CC BY
10
УДК 622.02:531
БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН В СОЛЯНЫХ ПОРОДАХ
Юрий Михайлович Леконцев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник лаборатории подземной разработки угольных месторождений, тел. (383)205-30-30, доп. 178
Екатерина Владимировна Рубцова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383)205-30-30, доп. 174, e-mail: rubth@misd.ru
Александр Александрович Скулкин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории горной информатики, тел. (383)205-30-30, доп. 173, e-mail: chuptt@yandex.ru
В статье описаны конструкция и результаты испытаний в условиях подземных рудников бурового инструмента и устройств для выполнения в соляных породах скважин, отвечающих требованиям проведения тестов измерительного гидроразрыва. В их числе: буровой снаряд, щелеобразователь, нутромер.
Ключевые слова: измерительный гидроразрыв, массив соляных пород, скважина, буровая коронка, шнек, дискообразная инициирующая щель.
DRILLING TOOL AND A DEVICE TO MAKE MEASUREMENT HOLES IN SALT ROCKS
Yury M. Lekontsev
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, Laboratory of Underground Coal Mining, tel. (383)205-30-30, extension 178
Ekaterina V. Rubtsova
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, Mining Information Science Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 174, e-mail: rubth@misd.ru
Alexander A. Skulkin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, Mining Information Science Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 173, e-mail: chuptt@yandex.ru
The authors describe the design and data on underground tests of the drilling tool and the device for making holes in salt rocks according to the requirements for measurement hydrofracturing tests, including drilling string, splitter, hole gage.
Key words: measurement hydrofracturing, salt rock mass, a borehole, drilling head, auger, disc-shaped splitter.
Цикл экспериментальных исследований по определению параметров действующих полей напряжений, выполненный с использованием комплекса «Гидроразрыв» [1] на подземных рудниках ПАО «Уралкалий» в 2015 году, показал, что выполнить в соляном массиве прямолинейные измерительные скважины с качественной поверхностью и заданными геометрическими параметрами без специального инструмента весьма проблематично. Основными причинами, по которым подготовленные службами рудников скважины оказывались непригодными для выполнения измерительных операции, были следующие: смещения оси скважины с образованием ступенек; искривление направления скважины, выдавливание в скважину глиняных прослоек с затвердеванием выступов, неровности на поверхности скважины спирального вида, заштыбованность полости скважины.
В связи с этим возникла необходимость создания специального бурового инструмента, обеспечивающего выполнение в соляных породах скважин повышенной геометрической точности, отвечающих требованиям проведения тестов измерительного гидроразрыва. Для этих целей в ИГД СО РАН разработан комплект бурового инструмента и устройств, включающий буровой снаряд, щелеобразователь, нутрометр.
На начальном этапе были изготовлены два буровых снаряда, отличающиеся расположением шнека и калибратора. На рис. 1 приведен вариант комплектации снаряда с расположением шнека за калибратором. Снаряд состоял из буровой коронки диаметром 75,0 мм, забурника, калибратора на диаметр 76,0 мм и буровой штанги, представляющей собой трубу со спиралью шнека из стальной полосы толщиной 2,0 мм. Анализ известных технических решений по обоснованию параметров спирали шнека при бурении в соляных породах позволил установить, что оптимальными являются углы наклона спирали в диапазоне 12 ^ 190, шаг 61 ^ 91 мм. Исходя из этого, буровая штанга была изготовлена с параметрами: угол наклона спирали 150, шаг 75 мм.
4 3 | 2
Рис. 1. Вариант комплектации бурового снаряда: 1 - буровая коронка; 2 - забурник; 3 - калибратор диаметра скважины; 4 - шнек
Результаты испытаний показали, что независимо от положения шнека, перед калибратором или за ним, очистка скважин от штыба получается не достаточной, калибрующий элемент препятствует выходу штыба. Конструкция бурового снаряда
была изменена и дальнейшее успешное применение получил буровой снаряд на базе специальной трехпёрой буровой коронки КДС 76/сп33 диаметром 76 мм и 60-сантиметровой шнековой штанги с наружним диаметром 74,0 мм (рис. 2). С использованием данного снаряда отбурено 13 измерительных скважин общей протяженностью порядка 120 м.
Рис. 2. Общий вид бурового снаряда 1 - забурник на базе коронки КДС 76/сп33; 2 - буровая штанга со шнеком
Для упрощения процедуры определения компонент действующих в массиве напряжений необходимо обеспечить ортогональную направленность трещины гидроразрыва к оси скважины. Создание трещины гидравлического разрыва в направлении перпендикулярном оси скважины может быть достигнуто путем предварительного нарезания на стенке скважины в зоне межпакерного пространства дискообразной инициирующей щели.
Работы по созданию устройств для нарезания дискообразных щелей в стенках солевых скважин были начаты в 2015 г., первоначальный вариант конструкции щеле-образователя описан в [2]. В 2016 г. было разработано и испытано на рудниках ПАО «Уралкалий» устройство для нарезания дискообразных инициирующих щелей, отличающееся меньшими габаритами и весом (рис. 3). Устройство навинчивается на штангу бурового станка с помощью переходника и наращиванием става штанг досылается до упора в забой скважины. Далее включается вращение и осевая подача бурового става со скоростью 1 мм за 100 оборотов. При этом корпус 1 устройства перемещается вместе с буровым ставом, «надвигается» на неподвижный толкатель 6, который опирается на оптекатель-упор 9. В результате происходит перемещение поршня 3 в сторону хвостовой части корпуса, сжатие пружины возврата 4 и выдвижение ножа 2 за границы корпуса рычагом 5. Конструктивно заложено, что полный выход ножа 2, выбуривающего щель, происходит при осевой подаче 35 мм. После нарезания щели вращение бурового става останавливают, при этом под действием пружины рабочего хода 8 происходит возвращение толкателя 6 в исходное положение, а под действием пружины возврата 4 нож 2 задвигается в корпус устройства и устройство извлекают из скважины.
На рис. 4 приведены снимки измерительной скважины с нарезанной при помощи описанного устройства инициирующей щелью.
Практика выполнения тестов гидроразрыва показала, что перед досылкой зонда в измерительную скважину необходимо знать ее реальный диаметр, с учетом которого следует подбирать размеры пакерных элементов для обеспечения радиального за-
зора между ними и стенками скважины не более 1-1,5 мм. Для этих целей создан экспериментальный скважинный нутромер (рис. 5).
2_
7
Рис. 3. Устройство для нарезания кольцевых щелей: 1 - корпус; 2 - нож; 3 - поршень; 4 - пружина возвратная; 5 - рычаг;6 - толкатель; 7 - гайка; 8 - пружина рабочего хода; 9 - обтекатель-упор; 10 - переходник
Рис. 4. Вид измерительной скважины вблизи забоя (слева), в области нарезанной щели (в середине), на удалении от щели (справа)
Рис. 5. Общий вид скважинного нутромера 1 - корпус; 2 -пластины выдвижные; 3 - досылочное приспособление
Корпус нутромера из текстолита представляет собой центральный стержень с четырьмя ребрами, в каждом из которых выполнены прорези. В прорезях размещены плоские металлические пластины, которые могут смещаться в радиальных направлениях, преодолевая трение о стенки прорезей. Перед досылкой в скважину пластины устанавливаются с выступом, обеспечивающим заданный диаметр. Положение пластин после извлечения нутромера из скважины позволяет сделать заключение о ее реальном диаметре.
Испытания разработанного оборудования проводились в подземных выработках на рудниках СКРУ-1, СКРУ-2 и СКРУ- 3 ПАО «Уралкалий».
Выводы:
1) Разработан и испытан в условиях рудников комплект бурового инструмента и устройств в составе: буровой снаряд для проходки в соляных породах измерительных скважин повышенной геометрической точности, щелеобразователь, нутромер.
2) С использованием разработанного бурового снаряда в соляном массиве отбурено 13 прямолинейных измерительных скважин диаметром 76 ± 0,5 мм глубиной до 10 м и общей протяженностью порядка 120 м.
3) Обеспечены требования к гладкости поверхности скважин. Отсутствие неровностей на стенках скважин, необходимое для плотного прилегания к ним пакеров, позволило выполнить более 50 тестов измерительного гидроразрыва без возникновения случаев разгерметизации межпакерного интервала.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Леонтьев А. В., Рубцова Е. В., Леконцев Ю. М., Качальский В. Г. Измерительно-вычислительный комплекс «Гидроразрыв» // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2010. - № 1. - С. 104-110.
2. Леконцев Ю. М., Леонтьев А. В. Устройство для создания инициирующих щелей в стенках солевых скважин // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Меж-дунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 3. - С. 181-184.
© Ю. М. Леконцев, Е. В. Рубцова, А. А. Скулкин, 2017
