CC BY
60
УДК 622.233.53
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-6-329-337
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ДОЛОТ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН С ОДНОВРЕМЕННОЙ ОБСАДКОЙ
Илья Олегович Шахторин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, младший научный сотрудник, тел. (923)399-32-68, e-mail: [email protected]
Статья содержит описание технологии бурения скважин с одновременной обсадкой, применяемой в горной промышленности, а также в гражданском строительстве. В работе обосновывается актуальность данной технологии и ее преимущества. Приведено описание оборудования, применяемого при бурении с одновременной обсадкой. Выполнен анализ конструкций специальных долот, используемых при бурении с одновременной обсадкой, изложен принцип их действия, отмечены особенности, достоинства и недостатки. Обоснована актуальность повышения качества отчистки забоя от бурового шлама при бурении глубоких скважин. Создана математическая модель бурового долота в скважине, позволяющая исследовать параметры потока очистного агента в забойной зоне скважины. С использованием разработанной модели, исследовано влияние расположения продувочных отверстий долота на качество очистки забоя скважины. Определены рациональные параметры системы продувки забоя долота, позволяющие обеспечить эффективную очистку забоя скважины, тем самым повысить скорость бурения.
Ключевые слова: бурение, буровое долото, одновременная обсадка, бурение на воду, пневмоударник.
ANALYSIS OF CONSTRUCTION BIT FOR DRILLING WELLS WITH SIMULTANEOUS CASING
Il'ya O. Shakhtorin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Junior Researcher, phone: (923)399-32-68, e-mail: [email protected]
The article contains a description of the well drilling technology with simultaneous casing, used in the mining industry, as well as in civil engineering. The work proves the relevance of this technology and its advantages. The description of the equipment used in drilling with simultaneous casing is given. The analysis of the construction of special bits used in drilling with simultaneous casing, the principle of their operation, the features, advantages and disadvantages are noted. The urgency of improving the quality of bottomhole cleaning from drill cuttings while drilling deep wells is substantiated. A mathematical model of a drill bit in a borehole has been created, which makes it possible to study the flow parameters of a cleaning agent in the downhole zone of a well. Using the developed model, the influence of the location of the blowing holes of the bit on the quality of bottomhole cleaning was investigated. The rational parameters of the bottom hole blowdown system are determined, which allow to ensure efficient cleaning of the bottom of the borehole, thereby increasing the drilling speed.
Key words: drilling, drill bit, simultaneous casing, water well drilling, pneumatic punch.
Введение
Проходка скважин в сложных горно-геологических условиях и обсадка их трубами - одна из сложнейших и трудоемких задач, как в горнорудной промышленности, так и в гражданском строительстве. При работе в неустойчивых слабых грунтах существует опасность обрушения стенок пробуренной скважины и как следствие, невозможность установки обсадных труб. Кроме того, существует опасность потери в скважине бурового инструмента без возможности его поднятия на поверхность [1, 2].
Системы бурения с одновременной обсадкой предназначены для бурения скважин в сложных горно-геологических условиях (валунно-галечные отложения, наличие водопритока в скважину и др.). Системы для пневмоударного бурения с одновременной обсадкой применяются в случае, когда по геологическим свойствам грунта есть необходимость производить бурение с использованием пневмоударника, но при этом существует необходимость одновременной обсадки скважины. Системы с одновременной обсадкой показывают хорошие результаты при фундаментных работах, они обеспечивают высокую производительность, даже если грунт содержит валуны, бетонные блоки и техногенные включения [3-5].
Основные потребители разрабатываемых технологии и инструмента -строительно-монтажные организации, предприятия по разработке и добыче полезных ископаемых, предприятия геологоразведки и инженерной геологии, в меньшей степени предприятия нефтегазового комплекса [6, 7].
Принципиально система бурения с одновременной обсадкой состоит из специального забурника, установленном в одном корпусе с оригинальным эксцентриковым механизмом (рис. 1) [8].
Рис. 1. Долота для бурения с одновременной обсадкой
Принцип действия долота заключается в увеличении диаметра бурения забурника расширителями одновременно с первичным бурением скважины. Эти расширители в зависимости от типа обсадной системы могут быть симметричными либо эксцентричными (рис. 2) [9].
В рабочем положении расширитель разбуривает скважину до требуемого диаметра для обсадной трубы, спускающейся в скважину под действием собственного веса и от вибрации ударно-вращательного механизма. После окончания
бурения одним поворотом буровой штанги в противоположном направлении расширитель складывается в транспортное положение, и через обсаженную трубами скважину буровой снаряд поднимается на поверхность [10, 11].
Рис. 2. Принцип работы долота
На сегодняшний день на рынке существуют предложения по долотам для бурения с одновременной обсадкой, но результаты внимательного рассмотрения этих предложений показали, что практически все поставщики предлагают продукцию одного производителя - шведской компании «Атлас Копко» (Atlas Copco) [12]. Реже встречаются предложения по инструменту других производителей, например, финской компании «ROBIT ROCKTOOLS Ltd» [13].
Институтом горного дела СО РАН (ИГД СО РАН им. Н.А. Чинакала) разработаны три типа долот для бурения и одновременного обсаживания скважин в неустойчивых грунтах и горных породах, позволяющих существенно уменьшить время проходки скважины и исключить обрушение ее стенок [14].
Принцип работы разработанного оборудования заключается в том, что бурение осуществляется погружными пневмоударниками со специальным поро-доразрушающим инструментом, который за счет оригинальной конструкции обеспечивает диаметр бурения больший по отношению к диаметру обсадной трубы. После завершения бурения породразрушающий инструмент изменяет свои габаритные размеры до внутреннего диаметра обсадной трубы и может быть беспрепятственно извлечен из скважины. При необходимости, дальнейшее бурение в крепких породах можно производить с помощью обычного инструмента [15].
Важнейшей составляющей технологий разведки и разработки месторождений полезных ископаемых, их добычи, как подземным, так и открытым способами является бурение скважин в породном массиве. Перспективы развития буровой техники связаны с ориентацией предприятий горного комплекса на улучшение показателей извлечения полезного ископаемого, повышение безопасности горных работ, особенно в условиях увеличения глубин разработки, развитие эффективных технологий добычи нетрадиционного углеводородного сырья [16].
В настоящее время и в обозримом будущем наиболее эффективным способом проходки скважин в массиве горных пород является ударно-вращательный, обеспечивающий бурение с минимальной энергоемкостью.
Актуальной задачей является повышение скорости бурения скважин ударно-вращательным способом. Одним из вариантов достижения поставленной цели является повышение эффективности очистки забойной зоны от бурового шлама, что позволит получать буровой шлам более крупной фракции, исключить его переизмельчение, и повысить скорость бурения.
Эксперименты
Эффективная очистка забоя от бурового шлама является важной составляющей при ударно-вращательном способе бурения. Увеличение скорости движения очистного агента в забойной зоне положительно сказывается на скорости бурения.
С целью повышения эффективности процесса очистки забоя от бурового шлама при пневмоударном бурении с одновременной обсадкой выполнено исследование влияния параметров продувочной системы долота на скорость движения очистного агента в забойной зоне скважины [17].
В среде Solidworks Flow Simulation создана математическая модель долота, применяемого для бурения с одновременной обсадкой, производства компании Atlas Copco. С использованием метода конечных объемов, определена скорость движения очистного агента в различных участках забойной зоны (рис. 3).
Рис. 3. Распределение воздушных потоков в забойной зоне долота
стандартной конструкции
Проанализировав рис. 3, можно заметить, что очистной агент охватывает не всю площадь забоя скважины, также возникают вихревые потоки, препятст-
вующие очистке. Скорость очистного агента заметно снижается по мере удаления от забоя скважины [18].
Выполнено исследование влияния расположения воздухоподводящего и выносного каналов, в результате которого найдены рациональные параметры системы продувки долота (рис. 4), реализация которых позволяет обеспечить повышение скорости движения очистного агента, а также исключить вихревые потоки, препятствующие очистке забоя. Повышение скорости движения очистного агента положительно сказывается на процессе очистки забоя, что повышает скорость бурения скважин [19].
Рис. 4. Изменение расположения воздухоподводящего и выносного каналов
Определена зависимость средней скорости движения очистного агента в забойной зоне от угла а, определяющего расположение воздухоподводящего и выносного каналов (рис. 5) [20].
Рис. 5. Расположение воздухоподводящего и выносного каналов
Обсуждение
В ходе исследования определялась средняя скорость движения очистного агента в забойной зоне при различных значениях угла а. По результатам исследования построен график зависимости средней скорости движения очистного агента в забойной зоне от угла а (рисунок 6). Проанализировав данный график, можно сделать вывод, что рациональным значением угла а является 35 градусов, при данном значении обеспечивается максимальная скорость движения очистного агента [21, 22].
V,M/C 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Средняя скорость движения очистного агента
----/
) 5 10 15 20 25 30 35 40 а, градусы
Рис. 6. Зависимости средней скорости движения очистного агента
в забойной зоне от угла а
Заключение
В ходе работы выполнено исследование влияния параметров продувочной системы долота на скорость движения очистного агента в забойной зоне скважины. С использованием метода математического моделирования, найдены рациональные параметры системы продувки забоя долота для бурения с одновременной обсадкой, позволяющие обеспечить эффективную очистку забоя скважины, тем самым повысить скорость бурения.
Благодарности
Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории бурения и технологических импульсных машин ИГД СО РАН им. Н.А. Чинакала за активное участие в работе и помощь в проведении исследований.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шахторин И. О. Определение параметров погружного пневмоударника // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Экономика. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 2. - С. 199-204.
2. Шахторин И. О. Доводка машин ударного действия при помощи современного программного обеспечения // ФПВГН. - 2017. - Т. 4, № 1. - С. 72-77.
3. Тимонин В. В., Смоленцев А. С., Полушин Н. И., Лаптев А. И., Шахторин И. О. Анализ причин износа pdc-долот и способы повышения их износостойкости // ФПВГН. - 2016. -Т. 2, № 3. - С. 177-183.
4. Шахторин И. О. Обоснование параметров погружного пневмоударника малого диаметра // ФПВГН. - 2016. - Т. 2, № 3. - С. 228-233.
5. Тимонин В. В., Алексеев С. Е., Кокоулин Д. И. Создание системы воздухораспреде-ления погружного пневмоударника для расширенного диапазона рабочего давления // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Экономика. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 2. - С. 283-288.
6. A - Z of DTH drilling // Halco Rock Tools. - 05.2016 - рр.76.
7. Фокс Брайан и др. Бурение взрывных скважин на открытых горных выработках. Издатель: Ульф Линде. Перевод на русский язык. // Atlas Copco Drilling Solutions LLC, Gar-land, Texas, USA. - 2011. - 274 с.
8. Погружные пневмоударники Secoroc QLX5 инструкция по эксплуатации / Перевод на русский язык. Atlas Copco Secoroc AB Fagersta, Sweden. - 2015. - 34 с.
9. Technical specification DHD hammers / Atlas Copco Secoroc AB. Update, February, -2005. - 4 р.
10. Atlas Sopco Rock Drilling Tools. Secoroc Down-the-hole equipment: Operators instruction and spare parts list down-the-hole hammers/Atlas Copco Secoroc AB, Fagestra, Sweden, 2002. - 23 p.
11. Тимонин В. В., Алексеев С. Е., Карпов В. Н., Черниенков Е. М. Влияние Энергетических параметров погружного пневмоударника на технико-экономические показатели бурения скважин с одновременной обсадкой // ФТПРПИ. - 2018. - № 1. - С. 61-70.
12. Еременко В. А., Карпов В. Н., Филатов А. Р., Котляров А. Р., Шахторин И. О. Совершенствование разработки с отбойкой руды на зажатую среду при освоении удароопасных месторождений // Горное дело. - 2014. - № 1. - С. 50-55.
13. Репин А. А., Алексеев С. Е. Создание пневмоударников для работы на повышенном давлении энергоносителя // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды. Т. III. Машиноведение. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2010. - C. 324.
14. Репин А. А., Алексеев С. Е., Карпов В. Н. Полезн. модель 121854 РФ. Погружной пневмоударник; правообладатель ИГД СО РАН. - № 2012118740/03; заяв. 04.05.2012; опубл. 10.11.2012 Бюл. № 31.
15. Тимонин В. В., Алексеев С. Е., Кокоулин Д. И., Кубанычбек Б. Исследование процесса воздухораспределения для бурения дегазационных скважин // ФПВГН. - 2017. - Т. 1, № 3. - С. 154-159.
16. Репин А. А., Алексеев С. Е., Попелюх А. И. Методы повышения надежности деталей ударных машин // ФТПРПИ. - 2012. - № 4. - С. 94-101.
17. Murakami Yukitaka. Metal Fatigue: Effects of Small Defectsand Nonmetallic Inclusions / Yukitaka Murakami. - Elsevier. - 2002.
18. Петреев А. М., Воронцов Д. С., Примычкин А. Ю. Кольцевой упругий клапан в пневмоударных машинах // ФТПРПИ. - 2010. - № 4. - С. 56-55.
19. Петреев А. М., Примычкин А. Ю. Особенность работы кольцевого упругого клапана круглого сечения в системе воздухораспределения пневмоударных машин // ФТПРПИ. -2013. - № 3. - С. 64-69.
20. Червов В. В., Смоляницкий Б. Н. Экспериментальная оценка диапазона изменения энергетических параметров пневмомолота с механических замыканием упругого клапана // ФТПРПИ. - 2016. - № 5. - С. 92-99.
21. Primychkin A.Yu., Kondratenko A.S., Timonin V.V. Determination of variables for air distribution system with elastic valve for down-the-hole pneumatic hammer. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science Сер: "All-Russian Conference on Challenges for Development in Mining Science and Mining Industry Devoted to the 85th Anniversary of Academician Mikhail Kurlenya" 2017. С. 012025.
22. Petreev A.M., Primychkin A.Y. Influence of air distribution system on energy efficiency of pneumatic percussion unit of circular impact machine. Journal of Mining Science. 2015. Vol 51. № 3. - С. 562-567.
REFERENCES
1. Shakhtorin I. O. (2017). Opredelenie parametrov pogruzhnogo pnevmoudarnika [Determination of the parameters of a submersible hammer]. Interehkspo GEO-Sibir'-Interexpo GEO-Siberia, Vol. 2, 199-204.
2. Shakhtorin I. O. (2017). Dovodka mashin udar-nogo deystviya pri pomoschi sovremennogo programmnogo obespecheniya [The finishing of impact machines with modern software]. Fundamentalnyie i prikladnyie voprosyi gornyih nauk - Earth and Environmental Science, Vol. 1, 72-77.
3. Timonin V.V., Smolentsev A.S., Polushin N.I., Laptev A.I., & Shakhtorin I. O. (2016). Analiz prichin iznosa pdc-dolot i sposobyi povyisheniya ih iznosostoykosti [Analysis of the causes of wear of pdc-bits and ways to increase their wear resistance]. Fundamentalnyie i prikladnyie voprosyi gornyih nauk - Earth and Environmental Science, Vol. 3, 177-183.
4. Shakhtorin I. O. (2016). Obosnovanie parametrov pogruzhnogo pnevmoudarnika malogo diametra [Justification of the parameters of a small diameter submersible hammer]. Fundamentalnyie i prikladnyie voprosyi gornyih nauk - Earth and Environmental Science, Vol. 3, 228-233.
5. Timonin V. V., Alekseev S. E., & Kokoulin D. I. (2017). Sozdanie sistemy vozduhoraspredeleniya pogruzhnogo pnevmoudarnika dlya rasshirennogo diapazona rabochego davleniya [The air-distribution system in downhole air hammer with expanded operating] Interehkspo GEO-Sibir'-Interexpo GEO-Siberia, Vol. 2, 283-288.
6. A - Z of DTH drilling. (2016). Halco Rock Tools,76.
7. B. Fox et al. (2011). Drilling of explosive wells on open excavations. (Ulf Linde, Trans). Texas: Gar-land, 274.
8. Pneumatic impact Secoroc QLX5 maintenance instruction. (2015). Sweden: Atlas Copco Secoroc AB Fagersta.2, 34.
9. Technical specification DHD hammers. (2005). Sweden: Atlas Copco Secoroc AB Fagersta, 4, 4.
10. Atlas Sopco Rock Drilling Tools. Secoroc Down-the-hole equipment: Operators instruction and spare parts list down-the-hole hammers. (2002). Sweden: Atlas Copco Secoroc AB, Fagestra, 23.
11. Timonin V. V., Alekseev S. E., Karpov V. N., & CHernienkov E. M. (2018). Vliyanie EHnergeticheskih parametrov pogruzhnogo pnevmoudarnika na tekhniko-ehkonomicheskie pokazateli bureniya skvazhin s odnovremennoj obsadkoj [Influence of Power parameters of the
submersible pneumatic impact tool on technical and economic indicators of well-drilling with a casing]. Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh - Journal of Mining Science, 1, 61-70.
12. Eremenko V.A., Karpov V.N., Filatov A.P., & Kotlyarov A.A. (2014). Sovershenstvovanie razrabotki s otbojkoj rudy tna zazhatuyu sredu pri osvoenii udaroopasnyh mestorozhdenij [Improvement of development from breaking the rock ore on the clamped environment at development of fields which the mountain blows affects]. Gornyj zhurnal - Mining Journal, 1, 50-55 [in Russian].
13. Repin A. A., & Alekseev S. E. (2010). Sozdanie pnevmoudarnikov dlya raboty na povyshennom davlenii ehnergonositelya [Creation of pneumatic impact tools for work on the elevated pressure of the energy carrier]. Fundamental'nye problemy formirovaniya tekhnogennoj geosredy. Mashinovedenie - Fundamental problems of formation of a technogenic geosreda. Engineering science. Novosibirsk, N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences,Vol 3, 324 [in Russian].
14. Repin A. A., Alekseev S. E., & Karpov V. N. (2012). Poleznaya model' RF, no. 121854. Novosibirsk: IP Russian Federation.
15. Timonin V.V., Alekseev S.E., Kokoulin D.I., & Kubanyichbek B. (2017). Issledovanie protsessa vozduhoraspredeleniya dlya bureniya degazatsionnyih skvazhin [Investigation of the air distribution process for drilling degassing wells]. Fundamentalnyie i prikladnyie voprosyi gornyih nauk - Earth and Environmental Science, Vol. 3, 154-159.
16. Repin A.A., Alekseev S.E., & Popelyuh A.I. (2012). Metody povysheniya nadezhnosti detalej udarnyh mashin [Enhancing reliability of parts of percussion machines]. Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh - Journal of Mining Science,4,94-101.
17. Murakami Yukitaka. (2002). Metal Fatigue: Effects of Small Defectsand Nonmetallic Inclusions. Yukitaka Murakami. Elsevier.
18. Petreev A. M., Voroncov D. S., & Primychkin A.YU. (2010). Kol'cevoj uprugij klapan v pnevmoudarnyh mashinah [Ring-shape elastic valve in the air percussion machines] Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh - Journal of Mining Science, 4, 55-65.
19. Petreev A. M., & Primychkin A. YU. (2015). Osobennost' raboty kol'cevogo uprugogo klapana kruglogo secheniya v sisteme vozduhoraspredeleniya pnevmoudarnyh mashin [Specify of operation of round elastic valve in air distribution system of pneumatic percussion machines]. Interehkspo GEO-Sibir'-Interexpo GEO-Siberia, Vol. 3, 201-205.
20. Chervov V. V., & Smolyanickij B. N. (2016). Ehksperimental'naya ocenka diapazona izmeneniya ehnergeticheskih parametrov pnevmomolota s mekhanicheskim zamykaniem uprugogo klapana[Experimental Estimate of Power Variation Range of Pneumatic Hammer with Mechanical Locking of Elastic Valve] Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh - Journal of Mining Science, 5, 92-98.
21. Primychkin A.Yu., Kondratenko A.S., & Timonin V.V. (2017). Determination of variables for air distribution system with elastic valve for down-the-hole pneumatic hammer. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science Сер: "All-Russian Conference on Challenges for Development in Mining Science and Mining Industry Devoted to the 85th Anniversary of Academician Mikhail Kurlenya", 012025.
22. Petreev A.M., & Primychkin A.Y. (2015). Influence of air distribution system on energy efficiency of pneumatic percussion unit of circular impact machine. Journal of Mining Science, Vol. 51, 3, 562-567.
© И. О. Шахторин, 2018
