Планетарные породоразрушающие органы и проходка горизонтальных скважин

Каждый из применяемых в настоящее время традиционных механических способов бурения (резание, шарошечное и ударное разрушение) во многом исчерпал свои возможности к радикальному улучшению технических характеристик породоразрушающего инструмента. Вместе с тем именно характеристики породоразрушающего инструмента во многом определяют функциональные и эксплуатационные возможности конкретной технологии проходки скважин [1][9]. Поэтому буровые инструменты, реализующие нестандартные конструктивные решения механического разрушения забоя, могут создавать предпосылки для новых технологий бурения скважин.

В настоящей статье рассмотрены особенности и перспективы применения для проходки горизонтальных скважин динамического планетарного породоразрушающего органа, реализующего метод мелкого скола с поверхности забоя множественными ударными импульсами.

Попытки реализации метода планетарного движения породоразрушающих режущих элементов были предприняты в середине XX века. Сущность метода заключается в «быстром» вращении породоразрушающих элементов вокруг оси, перпендикулярной оси скважины, и одновременном «медленном» вращении вокруг оси скважины. При этом автоматически образуется волнистая поверхность забоя, на которой за счет переносного движения срезаются «миницелики» («гребешки»), остающиеся на этой поверхности, т.е. осуществляется квазидинамическое разрушение забоя (рис. 1).

Преимуществом таких органов являются пониженная энергоемкость разрушения и резкое снижение необходимого осевого усилия подачи на забой. Однако распространения эти органы не получили, так как им были присущи следующие недостатки:

1. наличие забурника, накладывающее на весь орган ограничения, присущие способу резания пород, а также невозможность обработки забоя в направлении, перпендикулярном оси вращения забурника;
2. ограничения на скорость взаимодействия породоразрушающих элементов с поверхностью забоя, так как в противном случае множественные силовые импульсы, передаваемые на трансмиссию, резко снижали долговечность последней;
3. относительно небольшая одновременно разрушаемая поверхность, что ограничивало производительность.

Материалы и методы

Ряд оригинальных технических решений [3—5][8] и анализ механизма разрушения [12] позволил создать экспериментальный образец беззабурникового, планетарного породоразрушающего инструмента с креплением зубков на подпружиненных ударных молотках, принцип действия которого представлен на рисунке 2, а его общий вид приведен на рисунке 3. Особенностью планетарного органа является то, что процесс разрушения породы осуществляется инерционными силами торможения ударных молотков, а потерянная ими кинетическая энергия в зоне разрушения восстанавливается, что демонстрирует рисунок 2.

Планетарные органы могут приводиться в движение как от механической передачи, так и выполняться со встроенными электро-гидро-пневмо- и другими двигателями. Планетарный инструмент успешно опробован в производственных условиях. Его конструкция базируется на многолетнем положительном опыте эксплуатации проходческих машин типа ППГ, предназначенных для проведения на угольных шахтах восстающих горных выработок диаметром 800 мм [7]. Следует отметить, что попытки создания планетарных породоразрушающих органов для бурения неоднократно предпринимались на основе использования для «резания» забоя алмазного инструмента [6]. Однако такие органы не нашли широкого применения из-за очень высоких требований к «точности» регулирования подачи инструмента на забой.

Предлагаемый вариант планетарного органа был апробирован в стендовых условиях. Экспериментальным образцом было проведено бурение трех «отверстий» диаметром 340 мм в блоке песчаника (δ_сж = 80 МПа) размером ~2,0×1,4×1,4 м. Необходимое усилие подачи при этом не превышало 1,5 кН, установленная мощность привода стенда — 18 кВт, время бурения отверстия одного «отверстия» составило ~2 мин.

Результаты

Качественный анализ сделанных предложений и апробация экспериментального образца показали, что пиковое значение породоразрушающей силы может превосходить центробежную в 12—15 раз, чего достаточно для разрушения поверхности забоя. Величина скорости породоразрушающих «молотков» при этом ограничивается только ударной стойкостью породоразрушающих элементов. В настоящее время имеется ряд твердых сплавов, которые способны выдержать без разрушения возникающие ударные нагрузки при скоростях взаимодействия до 15 м/с. При этом энергия удара одного «молотка» при взаимодействии с породой может составлять до 300 Дж, время взаимодействия «молотка» с породой — миллисекунды, частота ударов по линии одной коронки — до 30 Гц, а их шаг — 15—20 мм, что согласуется с параметрами, необходимыми для эффективного разрушения самых разнообразных пород и исключения нежелательных эффектов, связанных с дополнительными энергетическими затратами при скоростном нагружении. Необходимая величина усилия подачи в планетарном органе не превышает величины центробежной силы, действующей на все ударные молотки, находящиеся в зоне разрушения.

К потенциальным преимуществам планетарного разрушающего органа в сравнении с традиционными можно отнести:

1. значительно меньшая энергоемкость разрушения (в 2—2,5 раза);
2. многократное уменьшение усилия подачи на забой (~ 10 раз);
3. отсутствие забурника, т.к. рациональное расположение рядов «молотков» позволяет разрушать «целик» в центре забоя;
4. применение в существующих буровых установках без их существенной переделки;
5. реализация более современных технологий бурения.

Указанные преимущества во многом достигаются за счет перехода работы породоразрушающих элементов из квазистатического режима разрушения забоя в импульсный.

В настоящее время одной из прогрессивных скважинных технологий разведки и добычи полезных ископаемых является проведение наклонных горизонтальных и разветвленных скважин в продуктивных зонах. Поэтому любые технические новшества, позволяющие удешевить и упростить, а в некоторых случаях качественно улучшить существующие технологии проведения горизонтальных скважин, представляются целесообразными. Использование в указанных технологиях предлагаемого бурового инструмента позволит резко уменьшить длину бурового снаряда и увеличить диаметр скважины в продуктивной зоне, реализовать в некоторых случаях многолучевое горизонтальное бурение из одной вертикальной скважины увеличенного диаметра. Все эти мероприятия позволят снизить себестоимость бурения и реализовать новые, а также улучшить старые технологии по более полному извлечению полезных ископаемых.

Вследствие того что при бурении динамическим планетарным органом осевое усилие подачи и необходимый вращающий момент значительно меньше, чем при использовании любых других механических буровых инструментов, использование этого органа позволяет создать малогабаритный вращающе-подающий механизм (ВПМ), который может располагаться в скважине и обеспечивать все основные функциональные процессы при бурении. Это позволит упростить технологию проведения горизонтальных скважин, увеличить их диаметр и протяженность и уменьшить нагрузку на буровой став [10].

Наиболее рациональной для выполнения указанных целей является схема веерного бурения горизонтальных скважин из вертикальных скважин увеличенного диаметра («колодца»). Как сам «колодец», так и горизонтальные «лучевые» скважины могут проводиться в породах планетарными органами. Однако основным вопросом проведения горизонтальных скважин по предложенной схеме является создание надежного ВПМ, который располагался бы в «колодце» и обеспечивал необходимые технологические операции. На рисунках 4 и 5 представлены два из многих возможных вариантов реализации ВПМ для бурения горизонтальных скважин с помощью планетарных органов.

Наиболее простым является вариант, приведенный на рисунке 4, с приводом органа с помощью гибкого вала. В этом случае передача необходимой для работы органа мощности в 10—15 кВт при частоте вращения гибкого вала несколько сотен оборотов в минуту не представляет технических проблем. Учитывая также, что необходимое осевое усилие подачи в этом случае составляет менее 2 кН, проведение горизонтальной скважины в продуктивном слое представляется возможным. Однако при использовании гибкого вала имеются серьезные технические трудности по транспортировке отбитой горной массы, подаче бурового раствора или воздуха к забою, предотвращению «провисания» става и его волочению по стенке скважины и т.п. Поэтому длина горизонтальной скважины в рассматриваемом случае будет составлять всего несколько метров и эффективность такого бурения будет ограничена. Вместе с тем простота реализации, малое вспомогательное время, сохранение инструмента и т.д. делают целесообразным использование этого варианта.

Вариант реализации ВПМ с погружным контейнером представлен на рисунке 5. В этом случае ВПМ имеет гидравлический привод, получающий рабочую жидкость, и управление с поверхности. Короткие буровые штанги подаются к ВПМ в контейнере специальной конструкции и последовательно наращивают буровой став. Контейнер при этом может использоваться как бункер для приема отбитой горной массы. Основным недостатком данной схемы является значительное вспомогательное время при наращивании штанг. Для уменьшения влияния этого недостатка возможно использование ВПМ с манипулятором. В этом случае длина штанг может быть увеличена в 1,5—1,7 раза, что сократит, соответственно, вспомогательное время. Штанги могут выполняться в виде шнеков, перфорированными, с«фонарями» и т.д. Это снимает большинство недостатков технологического применения гибкого вала. Поэтому длина горизонтальных скважин во втором и третьем вариантах может быть увеличена на порядок в сравнении с вариантом применения гибкого вала. Учитывая, что диаметр горизонтальных скважин в предлагаемых вариантах бурения может быть увеличен и из одного «колодца» возможно бурить несколько горизонтальных скважин в различных направлениях, то отдача добываемого продукта может быть существенно повышена.

Обсуждение результатов

Ударное разрушение породы, как правило, имеет значительно меньшую энергоемкость в сравнении с другими механическими способами [2][11]. Поэтому в случае использования погружных винтовых или турбодвигателей будет требоваться их уменьшенная мощность, а следовательно, и уменьшенные габариты в сравнении, например, с шарочным бурением.

Значительное снижение необходимого осевого усилия для разрушения забоя повысит долговечность опор качения инструмента и создаст предпосылки для более «гибкого» управления изменением направления бурения. Кинематика движения породоразрушающего элемента при его выходе в свободное пространство после его взаимодействия с породой обеспечивает «квазишарообразную» форму забоя, плавно сопрягаемую со стенкой скважины, что способствует повышению ее устойчивости. Таким образом, планетарный динамический орган может расширить потенциальные возможности технологии специального бурения.

Заключение

Основными факторами эффективности бурения горизонтальных скважин с помощью планетарных органов является кратное сокращение общей длины скважин и удешевление их проведения в сравнении с наклонным бурением, а также увеличение их диаметра в продуктивной зоне. Использование планетарных породоразрушающих органов, реализующих квазидинамическое разрушение множественными ударными импульсами массива путем мелкого скола породы с автоматически формируемой волнистой поверхности забоя, создает предпосылки для совершенствования технологии бурения наклонных и горизонтальных скважин.