11.8. Специальный породоразрушающий инструмент для управления

11. 8. Специальный породоразрушающий инструмент для управления

искривлением скважин

Коронки для снижения интенсивности искривления скважин

 

Базированные коронки

 

Традиционные технические средства направленного бурения часто не способны обеспечить эффективность стабилизации траекторий скважин в анизотропных породах. Это связано с тем, что применяемые жесткие компоновки низа бурильной колонны обладают малой чувствительностью и генерируют усилия в направлении, противоположном естественному искривлению, только после большого изгиба.

Корректировка траекторий скважин с помощью раскрепляемых отклонителей позволяет, как правило, вывести скважину в заданную точку. Однако этот метод нельзя считать конструктивным, поскольку он предусматривает исправление уже допущенного брака и требует для этого определенных дополнительных затрат средств и времени. В связи с этим возникла необходимость разработки инструмента, предназначенного для стабилизации траекторий скважин, основанного на других принципах, т. е. за счет учета характера взаимодействия естественных сил, возникающих при контакте породоразрушающего инструмента с горной породой.

При обработке металлов широко используют базированные сверлильные головки, предназначенные для изготовления длинных отверстий в металле. Теория работы такого инструмента изложена в книге М. А. Минкова, Н. Д. Троицкого и др. Суть инструмента заключается в том, что на наклонном резце сверлильной головки создаются несбалансированные силы, равнодействующая которых имеет определенную направленность, а контакт боковой поверхности сверла со стенкой отверстия осуществляется через гладкие, не режущие направляющие. Это позволяет избежать или уменьшить фрезерование стенки отверстия режущими элементами боковой поверхности сверла и резко сократить увод отверстия от заданного направления.

Нет оснований сомневаться в том, что использование подобного рода инструмента при бурении скважин позволило бы решить ряд вопросов, связанных с сохранением прямолинейности их траекторий. Однако теория сверления длинных прямолинейных отверстий не может быть просто перенесена в область бурения скважин, что связано, прежде всего, с различием в механизме резания металла и разрушения горной породы. Поэтому в Томском политехническом университете под научным руководством автора данного раздела были проведены теоретические и экспериментальные исследования, связанные с созданием алмазных коронок для бурения прямолинейных скважин.

Рассмотрим вид базированной алмазной коронки и ее продольное сечение (рис. 11. 50). Коронка состоит из корпуса 1, к которому присоединена металлокерамическая матрица 2, содержащая естественные или искусственные объемные алмазы 3. Наружная часть торца корпуса наклонена под углом g к поперечной оси. В наклонной части торца матрицы выбран паз 4, горизонтальная проекция которого показана пунктиром. В боковую поверхность матрицы вмонтированы базовые направляющие 5 и 6. Боковые поверхности матриц армированы наружными 7 и внутренними 8 подрезными алмазами. Базовые направляющие разнесены на угол b. Наружная поверхность матрицы коронки, заключенная между сторонами угла b, подрезными резцами не армирована.

Базированная алмазная коронка работает следующим образом. При создании осевой нагрузки и крутящего момента осуществляется силовое взаимодействие торца коронки и горной породы. На наклонной части торца коронки в точке касания каждого алмаза с породой возникает поперечная радиальная составляющая, направленная к центру коронки. Поперечные силы, генерируемые в диаметрально противоположных точках, взаимно уничтожаются. Поскольку в матрице выбран паз 4, диаметрально противоположная часть матрицы формирует некомпенсированные радиальные силы, равнодействующая которых F_R направлена к центру паза 4. В точке, диаметрально противоположной пазу 4, формируется и F_t - равнодействующая тангенциальных сил, направленная противоположно вектору скорости вращения.

Равнодействующая R радиальной и тангенциальной сил направлена по биссектрисе угла b и обеспечивает равномерную загрузку базовых направляющих и их равномерный износ. Коронка прижимается к стенке скважины базовыми направляющими, имеющими гладкую форму, которые не разрушают стенку скважины и не уводят скважину от заданного направления.

 

Рис. 11. 50. Базированная алмазная коронка

 

 

При появлении посторонней возмущающей силы, вызванной геолого-техническими причинами, величина и направление равнодействующей всех поперечных сил меняется, но не выходит за пределы сектора, ограниченного базовыми направляющими, что исключает возможность прижатия матрицы ее вооруженной частью к стенке скважины и резко снижает интенсивность увода скважины от первоначального направления.

Для того чтобы изготовить базированную алмазную коронку, необходимо определить угол скоса торца коронки и геометрию ее рабочей части, угол разноса и местонахождение базовых направляющих, а также размер зоны снятия алмазов с торца матрицы. Рассмотрим порядок расчетов этих элементов.

На рис. 11. 51. приведена схема разложения сил на наклонной конусной части торца базированной алмазной коронки. Обозначены следующие силы:  - несбалансированная осевая нагрузка; F_н - нормальная составляющая от , действующая перпендикулярно плоскости торца коронки; F_с - сила, смещающая коронку по падению плоскости резания; F_т - сила трения, препятствующая этому смещению;  - проекции соответствующих сил F_с и F_т на горизонтальную плоскость.

 

 

Рис. 11. 51. Схема разложения сил на конусной части торца бази­рованной алмазной коронки

 

 

Несбалансированная радиальная сила F_R определяется как разница сил . Найдем ее величину, приведя ряд несложных уравнений,

                           ;                                                                      (11. 55)

                            ;                                                                         (11. 56)

               ;                                                            (11. 57)

                              ,                                                                            (11. 58)

где j - коэффициент трения при перемещению резца в плоскости продольного сечения коронки,

                .                                                              (11. 59)

Тогда

.                                   (11. 60)

Из уравнения (11. 60) следует, что радиальная сила появляется в тот момент, когда  и может регулироваться углом наклона торца коронки и несбалансированной осевой силой, если считать величину j константой.

Несбалансированная тангенциальная сила

                          ,                                                                        (11. 61)

где f - коэффициент трения при перемещению резца в плоскости забоя.

 

Методика определения угла разноса и местонахождения базовых направляющих основывается на следующих положениях.

1. Для того чтобы базовые направляющие нагружались равномерно и, следовательно, имели одинаковый износ, равнодействующая всех поперечных сил должна быть направлена по биссектрисе угла между ними.

2. Одна из базовых направляющих располагается на линии действия несбалансированной радиальной силы, что исключает возможность фрезерования стенки скважины при малых значениях тангенциальных сил.

Для определения величины угла b вернемся к схеме, приведенной на рис. 11. 50.

                          .                                                                        (11. 62)

Подставляя уравнение (11. 61) и (11. 60) в выражение (11. 62), получаем уравнение для расчета угла b (11. 63).

 

            .                                                                     (11. 63)

К производственным испытаниям были изготовлены три опытные серии базированных коронок, армированных естественными и искусственными алмазами. Коронки 02И4НС диаметром 59 мм (25 шт. ) с естественными алмазами были изготовлены в цехе рекуперации алмазов Монгольской геологоразведочной экспедиции. Вторая серия коронок марки 02И4НС диаметром 76 мм (10 шт. ) с естественными алмазами была изготовлена на ЭЗТАБ ВПО «Союзгеотехника». Третья серия коронок диаметром 59 и 76 мм всего (40 шт. ), армированных синтетическими алмазами, была изготовлена в Тульском филиале ЦНИГРИ.

Производственные испытания первой серии базированных коронок проводились на скважинах Шалымской ГРЭ ПГО «Запсибгеология», Зыряновской ГРЭ ПГО «Востказгеология и в Монгольской ГРЭ в 1989 г.

В Шалымской ГРЭ было отработано пять коронок в породах X-XI категорий по буримости на глубине от 747 до 787 м. При бурении базированными коронками скважины практически были прямолинейными. Зенитный угол на всем протяжении сохранял величину 9°, азимут изменился на 1°. В среднем по этой скважине интенсивность зенитного искривления составила 0, 02 º /м и азимутального - 0, 07 º /м. Интенсивность зенитного искривления скважин при бурении базированными коронками, как отмечалось, составила 0 º /м, а азимутального - 0, 05 º /м. Таким образом, эффект снижения интенсивности искривления при использовании базированных коронок проявился даже при весьма малых естественных отклонениях скважин.

В Монгольской ГРЭ отработаны 12 базированных коронок в скважине 13, 14, 15 при глубинах 250-460 м. Средняя проходка на коронку составила 20, 1 м, что выше на 25%, чем на стандартную коронку 02ИЗ-59. Интенсивность пространственного искривления составила для обычных коронок 0, 0685 º /м, а для базированных коронок - 0, 0507 º /м, то есть снизилась на 25%.

Вторая серия базированных коронок проходила производственные испытания в Зыряновской ГРЭ ПГО «Востказгеология» в 1990 г. Производственные испытания показали высокую стабилизирующую способность базированных коронок. Интенсивность естественного искривления скважин уменьшилась в 2-3 раза.

Третья серия базированных коронок, армированных синтетическими алмазами, проходила производственные испытания также в Зыряновского ГРЭ ПГО «Востказгеология» в 1990 г. Средняя проходка на коронку составила 8 м, интенсивность пространственного искривления - 0, 015 º /м. В сопоставимых интервалах при бурении стандартными коронками интенсивность искривления составила 0, 05 º /м, т. е. в 3 раза больше, чем при бурении базированными коронками.

 

 

Коронки с эллиптической матрицей и незамкнутым торцом

 

Одним из перспективных направлений создания технических средств для снижения интенсивности естественного искривления скважин является разработка новых типов породоразрушающего инструмента.

В Иркутском государственном техническом университете (И. Н. Страбыкин, В. В. Нескоромных) разработаны коронки с эллиптической матрицей и незамкнутым торцом (Н. А Буглов).

Было предложено с целью снижения интенсивности искривления скважин при бурении снарядами со съемными керноприемниками создавать матрицы, позволяющие бурить скважины на малых (до 6 кН) осевых нагрузках.

Снижение необходимых осевых нагрузок на коронку без уменьшения удельных осевых нагрузок может достигаться разработкой оригинальных конструкций матрицы (схема размещения и крупность алмазов, состав матрицы) или сокращением площади торца коронки.

Особенностью коронки, предлагаемой для снижения интенсивности искривления, считается наличие эллиптической кольцевой формы рабочей части (рис. 11. 52, а), причем большая ось эллипса по наружному контуру равна диаметру формируемого ствола скважины, а малая ось по внутреннему - диаметру керна. Эллиптическая форма торцевой части позволяет создать коронки со сколь угодно малой площадью торца без изменения конструкции колонкового набора, поскольку при этом формируются ствол скважины и керн, имеющие обычные диаметры.

 

Рис. 11. 52. Схемы коронок неправильной формы

 

Идея использования коронки с незамкнутым торцом матрицы (рис. 11. 52, б) заключается в следующем. Несовпадение центра тяжести торца матрицы с точкой приложения осевого усилия приводит к появлению изгибающего момента, постоянно действующего по линии АВ независимо от вида движения коронки и стремящегося ориентировать след плоскости изгиба колонкового набора по этой линии.

В этом случае, когда под действием геологических или других причин колонковый набор приобретает фиксированный перекос и вращается вокруг собственной оси, он сообщает этот вид движения породоразрушающему инструменту. При использовании обычной коронки в такой ситуации происходит максимальное искривление скважины.

При вращении коронки с незамкнутым торцом в таком режиме плоскость действия изгибающего момента, обусловленного ее конструктивными особенностями, будет вращаться с частотой, задаваемой породоразрушающему инструменту станком, и стремиться задать первой      полуволне колонкового набора вращение вокруг оси скважины. Это сокращает время работы компоновки в режиме фиксированного перекоса и уменьшает интенсивность искривления скважины.

 

Коронки для регулирования искривления скважин

 

Работа балансированных коронок, созданных в Томском политехническом университете, основана на явлении поперечных эффектов, возникающих при силовом взаимодействии алмазных коронок с анизотропной породой (рис. 11. 42).

Создание коронок с разной загруженностью боковых поверхностей матрицы может достигаться несколькими способами.

Коронки могут быть изготовлены с различным числом подрезных алмазов на наружной и внутренней поверхностях матрицы. При необходимости искривления скважин влево от направления действия суммарной отклоняющей естественной силы на наружной поверхности матрицы следует устанавливать на 20-30% алмазов больше номинального количества, уменьшая на такую же величину число алмазов на внутренней поверхности. При необходимости решения противоположной задачи необходимо аналогично перегружать внутреннюю поверхность.

Этот принцип можно реализовать в заводских условиях, устанавливая расчетное число алмазов на той или иной поверхности матрицы или снимая некоторое количество алмазов каким-либо способом (например электрохимическим) в условиях геологоразведочной партии или экспедиции. Однако снимать алмазы необходимо точечно и аккуратно, не создавая дополнительной режущей способности разгруженной поверхности, которая могла бы отрицательно влиять на результаты искривления в малоабразивных породах.

Боковые поверхности матрицы можно армировать алмазами разного качества и формы. Для искривления скважины вправо следует армировать наружную поверхность матрицы овализованными или полированными алмазами, а внутреннюю поверхность - дроблеными с высокой степенью неправильности формы. Для искривления скважин влево дробленые алмазы нужно устанавливать на наружной поверхности, а овализованные и полированные - на внутренней. При этом дополнительно нагружается поверхность, армированная дроблеными алмазами, поскольку коэффициент трения возрастает с увеличением изометричности разрушающего элемента.

Для обоснования последнего тезиса рассмотрим несколько более подробно вопросы трения (микрорезания) алмазов различной формы о горную породу при бурении.

В Томском политехническом университете были проведены экспериментальные и теоретические исследования, позволившие дать рекомендации по управлению процессом искривления скважин в анизотропных породах технологическими методами, в том числе - балансированными коронками.

При бурении скважин наиболее универсальным показателем процесса взаимодействия резца с породой считается энергоемкость (в Дж/мм³), которая определяется следующим уравнением:

                               ,                                                                             (11. 64)

где N - мощность, затраченная на разрушение горной породы, Вт; S - площадь кольца разрушенной породы, мм²; v_м - механическая скорость бурения, м/с.

Коэффициент трения f можно увязать с энергоемкостью a_v процесса бурения (рис. 11. 53).

 

Рис. 11. 53. Точечные диаграммы распределения коэффициента тре­ния (f) от энергоемкости разрушения (a_v): а - для однослойных коронок; б - для импрегнированных

 

 

Проведенный корреляционный анализ подтвердил сделанное предположение. Покажем корреляционные уравнения, связывающие коэффициенты трения однослойных f_о(1, 3) и импрегнированных f_и(2, 4) коронок с энергоемкостью (рис. 11. 54),

                     ;                                                                   (11. 65)

                     .                                                                   (11. 66)

 

Рис. 11. 54. Зависимости коэффициента трения (f) от энергоемкости (a_v) процесса разрушения породы: 1 - экспериментальная для импрегнированной коронки; 2 - то же для однослойной коронки; 3 - теоретическая для импрегнированной коронки; 4 – то же для однослойной коронки

 

Уравнения более высоких порядков искать нет смысла, поскольку значения коэффициентов корреляции однослойных r_о и импрегнированных r_и коронок не очень отличаются от соответствующих корреляционных отношений h_о, h_и, что свидетельствует о наличии незначительной нелинейности в уравнениях регрессии

                   

Таким образом, с ростом энергоемкости процесса бурения коэффициент трения возрастает. Причем по абсолютной величине коэффициент трения для импрегнированных коронок выше, чем для однослойных. Темп роста коэффициента трения у импрегнированных коронок также несколько выше, чем у однослойных.

В уравнениях (11. 65), (11. 66) имеется свободный член большой величины. Причем этот член не связан непосредственно с разрушением породы. Складывается мнение, что этот член - некая начальная величина коэффициента трения, не зависящая от параметров разрушения, обусловленная наличием, в том числе, сил молекулярного взаимодействия резца и породы. Кроме того, учитывая малую величину коэффициента молекулярного трения, как это было показано А. А. Бугаевым и другими исследователями, свободный член, видимо, может включать сопротивляемость породы упругим деформациям, не приводящим к разрушению горной породы и углубке коронки.

Этот свободный член, как показали эксперименты, имеется всегда и значение его находится на уровне 0, 1. Еще не удавалось получить коэффициент трения, равный, допустим, 0, 05 или 0, 07, даже при самых малых затратах мощности. Он всегда больше 0, 1. Видимо этот порог существует объективно.

Другой же член уравнения непосредственно связан с разрушением породы, т. е. ее резанием, смятием, скалыванием, упругим и пластическим деформированием. Его значение определяется соотношением усилий, затраченных на проворачивание вдавленного резца и на это вдавливание.

Для практического определения и прогнозирования величины коэффициента трения необходимо установить его связь со свойствами горных пород и параметрами режима бурения. Эта задача была решена опосредованно через энергозатраты на разрушение горной породы.

Энергоемкость процесса разрушения (в Дж/мм³) теоретически может быть записана следующим образом (по И. А. Нейштетеру)

                      ,                                                                    (11. 67)

где С₀ - нагрузка, даН; n - частота вращения, мин^-1; D_ср - средний диаметр коронки, мм; v_м - механическая скорость бурения, м/ч.

Проведенный анализ показал, что характер зависимости энергоемкости от режимных параметров значительно отличается в породах средней твердости и в твердых породах. Поэтому искомые зависимости механической скорости определялись для пород средней твердости (Н < 3500 МПа) и твердых (Н > 3500 МПа) отдельно, а также отдельно для однослойных и импрегнированных коронок.

Проведенные статистические исследования позволили получить следующие уравнения для расчета энергоемкости процесса бурения:

                   ;                                                                 (11. 68)

                   ;                                                                 (11. 69)

                   ;                                                                 (11. 70)

                   ,                                                                 (11. 71)

где  - энергоемкость при бурении пород средней твердости импрегнированной коронкой; С₀ - нагрузка на коронку, даН; Н ‑ твердость породы, даН/мм²; D_ср - средний диаметр коронки, мм; n - частота вращения, мин^-1; - энергоемкость при бурении твердых пород импрегнированной коронкой;  - энергоемкость при бурении пород средней твердости однослойной коронкой;  - энергоемкость при бурении твердых пород однослойной коронкой.

Наличие уравнений (11. 68) - (11. 71) и (11. 65), (11. 66) позволило рассчитать коэффициенты трения для разных параметров режима бурения скважин однослойными и импрегнированными коронками диаметром 76 м в твердых породах (Н = 5000 МПа). Эти зависимости приведены на рис. 11. 55.

 

 

Рис. 11. 55. Зависимости коэффициента трения (f) от частоты враще­ния (n) и осевой нагрузки (C₀) для однослойных (а, б) и импрегнированных (в, г) коронок: а, в - C₀ = 500 (1), 1000 (2), 1500 даН (3); б, г - n = 100 (1), 500 (2), 1000 мин^-1 (3)

 

Приведенные уравнения (11. 68) - (11. 71) и графики (рис. 11. 55) дают возможность проиллюстрировать следующее:

1. С ростом осевой нагрузки на резец коэффициент трения увеличивается. Акцентируем внимание на том, что увеличивается не сила трения, а коэффициент трения. Мы объясняем это тем, что чем больше осевая нагрузка на резец, тем больше его заглубление в породу. При этом у всех кривогранных кругловершинных образований, к которым относятся алмазы, прирост горизонтальной проекции заглубленной части меньше, чем соответствующий прирост вертикальной проекции.

2. С ростом частоты вращения коэффициент трения снижается. Это объясняется тем, что с ростом частоты вращения снижаются затраты на вторичную упругую деформацию отдельных элементов горной породы, так как они не успевают восстановить свою форму, поэтому суммарные затраты на срез уменьшаются. Эта мысль отмечалась в свое время в работе И. А. Остроушко, а именно: «Могут быть такие скорости смещения, при которых упругие деформации неровностей не будут успевать разряжаться полностью и в этом случае затраты работы на трение и износ должны быть ниже». Кроме того, при повышении скорости резания уменьшаются затраты на пластические деформации и уменьшается количество выделяемой теплоты. Все это приводит к уменьшению энергоемкости процесса разрушения породы и снижению коэффициента трения.

3. У импрегнированных коронок коэффициент трения о горную породу выше, чем у однослойных, поскольку они армируются дроблеными алмазами, которые при равных условиях внедряются в породу на большую глубину, чем овализованные алмазы однослойных коронок.

Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили объяснить некоторые спорные моменты процесса трения алмазного инструмента о горную породу, создать методику расчета коэффициента трения и наметить пути управления этой величиной при изменении параметров режима бурения и формы алмазного зерна

Возможны и другие способы перегрузки той или иной боковой поверхности, в том числе за счет создания матриц с разными по износостойкости боковыми поверхностями и разным выходом подрезных алмазов.

Производственные испытания балансированных алмазных коронок проводились в Шалымской ГРЭ ПГО «Запсибгеология» и в Зыряновской ГРЭ ПГО «Востказгеология». Всего было изготовлено две опытных серии балансированных коронок (60 шт. ). Первая серия алмазных коронок диаметром 76 мм (30 шт. ) была изготовлена на Кабардино-Балкарском заводе, а балансировка их была проведена в Томском политехническом институте. С этой целью электромеханическим способом были обнажены боковые поверхности матриц коронок, пересчитаны подрезные алмазы на наружной и внутренней поверхностях. При этом было обнаружено большое разнообразие в характере армирования коронок подрезными алмазами как по количеству алмазов, так и по их расположению. Из этой серии коронок была отобрана группа, имеющая большее число алмазов на наружной боковой поверхности, которая предназначалась для левого искривления скважин и была индексирована буквой «Л» (левые).

Коронки, имеющие примерно одинаковое число алмазов на внутренней и наружной поверхностях, предназначались для стабилизации скважин по азимуту, им был присвоен индекс «С» (стабилизирующие).

У части коронок электромеханическим способом в шахматном порядке были удалены 30-50% подрезных алмазов с наружной поверхности. Эти коронки предназначались для искривления скважин по азимуту вправо. Им был присвоен индекс «П» (правые).

Вторая серия балансированных коронок (30 шт. ) была изготовлена из естественных алмазов по специальному заказу на ЭЗТАБ ВПО «Союзгеотехника». В зависимости от особенностей армирования коронки индексировались К(1, 2, 3) И3Н(С, П, Л). При этом в зависимости от номера конструкции (1, 2 или 3) боковые поверхности матрицы оснащались либо алмазами одного качества (К1) или разного качества (К2 и К3). При этом использовались алмазы овализованные (ОВ) или дробленые (ДР).

Дробленые алмазы, имеющие большую режущую способность, размещались на поверхности матрицы, вооруженной большим числом алмазов, либо на одной из поверхностей при равном их вооружении по количеству алмазов для проверки гипотезы о возможности управления азимутальным искривлением за счет изменения только режущей способности подрезных алмазов.

Производственные испытания балансированных коронок первой серии проводились на скв. 678, 680, 681 Таштагольской ГРП Шалымской ГРЭ ПГО «Запсибгеология» в 1989 г. На скважине 678 использовались коронки типа «П» с большим числом алмазов на внутренней поверхности матрицы, предназначенные для искривления скважин по азимуту вправо или для снижения интенсивности левого искривления.

Коронки применялись в интервале 1473-1508 м и задачу выполнили. Азимут изменился от 47 до 52°. Интенсивность при этом составила + 0, 14 °/м. По ближайшей соседней скважине 667 интенсивность искривления в интервале 1400-1500 м составила 0 °/м, т. е. скважина по азимуту не искривлялась, а в интервале 1500-1600 м составила 0, 005 °/м, что примерно в 40 раз меньше достигнутой при бурении балансированными коронками интенсивности искривлений. Таким образом, можно считать на скважина 678 задачу выполненной.

На скважине 680 испытывались коронки с увеличенной вооруженностью наружной поверхности (индекс «Л»), предназначенные для искривления скважин влево по азимуту, и коронки с одинаковой вооруженностью боковых поверхностей матриц (индекс «С»), предназначенные для стабилизации скважин по азимуту. Коронки применялись в интервале 1017-1081 м. Азимут при этом был уменьшен от 28 до 25°. Причем наиболее интенсивно скважины искривлялись влево в интервале 1017-1056 м, где применялись только коронки с индексом «Л». Интенсивность азимутального искривления при этом составила 0, 325 °/м при зенитных углах 13-14°. Таким образом, можно считать задачу выполненной и на скважине 680.

На скважине 681 использовались коронки с индексом «Л» в интервале 312-390 м, но скважина искривилась по азимуту вправо с интенсивностью 0, 088 °/м при среднем зенитном угле 15, 5°. Однако соседняя скв. 677 на такой же глубине в интервале 310-390 м имела интенсивность правого искривления 0, 125 °/м, т. е. в 1, 4 раза выше при несколько больших средних зенитных углах 17, 5°. Таким образом, предполагаемый эффект, на котором основывается принцип действия балансированных коронок, проявился и здесь.

Производственные испытания балансированных алмазных коронок второй серии проводились на скважине 5320 Зыряновской ГРЭ ПГО «Востказгеология» в 1990 г. Скважина 5320 интенсивно искривлялась влево, причем с ростом глубины скважины интенсивность искривления увеличивалась. Для снижения интенсивности левого искривления применялись балансированные коронки типа К1ИЗНП. Бурение осуществлялось в интервалах 558-562 и 571-622 м в породах IХ-ХI категорий по буримости. Средняя проходка на коронку составляла 11 м. В качестве базы сравнения приняты интервалы 470-555 и 625-800 м этой же скважины, находящиеся выше и ниже интервалов бурения экспериментальными коронками.

Анализ замеров искривления показал, что в интервалах бурения серийными коронками интенсивность азимутального искривления влево составляла 0, 18 и 0, 20 °/м. При бурении же балансированными коронками, предназначенными для снижения интенсивности левого искривления, интенсивность левого искривления действительно снизилась в интервале 555-587 м до 0, 09 °/м, т. е. в 2 раза, а в интервале 587-625 м азимутальное искривление отсутствовало вообще, т. е. правое искривление было сведено до нуля.

Различие результатов экспериментального бурения в интервалах 558-562 и 571-622 м объясняется тем, что в верхнем интервале интенсивность зенитного искривления составляла 0, 06 °/м, а в нижнем интервале 0, 12 °/м, т. е. эффекты поперечного взаимодействия коронок с породой проявлялись в нижнем интервале лучше и коронки работали более эффективно, что полностью соответствует теоретическим предположениям.

 

Коронки специальной геометрии для регулирования искривления скважин

 

Коронки специальной геометрии, предложенные Ю. Л. Боярко, предназначены для пространственного искривления скважин в анизотропных породах. Ориентация снаряда при их применении не требуется, однако предварительно надо определять величину и направление вектора анизотропии горных пород.

Если рабочую поверхность коронки выполнить таким образом, чтобы рабочие поверхности режущих элементов образовали внутренний или наружный конус, тогда при пересечении анизотропных горных пород под острым углом к оси снаряда будет происходить неравномерное разрушение пород забоя (рис. 11. 56).

Режущие элементы коронок с внутренней рабочей поверхностью, проходящие перпендикулярно сланцеватости или близко к этому, встречают меньшее сопротивление, чем проходящие параллельно сланцеватости. В результате этого возникают неравные реакции N₁ и N₂, перпендикулярные рабочим поверхностям, причем N₁ > N₂.

 

Рис. 11. 56. Схема искусственного искривления скважин коронками специальной геометрии

 

 

Силы F₁ и F₂ препятствуют скольжению рабочих поверхностей по горной породе. Для того чтобы при работе породоразрушающего инструмента происходило разрушение горной породы в направлении действия нормальных составляющих N₁ и N₂, необходимо, чтобы силы F₁ и F₂ по своей величине превосходили или были равны соответствующим силам трения рабочих элементов по горной породе, т. е.

      

Сила трения

       ,                                                                                               (11. 72)

где j - угол трения (здесь и далее терминология Ю. Л. Боярко) породоразрушающего инструмента по горной породе.

Поэтому угол наклона рабочей поверхности к оси породоразрушающего инструмента необходимо брать равным 90°± j. Отсюда касательные силы F₁ и F₂ определяются из следующих выражений:

       ;                                                                                               (11. 73)

       .                                                                                               (11. 74)

Результирующие рассмотренных сил реакции пород W₁ и W₂, в общем случае, направлены под острым углом к оси бурового инструмента. В свою очередь, их можно разложить на силы R₁ и R₂, направленные по оси снаряда и перпендикулярные к этой оси, T₁ и T₂. Приведение этих сил к точке 0 дает осевую реакцию R, опрокидывающий момент М и сдвигающую силу Т.

В связи с этим происходит поворот бурового снаряда вокруг точки 0. Причем реакция R в этом процессе не участвует. Опрокидывающий момент М отклоняет верхнюю часть инструмента от оси скважины, а радиальная сила Т уводит от оси нижнюю часть. Эти совместные усилия направляют буровой снаряд в направлении восстания плоскости сланцеватости, если коронка имеет внутренний конус, наклоненный под углом 90°+ j к оси инструмента (рис. 11. 56, a).

Чтобы скважина могла искривляться в сторону падения плоскости сланцеватости, необходимо применить коронки с внешней конической рабочей поверхностью с углом наклона образующей к оси инструмента 90°- j. В этом случае на режущих элементах возникают неравные реакции N₁ и N₂, перпендикулярные к рабочей поверхности, и F₁ и F₂, параллельные ей. Силы реакции забоя R₁ и R₂ имеют направление, параллельное оси бурового инструмента, и, приведенные к точке 0, дают осевую силу реакции R и опрокидывающий момент М (рис. 11. 56, б).

Таким образом, породоразрушающий инструмент, имеющий угол наклона образующей рабочей поверхности 90°± j, может быть применен для направленного бурения скважин в анизотропных горных породах. Значения угла j для разных групп пород приведены в табл. 11. 12.

Таблица 11. 12

Угол скоса торца коронок (в градусах) специальной геометрии

 

Горные породы	Тип коронки
	Твердосплавная	Алмазная
Осадочные Изверженные Метаморфические

 

Производственные испытания коронок специальной геометрии типов СГКН с наружным конусом и СГКВ с внутренним конусом проводились в 1979 г. в Тишинской и Гусляковской геологоразведочных партиях Лениногорской ГРЭ. Всего было использовано для искривления сква

⇐ Предыдущая234567891011

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: