Методы и технические средства горизонтального бурения скважин

Ю.Т. Морозов высказал ранее (1966, 1972-81) принципы предупреждения искривления скважин алмазного бурения:

– увеличение жесткости низа колонкового набора (труб, двойных труб);

– совмещение оси низа колонкового набора по всей его длине с осью скважины (уменьшение стрелы прогиба труб, т.е. зазоров между стволом скважины и колонковым набором).

Обширный анализ отечественных и зарубежных работ, выполненный Д.Н. Плавским (ВИТР) и др., в которых исследовались теоретические и практические методы и технические средства бурения и предупреждения искривления горизонтальных скважин подтвердили правильность этих принципов.

В настоящее время самым апробированным методом предотвращения искривления горизонтальных скважин является применение колонковых наборов комплекса ССК-59(76)ГН конструкции ВИТР (Д.Н. Плавский и др.), в которых реализованы указанные принципы и установлено, что, например, для комплекса ССК-59-ГН первая (от забоя) длина полуволны (при нагрузке на коронку до 1000 даН и частоте вращения до 9,0 с^–1) составляет 2,5-2,9 м, т.е. первый центратор должен располагаться на расстоянии 1,3¸1,5 м от коронки, второй – на 3,0¸3,5 м и третий – на 10¸12 м от забоя скважины. Износ центраторов допускается не более 0,2 м и 0,4 мм по диаметру в зависимости от вида компоновки.

Кроме того, Д.Н. Плавским установлено, что при постоянном режиме бурения угол забуривания скважины влияет на конструкцию колонкового набора; так, для углов от –15° до +25° длина полуволны изменяется от 2,75 до 3,57 м; изменение параметров режима бурения влияет неоднозначно: влияние нагрузки незначительно, а частоты вращения – значительно и должно учитываться, т.к. при увеличении частоты длина полуволны может изменяться от 2 до 3 м, что изменит зазор между стенками скважины и колонковым набором и увеличит интенсивность искривления, поэтому места постановки центраторов изменятся.

При обычном алмазном и твердосплавном бурении используются различные технические средства. Так, для выполаживания скважин В.И. Власюк использовал усовершенствованную компоновку с промежуточной опорой типа компоновки ВИТРа, то есть в случае необходимости отклонения оси скважины вверх для обеспечения пересечения рудного тела в наиболее благоприятных условиях возможно для управления углом наклона таких скважин использовать компоновку, показанную на рис. 17.

Ее работа основана на использовании постоянного перекоса по вертикали колонкового набора относительно промежуточной опоры (стабилизатор, расширитель, кольцо). При этом радиус выполаживания определяется зависимостью:

, м (5.50)

где K _п – коэффициент пропорциональности; K _а – коэффициент отношения площадей алмазов коронки на боковой поверхности и торце коронки; P _о – осевая нагрузка на торце коронки; G _с – вес (масса) призабойной части набора; l ₁ и l ₂ – длина колонкового набора до промежуточной опоры и от опоры до торца коронки.

Выкручивание может достигаться различными способами. Исследования ВИТР показали, что выкручивание вниз ствола вызывается общим весом призабойной части бурового снаряда (более вероятно при постановке верхней опоры) и подработкой лежачей стенки боковыми резцами коронки (долота). Величина радиуса кривизны R определяется зависимостью:

, (5.51)

где K _п – коэффициент пропорциональности; V _м – механическая скорость бурения скважины; V _п – скорость подработки лежачей стенки скважины; l – длина колонкового набора или тяжелого низа. В этом случае V _м не должна быть высокой.

Ю.В. Кодзаев для выкручивания горизонтальных скважин и забуривания дополнительных стволов с лежачей стенки многоствольных скважин рекомендует ряд компоновок [5], показанных на рис. 18.

Например, для отклонения ствола вниз от оси скважины достаточно поместить полноразмерный центратор непосредственно за шарнирным переходником (рис. 18, а) и забурить новый ствол до того момента, когда в него попадет шарнир.

Если же шарнир снабдить центратором с расширителем (рис. 18, б), то это позволит производить плавное выкручивание на довольно большом (20-25 м) интервале бурения.

Для выкручивания ствола полого наклонной скважины можно также применять бесшарнирную компоновку. Роль шарнира играет «гибкая» труба уменьшенного диаметра (рис. 18, в, г).

Во всех случаях набор кривизны будет присходить до максимальной интенсивности (в рад/м) i _max=(D _ц– d _к)/ L ², где D _ц – диаметр центратора, м; d _к – диаметр коронки, м; L – расстояние от забоя до центратора, м.

Для скважин диаметром 59 мм I до 7,35° на 100 м.

Для искривления горизонтальных скважин, пробуренных в породах невысоких категорий по буримости, в Донецком политехническом институте разработан шарнирный отклонитель (рис. 19), который состоит из коронки 1, шарнира 6 и промежуточной опоры 3, соединенных между собой патрубками 4 и 2. Деталь 5 шарнира 6, соединяющая его с патрубком 4 и бурильной трубой 7, выполнены конусными и армированы твердосплавными резцами. Детали 6, 4, 2 изготовляют с максимально возможной для конкретных размеров массой, а детали 1, 3 и 2, напротив, максимально облегчают, в результате чего масса отклонителя концентрируется в области шарнира.

	Рис. 19. Шарнирный отклонитель

Отклонитель применяют для искривления горизонтальных скважин в сторону увеличения зенитного угла. Работа его заключается в следующем. Доставленный к забою скважины отклонитель вращают не углубляя скважину, а перемещая его на несколько сантиметров назад и вперед. Через некоторое время, зависящее от крепости породы, армированный резцами шарнир под действием веса отклонителя выработает углубление в лежачей стенке скважины, а ось передней части отклонителя получит направление в сторону увеличения зенитного угла. После этого углубляется забой скважины. Описанный процесс искривления скважины можно повторять до тех пор, пока скважина не выйдет на заданное направление.

Для бурения многоствольных скважин в горизонтальной плоскости Ю.Д. Кодзаев рекомендует использовать известные технические средства направленного бурения [3].

Для ориентирования отклонителей могут быть использованы гидравлический ориентатор или любой известный ориентатор для горизонтальных скважин.

При разведке пологопадающих и горизонтальных рудных зон на железорудном месторождении Вабана (Канада) разработана методика разведки с помощью скважин, забуренных близко к горизонтальному направлению. Скважины искривляют с помощью снаряда Томпсона, который состоит из специальной мелкоалмазной коронки с конусной рабочей частью, утяжеленной трубы, шарнирного соединения, направляющей трубы с расширителями. Соединение с колонной бурильных труб осуществляется через направляющую трубу. Длина всего снаряда равна 3200 мм.