RU2820828C1 - Method of well drilling with simultaneous casing - Google Patents

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: invention relates to mining equipment, namely to a method of drilling wells with simultaneous casing and can be used in construction. Method of drilling a well with simultaneous casing includes destruction of the central part of the well bottom by means of a percussion-rotary action on it with a working tool adapted to extract it from the well, with simultaneous movement of the casing pipe towards the bottom under the action of impact pulses transmitted to its lower end outside the well, using for this purpose percussion mechanisms in the mounting device fixed on the outer surface of the casing pipe. Peripheral part of the bottomhole is destroyed by a toothed shoe of the casing pipe, rotating it using the above percussion mechanisms, each of which is installed at an angle of not more than 20° to its axis in vertical position.

EFFECT: providing action on the peripheral part of the face with a serrated shoe, reducing power consumption, using less complex, expensive, and more repairable mechanisms.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к горной технике, а именно к способам бурения скважин с одновременной обсадкой, и может найти применение также в строительстве.The invention relates to mining technology, namely to methods for drilling wells with simultaneous casing, and can also find application in construction.

Известен способ бурения скважин с одновременной обсадкой по патенту РФ № 2750793, кл. Е21В 7/20, опубл. 02.07.2021, Бюл. № 19, включающий разрушение породы на забое скважины посредством ударно-вращательного действия на него обсадно-буровым инструментом с выдвижной головной частью, приспособленным для извлечения его из скважины, при одновременном продвижении обсадной трубы в сторону забоя под действием ударных импульсов. Ударные импульсы на обсадную трубу передают за пределами её внутреннего диаметра посредством подпружиненных упорных вкладышей, установленных в полостях обсадно-бурового инструмента с упором на упорную поверхность в передней части расточки опорной втулки, прикрепленной к передней части наружной поверхности обсадной трубы и имеющей в задней части расточки коническую поверхность, с помощью которой по окончании бурения упорные вкладыши поджимают и перемещают в указанные полости обсадно-бурового инструмента при извлечении его из скважины, при этом используют опорную втулку, имеющую наименьший внутренний диаметр не менее внутреннего диаметра обсадной трубы.There is a known method of drilling wells with simultaneous casing according to RF patent No. 2750793, class. E21B 7/20, publ. 07/02/2021, Bulletin. No. 19, including the destruction of rock at the bottom of the well through the impact-rotational action on it of a casing and drilling tool with a retractable head part, adapted for removing it from the well, while simultaneously moving the casing towards the bottom under the influence of shock pulses. Shock impulses are transmitted to the casing pipe outside its internal diameter by means of spring-loaded thrust liners installed in the cavities of the casing and drilling tool with emphasis on the thrust surface in the front part of the bore of the support sleeve, attached to the front part of the outer surface of the casing pipe and having a conical bore in the rear part a surface with the help of which, at the end of drilling, the thrust liners are pressed and moved into the indicated cavities of the casing and drilling tool when removing it from the well, while using a support sleeve having a smallest internal diameter not less than the internal diameter of the casing pipe.

Общими признаками аналога и предлагаемого технического решения являются: разрушение забоя скважины посредством ударно-вращательного действия на него рабочим инструментом, приспособленным для извлечения его из скважины, при одновременном продвижении обсадной трубы в сторону забоя под действием ударных импульсов, передаваемых на неё за пределами её внутреннего диаметра.The common features of the analogue and the proposed technical solution are: destruction of the bottom of the well through shock-rotational action on it with a working tool adapted to extract it from the well, while simultaneously moving the casing towards the bottom under the influence of shock pulses transmitted to it outside its internal diameter .

Недостатком данного способа является обязательное использование призабойной ударной машины для импульсного воздействия на обсадную трубу при её продвижении в сторону забоя, что усложняет реализацию способа, снижая надежность, и повышает его трудозатраты, увеличивая стоимость. Для эффективного применения обсадно-бурового инструмента при реализации данного способа необходимо увеличить упорную поверхность в его расточке, что ведет к повышению площади лобовой поверхности обсадной трубы, а значит, к повышению лобового сопротивления, увеличению энергозатрат при продвижении обсадной трубы и, как следствие, к снижению эффективности способа. Применение подпружиненных упорных вкладышей, подвергающихся постоянному динамическому воздействию в процессе реализации способа, ведет к их быстрому износу и поломке, что снижает надежность способа. Кроме того, опорная втулка с конусными и цилиндрическими расточками, применяемая в аналоге, является дорогостоящим изделием и её «невозврат» также повышает стоимость реализации рассматриваемого способа. Выдвижная складывающаяся головная часть обсадно-бурового инструмента является сложным дорогостоящим элементом конструкции, подвергающимся поломке, что также снижает надежность способа, увеличивая его стоимость. The disadvantage of this method is the mandatory use of a bottom-hole impact machine for pulse impact on the casing as it moves towards the bottom, which complicates the implementation of the method, reducing reliability, and increases its labor costs, increasing the cost. For the effective use of casing and drilling tools when implementing this method, it is necessary to increase the thrust surface in its boring, which leads to an increase in the frontal surface area of the casing pipe, and therefore to an increase in drag, an increase in energy consumption when advancing the casing pipe and, as a consequence, to a decrease effectiveness of the method. The use of spring-loaded thrust inserts, which are subject to constant dynamic impact during the implementation of the method, leads to their rapid wear and breakage, which reduces the reliability of the method. In addition, the support bushing with conical and cylindrical borings, used in the analogue, is an expensive product and its “non-return” also increases the cost of implementing the method in question. The retractable folding head of the casing and drilling tool is a complex, expensive structural element that is subject to breakdown, which also reduces the reliability of the method, increasing its cost.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ строительства свай по патенту Южной Кореи KR10-0837182, включающий установку свай или кожухов в землю, при которой работы по бурению и забивке выполняют одновременно, без вращения обсадной трубы.The closest in technical essence and set of essential features is the method of constructing piles according to the South Korean patent KR10-0837182, which includes installing piles or casings into the ground, in which drilling and driving work is carried out simultaneously, without rotating the casing.

Общими признаками прототипа и предлагаемого технического решения являются: разрушение центральной части забоя скважины посредством ударно-вращательного действия на него рабочим инструментом, приспособленным для извлечения его из скважины, при одновременном продвижении обсадной трубы в сторону забоя под действием ударных импульсов, передаваемых на её нижний торец вне скважины, используя для этого ударные механизмы в монтажном устройстве, закреплённом на внешней поверхности обсадной трубы.The common features of the prototype and the proposed technical solution are: destruction of the central part of the well bottom through shock-rotational action on it with a working tool adapted to extract it from the well, while simultaneously moving the casing towards the bottom under the action of shock pulses transmitted to its lower end outside wells, using impact mechanisms in a mounting device fixed to the outer surface of the casing.

Недостатком прототипа является практическая невозможность реализации способа в горных породах, поскольку разрушение периферийной части забоя производят торцем обсадной трубы 1 с помощью ударных механизмов 132 без вращения обсадной трубы 1. Это значительно снижает эффективность и надежность рассматриваемого способа, поскольку даже незначительное включение твердых пород в массиве приведёт к смятию торца обсадной трубы и, как следствие, к её остановке в процессе бурения и забивки с обсадкой.The disadvantage of the prototype is the practical impossibility of implementing the method in rocks, since the destruction of the peripheral part of the face is carried out by the end of the casing pipe 1 using impact mechanisms 132 without rotation of the casing pipe 1. This significantly reduces the efficiency and reliability of the method in question, since even a slight inclusion of hard rocks in the massif will lead to to collapse of the end of the casing pipe and, as a consequence, to its stop during the process of drilling and driving with casing.

Проблема заключается в повышении надёжности, экономической и технологической эффективности способа бурения скважин с одновременной обсадкой за счет воздействия на периферийную часть забоя зазубренным башмаком, снижения энергозатрат на реализацию предлагаемого способа путем вращения обсадной трубы при её продвижении к забою, а также за счет обеспечения возможности применения менее сложных, дорогостоящих и более ремонто-пригодных механизмов при реализации способа.The problem is to increase the reliability, economic and technological efficiency of the method of drilling wells with simultaneous casing by influencing the peripheral part of the face with a jagged shoe, reducing energy costs for implementing the proposed method by rotating the casing as it moves towards the face, and also by making it possible to use less complex, expensive and more maintainable mechanisms when implementing the method.

Проблема решается тем, что в способе бурения скважин с одновременной обсадкой, включающем разрушение центральной части забоя скважин посредством ударно-вращательного действия на него рабочим инструментом, приспособленным для извлечения его из скважины, при одновременном продвижении обсадной трубы в сторону забоя под действием ударных импульсов, передаваемых на её нижний торец вне скважины, используя для этого ударные механизмы в монтажном устройстве, закрепленном на внешней поверхности обсадной трубы, согласно техническому решению периферийную часть забоя разрушают зазубренным башмаком обсадной трубы, вращая её с помощью упомянутых ударных механизмов, установленных каждый под углом не больше 20° к его оси в вертикальном положении.The problem is solved by the fact that in the method of drilling wells with simultaneous casing, which includes the destruction of the central part of the bottom of the wells through shock-rotational action on it with a working tool adapted to extract it from the well, while simultaneously advancing the casing towards the bottom under the influence of shock pulses transmitted to its lower end outside the well, using impact mechanisms in a mounting device mounted on the outer surface of the casing pipe; according to the technical solution, the peripheral part of the face is destroyed with a jagged shoe of the casing pipe, rotating it using the mentioned impact mechanisms, each installed at an angle of no more than 20 ° to its axis in a vertical position.

Разрушение центральной части забоя свободно расположенным в обсадной трубе рабочим инструментом значительно расширяет возможности способа бурения с одновременной обсадкой. Бурение может производиться практически любым способом, например, без ударного механизма спереди буровой колонны, шарошечными насадками, долотами, коронками различных конструкций и т.д. Destruction of the central part of the bottom with a working tool freely located in the casing pipe significantly expands the capabilities of the drilling method with simultaneous casing. Drilling can be done in almost any way, for example, without a hammer mechanism in front of the drill string, with roller bits, bits, bits of various designs, etc.

Передача ударных импульсов на зазубренный башмак обсадной трубы, который увеличивает диаметр последней, позволяет не только разрушать периферийную часть забоя, но и обеспечивает более эффективное продвижение обсадной трубы в сторону забоя, т.к. значительно снижается трение грунта по боковой поверхности обсадной трубы. Размещение ударных механизмов в монтажном устройстве, установленных каждый под углом не больше 20° к его оси в вертикальном положении и закрепленных на внешней поверхности обсадной трубы вне скважины, способствует не только разрушению периферийной части забоя и продвижению обсадной трубы, но и исключает необходимость применения внутри скважины, на буровом ставе и торце обсадной трубы, сложных и дорогостоящих конструкций как в прототипе, что повышает надежность и экономичность способа. Кроме того, предлагаемый способ позволяет варьировать величину энергии ударного механизма, расположенного в монтажном устройстве, закрепленном на внешней поверхности обсадной трубы. В твердых породах для обеспечения реализации технологических процессов необходимо установить несколько ударных механизмов, в менее твердых – достаточно одного. The transfer of shock pulses to the jagged casing shoe, which increases the diameter of the latter, allows not only to destroy the peripheral part of the bottom hole, but also ensures more efficient advancement of the casing towards the bottom hole, because soil friction on the side surface of the casing pipe is significantly reduced. The placement of impact mechanisms in the mounting device, each installed at an angle of no more than 20° to its axis in a vertical position and fixed on the outer surface of the casing pipe outside the well, contributes not only to the destruction of the peripheral part of the bottom hole and the advancement of the casing pipe, but also eliminates the need for use inside the well , on the drill string and the end of the casing, complex and expensive structures as in the prototype, which increases the reliability and cost-effectiveness of the method. In addition, the proposed method allows you to vary the amount of energy of the impact mechanism located in the mounting device mounted on the outer surface of the casing. In hard rocks, to ensure the implementation of technological processes, it is necessary to install several impact mechanisms; in less hard rocks, one is enough.

При продвижении обсадной трубы в сторону забоя её вращение позволяет разрушать периферийную часть забоя зазубренным башмаком нижней части обсадной трубы. В этом случае даже при самом незначительном вращении обсадной трубы скорость её продвижения по скважине к забою и разрушение его периферийной части будут значительно увеличены, что существенно повышает эффективность способа, поскольку достигается эффект шлямбура.As the casing moves toward the bottom, its rotation allows the peripheral part of the bottom to be destroyed by the jagged shoe of the lower part of the casing. In this case, even with the slightest rotation of the casing, the speed of its movement along the well to the bottom and the destruction of its peripheral part will be significantly increased, which significantly increases the efficiency of the method, since a bolt effect is achieved.

Одновременное продвижение обсадной трубы к забою с помощью ударных механизмов, установленных каждый под углом не больше 20° к его оси в вертикальном положении, и её вращение при этом для разрушения зазубренным башмаком периферийной части забоя, существенно повышает эффективность предлагаемого способа бурения скважин с одновременной обсадкой.Simultaneous advancement of the casing pipe to the bottom with the help of impact mechanisms, each installed at an angle of no more than 20° to its axis in a vertical position, and its rotation at the same time to destroy the peripheral part of the bottom with a jagged shoe, significantly increases the efficiency of the proposed method of drilling wells with simultaneous casing.

Реализация вращения обсадной трубы с помощью ударных механизмов, установленных каждый в монтажном устройстве под углом не больше 20° к его оси в вертикальном положении, и выбранный диапазон угла наклона обоснованы расчетами и результатами экспериментов. При такой реализации способа ударные механизмы будут надёжно вращать обсадную трубу с зазубренной нижней частью, также повышая эффективность способа.The implementation of rotation of the casing using impact mechanisms, each installed in the mounting device at an angle of no more than 20° to its axis in a vertical position, and the selected range of inclination angle are justified by calculations and experimental results. With this implementation of the method, the impact mechanisms will reliably rotate the casing with a jagged lower part, also increasing the efficiency of the method.

Сущность технического решения поясняется примером реализации способа бурения скважин с одновременной обсадкой и чертежом, где иллюстрируется предлагаемый способ. The essence of the technical solution is illustrated by an example of the implementation of a method of drilling wells with simultaneous casing and a drawing that illustrates the proposed method.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом. При проходке скважины 1 с одновременным продвижением обсадной трубы 2 в сторону забоя центральную часть 3 забоя разрушают рабочим инструментом 4, прикладывая к нему осевое давление и крутящий момент через буровой став 5. Наружный диаметр рабочего инструмента 4 меньше внутреннего диаметра обсадной трубы 2, что позволяет свободно извлекать его из скважины 1 и манипулировать им в последней. В качестве рабочего инструмента 4 используют шарошечные долота, коронки, также может применяться ударно-вращательное бурение с погружной ударной машиной. В верхней части обсадной трубы 2 с помощью монтажного устройства 6 устанавливают ударные механизмы 7 необходимой мощности в конусной втулке или посредством струбцины (на чертеже не показано). Ударный механизм 7, генерируя импульсные воздействия на обсадную трубу 2, обеспечивает одновременно с бурением центральной части 3 забоя разрушение периферийной части 8 забоя башмаком 9 обсадной трубы 2, выполненным, как правило, из твердосплавного материала и жёстко прикрепленным заранее к нижнему торцу обсадной трубы 2. По мере наращивания обсадной трубы 2, монтажное устройство 6 перемещают на каждую последующую секцию обсадной трубы 2. Вынос бурового шлама осуществляют очистным агентом, подаваемым на забой скважины 1 (на чертеже не показан) и проходящим через зазор между буровым ставом 5 и внутренней поверхностью обсадной трубы 2. В твердых породах для обеспечения реализации способа необходимо установить несколько ударных механизмов 7.The proposed method is implemented as follows. When drilling a well 1 with simultaneous advancement of the casing pipe 2 towards the bottom hole, the central part 3 of the bottom hole is destroyed by the working tool 4, applying axial pressure and torque to it through the drill string 5. The outer diameter of the working tool 4 is less than the inner diameter of the casing pipe 2, which allows free remove it from well 1 and manipulate it in the last one. Roller bits and crowns are used as working tools 4; rotary impact drilling with a down-the-hole hammer can also be used. In the upper part of the casing 2, using a mounting device 6, impact mechanisms 7 of the required power are installed in a conical sleeve or using a clamp (not shown in the drawing). The impact mechanism 7, generating impulse impacts on the casing pipe 2, ensures, simultaneously with the drilling of the central part 3 of the face, the destruction of the peripheral part 8 of the face by the shoe 9 of the casing pipe 2, made, as a rule, of carbide material and rigidly attached in advance to the lower end of the casing pipe 2. As the casing pipe 2 grows, the mounting device 6 is moved to each subsequent section of the casing pipe 2. The removal of drill cuttings is carried out by a cleaning agent supplied to the bottom of the well 1 (not shown in the drawing) and passing through the gap between the drill string 5 and the inner surface of the casing pipe 2. In hard rocks, to ensure the implementation of the method, it is necessary to install several impact mechanisms 7.

Для существенного повышения эффективности способа башмак 9 обсадной трубы 2 выполняют с зубьями 10, а при продвижении обсадной трубы 2 и разрушении периферийной части 8 забоя её вращают (стрелка на чертеже). В этом случае возможна реализация способа в скальных породах, поскольку даже незначительное поворотно-поступательное вращение обсадной трубы 2 при тех же динамических воздействиях ведет к более эффективному разрушению периферийной части 8 забоя зубьями 10 башмака 9 обсадной трубы 2. To significantly increase the efficiency of the method, the shoe 9 of the casing pipe 2 is made with teeth 10, and when the casing pipe 2 advances and the peripheral part 8 of the bottom is destroyed, it is rotated (arrow in the drawing). In this case, it is possible to implement the method in rocks, since even a slight rotation of the casing pipe 2 under the same dynamic influences leads to more effective destruction of the peripheral part 8 of the bottom hole by the teeth 10 of the shoe 9 of the casing pipe 2.

Вращение обсадной трубы 2 можно осуществлять различными способами. Например, монтажное устройство 6 может быть изначально изготовлено с возможностью установки каждого ударного механизма 7 под углом не больше 20° к его оси в вертикальном положении (на чертеже не показана). В этом случае ударные импульсы обеспечивают не только продвижение обсадной трубы 2 в сторону забоя скважины 1, но и её вращение. Диаметр обсадной трубы 2 увеличен, что способствует эффективному разрушению периферийной части 8 забоя зубьями 10 башмака 9 обсадной трубы 2. The rotation of the casing 2 can be carried out in various ways. For example, the mounting device 6 may initially be manufactured with the ability to install each impact mechanism 7 at an angle of no more than 20° to its axis in a vertical position (not shown in the drawing). In this case, the shock pulses ensure not only the advancement of the casing 2 towards the bottom of the well 1, but also its rotation. The diameter of the casing pipe 2 is increased, which contributes to the effective destruction of the peripheral part 8 of the bottom hole by the teeth 10 of the shoe 9 of the casing pipe 2.

Возможность отказа от использования погружной машины в процессе бурения, применение несложных, удобных и недорогих устройств для реализации способа позволяет существенно повысить его эффективность, надёжность при экономическом преимуществе. The possibility of refusing to use a submersible machine during the drilling process, the use of simple, convenient and inexpensive devices for implementing the method can significantly increase its efficiency and reliability with an economic advantage.

Claims (1)

Способ бурения скважины с одновременной обсадкой, включающий разрушение центральной части забоя скважины посредством ударно-вращательного действия на него рабочим инструментом, приспособленным для извлечения его из скважины, при одновременном продвижении обсадной трубы в сторону забоя под действием ударных импульсов, передаваемых на её нижний торец вне скважины, используя для этого ударные механизмы в монтажном устройстве, закреплённом на внешней поверхности обсадной трубы, отличающийся тем, что периферийную часть забоя разрушают зазубренным башмаком обсадной трубы, вращая её с помощью упомянутых ударных механизмов, установленных каждый под углом не больше 20° к его оси в вертикальном положении.A method of drilling a well with simultaneous casing, including the destruction of the central part of the bottom of the well through the shock-rotational action on it with a working tool adapted to extract it from the well, while simultaneously advancing the casing towards the bottom under the action of shock pulses transmitted to its lower end outside the well , using for this purpose impact mechanisms in a mounting device fixed on the outer surface of the casing pipe, characterized in that the peripheral part of the face is destroyed by a jagged shoe of the casing pipe, rotating it with the help of the mentioned impact mechanisms, each installed at an angle of no more than 20° to its axis in vertical position.