CC BY
97
УДК 622.243. 952
М. Отебаев, А. Касенов, Б. Т. Ратов
К ВОПРОСУ О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ БУРЕНИЯ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН УДАРНОВРАЩАТЕЛЬНЫМ СПОСОБОМ
Семинар № 4
ЖЭ настоящее время основным спо-
-И-Эсобом бурения крепких пород в геологоразведке является алмазный способ. Он обладает несомненными достоинствами, которые позволили ему оттеснить многие другие способы вплоть до их снятия с производства. К этим достоинствам относятся предельная простота используемых средств бурения. Для его осуществления в дополнение к обычным средствам, используемым, практически, при всех способах бурения: буровому станку, колонне бурильных труб, промывочному насосу, требуется только одно средство -алмазная коронка или долото. Еще в пятидесятые годы отсутствие собственных алмазов приводило к высокой цене на алмазный инструмент и зачастую делало алмазное бурение нерентабельным. С открытием месторождений алмазов в СССР и началом их разработки цена на алмазный инструмент упала, а его высокая стойкость и эффективность разрушения им крепких пород постепенно поставило этот способ бурения вне конкуренции.
Однако применяется алмазное бурение в основном для бурения скважин малого диаметра, что оправдано в устойчивых породах, где керн малого диаметра выходит ненарушенным. Но при увеличении диаметра бурения увеличивается и стоимость коронок. Что же касается эффективности разрушения пород, то в крепких породах не меньшую эффективность обеспечивает ударно-
вращательный способ бурения твердыми сплавами. Тем не менее, с учетом того, что основная масса пород, в которых ведется разведочное бурение, допускает использование скважин малого диаметра, преобладание алмазного способа бурения вполне обосновано.
Однако и этот способ бурения не свободен от недостатков, ограничивающих его область применения. В определенных условиях его использование становится нерентабельным и требует замены другим, более подходящим способом.
Так в условиях Узень месторождения для детальной разведки нефтяного месторождения необходимо проходить скважины глубиной до 1200-1500 м. в крепких породах УП - Х категорий буримости с пропластками нарушенных пород с плохим выходом керна. Бурить такие скважины алмазными коронками малыми диаметрами практически невозможно.
В годы становления алмазного бурения наряду с этим способом много внимания уделяли и другим способам бурения. Алмазное бурение начало завоевывать позиции в 60 годы. В это же время велось интенсивное опробование и других способов бурения, которые зарекомендовали себя как перспективные, призванные заменить малопроизводительное дробовое бурение.
В таблице приведены данные по объемам бурения в это период в организациях комитету геологии Казахстану [1].
Объемы бурения прогрессивными способами по комитету геологии Казахстану
Годы Объем бурения, тыс. пог. м
Общий по Казахстану В том числе по способам бурения
алмазное бескерновое твердо-сплавное малыми диаметрами гидро- ударное
1961 2680 6,1 205 - 5,1
1962 2970 4,8 233 - 12,9
1963 3020 11,3 325 - 15,4
1964 3090 24,0 370 - 43,9
1965 3000 52,1 373 20,0 55,5
1966 2990 90,9 478 45,0 60,3
1967 3110 116,5 471,6 221,3 53,0
1968 2960 201,9 425,8 209,4 45,3
1969 2800 283,5 471,2 383,1 50,1
1970 3050 370,0 450,0 390,0 45,0
Как видно из таблицы, из приведенных способов в начале рассматриваемого периода наибольший объем бурения производился бескерновым способом. Это объясняется прежде всего тем, что бурение сплошным забоем производится долотами - породоразрушающим инструментом более прочным, чем коронки для колонкового бурения. Это допускает увеличение осевого давления на забой, что, в свою очередь, обеспечивает более эффективное внедрение элементов долота в породу и ее разрушение.
Однако при этом не выполняется основная цель геологоразведочного бурения - получение проб породы (керна) для ее исследования. Поэтому бескерновое бурение имеет вспомогательное значение. Им пользуются выборочно, лишь там, где допускают геологические условия исследуемого местрождения.
Алмазным бурением в начале рассматриваемого периода выполнялся объем не превышающий объем гидроударного бурения. Лишь с 1965 года его объемы обгоняют объем гидроударного бурения и дальше резко идут
вверх. Как уже было сказано, объясняется это в первую очередь выпуском отечественного алмазного инструмента, падением его стоимости и простотой технологического процесса.
Одновременно с алмазным в этот период растет и объем вращательного бурения твердосплавными коронками малого диаметра. Этот способ бурения применим в породах ниже средней крепости, т.е. область его применения не совпадает с областью алмазного и гидроударного бурения.
Разрушение горной породы при бурении происходит либо при вдавливании, либо при резании ее элементами породоразрушающего инструмента. При этом происходит истирание как породы, так и инст-румента и износ последнего. В наибольшей мере это проявляется при вращательном бурении скважин малого диаметра, когда с увеличением глубины скважины недостаточно большой вес и малая продольная устойчивость бурильных труб не позволяют применить достаточно высокую осевую нагрузку, обеспечивающую объемное разрушение породы
и происходит в основном ее истирание.
При ударном (ударно-поворотном) бурении, нашедшем широкое применение в горном деле, инструмент (долото) движется поступательно-воз-вратно, нанося удары по забою. Поворот долота осуществляется при малой величине осевой нагрузки, которая не компенсирует его отскок после удара и долото перемещается в отрыве от забоя, что обусловливает его незначительный износ. Однако при этом между ударами не происходит и разрушения породы.
Ударно-вращательный способ бурения объединяет достоинства обоих предыдущих способов бурения. Вращающемуся инструменту, находящемуся под действием осевой нагрузки, достаточной для постоянного прижатия его к забою и разрушения породы скалыванием, периодически сообщаются динамические импульсы, вызывающие раздавливание и скалывание породы. Интенсивность разрушения породы при этом повышается, а контакт инструмента с разрушенной породой при вращении изнашивает инструмент меньше, чем при чисто вращательном бурении.
Практически все рассматриваемые способы бурения используют для разрушения породы энергию, передаваемую вращением буровой колонны. При этом бурение малыми диаметрами предусматривает высокое число ее оборотов. Однако в глубоких скважинах гибкость буровой колонны становится чрезмерной и в результате на породоразрушающий инструмент передаются крутильные удары, вызывающие скалывание твердосплавных резцов и разрушение алмазных секторов коронок.
Ударно-вращательное разведочное
бурение осуществляется пневмоударниками или гидроударниками - погруж-
ными машинами ударного действия, непосредственно на забое скважины генерирующими ударные импульсы, передаваемые инструментом - коронками или долотами - на породу забоя. При этом вращение, передаваемое через колонну буровых труб погружной машине, имеет малую частоту, т.к. здесь гораздо большее влияние на эффективность разрушения породы имеет увеличение частоты ударов, приходящихся на один оборот инструмента.
Ударно-вращательное бурение привлекательно тем, что при использовании твердосплавного инструмента, который существенно дешевле алмазного, оно обеспечивает не меньшую, а в определенных условиях и превышающую эффективность разрушения крепких горных пород.
Недостатком как пневмоударного, так и гидроударного способов является необходимость оснащения буровых установок дополнительным или специальным оборудованием. Так для пневмоударного бурения необходимы высокопроизводительные компрессоры, которые не используются для обычного вращательного бурения. И все же существующие передвижные компрессоры не могут обеспечить работу пневмоударников на требуемой глубине. Для гидроударного бурения соответственно нужны мощные насосы, что не является такой проблемой, как в случае пневмоударного бурения, т.к. обычное вращательное бурение также ведется с промывкой. Но здесь требуется также оснащение агрегатов компенсаторами гидроударов в гидросистемах, шлангами усиленной прочности, желательно бронированными, соединяющими элементы поверхностной гидросистемы - насос, компенсатор, вертлюг-сальник ведущей штанги.
Необходимость дополнительного оснащения буровых агрегатов для осуществления ударно-вращательного бурения и более сложная технология бурения, требующая повышения квалификации бурового персонала, привела к постепенному снижению объемов бурения этим прогрессивным способом. Так из таблицы видно, что это происходит начиная с 1967 года. Но, несмотря на это, даже в 1970 году стоимость проходки 1 м скважин гидроударным способом была на 1,5 - 2,0 рубля ниже стоимости проходки алмазным способом при общей стоимости 1 м по Министерству -11, 4 рубля [1].
В последующие годы в связи развитием алмазного бурения и в силу многих организационных причин ударно -вращательному разведочному бурению уделялось все меньше внимания. В настоящее время в Казахстане оно не применяется.
Таким образом, анализируя применимость изучаемых способов бурения к условиям месторождения, приходим к следующим выводам.
Наиболее широко применяемый в настоящее время алмазный способ бурения, осуществляемый коронками малого диаметра, обеспечивает эффективное разрушение крепких горных пород, но не дает представительного керна для геологического анализа и не позволяет бурить скважины требуемой глубины.
Бескерновое бурение тем более не дает возможности осуществлять геологический анализ проходимых пород, что не приемлемо для детальной разведки.
Твердосплавное бурение малыми диаметрами, как и алмазное, не применяется для проходки глубоких скважин и, кроме того, используется в основном в породах ниже средней крепости.
Ударно-вращательное бурение обеспечивает эффективное разрушение
крепких пород, может использоваться как с коронками для получения керна, так и с долотами сплошного забоя. Может осуществляться погруж-ными пневмоударниками или гидроударниками. Но пневмоударное бурение требует нестандартного дополнительного оборудования и не может обеспечить необходимую глубину скважин.
В отличие от ударного и вращательного способов бурения, имеющих длительную историю существования, ударно-вращательный способ появился сравнительно недавно. Родиной его является Советский Союз. Впервые этот способ бурения был применен в 30 годах на Урале инженером Комаровым В.Н. Использование для бурения взрывных скважин погружных пневмоударников [2] значительно расширило область применения ударно-враща-тельного бурения.
Существенный рост производительности при бурении шпуров и взрывных скважин ударно-вращательным способом в горнорудной промышленности подтвердил правильность теоретических и экспериментальных исследований, показавших перспективы и преимущества этого способа бурения. Поэтому в послевоенный период в СССР, в США и некоторых других странах стали уделять большое внимание разработке новых конструкций средств для его осуществления - пневмоударникам, гидроударникам, породоразрушающему инструменту. Одновременно проводились работы по теоретическому обоснованию этих конструкций.
Первые теоретические и экспериментальные исследования ударновращательного бурения были проведены в 1934 - 1937 г. г. под руководством Эпштейна Е.Ф. в Днепропетровском горном институте (ДГИ). Кроме того,
исследования и разработка новой техники гидроударного бурения проводились в Институте горного дела им. А.А. Скочинского, СКБ Министерства геологии СССР, ВНИИБТ и МИН-ХиГП им. И.М. Губкина, ВИТР, Свердловском горном институте (СГИ), Каз ИМСе и некоторых других организациях.
Казахстан явился основной базой для опробования гидроударного бурения. Начиная с 1960 года гидроударники конструкции СКБ и КазИМСа испытывались в экспедициях ЮжноКазахстанского геологоуправ-ления, промышленно применялись в Восточно-Казахстанском геологоуправлении и в Джезказганской экспедиции [3, 4]. Их эксплуатация показала, что помимо высоких показателей скорости проходки скважин, эти скважины характеризуются весьма малыми отклонениями от заданного направления [5]. Эта особенность позволяет сохранять прямолинейность скважин при их сооружении гидроударниками и, соответственно, избегать аварий обсадных колонн, используемых при оснащении технологических скважин, в местах изгибов скважин, что весьма важно для поддержания работоспособности технологических скважин. Поэтому перспективным направлением представляется использование гидроударников на нефтяных месторождениях,
где оно может использоваться как для детальной разведки, так и в эксплуатационных скважинах. И если для бурения эксплуатационных скважин необходимо создание специальных машин и решение этой проблемы видится в будущем, то для ремонтно-восстановительных работ, заключающихся в разбуривании песчано-цементных
пробок и фрезеровании прихваченного инструмента и бурильных труб в эксплуатационных скважинах вполне возможно использование существующих технических средств гидроударного разведочного бурения.
Выводы
Опыт гидроударного бурения в Казахстане показывает, что оно удовлетворяет предъявляемым требованиям, может в этих условиях конкурировать с алмазным бурением и безусловно достойно внимания геологических организаций, но возрождение этого способа потребует определенных усилий и будет возможно лишь при условии решения целого ряда проблем, к которым, в первую очередь относится совершенствование технических средств бурения - машин и пародоразрушаю-щего инструмента, на базе исследований влияющих на их работу факторов, как в теоретическим аспекте, так и использованием производственных экспериментов. птш
1. Туякбаев Н.Т.,Усенов А.У., Тастанбеков Т.Х. Вопросы повышения производительности бурения в Казахстане.//Геология и разведка недр, вып. 2, КазПТИ, Алма-Ата, 1971.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Медведев И.Ф., Пуляев А.И. Вращательно-ударное бурение шпуров и скважин. М.: Госгортехиздат, 1962.
3. Вааль П.А., Марьин А.А., Сорокин А.А., Юшков А. С. Опыт бурения гидроударниками в
Восточно-Казахстанском геологическом
управлении. Сборник «Опыт бурения гидроударниками в Казахстане», Алма-Ата, 1966.
4. Сыромятников И.С., Бабуркин В.И. Гидроударное бурение и его экономическая эффективность в условиях Джезказганского месторождения. Сборник «Опыт бурения гидроударниками в Казахстане», Алма-Ата, 1966.
5. Граф Л.Э. Гидроударный способ бурения разведочных скважин на твердые полезные ис-
копаемые. Сборник «Теория и практика ударно-вращательного бурения». М.: Недра, 1967.
6. Ганджумян Р. А., Калинин А. Г., Сердюк Н.И. Расчеты в бурении (Справочное пособие).-М.: РГГРУ, 2007.-668 стр.
7. Голиков С.И., Калинина А.Г. Терминологический словарь по бурению скважин-М.: Москва 2005.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Отебаев Майлыбай - технический директор ТОО «КРУЗ» РД «КазМ^найГаз»,
Касенов Алмабек - кандидат технических наук, доцент кафедры «ТиТБС» КазНТУ Ратов Боранбай - кандидат технических наук, и.о.доцента кафедры «ТиТБС» КазНТУ,
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 4 симпозиума «Неделя горняка-2009». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.
---------------------------------------------- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
1. Липовая Т.Б., Арутюнян М.Н., Горбачева И.Э., Гордиенко А.Е., Ланцова Т.И., Рябова А.А. Че-пукова А.Б., Чикваная Н.Г., Федорченко Е.Н., Швелидзе В.Б. Рациональное природопользование особо охраняемой зоны КМВ (682/04-09 — 20.01.09) 210 с.
