscowione na poziomie ziemi albo powyżej niego.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że głowicę wiertniczą do wiercenia płynem wprowadza się z miejsca pod ziemią, przy czym sąsiedni otwór wiertniczy jest bardziej poziomy niż pionowy.

PL 202 695 B1

5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że stosuje się głowicę wiertniczą o szeregu strumieni tnących wyrzucanych z obrotowej głowicy, przy czym siłę odchylającą dostarcza się poprzez częściowe przesłonięcie co najmniej jednego strumienia tnącego na ustalonym ograniczonym łuku jego obrotu.

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że częściowe przesłonięcie dostarcza asymetryczny pierścień kalibrujący usytuowany na głowicy wiertniczej do wiercenia płynem.

7. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 6, znamienny tym, że siłę odchylającą dostarcza się za pomocą asymetrycznego układu strumieni wstecznych, napędzających głowicę wiertniczą do przodu.

8. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że siłę odchylającą dostarcza się za pomocą asymetrycznego układu strumieni wstecznych, napędzających głowicę wiertniczą do przodu.

9. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 6, znamienny tym, że siłę odchylającą dostarcza się za pomocą stałej, przesuniętej dyszy strumieniowej w głowicy wiertniczej.

10. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że siłę odchylającą dostarcza się za pomocą stałej, przesuniętej dyszy strumieniowej w głowicy wiertniczej.