9.4. Бурение горизонтальных и восстающих скважин

Бурение горизонтальных и восстающих скважин является одной из областей направленного бурения. Для многих случаев горно-геологических условий при поисках и разведке месторождений цветных, полиметаллических, благородных металлов и т.п., несмотря на увеличение сложности и трудоемкости буровых работ, этот метод, особенно при замене им проведения подземных горных выработок, обеспечивает наибольшую геолого-информационную эффективность и минимальные затраты времени и средств. Учитывая особенности этой области направленного бурения, при проведении горизонтальных и восстающих скважин должны использоваться специальные технические средства и технология, включая обязательное изучение закономерностей искривления таких скважин.

Наиболее рациональной техникой для бурения горизонтальных и восстающих скважин являются специальные снаряды со съемными керноприемниками, а также другие специальные бурильные колонны, например КГК и компоновки их колонковых наборов. В России такой техникой является ССК-59Г-59ГНБ; -76ГНБ и БС-КГК-59 конструкции ВИТРа, а также снаряды и их компоновки ряда других организаций. В зарубежной практике, по исследованиям ВИТР, лучшими являются специальные конструкции ССК фирм Лонгир (США), Даймонт Борт (Бельгия), Бойлес Бразерс (Каната), Атлас Копко (Швеция). Указанная зарубежная техника рекомендуется для бурения главным образом пород средних категорий по буримости (VIII-IX). Отечественные ССК более универсальны и используются в породах средних и твердых категорий в разнообразных геологических условиях. Основные технические характеристики ССК конструкции ВИТР, рисунки которых приведены в главе 7 , даны в табл.

Опыт направленного бурения указанными комплексами ССК в различных геологических условиях показал увеличение выхода керна на 20-30 % (до 80-95 %) и снижение интенсивности искривления скважин в 3-5 раз по сравнению с колонной СБТ-50 со стандартными колонковыми наборами.

Так, по результатам экспериментальных работ ВИТРа в ГГП «Гидроспецгеологии», при бурении горизонтальных и пологонаклонных (от –6⁰ до –15⁰) протяженностью до 800-900 м и восстающих (от +10⁰ до +25⁰) протяженностью до 656 м интенсивность отклонения скважин на конечной глубине составила следующие значения (табл. ).

Аналогичные результаты получены на объектах Восточно-Кураминской и Сарыджазской ГРЭ. Снижение интенсивности направления и обеспечение прямолинейности горизонтальных и восстающих скважин большой протяженности достигается увеличением жесткости и центрирования наборов ССК постановкой системы специальных центраторов и расширителей, что резко снижает изгиб компоновки в целом в процессе бурения.

Особо следует отметить, что применение новой техники обеспечивает, по сравнению с СБТ-50, увеличение в 2-3 раза глубин скважин, в 1,5-2,5 раза механической, рейсовой и технической скоростей бурения, снижение в 3 раза затрат времени на спуско-подъемные операции, повышение ресурса бурильных труб в 1,5 раза, колонковых наборов – в 6-7 раз.

Еще более положительные результаты были достигнуты при бурении скважин жесткой центрированной двойной бурильной колонной (буровым снарядом БС-КГК-59), предназначенной для бурения горизонтальных и восстающих скважин с гидротранспортом керна в монолитных, слабо- и средне трещиноватых породах VI-IX категорий по буримости. Благодаря наибольшей жесткости такой колонны при бурении пологовосстающих скважин (+10 … +15 град.) протяженностью до 450 м искривление практически оказалось меньшим даже по сравнению с использованием специальной компоновки ССК-59 ГНБ. Одновременно бурение снарядом БС-КГК-59 обеспечивает увеличение механической (технической) скорости и выхода керна.

Для сохранения прямолинейности и снижения интенсивности искривления горизонтальных и восстающих, также как и для наклонных скважин, наряду с применением специальных центрированных компоновок колонковых наборов, большое значение имеет технология бурения. В общем виде установлена закономерность, что увеличение осевой нагрузки приводит к деформированию компоновок и росту искривления, а увеличение частоты вращения, как правило, к стабилизации работы компоновок и к снижению интенсивности искривления.

Основными закономерностями искривления горизонтальных и восстающих скважин является следующее.

В относительно изотропных породах искривление скважин незначительно и происходит в азимутальном направлении по ходу вращения бурового снаряда вправо, а по зенитному углу – с его уменьшением.

В анизотропных породах (сланцах; перемежающихся по твердости породах и др.) интенсивность искривления определяется углами падения пород и углами встречи скважин с напластованиями. Искривление может происходить в любом направлении; однако чаще – это постепенное уменьшение зенитного угла при правом или левом азимутальном искривлении в зависимости от угла встречи с напластованиями пород. При этом наиболее сложным является характер искривлений скважин, близких к горизонтальным (5 … 15 град.).

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что пологовосстающие скважины постепенно уменьшают угол наклона, пересекают горизонтальную плоскость и далее выкручиваются, причем уменьшение угла больше при использовании стандартных колонковых наборов чем ССК-ГНБ. Пересечение горизонтали зависит от начального угла наклона и свойств пород: при начальном угле +9...10 град. пересечение происходит на расстоянии около 550 м (рис. ), при меньших углах – на более близком расстоянии. На основании анализа фактической трассы 1 сделаны следующие выводы: процесс бурения наиболее эффективен на восстающем участке (а), где возможен повышенный выход керна, увеличение скорости бурения, углубки за рейс и уменьшение расхода алмазов при использовании стандартных колонковых наборов. На горизонтальном участке (в) возможность эффективного применения стандартных наборов маловероятна. На наклонном участке (с) при использовании простого колонкового набора технико-экономические показатели бурения могут быть низкими. Поэтому необходимо проектировать иной характер трассы; если это невозможно, то для каждого интервала трассы следует определять рациональные компоновки технических средств и технологии бурения. Таким способом может быть проведена восстающая скважина (трасса 2).

Исследованиями ВИТР установлено, что выкручивание ствола такой скважины обусловлено массой призабойной части бурового снаряда и чем она значительней, тем выкручивание интенсивней. Под воздействием вертикальной составляющей снаряда и находящегося в нем керна происходит разрушение лежачей стенки призабойного участка ствола боковой поверхностью коронки и расширителя. Радиус кривизны R ствола характеризуется зависимостью:

(9.9)

где V_M – механическая скорость бурения, м/ч;

V_n – скорость подработки лежачей стенки скважины, м/ч;

l – длина колонкового набора, м;

K_n – коэффициент пропорциональности.

С целью снижения подработки лежачей стенки скважины следует применять компоновки ССК-ГНБ и другие центрированные компоновки, а для сохранения направления ствола или увеличения зенитного угла рекомендуется применять компоновки нижняя часть которых построена по принципу «промежуточной опоры» (рис. ). Такая опора позволяет приподнимать коронку над лежачей стенкой скважины, а изменением расстояния постановки опоры от торца коронки можно регулировать интенсивность набора кривизны и в том числе стабилизировать ее. Аналогичную задачу выполняют также компоновки КЖК «Сосновгелогии», КПИИ-конусные ВИТР, показанные в главе 4, а также разработанные Ю.В.Кодзеевым, В.И.Власюком и др.  .

*⁾ Примечание: ось Х представляет собой касательную к магнитному меридиану в направлении магнитного (географического) севера; ось Y, перпендикулярная к оси Х, направлена в сторону магнитного востока, ось Z направлена в сторону действия вектора силы тяжести.

* Возможно применение эксцентричных ниппелей, труб с эксцентричной массой, овальной, эллипсоидальной формы и т.п.