Управление направлением движения бурильной головки

007514 Область, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к управлению направлением движения бурильной головки и разработано, в частности, хотя и не исключительно, для управления направлением движения гидравлической бурильной головки при бурении скважин в горной промышленности и при подобных подземных работах. Предпосылки создания изобретения Гидравлические бурильные головки применяются для бурения различных скважин и обычно используют вращающуюся головку с насадками, из которых выпускают струи высокого давления для разрушения и эрозии скального грунта перед головкой. Гидравлические бурильные головки такого типа описаны в международной заявке на патент PCT/AU 96/00783. Направлением движения гидравлических бурильных головок такого типа трудно управлять. В большинстве применений при формировании скважины в высшей степени желательно обеспечить точность ее направления, особенно в ситуациях, таких как удаление метана из угольных пластов перед разработкой таких пластов. В этих ситуациях чрезвычайно важно добиться равномерного распределения дегазационных скважин и добиться точного положения этих скважин, чтобы они проходили через предполагаемые штреки. В прошлом было трудно управлять направлением движения гидравлической буровой головки такого типа, которая подается на гибком шланге, обычно с поверхностной бурильной установки, выполненной с возможностью работать по технологии "бурение с малым радиусом", или с подземной бурильной установки для сбойки камер, при подготовке шахты к эксплуатации или при разведочном бурении. Краткое описание изобретения Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается способ управления направлением движения такой гидравлической бурильной головки, на которую подается жидкость под высоким давлением по гибкому шлангу, при котором создают смещающее усилие на бурильной головке и управляют направлением смещения путем поворота бурильной головки. Предпочтительно поворот бурильной головки выполняют путем поворота гибкого шланга вокруг его продольной оси. Предпочтительно гибкий шланг поворачивают из положения, удаленного от бурильной головки. В одной форме настоящего изобретения гидравлическую бурильную головку используют с уровня поверхности земли, и это положение, удаленное от бурильной головки, расположено на уровне поверхности земли или выше него. Предпочтительно шланг подают с вращающегося барабана, имеющего по существу горизонтальную ось вращения, и шланг поворачивают путем поворота барабана и его опоры вокруг вертикальной оси, по существу совпадающей с вертикальной скважиной, в которую подают шланг. Как вариант, шланг поворачивают путем поворота механизированного вертлюжного соединения. Как вариант, шланг поворачивают путем поворота немеханизированного вертлюжного соединения с храповым механизмом. Предпочтительно смещающее усилие создают с помощью асимметричного калибровочного кольца,расположенного на гидравлической бурильной головке. Как вариант, смещающее усилие создают путем частичного перекрытия режущей струи на головке. Как вариант, смещающее усилие создают с помощью асимметричной направленной назад струи бурильной головки. Как вариант, смещающее усилие создают путем частичного отклонения направленной назад струи. Краткое описание чертежей Несмотря на то, что настоящее изобретение может принимать различные формы, входящие в его объем, далее следует описание лишь одного его иллюстративного варианта со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 - горизонтальное сечение предполагаемой подземной выработки, показывающее желательное расположение скважин для дегазации шахты; фиг. 2 - схематическое вертикальное сечение обычной буровой установки для бурения с малым радиусом, в которой используется гидравлическая бурильная головка, подаваемая на гибком шланге; фиг. 3 - схематический вид в перспективе поверхностной поворотной буровой установки для подачи шланга согласно настоящему изобретению; фиг. 4 - схематический вид в перспективе установки, подобной показанной на фиг. 3, смонтированной на грузовике или прицепе; фиг. 5 - схематический вид вертлюжного соединения с храповым механизмом для вращения шланга в альтернативном варианте настоящего изобретения; фиг. 6 - вид в перспективе переднего конца гидравлической бурильной головки, иллюстрирующий асимметричное калибровочное кольцо, используемое для создания смещающего усилия на бурильной головке. Подробное описание предпочтительных вариантов Ниже следует подробное описание предпочтительного варианта настоящего изобретения со ссыл-1 007514 ками на типичную ситуацию дегазации шахты, когда с поверхности бурят вертикальную скважину и применяют уипсток для создания радиальных скважин, отходящих от вертикальной скважины на заданных глубинах, однако, следует понимать, что способ согласно настоящему изобретению может применяться во многих других ситуациях гидравлического бурения, включая горизонтальное бурение между карманами из подземного положения. На фиг. 1 показана типичная операция по дегазации шахты, на которой необходимо удалить метан или другие опасные газы из угольных пластов 1 в положении предполагаемых штреков 2, которые будут пройдены как часть операции добычи. Дегазацию можно проводить безопасно и экономично, пробурив с поверхности множество вертикальных скважин 3 и применив технологию бурения с малым радиусом для проходки радиальных скважин, например, показанных позицией 4, отходящих от вертикальной скважины 3. Следует отметить, что направление радиальных скважин должно точно контролироваться так, чтобы они проходили через каждый из отдельных карманов в штреке 2. Система бурения с малым радиусом более точно показана на фиг. 2, где с поверхности земли 5 бурят вертикальную скважину 3 и в нее спускают колонну 6 для поддержки уипстока 7 в расширенном участке 8 скважины в нужном положении для бурения радиальных скважин в угольном пласте 9. На гидравлическую бурильную головку 10 по гибкому шлангу 11, который проходит в колонне 6 и отводится горизонтально выдвижным рычагом 12 уипстока 7, подают жидкость (обычно воду) под высоким давлением. Гибкий шланг подают с поверхности земли, где он хранится на вращающемся вокруг горизонтальной оси 14 барабане 20, установленном на поверхностной буровой установке 13. Поверхностная буровая установка может содержать также и другие узлы, например дополнительный барабан 15 для управляющего жгута 16 и направляющие шкивы (не показаны) для направления шланга и управляющего жгута в вертикальную скважину 3. На барабан 20 для шланга от насоса 19 высокого давления подают воду под высоким давлением через подающий шланг 18. Для обеспечения управления направлением движения гидравлической бурильной головки 10, для управления вертикальным положением головки и для удержания ее в пределах угольного пласта 9 и для направления головки в необходимом направлении для получения куста скважин, показанного на фиг. 1, к головке прикладывают смещающее усилие, стремящееся сместить или отклонить бурильную головку по искривленной траектории. Смещающее усилие затем ориентируют, поворачивая бурильную головку путем поворота гибкого шланга 11. Это можно выполнить несколькими способами, как будет описано ниже. Смещающее усилие можно прикладывать несколькими способами, однако, было установлено, что предпочтительным было бы прикладывать это усилие, используя асимметричное калибровочное кольцо,расположенное на бурильной головке. В параллельной международной заявке на патент PCT/AU 02/01550 того же автора описана гидравлическая бурильная головка, имеющая калибровочное кольцо, и оказалось очень просто выполнить переднюю кромку калибровочного кольца асимметричной, как показано на фиг. 6. В такой конфигурации калибровочное кольцо 20, которое концентрично установлено на поворотной головке 21, создающей струи жидкости, делается асимметричным либо за счет того, что ведущая кромка 22 кольца больше выступает с одной стороны головки, чем с другой, либо за счет другой асимметричной формы ведущей кромки кольца. Таким образом, жидкость, выбрасываемую из боковой разбуривающей скважину струи насадки 23, можно частично перекрывать или отклонять ведущей кромкой калибровочного кольца в одной точке поворота головки 21 так, чтобы создать неравное или смещенное боковое усилие, стремящееся перевести бурильную головку на криволинейную траекторию. Могут существовать альтернативные способы создания смещающего усилия в бурильной головке,смещая усилие от направленных назад струй, чтобы сдвинуть головку вперед, как описано в международной заявке на патент PCT/AU 96/00783, либо увеличив одну из струй по сравнению с другими, либо частично отклонив одну из направленных назад струй под большим углом к оси бурильной головки, по сравнению с другими струями. Как вариант, бурильная головка может быть снабжена фиксированным смещающим соплом. Предпочтительный способ поворота гибкого шланга 11 и, тем самым, гидравлической бурильной головки 10, для ориентации смещающего усилия в нужном направлении заключается в повороте всей поверхностной буровой установки 13 вокруг вертикальной оси гибкого шланга 11, с которой шланг подается вниз в вертикальную скважину 3. Такая конфигурация схематически показана на фиг. 3, где поверхностная буровая установка 13 выполнена с возможностью поворота в горизонтальной плоскости вокруг поворотного стола 24 на роликах 25, при этом второй конец платформы опирается на колеса 26,ориентированные по окружности. Таким образом, вся поверхностная буровая установка способна осуществлять поворот гибкого шланга 11. Как показано на фиг. 4, можно установить буровую установку на платформе 27 грузовика или прицепа так, что установку можно поворачивать также вокруг вертикального участка гибкого шланга 11, что приводит к повороту всего шланга, когда он проходит вниз сквозь платформу грузовика.-2 007514 Любой поворот буровой установки 13 в качестве поворотного стола преобразуется в соответствующий поворот участка шланга вокруг его продольной оси и, тем самым, может использоваться для позиционирования смещающего усилия на головке с любым заданным наклоном. Необходимые коммуникации, которые нужно подключить к поворотному столу или барабану для шланга, включают воду высокого давления, электроэнергию и кабели для передачи данных от приборов. Вертлюжное соединение для воды высокого давления может быть расположено над талевой вышкой, проходящей вдоль оси вращения стола. Грубым, но эффективным способом подключения кабелей питания и кабелей данных является размотка этих кабелей с барабана, установленного в кузове полуприцепа 27, непосредственно на барабан, установленный на поворотном столе. Можно предусмотреть достаточно кабеля для, например, 100 оборотов поворотного стола, т.е. величины, которая навряд ли будет достигнута при бурении управляемых радиальных или поперечных скважин. По завершении бурения горизонтальных скважин кабели наматываются обратно на подающий барабан и готовы к бурению другой горизонтальной скважины. Такой способ поворота шланга с поверхности имеет то преимущество, что все компоненты системы расположены на поверхности и вне скважины. Это является преимуществом, поскольку правильность работы всех компонентов можно проверять визуально, и, кроме того, облегчает обслуживание и повышает надежность. Система позволяет превосходно управлять ориентацией смещающего усилия и способна поворачивать инструмент в обоих направлениях. В альтернативных способах поворота гибкого шланга 11 могут использоваться различные формы вертлюжных соединений, как механизированных, так и немеханизированных. Например, в шланг может быть вставлено промежуточное механизированное вертлюжное соединение, которое при бурении обычно располагается в вертикальной скважине. Вертлюжное соединение можно активировать с поверхности для поворота на заданный угол (только в одном направлении и приращениями на определенное количество градусов). К вертлюжному соединению для его работы присоединены отдельные линии питания (электрические или гидравлические), которые также нужно подавать в скважину во время бурения. Эскиз типичного вертлюжного соединения показан позицией 28 на фиг. 5. В еще одном альтернативном варианте способа поворота шланга немеханизированное вертлюжное соединение с храповым механизмом может быть установлено либо сразу за бурильной головкой 10, или его можно врезать в шланг где-нибудь в вертикальной скважине 3. Это простое, но грубое средство управления направлением движения использует шланг высокого давления, подвергающийся определенному скручиванию либо в результате изменения давления в шланге, либо в результате изменения его натяжения. Изменения давления и/или натяжения шланга заставляют шланг вращаться относительно барабана 12. Вращение поглощается храповым механизмом вертлюжного соединения, а это значит, что усилие срабатывания храповика должно быть меньше, чем сопротивление повороту, испытываемое бурильным инструментом или комбинацией инструмента и шланга в скважине и на траектории шланга в уипстоке. При восстановлении давления и/или натяжения шланг вращается в противоположном направлении. Храповой механизм вертлюжного соединения препятствует раскручиванию шланга в его первоначальное положение относительно бурильного инструмента, и, в результате, бурильный инструмент вынужден поворачиваться. Этот способ основан на способности генерировать управляемый относительный поворот вертлюжного соединения шланга при изменении давления воды или натяжения шланга. Усложняющим фактором является влияние давления в шланге на его длину и, следовательно, натяжение. Хотя и механизированное и немеханизированное вертлюжное соединение с храповым механизмом можно устанавливать рядом с бурильной головкой, или даже в бурильной головке, предпочтительно их размещать ближе к подающему барабану, чтобы гибкий шланг поворачивался из места заложения скважины, удаленного от бурильной головки. Хотя настоящее изобретение было описано для использования в вертикальных скважинах, которые бурятся с поверхности земли, и в которых применяется уипсток для создания горизонтальных скважин,отходящих от вертикального ствола, настоящее изобретение в равной степени может применяться и в других случаях гидравлического бурения, например при бурении горизонтальных скважин между карманами из подземного положения. Эта операция применяется в подземных штреках для бурения скважин в соседние пласты для выпуска опасных газов до начала операций по разработке пласта, или для сбора из угольных пластов ценных газов, таких как метан, для производства электроэнергии. Бурение горизонтальных скважин между карманами аналогично описанному выше за исключением того, что шланг подается с барабана, ось вращения которого опирается на раму, которая, в свою очередь,выполнена с возможностью поворота на соответствующей опоре вокруг оси, обычно проходящей по существу горизонтально и совпадающей с осью примыкающей скважины, в которую подается шланг. Хотя в этом контексте применен термин "горизонтально", следует понимать, что скважина может иметь наклон, но обычно ее направление ближе к горизонтальному, чем к вертикальному. Путем приложения смещающего усилия к гидравлической бурильной головке 10 и затем путем управления направлением этого усилия поворотом гибкого шланга 11 предпочтительно за счет поворота всей наземной буровой установки способом, показанным на фиг. 3 и 4, достигается точное управление-3 007514 направлением бурильного инструмента. Если необходимо направить бурильный инструмент "по прямой", шланг можно непрерывно вращать, что приведет к мелкой удлиненной спиральной траектории бурильной головки, которая приближается к прямой. Если требуется совершить поворот в нужном направлении, бурильную головку поворачивают так,чтобы смещающее усилие уводило бурильную головку в нужном направлении, и удерживают такую ориентацию, пока поворот направления движения головки не будет завершен. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ управления направлением движения гидравлической бурильной головки, на которую подают жидкость под высоким давлением через гибкий шланг, при котором на бурильной головке создают смещающее усилие и управляют направлением смещающего усилия поворотом бурильной головки. 2. Способ по п.1, при котором поворот бурильной головки выполняют путем поворота гибкого шланга вокруг его продольной оси. 3. Способ по п.2, при котором гибкий шланг поворачивают с места заложения скважины, удаленного от бурильной головки. 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, при котором шланг подают с вращающегося барабана в примыкающую скважину, при этом ось вращения барабана, по существу, расположена под прямыми углами к оси скважины, и при котором шланг поворачивают путем поворота барабана и соответствующей опоры вокруг оси скважины. 5. Способ по п.4, при котором шланг подают с вращающегося барабана, имеющего, по существу,горизонтальную ось вращения, и шланг поворачивают путем поворота барабана и соответствующей опоры вокруг вертикальной оси, по существу совпадающей с вертикальной скважиной, в которую шланг подают под землю. 6. Способ по п.5, при котором гидравлическую бурильную головку применяют с поверхности земли, и указанное место заложения скважины, удаленное от бурильной головки, расположено на поверхности земли или над ней. 7. Способ по п.4, при котором гидравлическую бурильную головку применяют из подземного места заложения скважины, причем направление примыкающей скважины ближе к горизонтальному, чем к вертикальному. 8. Способ по любому из пп.1-3, при котором бурильную головку поворачивают механизированным вертлюжным соединением, расположенным в гибком шланге. 9. Способ по любому из пп.1-3, при котором бурильную головку поворачивают немеханизированным вертлюжным соединением с храповым механизмом, расположенным в гибком шланге. 10. Способ по любому из предшествующих пунктов, при котором бурильная головка содержит множество режущих струй, выходящих из выполненной с возможностью вращения головки, и при котором смещающее усилие создают путем частичного перекрытия по меньшей мере одной из режущих струй на заданной ограниченной дуге ее поворота. 11. Способ по п.10, при котором смещающее усилие создают асимметричным калибровочным кольцом, расположенным на гидравлической бурильной головке. 12. Способ по любому из пп.1-9, при котором смещающее усилие создают асимметричным расположением направленных назад струй, предназначенных для проталкивания режущей головки вперед. 13. Способ по любому из пп.1-9, при котором смещающее усилие создают с помощью фиксированной смещающей насадки в бурильной головке.