RU2163963C2

RU2163963C2 - Способ управления бурильной установкой и бурильная установка

Info

Publication number: RU2163963C2
Application number: RU98118099/03A
Authority: RU
Inventors: Рэнди Р. Ринквист; Джеймс Р. Ранкин; Марк Ванхувелинген
Original assignee: Вермеер Мануфакчуринг Компани
Priority date: 1996-03-04
Filing date: 1996-08-06
Publication date: 2001-03-10
Also published as: BR9612567A; EP0885343A1; JP2000505165A; US5778991A; CN1214101A; DE69611846D1; EP0885343B1; WO1997033065A1; CA2248024A1; ATE199273T1; DE69611846T2; CN1080361C; AU6844096A

Abstract

Способ управления бурильной установкой и бурильная установка относятся к горному делу, а конкретно к бурению с возможностью изменения направления. Для управления установкой используют способ, обеспечивающий отклонение бурильного наконечника от прямой линии в заданном направлении, расположенном под некоторым углом к прямой линии. Такое отклонение достигается за счет поджатия бурильного наконечника осевой силой, когда режущий элемент бурильного наконечника находится на дуге резания, через которую проходит луч заданного направления отклонения бурильного наконечника. Когда режущий элемент находится вне дуги резания, бурильный наконечник отводится назад. Изобретение позволяет повысить точность управления направлением проводимой скважины. 2 с. и 22 з.п.ф-лы, 10 ил.

Description

Данное изобретение относится к устройствам и способам бурения подземных скважин. В частности, объектом изобретения является способ бурения подземных скважин, предусматривающий возможность изменения направления продвижения бурильного элемента.

Уровень техники характеризуется множеством примеров устройств для бурения с возможностью изменения направления. Один из примеров подобного устройства раскрыт в патенте США N 4858704. В этом устройстве бурильный наконечник крепится к концу бурильной колонны. Во время работы наземного устройства бурильная колонна приводится во вращение вокруг своей оси, передавая вращение на бурильный наконечник, который при этом также вращается вокруг своей оси. Когда требуется пройти прямолинейную скважину, бурильный наконечник приводят во вращение, одновременно продвигая его вперед. Когда целесообразно отклонить направление бурения от прямой линии, вращение бурильной колонны останавливают так, чтобы она получила заданную азимутальную ориентацию в плоскости своего вращения. Затем бурильную колонну продвигают вперед практически без вращения. По мере поступательного продвижения бурильной колонны без вращения бурильный наконечник и соединенная с ним бурильная колонна отклоняются от прежнего прямолинейного направления бурения. При достижении заданного угла отклонения от прямой линии вращение бурильного наконечника возобновляют, для чего бурильную колонну приводят во вращение, одновременно с этим продвигая ее вперед, так чтобы бурильный наконечник снова продвигался по прямой линии. Способы, аналогичные рассмотренному, раскрыты в патентах США N 4953638 и 5148880.

В упомянутых выше ранее запатентованных технических решениях бурильную колонну продвигают вперед, проталкивая ее через материал (т.е. грунт, скальную породу и т.д.), в котором требуется пробурить скважину. В некоторых материалах (например, в скальной породе) проталкивание бурильной колонны через материал без вращения является весьма трудновыполнимой задачей. При проталкивании бурильной колонны через скальную породу бурильная колонна за счет силы упругости при сжатии передает продольно направленную силу бурильному наконечнику, который стремится разрушить скальную породу и пробить себе дорогу. Однако скальная порода обладает очень высокой прочностью на сдавливание. Например, характерным типом относительно мягкой скальной породы является известная самородная чилийская селитра. Для самородной чилийской селитры предел прочности при сдавливании составляет свыше 34,5 МПа (5000 фунт на кв. дюйм), предел прочности при срезе - 13,8 МПа (2000 фунт на кв. дюйм), а предел прочности при обламывании - менее 6,9 МПа (1000 фунт на кв. дюйм). В вышеупомянутых ранее предложенных устройствах бурильный наконечник необходимо продвигать вперед, создавая при этом достаточно большие усилия для преодоления прочности скальной породы на сдавливание, т.е. фактически самого высокого прочностного показателя скальной породы, в которой проводится бурение.

В некоторых ранее предложенных устройствах для бурения скважин в таких материалах, как скальная порода или ей подобные, были предприняты попытки использовать ударные устройства. Например, в патенте США N 4694913 предусматривается подача сжатого воздуха к пневматическому бурильному наконечнику, который содержит бурильный молоток и опорную плиту. Принцип действия такого устройства заключается в пробивании материала подземных пород за счет ударного воздействия на бурильный наконечник. Но даже при использовании бурильных машин ударного действия технология бурения в настоящее время находится пока лишь на уровне попыток преодолеть прочность скальных пород при сдавливании, которая является наиболее высокой из прочностных характеристик скальных пород. Это в особенной мере относится к тем ранее предложенным устройствам, например, описанному в патенте США N 4694913 устройству, в которых, когда требуется отклонить направление бурения в сторону от прямой линии, бурильный наконечник не вращается.

В патенте США N 5449046 описана установка для бурения скважин под землей. В этой установке бурильная колонна вращается на всех этапах бурения, даже когда требуется отклонить бурильную колонну в сторону от прямой линии. Бурильный наконечник содержит механизм, создающий поперечный импульс силы в тот момент, когда бурильный наконечник имеет заданный азимут в плоскости своего вращения, что приводит к отклонению направления движения бурильного наконечника от прямой линии. К примеру, в установке, известной из патента N 5449046, бурильный наконечник создает импульс силы, приложенный к стенке буровой скважины, в результате чего бурильный наконечник отходит от этой стенки. Такой импульс силы создается один раз при каждом обороте бурильного наконечника. В другом варианте этой установки, иллюстрируемом фиг. 4 описания к патенту N 5449046, предусмотрен внутренний ударный механизм, действие которого в совокупности с действием скошенной грани на режущем элементе вызывает отклонение бурильного наконечника от прямой линии. Представленный на фиг. 4 механизм также создает импульсы силы, синхронизированные с вращением бурильного наконечника таким образом, что за один оборот бурильного наконечника в течение очень короткого отрезка времени, когда бурильный наконечник имеет заданную азимутальную ориентацию в плоскости своего вращения, происходит один удар.

Вместе с тем, в установке, раскрытой в патенте N 5449046, энергия ударного действия, например иллюстрируемого фиг. 4, опять же направлена на преодоление сопротивления скальной породы сдавливанию. Кроме того, учитывая, что в установке, известной из патента N 5449046, любое ударное воздействие на породу способствует бурению, за один оборот бурильного наконечника совершается лишь один удар, который длится очень ограниченное время.

Целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа бурения и бурильной установки для бурения подземных скважин, обеспечивающих возможность управления направлением продвижения бурильного устройства через подземные породы.

В соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения в заявке раскрыт способ управления бурильной установкой, предназначенной для бурения скважин в материале, таком как скальная порода, грунт или аналогичном. Бурильная установка содержит в себе бурильную колонну, на конце которой расположен бурильный наконечник, снабженный режущим элементом, который вращается вокруг оси вращения, причем этот режущий элемент расположен со смещением относительно оси вращения. Вращение бурильного наконечника, а также его осевое продвижение обеспечивается приводным устройством. Предложенный в изобретении способ предусматривает продвижение бурильного наконечника вперед по линии, отклоненной в заданном направлении от прямой линии, за счет поджатая бурильного наконечника осевой силой, когда режущий элемент находится на дуге резания, пересекаемой лучом заданного направления отклонения бурильного наконечника, с последующим снятием осевой силы с бурильного наконечника, когда режущий элемент находится вне дуги резания. При снятии осевой силы бурильный наконечник отводят назад так, чтобы выработка конца скважины была несимметричной, с образованием наклонной поверхности, которая подпирает бурильный наконечник в заданном направлении его отклонения.

На фиг. 1 схематически изображена бурильная установка для бурения скважин в грунте, скальной породе или аналогичном материале, с возможностью изменения направления.

На фиг. 2 представлен вид сбоку бурильного наконечника в характерном варианте исполнения, применимого для осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 3 представлен вид спереди бурильного наконечника, показанного на фиг. 2.

На фиг. 4 представлен вид снизу бурильного наконечника, показанного на фиг. 2.

На фиг. 5 схематически изображен бурильный наконечник в соединении с бурильной колонной, находящийся в скважине.

Фиг. 6 соответствует фиг. 5, отличаясь от нее тем, что бурильный наконечник отведен назад и повернут на 180^o вокруг оси вращения.

Фиг. 7 соответствует фиг. 6, отличаясь от нее тем, что бурильный наконечник еще более продвинут вперед и повернут вокруг оси вращения.

На фиг. 8 схематически изображена дуга резания, характеризующая асимметричное бурение, используемое в предложенном способе.

На фиг. 9 представлен график, иллюстрирующий связь осевого положения бурильного наконечника с его азимутом в плоскости вращения во время вращения бурильного наконечника при использовании предложенного в изобретении способа.

На фиг. 10 представлена блок-схема предложенного в изобретении способа бурения.

Ниже приведено описание предпочтительного варианта настоящего изобретения, поясняемого несколькими чертежами, на которых одинаковые элементы конструкции обозначены одинаковыми ссылочными номерами.

На фиг. 1 изображена бурильная установка 10. Бурильная установка 10 содержит платформу 12, расположенную на земной поверхности 11 и наклоненную к ней так, чтобы бурильная колонна 14 могла войти под земную поверхность 11. Бурильная колонна 14 оканчивается бурильным наконечником 16, который содержит режущий элемент 18 (показан на фиг. 2 - 4), предназначенный для срезания плотного грунта, скальной породы или аналогичного материала. Для приведения бурильной колонны 14 во вращение и перемещения бурильной колонны 14 в продольном направлении бурильная установка снабжена агрегатом 20 привода.

На фиг. 2 - 4 показан обычный бурильный наконечник 16. Наконечник 16 присоединен к концу бурильной колонны 14. Наконечник 16 имеет режущий элемент 18 (типа режущих зубьев 18), предназначенный для срезания скальной породы, плотного грунта или аналогичного материала при вращении бурильной колонны 14. Зубья расположены с радиальным смещением относительно оси X-X, вокруг которой они вращаются при вращении бурильной колонны 14. Со стороны, диаметрально противоположной зубьям 18, бурильный наконечник 16 имеет скошенную поверхность 17. Бурильные наконечники могут быть выполнены в широком разнообразии геометрических конфигураций. Примеры исполнения таких бурильных наконечников показаны в патентах США N 5242026 и 5341887. Хотя в целях иллюстрации сущности изобретения на чертежах показана одна частная конструкция бурильного наконечника 16, в рамках настоящего изобретения может быть использован бурильный наконечник любой другой конструкции.

Бурильная колонна 14 состоит из нескольких бурильных штанг 22. После введения в скважину (путем перемещения в осевом или продольном направлении) одной бурильной штанги 22 агрегат 20 привода отсоединяют от бурильной колонны 14 и отводят назад так, чтобы на установку 10 можно было поместить следующую бурильную штангу 22. Новая бурильная штанга 22 присоединяется к бурильной колонне 14 посредством резьбового соединения. После присоединения новой бурильной штанги 22 к бурильной колонне 14 эта бурильная штанга 22 становится частью бурильной колонны 14, и бурильную колонну 14 посредством агрегата 20 привода в очередной раз раскручивают и/или продвигают вперед вдоль продольной оси.

Агрегат 20 привода работает по командам блока 24 управления, который схематически изображен на фиг. 1. Блок 24 управления управляет режимами работы агрегата 20 привода, а именно: вращением бурильной колонны 14, продвижением бурильной колонны 14 в скважину или отведением агрегата 20 привода назад для того, чтобы на установку 10 можно было поместить новую бурильную штангу 22.

Бурильные штанги 22 выполнены из металла и являются достаточно жесткими, чтобы передавать крутящий момент и осевые силы с агрегата 20 привода на бурильный наконечник 16. Несмотря на то что сама бурильная колонна 14 собрана из жестких штанг 22, она обладает достаточной гибкостью, чтобы проходить по криволинейному пути.

Следует отметить, что описанная выше бурильная установка 10 широко известна в технике и сама по себе не является предметом данного изобретения. Изобретение же направлено на создание нового способа применения бурильной установки 10. В частности, объектом настоящего изобретения является новый способ бурения, который, с целью регулирования направления продвижения бурильного наконечника 16, предусматривает периодический отвод бурильной колонны 14 назад в процессе бурения.

Во время бурения бурильный наконечник 16, имеющий описанную выше геометрическую конфигурацию и снабженный режущим элементом 18, смещенным относительно оси вращения наконечника, режет скальную породу таким образом, что после неполного оборота бурильного наконечника 16 вокруг своей оси X-X одна часть скальной породы в конце скважины превращается в каменную крошку и удаляется из скважины, а оставшаяся часть остается нетронутой. Это наиболее наглядно отражено на фиг. 5-7, где бурильный наконечник 16 и режущий элемент 18 показаны внутри скважины 200. Бурильный наконечник 16, показанный на фиг. 5 - 7, имеет такую геометрическую конфигурацию, что при неполном обороте бурильного наконечника 16 относительно своей оси X-X выработка скважины происходит несимметрично по азимуту в плоскости вращения режущего элемента, и часть материала остается нетронутой, в результате чего в скважине образуется наклонная поверхность 28. Наличие этой наклонной поверхности привело авторов настоящего изобретения к созданию нового способа управления бурильной установкой 10, основанного на эффекте образования этой наклонной поверхности и используемого для отклонения бурильного наконечника 16 от прямой линии в заданном направлении.

Этот способ наглядно иллюстрируется фиг. 8, где линия 30 соответствует линии, описываемой режущим элементом 18 при вращении бурильного наконечника 16 вокруг оси X-X, когда агрегат 20 привода вращает бурильную колонну 14. При непрерывном вращении и продвижении вперед бурильной колонны 14 режущий элемент 18 описывает окружность 30. В результате образуется прямолинейная скважина 200, имеющая примерно круглое поперечное сечение. Агрегат 20 привода посредством общеизвестных гидравлических средств управления поджимает режущий элемент 18 бурильного наконечника к концу 201 скважины 200 (смотри фиг. 5-7) и, следовательно, с заданной силой придавливает его к материалу скальной породы, в которой проводится бурение, для достижения наиболее эффективного режима резания породы режущим элементом 18. Например, при бурении скважины в самородной чилийской селитре желательно поджимать режущий элемент 18 с такой силой, чтобы создаваемое им давление было равно около 17,25 МПа (2500 фунт на кв. дюйм), что позволяет наиболее эффективно выбуривать породу. Поскольку бурильный наконечник поджимается к породе с давлением 17,25 МПа (2500 фунт на кв. дюйм) и поскольку режущий элемент 18 выбуривает скальную породу непрерывно, вращаясь безостановочно, бурильная колонна 14 поступательно продвигается вперед по прямой линии, совпадающей с осью X-X.

Время от времени может возникать необходимость отклонения бурильного наконечника 16 от прямой линии бурения в желательном направлении. Например, может оказаться целесообразным отклонить бурильный наконечник 16 примерно вертикально вверх, т.е. в показанном на фиг. 8 направлении А, проходящем через точку с азимутом 0^o (12 часов по циферблату) в плоскости вращения режущего элемента.

Для отклонения бурильного наконечника в направлении А с азимутом 0^o предложенный способ предусматривает поступательное продвижение бурильного наконечника 16 вперед с его поджатием к породе (т.е. с созданием давления на породу 17,25 МПа при бурении скважины в самородной чилийской селитре) в тот отрезок времени, когда режущий элемент проходит по дуге В резания, имеющей заданные границы (в случае, показанном на фиг. 8, эта дуга проходит между точками с азимутом 300^o (10 часов по циферблату) и 60^o (2 часа по циферблату). Луч заданного направлении А отклонения рассекает дугу В резания пополам.

Когда режущий элемент 18 находится вне дуги В резания, бурильная колонна 14 отводится назад агрегатом 20 привода так, чтобы режущий элемент 18 вышел из контакта с торцевой стенкой скважины 200 в ее конце 201. В частности, как только режущий элемент 18 выходит за пределы дуги В резания, бурильную колонну 14 отводят назад, перемещая агрегат 20 привода на расстояние, достаточное для того, чтобы режущий элемент 18 бурильного наконечника при дальнейшем повороте не срезал материал наклонной поверхности 28.

В приведенном частном примере, отображенном на фиг. 8, дуга В резания начинается в точке окружности с азимутом 300^o (10 часов по циферблату) и проходит до точки с азимутом 60^o (2 часа по циферблату). Поэтому, когда в процессе вращения бурильного наконечника 16 его режущий элемент 18 проходит через точку с азимутом 300^o (10 часов по циферблату), бурильную колонну 14 продвигают вперед, перемещая агрегат 20 привода в продольном направлении. Бурильную колонну 14 продвигают вперед так, чтобы при упоре режущего элемента 18 в скальную породу он был достаточно сильно - для достижения эффективного бурения - поджат к ней (например, с давлением на породу 17,25 МПа или 2500 фунт на кв. дюйм). Режущий элемент 18 поджимается к торцевой стенке скважины, пока он движется по дуге В резания до точки с азимутом 60^o (2 часа по циферблату), при достижении которой агрегат 20 привода отводится назад. В процессе бурения агрегат 20 привода непрерывно вращает бурильную колонну 14 с любой заданной частотой вращения (например, 70 мин^-1).

Когда режущий элемент 18 упирается в поверхность скальной породы и врезается в нее, проходя по дуге В резания, он разрушает структуру скальной породы, отламывая и срезая ее фрагменты. Таким образом, предложенный способ позволяет обойтись без долбления скальной породы, при котором приходится преодолевать ее сопротивление сдавливанию, и предусматривает срезание скальной породы, при котором ее разрушение происходит с наименьшими затратами энергии.

Во время бурения, когда режущий элемент 18 проходит по дуге В резания, он врезается вглубь скальной породы торцевой стенки скважины (например, на глубину около 5 см (два дюйма) за один оборот). Поэтому, когда режущий элемент 18, вращаясь, приближается к точке с азимутом 300^o (10 часов по циферблату) и одновременно продвигается вперед по скважине 200, бурильный наконечник 16 перемещается в продольном направлении примерно на 5 см дальше того осевого положения, в котором он находился во время предыдущего прохода режущего элемента по дуге В резания. При дальнейшем продвижении вперед режущего элемента 18 поверхность бурильного наконечника, расположенная снизу бурильной колонны или бурильного наконечника (назовем ее для удобства скошенной поверхностью 40) наезжает на наклонную поверхность 28 стенки скважины (этот момент показан на фиг. 7). При продвижении бурильной колонны 14 в продольном направлении скошенная поверхность 40 бурильного наконечника входит в контакт с наклонной поверхностью 28, в результате чего бурильный наконечник 16 (а вместе с ним - и режущий элемент 18) отклоняется в заданном направлении А.

При использовании рассмотренного выше способа циклического бурения, когда выбуривание скальной породы с последовательным углублением скважины происходит только на участке дуги В резания, а во время движения режущего элемента по остальной части окружности бурильная колонна 14 вместе с бурильным наконечником 16 отводится назад, бурильный наконечник 16 углубляется в скальную породу как в продольном направлении, так и в заданном направлении А отклонения от прямой линии бурения. Как только отклонение бурильного наконечника 16 закончено, периодический отвод бурильной колонны назад прекращается, и возобновляется непрерывное поджатие бурильной колонны вперед с одновременным вращением, в результате чего бурение снова идет по прямой линии.

На фиг. 9 приведен типовой график изменения продольного смещения бурильного наконечника 16 во время бурения по предложенному в настоящем изобретении способу. На этом графике ось абсцисс соответствует азимуту режущего элемента в плоскости его вращения. На оси ординат отмечено продольное смещение бурильного наконечника (в дюймах), где отрицательные значения соответствуют перемещению бурильного наконечника вперед из произвольно выбранного исходного положения (с нулевым продольным смещением), а положительные значения соответствуют перемещению бурильного наконечника назад относительно выбранного исходного положения. На фиг. 9 ось абсцисс пронумерована значениями углов азимута режущего элемента в плоскости его вращения, где значение 0^o (12 часов по циферблату) соответствует ориентации режущего элемента вертикально вверх, а значение 180^o (6 часов по циферблату) соответствует ориентации режущего элемента вертикально вниз. На фиг. 9 представлена ломаная кривая, отображающая изменение осевого смещения бурильного наконечника 16 за два оборота бурильного наконечника 16 вокруг оси X-X. График на фиг. 9 относится к рассмотренному выше примеру, где заданное направление А отклонения бурильного наконечника имеет азимут 0^o (12 часов по циферблату) в плоскости вращения режущего элемента и где поджатие бурильного наконечника вперед начинается при прохождении режущего элемента через азимут 300^o (10 часов по циферблату), а отведение бурильного наконечника назад начинается при прохождении режущего элемента через азимут 60^o (2 часа по циферблату).

Как видно на фиг. 9, когда режущий элемент имеет азимут 60^o (т.е. находится в конце дуги В резания предыдущего оборота), что соответствует точке 51, бурильный наконечник 16 продвинут вперед до упора. По мере поворота режущего элемента бурильный наконечник 16 отводится назад, пока не будет отведен полностью (точка 52), что соответствует азимуту режущего элемента 180^o (6 часов по циферблату), когда режущий элемент ориентирован диаметрально противоположно заданному направлению А отклонения (имеющему азимут 0^o). Находясь в крайнем заднем положении 52, бурильная колонна 14 начинает свое продольное перемещение вперед, и при прохождении режущим элементом азимута 300^o (10 часов по циферблату) бурильный наконечник 16 упирается в торцевую стенку 20 скважины. В этот момент, соответствующий точке 53 на линии графика, начинается врезание бурильного наконечника в скальную породу. Врезание в скальную породу происходит при непрерывным поджатии и продвижении бурильного наконечника вперед 16 до тех пор, пока режущий элемент не пройдет через азимут 60^o (2 часа по циферблату), где начинается отведение бурильного наконечника назад (точка 54), и бурильный наконечник начинает новый оборот.

Следует отметить, что луч заданного направления А отклонения бурильного наконечника пересекает дугу резания посредине между точкой 53 начала врезания режущего элемента в скальную породу и точкой 54 выхода режущего элемента из контакта со скальной породой. Кроме того, поскольку бурильный наконечник 16, проходя по дуге резания, продвигается вперед с одновременным удалением из скважины выбуренного материала, от начала оборота в точке с азимутом 60^o (точка 51 на графике) до завершения оборота в точке с азимутом 60^o (точка 54 на графике), бурильный наконечник за один оборот углубляет скважину на расстояние D.

Согласно предпочтительному способу бурения зависимость положения бурильного наконечника 16 по продольной оси от азимутальной ориентации режущего элемента в плоскости его вращения является не линейной, а экспоненциальной. Другими словами, когда бурильный наконечник 16, начиная с момента прохождения режущим элементом азимута 60^o, отводится назад, его линейная скорость - в целях предотвращения срезания режущим элементом 18 материала наклонной поверхности 28 скважины - нарастает, тогда как частота его вращения по времени не меняется.

При использовании рассмотренного выше способа бурения с помощью бурильной установки 10 нужно измерять истинный азимут режущего элемента бурильного наконечника 16 в плоскости его вращения. Истинный азимут режущего элемента наконечника 16 может вычисляться блоком 24 управления. Например, в блок управления может быть заложено следующее условие - при повороте агрегата 20 привода на 90^o бурильный наконечник 16 также поворачивается на 90^o.

Даже при том, что истинный азимут режущего элемента бурильного наконечника 16 в плоскости его вращения можно зафиксировать перед началом бурения (с последующим вычислением расчетного азимута путем отслеживания текущего угла поворота бурильной колонны 14, приводимой во вращение агрегатом 20 привода), истинный азимут может впоследствии не совпасть с расчетным. Так, поскольку при прохождении скважины бурильная колонна 14 наращивается дополнительными бурильными штангами 22, действительный азимут режущего элемента бурильного наконечника 16 может не совпадать с расчетным из-за допусков и иных погрешностей во взаимном расположении бурильных штанг 22, когда эти штанги присоединяются к бурильной колонне 14 на резьбовых парах. Таким образом, действительный азимут режущего элемента бурильного наконечника 16 в плоскости его вращения предпочтительно вычислять каждый раз после прикручивания к бурильной колонне 14 новой бурильной штанги 22.

Действительный азимут режущего элемента бурильного наконечника 16 можно рассчитывать многими известными способами. Например, в бурильный наконечник 16 может быть встроен радиопередатчик или аналогичное средство передачи сигналов (на чертежах не показан), излучающий радиосигналы азимута режущего элемента бурильного наконечника, которые могут быть приняты приемником (на чертежах не показан), расположенным на поверхности земли, что является общеизвестным техническим решением. По командам оператора бурильной установки вращение бурильной колонны 14 может продолжаться до момента, когда бурильный наконечник займет исходное положение, например, с азимутом режущего элемента, равным 0^o (12 часов по циферблату). После того как режущий элемент бурильного наконечника 16 установился на азимуте 0^o, оператор может нажать кнопку сброса или аналогичный орган управления на блоке 24 управления для того, чтобы вновь установить исходный азимут режущего элемента бурильного наконечника, равный 0^o (12 часам по циферблату). После такого обнуления и до присоединения к бурильной колонне следующей бурильной штанги 22 вычисление азимута режущего элемента бурильного наконечника 16 может осуществляться путем отслеживания текущего угла поворота агрегата 20 привода.

Несмотря на то что на современном уровне техники описанный выше способ периодической установки исходного азимута режущего элемента бурильного наконечника 16 является предпочтительным, можно считать, что возможное применение любого из других аналогичных способов не приведет к расширению объема правовой охраны изобретения. Например, действительный азимут режущего элемента бурильного наконечника 16 в плоскости его вращения можно непрерывно отслеживать и передавать ее значение в блок 24 управления при помощи различных средств, в том числе встроенной проводной линии передачи сигналов с бурильного наконечника 16 на блок 24 управления, средств передачи радиосигналов или других средств передачи сигналов на расстоянии. Использование инструментального слежения за действительным азимутом режущего элемента бурильного наконечника 16 позволило бы обойтись без периодической установки исходного значения азимута в блоке 24 управления и без последующего вычисления азимутальной ориентации режущего элемента бурильного наконечника 16 путем отслеживания текущего угла поворота агрегата 20 привода.

На фиг. 10 приведена блок-схема, иллюстрирующая алгоритм управления установкой 10 блоком 24 управления. После прохождения прямолинейного отрезка скважины определенной длины может потребоваться отклонить направление бурения от первоначального. Таким образом, блок 24 управления переключается в режим изменения направления бурения на этапе 100 пуска процесса изменения направления бурения. На этапе 101 оператор бурильной установки может ввести вручную в блок 24 управления различные параметры работы установки. Например, оператор задает азимут направления отклонения бурения от прямой линии в плоскости вращения бурильного наконечника. Если вернуться к рассмотренному выше примеру, то в этом случае оператор введет в блок 24 управления азимут 0^o, т. е. задаст отклонение бурильного наконечника 16 от прямой линии вертикально вверх. Затем оператор вводит размер дуги резания бурильного наконечника. Например, на фиг. 8 видно, что угловой размер дуги В, проходящей от азимута 300^o (10 часов по циферблату) до азимута 60^o (2 часа по циферблату), равен 120^o. В предпочтительном случае в блок 24 управления можно ввести угловой размер дуги от 0 до 180^o.

Еще одним рабочим параметром, который должен быть задан оператором, является сила осевого поджатия бурильного наконечника 16. Например, при бурении в самородной чилийской селитре можно задать силу осевого поджатия, которая обеспечила бы давление бурильного наконечника на породу, равное 17,25 МПа (2500 фунт на кв. дюйм). Также оператор задает частоту вращения бурильной колонны 14 (например, от 0 до 120 мин^-1). Еще одной операцией является повторная установка исходного азимута режущего элемента бурильного наконечника 16 в плоскости вращения, который равен 0^o (12 часам по циферблату). Как уже было отмечено выше, для выполнения такого обнуления при помощи средств передачи сигналов на расстоянии или иным способом фиксируется момент времени, когда режущий элемент 18 бурильного наконечника проходит через верхнюю точку окружности с азимутом 0^o (12 часов по циферблату). Затем оператор может нажать кнопку сброса, таким образом сообщая блоку 24 управления, что режущий элемент бурильного наконечника действительно ориентирован на азимут 0^o в плоскости своего вращения. Затем на основе инструментального отслеживания текущего угла поворота привода выполняется расчет текущего азимута режущего элемента бурильного наконечника 16 в плоскости вращения. Повторная установка исходного азимута на 0^o (12 часов по циферблату) проводится каждый раз после присоединения к бурильной колонне новой бурильной штанги 22.

К рабочим параметрам, вводимым в блок 24 управления на этапе 101, относится также расстояние отвода бурильного наконечника назад. Это расстояние может составлять, к примеру, от 5 до 15 см (2-6 дюйма).

После достижения режущим элементом точки с азимутом 300^o блок 24 управления определяет, соответствует ли сила поджатия бурильного наконечника к торцевой стенке скважины заданной. Если нет, выдается команда на увеличение силы поджатия до заданной (этап 106).

На этапе 107 блок 24 управления определяет достиг ли режущий элемент бурильного наконечника точки с азимутом 60^o (конечной точки дуги В резания в рассмотренном выше примере). Если нет, выдается команда на продолжение вращения бурильного наконечника до достижения режущим элементом конечной точки дуги резания.

По достижении режущим элементом конечной точки дуги резания для отвода бурильного наконечника 16 назад приложенную к нему осевую силу реверсируют (этап 108). При реверсировании осевой силы на этапе 109 контролируются значения частоты вращения бурильной колонны 14 к линейной скорости отвода бурильной колонны 14 назад и делается вывод, соответствуют ли эти значения соотношениям, графически представленным на фиг. 9. Если соотношение между скоростью линейного перемещения бурильной колонны и частотой ее вращения не соответствует заданному, на этапе 110 изменяется осевая сила, приложенная к бурильной колонне. Если заданный угол отклонения направления бурения не достигнут (это определяется на этапе 111), процесс изменения направления бурения продолжается. В противном случае бурильная установка переводится на режим бурения по прямой линии, с одновременным вращением и постоянным поджатием бурильного наконечника вперед без периодического отвода назад.

Последовательность стадий бурения схематически представлена на фиг. 5-7. На фиг. 5 бурильный наконечник 16 показан введенным до упора в скважину 200, при этом его зубья, или режущий элемент, 18 имеют азимут 0^o (12 часов по циферблату) в плоскости его вращения. После поворота бурильного наконечника 16 с ориентацией его режущего элемента на азимут 60^o (2 часа по циферблату) бурильный наконечник отводится назад, и при достижении его зубьями азимута 180^o (6 часов по циферблату) бурильный наконечник отведен назад полностью, что показано на фиг. 6. Благодаря отводу бурильного наконечника назад его зубья 18 не врезаются в материал наклонной поверхности 28 и не срезают ее. При последующем продвижении бурильного наконечника 16 вглубь скважины 200 скошенная поверхность 40 бурильного наконечника наезжает на наклонную поверхность 28, что вызывает отклонение бурильного наконечника 16 вертикально вверх в направлении А (фиг. 7).

При использовании описанного выше способа бурильная колонна 14 постоянно вращается на всех стадиях бурения. Срезание материала режущим элементом происходит, когда режущий элемент проходит по дуге B резания, рассекаемой пополам лучом заданного направления A отклонения бурильного наконечника 16. Бурильный наконечник отводится назад, режущий элемент бурильного наконечника 16 находится вне дуги B резания. Периодический отвод бурильного наконечника назад приводит к образованию внутри скважины 200 наклонной поверхности 28, которая обеспечивает отклонение бурильного наконечника 16 от прямой линии, подпирая его в заданном направлении отклонения. Кроме того, проходя по дуге B резания, бурильный наконечник 16 выбуривает скальную породу в конце 201 скважины таким образом, что для разрушения породы используются силы отламывания и срезания, в отличие от ранее созданных устройств, где для разрушения породы применяются более значительные силы сдавливания.

В приведенном выше подробном описании настоящего изобретения показано, каким образом технические задачи изобретения решаются в его предпочтительном варианте. Испрашиваемый для изобретения объем правовой охраны, определяемый приложенной формулой изобретения, допускает различные видоизменения и варианты реализации идей изобретения, технически равноценные раскрытым в описании, например, такие, возможность осуществления которых очевидна для специалиста.

Claims

1. Способ управления бурильной установкой, предназначенной для бурения скважин в материалах, причем упомянутая установка имеет бурильную колонну, на конце которой установлен бурильный наконечник, вращающийся вокруг оси вращения, этот бурильный наконечник содержит режущий элемент, расположенный со смещением относительно оси вращения, установка снабжена средством перемещения бурильного наконечника в продольном направлении, при этом указанный способ предусматривает продвижение бурильного наконечника вперед с его отклонением от прямой линии в заданном направлении, осуществляемое путем поджатия бурильного наконечника продольно направленной силой, когда режущий элемент находится на дуге резания, пересекаемой лучом заданного направления отклонения бурильного наконечника, снятия продольно направленной силы с бурильного наконечника и отвода бурильного наконечника назад, когда режущий элемент находится вне дуги резания, таким образом, чтобы на боковой стенке скважины образовывалась наклонная поверхность невыбуренного материала, которая расположена практически диаметрально противоположно заданному направлению отклонения бурильного наконечника, возобновления поджатия бурильного наконечника продольно направленной силой с продвижением бурильного наконечника вперед в продольном направлении, когда режущий элемент снова находится на дуге резания, при этом во время продвижения бурильного наконечника вперед в продольном направлении наклонная поверхность невыбуренного материала отклоняет бурильный наконечник от прямой линии в заданном направлении.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что он предусматривает задание граничных точек дуги резания, выполняемое с таким расчетом, чтобы луч заданного направления отклонения рассекал дугу резания пополам.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что угловой размер дуги резания 0 - 180^o.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что угловой размер дуги резания равен 120^o.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что угловой размер дуги резания 0 - 180^o.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что угловой размер дуги резания равен 120^o.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение продольно направленной силы, прилагаемой к бурильному наконечнику, задают таким, чтобы давление, с которым режущий элемент воздействует на материал в конце скважины и выбуривает его, находилось в предписанном диапазоне значений.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отведении бурильного наконечника назад, бурильный наконечник отводят от торцевой стенки материала в конце скважины на расстояние, заданное с таким расчетом, чтобы режущий элемент практически не врезался в материал, когда он находится вне дуги резания.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что бурильная колонна имеет наружный конец, выходящий из скважины на поверхность и сочлененный с приводным устройством, предназначенным для перемещения бурильной колонны в продольном направлении и ее вращения, при этом бурильный наконечник поджимают продольно направленной силой, продвигая вперед наружный конец бурильной колонны приводным устройством.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что приводное устройство вращает бурильную колонну, передавая крутящий момент на ее наружный конец.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что приводное устройство отводит назад бурильную колонну, прилагая продольно направленную силу к ее наружному концу.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что азимут режущего элемента бурильного наконечника в плоскости его вращения определяют путем слежения за текущим углом поворота наружного конца бурильной колонны, вращаемой приводным устройством.

13. Способ по п.9, отличающийся тем, что азимут режущего элемента бурильного наконечника в плоскости его вращения определяют путем слежения за текущим углом поворота наружного конца бурильной колонны, вращаемой приводным устройством.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что азимут режущего элемента бурильного наконечника в плоскости его вращения определяют путем обработки сигналов от бурильного наконечника, несущих информацию об азимуте режущего элемента бурильного наконечника в плоскости его вращения.

15. Способ по п.9, отличающийся тем, что бурильная колонна состоит из нескольких бурильных штанг, которые при бурении последовательно присоединяют к бурильной колонне на приводном устройстве вне скважины, причем этот способ предусматривает измерение действительного азимута режущего элемента бурильного наконечника после присоединения к бурильной колонне новой бурильной штанги, с последующим определением азимута режущего элемента бурильного наконечника в плоскости его вращения путем слежения за текущим углом поворота наружного конца бурильной колонны, вращаемой приводным устройством.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что он предусматривает циклическое выполнение следующих приемов: поджатия бурильного наконечника продольно направленной силой, когда режущий элемент находится на дуге резания, пересекаемой лучом заданного направления отклонения бурильного наконечника, снятия продольно направленной силы с бурильного наконечника и отвода бурильного наконечника назад, когда режущий элемент находится вне дуги резания, таким образом, чтобы на боковой стенке скважины образовывалась наклонная поверхность невыбуренного материала, которая расположена практически диаметрально противоположно заданному направлению отклонения бурильного наконечника, возобновления поджатия бурильного наконечника продольно направленной силой с продвижением бурильного наконечника вперед в продольном направлении, когда режущий элемент снова находится на дуге резания, для отклонения бурильного наконечника от прямой линии в заданном направлении за счет противодействия бурильному наконечнику поверхностей материала, в котором ведется бурение, являющихся стенками скважины.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что он предусматривает продвижение вперед бурильного наконечника по прямой линии путем приведения бурильного наконечника во вращение с его одновременным смещением продольно направленной силой.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что он предусматривает непрерывное вращение бурильного наконечника во время его отвода назад.

19. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отведении бурильного наконечника назад и при его продвижении вперед бурильный наконечник вращают непрерывно.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что бурильный наконечник вращают с постоянной скоростью.

21. Бурильная установка для бурения скважин в материалах, содержащая бурильную колонну, на конце которой установлен бурильный наконечник, находящийся внутри скважины, приводное устройство, расположенное вне скважины для приведения в движение наружного конца бурильной колонны, отличающаяся тем, что приводное устройство имеет первый привод, приводящий бурильную колонну во вращение относительно оси вращения, совпадающей с продольной осью бурильной колонны, и второй привод, перемещающий бурильный наконечник вперед и назад в продольном направлении, причем бурильный наконечник содержит режущий элемент, смещенный относительно оси вращения, устройство управления, предназначенное для продвижения бурильного наконечника вперед в заданном направлении с его отклонением от прямой линии путем включения в действие первого и второго привода для поджатия бурильного наконечника продольно направленной силой, когда режущий элемент движется по дуге резания, пересекаемой лучом заданного направления отклонения бурильного наконечника от прямой линии, переключения режима работы второго привода для отвода бурильного наконечника назад, когда режущий элемент находится вне дуги резания, переключения режима работы второго привода для повторного поджатия бурильного наконечника продольно направленной силой с продвижением бурильного наконечника вперед в продольном направлении, когда режущий элемент снова находится на дуге резания.

22. Бурильная установка по п.21, отличающаяся тем, что режущий элемент расположен на бурильном наконечнике так, чтобы выбуривать материал в конце скважины, оставляя при этом часть материала, образующую наклонную поверхность на боковой стенке, которая расположена диаметрально противоположно заданному направлению отклонения бурильного наконечника.

23. Бурильная установка по п.22, отличающаяся тем, что бурильная колонна имеет элемент со скошенной поверхностью, расположенный на ней сбоку и предназначенный для взаимодействия с наклонной поверхностью с целью отклонения бурильного наконечника от прямой линии в заданном направлении во время продвижения бурильного наконечника вперед в продольном направлении.

24. Бурильная установка по п.21, отличающаяся тем, что при отведении бурильной колонны вторым приводом назад и при ее продвижении вперед первый привод вращает бурильную колонну непрерывно.