При прокладке нефтегазопроводов нередко встает задача прохождения участков, требующих подземного размещения трубопровода. К ним относятся различные водные преграды, горные массивы, строительные сооружения и т.д. В этом случае наиболее экологичным, экономичным и безопасным способом преодоления этих мест является метод наклонно-направленного бурения [4].

Метод наклонно-направленного бурения позволяет минимизировать время сооружения подземного перехода нефтегазопровода. Применение данного метода ограничивается лишь сложностью бурения отдельных категорий пород и техническими возможностями применяемого бурового оборудования.

Наклонно-направленное бурение скважин для прокладки нефтегазопроводов осуществляется путем использования специальных агрегатов и различного бурового оборудования в несколько этапов. В начале производят бурение пилотной скважины небольшого диаметра на всю длину перехода. Затем проводят ее расширение до формирования требуемого технологического диаметра, большего диаметра трубопровода. Далее происходит калибрование и зачистка стенок скважины с целью обеспечения беспрепятственного протаскивания трубопровода [2].

Как правило, бурение пилотной скважины осуществляется обычными буровыми долотами различных типоразмеров, выбор типа и размера которых зависит в основном от твердости и абразивности разбуриваемых пород.

Расширение пилотной скважины уже осуществляется при помощи расширителей специальных конструкций, позволяющих наиболее эффективно разрушать породу в условиях проходки наклонно-направленных скважин большого диаметра [3].

На сегодняшний день существует множество конструкций буровых агрегатов, а также долот и шарошечных расширителей, предназначенных именно для формирования наклонно-направленных стволов для прокладки нефтегазопроводов. Однако необходимость дальнейшего их совершенствования все еще является достаточно актуальной задачей. Особенно в условиях введенных беспрецедентных санкций в отношении нашей страны и ухода с рынка множества иностранных производителей, специализирующихся на изготовлении данного вида оборудования.

На сегодняшний день повышение эффективности работы буровых агрегатов и породоразрушающего инструмента при сооружении подземных переходов нефтегазопроводов является одной из основных задач, стоящих перед производителями данного вида бурового оборудования. Один из вариантов ее решения может быть реализован за счет разработки и создания новых конструкций бурового инструмента, обеспечивающего увеличение механической скорости бурения и проходки на инструмент. Немаловажным фактором, способствующим увеличению указанных показателей бурения, является качественная работа системы промывки как инструмента, так и всей призабойной зоны в целом [1].

Бурение пилотных наклонно-направленных скважин в процессе строительства подземных переходов нефтегазопроводов осуществляется обычными буровыми долотами, за которыми, как правило, устанавливаются калибрующе-центрирующие устройства, обеспечивающие выравнивание стенок скважины и препятствующие возникновению радиальных колебаний породоразрушающих инструментов. Также их использование способствует улучшению управляемости долота и обеспечивает более точное формирование проектного профиля ствола наклонно-направленной скважины. Однако применение калибрующе-центрирующих устройств в связке с долотом неизбежно ведет к повышению гидравлического сопротивления в области работы инструмента и, как следствие, увеличению дифференциального давления на забое. Одним из эффективных способов его снижения является применение различных эжекционных систем, размещаемых как непосредственно в долоте, так и в сопутствующем ему вспомогательном инструменте. Эжекционные системы работают по принципу струйных насосов, что позволяет им существенно интенсифицировать процесс удаления разрушенной породы от забоя и дальнейшего ее перемещения по затрубному пространству в сторону дневной поверхности. Кроме того, использование эжекционных систем, размещенных непосредственно в зоне работы породоразрушающего инструмента, позволяет снизить дифференциальное давление на забое. Многолетний опыт применения различных эжекционных систем при бурении нефтяных и газовых скважин показал, что их использование позволяет увеличить механическую скорость бурения и проходку на инструмент. Однако реализовать весь потенциал данных систем в буровом инструменте так и не удалось. Это связано с тем, что эжекционные системы размещались либо непосредственно в самом долоте, что не позволяло сделать их достаточно мощными ввиду ограниченного пространства для их размещения, либо устанавливались отдельно, над долотом, и выполняли только эжектирующую функцию.

Учитывая все вышеперечисленные факты, было предложено разместить эжекционные устройства в теле наддолотного калибратора, совместив в нем сразу несколько функций: калибрования стенки скважины, центрирования и стабилизации долота и струйного насоса, позволяющего интенсифицировать процесс промывки забоя и удаления шлама в межтрубное пространство.

В результате проведенных исследований была разработана новая конструкция калибратора-эжектора, оснащенного эжекционными системами очистки скважины (рис. 1). Для проведения предварительных гидравлических испытаний была создана экспериментальная модель калибратора-эжектора диаметром 215,9 мм, а также шарошечное долото аналогичного диаметрального размера, с использованием 3D-технологий (рис. 1).

Принцип совместной работы калибратора-эжектора и долота в процессе бурения пилотной скважины (рис. 2) заключается в следующем. Под воздействием крутящего момента и осевой нагрузки на долото, передаваемых посредством колонны буровых труб, зубчатое вооружение долота разрушает породу забоя. Одновременно с этим сквозь внутреннее пространство бурильных труб и промывочную систему породоразрушающего инструмента прокачивается буровой раствор, который очищает вооружение долота и поверхность забоя. Как отмечалось ранее, непосредственно за долотом устанавливается калибратор-эжектор, также включающий в себя систему промывки в виде трех струйных насосов, расположенных в его межлопастных пространствах. Отличительными особенностями этой конструкции являются наличие подпорной насадки, расположенной внутри центрального ствола калибратора-эжектора (рис. 3), и трех эжекционных каналов с насадками, направленных в сторону от поверхности забоя.

Буровой раствор, перемещаясь сквозь внутреннее пространство калибратора-эжектора, достигает его внутренней подпорной насадки (рис. 3), создающей определенное гидравлическое сопротивление, которое заставляет часть общего объема промывочной жидкости двигаться в специальные эжекционные каналы. Пройдя сквозь эжекционные каналы и насадки, буровой раствор попадает в наружные эжекционные камеры открытого типа. Отличительной особенностью их конструкции является тот факт, что их внутренние поверхности образованы корпусом калибратора и двумя смежными его лопастями, а наружной частью является непосредственно стенка скважины. В эжекционных камерах высокоскоростные потоки бурового раствора, истекающие из эжекционных насадок, смешиваются с более медленными потоками бурового раствора, обогащенного шламом, перемещающимися от поверхности забоя сквозь межлопастные пространства калибратора (рис. 3). В результате взаимодействия этих потоков формируются три общих эжектированных потока, обладающих значительно большей гидравлической энергией, способствующих значительной интенсификации процесса промывки как инструмента, так и всей призабойной зоны в целом [5].

Как было указано ранее, по завершении формирования ствола пилотной скважины осуществляется процесс дальнейшего расширения ее диаметральных размеров шарошечными расширителями специальных конструкций. При этом, в отличие от первого этапа, когда буровой агрегат перемещает породоразрушающий инструмент «от себя», при осуществлении второго этапа расширение ствола происходит путем перемещения буровым агрегатом породоразрушающего инструмента «на себя». Как показывает практика, в большинстве случаев процесс промывки, как правило, является прямоточным (невозвратным), т.е. с одной стороны перехода на другую. Это существенно ухудшает эффективность удаления разбуренной породы вследствие большего диаметра уже расширенного участка скважины, не говоря уже об экологическом аспекте этого процесса. В связи с этим при расширении пилотной скважины предлагается использовать процесс обратной промывки, аналогичный такому при бурении вертикальных нефтегазовых скважин, т.е. подачу бурового раствора внутри буровой колонны к породоразрушающему инструменту и возвращение его обратно на дневную поверхность по затрубному пространству. Это позволит использовать все наработки по очистке, восстановлению бурового раствора, существенно снизить его расход и значительно улучшить экологичность процесса сооружения подземных переходов нефтегазопроводов.

При расширении пилотной скважины с использованием обратной системы промывки можно применять тот же калибратор-эжектор, уже использованный на первом этапе бурения. В данном случае он устанавливается перед шарошечным расширителем и выполняет не только функции калибратора и струйного насоса, но и переднего стабилизатора и направляющего аппарата шарошечного расширителя (рис. 2). Таким образом, один и тот же инструмент (калибратор-эжектор) может использоваться как при первоначальном бурении пилотной скважины, так и впоследствии при ее расширении.

Данные калибраторы-эжекторы могут использоваться при бурении совместно не только с шарошечными долотами, но и с любыми другими видами и типами породоразрушающих инструментов.

Использование калибратора-эжектора новой конструкции в буровых агрегатах и системы обратной промывки скважины при ее расширении позволит снизить время и стоимость строительства подземных переходов нефтегазопроводов, а также улучшить экологические аспекты при их сооружении.