CC BY
135
УДК 621.23.05
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН В ПРОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ
Борис Борисович Данилов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «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: bbdanilov@mail.ru
Борис Николаевич Смоляницкий
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом горной и строительной геотехники, тел. (383)217-07-14, e-mail: bsmol@misd.nsc.ru
Дмитрий Олегович Чещин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, аспирант, тел. (383)217-01-33, e-mail: dimixch@mail.ru
Обсуждаются подходы к созданию бурового инструмента и оснастки для направленного бурения скважин в прочных горных породах при разведке и разработке полезных ископаемых и при подземном строительстве объектов инфраструктуры и коммуникаций. Приводится обоснование принципов работы и конструктивных схем механизмов, позволяющих отклонить буровой рабочий орган в нужную сторону.
Ключевые слова: скважина, направленное бурение, управляющее воздействие, рабочий орган, вращение, подача, отклонение.
PROSPECTS FOR DIRECTIONAL HOLE DRILLING TECHNOLOGIES IN HIGH STRENGTH ROCKS
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 Technology and Equipment, tel. (383)217-01-33; e-mail: bbdanilov@mail.ru
Boris N. Smolyanitsky
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Prof, Head of Mining and Construction Equipment Laboratory, tel. (383)217-07-14, e-mail: bsmol@misd.nsc.ru
Dmitry O. Cheshchin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Postgraduate, tel. (383)217-01-33, e-mail: dimixch@mail.ru
The paper presents a discussion of approaches to designing a drill tool and accessories for directional hole drilling in high strength rocks during mineral exploration and mining and in the
course of various purpose underground construction. The authors substantiate operating modes and structural layouts of devices intended to divert the drill tool in the required direction.
Key words: drilling tool, hole, rotation, advance, diversion, control action, directional drilling.
Бурение скважин в породном массиве является важной составной частью технологий разведки и разработки месторождений полезных ископаемых, их добычи, как подземным, так и открытым способами. Кроме того, бурение скважин широко используется для выполнения специальных работ в подземном строительстве.
Горные и строительные буровые технологии имеют ряд отличий, вытекающих главным образом из особенностей и свойств породных массивов, в которых сооружаются скважины. В подземном строительстве бурение скважин чаще всего осуществляется в грунтах при сооружении различных инженерных коммуникаций. Поскольку грунт при механическом воздействии может уплотняться, то кроме бурения здесь используются и другие методы сооружения скважин (прокол, продавливание). Именно эти методы первоначально являлись основой бестраншейных технологий прокладки коммуникаций [1,2]. Буровые строительные технологии получили ускоренное развитие сравнительно недавно. Этому способствовало то, что насыщенность подземного пространства различными коммуникациями сделала все более востребованными технологии сооружения скважин с гарантией попадания в заданную область подземного пространства. При этом возросли требования к обеспечению безопасности ведение работ за счет снижения рисков обрушения породного массива, повреждения находящихся рядом объектов. Поэтому применение направленного бурения в промышленных масштабах стало рентабельным.
В горном деле бурение является основным и чаще всего безальтернативным способом проходки скважин. В силу широкого разнообразия прочностных свойств породных массивов сформировалось несколько способов бурения, отличающихся главным образом по способу воздействия на разрушаемую часть породного массива (вращательный, ударный, ударно-вращательный, ударно-поворотный способы) [4]. Одной из особенностей современного этапа развития технологий разведки и разработки месторождений полезных ископаемых является вовлечение в производство все более глубоко залегающих месторождений, при этом часто характеризующихся сложными горно-геологическими условиями. Это потребовало развития технологий бурения скважин [4-6], обеспечивающих увеличение длины и возможности их точного выхода в заданную область подземного пространства. Как и в случае с подземным строительством, закономерно началось ускоренное развитие методов направленного бурения.
Первоочередными объектами использования направленных скважин в настоящее время являются морские месторождения углеводородов; месторождения на территории с ограниченной возможностью ведения буровых работ; 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; увеличить степень извлечения углеводородов на месторождениях, находящихся на поздней стадии разработки; вовлечь в разработку пласты с низкими коллекторскими свойствами и с высоковязкой нефтью; освоить труднодоступные нефтегазовые месторождения.
Использование горизонтального направленного 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. Кроме совершенствования технологий 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 дегазации угольных месторождений и т.д. [4-6].
Таким образом, общей задачей совершенствования буровых технологий, как в горном деле, так и в подземном строительстве, является развитие методов и технических средств, позволяющих прокладывать скважины с возможностью корректировки траектории для выхода в нужную область подземного пространства.
Для сооружения направленных скважин используются специальные устройства и механизмы, позволяющие изменять траекторию движения рабочего органа по команде оператора [2]. Они позволяют компенсировать влияние практически всех разнонаправленных отклоняющих факторов, являющихся причиной изменения первоначального курса. Кроме того, управляемый рабочий орган позволяет прокладывать скважины со сложной траекторией, включающей повороты в разных плоскостях.
В практике создания различных конструкций управляемых рабочих органов в основном используется два способа создания отклоняющего усилия: за счет изменения формы рабочего органа и за счет изменения направления усилия подачи. Значительно реже для изменения направления скважины используется отклоняющие механизмы, действие которых основано на смещении центра тяжести рабочего органа. Кроме перечисленных, в литературе описан еще один способ отклонения - за счет изменения свойств породного массива с одной стороны от рабочего органа [3]. Теоретически, такое воздействие может производить ожидаемый эффект. Практическая же реализация способа представляется весьма сложной задачей. Примеров успешного создания подобных механизмов, пригодных для практического использования авторам неизвестно.
В установках направленного бурения, использующихся в подземном строительстве, управление траекторией проходки обеспечивается применением бурового инструмента в виде одностороннего клина [2]. При вращении инстру-
мента наклонная плоскость клина постоянно изменяет свое положение, в результате чего отклонения от траектории не происходит. Для корректировки направления проходки вращение останавливают и продолжают поступательное движение инструмента. Направление отклонения определяется ориентацией рабочей плоскости асимметричного клина. По сути, скважина на этапе изменения траектории формируется за счет вытеснения грунта в радиальном направлении при поступательном внедрении рабочего органа в грунтовый массив. При этом происходит реструктуризация грунта, сопровождающаяся повышением его плотности на стенках скважины и в некотором объеме вокруг нее.
Для корректирования траектории бурового инструмента в твердых горных породах такой способ изменения траектории становится непригоден. Поэтому установки оснащаются дополнительным механизмом, который попеременно поворачивает инструмент в разные стороны на небольшой угол, осуществляя так называемый «карвинг» [7, 8]. За счет этого достигается разрушение породы над плоскостью клина, и последующее отклонение инструмента в образовавшееся свободное пространство. Для безаварийной работы буровой установки необходимо предотвратить возможность раскручивания резьбовых соединений звеньев буровой колонны, что в целом приводит к существенному усложнению станка и технологической оснастки.
Анализ результатов исследований направленной проходки скважин и накопленного опыта по созданию отклоняющих механизмов позволяет сделать вывод о том, что изменять траекторию скважины наиболее просто и целесообразно за счет использования отклоняющего механизма, установленного непосредственно на буровой рабочий орган. Его действие основано на изменении внешней формы рабочего органа на этапе изменения траектории скважины. При этом на прямолинейных участках буровой орган остается симметричным относительно его продольной оси.
В качестве бурового рабочего органа помимо инструмента вращательного действия часто используются погружные или внешние генераторы ударных импульсов, повышающие интенсивность воздействия на буровой инструмент при проходке скважин в прочных горных породах. На рис. 1 представлен вариант конструктивной схемы такого механизма, предназначенного для ударно-вращательного бурения погружным пневмоударником.
Для создания отклоняющего усилия в пневмокамеру 6 подается давление. Камера надувается и отклоняющие элементы 3, 4 одним краем опираются на стенку скважины. При этом создается радиально направленное отклоняющее усилие, обеспечивающее изменение траектории проходки скважины. Поскольку сохраняется возможность вращения вала 2, то процесс бурения не прекращается.
Сделанный краткий анализ свидетельствует о том, что на сегодняшний день ни в России, ни за рубежом до конца не решена научно-техническая задача управления траекторией проходки скважины при ударно-вращательном способе бурения погружным пневмоударником [3,5,8]. Намечены лишь подходы к её решению.
Рис. 1. Конструктивная схема отклоняющего механизма для направленного
бурения скважин в прочных горных породах: 1 - генератор ударных импульсов с буровым инструментом; 2 - вал; 3, 4, - отклоняющие элементы; 5 - воздушный канал; 6 - пневмокамера
Создание буровых установок ударно-вращательного действия, обеспечивающих проходку скважин по управляемой траектории в массиве прочных горных пород, и организация выпуска такого оборудования на отечественных предприятиях усилит конкурентные позиции отечественной буровой техники и обеспечит перспективы для развития прорывных технологий в горнодобывающей отрасли.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Данилов Б.Б. Пути совершенствования технологий и технических средств для бестраншейной прокладки коммуникаций. // ФТПРПИ. - 2007 - № 2, С. 69 - 75.
2. Рыбаков А.П. Основы бестраншейных технологий. // М.: Пресс Бюро. - 2005. - № 1.
3. Смоляницкий Б.Н, Репин А.А., Данилов Б.Б. и др. Повышение эффективности и долговечности импульсных машин для сооружения протяженных скважин в породных массивах. // отв. Ред. Б.Ф. Симонов; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т горного дела им. Н.А. Чинака-ла, СКТБ «Наука» КНЦ, Ин-т химии твердого тела и механохимии и др. - Новосибирск: Изд-во СО РАН. - 2013. - 204 с. (Интеграционные проекты СО РАН; вып. 43).
4. Вэн Жон. Внедрение техники направленного бурения в скважине для извлечения и добычи угольного метана. // Науковшращ. ДонНТУ. Серiя «Прничо-геолопчна». Вип. 14 (181). - 2011, С. 114 - 121.
5. Клишин В.И., Кокоулин Д.И., Кубанычбек Б., Гуртенко А.П. Станок для бурения разведочных, дегазационных и технических скважин СБР-400. // ФТПРПИ. - 2010. - № 4, С. 50 - 55.
6. Маметьев Л.Е., Ананьев А.Н., Любимов О.В., Жалнин Д.В. О перспективах бурения горизонтальных скважин в подземных условиях //. - 2000. - № 11, С. 68 - 69.
7. Буровые коронки TriHawk. http://www.ditchwitch.ru.
8. FORWARD HDD Новое оборудование в мире ГНБ. / Технологии мира. - 2011. - № 10.
© Б. Б. Данилов, Б. Н. Смоляницкий, Д. О. Чещин, 2015
