RU2281378C2 - Method and device for drilling mud removal from hole - Google Patents
Method and device for drilling mud removal from hole Download PDFInfo
- Publication number
- RU2281378C2 RU2281378C2 RU2004131410/03A RU2004131410A RU2281378C2 RU 2281378 C2 RU2281378 C2 RU 2281378C2 RU 2004131410/03 A RU2004131410/03 A RU 2004131410/03A RU 2004131410 A RU2004131410 A RU 2004131410A RU 2281378 C2 RU2281378 C2 RU 2281378C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- compressed air
- screw
- well
- zone
- hole
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении взрывных скважин с применением для эвакуации бурового шлама сжатого воздуха.The invention relates to the mining industry and can be used when drilling blast holes using compressed air to evacuate drill cuttings.
Известен способ удаления бурового шлама из скважины путем шнекового транспортирования его на поверхность (Перетолчин В.А. Вращательное и шарошечное бурение скважин на карьерах. М.: Недра, 1983, с.76-101).There is a method of removing drill cuttings from a well by conveying it to the surface by auger (Peretolchin V.A. Rotational and rolling cone drilling in open pits. M .: Nedra, 1983, p. 76-101).
К недостаткам этого способа следует отнести: большие затраты мощности на процесс бурения, небольшую глубину бурения, которая ограничивается резким увеличением крутящего момента на буровом ставе.The disadvantages of this method include: high power consumption for the drilling process, a small drilling depth, which is limited by a sharp increase in torque at the drill stand.
Известен шнекопневматический способ удаления бурового шлама из скважины, при котором сжатый воздух обеспечивает подачу бурового шлама из призабойной зоны на первый виток шнека и способствует передвижению частиц породы вверх по спиралям (Катанов Б.А. Теоретические и экспериментальные основы создания эффективных средств шнекопневматического бурения взрывных скважин на карьерах. Диссертация на соискание ученой степени докт. техн. наук. Кемерово, 1989, с.63-89).Known screw-pneumatic method for removing drill cuttings from a well, in which compressed air supplies drill cuttings from the bottomhole zone to the first turn of the screw and promotes the movement of rock particles up spirals (Katanov B.A. Theoretical and experimental principles for creating effective means for screw drilling of blast holes on Thesis for the degree of Doctor of Technical Sciences, Kemerovo, 1989, pp. 63-89).
К недостаткам этого способа следует отнести шнекопневматичесое транспортирование бурового шлама по всей глубине скважины, что сопровождается значительными затратами мощности на очистку, особенно при бурении скважин большого диаметра, который в настоящее время на открытых горных работах преимущественно составляет 250-270 мм по условиям применения современных взрывчатых веществ.The disadvantages of this method include screw pneumatic transportation of drill cuttings throughout the depth of the borehole, which is accompanied by significant expenditures of cleaning power, especially when drilling large diameter boreholes, which currently amounts to 250-270 mm in open pit mining under the conditions of use of modern explosives .
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является принятый за прототип способ эвакуации бурового шлама из скважины, включающий его транспортирование на поверхность сжатым воздухом, подаваемым через центральный канал бурового става и продувочные каналы долота на забой и далее, вместе с буровым шламом в затрубную зону скважины (Лопатин Ю.С., Осипов Г.М., Перегудов А.А. Бурение взрывных скважин на карьерах. М.: Недра, 1979, с.57-110).Closest to the proposed technical solution is the prototype method for evacuating drill cuttings from the well, including transporting it to the surface with compressed air supplied through the central channel of the drill stand and blowing channels of the bit to the bottom and further, together with the drill cuttings, to the annulus of the well (Lopatin Yu.S., Osipov G.M., Peregudov A.A. Drilling of blast holes in quarries (Moscow: Nedra, 1979, p. 57-110).
Недостатки прототипа заключаются в том, что на его реализацию требуется значительный расход сжатого воздуха, затрудняется эвакуация бурового шлама при прохождении прослойков глин из-за возникновения сальников и забивания продувочных каналов долота; ухудшаются условия очистки призабойной зоны при смене режущего бурового инструмента на шарошечные долота; отсутствует возможность регулирования концентрации потока бурового шлама в процессе бурения скважин.The disadvantages of the prototype are that its implementation requires a significant consumption of compressed air, it is difficult to evacuate drill cuttings during the passage of clay layers due to the occurrence of seals and clogging of the blowing channels of the bit; the conditions for cleaning the bottom-hole zone worsen when changing the cutting drilling tool to cone bits; there is no possibility of regulating the concentration of drill cuttings during drilling.
Известно устройство для эвакуации бурового шлама из скважины, включающее шнековые штанги, соединенные друг с другом с помощью замкового механизма (Сафохин М.С., Катанов Б.А. Машинист буровой установки на карьерах. - М.: Недра, 1992, с.54, рис.3.13 а).A device for evacuating drill cuttings from a well, including screw rods connected to each other using a locking mechanism (Safokhin M.S., Katanov B.A., Drilling rig operator at quarries. - M .: Nedra, 1992, p. 54 , Fig. 3.13 a).
К недостаткам этого устройства следует отнести: ограничение механической скорости бурения за счет недостаточной транспортирующей способности бурового става, состоящего из шнековых штанг; низкую износостойкость спиралей штанг; возможность заклинивания (прихватывания) бурового става при бурении в мягких обводненных породах.The disadvantages of this device include: the restriction of the mechanical drilling speed due to the insufficient transporting ability of the drill stand, consisting of auger rods; low wear resistance of rod spirals; the possibility of jamming (grabbing) of the drill stand when drilling in soft flooded rocks.
Известно устройство для эвакуации бурового шлама из скважины, включающее шнековые буровые штанги для бурения с шнекопневматической очисткой, с различной формой спирали (Сафохин М.С., Катанов Б.А. Машинист буровой установки на карьерах. - М.: Недра, 1992, с.55, рис 3.15).A device for evacuating drill cuttings from a well, including auger drill rods for drilling with auger-pneumatic cleaning, with a different spiral shape (Safokhin MS, Katanov B.A., Drilling rig operator at quarries. - M .: Nedra, 1992, p. .55, Figure 3.15).
К недостаткам этого устройства следует отнести: большие затраты мощности на вращение бурового става, состоящего из шнековых штанг; сложность конструкции и трудоемкость изготовления шнековых штанг. Кроме того, шнековый буровой став увеличенного диаметра обладает большой массой, его изнашивание носит интенсивный характер, а восстановление требует значительных затрат.The disadvantages of this device include: high power costs for the rotation of the drill stand, consisting of auger rods; the complexity of the design and the complexity of manufacturing auger rods. In addition, the auger drilling rig of an increased diameter has a large mass, its wear is intense, and recovery requires significant costs.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является принятое за прототип устройство для осуществления способа эвакуации бурового шлама из скважины, включающее буровой став, состоящий из долота, а также концевой и основных буровых штанг с центральным каналом для прохода воздуха (Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1987, с.210-212, рис.7.12).Closest to the proposed technical solution is the device adopted for the prototype for implementing the method of evacuation of drill cuttings from a well, including a drill stand, consisting of a bit, as well as the end and main drill rods with a central channel for air passage (Ivanov K.I., Latyshev V .A., Andreev VD Drilling technique in the development of mineral deposits. - M .: Nedra, 1987, p. 210-212, Fig. 7.12).
Недостатки прототипа заключаются в том, что в процессе бурения отсутствует возможность регулирования концентрации потока бурового шлама путем регулирования параметров сжатого воздуха, поступающего в скважину. Это может привести к зашламовыванию призабойной зоны и продувочного канала долота, особенно при повышении скорости бурения в мягких прослойках породы.The disadvantages of the prototype are that in the drilling process there is no possibility of regulating the concentration of the flow of drill cuttings by adjusting the parameters of the compressed air entering the well. This can lead to sludging of the bottomhole zone and the purge channel of the bit, especially with an increase in the drilling speed in soft rock layers.
Основными задачами изобретения являются: повышение эффективности процесса эвакуации бурового шлама и снижение удельных затрат на бурение скважин путем уменьшения расхода сжатого воздуха по сравнению с применением пневмоочистки, проходки глин и закарстованных массивов без тяжелых шнеков, снижения расходов на изготовление и ремонт бурового става, соответствия параметров сжатого воздуха условиям очистки скважины.The main objectives of the invention are: increasing the efficiency of the process of evacuation of drill cuttings and reducing unit costs for drilling wells by reducing the consumption of compressed air compared with the use of pneumatic cleaning, sinking clay and karst massifs without heavy augers, reducing the cost of manufacturing and repairing the drill stand, matching compressed air cleaning conditions of the well.
Поставленные задачи достигаются тем, что способ эвакуации бурового шлама из скважины, включающий его транспортирование на поверхность сжатым воздухом, подаваемым через центральный канал бурового става и продувочные каналы долота на забой и далее, вместе с буровым шламом, в затрубную зону, предусматривает, что в буровом ставе, образующем со стенками скважины призабойную, шнековую и затрубную зоны, сжатый воздух разделяют на два потока с равными расходами, первый из которых подают непосредственно в затрубную зону, второй - в призабойную зону, из которой он, вместе с буровым шламом, образуя воздушно-шламовый поток, поступает в шнековую зону и далее, в затрубную зону скважины, где соединяется с первым потоком сжатого воздуха; при этом из шнековой зоны эвакуацию бурового шлама производят комбинированно шнековым и пневматическим транспортированием, а из затрубной зоны скважины до ее устья буровой шлам транспортируют энергией сжатого воздуха, причем на границе шнековой и затрубной зон воздушно-шламовый поток подвергают эжекции первым потоком сжатого воздуха; кроме того, во всех зонах скважины осуществляют автоматическое регулирование концентрации потока бурового шлама путем регулирования параметров сжатого воздуха с помощью механизма управления.The objectives are achieved in that the method of evacuation of drill cuttings from the well, including transporting it to the surface with compressed air supplied through the central channel of the drill stand and blowing channels of the bit to the bottom and then, together with the drill cuttings, into the annular zone, provides that in the drill the stand forming the bottomhole, screw and annular zones with the walls of the well, the compressed air is divided into two flows with equal flow rates, the first of which is supplied directly to the annular zone, the second to the bottomhole zone y, from which it, together with the cuttings, forming a slurry of air-flow enters the auger and the further zone in the well annulus zone where it joins with the first stream of compressed air; in this case, drill cuttings are evacuated from the screw zone combined by screw and pneumatic transportation, and from the annular zone of the well to its mouth, drill cuttings are transported with compressed air energy, and at the interface between the screw and annular zones, the air-slurry stream is ejected with the first stream of compressed air; in addition, in all zones of the well, automatic control of the concentration of drill cuttings is carried out by adjusting the parameters of compressed air using a control mechanism.
Поставленные задачи достигаются также тем, что в устройстве для осуществления способа эвакуации бурового шлама из скважины, включающем буровой став, состоящий из долота с продувочным каналом, и концевой и основных буровых штанг с центральным каналом для прохода воздуха, буровой став снабжен шнековым забурником-эвакуатором, имеющим центральный канал для подачи сжатого воздуха в призабойную зону, и верхним и нижним конусами, образующими со стенками скважины соответственно диффузорный и конфузорный участки для эжекции воздушно-шламового потока, основные и концевая буровые штанги выполнены гладкоствольными, причем нижний конус присоединен к долоту, а верхний конус присоединен к концевой буровой гладкоствольной штанге, при этом в верхнем конусе шнекового забурника-эвакуатора выполнены эжекционные каналы и смонтирован механизм управления для разделения потока сжатого воздуха и регулирования его параметров; кроме того, в верхнем конусе установлены съемные насадки, направленные вверх под острым углом к оси скважины, а механизм управления содержит подвижный клапан с проходными каналами, который расположен непосредственно под эжекционными каналами и зафиксирован от вращения регулирующей гайкой; при этом эжекционные каналы шнекового забурника-эвакуатора и проходные каналы подвижного клапана выполнены с равными площадями сечений, сумма которых равна площади сечения продувочного канала долота, для обеспечения равенства расходов потоков сжатого воздуха, подаваемых в затрубную и призабойную зоны скважины, при их разделении и регулировании; вместе с тем параметры шнекового забурника-эвакуатора отвечают условиям, при которых скорости сжатого воздуха в призабойной и шнековой зонах скважины находятся в зависимости:The tasks are also achieved by the fact that in the device for implementing the method of evacuation of drill cuttings from a well, including a drill stand, consisting of a bit with a purge channel, and an end and main drill rods with a central channel for air passage, the drill stand is equipped with a screw tow truck, having a central channel for supplying compressed air to the bottomhole zone, and upper and lower cones, forming with the walls of the well, respectively, diffuser and confuser sections for ejection of air-slurry flow, main and end drill rods are made smooth-bore, with the lower cone attached to the bit, and the upper cone connected to the end smooth-bore drill rod, while in the upper cone of the auger bump-evacuator, ejection channels are made and a control mechanism for separating the compressed air flow and regulation is mounted its parameters; in addition, removable nozzles are installed in the upper cone, directed upward at an acute angle to the axis of the well, and the control mechanism comprises a movable valve with passage channels, which is located directly under the ejection channels and is fixed from rotation by the adjusting nut; while the ejection channels of the screw bump-evacuator and the passageways of the movable valve are made with equal cross-sectional areas, the sum of which is equal to the cross-sectional area of the blowing channel of the bit, to ensure equal flow rates of compressed air supplied to the annular and bottom-hole zones of the well, when they are divided and regulated; at the same time, the parameters of the screw bump-tow truck meet the conditions under which the speeds of compressed air in the bottomhole and screw zones of the well depend on:
где Vпр и Vш - скорости сжатого воздуха соответственно в призабойной и шнековой зонах скважины, м/с; Мпр и Мш - силы давления сжатого воздуха, действующие на частицы бурового шлама соответственно в призабойной и шнековой зонах скважины, Н; а=Sпр/Sш - аэродинамический коэффициент, равный отношению площадей сечений призабойной и шнековой зон скважины, м2; при этом в механизме управления диапазон регулирования параметров сжатого воздуха, обеспечивающих концентрацию потока бурового шлама, не превышающую предельно допустимых значений устанавливают исходя из условия:where V CR and V W - the speed of compressed air, respectively, in the bottomhole and screw zones of the well, m / s; M CR and M W - pressure forces of compressed air acting on particles of drill cuttings, respectively, in the bottomhole and screw zones of the well, N; a = S CR / S W - aerodynamic coefficient equal to the ratio of the cross-sectional areas of the bottomhole and screw zones of the well, m 2 ; while in the control mechanism, the control range of the parameters of the compressed air, ensuring the concentration of the drill cuttings stream, not exceeding the maximum permissible values, is set based on the condition:
G=ΔР·Sk,G = ΔP · S k ,
где G - вес подвижного клапана, Н; ΔР - заданный перепад давления сжатого воздуха в центральных каналах шнекового забурника-эвакуатора и гладкоствольной штанги при зашламовывании забоя, Па; Sk - площадь сечения днища подвижного клапана, м2.where G is the weight of the movable valve, N; ΔР - predetermined pressure drop of compressed air in the central channels of the screw bump-evacuator and smooth-bore rod when slamming the face, Pa; S k - the cross-sectional area of the bottom of the movable valve, m 2 .
Причинно-следственная связь существенных признаков, характеризующих предлагаемый способ эвакуации бурового шлама из скважины, с достигаемыми техническими и технологическими результатами заключается в следующем.The causal relationship of the essential features characterizing the proposed method for the evacuation of drill cuttings from the well with the achieved technical and technological results is as follows.
Разделение сжатого воздуха на потоки с равными расходами как отличительный признак создает эвакуацию бурового шлама во всех зонах скважины с максимально стабильной концентрацией бурового шлама, не превышающей предельно допустимых значений. Если поток сжатого воздуха, подаваемого в призабойную зону, будет иметь больший расход, чем поток сжатого воздуха, подаваемого в затрубную зону, то вследствие большей скорости воздушно-шламового потока в призабойной и шнековой зонах возможно зашламовывание затрубной зоны, особенно в месте соединения шнекового забурника-эвакуатора и гладкоствольной штанги. Если поток сжатого воздуха, подаваемого в призабойную зону, будет иметь меньший расход, чем поток сжатого воздуха, подаваемого в затрубную зону, возможно зашламовывание призабойной или шнековой зоны скважины вследствие уменьшения скорости воздушно-шламового потока в этих зонах либо из-за возникновения противодействия воздушного потока в затрубной зоне, способного направить его вниз по скважине. Раздельная подача сжатого воздуха в призабойную и затрубную зоны позволяет осуществлять эжекцию воздушно-шламового потока, что увеличивает порозность шламового слоя, снижает концетрацию потока бурового шлама и облегчает его эвакуацию на поверхность скважины за счет придания ему в затрубной зоне дополнительной скорости подъема. Кроме того, стабильная концентрация обеспечивается возможностью ее автоматического регулирования путем регулирования параметров сжатого воздуха (давления и расхода) в зонах скважины.The separation of compressed air into flows with equal costs as a distinctive feature creates the evacuation of drill cuttings in all zones of the well with the most stable concentration of drill cuttings, not exceeding the maximum permissible values. If the flow of compressed air supplied to the bottomhole zone will have a greater flow rate than the flow of compressed air supplied to the annular zone, then due to the higher velocity of the air-slurry flow in the bottomhole and screw zones, the annulus can be sludge, especially at the junction of the screw bore tow truck and smoothbore bar. If the flow of compressed air supplied to the bottomhole zone has a lower flow rate than the flow of compressed air supplied to the annular zone, the bottomhole or screw zone of the well may be sludged due to a decrease in the rate of air-slurry flow in these zones or due to the occurrence of counteraction of the air flow in the annulus, capable of directing it down the well. Separate supply of compressed air to the bottomhole and annular zones allows ejection of the air-sludge stream, which increases the porosity of the sludge layer, reduces the concentration of the drill cuttings stream and facilitates its evacuation to the well surface by giving it an additional lifting speed in the annular zone. In addition, a stable concentration is ensured by the possibility of its automatic regulation by adjusting the parameters of compressed air (pressure and flow) in the zones of the well.
Причинно-следственная связь существенных признаков, характеризующих предлагаемое устройство для осуществления способа эвакуации бурового шлама из скважины, с достигаемыми техническими и технологическими результатами заключается в следующем.The causal relationship of the essential features characterizing the proposed device for implementing the method of evacuation of drill cuttings from the well with the achieved technical and technological results is as follows.
Формирование бурового става из гладкоствольных буровых штанг и шнекового забурника-эвакуатора и распределение в нем потоков сжатого воздуха, подаваемых раздельно в затрубную зону и на забой, обеспечивает эффективную эвакуацию бурового шлама во всех зонах скважины с минимальными энергетическими затратами на выработку сжатого воздуха и преодоление сил трения бурового става о породу и породы о стенки скважины и буровой став. Указанный отличительный признак заявляемого изобретения создает условия для существенного уменьшения длины шнековой части бурового става по сравнению со шнековой и шнекопневматической очисткой до размеров, равных 6-8 диаметрам скважины, что согласуется с конструкцией буровых станков и соответствует расстоянию от устья скважины до направляющих и центрирующих устройств платформы станков. Это приводит к снижению требуемой мощности вращателя, одновременно улучшает условия бурения глинистых пород и закарстованных массивов.The formation of a drill stand from smooth-bore drill rods and a screw bump-tow truck and the distribution of compressed air flows in it separately to the annular zone and to the bottom ensures efficient evacuation of drill cuttings in all zones of the borehole with minimal energy costs for generating compressed air and overcoming friction forces drill stave about the rock and rock about the wall of the well and the drill stave. The specified distinctive feature of the claimed invention creates the conditions for a significant reduction in the length of the screw part of the drill string compared with screw and screw pneumatic cleaning to sizes equal to 6-8 well diameters, which is consistent with the design of the drilling rigs and corresponds to the distance from the wellhead to the guides and centering devices of the platform machine tools. This leads to a decrease in the required power of the rotator, while improving the drilling conditions of clay rocks and karst massifs.
Наличие на шнековом забурнике-эвакуаторе нижнего и верхнего конусов создает между их поверхностями и стенками скважины соответственно диффузорный и конфузорный сечения. В диффузорном сечении скорость сжатого воздуха уменьшается, что обеспечивает дополнительный напор воздуха, увеличивающий силу давления, действующую на частицы бурового шлама в шнековой зоне скважины. В конфузорном сечении, в месте соединения шнекового забурника-эвакуатора и гладкоствольной штанги, скорость сжатого воздуха увеличивается, а давление снижается. При подаче потока сжатого воздуха в конфузорное сечение через эжекционные каналы и съемные насадки шнекового забурника-эвакуатора происходит дополнительный рост скорости и снижение давления, что приводит к эжекции образованного на забое скважины воздушно-шламового потока в конфузорном сечении и повышению его скорости в затрубной зоне скважины. Этот отличительный признак предлагаемого устройства приводит к увеличению порозности шламового слоя и уменьшению концентрации твердой фазы в воздушно-шламовом потоке.The presence of the lower and upper cones on the screw bunker-tow truck creates, respectively, diffuser and confusor sections between their surfaces and the walls of the well. In the diffuser section, the compressed air velocity decreases, which provides an additional air pressure that increases the pressure force acting on the particles of drill cuttings in the auger zone of the well. In the confuser section, at the junction of the screw bump-tow truck and smooth-bore rod, the speed of compressed air increases and the pressure decreases. When a stream of compressed air is supplied to the confuser section through the ejection channels and removable nozzles of the auger bump-evacuator, an additional increase in speed and a decrease in pressure occur, which leads to the ejection of the air-sludge stream formed at the bottom of the well in the confuser section and an increase in its velocity in the annulus of the well. This distinguishing feature of the proposed device leads to an increase in the porosity of the slurry layer and a decrease in the concentration of the solid phase in the air-slurry stream.
Возможность регулирования площадей сечений эжекционных каналов как отличительный признак заявляемого изобретения позволяет регулировать параметры сжатого воздуха. Так, при зашламовывании призабойной или шнековой зоны (например, в случае бурения встретившихся пропластков с небольшой крепостью, когда резко увеличивается скорость проходки) вследствие увеличения давления в центральном канале шнекового забурника-эвакуатора подвижный клапан, поднимаясь вверх, изменяет площадь сечений эжекционных каналов, при этом регулируя не только параметры сжатого воздуха, но и концентрацию твердой фазы в воздушно-шламовом потоке.The ability to control the cross-sectional area of the ejection channels as a hallmark of the claimed invention allows you to adjust the parameters of compressed air. So, when the bottomhole or auger zone is sludged (for example, in the case of drilling of encountered strata with a small strength, when the penetration rate sharply increases) due to an increase in pressure in the central channel of the auger towing-tow truck, the movable valve, rising upwards, changes the cross-sectional area of the ejection channels, while regulating not only the parameters of compressed air, but also the concentration of the solid phase in the air-sludge stream.
Применение подвижного клапана как отличительный признак предлагаемого устройства позволяет осуществлять регулирование параметров сжатого воздуха в диапазоне, который устанавливается зависимостью между весом подвижного клапана и величиной перепада давления в центральных каналах шнекового забурника-эвакуатора и гладкоствольной штанги. Чем меньше будет вес подвижного клапана, тем меньше будет диапазон регулирования давления и расхода сжатого воздуха, а следовательно, стабильнее уровень концентрации бурового шлама в воздушно-шламовом потоке. При этом значение перепада давления ΔР устанавливается исходя из требуемого значения расхода воздуха, обеспечивающего концентрацию потока бурового шлама, не превышающую предельно допустимых значений.The use of a movable valve as a hallmark of the proposed device allows you to control the parameters of compressed air in the range that is established by the relationship between the weight of the movable valve and the pressure drop in the central channels of the screw bump-tow truck and smooth-bore rod. The smaller the weight of the movable valve, the smaller the range of regulation of pressure and flow rate of compressed air, and therefore, the more stable the level of concentration of drill cuttings in the air-slurry stream. In this case, the pressure drop ΔР is set based on the required value of the air flow rate, ensuring the concentration of the drill cuttings stream, not exceeding the maximum permissible values.
Параметры шнекового забурника-эвакуатора (шаг между витками, угол подъема спирали, диаметры шнека и вала) устанавливают такими, чтобы обеспечить максимальные значения силы давления потока сжатого воздуха, действующего на частицы бурового шлама в шнековой зоне скважины. Это достигается при условии, если угол между векторами абсолютной и переносной скоростей этих частиц равен 45°.The parameters of the screw bump-tow truck (pitch between turns, spiral angle, screw and shaft diameters) are set so as to provide maximum pressure values for the compressed air flow acting on the particles of drill cuttings in the borehole screw zone. This is achieved provided that the angle between the vectors of the absolute and portable velocities of these particles is 45 °.
Этот отличительный признак заявляемого изобретения позволяет достичь максимальных значений скорости воздушного потока в шнековой зоне скважины, при установленных значениях заданных режимов и условий процесса бурения скважины.This distinctive feature of the claimed invention allows to achieve maximum values of the air flow velocity in the auger zone of the well, at the set values of the specified modes and conditions of the well drilling process.
Таким образом, совокупность новых существенных решений позволяет повысить эффективность процесса эвакуации бурового шлама и снизить затраты на бурение скважин путем уменьшения расхода сжатого воздуха по сравнению с применением гладкоствольного бурового става, проходки глин и закарстованных массивов без тяжелых шнеков, соответствия параметров сжатого воздуха условиям очистки скважины. Этими новыми решениями, в конечном итоге, достигаются поставленные задачи.Thus, the totality of new significant solutions allows to increase the efficiency of the drill cuttings evacuation process and reduce the cost of drilling wells by reducing the consumption of compressed air compared to the use of a smooth-bore drilling stand, sinking clay and karst massifs without heavy augers, and matching the compressed air parameters to the conditions for cleaning the well. These new solutions ultimately achieve the objectives.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено: на фиг.1 - общий вид бурового става; на фиг.2 - узел А на фиг.1; на фиг.3 - подвижный клапан; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.5 - регулирующая гайка; на фиг.6 - разрез В-В на фиг.5; на фиг.7 - разрез Г-Г на фиг.2; на фиг.8 - положение подвижного клапана при открытых эжекционных каналах; на фиг.9 - положение подвижного клапана при закрытых эжекционных каналах.The invention is illustrated by graphic materials, which depict: in figure 1 - General view of the drill stand; figure 2 - node a in figure 1; figure 3 - movable valve; figure 4 is a section bB in figure 3; figure 5 - regulatory nut; figure 6 - section bb in figure 5; in Fig.7 is a section GG in Fig.2; on Fig - position of the movable valve with open ejection channels; figure 9 - position of the movable valve with closed ejection channels.
Устройство для осуществления способа эвакуации бурового шлама из скважины содержит (фиг.1) буровой став с гладкоствольными штангами 1, из которых концевая штанга соединена со шнековым забурником-эвакуатором 2. Гладкоствольные штанги 1 со стенкой скважины 3 образуют затрубную зону I-II, а шнековый забурник-эвакуатор 2 со стенкой скважины 3 образуют шнековую зону II-III. На шнековом забурнике-эвакуаторе 2 установлены верхний конус 4 и нижний конус 5, которые со стенками скважины 3 образуют соответственно конфузорный участок (в области сечения II-II) и диффузорный участок (в области сечения III-III). В нижний конус 5 шнекового забурника-эвакуатора 2 установлено долото 6, которое со скважиной 3 образует призабойную зону III-IV. Гладкоствольная штанга 1 содержит центральный канал 7 (фиг.2) и муфту 8, в которой закреплен шнековый забурник-эвакуатор 2 с помощью ниппеля 9. В верхнем конусе 4 шнекового забурника-эвакуатора 2 установлен механизм управления, содержащий подвижный клапан 10 (фиг.2-4), расположенный непосредственно под эжекционными каналами 11 и зафиксированный от вращения регулирующей гайкой 12 (фиг.2 и 5) посредством выступов 13 (фиг.6). Шнековый забурник-эвакуатор 2 содержит спираль 14, витки которой расположены под острым углом к горизонтальной плоскости. Подвижный клапан 10 имеет конусную часть 15 (фиг.4), цилиндрическую часть 16, проходные каналы 17 и днище 18, находящееся непосредственно над центральным каналом 19 шнекового забурника-эвакуатора 2 (фиг.2).A device for implementing a method for evacuating drill cuttings from a well contains (Fig. 1) a drill stand with
Осуществляется способ и работает устройство следующим образом.The method is implemented and the device operates as follows.
Сжатый воздух с расходом Fk от компрессора бурового станка подается через центральный канал 7 гладкоствольной штанги 1 в верхний конус 4 шнекового забурника-эвакуатора 2 (фиг.1), где распределяется на два потока с расходами F1 и F2 с помощью подвижного клапана 10 (фиг.2). Один поток сжатого воздуха с расходом F1, отражаясь от конусной части 15 подвижного клапана 10, поступает через эжекционные каналы 11 (фиг.8) и насадки (не показаны) в затрубную зону I-II (фиг.1). Другой поток сжатого воздуха с расходом F2 через проходные каналы 17 клапана 10 (фиг.3) поступает в центральный канал 19 (фиг.2 и 8) шнекового забурника-эвакуатора 2 и далее, через продувочные каналы долота 6 на забой скважины 3 (сечение IV-IV, фиг.1). В призабойной зоне III-IV скважины сжатый воздух с расходом F2 поднимает буровой шлам и подает его на первый виток шнекового забурника-эвакуатора 2. Образующийся в призабойной зоне III-IV воздушно-шламовый поток перемещается вверх по межвитковому пространству, образуемому витками спирали 14 (в шнековой зоне скважины), установленной на шнековом забурнике-эвакуаторе 2. В шнековой зоне скважины эвакуация бурового шлама, таким образом, происходит комбинированно: за счет потока сжатого воздуха, создающего силу давления, действующую на частицы бурового шлама, и за счет сил трения этих частиц о витки спирали 14 и стенку скважины 3.Compressed air with a flow rate F k from the compressor of the drilling rig is fed through the
Поток сжатого воздуха с расходом F1 при выходе с большой скоростью из эжекционных каналов 11 и насадок шнекового забурника-эвакуатора 2 поступает в конфузорный участок, образуемый верхним конусом 4 и стенкой скважины 3, где создается эжекционное сечение II-II с давлением сжатого воздуха, значения которого ниже давления воздушно-шламового потока, поступающего из шнековой зоны II-III скважины 3. В эжекционное сечение II-II устремляется воздушно-шламовый поток; при этом увеличивается порозность шламового слоя и снижается концентрация твердой фазы (шлама). Далее, в затрубной зоне I-II, до устья скважины, эвакуация бурового шлама осуществляется энергией объединенных потоков сжатого воздуха с расходом Fk=F1+F2.A stream of compressed air with a flow rate of F 1 when exiting at high speed from the
Для обеспечения бесперебойного шламоудаления площадь сечения проходных каналов 17 подвижного клапана 10 принята равной площади сечений эжекционных каналов 11, выполненных в верхнем конусе 4 шнекового забурника-эвакуатора 2, а их сумма равна площади сечения продувочного канала долота 6. При этом обеспечивается равенство расходов потоков сжатого воздуха, разделяемых в верхнем конусе 4 шнекового забурника-эвакуатора 2, то есть F1=F2=0,5Fk. При F1<F2 может произойти зашламовывание затрубной зоны I-II скважины 3. При F1>F2 из-за падения скорости воздуха может произойти зашламовывание призабойной зоны III-IV или шнековой зоны II-III скважины 3. Кроме того, в затрубной зоне II-III возможно возникновение противодавления, при котором поток сжатого воздуха с расходом F1 может устремиться вниз и приостановить эвакуацию бурового шлама.To ensure uninterrupted sludge removal, the cross-sectional area of the
Равенство расходов разделенных потоков сжатого воздуха, обеспечиваемое с помощью равенства площадей сечений проходных каналов 17 подвижного клапана 10, создает устойчивый режим эвакуации бурового шлама из скважины. Подвижный клапан 10 при этом займет нижнее положение в шнековом забурнике-эвакуаторе 2 (фиг.8). В случае нарушения устойчивого режима эвакуации бурового шлама из скважины (например, при увеличении скорости проходки скважины во встретившихся прослойках с небольшим коэффициентом крепости повысится концентрация бурового шлама), вследствие повышения стесненности движения, расход сжатого воздуха на выходе из долота 6 снизится. В результате этого, в центральном канале 19 шнекового забурника-эвакуатора 2, а следовательно, в области Ж (фиг.2) давление сжатого воздуха возрастет на величину ΔР, по сравнению с давлением в области Е, и, действуя на днище 18 подвижного клапана 10, поднимет его вверх (фиг.9). Таким образом, включится в работу механизм управления: подвижный клапан 10 своей цилиндрической частью 16 перекроет часть площади сечений эжекционных каналов 11. При этом ширина эжекционных каналов 11 уменьшится на величину Δh=h1-h2, что приведет к снижению расхода сжатого воздуха на величину ΔF=F1-F1 1 (фиг.8). Вместе с этим, при подъеме подвижного клапана 10 увеличится ширина проходных каналов 17 на величину Δl=l2-l1. В этом случае произойдет перераспределение расходов F1 и F2 потоков сжатого воздуха. В зону забоя долота 6 через центральный канал 19 шнекового забурника-эвакуатора 2 поступит поток сжатого воздуха с расходом F2 1=F2+ΔF, который увеличит скорость воздушно-шламового потока в призабойной и шнековой зонах и стабилизирует режим эвакуации бурового шлама, снизив уровень стесненности движения за счет увеличения порозности шламового слоя и уменьшения концентрации твердой фазы в воздушно-шламовом потоке. Давление в наддолотной части, центральном канале 19 шнекового забурника-эвакуатора 2 понизится, подвижный клапан 10 займет крайнее нижнее положение в верхнем конусе 4, открыв эжекционные каналы 11. Это приведет к выравниванию расходов F1 и F2 потоков сжатого воздуха и их давлений в областях Е и Ж и обеспечит устойчивый режим эвакуации бурового шлама. Для эффективного регулирования параметров сжатого воздуха подвижный клапан 10 в верхнем конусе 4 шнекового забурника-эвакуатора 2 устанавливают таким образом, чтобы его проходные каналы 17 не совпадали с эжекционными каналами 11. Это достигается посредством регулирующей гайки 12, выступы 13 которой входят в проходные каналы 17 подвижного клапана 10. При резьбовом соединении регулирующей гайки 12 в верхнем конусе 4 между проходными каналами 17 и эжекционными каналами 11 устанавливают угол α=45° (фиг.7). Резьбовое соединение регулирующей гайки 12 с верхним конусом 4 позволяет регулировать ход подвижного клапана 10, что дает возможность обеспечить равенство площадей сечений проходных каналов 17 и эжекционных каналов 11.The equality of the costs of the separated flows of compressed air, ensured by the equality of the cross-sectional areas of the
Параметры шнекового забурника-эвакуатора 2, такие как угол подъема спирали, шаг спирали, диаметр шнека и диаметр вала, устанавливают из условия обеспечения максимальной скорости потока сжатого воздуха в шнековой зоне скважины, при этом значения силы давления воздушного потока, действующие на частицы бурового шлама, будут иметь также максимальные значения, если угол между векторами абсолютной и переносной скоростями движения этих частиц будет равен 45°.The parameters of the screw bump-tow truck 2, such as the angle of the spiral, the pitch of the spiral, the diameter of the auger and the diameter of the shaft, are determined from the condition of ensuring the maximum flow rate of compressed air in the auger zone of the well, while the pressure values of the air flow acting on the particles of drill cuttings, will also have maximum values if the angle between the vectors of the absolute and portable velocities of these particles is 45 °.
Например, при бурении песчаников крепостью f=6-8 долотом с тремя зубчато-дисковыми шарошками, имеющим диаметр 244,5 мм, установленным на буровом станке типа СБШ, со скоростью бурения Vп=1,5 м/мин, частотой вращения бурового става n=125 мин-1, при давлении сжатого воздуха, подаваемого компрессором Р=0,6 МПа, расходе Fk=20 м3/мин, рациональные параметры шнекового забурника-эвакуатора 2 и параметры потока сжатого воздуха в межвитковой зоне скважины будут иметь следующие значения (табл.1).For example, when drilling sandstones with a strength of f = 6-8, a bit with three gear-disk cones, having a diameter of 244.5 mm, installed on a drilling rig of the SBSh type, with a drilling speed of V p = 1.5 m / min, and a rotational speed of the drill stand n = 125 min -1 , at a pressure of compressed air supplied by the compressor P = 0.6 MPa, flow rate F k = 20 m 3 / min, the rational parameters of the screw bump-tow truck 2 and the parameters of the compressed air flow in the inter-turn zone of the well will have the following values (table 1).
Рациональные параметры шнекового забурника-эвакуатора и потока сжатого воздуха в шнековой зоне скважиныTable 1
Rational parameters of auger boulevard tow truck and compressed air flow in auger zone of a well
Примечание: Н - шаг спирали; Д - диаметр шнека; d - диаметр вала; α - угол подъема спирали; а - аэродинамический коэффициент; Мш - максимальная сила давления сжатого воздуха, действующая на частицы бурового шлама в шнековой зоне скважины; Мпр - сила давления сжатого воздуха, действующая на частицы бурового шлама в призабойной зоне.Note: H - spiral pitch; D is the diameter of the screw; d is the shaft diameter; α is the angle of the spiral; а - aerodynamic coefficient; M W - the maximum pressure force of compressed air acting on particles of drill cuttings in the auger zone of the well; M CR - the pressure force of compressed air acting on particles of drill cuttings in the bottomhole zone.
Для принятых условий бурения параметры сжатого воздуха в зонах скважины при реализации предлагаемого способа, по сравнению с прототипом, будут иметь следующие значения (табл.2).For the adopted drilling conditions, the parameters of compressed air in the zones of the well during the implementation of the proposed method, in comparison with the prototype, will have the following values (table 2).
Диапазон регулирования параметров сжатого воздуха (давления и расхода) устанавливают исходя из условия обеспечения такой концентрации потока бурового шлама, которая не должна превышать предельно допустимых значений. Это достигается путем установления заданных значений перепада давления в центральном канале 19 шнекового забурника-эвакуатора 2 и центральном канале 7 гладкоствольной штанги 1 при зашламовывании призабойной или шнековой зоны.The control range of the parameters of compressed air (pressure and flow rate) is set based on the conditions for ensuring such a concentration of drill cuttings flow, which should not exceed the maximum permissible values. This is achieved by setting the preset values of the pressure drop in the
Параметры сжатого воздуха при эвакуации бурового шлама (числитель - предлагаемый способ, знаменатель - прототип)table 2
The parameters of the compressed air during the evacuation of drill cuttings (the numerator is the proposed method, the denominator is the prototype)
В зависимости от величины заданных значений перепада давления выбирают вес подвижного клапана 10. Так, при предельно допустимой концентрации потока бурового шлама до 0,01 м3/м3 требуемый расход сжатого воздуха в призабойной и шнековой зонах должен быть равным F1=8-10 м3/мин. При этом заданный перепад давления должен быть ΔР=0,001-0,004 МПа. Для принятых условий бурения значения веса подвижного клапана 10 даны в табл.3.Depending on the magnitude of the set values of the differential pressure, the weight of the movable valve is selected 10. So, at the maximum permissible concentration of drill cuttings flow up to 0.01 m 3 / m 3, the required flow rate of compressed air in the bottomhole and screw zones should be equal to F 1 = 8-10 m 3 / min. In this case, the specified pressure drop should be ΔР = 0.001-0.004 MPa. For the accepted drilling conditions, the weight values of the
Значения веса подвижного клапанаTable 3
Valve Weight Values
Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют повысить эффективность процесса эвакуации бурового шлама за счет управления (авторегулирования) его концентрацией посредством изменения режимов подачи сжатого воздуха, снизить затраты на бурение, осуществлять проходку глинистых пород и закарстованных массивов с меньшими затратами на процесс бурения, снизить мощность вращателя бурового станка, уменьшить расходы на изготовление и ремонт сложных по конструкции шнеков.Thus, the proposed method and device can improve the efficiency of the process of evacuation of drill cuttings by controlling (auto-regulation) its concentration by changing the compressed air supply, reduce drilling costs, drill clay rocks and karst massifs with lower costs for the drilling process, reduce power rotator of the drilling rig, reduce the cost of manufacturing and repairing augers complex in design.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004131410/03A RU2281378C2 (en) | 2004-10-27 | 2004-10-27 | Method and device for drilling mud removal from hole |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004131410/03A RU2281378C2 (en) | 2004-10-27 | 2004-10-27 | Method and device for drilling mud removal from hole |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004131410A RU2004131410A (en) | 2006-04-10 |
| RU2281378C2 true RU2281378C2 (en) | 2006-08-10 |
Family
ID=36458664
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004131410/03A RU2281378C2 (en) | 2004-10-27 | 2004-10-27 | Method and device for drilling mud removal from hole |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2281378C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2623372C2 (en) * | 2011-12-22 | 2017-06-26 | Леонид Борисович Добролюбов | Rolling drilling bit |
| RU2747872C1 (en) * | 2020-10-16 | 2021-05-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" | Pneumatic ejection tow truck |
| RU2782727C2 (en) * | 2021-04-30 | 2022-11-01 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" | Pneumo-ejection device for removal of drill cuttings |
-
2004
- 2004-10-27 RU RU2004131410/03A patent/RU2281378C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЛОПАТИН Ю.С. и др. Бурение взрывных скважин на карьерах. - М.: Недра, 1979, с.57-110. ИВАНОВ К.И. и др. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1987, с.210-212, рис.7.12. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2623372C2 (en) * | 2011-12-22 | 2017-06-26 | Леонид Борисович Добролюбов | Rolling drilling bit |
| RU2747872C1 (en) * | 2020-10-16 | 2021-05-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" | Pneumatic ejection tow truck |
| RU2782727C2 (en) * | 2021-04-30 | 2022-11-01 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" | Pneumo-ejection device for removal of drill cuttings |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2004131410A (en) | 2006-04-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20100307830A1 (en) | Method and system for particle jet boring | |
| US7748478B2 (en) | Percussion drilling assembly and hammer bit with an adjustable choke | |
| CN109653691B (en) | Hydraulic and mechanical compound controllable rock debris bed cleaning tool | |
| CN1206441C (en) | Reverse cycle drilling method and equipment for oil well or gas well | |
| US11306538B2 (en) | Fluid operated drilling device and a method for drilling a hole using a fluid operated drilling device | |
| US4134619A (en) | Subterranean mining | |
| US20120048569A1 (en) | Downhole Draw-Down Pump and Method | |
| CN113338801B (en) | Fluidized hydraulic coal mining method for directional drilling on ground | |
| CN113338802B (en) | Fluidized hydraulic coal mining system for ground directional drilling | |
| US6237702B1 (en) | Hydraulic underreamer and sections for use thereof | |
| CN203729888U (en) | Special-purpose crossover circulation bit for through type pneumatic down-hole hammer | |
| US4474252A (en) | Method and apparatus for drilling generally horizontal bores | |
| EP1689966B1 (en) | Nozzle unit and method for excavating a hole in an object | |
| US5584352A (en) | Pneumatic drilling chip removal system and method | |
| US3216512A (en) | Well drilling | |
| US5307886A (en) | Method for casing a hole drilled in a formation | |
| RU2281378C2 (en) | Method and device for drilling mud removal from hole | |
| EP3256683B1 (en) | Dual circulation fluid hammer drilling system | |
| US4722403A (en) | Annular air-hammer apparatus for drilling holes | |
| RU2190089C1 (en) | Process of deep perforation of cased wells | |
| US3111176A (en) | Gas operated percussion drilling tool | |
| RU2747872C1 (en) | Pneumatic ejection tow truck | |
| RU2435925C1 (en) | Procedure for construction of horizontal drain hole in unstable moveable rock and drilling assembly for its implementation | |
| SU979616A1 (en) | Well-drilling method | |
| RU109193U1 (en) | DRILLING AND CLEANING EXPLOSIVE WELLS |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141028 |