2. Компоновки для алмазного бурения снарядами

со съемным керноприемником

При бурении снарядами со съемным керноприемником проблема естественного искривления является актуальной. Анализ закономерностей искривления скважин, буримых ССК, позволяет сделать следующие основные выводы [15, 16].

1. Скважины, буримые ССК, имеют характер и закономерности искрив-ления, аналогичные таковым при обычном алмазном бурении.

2. При уменьшении диаметров коронок ССК интенсивность искривления, как правило, увеличивается. Например, интенсивность зенитного искривления на месторождениях в Таджикистане составляет: при бурении ССК-59 i_θ =0,48 град/ 100 м, ССК-46 – 0,63 (Дальнее); при бурении ССК-59 i_θ =0,35, ССК-46 – 0,8 град/м (Кызкырбулак).

При бурении глубоких скважин снарядами ССК типоразмера NQ и BQ в Родезии отмечено, что более жесткая колонна NQ (69,8 мм) меньше искривляет ствол, чем BQ (55,6 мм). Применение простейших стабилизаторов колонкового набора позволило снизить интенсивность искривления при бурении колонной BQ с 17 до 8 град/100 м. При бурении колонной NQ интенсивность искривления в среднем составила 4,16 град/100 м.

3. Увеличение осевых нагрузок приводит к росту интенсивности искривления скважин, буримых ССК, причем рост более значителен в случае бурения в сложных горно-геологических условиях, что является следствием увеличения деформации колонкового набора – повышения прогиба колонкового набора и угла перекоса инструмента на забое. Поэтому основные мероприятия по снижению искривления стволов скважин должны быть направлены на предотвращение потери устойчивости труб колонкового набора и обеспечение их вращения без перекоса по отношению к оси скважины. Первое может быть достигнуто уменьшением осевых нагрузок с одновременным ростом частоты вращения колонны. Оптимальное сочетание частоты вращения и нагрузки в ряде случаев обеспечивает желательный эффект по снижению искривления скважин. При этом значительную роль при выборе рациональных параметров режима бурения играет правильный выбор коронки для бурения, твердость матрицы которой должна соответствовать типу горной породы, обеспечивая своевременное обнажение алмазных резцов и возможность бурения на умеренных осевых нагрузках. Снижение осевых нагрузок при бурении скважин в условиях естественного их искривления можно обеспечить применением тонкоматричных алмазных коронок. Зарубежными компаниями, такими как Atlas Copco, Boart Longyear, производятся специальные ССК, в которых используются коронки с утонченными матрицами, что повлекло за собой изготовление и тонкостенных колонковых наборов типоразмеров AQ, BQ, NQ, HQ.

Как показал опыт применения ССК с утонченными матрицами, при пониженных осевых нагрузках и высоких частотах вращения колонны (1100–1400 мин^-1) снижается интенсивность искривления скважин до минимальных значений (1–3 град/100 м), повышается механическая скорость бурения и увеличивается размер керна.

4.Увеличение механической скорости бурения за счет роста частоты вращения колонны и других технологических мероприятий, исключающих повышение осевого усилия, ведет к снижению интенсивности искривления скважин. Например, отмечено, что если механическая скорость бурения ССК-46 в 1,5–2,0 раза превышает механическую скорость бурения ССК-59, то интенсивности искривления этими снарядами равны или при бурении ССК-46 меньше.

5 . В сложных геолого-технических условиях бурения интенсивность искривления скважин, буримых ССК, может быть весьма значительной (до 9–10 град/100 м). При бурении скважин в Семипалатинской экспедиции отмечено, что скважины, буримые ССК, стремятся занять тот же угол встречи с напластованием пород, что и скважины обычного алмазного бурения, только происходит это более интенсивно. Максимальные значения интенсивности искривления ССК-59 достигали i_ССК =1,01 град/10 м, а при обычном алмазном бурении i_аб=0,54 град/10 м. Причинами более интенсивного искривления скважин, буримых ССК, в сложных горно-геологических условиях, являются увеличенная (на 60 %) площадь, а также конусно-ступенчатая форма торца коронок (данные А. И. Уржумова).

6. Для снижения искривления скважин буримых ССК более рациональны закругленные, плоские или гребешковые (W-профиль) формы торца коронок (рис. 9.2).

Это связано, во-первых, с тем, что, W-профиль создает свободные поверхности разрушаемой породы, а это позволяет бурить достаточно производительно при умеренных осевых нагрузках.

Во-вторых, форма профиля способствует соосному со скважиной положению коронки на забое без значительных поперечных перемещений и ударных воздействий на керн.

И, наконец, W-профиль достаточно рационально «организует» напря-жения под торцом, направляя их, прежде всего, навстречу под прямым углом в направлении от плоскостей торцевых граней, что предохраняет от излишних нап-ряжений и разрушения керн и стенку скважины.

Подобным профилем оснащаются импрегнированные коронки ССК типа Craelius, Hobic (Atlas Copco), α-bit (Boart Longyear) различной конструкции, размеров и с различной твердостью матриц.

Сравнительное бурение коронками К-01 (ступенчатый внешний конус) с коронками БС-09 с двойным конусом показало, что наблюдается существенное снижение искривления при бурении коронками БС.

Компания Boart Longyear для бурения в условиях искривления скважин предлагает однослойные коронки с двухступенчатым профилем типа F (пилотный профиль) и расширитель Premium Stabilized – стабилизированная версия расширителя Premium при необходимости бурения глубоких скважин с минимальным искривлением ствола.

По данным из работы [15,16], на одном из месторождений ПГО «Запказгеология» КССК использовали как средство бурения направленных скважин. С этой целью проводились мероприятия по уменьшению деформации колонкового набора: на нижнем конце колонкового набора устанавливался расширитель, а на верхнем – комбинированный центратор, включающий твердосплавный центратор и алмазный расширитель. Интенсивность искривления скважин, проходимых снарядом КССК с центрированным набором, оказалась в 2,5 раза меньше интенсивности искривления ранее пробуренных обычным снарядом соседних скважин.

Повышение жесткости и соосности колонковых труб, их центрирование в скважине являются первоочередными и важнейшими мерами повышения устойчивости компоновок и снижения искривления скважин, буримых ССК.

Компоновки для ССК, снижающие естественное искривление скважин разработаны ВИТР, КазИМС, ПГО «Востказгеология», «Ташкентгеология», «Кировгеология». Основное направление этих работ – создание центрирующих (жестких) колонковых наборов.

На рис. 9.3, а показана компоновка, разработанная в ПГО «Киров-геология». Центраторы 7 выполнены с применением вставок сверхтвердого материала «Славутич», что существенно повысило их ресурс. В компоновке использованы две профилированные шестигранные трубы 6 длиной до 600 мм, что позволило получить длинный центрирующий набор. Компоновка позволяет снизить интенсивность искривления скважин при бурении ССК-59 в 2–2,5 раза.

Ц ентрирующие колонковые наборы конструкции ВИТР разработаны двух модификаций. Набор первой модификации (рис. 9.3, б) состоит из двух наружных колонковых труб 4, между которыми расположен центратор 3 совместно с алмазным расширителем 2. Другой расширитель 2 и центратор 3 располагаются над коронкой 1. B верхней части набора располагается переходник 5 с наплавками релита. Набор второй модификации отличается тем, что в средней части бурового набора расположен только центратор без расширителя. При этом сделаны рекомендации об установке третьей пары центраторов-расширителей в верхней части набора при его длине более 3,5 м. Центрирующие элементы центраторов выполнены в виде наплавок релита или сормайта.

На рис. 9.3, в представлена компоновка ЖК-5, разработанная в ПГО «Востказгеология» [15,16]. В компоновке расширитель 2 установлен над профильной трубой 6, нижний твердосплавный центратор 3 выполнен более длинным, а его диаметр на 0,2–0,1 мм меньше диаметра коронки 1. Согласно исследованиям автора разработки расстояние от торца коронки 1 до расширителя 2 в компоновке должно быть 1–2 м, а наиболее оптимальном по результатам испытаний оказалось расстояние 1,2 м.

Ресурс компоновки ЖК-5 составляет 220–260 м.

Задача повышения ресурса коронок и центрирующих элементов компоновки ЖК-5 решена в Приморье. Наваривание полос на корпус коронок ССК с наклоном к оси корпуса (наклон в сторону, противоположную направлению вращения коронки) позволило повысить ресурс на 21 %, снизить расход алмазов на 20 % и обеспечить более стабильную работу ЖК-5 по снижению искривления (см. рис. 9.4).

На рис. 9.3, г показана компоновка ССК-ТКСВ (труба колонковая стабилизирующая винтовая), разработанная в ПГО «Ташкентгеология». Особенность компоновки - наличие трубы с винтовой нарезкой 8, которая является гидромеханическим центратором-стабилизатором набора и, кроме того, обеспечивает более эффективное удаление шлама из забоя. По данным разработчика, это позволяет бурить скважины с минимальным искривлением (по зениту интенсивность – не более 1,3–1,6 град/100 м, по азимуту – 0,5–0,9 град/100 м). Ресурс компоновки 500–1 000 м.

Примером подхода зарубежных компаний к разработке компоновки для ССК может являться компоновка Mini-Deve (рис. 9.3, д, е) канадской фирмы Whell Trucing Tool.

К омпоновка выпускается четырех типоразмеров: AQ (диаметры коронки наружный и внутренний – 47,6/27,0; колонны 44,5/34,9); BQ (59,6/36,4; 55,6/49,5); NQ (75,3/47,6; 70/60,3); HQ (96,1/61,1; 88,9/77,8). В состав компоновки (рис. 9.3, д – компоновка разобрана, рис. 9.3, е – собрана) входят коронка 1, оригинальный расширитель 2¹, имеющий удлиненный корпус, на который надевается втулка 9. Наружный диаметр этой втулки близок к диаметру расширителя 2¹. Между верхней частью корпуса расширителя 2¹ и внутренней поверхностью втулки 9 образуется канал для прохода жидкости, которая выходит через отверстия во втулке 9. Выше втулки 9 ставятся два-три стабилизатора 10 со спиральными канавками. Длина расширителя 2 и втулки 9 равна 600 мм. Предусмотрена возможность установки дополнительных центрирующих узлов на расстоянии 2,1 и 3,6 м от коронки 1. Зазор между снарядом Mini-Deve и стенками скважины составляет не более 0,15 мм.