RU2189427C2

RU2189427C2 - Slant drilling unit for pipeline trenchless laying

Info

Publication number: RU2189427C2
Application number: RU99127390A
Authority: RU
Inventors: Ф.Н. Набиев; Н.Ф. Галлямов; И.Ф. Максютов; Ш.З. Гилязетдинов; А.П. Ситников; Р.Ф. Галлямов; Д.Ф. Давытов; Ф.Н. Нуртдинов; О.Г. Ганиев; Р.А. Юсупов; Ю.Н. Никитенко; Г.Д. Ахметшин
Original assignee: Набиев Фатих Нигматуллович; Галлямов Наиль Фатихович; Максютов Ильдар Фидаилович
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2002-09-20

Abstract

FIELD: equipment for drilling of pilot holes for further reaming with subsequent pulling of pipeline lengths in trenchless laying of pipelines, and drilling of mining holes by horizontal faces from productive beds close to day surface. SUBSTANCE: drilling unit consists of additional and main frames hinged to each other, mechanism for inclination of additional frame relative to the main one, braces for fixing of inclination angle, reactive ties connecting anchorage system with additional frame for neutralizing reactive moment transmitted to additional frame, and additional braces rear of which are load-carrying, taking up total load exerted on drilling unit as a whole. EFFECT: extended filed of application, accelerated terms of installation and dismantling of drilling unit at sites and improved operating reliability. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области бестраншейной прокладки трубопроводов, в частности к прокладке трубопроводов под дорогами, реками и другим препятствиям методом наклонного бурения. The invention relates to the field of trenchless laying of pipelines, in particular to the laying of pipelines under roads, rivers and other obstacles by the directional drilling method.

Известна установка для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин, включающая раму с механизмом наклона, якорную систему и механизм продольного перемещения каретки с вращателем (патент США 4953638, Е 21 В 7/06, 27.06.88). A known installation for drilling directional and horizontal wells, including a frame with a tilt mechanism, an anchor system and a mechanism for the longitudinal movement of the carriage with a rotator (US patent 4953638, E 21 B 7/06, 06/27/08).

Эта установка обеспечивает бурение наклонно направленных и горизонтальных скважин путем размывания породы струей промывочной жидкости, истекающей из насадки под некоторым углом к оси колонны бурильных труб. Размывающая головка, снабженная площадкой, установленной параллельно направлению струи, при изменении положения в окружном направлении относительно оси бурения обеспечивает изменение направления ствола скважины. Прокладывание трубопровода обеспечивается затаскиванием его в образованную скважину обратным движением каретки. Данная установка ограничена в эксплутационных возможностях, т.к. предназначена для прокладывания трубопроводов в мягких грунтах путем размыва и не нуждается в обеспечении поперечной устойчивости из-за отсутствия больших крутящихся моментов, прикладываемых к колонке бурильных труб при бурении наклонно направленных скважин в скальных грунтах, а также ограничены диапазоны диаметров и протяженность пробуриваемых скважин из-за затруднительности обеспечивания прокладки ствола по расчетной траектории ввиду размываемости геометрических размеров по диаметру. This installation provides the drilling of directional and horizontal wells by eroding the rock with a jet of flushing fluid flowing out of the nozzle at an angle to the axis of the drill pipe string. The erosion head, equipped with a platform installed parallel to the direction of the jet, when changing the position in the circumferential direction relative to the axis of the drilling, provides a change in the direction of the wellbore. The laying of the pipeline is ensured by pulling it into the well formed by the reverse movement of the carriage. This installation is limited in operational capabilities since it is designed for laying pipelines in soft soils by erosion and does not need to provide lateral stability due to the lack of large torques applied to the drill pipe string when drilling directional wells in rocky soils, and the diameter ranges and the length of the drilled wells are limited due to the difficulty of ensuring the laying of the barrel along the calculated trajectory due to erosion of geometric dimensions in diameter.

Известна установка наклонного бурения для бестраншейной прокладки трубопроводов, включающая основную и дополнительную рамы с якорной системой, шарнирно соединенные между собой, и механизм наклона. На дополнительной раме расположены силовой привод и траверса с тягами, соединяющими силовой привод с ползунами траверсы (а. с. СССР 1041647, Е 02 F 5/18, 23.12.81). A known installation of inclined drilling for trenchless laying of pipelines, including the main and additional frames with an anchor system, articulated between themselves, and the tilt mechanism. On an additional frame there are a power drive and a traverse with rods connecting the power drive with the traverse sliders (a. From the USSR 1041647, E 02 F 5/18, 12.23.81).

Недостаток этой установки заключается в ограниченных эксплутационных возможностях, которые обусловлены тем, что основная рама связана с дополнительной шарнирно в осевом направлении, а не в поперечном, из-за чего угол наклона рам одинаков и ограничен до 8-10^o к горизонту, якорная система близко расположена к устью скважины, где расположены амбар сбора, отстоя и хранения выходящий из скважины промывочной жидкости, отсутствует вращатель и тормозная система для восприятия реактивного момента забойного двигателя-отклонителя. Отсутствие вращателя не позволяет производить расширку диаметра пилотной скважины с одновременным затаскиванием в ствол трубопровода, что ограничивает диаметры прокладываемых трубопроводов.The disadvantage of this installation is the limited operational capabilities, which are due to the fact that the main frame is connected with an additional hinge in the axial direction, and not in the transverse, due to which the angle of inclination of the frames is the same and limited to 8-10 ^o to the horizontal, the anchor system is close located at the wellhead, where the barn for collection, sludge and storage is located, leaving the well of flushing fluid; there is no rotator and braking system for sensing the reactive moment of the downhole diverter motor. The absence of a rotator does not allow the expansion of the diameter of the pilot well with simultaneous pulling into the trunk of the pipeline, which limits the diameters of the pipelines being laid.

Близость якорной системы к устью скважины ограничивает усилие тяги при протаскивании трубопровода через пробуренную скважину. The proximity of the anchor system to the wellhead limits the thrust force when pulling the pipeline through the drilled well.

Известен буровой станок, включающий узлы осевой подачи в виде винтовой пары и вращения с импульсаторами, выполненными в виде неуровновешанных сателлитов планетарного редуктора, перераспределением приводной мощности между ними через дифференциальный механизм (а. с. 1004596, Е 21 В 3/02, 25.03.83). A well-known drilling machine, including the nodes of the axial feed in the form of a helical pair and rotation with impulses made in the form of unbalanced planetary gear satellites, redistributing the drive power between them through a differential mechanism (A. p. 1004596, E 21 V 3/02, 25.03.83 )

Недостатком данного устройства является то, что винт, жестко закрепленный по концам к раме в винтовой паре в процессе возвратно-поступательного движения, воспринимает нагрузки растяжения и сжатия, что приводит к смещению оси винта относительно оси вращающейся гайки в сжимающейся части винта, следовательно, или к ограничению тягового усилия, или к частой смене их в процессе эксплуатации. The disadvantage of this device is that the screw, rigidly fixed at the ends to the frame in the screw pair during the reciprocating movement, receives tensile and compression loads, which leads to a displacement of the axis of the screw relative to the axis of the rotating nut in the compressing part of the screw, therefore, or limiting traction, or to change them frequently during operation.

В качестве прототипа принято устройство наклонного бурения для бестраншейной прокладки трубопроводов под препятствиями, включающее основную раму с механизмом наклона, дополнительную раму с жестко закрепленной якорной системой, шарниры, связывающие их, центратор с упорным выступом на основной раме, укрепленный на подвижной траверсе шарнирами с возможностью поворота в вертикальной плоскости, и системы полиспастов с их лебедками (а. с. СССР 1265265, Е 02 F 5/18, 23.10.86). As a prototype, an inclined drilling device for trenchless laying of pipelines under obstacles is adopted, including a main frame with a tilting mechanism, an additional frame with a rigidly fixed anchor system, hinges connecting them, a centralizer with a persistent protrusion on the main frame, mounted on the movable traverse with swivels in the vertical plane, and the chain hoists with their winches (a. with. USSR 1265265, E 02 F 5/18, 10.23.86).

Данное устройство позволяет прокладывать трубопроводы подачей их посредством полистпастной системы в размываемую полость перед ним, получаемую путем закачивания промывочной жидкости через технологические трубопроводы, расположенные в прокладываемом трубопроводе. Процесс прокладывания трубопроводов производится с большими технологическими перерывами, необходимыми для разборки и обратной сборки технологических тубопроводов, опусканием с последующим поднятием основной рамы для принятия очередной трубы и сварки с предварительной подгонкой стыков наращиваемой трубы, что в целом приводит к экономически неоправданным затратам времени. Кроме того, расположение якорной системы в непосредственной близости от устья размываемой полости при очевидности прикладывания чрезмерно больших усилий для внедрения трубопровода в нее приводит к увеличению ее геометрических размеров с выносом закрылков якоря от осевой линии, следовательно, к неоправданным затратам материалов на изготовление с последующим утяжелением устройства в целом. This device allows you to lay pipelines by feeding them through a multistep system into a washable cavity in front of it, obtained by pumping flushing fluid through process pipelines located in the laid pipeline. The process of laying pipelines is carried out with large technological interruptions necessary for disassembling and reassembling the technological pipelines, lowering them with the subsequent raising of the main frame for accepting the next pipe and welding with preliminary fitting of the joints of the pipe to be expanded, which in general leads to economically unjustified expenses of time. In addition, the location of the anchor system in the immediate vicinity of the mouth of the eroded cavity, when it is evident that excessive forces are applied to introduce the pipeline into it, lead to an increase in its geometrical dimensions with the extension of the flaps of the anchor from the center line, therefore, to unjustified costs of materials for manufacturing, followed by weighting of the device generally.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение эксплутационных возможностей и повышение надежности установки. The task to which the invention is directed is to expand operational capabilities and increase the reliability of the installation.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в расширении диапазона углов наклона бурильных установок при значительном сокращении материальных средств на ее изготовление и повышение поперечной устойчивости установки. The technical result that can be obtained by carrying out the invention is to expand the range of angles of inclination of the drilling rigs with a significant reduction in material resources for its manufacture and increase the lateral stability of the rig.

Сущность изобретения заключается в том, что установка наклонного бурения для бестраншейной прокладки трубопроводов, включающая основную раму с якорной системой и механизм наклона, шарнирно соединенную с основной дополнительную раму, на которой расположен силовой привод, траверсу с ползунами и тяги, соединяющие силовой привод с ползунами траверсы, и вращатель внутри траверсы, а вал вращателя является водилом редуктора, механизм наклона установки снабжен дополнительными подкосами, а якорная система - реактивными тягами, соединенными с дополнительной рамой. The essence of the invention lies in the fact that the installation of inclined drilling for trenchless laying of pipelines, including the main frame with the anchor system and the tilt mechanism, pivotally connected to the main additional frame, on which the power drive, crosshead with sliders and rods connecting the power drive with sliders of the crosshead and the rotator inside the traverse, and the rotator shaft is the carrier of the gearbox, the tilt mechanism of the installation is equipped with additional struts, and the anchor system is equipped with jet rods connected to an additional frame.

Предлагаемая установка наклонного бурения отличается от известных тем, что с целью повышения надежности и уменьшения общей ее массы, следовательно, улучшения монтажеспособности, она выполнена совмещением осей бурения и дополнительной рамы и снабжена вращателем с тормозным устройством, силовыми и дополнительными подкосами и якорной системой, состоящей из двух частей, одна из которых устанавливается заранее. Дополнительная рама с якорной системой связана с реактивными тягами, погашающими опрокидывающие усилия, возникающие при расширении ствола пробуренной скважины для прокладывания трубопроводов диаметрами в 1220 и 1440 мм. The proposed installation of inclined drilling differs from the known ones in that in order to increase reliability and reduce its total mass, therefore, improve mounting ability, it is made by combining the axes of drilling and an additional frame and is equipped with a rotator with a braking device, power and additional struts and an anchor system consisting of two parts, one of which is set in advance. An additional frame with an anchor system is connected with jet rods that extinguish the overturning forces arising from the expansion of the drilled well bore for laying pipelines with diameters of 1220 and 1440 mm.

Дополнительная рама с вращателем и ключами при тяговых усилиях установки до 100 тн устанавливается на раме транспортного средства, используемого в качестве основной, а более - на отдельной, снабженной седельным устройством и колесами для перемещения с объекта на объект на серийных седельных тягачах. An additional frame with a rotator and keys for traction forces of up to 100 tons is installed on the frame of the vehicle used as the main one, and more - on a separate one equipped with a saddle and wheels for moving from an object to an object on serial truck tractors.

Указанная компановка установок на транспортных средствах кратно сокращает затраты времени на демонтаж, перевозку и монтаж установок при перемещении с объекта на объект строящихся трубопроводов, следовательно, кратно увеличивается производительность установки за единицу календарного времени. The specified arrangement of installations on vehicles reduces the time required for dismantling, transportation and installation of installations when moving pipelines from an object to an object, and consequently, the productivity of the installation is multiplied by a unit of calendar time.

На фиг.1 изображена бурильная установка, вид сбоку в транспортном положении; на фиг.2 - вид сбоку в рабочем положении, на фиг.3 - разрез по линии А-Б-С на фиг.2; на фиг.4 приведена кинематическая схема бурильной установки. Figure 1 shows a drilling installation, a side view in a transport position; figure 2 is a side view in the working position, figure 3 is a section along the line A-B-C in figure 2; figure 4 shows the kinematic diagram of the drilling rig.

Устройство состоит из дополнительной рамы 1 с механизмом наклона 2 и основной рамы 3. Основная рама выложена на опорах 4 и 5. Опора 5 установлена на основании 6. Дополнительная рама 1 относительно основной рамы 3 фиксируется дополнительными подкосами 7, реактивными тягами 8 и шарниром 9. На опоре 4, являющейся площадкой для укладки быстроизнашивающихся и рабочих инструментов, установлена кран-балка 10 и вертикальный шламовый насос 11. На основной раме 3 расположен механизм подачи 12 бурильных труб 27. На дополнительной раме 1 и опоре 4 установлены сходни 13 и перильное ограждение 14. В дополнительной раме расположен вращатель, состоящий из вала 15, сальникового устройства 16, приемника 17 промывочной жидкости и лубрикатора 18. Вал 15 и коронная шестерня планетарного редуктора 19 снабжены тормозной системой 20. На корпусе планетарного редуктора 19, являющегося траверсой продольной тяги, установлены гайки 21 тяговых винтов 22 и ролики 23. На концах тяговых винтов 22 расположены опоры 24, тензодатчики 25 и звездочки 26 привода. На дополнительной раме 1 со стороны шарнира 9 установлены спаренные гидравлические самоустанавливающиеся ключи 28. Опоры тяговых винтов выполнены с возможностью продольного перемещения на длину, превышающую удлинения их под максимальной нагрузкой, что обеспечивает четкую работу чувствительных элементов тензодатчиков растягиваемых концов винтов и исключает сжимающие нагрузки. The device consists of an additional frame 1 with a tilt mechanism 2 and the main frame 3. The main frame is laid out on the supports 4 and 5. The support 5 is mounted on the base 6. The additional frame 1 relative to the main frame 3 is fixed with additional struts 7, jet rods 8 and a hinge 9. A support beam 10 and a vertical slurry pump 11 are installed on a support 4, which is a platform for laying wearing and working tools. On the main frame 3 there is a feed mechanism 12 of drill pipes 27. A descent is installed on the additional frame 1 and support 4 and 13 and the railing 14. In the additional frame, there is a rotator consisting of a shaft 15, a stuffing box 16, a flushing fluid receiver 17 and a lubricator 18. The shaft 15 and the planetary gear reducer 19 are equipped with a brake system 20. On the planetary gearbox 19 body, which traverse longitudinal traction, installed nuts 21 of the traction screws 22 and rollers 23. At the ends of the traction screws 22 are supports 24, strain gauges 25 and sprockets 26 of the drive. Paired hydraulic self-locking wrenches 28 are mounted on the additional frame 1 from the hinge side 9. The traction screw supports are capable of longitudinal movement by a length exceeding their elongation under maximum load, which ensures clear operation of the sensitive elements of the strain gauges of the extensible ends of the screws and eliminates compressive loads.

Установка работает следующим образом. На ось дополнительной рамы механизмом 12 подают первую бурильную трубу 27 и при помощи ключей 28 и вращателя наворачивают ее на вал 15 вращателя. На первой трубе собирают долото на забойном двигателе. Через приемник 17 насосами во внутреннюю полость собранной компановки подают промывную жидкость. Осевую нагрузку на долото обеспечивают включением привода тяговых винтов 22 и ее величину контролируют по показаниям тензодатчиков 25 и поддерживают на заданном уровне. Пробуривают скважину на длину бурильной трубы. Для наращивания очередной бурильной трубы вал вращателя отворачивают от первой трубы включением реверса, вращатель отводят на другой конец дополнительной рамы и подают на ось бурения последующие бурильные трубы. Траекторию ствола контролируют введением инклинометра во внутреннюю полость бурильной компановки через лубрикатор 18. При необходимости корректировки траектории скважины в пространстве с помощью тормозной системы 20 и приводом вращателя отклонитель устанавливают в необходимом окружном направлении. Installation works as follows. The first drill pipe 27 is fed to the axis of the additional frame by mechanism 12 and, using the keys 28 and the rotator, screw it onto the rotator shaft 15. On the first pipe, a bit is collected on a downhole motor. Through the receiver 17 pumps in the internal cavity of the assembled line serves washing fluid. The axial load on the bit is provided by turning on the drive of the traction screws 22 and its value is controlled according to the readings of the load cells 25 and maintained at a given level. Drill a well to the length of the drill pipe. To build up the next drill pipe, the rotator shaft is turned away from the first pipe by turning on the reverse, the rotator is taken to the other end of the additional frame and subsequent drill pipes are fed to the drilling axis. The borehole trajectory is controlled by introducing an inclinometer into the internal cavity of the drilling assembly through the lubricator 18. If necessary, adjust the borehole trajectory in space using the brake system 20 and the rotator drive, the deflector is installed in the required circumferential direction.

Реактивный момент на дополнительную раму передается через ролики 23 и нейтрализуется опорой 5, закрепленной на основании 6 с помощью реактивных тяг 8 и весом всей установки. The reactive moment is transmitted to the additional frame through the rollers 23 and is neutralized by the support 5, mounted on the base 6 using the reaction rods 8 and the weight of the entire installation.

Заданный угол наклона дополнительной рамы относительно основной фиксируется дополнительными подкосами 7, причем задние являются грузонесущими, воспринимающими нагрузку на бурильную установку в целом и передающими на основание 6. Перед началом работ шарнир 9 разгружается от восприятия общей нагрузки путем регулирования натяжения дополнительных подкосов 7, механизм на прилагаемых фигурах не показан. Опора 4 является рабочим местом помощника оператора бурильной установки и местом хранения необходимого рабочего инструмента и быстроизнашивающегося комплекта низа бурильной компановки и имеет ограждение 14. На ней устанавливается кран-балка 10 грузоподъемностью до двух тонн и вертикальный шламовый насос 11 для откачки смеси промывочной жидкости и выбуренной породы и подачи ее на очистку на серийное оборудование. The specified angle of inclination of the additional frame relative to the main one is fixed by additional struts 7, and the rear ones are load-bearing, bearing the load on the drilling rig as a whole and transmitting to the base 6. Before starting work, the hinge 9 is unloaded from the perception of the total load by adjusting the tension of the additional struts 7, the mechanism on the attached figures not shown. The support 4 is the workplace of the assistant operator of the drilling rig and the storage place for the necessary working tool and the wear kit of the bottom of the drilling assembly and has a guard 14. It is equipped with a crane beam 10 with a lifting capacity of up to two tons and a vertical slurry pump 11 for pumping out a mixture of drilling fluid and drill cuttings and submitting it for cleaning to serial equipment.

С помощью предлагаемой конструктивной схемы бурильных установок появляется возможность создания мобильных агрегатов с широким диапазоном технических характеристик, способных не только прокладывать трубопроводы бестраншейным способом, но и бурить специальные скважины с горизонтальным забоями на пластах, близко расположенных к поверхности, для добычи или осушения. Using the proposed constructive design of drilling rigs, it becomes possible to create mobile units with a wide range of technical characteristics, capable of not only laying pipelines in a trenchless manner, but also drilling special wells with horizontal faces on formations close to the surface for production or drainage.

Claims

1. Installation of inclined drilling for trenchless laying of pipelines, including the main frame with the anchor system, articulated to the main additional frame located on the additional frame of the power drive, crosshead with sliders and traction connecting the power drive with sliders of the crosshead, characterized in that the installation is equipped with jet rods connecting the anchor system with an additional frame to neutralize the reactive moment transmitted to the additional frame, and to fix a given angle of inclination to additional frame relative to the main, additional struts, the rear of which are load-bearing, perceiving the total load on the installation as a whole.

2. Installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with a rotator located on an additional frame.