CC BY
82
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ УМЕНЬШЕНИЯ РАДИУСА ПОВОРОТА РАБОЧЕГО ОРГАНА ПРИ НАПРАВЛЕННОМ БУРЕНИИ
Борис Борисович Данилов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией подземной строительной геотехники и геотехнологий, тел. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]
Дмитрий Олегович Чещин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, аспирант, тел. (383)217-01-33, e-mail: [email protected].
Рассматривается возможность уменьшения радиуса поворота рабочего органа за счет его подвижного соединения с буровой колонной при направленном бурении скважин. Приведены результаты испытаний конструкции соединительного узла рабочего органа с буровой колонной. Дана количественная оценка достигаемой величины отклонения оси скважины.
Ключевые слова: буровая колонна, угловая подвижность, отклонение траектории, скважина, направленное бурение.
EVALUATION OF THE GUIDED DRILLING MEMBER TURN TIGHTENING POTENTIAL
Boris B. Danilov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Head of Laboratory for Underground Construction Geotechnics and Geotechnology, tel. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]
Dmitry O. Cheshchin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Postgraduate Student, tel. (383)217-01-33, e-mail: dimixch@mail .ru
The article discusses the option of tightening of the drilling member turn using movable coupling of the drilling member and the guided drill string. The test data of the drilling member and drill string coupling design are presented. The drill hole deviation is evaluated.
Key words: drill string, angular movability, drill hole deviation, guided drilling.
В настоящее время одним из перспективных методов образования вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин в грунте является метод бурения. В последнее время интенсивное развитие получило направленное бурение, в процессе которого осуществляется корректировка направления скважин. Таким методом бурят направленные скважины в угольных пластах (например, для отвода метана), при разработке нефтяных месторождений, при строительстве коммуникаций различного назначения.
Скважины, сооруженные методом направленного бурения имеют, как правило, более высокую производительность по сравнению с вертикальными
скважинами. Использование горизонтального бурения позволяет достигать нефтеносных слоев, расположенных за несколько километров от точки бурения. Это особенно важно для месторождений, где вертикальное бурение затруднено из-за условий рельефа или может значительно навредить экологии. Благодаря такому методу бурения сохраняется природный ландшафт и экологический баланс в местах проведения работ, исключается техногенное воздействие на флору и фауну, а также минимизируется негативное влияние на условия проживания людей в этой зоне.
Первоочередными объектами использования направленных скважин являются морские месторождения углеводородов; месторождения на территории с ограниченной возможностью ведения буровых работ; залежи высоковязкой нефти при естественном режиме фильтрации; низкопроницаемые, неоднородные пласты-коллекторы малой мощности; карбонатные коллекторы с вертикальной трещиноватостью; переслаивающиеся залежи нефти и газа; залежи на поздней стадии разработки. Вскрытие продуктивной толщи направленными, в том числе горизонтальными и разветвленно-горизонтальными скважинами, позволяет повысить продуктивность скважины за счет увеличения площади фильтрации; продлить период безводной эксплуатации скважин; увеличить степень извлечения углеводородов на месторождениях, находящихся на поздней стадии разработки; повысить эффективность закачки агентов в пласты; вовлечь в разработку пласты с низкими коллекторскими свойствами и с высоковязкой нефтью; освоить труднодоступные нефтегазовые месторождения; улучшить технологию подземных хранилищ газа. Кроме совершенствования технологии разработки нефтяных и газовых месторождений направленные или горизонтальные скважины эффективны во многих других случаях: при бурении в обход осложненных зон горных пород; при бурении под недоступные или занятые различными объектами участки земной поверхности; при глушении открытых фонтанов; при вскрытии крутопадающих пластов и т.д. [1].
Применение направленного бурения в строительстве позволяет избежать повреждений дорожного полотна, существующих инженерных коммуникаций. Проведение таких работ в городских условиях позволяет не нарушать привычный ритм жизни горожан, сохранить благоустройство территории, зеленые насаждения, а также не нарушать природный окружающий ландшафт [2].
Для выхода скважины в заданную точку подземного пространства разрабатываются различные способы управления рабочим органом. В установках ГНБ наиболее часто применяется ассиметричный клин в передней части рабочего органа. Основным показателем маневренности бурового рабочего органа является радиус изгиба буровой колонны. При резьбовом соединении буровых штанг величина их изгиба будет ограничена зоной упругого деформирования материала, из которого они изготовлены.
Для уменьшения радиуса поворота рабочего органа при направленном бурении в ИГД СО РАН разработана новая конструкция буровых штанг с
кулачковым соединением [3]. Уменьшение радиуса обеспечивается за счет некоторой угловой подвижности в соединениях звеньев буровой колонны.
Для оценки влияния этой подвижности на радиус кривизны были проведены экспериментальные исследования. Задача первого этапа заключалась в определении величины угла поворота штанг под действием силы тяжести без приложения внешней силы. На подготовительном этапе проводилось соосное выравнивание платформы бурового станка с грунтовым каналом. Затем к вращателю бурового станка через переходник поочередно подсоединялись штанги и рабочий орган (рис. 1). После каждого наращивания буровой колонны производилось измерение расстояния от конца штанг до плоскости платформы и угла наклона оси штанг. Это позволило оценить подвижность соединительных узлов штанг под действием нагрузки от собственного веса без приложения внешних сил. Среднее значение угла наклона между двумя соседними штангами составило 0,3°.
Рис. 1. Положение штанг при нагрузке от собственного веса Второй этап исследований ставил перед собой задачу оценки угла поворота штанг непосредственно в грунтовом канале. Для этого рабочий орган, внутри которого находится передатчик для определения местоположения и пространственной ориентации, забуривался в грунтовый канал с вращением вокруг своей продольной оси для сохранения его горизонтального положения. Затем клин устанавливался плоскостью вниз (то есть, в положение, соответствующее отклонению рабочего органа вверх), и производилось дальнейшее внедрение рабочего органа в грунт без вращения. При этом производилась пошаговая регистрация данных об изменении пространственной ориентации рабочего органа с помощью навигационного устройства (рис. 2). Дополнительная проверка этих данных производилась путем измерения глубины залегания рабочего органа на каждом участке при помощи металлического шомпола, вертикально внедряемого в грунт сверху до соприкосновения с рабочим органом.
ІРІ
447 - р 0
с Ч . ^ Т .• к. н ■ Р : -Г ' Г 1
) 3483
Рис. 2. Положение штанг в грунтовом канале при изменении траектории скважины
В результате установлено, что за счет конструктивных мер, обеспечивающих угловую подвижность в соединениях буровых штанг, достигнуто уменьшение радиуса кривизны траектории скважины более чем в два раза по сравнению с жестким неподвижным соединением. Угол поворота инструмента достигает значения более 4° на одном метре длины скважины. Величина изгиба буровых штанг с резьбовым соединением, ограничена зоной упругого деформирования материала, из которого они изготовлены и, как правило, составляет 2° на метре длины.
Задача третьего этапа исследования заключалась в оценке суммарной величины отклонения буровой колонны, обусловленного конструктивными особенностями и упругой деформацией.
Для этого буровая колонна устанавливалась в исходное положение (рис. 3, III). Затем рабочий орган подвешивался через динамометр к кран-балке и производился подъем колонны. Регистрировались значения динамометра и величины отклонения рабочего органа, при котором: обеспечивается изгиб колонны за счет подвижности в соединениях (рис. 3, II); обеспечивается
изгиб колонны за счет возникновения дополнительной упругой деформации (рис. 3, I). Разность этих величин дает значение силы создающей упругую деформацию.
Рис. 3. Положение буровой колонны при имитации отклоняющего усилия
Среднее отклонение от первоначального направления пневмопробойника ИП 4603 при проходке скважин длиной до 40 м составляет около 250 мм. В результате измерений установлено, что суммарное отклонение оси буровой колонны за счет подвижного соединения звеньев и их упругого деформирования составило 60 мм на 1 м ее длины. В большинстве случаев этого достаточно для решения практических задач [4].
Несомненным достоинством рассмотренного вида подвижного соединения штанг по сравнению с резьбовым соединением, является возможность производить вращение буровой колонны в обе стороны. Эта возможность позволяет уменьшить отклонение скважины, возникающее при одностороннем вращении. Кроме того обратное вращение может использоваться для передачи какого - либо дополнительного управляющего воздействия на рабочий орган.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Потапенко А. Особенности горизонтального бурения [Электронный ресурс]/ А. Потапенко. - Режим доступа: http://www.tehsovet.ru /агйс1е-2012-12-3-1468
2. Бурение горизонтальных скважин с применением технологии ГНБ [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://otop1enie72.ru/mag/genera1_info/ 96.html
3. Пат. 2344241 Российская Федерация, МПК Е21В17/046. Кулачковое соединение буровых штанг / Смоляницкий Б.Н., Данилов Б.Б., Сырямин Н.Д., Фетисов С.Ю.; заявитель и патентообладатель Институт горного дела СО РАН. - № 2012119057/03; заявл. 10.05.2012; опубл. 20.01.2013, Бюл. № 2.
4. Гурков К.С. Пневмопробойники: монография / К.С. Гурков., В.В. Климашко, А.Д. Костылев, В.Д. Плавских и др. - Новосибирск: Институт горного дела СО АН СССР, 1990. - 217 с.
© Б. Б. Данилов, Д. О. Чещин, 2014
