СПОСОБ БУРЕНИЯ СКВАЖИН
METHOD OF BOREHOLE DRILLING

Способ бурения скважин относится к горному делу и предназначен для бурения скважин забойными машинами ударного действия в режиме вращательно-ударного или ударно-вращательного бурения.
Известен способ бурения скважин, включающий вращение бурового инструмента, передачу на торец бурового инструмента осевой нагрузки и центральных (с совпадением центров сечения ударника и бурового инструмента) ударных импульсов забойной машиной ударного действия (Нескоромных В.В. Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ: учебное пособие - Иркутск: изд-во ИрГТУ, 2008 г., стр.245-250).
Недостатком аналога является низкая эффективность бурения скважин вследствие повышенных затрат мощности на интенсификацию разрушения горной породы и затрат на работы, связанные с устранением естественного искривления скважины при бурении.
За прототип принят способ бурения скважин, реализуемый при работе устройства для направленного бурения (Патент РФ №2039185. Устройство для направленного бурения ударно-вращательным способом. Опубл. в БИ №19, 09.07.95 г., авторы: Федоров В.В., Липин Л.Л., Нескоромных В.В., Костин Ю.С.). При реализации данного способа обеспечивается вращение бурового инструмента и его нагружение осевым усилием, а также внецентренными ударными импульсами, т.е удары наносятся но верхнему торцу инструмента (наковальне) с не совпадением центра ударника с геометрическим центром верхнего торца инструмента, а с некоторым эксцентриситетом.
При этом, согласно описанию к патенту №2039185, внецентренные ударные импульсы по вращающемуся буровому инструменту наносятся самоориентирующимся ударником забойной машины таким образом, что к забою скважины ударные импульсы передаются строго в одной заданной плоскости, что обеспечивает интенсивное искривление скважины в заданном направлении. Таким образом, способ бурения, реализуемый устройством согласно патента №2039185, обеспечивает преднамеренное искривление скважины и не может применяться в качестве способа бурения скважин, искривление которых не планируется.
Недостатком прототипа является низкая эффективность вследствие искривления скважины при бурении.
Целью изобретения является повышение эффективности бурения скважин в режиме ударно-вращательного и вращательно-ударного бурения за счет повышения скорости бурения и снижения искривления скважин.
Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что при реализации способа бурения, когда наряду с вращением бурового инструмента и созданием осевого усилия на инструмент, внецентренные ударные импульсы передаются буровому инструменту в процессе его вращения равномерно по периметру забоя скважины. Т.е. удары наносятся по верхнему торцу инструмента в одной плоскости, но при вращении колонны и инструмента передаются на забой скважины равномерно по периметру забоя. При этом для исключения искривления скважины внецентренные удары по забою должны наноситься равномерно по периметру, что может быть обеспечено только в том случае, если соотношение частоты ударов по забою Δ и частоты вращения инструмента ω будет равно или более 2. Только при соотношении Δ/ω≥2 могут быть нанесены диаметрально противоположные внецентренные удары, компенсирующие перекос забоя.
Например, если инструмент имеет частоту вращения ω=300 оборотов в минуту, а частота нанесения ударных импульсов Δ=1500 ударов в минуту, то на забой будет передано равномерно 5 ударных импульса через 72 градуса (весь периметр занимает 360 градусов центрального угла) периметра забоя скважины. Если частоту вращения инструмента ω увеличить до 750, то соотношение Δ/ω≥2 и между ударами будет 180°, т.е. внецентренные удары будут выполнены за один оборот вращения в диаметрально противоположных точках забоя скважины. При такой равномерной по периметру схеме нанесения ударов обеспечивается рост объема разрушения горной породы, но перекоса забоя скважины не наблюдается. В результате повышение объема разрушенной породы приводит к повышению скорости бурения скважины, а внецентренные удары, наносимые равномерно по периметру забоя скважины не только не создают условий для преднамеренного искривления скважины, но и обеспечивают существенное снижение возможного естественного искривления ствола скважины, буримого, например, в анизотропных горных породах.
Отличием предлагаемого изобретения от прототипа является то, что внецентренные ударные импульсы от бурового инструмента передаются равномерно по периметру забоя буримой скважины, а соотношение Δ/ω обеспечивается равным или более 2, что доказывает соответствие заявляемого технического решения критерию «новизна».
При внецентренном ударе обеспечивается повышение глубины лунок разрушения на забое скважины со стороны точки приложения удара, смещенной от геометрического центра торца инструмента. При этом форма лунок разрушения также меняется, вместо округлых в плане лунок разрушения, они становятся овальными. Различная глубина лунок разрушения приводит к некоторому мгновенному перекосу забоя скважины, но поскольку внецентренные ударные импульсы наносятся равномерно по периметру забоя, какого-либо результирующего перекоса забоя скважины не наблюдается, а искривление ствола скважины отсутствует. Более того, внецентренное приложение ударных импульсов исключает фиксированный перекос бурового инструмента на забое, что исключает и искривление ствола скважины в направлении перекоса бурового инструмента.
Данное обстоятельство связано со следующим. При нанесении внецентренного удара буровой инструмент внедряется в породу с некоторым перекосом. При этом резцы со стороны приложения внецентренного удара внедряются в породу на большую глубину, а на диаметрально противоположной стороне торца - на меньшую глубину. В результате неравномерного внедрения резцов центр мгновенного вращения бурового инструмента смещается из геометрического центра бурового инструмента в направлении приложения внецентренного удара, что исключает ориентированное вращение перекошенного бурового инструмента и устраняет мгновенное искривление ствола скважины. Таким образом, при каждом внецентренном ударе реализуется более значительный объем разрушения горной породы на забое и исключается ориентированное вращение перекошенного бурового инструмента, вызывающего искривление скважины. Очевидно, что эффективность реализации способа внецентренным равномерным нанесением ударов по периметру забоя буримой скважины будет возрастать по мере повышения числа внецентренных ударов за период одного оборота инструмента на забое, т.е. при Δ/ω≥2.
Сопоставительный анализ показывает, что из уровня техники не следует очевидность заявляемого технического решения, что доказывает соответствие заявляемого способа бурения критерию «изобретательский уровень».
Сущность предлагаемого способа бурения поясняется графически.
На фиг.1 показан вариант бурения забойной машиной с реализацией центральных ударов со стороны ударника по инструменту и схема забоя скважины при реализации центрального удара.
На фиг.2 показан вариант способа бурения с приложением внецентренных ударов со стороны ударника по инструменту, схема забоя скважины при реализации внецентренного удара по забою.
Заявляемый способ бурения реализуется следующим образом.
Бурение с применением забойной машины ударного действия осуществляется под действием передаваемого на буровой инструмент осевого усилия и крутящего момента для вращения бурового снаряда, а также за счет энергии ударного импульса. При нейтральном приложении удара (фиг.1) ударник 1 забойной машины наносит центральный удар (эксцентриситет между ударником 1 и породоразрушающим инструментом 2 равен нулю) по верхнему торцу инструмента 2. В результате центрального удара породоразрушающие элементы 3 внедряются в породу на равную глубину, осуществляя углубку и формируя забой скважины. В случае реализации способа бурения с приложением центрального удара для увеличения скорости углубки скважины следует увеличить энергию ударного импульса, что достигается, например, за счет повышения давления циркулирующего через ударную машину очистного агента - воздуха (бурение пневмоударником) или воды (бурение гидроударником), что обеспечит рост скорости перемещения ударника 1 и в результате повысит энергию удара. В результате повышения давления очистного агента в системе «скважина-забойная машина ударного действия» рост скорости бурения будет сопровождаться ростом затрат мощности на бурение скважины, что не является эффективным, т.к. это потребует дополнительных затрат средств на бурение.
В случае бурения слоистых, сланцеватых и других горных пород, характеризующихся анизотропией прочностных свойств, при бурении будет происходить искривление скважины. Механизм искривления скважины определяется тем, что вследствие действия осевого усилия на инструмент и отклоняющих сил происходит фиксированный перекос бурового инструмента и формируется искривленный ствол скважины в направлении перекоса инструмента. При этом, в случае реализации центрального удара, буровой инструмент вращается вокруг геометрического центра (точка О на фиг.1 - вид со стороны забоя), осуществляя интенсивный набор кривизны в направлении перекоса инструмента.
При реализации заявленного способа бурения удары ударником 1 по верхнему торцу инструмента 2 наносятся с некоторым эксцентриситетом (фиг.2). В результате внецентренного удара породоразрушающие элементы 3 (фиг.2) внедряются в забой на различную глубину, формируя одномоментно забой с некоторым углом наклона. Поскольку внецентренные удары по забою наносятся равномерно по периметру забоя скважины, а согласно изобретения соотношение частоты ударов Δ по забою к частоте вращения бурового инструмента не может быть менее чем 2, то одномоментный угол устраняется при каждом последующем внецентренном ударе породоразрушающих элементов 3 о забой и скважина углубляется без отклонения от заданного направления. Внецентренные ударные импульсы обеспечивают некоторый рост объема разрушения горной породы и повышение производительности бурения без повышения энергии удара, т.е. без дополнительных затрат мощности на бурение. В то же время внецентренное приложение ударов по забою скважины, вследствие неравномерного заглубления породоразрушающих элементов 3 в породу, вызывает смещение мгновенного центра вращения породоразрушающего инструмента 2 из геометрического центра в сторону вновь образованного центра тяжести (фиг.2 - вид со стороны забоя), что исключает ориентированный заданный отклоняющими силами перекос инструмента и возможное искривление ствола скважины.
Таким образом, реализованный в промышленности способ бурения скважин позволяет повысить эффективность бурения за счет повышения скорости бурения и снижения искривления скважин.