CC BY
34
Технологии геологической разведки
УДК 622.243.2
В.В. Нескоромных1, А.Д. Елисеев2, А.В. Гринчук3, А.А. Наделяев4
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЗАБУРИВАНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ СКВАЖИН В ТВЕРДЫХ И ОЧЕНЬ ТВЕРДЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ ОТКЛОНИТЕЛЯМИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Рассмотрены условия реализации искусственного искривления с искусственных забоев в твердых и очень твердых горных породах при забуривании дополнительных стволов скважин. Предложены технические решения и схемы рациональной технологии формирования нового направления ствола скважины отклонителями непрерывного действия, основанные на возможности ограничения и регулирования скорости углубки забоя торцевыми элементами вооружения долота и интенсификации процесса фрезерования стенки скважины боковыми элементами вооружения.
Ключевые слова: искривление, искусственный забой, ствол скважины, отклонитель, фрезерование, порода Библиогр. 3 назв. Ил. 1.
PERFECTING OF TECHNOLOGIES OF A COLLARING OF PADDING TRUNKS OF CHINKS IN SOLID AND ADAMANTINE ROCKS DEFLECTING TOOLS CONTINUNG OUSLY WORKING
V.V. Neskoromnyh1, A.D. Eliseev2, А.V.Grinchuk3, A.A. Nadeljaev4
The authors consider the conditions of realization of a synthetic contortion from artificial bottoms in hard and adamantine rocks when predrilling the additional boreholes. They offer engineering solutions and schemes of rational technology of formation of a new direction of the borehole by deflecting tools of continuous operation based on the opportunity to limit and control the speed of bottom sinking by the bit end equipment elements and intensification of the milling process of a wellbore wall by the side equipment elements.
Key words: curvature, artificial face, borehole, deflector, milling, rocks
3 sources. 1 figure.
:Нескоромных Вячеслав Васильевич - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Технология и техника разведки МПИ» ИрГТУ, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, тел.: (3952)40-53-37, e-mail: TTR drill@istu.irk.ru
Елисеев Александр Дмитриевич - кандидат технических наук, доцент, докторант кафедры «Технология и техника разведки МПИ» ИрГТУ, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, тел.: (3952) 40-53-37
3Гринчук Андрей Викторович - горный инженер, аспирант кафедры «Технология и техника разведки МПИ» ИрГТУ.
4Наделяев Алексей Александрович - горный инженер, аспирант кафедры «Технология и техника разведки МПИ!» ИрГТУ.
Neskoromnyh Vyacheslav Vasiljevich, a doctor oftechnical sciences, a professor, the head of the Chair of Technology and Engineering of Prospecting of Deposits of Minerals», Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, tel.: (3952)40-53-37, e-mail: TTR drill@istu.irk.ru
2Eliseev Alexander Dmitrievich , a candidate of technical sciences, an associate professor , a competitor for a doctor's degree of the Chair of Technology and Engineering of Prospecting of Deposits of Minerals», Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, tel.: (3952)40-53-37.
3Grinchuk Andrej Victorovich, a mining engineer, a postgraduate of the Chair of Technology and Engineering of Prospecting of Deposits of Minerals», Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
4Nadelyaev Aleksej Alexandrovich, a mining engineer, a postgraduate of the Chair of Technology and Engineering of Prospecting of Deposits of Minerals», Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
Забуривание дополнительных стволов скважин является важным элементом методики направленного бурения, особенно при проходке многоствольных скважин в процессе разведки рудных месторождений.
Забуривание дополнительных стволов может производиться с применением:
- стационарных клиньев с временных пробок забоев;
- съемных клиновых отклонителей с искусственных забоев;
- отклонителей непрерывного действия (ОНД) с искусственных забоев;
- путем спрямления ствола в интервале искривления без применения отклонителей.
Из перечисленных вариантов технико-технологического осу ществления забуривания дополнительных стволов наиболее оперативным и высокотехнологичным является способ забуривания дополнительного ствола ОНД с искусственного забоя.
Высокая твердость горных пород при забуривании дополнительных стволов является основной технической
проблемой, решение которой требует применения специальных технологических приемов, инструментов и ОНД [1].
Применение ОНД для забуривания дополнительных стволов сдерживается именно тем, что при забуривании в твердых и очень твердых породах высока вероятность неудачных попыток. Например, существуют достаточно категоричные рекомендации, согласно которым применение ОНД возможно только в том случае, если твердость забоя выше или, по крайней мере, равна твердости горных пород. Если это условие не выполняется, следует использовать для забуривания дополнительных забоев съемные клиновые отклонители [3].
Таким образом, одной из проблем забуривания дополнительных стволов скважин ОНД является создание искусственных забоев, которые бы позволяли реализовать процесс забуривания нового направления и формирования
криволинейного ствола. Данная проблема традиционно решается в направлении создания искусственного забоя из материала равнопрочного горной породе, вмещающей искусственный забой.
Наиболее распространены при постановке искусственных забоев твердеющие смеси на основе цемента. Прочность на сжатие отвержденных образцов из цементного раствора может составить (40-80) х102 кПа, что соответствует прочности горных пород IV-VI категории по буримости и не позволяет использовать эти смеси для многоствольного бурения в твердых горных породах [1].
По прочностным характеристикам для создания искусственного забоя наиболее предпочтительны композиции из эпоксидных смол, прочность которых на сжатие после отверждения может составлять (100-120)х 102 кПа (VII-VIII категория по буримости). Следует отметить, что эпоксидные композиции также не могут сравниться по прочности с горными породами "УШ-ХП категорий по буримости. Кроме этого, ряд проблем, связанных со сложностями их приготовления и доставки в скважину на заданную глубину, значительное влияние на свойства композиции (вязкость, текучесть, сроки отверждения) температурных условий на поверхности в скважине, а также дороговизна материала не обеспечили ему широкого применения в практике многоствольного бурения [1, 3].
При выборе материала для создания искусственного забоя учитываются такие требования, как:
- экологичность применяемых материалов;
-буримость, сопоставимая с бури-мостью пород в интервале постановки забоя;
- возможность надежного регулирования сроков отверждения для доставки смеси на нужную глубину ствола скважины с учетом температуры в скважине и минимальные сроки
отверждения до момента получения оптимальных прочностных свойств;
- адгезионные свойства отверждае-мой смеси.
Анализ применения различных материалов, требований к ним и возможных условий создания искусственных забоев показывает, что в настоящее время сложно подобрать отверждаемые (и другие приемлемые) материалы для создания искусственных забоев, твердость которых была бы выше твердости горных пород VIII категории по буримости.
Процесс забуривания ствола скважины с искусственного забоя ОНД имеет специфические условия и признаки, существенно отличающие его от процесса обычного набора кривизны с естественного забоя. Если рассматривать тождественность условий забуривания ствола скважины с искусственного забоя и искривления с естественного забоя ОНД, то можно считать, что отклонитель работает в условиях перемежающихся по твердости горных пород, причем в экстремальных условиях, когда угол встречи бурового инструмента и контакта с твердой породой очень мал (1-2 град.), а поперечные реакции на буровой инструмент очень значительны. Специфика процесса забуривания состоит в том, что существует начальный, достаточно сложный период формирования направления дополнительного ствола, который имеет наиболее сложный характер и состоит в образовании уступа в стенке скважины. После образования уступа на определенную ширину процесс искривления практически мало отличается от обычного процесса искусственного искривления. Ширина уступа, гарантирующая надежное формирование нового направления ствола скважины, может составлять (1/5-1/2) диаметра торца бурового инструмента [1, 3]. При этом именно процесс формирования уступа определяет в основном результативность забуривания дополнительного ствола с искусственного забоя ОНД.
Формирование уступа фрезерованием стенки скважины под действием
отклоняющего усилия со стороны ОНД будет наиболее эффективно, т.к. в направлении забуривания будет действовать активная сила, что сокращает сроки и повышает надежность забуривания уступа в твердых породах. При этом можно отметить, что темп формирования уступа и искривления при забуривании дополнительного ствола пропорционально возрастает с повышением скорости фрезерования стенки скважины (уф), с уменьшением скорости углубки забоя (уб) и длины жесткой базы отклонителя
ьж ( - ).
б ж
Анализ по выбору наиболее оптимального по условиям забуривания дополнительного ствола отклонителя и типа породоразрушающего инструмента представлен в работе [1]. Согласно результатам этого анализа при оснащении отклонителя фрезерующего типа долотом с активным боковым вооружением и при регулировании механической скорости в пределах, не превышающих 0,8-1,0 м/ч, можно добиться гарантированного забуривания уступа и дополнительного ствола скважины с любых малопрочных забоев в твердых породах. Решение проблемы заключается в том, насколько и каким образом можно ограничить и регулировать скорость бурения уб легко разрушаемого материала искусственного забоя при забуривании уступа и формировании кривизны.
Для интенсификации процесса забу-ривания следует понижать скорость бурения малопрочного забоя до установленных рациональных значений скорости (0,8-1,0 м/ч) и сохранять на оптимальном уровне скорость фрезерования твердой породы стенки скважины.
Направления решения этой проблемы связаны с использованием ОНД фрезерующего типа с гидромеханическим углом закрепления в скважине (ОГМ). Созданный в ЗабНИИ снаряд ОСП не отвечает всем основным оптимальным параметрам, т.к. относится к снарядам нефрезерую-
щего типа, а асимметричного разрушения забоя [1].
Наиболее простыми и эффективными инструментами для решения задачи забуривания являются предложенные одним из авторов статьи долота, шарошки которых с торца покрываются пластичным легко изнашивающимся материалом [3]. Покрытие шарошек следует выполнять напаиванием латунного или оловянного припоев. Породоразрушающие вставки на торце шарошек покрываются припоем частично и по высоте, и по площади торцевой части, что снижает эффект дробления - скалывания материала искусственного забоя и снижает темп его разрушения.
Испытание и применение долот с покрытием торцевой части пластичным сплавом - латунью в ПГО «Сосновгеология» показало высокую надежность и оперативность забуривания ОНД типа Т3-3.
Таким образом, первым перспективным направлением совершенствования технологии забуривания дополнительных стволов состоит в изменении механизма разрушения породы торцевыми элементами вооружения долота, а именно, существенно ограничивается интенсивность дробления-скалывания-раздавливания породы на забое за счет ограничения числа и высоты выступания торцевых породоразрушающих вставок.
Для расчета площади покрытия шарошек припоем можно использовать расчет, основанный на определении удельных контактных напряжений, действующих в направлении фрезерования qф и углубки забоя qф. Например, если принять в качестве начального условия расчета равенство удельных напряжений под торцевыми и боковыми элементами вооружения ^ф = qф ) то, учитывая, что , например, твердость горной породы выше твердости материала искусственного забоя в К раз, можно получить зависимость для определения площади покрытия на каждой из шарошек. Из равенства
Рот Рс
следует, что
Р
= ос
-S ф
qф
S фК
= qб =
б
б р т ф'
о
где , - площади породоразру-шающих элементов, взаимодействующих с породой стенки скважины при фрезе-ровании и материалом забоя при углубке соответственно, м2;
Рот , Рос - осевая нагрузка и отклоняющая сила, воздействующие на буровой инструмент при забуривании дополнительного ствола, даН;
N - число шарошек у долота.
При забуривании дополнительного ствола наиболее сложными являются условия, связанные с созданием уступа в стенке скважины. После того как уступ шириной не менее 0,25-0,5 диаметра долота уже сформирован, процесс забуривания дополнительного ствола мало отличается от обычного искривления с естественного забоя. Следовательно, на втором этапе забуривания торцевые элементы вооружения долота, запаянные перед забуриванием и не участвовавшие в полной мере в работе долота, должны включаться в процесс разрушения забоя, который теперь частично сложен из горных пород, а частично - из материала искусственного забоя. С этой целью следует покрытие припоем осуществлять таким образом, чтобы происходило своевременное изнашивание пластичного сплава, а элементы вооружения на торце шарошек обнажались к моменту внедрения долота в горную породу. Критерием выбора или уточнения расчетного значения площади покрытия вставок на шарошках может быть механическая скорость бурения. При забуривании уступа скорость бурения не должна превышать 0,5-0,8 м/ч, а после образования уступа должна находиться в пределах 0,8-1,0 м/ч. Контроль процесса забуривания следует осуществлять как по шламу (соотношение в шламе кусочков породы и материала забоя), так и по скорости бурения.
Долота ДША и АШК [1] с покрытием торцевых элементов вооружения шарошек пластичным сплавом-припоем
позволяют успешно забуривать дополнительные стволы скважин с искусственных забоев в твердых породах отклонителями типа СБС, ОБС, ТЗ-ЗП, ТЗ-З, которые имеют механические приводы распорного устройства, т.е. при действующей на снаряд значительной осевой нагрузке (800 -1500 даН).
Другим направлением совершенствования технологии забуривания дополнительных стволов скважин с искусственных забоев ОНД, которое в настоящий момент предложено в ИрГТУ, является применение такого материала, который бы по своим физико-механическим характеристикам кардинально не соответствовал механизму разрушения горных пород алмазными и шарошечными долотами. Анализ различных природных материалов, которые могли бы применяться для изготовления искусственных забоев, показывает, что очень перспективной для создания искусственных забоев является древесина, т. к. она отвечает таким требованиям, как невысокая стоимость, простота обработки и изготовления и набухаемость.
Важнейшей характеристикой,
определяющей возможность применения деревянной пробки для создания искусственного забоя, является высокая степень сопротивляемости древесины при разбуривании вдоль волокон алмазными и шарошечными долотами при невысокой твердости этого материала. В данном случае эффект рационального соотношения скоростей фрезерования стенки скважины и углубки забоя будет достигаться за счет разительного несоответствия породоразрушающего действия со стороны торцевых элементов вооружения долота и свойств разбуриваемой древесины. Для древесины таким инструментом будут алмазный инструмент и шарошечные долота с вооружением типа К и ОК, т.к. известно, что при бурении алмазами эффективное разрушение осуществляется в основном раздавливанием и скалыванием породы, а при бурении шарошечными долотами с вооружением типа К и ОК -
дроблением и скалыванием [2]. Реализация этих видов породоразрушающего воздействия при разрушении высоковолокнистого и пластичного материала, каковым является древесина, невозможна, а потому темп разрушения древесины будет незначительным. В то же время горная порода в стенке скважины, подвергаемая фрезерованию под действием
отклоняющего усилия, будет разрушаться эффективно, что в результате обеспечит рациональное соотношение скоростей Уф и уб (рисунок).
Схема для анализа процесса забуривания нового направления ствола скважины:
1 - отклонитель с долотом;
2 - искусственный забой (деревянная пробка);
3 - оптимальная траектория нового направления
В то же время крайне важным при выборе в качестве материала искусственного забоя древесины является то обстоя-
З
тельство, что установленная в скважине деревянная пробка может, при необходимости, легко устраняться разбуриванием твердосплавными буровыми коронками или долотами с резцовым вооружением, что еще более повышает технологичность данного материала.
Опытное бурение на стенде деревянной пробки из лиственницы, предварительно находившейся в воде около суток, показало, что при осевом усилии 1000 даН и частоте вращения 280 мин-1 скорости бурения алмазным долотом АДН и трехшарошечным долотом с вооружением типа К составили 0,9 и 1,1 м/ч соответственно, что практически совпадает с оптимальным значением скорости бурения, рекомендуемым при реализации искривления отклонителями типа ТЗ, ОБС или ОГМ.
С целью создания искусственного забоя необходимо изготовить деревянную пробку длиной не менее 2,5-3,0 метров. Данная задача представляется вполне решаемой. Диаметр пробки должен соответствовать размеру применяемых колонковых труб, т.е. 73 или 57 мм (для скважин диаметром 76 или 59 мм). Для закрепления пробки в скважине могут использоваться клиновидные поверхности, надежно фиксирующие пробку в скважине при осевом перемещении в момент установки на забой. В последующем (через 1-3 часа) пробка надежно зафиксируется в скважине за счет набухания древесины и увеличения поперечных размеров пробки на 10 %.
Опыт реализации искусственного искривления в твердых породах с целью забуривания дополнительного ствола показывает, что более рационально процесс формирования нового направления ствола скважины производить по следующей схеме:
- обеспечить формирование уступа нового направления ствола скважины на
ширину около половины диаметра долота с помощью ОНД фрезерующего типа (Т3-3, ТЗ-ЗП, ОБС или СБС, ОГМ) и долот типа ДТТТА или АШК с покрытием торцевых элементов вооружения пластичным сплавом (олово или латунь) в случае, если используется искусственный забой из цементной или эпоксидной композиции; вторым вариантом создания уступа в твердой породе является применение деревянной пробки, забу-ривание с которой осуществляется теми же типами ОНД с применением долот ДТТТА, АТТТК, серийных алмазных или шарошечных долот;
- после создания уступа в стенке скважины дальнейший набор кривизны целесообразно производить снарядом плавного искривления (СПИ) при минимальной частоте вращения и умеренной осевой нагрузке, что позволит произвести углубку дополнительного ствола на заданный интервал с одновременной проработкой криволинейного интервала, а применение укороченного колонкового набора с коронкой в составе СПИ позволит получить керн в интервале забуривания дополнительного ствола.
Библиографический список
1. Нескоромных В.В., Калинин А.Г. Направленное бурение: учеб. пособие. -М.: Центрлитнефтегаз, 2008. - 382 с.
2. Нескоромных В.В. Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ: учеб. пособие. - Иркутск: Изд. ИрГТУ, 2008. - 298 с.
3. Нескоромных В. В. Методы и технические средства бесклинового забури-вания дополнительных стволов скважин с искусственных забоев. - М.: Изд. Геоинформмарк, 1993. - 55 с.
Рецензент доктор технических наук, профессор Иркутского государственного технического университета В.И. Снетков
