Технические средства и способы регулирования кривизны стволов скважины в анизотропных породах Пограничного флюоритового месторождения

Технологии разведки и разработки полезных ископаемых

УДК 622.243.272

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ КРИВИЗНЫ СТВОЛОВ СКВАЖИНЫ В АНИЗОТРОПНЫХ ПОРОДАХ ПОГРАНИЧНОГО ФЛЮОРИТОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

1 2 3

Н.А. Буглов , А.В. Карпиков , П.С. Гриб

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Представлены результаты производственных испытаний технических средств и способов регулирования кривизны стволов скважины в анизотропных породах. Проведен сравнительный анализ и расчет удельного экономического эффекта использования технических средств и способов регулирования кривизны стволов скважины.

Библиогр. 3 назв. Ил. 2. Табл. 3.

Ключевые слова: скважина; искривление; анизотропия; алмазное бурение.

ENGINEERING FACILITIES AND METHODS TO REGULATE BOREHOLE CURVATURE IN ANISOTROPIC ROCKS OF BOUNDARY FLUORITE FIELD

N.A. Buglov, A.V. Karpikov, P.S. Grib

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St. Irkutsk, Russia, 664074.

The paper presents production test results of engineering facilities and methods to regulate borehole curvature in anisotropic rocks. The comparative analysis and calculation of the specific economic effect of using engineering equipment and methods to regulate the borehole curvature are carried out.

3 sources. 2 figures. 3 tables.

Key words: borehole; curvature; anisotropy; diamond drilling.

Пограничное флюоритовое месторождение, расположенное на юго-западе Приморского края, является одним из крупнейших в мире и служит минерально-сырьевой базой ОАО «Ярославский ГОК». В настоящее время, его эксплуатационные запасы составляют 51 млн т руды, которые могут обес-

печить работу предприятия в течение более 50 лет, а с точки зрения характера и объема имеют стратегическое для страны значение.

Доразведкой нижних горизонтов месторождения занималась Артемов-ская ГРЭ ГГП «Приморгеология». Проектом предусматривалось на данном

:Буглов Николай Александрович, кандидат технических наук, проректор по учебной работе, тел.: (3952) 405090, e-mail:burenie@istu.edu

Buglov Nikolai, Candidate of technical sciences, Pro-Rector for Academic Affairs, tel.: (3952) 405090, email: dis@istu.edu

2Карпиков Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405090, e-mail: burenie@istu.edu

Karpikov Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel.: (3952) 405090, e-mail: burenie@istu.edu

3Гриб Петр Сергеевич, старший преподаватель кафедры нефтегазового дела, тел..: (3952) 405090,e-mail: burenie@istu.edu

Grib Petr, Senior Lecturer of the Department of Oil and Gas Business, tel.: (3952) 405090, e-mail: bu-renie@istu.edu

объекте пробурить 82 скважины средней глубиной 620 м. При этом плотность разведочной сети составляла 80x40 м и 100x50 м, а допустимые отклонения забоев их стволов в плане рудного тела не должны были выходить за пределы коридоров, соответственно равных - 40x20 м и 50x25 м.

Геологический разрез месторождения был представлен крутопадающими, часто перемежающимися, в различной степени трещиноватыми породами УШ-Х1 категории по буримости: пор-фиритами, грейзенами, известняками, брекчиями, гранитами, флюоритовыми рудами и анизотропными сланцами.

Проходка скважин производилась станками ЗИФ-650М с использованием комплексов КССК-76 при следующих параметрах режимов бурения: п=254-576 мин-1; Р=1500-2200 даН; 0=20-40 л/мин.

В качестве породоразрушающего инструмента применялись серийные алмазные коронки К-16, 17 А4, К-40 и К-45.

Промывка скважин при работе с комплексами КССК-76 осуществлялась эмульсионным глинистым раствором на основе омыленного талового пека, ги-пана, КМЦ и глины (не более 5%).

Анализ результатов эксплуатации снарядов со съемными керноприемни-ками на стадии изучения верхней части месторождения показал, что принятая методика разведки его нижних горизонтов предусматривает значительный объем буровых работ с довольно жесткими требованиями к направленности глубоких скважин в очень тяжелых, с точки зрения получения высоких технико-экономических показателей, горногеологических условиях, обусловленных прежде всего:

1. Высокой интенсивностью естественного искривления их стволов по полному углу (4-15 градус/100 м) в интервалах, представленных анизотропными сланцами различного состава, мощность которых изменялась от 20 до 400 м.

2. Малой длиной цикла при бурении в трещиноватых породах и анизотропных сланцах по причине постоянного самоподклинивания керна, разрушающегося в колонковом наборе по плоскости сланцеватости, расположенной под углом от 30° до 80° к оси скважины.

3. Низкой механической скоростью бурения вследствие:

- частого чередования отличающихся по буримости трещиноватых пород;

- малой мощности двигателя станка ЗИФ-650М, не позволяющей реализовать высокие частоты вращения бурильного инструмента до конечной глубины даже естественно искривленной скважины.

Использование комплексов КССК-76 при бурении поисковых скважин показало их высокую эффективность по сравнению с обычным снарядом. Так, при средней глубине скважины 430 м коммерческая скорость при применении снарядов со съемными керноприемни-ками составляла 302 м/месяц против 181 м/месяц при эксплуатации бурильного вала СБТМ-50.

Однако в дальнейшем, в связи с изменением стадии разведки месторождения, повлекшей за собой более жесткий контроль за пространственным положением скважин, коммерческие скорости бурения данными снарядами снизились до 198 м/месяц из-за существенного роста непроизводительных затрат времени, обусловленного в первую очередь значительным количеством постановок отклонителей.

С целью уменьшения объемов искусственного искривления нами были проанализированы материалы инкли-нометрической съемки 24 ранее пробуренных поисковых скважин комплексами КССК-76 на предмет возможности построения их надежной типовой трассы как для всего месторождения, так и для его отдельных профилей.

Результаты этих исследований показали, что использование закономер-

ностей естественного искривления при определении расчетной точки заложения скважин не гарантирует во всех случаях их проходку по типовым профилям без постановок отклонителей из-за очень большого стандарта, превышающего по абсолютному значению на некоторых интервалах в несколько раз средние значения изменений зенитного и азимутального углов.

Данный разброс величин проекций кривизны осей скважин как на вертикальную, так и на горизонтальную плоскости на одних и тех же глубинах обуславливался главным образом невыдержанностью структурно-текстурных геологических элементов месторождения и прежде всего наличием или отсутствием анизотропных сланцев, в которых интенсивность естественного искривления стволов выработок была в 410 раз выше, чем в остальных горных породах.

На основании изложенных выше фактах нами с целью максимально возможного снижения постановок откло-нителей, была предложена комплексная методика проводки скважин в заданную область рудного тела, которая включала в себя, во-первых, использование закономерностей естественного искривления при определении на плане конкретного участка месторождения точки их заложения и во-вторых, проведение на основе данных инклинометрических измерений оперативного контроля за положением забоя выработок в пространстве и управление их фактическими траекториями путем широкого применения технических средств и способов регулирования кривизны стволов скважин в анизотропных породах.

В качестве последних на объекте работ использовались:

1. Способ управления интенсивностью естественного искривления, базирующийся на регулировании значения осевого усилия на породоразрушающем инструменте. Так, для её развития нагрузка на алмазную коронку увеличивалась с 1500-1700 до 2200-2600 даН, а

для уменьшения снижалась до 700-800 даН. При этом, в 80% случаев решение задач по управлению направлением стволов скважин осуществлялось путем реализации последнего варианта данного способа.

2. Жесткая компоновка ЖСК-76 конструкции ОМПНТ ГГП «Примор-геология», включающая в себя: алмазную коронку; надкороночный твердосплавный центратор; семигранную наружную колонковую трубу диаметром, равным диаметру скважины; твердосплавный центратор с алмазным расширителем; колонковую трубу комплекса КССК-76; три последовательно соединенных переходника комплекса КССК-76, наружная поверхность которых покрыта износостойким материалом (релит, сормайт и т.д.).

Полная её сборка и регулирование осуществлялись непосредственно на буровой перед началом применения.

Прямолинейность компоновки проверялась на специальных роликах индикатором часового типа. При этом на полной длине снаряда, согласно инструкции по его применению, биение должно было быть не более 4 мм. Если это условие соблюдалось, то он запускался в эксплуатацию.

Параметры режимов бурения при использовании ЖСК-76 были следующими: п=340-460 мин-1; Р=1000-1200 даН.

Жесткая компоновка снималась с работы при износе твердосплавных центраторов по диаметру на 0,4-0,5 мм. Её средний ресурс в горногеологических условиях Пограничного месторождения составлял 100 м.

3. Центрированный колонковый набор комплекса КССК-76Ц, предложенный сотрудниками ИрГТУ (рис.1), который отличался от стандартного тем, что его наружная поверхность была армирована по определенной схеме вставками твесала, закрепленными посредством пайки в профрезированных пазах и выступающими за пределы трубы на 1,5 мм.

А - А

Л

II

1. Бурильная труба

2. Переходник Ъ. Центратор

4. Колонковая труба

5. Расширитель

6. Алмазная коронка

7. В ставки тв ее ала

Рис. 1. Схема центрированного колонкового набора КССК-76Ц

Всего было изготовлено и отработано 15 снарядов данной конструкции. В процессе их использования параметры режимов бурения не отличались от базовых, принятых на месторождении для комплекса КССК-76.

Колонковые наборы КССК-76Ц снимались с эксплуатации при износе вставок твесала по диаметру на 0,3-0,4 мм. Их средний ресурс в горно-

геологических условиях Пограничного месторождения составил 90 м.

4. Профилированный центрированный колонковый набор КССК-76П, предложенный сотрудниками ИрГТУ (рис. 2), который представлял собой стандартную колонковую трубу, обжатую на прессе в специальной оснастке до эллипсовидной формы поперечного сечения с осями 76 и 70 мм. С целью увеличения срока службы как стабили-

Рис. 2. Схема профилированного центрированного колонкового набора КССК-76П

А - А

Б-Б

1. Бурильная груба

2. Переходник

3. Центратор

4. Профилированная =солонк:озая гру&а КССК-^б

5. Расширитель

6. Атмазная коронка

7. Всгазки гзесала

зирующего технического средства по длинной оси он был с обеих сторон армирован по определенной схеме вставками твесала, запаянными в профрези-рованные канавки в уровень с наружной поверхностью компоновки.

Всего было изготовлено и отработано 6 снарядов данной конструкции.

В процессе их использования параметры режимов бурения также не отличались от базовых, принятых на месторождении для комплекса КССК-76.

Колонковый набор КССК-76П как стабилизирующее техническое средство снимался с эксплуатации при износе в плоскости большей оси на 1,3 мм, который он приобретал в среднем после 150 м проходки скважин.

5. Компоновка нижней части бурильной колонны, включающая в себя колонковый набор КССК-76 длиной 3,0 м, две УБТ-73 и бурильный вал СБТМ-50/42. Основной целью ее применения являлось уменьшение отклоняющего

усилия на подрезных алмазах коронки, обусловленного действием технико-технологических факторов.

При использовании данных компоновок параметры режимов бурения также не отличались от базовых, принятых на месторождении для комплекса КССК-76.

Для максимально возможного снижения затрат времени на СПО эксплуатировались они, главным образом, в верхних интервалах скважин (до 150 м), представленных сланцами.

6. Способ направленного бурения [1], основанный на применении несимметричных алмазных коронок, с помощью которого на месторождении успешно решались задачи по снижению или развитию интенсивности естественного искривления скважин. При этом, в 82% случаев целью его реализации являлось уменьшение кривизны стволов выработок на интервалах длины в20-180 м.

Величина эксцентриситета поро-доразрушающего инструмента (для полной стабилизации направления скважины) в рассматриваемых технико-технологических условиях должна была равняться 2,23-2,89 см, для достижения которой необходимо было удалить значительную часть его объемного вооружения (от 50 до 68%). Это, в свою очередь, вызвало большое психологическое сопротивление со стороны технологических служб ГГП «Приморгеология» и Артемовской ГРЭ, считавших, что внедрение данных рекомендаций в практику буровых работ на месторождении приведет к резкому снижению ресурса модернизированных алмазных коронок или вообще к невозможности их эксплуатации.

Для устранения изложенных выше опасений нами в дальнейшем при решении задач по управлению интенсивностью естественного искривления скважин использовался серийный породо-разрушающий инструмент комплекса КССК-76, у которого отсутствовало 2

сектора (33% объемного вооружения), что обеспечивало ему величину эксцентриситета равную 1,6 см.

Осевое усилие на несимметричную коронку по сравнению с базовой в процессе бурения уменьшалось на 30% (до 1000-1300 даН) с целью поддержания равенства удельных нагрузок на их объемные алмазы.

Анализ технических показателей использования перечисленных выше компоновок и способов снижения кривизны на Пограничном флюоритовом месторождении показывает (табл. 1), что предложенный способ [1] по сравнению с базовым объектом (колонковым набором КССК-76 со стандартной алмазной коронкой) позволяет:

- увеличить в 1,31 раза механическую скорость бурения и в 1,12 раза ресурс породоразрушающего инструмента;

- повысить на 54% длину цикла;

- уменьшить в 4,06 раза интенсивность естественного искривления.

В случаях, когда требовалось решать задачу, обратную стабилизации направления скважин, применение несимметричных коронок по рекомендуемой нами технологии позволило в 36 раз усиливать выполаживание их стволов.

Фактические и необходимые объемы эксплуатации перечисленных выше технических средств и способов снижения кривизны скважин приведены в табл. 2, из которой видно, что первые являются достаточными и надежными для подтверждения индивидуальной стабилизирующей способности в рассматриваемых условиях как при 1доп=1,96, так при 1доп=2,56 (кроме УБТР-73 + колонковый набор КССК-76) [2].

Удельный экономический эффект от их использования, рассчитанный по предложенной нами методике [3], представлен в табл. 3, из которой видно, что предложенный способ уменьшения интенсивности естественного искривления

Таблица 1

Технические показатели использования компоновок и способов снижения интенсивности естественного искривления на Пограничном месторождении*

№ Техническое сред- Средняя Сред- Ресурс Стои- Ре- Интенсив- Стабили-

п/п ство (способ) сниже- механиче- няя алмаз- мость сурс ность зирую-

ния интенсивности ская ско- углубка ной компо- ком- естествен- щая спо-

естественного ис- рость бу- за цикл, корон- новки, по- ного ис- собность

кривления скважин рения, м/ч м ки, м руб новки, м кривления, град/100 м

1 Колонковый набор КССК-76 1,64 1,30 20,2 609 150 6,5 -

2 Использование технологических методов (уменьшение осевого усилия в два раза) 0,75 1,30 13,5 609 150 3,3 1,97

3 Жесткие компоновки КССК-76ЖСК 1,45 1,50 20,2 880 100 2,4 2,70

4 Центрированные колонковые трубы КССК-76Ц 1,50 1,65 20,2 720 90 1,6 4,06

5 Профилированные центрированные колонковые трубы КССК-76П 1,65 1,65 20,2 640 150 3,9 1,66

6 Несимметричные алмазные коронки 2,15 2,00 22,62 609 150 1,6 4,06

7 УБТР-73 + колоко-вый набор КССК-76 (3 м) 1,82 1,52 21,2 305 230 4,0 1,63

* Цены на 01.07.91 г.

Таблица 2

Фактические и необходимые объемы применения технических средств и способов

снижения интенсивности естественного искривления на Пограничном

*

месторождении

№ Техническое средство (способ) Величина Фактиче- Необходимый объ-

п/п снижения интенсивности естествен- коэф- ский объем ем бурения(для

ного искривления скважин фициента г бурения, м 1доп=1,96/2,56)

1 Использование технологических методов (уменьшение осевого усилия в два раза) 0,51 1640 320/540

2 Жесткие компоновки КССК-76ЖСК 0,37 1160 200/360

3 Центрированные колонковые трубы КССК-76Ц 0,246 1250 120/200

4 Профилированные центрированные колонковые трубы КССК-76П 0,6 940 540/940

5 Несимметричные алмазные коронки 0,246 4520 120/200

6 УБТР-73 + колонковый набор КССК076 (3 м) 0,62 580 540/940

* Объемы бурения на 01.09.93 г.

Таблица 3

Результаты расчета удельного экономического эффекта от использования различных технических средств и способов снижения интенсивности естественного искривления скважин на Пограничном флюоритовом месторождении

№ п/п Техническое средство (способ) снижения интенсивности естественного искривления скважин Условный удельный экономический эффект, руб/м

1 Уменьшение в два раза осевого усилия на алмазную коронку -58,67

2 Профилированные центрированные колонковые трубы КССК-76П 14,48

3 Жесткие компоновки КССК-76ЖСК 18,14

4 Центрированные колонковые трубы КССК-76Ц 19,35

5 Способ управления кривизной скважин при помощи несимметричных коронок 31,68

6 УБТР-73 + колонковый набор КССК-76(3м) 17,97

скважин в анизотропных породах Пограничного флюоритового месторождения является наиболее экономически выгодным.

Библиографический список

1. Авторское свидетельство № 1681598. ДСП. Способ направленного бурения геологоразведочных скважин. Авт. изобрет. Н.А. Буглов, Г.А. Воробьев, Г.С. Садыков, Б.А. Новожилов, А.В. Карпиков, А.Е. Козловкий, Г.П. Новиков.

2. Буглов Н.А., Карпиков А.В., Гриб П.С., Методика определения минимальных объемов работ при проведе-

нии сравнительных испытаний технических средств направленного бурения // Известия Сиб. отделения Секции наук о Земле РАЕН. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. Вып. 2 (37). С. 178-187.

3. Новиков Г.П., Буглов Н.А. и др. Основные принципы оптимизации параметров компоновок нижней части бурильной колонны при алмазном бурении геологоразведочных скважин в анизотропных породах // Техника и технол. геологоразвед. работ; орг. пр-ва: обзор. М.: ВИЭМС, 1990. 72 с.

Рецензент кандидат технических наук, доцент Иркутского государственного технического университета В.Г. Заливин