Теория и практика управления искривлением скважин в анизотропных породах

УДК 624:131

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА УПРАВЛЕНИЯ ИСКРИВЛЕНИЕМ СКВАЖИН В АНИЗОТРОПНЫХ ПОРОДАХ

В.В. Кривошеев

При бурении глубоких скважин, особенно на поздних стадиях разведки месторождений, вопросы проведения скважин по проектным траекториям приобретают очень большое значение.

В анизотропных горных породах интенсивность искривления скважин может возрастать многократно. Попытки бороться с искривлением обычными методами, как правило, не приносят положительных результатов.

Это объясняется тем, что процесс искривления формируется на забое скважины при силовом взаимодействии породоразрушающего инструмента и горной породы.

Анизотропия пород диктует свои условия при направленном бурении скважин. Напрашивается сравнение анизотропии с красивой, но своенравной и капризной женщиной, которую невозможно переубедить, даже если она не права, или заставить что-либо сделать против ее воли. Однако можно изучить ее привычки, отыскать слабости и, умело этим пользуясь, прекрасно с ней уживаться.

В связи с этим представляется совершенно необходимым изучение процессов, происходящих при искривлении скважин в анизотропных породах, и использование этих знаний при проектировании траекторий скважин и создании технологий управления искривлением. Если же создавать технические средства для направленного бурения скважин в анизотропных породах, то эти средства должны быть принципиально новыми и также должны базироваться на знаниях закономерностей взаимодействия породоразрушающего инструмента с горной породой.

Решению этих вопросов и посвящена данная статья, в которой в популярной форме изложены некоторые результаты научных исследований автора в период с 1971 года по настоящее время.

Анизотропия горных пород

Для того чтобы понять природу анизотропии горных пород, необходимо рассмотреть строение анизотропных кристаллов. Сделаем это на примере кристалла графита - полиморфной модификации кристаллического углерода. Атомы углерода в графите располагаются слоями, каждый из которых представляет собой гексагональную сетку. Атомы в слое лежат приблизительно в одной плоскости. Каждый атом имеет в ближайшем окружении три атома на расстоянии 1,42 А. Внутри слойка атомы связанны силами ионного взаимодействия, энергия которого достигает 105-106 Дж/моль.

Совершенная спайность в графите проходит параллельно гексагональным слоям. Отдельные слойки в графите отстоят друг от друга на расстоянии 3,40 А (рис. 1,а) и связаны между собой посредством природных или индуцированных электрических моментов, то есть молекулярных или ван-дер-ваальсовых связей. Энергия этих связей гораздо меньше ионных, обычно она имеет порядок 103-104 Дж/моль.

Поэтому графит обладает ярко выраженными свойствами механической анизотропии, он легко разделяется на слойки по плоскостям спайности, но внутри слойка имеет высокую прочность.

Рис. 1. Структуры графита

Другой модификацией углерода, имеющей ярко выраженные свойства изотропного тела, является алмаз. Кристаллическая структура алмаза (рис.1,б) близка к кубической гранецентриро-ванной решетке, в которой атомы углерода размещены в вершинах элементарной кубической ячейки и в центрах ее граней. Каждый атом углерода в решетке прочно связан с четырьмя соседними тетраэдрически размещенными около него атомами на расстоянии 1,54А, образуя прочные ковалентные связи. Энергия связи в ковалентных кристаллах такого же порядка, что и в ионах, и достигает 105-106 Дж/моль, благодаря чему алмаз является самым твердым из известных в природе веществ.

Анизотропия горных пород приводит к интенсивному искривлению скважин. Рассмотрим это на примере Таштагольского железорудного месторождения Горной Шории, закономерности естественного искривления которых были выявлены и объяснены автором на заре туманной юности (1972-1973 гг.).

Северо-западный участок этого месторождения в геологическом отношении представлен частью крупной антиклинальной складки, к крыльям и периклинальному окончанию которых приурочены линзообразные тела магнетитов. В связи с принятым положением о необходимости пересечения рудных тел по линии минимальной мощности на участке соответствующим образом ориентировались геологические разрезы, и скважины имели начальные азимуты заложения от 80 до 280°. Искривление скважин по азимуту на северо-западном участке было весьма интенсивным, особенно в периклинальном окончании складки. Многие скважины в этой части практически на всей их протяженности приходилось удерживать на траектории с использованием специальных технических средств. Несмотря на принимаемые меры, некоторые скважины из-за чрезмерного азимутального искривления не были добурены до проектной глубины или не выполнили геологическое задание, например скв. 382, 382-а (рис. 2). В связи с этим возникла необходимость тщательного изучения закономерностей азимутального искривления на этом участке с использованием разработанного автором статистического метода определения оптимальных азимутов скважин [1].

Исследования показали, что скважины тяготеют к азимутам 90, 180 и 270°. Это позволило предположить, что на их искривление оказывают влияние какие-то ориентированные геологические структуры, характеризующиеся анизотропными свойствами горных пород.

Для проверки этой гипотезы была изучена геологическая документация месторождения и проведены работы в горных выработках по определению элементов залегания горных пород и отбору образцов, ориентированных в пространстве. При этом

Напрабление

простирания

плоскости

нлибаша

Рис. 2. Горизонтальные проекции скважин и рудных тел Северо-Западного участка Таштагольского месторождения

из квершлага на глубине 600 м было отобрано более 50 ориентированных образцов горных пород. Выдвинутое предположение о наличии ориентированной структуры на участке подтвердилось. Было определено, что складка рассечена системой параллельных трещин, характеризующихся ориентировкой минералов (кливаж осевой плоскости) по азимуту, близкому к 180°. Поэтому скважины стремились выйти на линию наименьшего сопротивления, имеющую широтное простирание, несмотря на все усилия вывести их траектории под острым углом к этой линии.

Проведенные исследования позволили выявить общие закономерности азимутального искривления скважин месторождения, объяснить причины катастрофического искривления некоторых конкретных скважин, пробуренных в периклинальном замыкании складки, и дать рекомендации об их рациональном заложении.

Теоретические и экспериментальные исследования процесса естественного искривления скважин

Для исследования природы естественного искривления скважин в анизотропных породах был создан уникальный экспериментальный стенд, на котором были отбурены тысячи образцов горных пород [2]. Проведенные исследования позволили сделать ряд важных выводов, позволивших по-новому взглянуть на проблему искривления скважин в анизотропных породах.

Впервые была выделена в чистом виде (измерена) поперечная сила, возникающая при взаимодействии алмазной буровой коронки и горной породы, приводящая к отклонению скважины от первоначального направления.

Эта сила была разделена на вертикальную составляющую, приводящую к зенитному искривлению скважин, и горизонтальную составляющую, приводящую к азимутальному искривлению.

Были установлены аналитические зависимости величины поперечной силы от параметров режима бурения (осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент и частоты вращения коронки).

Например,

Ра = 1,03 - 0,046С0у + 0,0021п,

где Ра - поперечная отклоняющая азимутальная сила, Соу - удельная осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, п - частота вращения коронки.

Наличие таких зависимостей позволило прогнозировать интенсивность и направление естественного зенитного и азимутального искривления, а также управлять процессом естественного искривления скважин технологическими методами.

Полученные знания о приоритетном характере влияния сил сопротивления породы поперечному перемещению резца при бурении в анизотропных породах на искривление скважин потребовало экспериментальной проверки закономерностей искривления скважин при промывке разными жидкостями.

Исследованиями П. А. Ребиндера и др. доказано, что в процессе бурения под коронкой образуется трещиноватая зона, и циркулирующая жидкость со смачивающим агентом проникает в микротрещины этой зоны. Использование промывочной жидкости с увеличенной смачивающей способностью повышает эффективность разрушения породы вследствие проникновения смачивателя в микротрещины и адсорбирования его на поверхностях. Этот эффект активизируется при бурении в анизотропных породах, склонных к образованию многочисленных плоскостей скольжения, сообщающихся с поверхностью забоя.

В связи с этим был проведен ряд циклов экспериментального бурения рассланцованных горных пород при промывке водным однопроцентным раствором сульфонола, являющегося активным понизителем твердости, и проведено сравнение величин отклоняющих зенитных и азимутальных усилий с соответствующими результатами, полученными при промывке скважин технической водой [5]. Основные результаты приведены ниже.

Таблица 1

Сравнительные результаты экспериментального бурения скважин в анизотропных породах алмазными коронками диаметром 36 мм при промывке жидкостями разного типа

Тип промывочной жидкости Техническая вода 1%-ный раствор сульфонола

Число циклов бурения б1 39

Осевая нагрузка (Соу), МПа 53 53

Частота вращения коронки(п), мин-1 325 325

Величина зенитного усилия (Ре), даН 8,б1 3,81

Величина азимутального усилия (Ра), даН -0.72 0.78

Механическая скорость бурения (ум), мм/с 0.б8 0.7б

Из табл. 1 видно, что механическая скорость бурения при промывке раствором сульфонола повысилась на 11%, т.е. эффект Ребиндера проявился, зенитное усилие уменьшилось более чем в 2 раза, что должно привести к уменьшению интенсивности зенитного искривления скважин. Но наиболее интересно то, что изменилось направление действия азимутального усилия (от - 0.72 до + 0.78), что в реальной скважине привело бы к изменению направления азимутального искривления (в данном случае с левого на правое).

Таким образом были открыты новые возможности управления процессом естественного искривления скважин за счет изменения свойств промывочных жидкостей.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сформулировать, экспериментально и практически подтвердить новое видение процесса естественного искривления скважин в анизотропных породах.

Нам представляется, что искривление скважин зависит от величины сил, действующих на породоразрушающий инструмент со стороны породы в плоскости, перпендикулярной продольной оси бурового инструмента [5].

Рассмотрим схему силового взаимодействия породоразрушающего инструмента с образцом анизотропной породы (рис.3). Резец породоразрушающего инструмента, перемещающийся по часовой стрелке от точки H до точки G (по дуге HAG), движется в направлении восстания плоскости сланцеватости вслед отдельным кристаллам, но встречает их под разными углами, что обусловливает неодинаковую силу сопротивления породы этому перемещению в различных точках.

От точки G до точки //, двигаясь по дуге GBH, резец перемещается в направлении падения плоскости сланцеватости навстречу кристаллам, причем в точках G и H сопротивление перемещению минимально (если рассматривать дугу GBH), а в точке B сопротивление наибольшее.

Нетрудно заметить, что сумма всех сил, действующих на коронку параллельно оси у, равна нулю, а сумма сил, действующих на коронку параллельно оси х, равна Л^т = 1 Fti Sin Р, .

Сопротивление породы перемещению резца в направлении восстания плоскости сланцеватости меньше, чем в противоположном направлении, поэтому результирующая сила сопротивления AF расположена так, как это показано на рис.3, а скважина отклоняется в сторону восстания плоскости сланцеватости.

Рис. 3.

Схема силовых взаимодействий породоразрушающего инструмента с анизотропной горной породой

Процесс алмазного бурения сопровождается погружением резца в породу под действием осевой нагрузки, молекулярным взаимодействием резца и горной породы, пластическим оттеснением некоторой части породы с пути движения резца, упругой деформацией части породы с последующим восстановлением формы и размеров выступающих частей, скалыванием породы передней гранью резца. Величина погружения резца в породу, сила молекулярного взаимодействия и величина пластического оттеснения породы одинаковы для всех точек и не зависят от направления встречи плоскости сланцеватости. А затраты на упругую деформацию породы зависят от направления перемещения резца. В том случае, когда резец скользит вслед наклонным кристаллам (стрелка на рис. 4.а), сопротивление породы меньше, а при движении резца навстречу кристаллам так, как это показано на рис. 4.б, - больше.

Рис. 4. Схемы взаимодействия резца и породы при перемещении резца: а, б - при упругом деформировании выступающих частей породы; в, г - при скалывании пород передней гранью резца; д, е - при образовании опережающей трещины с различным характером ветвления

Аналогично распределяются затраты энергии на скалывание некоторой части породы передней гранью резца (рис. 4.в,г) и удаление продуктов разрушения (выдавливание шлама) из под передней грани резца.

Из-за разницы сопротивления породы разрушению в разных точках забоя возникает отклоняющая сила АРт, что приводит к смещению породоразрушающего инструмента в направлении восстания плоскости сланцеватости. Знание величины этой силы или наличие экспериментальной базы для ее определения позволяет рассчитать проектную предельную интенсивность естественного искривления любой конкретной скважины (I, °/м) с помощью уравнения, предложенного автором.

19.05

I =-----------------------,

I 2

где АО - диаметральный зазор, м; АРт - отклоняющая сила, даН; I - длина колонковой трубы, м; Е - модуль Юнга, даН/м2; I - момент инерции сечения трубы, м4.

Если скважина искривляется, то алмазная коронка (рис. 5.а) прижимается к ее стенке половиной своей наружной боковой поверхности, а половиной внутренней боковой поверхности прижимается к поверхности керна, контактируя с ними своими соответственно наружными и внутренними подрезными алмазами.

При этом результирующая внешних сил N формирует нормальную составляющую Ын на наружной боковой поверхности матрицы и аналогичную составляющую N на ее внутренней поверхности. При вращении коронки в направлении ш появляются тангенциальные силы на наружной тн и внутренней тв поверхностях матрицы, действующие со стороны породы на коронку в направлении, противоположном вектору скорости.

Таким образом, на наружной боковой поверхности матрицы появляется равнодействующая Ян нормальных и тангенциальных сил, приложенных к коронке и отклоняющих коронку в левую сторону от направления действия результирующей внешних сил N. На внутренней поверхности матрицы появляется соответствующая сила Яв, отклоняющая коронку в правую сторону от направления силы N.

В том случае, когда обе поверхности матрицы несут одинаковую нагрузку, суммарная равнодействующая поперечных сил Я направлена по оси действия отклоняющей силы N. При этом уход скважины в сторону от этого направления отсутствует. Если какая-то из боковых поверхностей матрицы передает большую часть силы N то вектор силы Я разворачивается в соответствующую сторону, а именно: если перегружена внешняя сторона матрицы, то влево (рис. 5.6), а если перегружена внутренняя сторона, то вправо (рис. 5.в).

Рис. 5. Упрощенные схемы поперечных отклоняющих усилий и возможные направления искривления скважин

Эти эффекты были использованы для управления искривлением скважин за счет применения коронок с заранее заданными параметрами боковых поверхностей [3]. Создание коронок с разной загруженностью боковых поверхностей матрицы достигается за счет различной плотности армирования и использования алмазов различной формы (овализованных или дробленых).

В конце 90-х годов было исследовано влияние величины угла встречи оси породоразрушающего инструмента с плоскостью сланцеватости на процесс разрушения анизотропных пород при бурении.

Для глубокого изучения процессов, происходящих при бурении, использованы аппаратура и методика регистрации импульсного электромагнитного поля (ИЭМП), позволяющие оценивать сопротивление твердых тел разрушению.

Регистрация ИЭМП проводилась непосредственно при бурении на лабораторном стенде с помощью измерителя электромагнитной эмиссии, разработанного и созданного в проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники диэлектриков и полупроводников Томского политехнического университета. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием компьютерной программы, алгоритм которой основан на преобразовании Фурье.

Исследования позволили теоретически обосновать и экспериментально подтвердить эффект, ранее известный, но не находивший серьезного объяснения, а именно: при больших углах встречи плоскости сланцеватости скважина отклоняется в направлении восстания этой плоскости и движется по правому винту, а при малых углах скважина отклоняется в направлении падения этой плоскости и движется по левому винту [6].

Разработка технических средств стабилизации траекторий скважин

Традиционные технические средства направленного бурения часто не способны обеспечить эффективность стабилизации траекторий скважин в анизотропных породах. В связи с этим возникла необходимость разработки инструмента (базированных коронок), основанного на знаниях характера процесса взаимодействия естественных сил, возникающих при контакте коронки с горной породой.

Рассмотрим вид базированной алмазной коронки [4] и ее продольное сечение (рис. 6). 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 у 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 р. Наружная поверхность матрицы коронки, заключенная между сторонами угла (3, подрезными резцами не армирована.

Коронка работает следующим образом. При создании осевой нагрузки и крутящего момента осуществляется силовое взаимодействие торца колонки 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 ЕЯ направлена к центру паза 4.

В точке, диаметрально противоположной пазу 4, формируется и - равнодействующая тангенциальных сил, направленная противоположно вектору скорости вращения.

Равнодействующая Я радиальной и тангенциальной сил направлена по биссектрисе угла в 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.

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 соприкосновения вооруженной части матрицы к стенке скважины и резко снижает интенсивность увода скважины от первоначального направления.

Для изготовления базированной алмазной коронки необходимо определить ряд элементов -угол скоса торца коронки и геометрию ее рабочей части, угол разноса и местонахождение базовых направляющих, а также размер зоны торца матрицы, свободной от алмазов. А это невозможно без детального изучения процесса трения алмазов о горную породу, который является основополагающим при формировании поперечных сил, действующих на коронку.

Теоретические исследования процесса трения основывались на положении, что предлагаемые исследования базируются на том, что коэффициент трения может быть определен, как отношение силы сопротивления поперечному перемещению резца к продольной силе, заглубляющей резец в породу, т.е.

Г = N^2 ,

где - сила сопротивления породы перемещению резца под действием крутящего момента; ^2 - продольная сила, за счет которой резец внедряется в горную породу.

Рис. 6. Базированная алмазная коронка

В свою очередь, эти силы могут быть записаны следующим образом:

Р1 = в1т ;

^2 = 52а ,

где & - площадь породы, которую требуется разрушить перед передней гранью резца, для того чтобы он смог переместиться под действием крутящего момента; т - предел прочности породы на срез; £2 - площадь породы, которую необходимо разрушить под торцом резца для того, чтобы внедрить его на определенную глубину; а - предел прочности породы на сжатие.

Габитус кристаллов алмаза может быть представлен октаэдром, ромбододекаэдром, гэксаэ-дром в остро- и плосковершинных, прямо- и кривогранных разновидностях этих форм. При армировании буровых коронок естественными алмазами используются овализованные или полированные фракции, имеющие форму, приближающуюся к сферической, а также необработанные целые или дробленые алмазы. Эти алмазы характеризуются разным относительным удлинением (Ц) и имеют форму параболоида вращения, прямогранного, островершинного октаэдра и конуса (Рис. 7).

Рис. 7. Схемы к расчету теоретических значений коэффициентов трения алмазов различной формы: а - сфера; б - параболоид вращения; в - прямогранный, островершинный октаэдр и конус

Ниже приведены полученные нами теоретические уравнения для расчета коэффициентов трения алмазов разной формы: сфера

* -

И2 агсз п — - ал/н^^а2) .

где Я - радиус сферы; а - радиус площадки заглубления. параболоид вращения

3п ъН

ъН

октаэдр

конус

і -О- •

*0 = 2ъ ;

*к =

тО

пъ

Для того чтобы составить более полное представление о коэффициенте трения, он был изучен в динамике и связан с энергоемкостью процесса бурения.

Приведем корреляционные уравнения, связывающие коэффициенты трения однослойных / и импрегнированных/ коронок с энергоемкостью ау.

*0 - 0,094 + 0,025а,

*и - 0,143 + 0,029а,

Для практического определения и прогнозирования величины коэффициента трения была установлена его связь со свойствами горных пород и параметрами режима бурения. Энергоемкость процесса разрушения (Дж/мм3) теоретически может быть записана следующим образом.

= 6 . 10-5-2°^,

О ср ^

где С0 - нагрузка, даН; п - частота вращения, мин-1; Цср - средний диаметр коронки, мм; ум -механическая скорость бурения, м/ч.

Искомые зависимости механической скорости определены для пород средней твердости (Н < 3500 МПа) и твердых (Н > 3500 МПа) отдельно, а так^ке отдельно для однослойных и импрегнированных коронок.

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

— 0,46н 0 81

= °,°17 ;

а, ти = 0,017-

с 0°,46н 0,78 О- р п 0,12

а, со = 0,017-

с 0,25н1,30

О - р п

0,30

— 0,25Н 1,14

* - =а017 -кпзг,

где эУси - энергоемкость при бурении пород средней твердости импрегнированной коронкой; С0 - нагрузка на коронку, даН; Н - твердость породы, даН/мм2; Цср - средний диаметр коронки, мм; п - частота вращения, мин-1; т и - энергоемкость при бурении твердых пород импрегнированной коронкой; с о - энергоемкость при бурении пород средней твердости однослойной коронкой; эут о - энергоемкость при бурении твердых пород однослойной коронкой.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили создать методику расчета коэффициента трения при бурении, завершить систему расчета параметров базированных коронок, объяснить некоторые спорные моменты процесса трения алмазного инструмента о горную породу и наметить пути управления этой величиной при изменении параметров режима бурения и формы алмазного зерна.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кривошеев В.В., Сулакшин С.С., Шелехов Н.Г. Методика определения оптималь-

ных азимутов заложения скважин на Таштагольском железорудном месторождении// Бурение направленных и многоствольных скважин на угольных и железорудных месторождениях Сибири и Урала: Сб. науч. трудов. М.: Мингео РСФСР,

Геолфонд РСФСР, 1976. С. 12—19.

2. Кривошеев В.В., Дельва В.А. Закономерности искривления и управление траекториями скважин в анизотропных породах. - М.: ОНТИ ВИЭМС, 1991, 43 С. 33.

3. Кривошеев В.В., Дельва В.А., Нейштетер И.А. и др. Искривление скважин балансиро-

ванными алмазными коронками. - М.: Разведка и охрана недр, 1991, № 7, С. 9-11.

4. Кривошеев В.В. Нейштетер И.А., Дельва В.А. Исследование стабилизирующих свойств базированных алмазных коронок и статического коэффициента трения. Известия вузов. Серия «Геология и разведка», 199б, №З. С.145-147.

5. Кривошеев В.В. Искривление скважин в анизотропных породах - Томск: Изд-во НТЛ, 1999. -240 с.

6. Кривошеев В.В., Нейштетер И.А., Ларин А.А. Исследование процесса разрушения горных пород при алмазном бурении с использованием метода регистрации электромагнитной эмиссии. Известия Томского политехнического университета, т. З04, вып. 1, Томск, ТПУ, 2001. С. 289-З0б.