Разработка технологий и средств забуривания дополнительных стволов скважин с искусственного забоя отклонителями непрерывного действия в твердых и очень твердых горных породах

Забуривание дополнительных стволов скважин является одним из важных этапов при реализации технологий направленного бурения и может осуществляться с помощью:

• стационарных клиновых отклонителей;
• извлекаемых (съемных) клиновых отклонителей;
• отклонителей непрерывного действия (ОНД).

Из перечисленных технических средств наиболее оперативным и высокотехнологичным средством для забуривания дополнительных стволов являются ОНД [1][2][3][4][7][10].

Применение ОНД для забуривания дополнительных стволов в твердых и очень твердых породах сдерживается тем, что при забуривании нового направления существует риск неудачных попыток, связанных с различной твердостью искусственного забоя и вмещающих забой горных пород.

Анализируя работу ОНД фрезерующего типа, можно опираться на зависимость интенсивности набора кривизны [4][7][8]:

где V_ф — скорость фрезерования; V_б — скорость бурения; L_ж — длина жесткой части ОНД.

Как следует из зависимости (1), интенсивность набора кривизны прямо пропорциональна скорости фрезерования стенки скважины под действием отклоняющего усилия со стороны ОНД и обратно пропорциональна скорости бурения.

Исходя из этого соотношения можно сделать вывод о том, что при забуривании дополнительного ствола скважины с искусственного забоя, твердость которого существенно ниже твердости вмещающих забой пород, будет наблюдаться повышенная скорость бурения, больше рекомендуемой для забуривания (рекомендуемая скорость 0,8—1 м/ч), что делает невозможным применение ОНД механического фрезерующего типа. В таком случае скорость бурения сложно регулировать параметрами режимов бурения, поэтому данная проблема требует создания специальных технических средств, особых конструкций буровых долот и технологий выполнения данной операции при проектировании многоствольного бурения [1][4][7][11].

В настоящее время наиболее распространенными материалами для создания искусственных забоев являются смеси на основе цемента. Прочность на сжатие затвердевших образцов составляет (40—80) х 10² кПа, что по прочностным свойствам сопоставимо с породами V—VI категории по буримости. Это не позволяет использовать твердеющие цементные смеси в качестве материала для искусственного забоя в твердых горных породах более высоких категорий по буримости [5].

В связи с этим существует необходимость создания твердеющих или использования уже твердых материалов для изготовления искусственных забоев, которые по своим прочностных свойствам отвечали бы требованию равнопрочности с вмещающими горными породами.

Материал для создания искусственного забоя должен удовлетворять следующим требованиям [4]:

• экологичность;
• возможность контроля сроков затвердевания;
• минимальные сроки на установку и подготовку забоя к забуриваниию;
• буримость, сопоставимую с буримостью пород в интервале постановки забоя;
• адгезионные свойства материала.

Анализ материалов для создания искусственного забоя показал, что в настоящее время сложно подобрать отверждаемые материалы для создания искусственных забоев, твердость которых была бы выше VIII категории по буримости. Данная проблема усложняется также тем, что сроки отвердевания материала должны быть минимальными.

Процесс искривления скважины с искусственного забоя по своим условиям и признакам имеет существенные отличия от процесса искривления с естественного забоя. Можно считать,

что при забуривании ствола скважины с искусственного забоя отклонитель работает в условиях перемежающихся по твердости пород в экстремальных условиях при очень малом угле встречи долота с твердой породой (не более 1—2 град) [4][6].

При забуривании дополнительного ствола скважины существует достаточно сложный этап формирования уступа в стенке скважины [4][7]. После формирования уступа на определенную ширину процесс искривления мало отличается от простого искривления. Для обеспечения надежного формирования нового направления ствола скважины, ширина уступа должна составлять 0,25—0,5 диаметра торца долота. При этом процесс формирования уступа определяет результативность забуривания нового ствола скважины с искусственного забоя.

В связи с этим возникла техническая идея создания искусственного забоя из материала, который по своим физико-механическим свойствам кардинально отличается от свойств твердых упруго-хрупких горных пород. В этом случае при использовании буровых долот, предназначенных для бурения твердых и очень твердых горных пород — шарошечных и алмазных долот, удастся ограничить механическую скорость бурения и таким образом интенсифицировать интенсивность формирования кривизны (см. формулу (1)). Анализ показал, что таким материалом является древесина. Выбор древесины как материала искусственного забоя продиктован его невысокой стоимостью, экологичностью, легкостью в обработке и, что крайне важно, набухаемостью в водной среде. Способность к набуханию сухой древесины может в достаточно сжатые сроки обеспечить увеличение объема древесного образца до 20%.

При этом крайне важно то, что древесина имеет высокую степень сопротивляемости при разбуривании вдоль волокон именно шарошечными и алмазными долотами при невысокой относительно горных пород твердости материала. В качестве такого инструмента могут выступать алмазные и шарошечные долота типа К и ОК, т. к. при бурении алмазным инструментом разрушение горной породы осуществляется в основном раздавливанием и скалыванием, а при бурении шарошечным инструментом типа К и ОК — дроблением и скалыванием. При воздействии этих видов породоразрушающего действия на волокнистый и пластичный материал, такой как древесина, ориентированная волокнами вдоль оси скважины, скорость разрушения будет незначительна, т.е. эффект оптимальной скорости углубления и фрезерования стенки скважины достигается за счет кардинального несоответствия породоразрушающего действия со стороны вооружения долота и физико-механических свойств древесины [4][7][8]. Также при анализе нами учитывается и такой известный факт, что деревянная пробка при необходимости может разбуриваться твердосплавными коронками или долотами с резцовым вооружением, что позволит удалить искусственный забой в случае необходимости достаточно оперативно [9][11].

Исследование скорости бурения деревянной пробки производились на буровом стенде. Стенд включал буровой станок СКБ-4, установленный на эстакаде и оборудованный прибором ИСБ для измерения механической скорости бурения, буровой насос НБ-3, устройство фиксации блока буримой породы, зумпф, блок предварительно пробуренной породы с зафиксированной в скважине предварительно высушенной деревянной пробкой из лиственницы длинной 0,5 м.

Проведенные стендовые испытания бурения деревянной пробки из лиственницы, предварительно находившейся в воде несколько часов, показали, что при осевой нагрузке 1000 даН и частоте вращения 280 мин^-1 скорости бурения алмазным долотом АДН и трехшарошечным долотом типа К составили 0,9 и 1,1 м/ч соответственно, что близко к значениям,рекомендуемым для забуривания.

Усилие продавливания пробки длиной 0,5 м составило не менее 500 даН [5].

Таким образом, эксперимент показал, что по основным показателям — механической скорости бурения и усилию продавливания пробки — деревянный искусственный забой может рекомендоваться для практического использования.

На основе полученных данных была разработана конструкция устройства для доставки деревянного искусственного забоя (рис. 1), включающая переходник 1, связанный с колонной труб, контейнер 2, выполненный из колонковой трубы, в котором располагается продавочная пробка 3, щебень 4 и закреплена верхняя часть деревянной пробки 5 при помощи срезных штифтов 6. Сухая деревянная пробка 5 имеет длину L, обеспечивающую забуривание нового направления скважины и уход траектории нового ствола от старого направления на ½d_скв.

Достоинством данной конструкции является то, что установка деревянного забоя не требует установки временного забоя, который абсолютно необходим при установке цементного искусственного забоя. Технология установки временной пробки-забоя с последующим сооружением цементного забоя изложена в работах [4][7].

На наружной поверхности деревянной пробки выполнены продольные углубления 7 (рис. 2), в которых располагаются металлические тяги 8. Тяги 8 в верхней части крепятся к контейнеру, а в нижней части к распорным плашкам 9, при помощи шарнирного соединения. Распорные плашки 9 закреплены на клине 10 при помощи проволоки 11.

Шарнирное соединение состоит из штыря 1 2, который крепится к тросу при помощи пальца 13.

Штырь 12, в свою очередь, закреплен в распорные плашки 9.

Деревянную пробку 5 перед обработкой следует высушить и равномерно обточить на токарном станке до диаметра, который соответствует диаметру обсадной трубы (контейнера 2), для того чтобы обеспечить ее набухаемость после спуска в скважину.

После спуска устройства на необходимую глубину (рис. 3а) в бурильную трубу закачивается промывочная жидкость, которая, проходя через переходник 1, попадает в контейнер 2 (рис. 3б). Под давлением промывочной жидкости, продавочная пробка 3 начинает выдавливать из контейнера щебень 4. При этом штифты 6 срезаются, освобождая от закрепления деревянную пробку 5. Одновременно с этим устройство медленно приподнимается, тяги 8 начинают тянуть вверх распорные плашки, которые, наезжая на клин, начинают раздвигаться до упора в стенку скважины. Проволока 11, удерживающая распорные плашки 9, на клине, в процессе вдавливания клина в плашки 9 рвется и не препятствует закреплению пробки в скважине. После вдавливания клина в распорные плашки 9, штырь вырывается из распорных плашек 9 и тяги 8 освобождаются (рис. 3в). За счет наличия пальца штырь принимает вертикальное положение и не препятствует подъему тяг 8 по продольным углублениям 7 пробки. После извлечения контейнера с тягами 8 из сухой деревянной пробки 5 в освободившееся продольные углубления 7 проникает промывочный раствор и щебень 4 (рис. 3г). Промывочный раствор обеспечивает набухание сухой пробки, а щебень 7 надежное закрепление, попадая в зазоры между деревянной пробкой 5 и стенкой скважины.

Задавая интенсивность набора кривизны ОНД фрезерующего типа, можно определить длину деревянной пробки из условия реализации отклонения и выхода забоя за пределы старого ствола на расстояние смещения забоя не менее 1,5 D_скв.

Для начала следует рассчитать радиус искривления по формуле:

где i — интенсивность набора кривизны отклонителем, град/м.

В соответствии со схемой на рисунке 4 рассчитаем длину рейсовой проходки на заданный угол отклонения φ и минимальную длину деревянной пробки, обеспечивающей отход нового ствола от старого:

Угол φ набора кривизны можно определить по зависимости:

где D_скв — диаметр скважины, м; L — минимальная длина пробки, позволяющая осуществить отход нового ствола от старого на 1,5 D_скв.

Длину пробки L соответственно можно определить из формулы

С учетом всех выражений можно рассчитать длину рейса отклонителем для отхода на заданное расстояние от старого ствола при выбранных значениях интенсивности искривления и длины деревянной пробки:

В таблицу 1 приведены результаты расчетов длины рейсовой проходки для различных значений диаметра скважины и интенсивности искривления ОНД фрезерующего типа при длине пробки 2м.

Как следует из данных проведенных расчетов по формуле 6, если за условие успешного исполнения работ принять отсутствие превышения длины рейса над длиной деревянной пробки, то приемлемы в данном случае высокие значения интенсивности искривления — 1,5 и 2,0 град/м при длине пробок не менее 3,0 м для скважин диаметром 93 мм, 2,5 м для скважин диаметром 76 мм и 2 м для скважин диаметром 59 мм.

Если за условие успешного забуривания принять отход нового ствола не 1,5 D_скв, а 1,0 D_скв, что может использоваться в очень твердых горных породах, отличающихся высокой прочностью, то для успешной реализации забуривания потребуются несколько меньшие значения длин пробок. Данные расчета приведены в таблице 2.

Таким образом, устройство деревянной пробки, устанавливаемой оперативно без создания временного искусственного забоя, позволит производить оперативный спуск пробки и ее надежное закрепление в скважине. Извлеченный контейнер с тягами можно использовать для дальнейших постановок искусственных забоев.

Таблица 1. Расчетные данные длины рейсовой проходки при заданных значениях длины деревянной пробки
Table 1. Calculated data of the length of the trip penetration at the given values of the length of the wooden plug

Таблица 2. Расчетные данные длины рейсовой проходки при заданных значениях длины деревянной пробки
Table 2. Calculated data of the length of the trip penetration at the given values of the length of the wooden plug