CC BY
29
ГОРНОЕ ДЕЛО И ГЕОЛОГИЯ
УДК 622.1
ПРОГРЕССИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ РАЗВЕДКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ НИЖЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ГРАНИЦ ДЕЙСТВУЮЩИХ ШАХТ
© 2008 г. А.Я. Третьяк, А.Д. Вейсман, С.А. Онофриенко, М.Л. Бурда
Южно-Российский государственный South-Russian State Technical University
технический университет (Novocherkassk Polytechnic Institute)
(Новочеркасский политехнический институт) _ _ _ ....
Rostov State Building
Ростовский государственный строительный University
университет
Рассматриваются результаты разработанной и прошедшей государственные испытания новой технологии, технических средств и оборудования для локального крепления (ОЛКС) вскрываемых скважинами горных выработок при до разведке шахтных полей.
Ключевые слова: буровой инструмент, зона влияния, угольные пласты, горная выработка, геологические осложнения, номинальный диаметр, цементирование труб, стенки скважины, гидравлический расширитель, двухканальный профиль, условный диаметр, запас пластичности, алмазно-твердосплавная пластина, буровой снаряд, цементировочный агрегат, промывочная жидкость, ресурс пластичности, деформационные процессы.
Consider the results of developed and held public testing of new technology, equipment and equipment for the local fixation (OLKS) uncovered wells in the mining exploration to mine fields.
Keywords: drilling tool, zone of influence, coalbed, excavation, geological complications, nominal diameter, cement pipes, walls of the well, hydraulic expander, two-profile, conditional diameter, cruising plasticity, diamond-hard plate, drilling shell, cement plant, washing fluid, resource plasticity, deformation processes.
Поисково-оценочные разведочные работы для строительства, реконструкции и проектирования новых горизонтов и стволов шахт в Донецком угольном бассейне осуществляется бурением глубоких скважин ниже технических границ действующих шахт.
Скважины глубиной до 2000 м бурятся в осадочной толще пород карбона, представленной песчаниками, песчаными и глинистыми сланцами с прослоями известняков и угольных пластов. Каменноугольные породы почти повсевместно покрыты четвертичными отложениями. Геологический разрез участка характеризуется частой перемежаемостью пород различной твердости и сильной трещиновато-стью. Падение пород крутое. Вмещающие породы угленосной толщи относятся к VI-X категориям. В связи с тем что верхние горизонты шахтных полей почти полностью отработаны, большинство скважин бурится через горные выработки или вблизи них. Скважины пересекают горные выработки различной давности, поэтому и степень сохранности выработанного пространства различна. В штреках, например, буровой инструмент иногда проваливается на 2-2,5 м, а при пересечении скважинами лав отмечается интенсивная трещиноватость и поглощение промывочной жидкости. Мощность трещиноватых зон достигает 20-60 м, поэтому поглощение промывочной жидкости начинается за 20-60 м до горной выработки. Лавы, не забутованные обломками пород
кровли, практически не встречаются, так как мощность угольных пластов в среднем не превышает 0,5-0,6 м и удержать лаву невозможно. В пределах продуктивных толщ карбона зона выработанных угольных пластов простирается от устья скважины до глубины 500-800 м. Количество пересекаемых выработок от семи и более. К этой зоне приурочены катастрофические поглощения промывочной жидкости, кавернообразования, обрушения стенок ствола, и как следствие аварии с буровым снарядом. Дальнейшая углубка еще более осложняется. Из-за перетоков пластовых вод по стволу забой скважины заполняется угольным и породным шламом, поступающим из горных выработок и со стенок скважины (20-50 м за рейс). Это приводит к необходимости частой замены породоразрушающего инструмента.
Несмотря на то что за последние годы разработаны многочисленные составы смесей, более сотни тампонирующих снарядов и устройств, ни одна из этих технологий не обеспечивает необходимый уровень надежности изоляционных работ при экранировании вскрытых горных выработок и зон их влияния
[1-3].
Исходя из технических условий и многолетней практики бурения приходится применять сложные конструкции скважин с использованием «телескопа» обсадных труб от 168 до 108 мм и соответствующего ПРИ (табл. 1).
Таблица 1
Типовые конструкции разведочных скважин, пересекающие горные выработки
в Восточном Донбассе
Интервал скважин, м, и число пересекаемых горных выработок
Диаметр, мм 0-100 100-500 500-700 700-1200 1200-2000
- 2-3 2-4 2-3 -
бурения 112 112 112 112 93
разбуривания ствола 190 151 132 -
крепление ствола 168 146 127 108 -
«Завышение» диаметра бурения и обсадных труб предупреждает разрушение обсадных колонн и интенсивное искривление ствола скважины. Расширение ствола скважины под обсадные трубы диаметром 168 и 146 мм ведется обычно в 2-3 приема, что связано со сложными условиями бурения и отсутствием специальных технических средств. При существующей технологии под одну обсадную колонну удается, в лучшем случае, на полном поглощении пересечь не более 2-3 зон влияния выработок.
Оборудование скважины такой громоздкой металлической конструкцией связано с большими сложностями из-за значительной массы спускаемых колонн, граничащей с возможностями геологоразведочного бурового оборудования. Кроме того, применяемая технология крепления скважин обсадными трубами не обеспечивает надежность цеменирования за-трубного пространства, восстановление циркуляции практически не выполнимо. В этих случаях вопросы технологии рассматриваются с точки зрения возможности бурения скважины до проектной глубины, опробования пересекаемых угольных пластов, поддержания скважины в состоянии, позволяющем проведение геофизических исследований за счет значительных материальных затрат и низких технико-экономических показателей. Следует отметить, что 18-20 % подобных скважин из-за аварий оказываются ликвидируемыми.
В конце XX в. группой специалистов бывшего ФГУГП «Южгеология» (ныне ОАО «Южгеология») под руководством одного из авторов статьи в содружестве с учеными быв. ТаТНИПИ нефть (Г.С. Ад-брахманов, А.Г. Зайнуллин, К.В. Мелинг и др.) был выполнен большой объем НИР и ОКР по заданию Министерства природных ресурсов РФ. В результате трехлетней работы было создано (на грани возможного) уникальное, малогабаритное оборудование, технологический инструмент для локального крепления вскрываемых горных выработок, зон тектонических нарушений и других непреодолимых геологических осложнений для геологоразведочных скважин с номинальным диаметром бурения до проектной глубины 76 мм.
Впервые в мировой практике удалось найти эффективные решения этой проблемы, обосновав их научными расчетами, конструкторскими разработками, стендовыми и производственными испытаниями
всего комплекса оборудования для локального крепления скважин (ОЛКС). Новая технология позволила значительно сократить расход обсадных труб, сохранить после крепления номинальный диаметр бурения, исключить необходимость цементирования труб благодаря обеспечению надежной герметизации пере-крывателя ОЛКС вследствие его прижатия к стенкам скважины. Все это позволило обеспечить сопоставимые технико-экономические показатели со скважинами, не пересекавшими горные выработки. В основе метода лежит использование специального крепления скважин (ОЛКС), включающего двухканальные профильные трубы-перекрыватели ДТ-73/89х3,5, гидравлические расширители ствола для установки ДТ «впо-тай», одношарошечные и клиновые гидравлические развальцеватели труб, торцовые фрезы и специальную технологическую оснастку (хомуты и оправки для стыковки и сварки труб, обратные клапаны и др.).
Шифр ДТ-73/89х3,5 означает: 73 мм - наибольший условный диаметр (рис. 1); 89 - исходная трубная заготовка с толщиной стенки 3,5 мм, периметр которой уложен в двухканальный профиль с указанным выше условным диаметром (рис. 1).
А-А
'А
Рис. 1. Перекрыватель ОЛКС 73/89x3,5: 1 - переходник с левой ленточной резьбой; 2 - профильные трубы; 3 - башмак с шаровым клапаном
Для изготовления труб используется сталь марки Ст10, обладающая достаточно высокими деформационно-пластическими свойствами. При этом были выполнены следующие теоретические исследования: выбор оптимальной формы двухканального профиля труб и расчет его основных геометрических параметров для оценки реальной возможности их изготовления и эксплуатации, определение напряженно-деформированного состояния и степени использования запаса пластичности в процессе профилирования и последующего экспандирования (выправления).
Производство ДТ-73/89х(3,5^4) было организовано на Первоуральском трубном заводе. Для этого в ТаТ-НИПИнефть была разработана, изготовлена компактная установка для профилирования труб геологоразведочного ряда. Процесс профилирования состоит из двух совмещенных операций. Первая - профилирование трубы роликом. При этом участки поперечного сечения, контактирующие с поверхностью роликов, меняют знаки кривизны и становятся вогнутыми. Поверхность, не контактирующая с инструментом, деформируется свободно. В результате габаритный размер поперечного сечения становится больше диаметра заготовки.
Вторая операция - калибровка профильной части через кольцо или калибрирующие ролики. При этом поперечное сечение приобретает форму «восьмерки», вписанной в окружность, диаметр которой меньше диаметра исходной трубы. В процессе второй операции растет кривизна вогнутых участков со значительным уменьшением радиуса изгиба. После этого трубы подвергаются восстановительной термообработке (отжигу). Технология производства профильных труб подтверждена в утвержденных ТУ, которые были приняты ПУТЗ, ТаТНИПИнефтью, МПР РФ.
Технология постановки ОЛКС в зоне осложнения в скважине состоит в последовательном выполнении следующих технологических операций. По данным кавернометрии устанавливаются интервалы с минимальной разработкой ствола над зоной осложнения (горной выработки) и ниже ее, чтобы обеспечить гарантированную герметизацию затрубного пространства. Этим определяется оптимальная длина ОЛКС. Средняя длина одной профильной трубы 8 м. При сборке перекрывателя требуемой длины резьбовые соединения остаются лишь в верхней части для соединения на левом переходнике с колонной бурильных труб и в нижней части для присоединения обратного клапана. После экспандирования труб эти цилиндрические резьбовые соединения разрушают фрезой. Выбор такого способа соединения профильных труб связан с тем, что при экспандировании цилиндрические резьбовые части труб не подвергаются расширению, раздача их развальцевателями до номинального диаметра 76 мм требует больших нагрузок (100 кН и выше), которые не могут быть реализованы при используемом оборудовании и инструменте. Сварные соединения, выполненные по специальной технологии, обеспечивают герметичность и равнопрочность шва с телом трубы при давлении не менее 27 МПа.
Режущий инструмент оригинальных расширителей армирован алмазно-твердосплавными пластинами и твесалом, что обеспечивает нормальное расширение ствола в породах УП-ХП категорий по буримости [4].
На рис. 2 показаны все операции по креплению ОЛКС. Для обеспечения надежности герметизации труб при экспандировании на профильную часть перед спуском наносится расплавленный битум.
Рис. 2. Технологическая последовательность операций по креплению скважины ОЛКС: а - расширение осложненного интервала; б - спуск перекрывателя и его экспандирование; в - фрезерование цилиндрической резьбовой части перекрывате-ля; г - развальцевание труб; д - вскрытие обратного клапана и его разрушение на забое; е - развальцевание труб на диаметр 78 мм и продолжение бурения диаметром 76 мм; 1 - бурильный снаряд; 2 - расширенный интервал; 3 - горная выработка и зона ее влияния; 4 - профильные трубы; 5 - битумная паста (герметик); 6 - расширитель гидравлический РПМ; 7 - шарошечная фреза; 8 - экспандированные профильные трубы; 9 - обратный клапан; 10 - одношарошечный развальцеватель на диаметры 70 и 76 мм; 11 - клиновой гидравлический развальцеватель на диаметр 78 мм
1
5
8
9
Точность спуска перекрывателя контролировалась замером бурового снаряда с учетом повторно проведенной кавернометрии после расширения ствола. После этого во внутреннюю полость колонны профильных труб с помощью буровой насосной установки типа АНБ-22 или цементировочного агрегата ЦА-320М под давлением подается промывочная жидкость. При давлении жидкости 3-4 МПа профильная часть труб начинает выправляться и с возрастанием его до 10 - 12 МПа плотно прижимается к стенкам скважины, обеспечивая необходимую герметичность затрубного пространства. Далее разгрузкой бурильной колонны на 50-100 кН (в зависимости от глубины) проверяется устойчивость труб в стволе скважины.
На следующем этапе бурильную колонну отсоединяют от перекрывателя и поднимают. Далее спускают специальную фрезу для разрушения цилиндрической части резьбового соединения, затем ее поднимают и спускают развальцеватель для калибровки экспандированной части перекрывателя. После этого развальцеватель заменяют шарошечным долотом для разрушения обратного клапана. Бурение скважины продолжают первоначальным диаметром 76 мм [5].
До производственных испытаний перекрывателей на скважинах был выполнен достаточно большой объем теоретических и стендовых исследований оборудования ОЛКС. На основании этих работ были обоснованы рациональная форма и оптимальные геометрические параметры профиля [2], проведены прочностные расчеты для оценки работоспособности труб на стадии профилирования и последующего их экспандирования, определены прогнозные давления начала и конца выправления труб, их работоспособность в открытом стволе под действием внешнего давления и выяснены другие вопросы, связанные с определением конструктивных характеристик оборудования (развальцевателей, расширителей, фрез) и режимных параметров их работы.
При выборе формы профиля исходили из следующих критериев: минимальные энергозатраты на выправление, отсутствие деформационных трещин в трубе при выправлении и калибровке. Форма поперечного сечения после гидравлического экспандиро-вания должна быть наиболее близкой к окружности; периметр поперечного сечения профильной трубы должен соответствовать сечению скважины для плотного прилегания к стенкам ствола скважины. Всем этим критериям в наибольшей степени отвечает симметричный двухканальный профиль в виде «восьмерки».
Прочностные параметры рассчитывались по специально составленной программе на ЭВМ в восьми точках четырех основных участков (рис. 3). На участках I - III и происходит свободное изменение формы, что приводит к появлению перегибов с малыми радиусами. В табл. 2 приведены рассчитанные по программе коэффициента использования ресурса пластичности (у) для указанных точек при профилировании и экспандировании труб. Считается, что если значение у не превышает 0,7, то деформационные процессы имеют обратимый характер на всех стадиях
изменения формы и профильные трубы обладают достаточным запасом прочности.
5
выступу профиля; III - выступ; IV - участок, радиус которого равен радиусу профиля
Таблица 2
Результаты расчета использования ресурса пластичности труб ДТ73/89х3,5 в наиболее опасных сечениях профиля на разных этапах
Значения у при толщине
Характерные стенки трубы, мм
точки сечения 3,5 4 5
Профилирование и редуцирование
1 0,114 0,130 0,163
2 0,601 0,686 0,857
3 0,016 0,018 0,023
4 0,086 0,098 0,122
5 0,365 0,416 0,520
6 0,087 0,099 0,124
7 0,025 0,028 0,035
8 0,005 0,006 0,007
Отжиг
1 0 0 0
2 0,271 0,356 0,682
3 0 0 0
4 0 0 0
5 0,035 0,086 0,190
6 0 0 0
7 0 0 0
8 0 0 0
Выправление в скважине
1 0,601 0,686 0,857
2 0,385 0,486 0,845
3 0,086 0,098 0,122
4 0,016 0,018 0,023
5 0,122 0,185 0,314
6 0,365 0,416 0,52
7 0,005 0,006 0,007
8 0,025 0,028 0,035
Таблица 3
Стойкость перекрывателя длительному воздействию механических и гидродинамических нагрузок
Показатели Данные по скважинам
7140 5634 5612 4754 6987 5689
Фактическая глубина скважины, м 573 845 1060 701 1060 875
Номинальный диаметр ствола после крепления кондуктора, мм 76 76 76 76 76 76
Интервалы установки перекрывателя ОЛКС 73/89x3,5 315-326 410-426 548-573 350-370 455-471 612-627 342-350 410-426 656-664 137-160 547-560
Общая длина перекрывателя, м 11 41 36 15 32 28
Объем бурения после установки 1-го перекрывателя, м 248 419 690 74 710 775
Количество долблений 10 32 46 10 71 62
Общее количество спускоподъемных операций 24 43 58 18 82 70
Общее время вращения бурового инструмента, ч 126 168 187 25 172 155
Частота вращения, с-1 4,8 4,8 4,8 4,8 4,8 4,8
Общее число оборотов инструмента в скважине после установки перекрывалетя 3,2-106 2,9-106 3,2-106 4,3-106 3,0-106 2,7-106
Стендовые испытания при экспандировании профильных труб с различной толщиной стенки подтвердили теоретические предпосылки. Наилучшие результаты получены по профильным трубам с толщиной стенки 3,5 мм. Эти трубы при выправлении разрывались при давлении более 32 МПа. Оптимальные же рабочие давления экспандирования, при которых достигается почти полное выправление труб, лежат в интервале 10-12 МПа.
В 1992 - 1993 гг. испытания ОЛКС 73/89x3,5 проводились на шести плановых скважинах в геологоразведочных экспедициях ГГП «Южгеология», вскрывавших горные выработки в интервале глубин 137670 м (табл. 3). Ствол скважины в интервале крепления расширяли с помощью гидравлического шарошечного расширителя РГШ 76/89. Интервал расширения определялся включением мощности горной выработки и наиболее нарушенной зоны ее влияния, а также выбором опорных площадок (1,0-1,5) на ее границах в наименее разработанных частях разреза для обеспечения герметизации затрубного пространства профильными трубами. Окончательно глубина спуска перекрывателя корректировалась после анализа кавернометрии расширенного интервала.
Производственные испытания позволили установить:
- надежность и устойчивость установки профильных труб в предварительно расширенных интервалах ствола при натяжении и разгрузке бурильной колонны с ОЛКС 90 кН;
- сохранение целостности профильных труб при экспандировании при рабочих давлениях 10-12 МПа
и при последующем бурении скважины ниже интервала крепления;
- герметизацию затрубного пространства (без использования тампонажных материалов) и предупреждение поступления на забой из горных выработок и зон их влияния шламового и обломочного материала. Во всех скважинах удалось восстановить циркуляцию промывочной жидкости при нормальном процессе бурения и завершить сооружение скважин без каких-либо осложнений. Скорости бурения были сопоставимы с аналогичными скважинами, в которых осложнений не отмечалось.
Оценка стойкости перекрывателя длительному воздействию гидродинамических и механических нагрузок от бурового снаряда фиксировалось в ходе производственных испытаний по целому ряду показателей, приведенных в табл. 3.
В аналитическом обзоре ВИЭМСа РАН [6] данная разработка включена в список наиболее важнейших научно-технических достижений в геологии и разведке недр России.
Выводы
1. Создано работоспособное и высоко надежное оборудование и технологический инструмент ОЛКС 73/89x3,5 и профилирующее автономное оборудование для изготовления профильных труб ДТ 73/89.
Экспандируемые обсадные трубы обеспечивает оперативность в экранировании особо сложных зон осложнений при минимальных затратах, восстановление нормальных условий бурения с сохранением основного диаметра бурения.
2. Разработана и утверждена вся необходимая нормативная база для выполнения всех технологических операций по локальному креплению.
3. Необходимо продолжить работы по созданию нормального ряда ОЛКС для скважин с диаметрами бурения 93-132 мм, в частности, для использования при сооружении скважин на минеральные воды и хозяйственно-питьевого назначения.
Литература
1. Новиков Г.П.. Вейсман А.Д., Алимбеков Б.Д. и др. Справочник по бурению скважин на уголь / М., 1988.
Поступила в редакцию
2. Вейсман А.Д., Кузьмин И.Г., Абдрахманов Г.С. и др. Перспективы внедрения экспандируемых профильных труб для перекрытия горных выработок и программа оптимизации их профиля // Разведка и охрана недр 1991, № 7.
3. Вейсман АД., Руденко А.П., Рудометов Ю.Т. Устройство для перекрытия зон поглощения промывочной жидкости: Пат 2030554 РФ. МПК6Е21, ВЗЗ/13, опубл. 10.03.95.
4. Вейсман АД., Абдрахманов Г.С., Ибатуллин Р.Х. и др. Расширитель скважин» Пат. 20207843 РФ МПК6Е21, В7/28 опуб. 27.01.1995.
5. Вейсман А.Д., Кузьмин И.Г., Сухенко Н.И. «Устройство для расширения скважин. Пат 2026950 РФ МПК6Е21. ВЗЗ/13, опубл. 20.01.95.
6. Свободный аналитический обзор наиболее важных научно-технических достижений в области геологии и разведки недр России за 1994 г.: Науч. сб. Кн. 2. М., 1995.
13 ноября 2008 г.
Третьяк Александр Яковлевич - докт. техн. наук, профессор, академик РАЕН, декан горно-геологического факультета, зав. кафедрой «Геофизика, техника разведки и бурения нефтяных и газовых скважин» ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Вейсман Анатолий Данилович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Геофизика, техника разведки и бурения нефтяных и газовых скважин» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Онофриенко Сергей Александрович - преподаватель, аспирант кафедры «Геофизика, техника разведки и бурения нефтегазовых скважин» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8-86352-55-0-57. E-mail: gtr_bngs51@mail.ru
