Способ снижения величины естественного искривления стволов разведочных скважин

Технологии разведки и разработки месторождений полезных ископаемых

УДК 622.243

DOI 10.21285/0130-108Х-2016-57-4-43-47

СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ИСКРИВЛЕНИЯ СТВОЛОВ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН

© П.С. Пушмин1, Г.Р. Романов2

1,2Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Проблема естественного искривления стволов скважин на сегодняшний день является актуальной, так как затраты на восстановление проектных траекторий стволов весьма существенны. Решение данной проблемы требует поиска надежных и доступных методов, учитывающих прежде всего закономерности механики процесса разрушения горных пород.

Возникновение отклоняющего усилия в твердых анизотропных горных породах обусловлено неоднородностью процесса их деформирования в разных частях забоя и различных направлениях движения резцов. Наиболее распространенным технологическим фактором, способствующим возникновению естественного искривления стволов скважин, является ориентированный изгиб колонны бурильных труб, возникающий в результате неправильного управления параметрами режима бурения.

Одним из способов снижения интенсивности естественного искривления за счет увеличения удельной контактной энергии является бурение с применением забойных машин ударного действия. Вместе с тем нанесение осевых ударных импульсов имеет ряд ограничений в области рационального применения, а также обладает недостаточной эффективностью снижения интенсивности естественного искривления. Изменение характера приложения ударной нагрузки с центрального на внецентренный позволит снизить вероятность возникновения естественного искривления стволов скважин за счет оптимизации механики процесса разрушения горной породы на забое.

Ключевые слова: искривление стволов скважин, интенсивность искривления, внецентренные ударные импульсы, забойные машины ударного действия.

Формат цитирования: Пушмин, П.С. Романов Г.Р. Способ снижения величины естественного искривления стволов разведочных скважин // Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле Российской академии естественных наук. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. 2016. № 4 (57). С. 43-47. DOI 10.21285/0130-108Х-2016-57-4-43-47.

THE METHOD TO DECREASE PROSPECTING HOLE CROOKING P.S. Pushmin, G.R. Romanov

Irkutsk national research technical university, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The problem of borehole natural crooking is relevant today since the costs of design well course rehabilitation are very essential. The solution of this problem requires reliable and available methods primarily considering the regularities of rock breaking mechanics.

Origination of the deflecting effort in solid anisotropic rocks is caused by the heterogeneity of rock deformation in different parts of a face and different directions of cutter movements. The most frequent technological factor contributing to the development of the borehole crooking is the focused bend of a drill stem resulting from the wrong control of drilling mode parameters.

1 Пушмин Павел Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405737, e-mail: pps@istu.edu

Pushmin Pavel, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel.: (3952) 405737, e-mail: pps@istu.edu

2Романов Григорий Радионович, аспирант кафедры нефтегазового дела, e-mail: GRom123456@mail.ru Romanov Grigory, Postgraduate of the Department of Oil and Gas Business, e-mail: GRom123456@mail.ru

One of the methods to decrease the crooking intensity through the increase in specific contact energy is drilling with the use of downhole tools of shock action. However, axial shock pulses have a number of restrictions in the field of rational application; moreover, they do not obtain sufficient efficiency in decreasing the intensity of natural crooking. Change in the character of shock load application from central into eccentric will reduce the probability of borehole crooking origination due to the optimization of rock breaking mechanics in the face.

Keywords: borehole crooking, crooking intensity, eccentric shock impulses, downhole tools of shock action

For citation: Pushmin P.S., Romanov G.R. The method to decrease prospecting hole crooking. Proceedings of the Siberian Department of the Section of Earth Sciences, Russian Academy of Natural Sciences. Geology, Prospecting and Exploration of Ore Deposits. 2016. No. 4 (57). Pp. 43-47. DOI 10.21285/0130-108X-2016-57-4-43-47.

Разведочное и эксплуатационное бурение зачастую проводится в условиях высокой интенсивности естественного искривления стволов скважин. В результате отклонения оси скважины от заданной траектории снижается производительность буровых работ, качество опробования, увеличиваются затраты мощности на вращение колонны, интенсивность износа бурового инструмента. Также возникает необходимость в восстановлении проектного направления горной выработки, что требует существенных затрат энергии и ресурсов в совокупности со специализированным инструментом.

Решение данной проблемы требует разработки новых и совершенствования существующих способов снижения интенсивности естественного искривления стволов скважин, учитывающих прежде всего закономерности механики процесса разрушения горных пород.

Из теории разрушения горных пород известно, что отклонение оси поро-доразрушающего инструмента от оси скважины в процессе бурения зачастую вызвано тем, что механические деформации в анизотропных породах активнее развиваются в направлении линий наименьшего сопротивления - перпендикулярно слоистости. Основными параметрами, способствующими увеличению отклоняющей силы, действующей в направлении стенки скважины, являются осевая нагрузка и частота вращения породоразрушающего инструмента. Однако совокупное варьирование (особенно понижение) параметров осевой нагрузки и частоты вращения инструмента не может являться надежным методом предупреждения естественного

искривления стволов скважин, так как помимо снижения величины отклоняющего усилия повлечет за собой неизбежное падение эффективности процесса бурения в целом. Следовательно, необходим поиск методов дополнительного воздействия на область разрушения горной породы, не только не приводящих к снижению производительности процесса бурения, но и способствующих уменьшению величины отклоняющего усилия.

Одним из практических методов дополнительного воздействия на область разрушения горной породы является приложение ударных импульсов [ 1]. Известно, что при бурении с использованием скважинных машин ударного действия наблюдается снижение интенсивности естественного искривления в среднем в 1,5-3 раза (зенитный угол) и 1,5-2 (по азимуту). Основные причины меньшей интенсивности искривления заключаются в следующем [2]:

- применяемые осевые нагрузки, как правило, имеют существенно меньшие значения, чем при вращательном способе бурения, что обеспечивает меньшую деформацию нижней части бурильной колонны, а следовательно, снижение отклоняющей силы;

- определенное влияние на сохранение направления ствола скважины помимо пониженных значений частоты вращения снаряда оказывают колебания поршня ударника, что позволяет реализовать эффект векторной устойчивости.

При всех очевидных преимуществах метод дополнительного ударного воздействия на область разрушения, реализуемый скважинными машинами ударного действия, имеет существенное

ограничение в области рационального применения и может способствовать лишь частичному снижению естественного искривления стволов скважин.

Изменение характера приложения ударной нагрузки с центрального на вне-центренный, по нашему мнению, приведет к перераспределению напряжений под торцом породоразрушающего инструмента. В частности, напряжения под резцами, расположенными со стороны центра приложения удара, значительно превысят напряжения, возникающие при нанесении осевого удара (рисунок), следовательно, в этой области забоя произойдет увеличение удельной энергии удара. Подобное локальное повышение динамического разрушающего усилия со стороны инструмента будет способствовать снижению энергоемкости и повышению эффективности процесса разрушения горной породы, выраженной в

увеличении механической скорости бурения, а также в значительном уменьшении вероятности возникновения естественного искривления ствола скважины по следующим причинам.

1. Возрастание динамической нагрузки под частью резцов, отдаленных от оси вращения породоразрушающего инструмента, будет способствовать интенсификации развития деформационных процессов, так как сопротивление разрушению при динамическом воздействии горных пород в 10 раз меньше, чем при статическом деформировании, а эффективность углубки забоя скважин пропорциональна удельной энергии удара. При этом характер процесса разрушения будет определяться значительно меньшим влиянием физико-механических свойств горных пород на скорость их

Схема распределения напряжений под торцом породоразрушающего инструмента при нанесении внецентренной ударной нагрузки:

1 - боек с эксцентриситетом Е ударной нагрузки; 2 - наковальня; 3 - корпус инструмента; 4 - породоразрушающий элемент; ¥Уд - сила удара, отах и отт - максимальные и минимальные напряжения соответственно

разрушения, благодаря чему зависимость интенсивности естественного искривления от свойств и неоднородности прочностных характеристик анизотропных горных пород будет выражена в меньшей степени. То есть в совокупности с высокой эффективностью ударного разрушения возможные отклоняющие усилия и изгибающие моменты, величина которых определяется разностью соответствующих прочностных характеристик со стороны забоя, станут существенно меньше.

2. Равномерное нанесение внецен-тренных ударных импульсов по всему периметру забоя скважины (частота ударов не равна частоте вращения) будет способствовать снижению вероятности возникновения отклоняющего усилия, действующего со стороны породоразру-шающего инструмента при наклонно-направленном бурении или разрушении анизотропной горной породы.

3. Приложение внецентренных ударных импульсов будет способствовать стабилизации вида движения колонны бурильных труб в скважине за счет возникновения высокочастотных низкоамплитудных продольных колебаний. По этой причине снижается вероятность возникновения ориентированного изгиба бурильной колонны, являющегося наиболее частой технологической причиной естественного искривления ствола скважины.

4. Вероятность возникновения условий для фрезерования стенки скважины со стороны породоразрушающего инструмента обусловлена различным сопротивлением горной породы разрушению на забое. По причине неоптимального соотношения тангенциального и осевого усилий сопротивление горной породы разрушению в периферийной

части забоя выше, чем в центральной. Нанесение внецентренных ударных импульсов будет способствовать выравниванию и повышению эффективности работы резцов по всей площади забоя, что обеспечит оптимальную углубку ствола скважины, а также снизит риск возникновения естественного искривления скважины.

5. В процессе бурения зачастую происходит ухудшение очистки забоя скважины в связи с изменением условий циркуляции и контроля качества очистного агента, смены типа горной породы и др. Увеличение количества бурового шлама на забое происходит также в наклонно-направленных скважинах под действием эффекта Бойкотта. В результате образования шламовой подушки эффективность углубки забоя резко снижается, повышается интенсивность износа породоразрушающего инструмента, а также возникают условия для искривления ствола скважины - в наклонной скважине шлам скапливается в нижней части забоя со стороны лежачей стенки и является причиной снижения зенитного угла [3].

Нанесение внецентренных ударных импульсов будет способствовать, во-первых, созданию условий для эффективного удаления шлама с забоя за счет пульсирующего потока жидкости, а во-вторых, стабилизации работы бурового инструмента.

Таким образом, новый и перспективный способ разрушения горных пород с дополнительным приложением внецентренных ударных импульсов на породоразрушающий инструмент может характеризоваться способностью к значительному снижению или даже полному устранению естественного искривления стволов скважин.

Библиографический список

1. Шадрина А.В. Саруев Л.А. Анализ и научное обобщение результатов исследований ударно-вращательного способа бурения скважин малого

диаметра из подземных горных выработок // Известия Томского политехнического университета. 2015. Т. 326. № 8. С.120-136.

2. Нескоромных В.В. Разрушение горных пород при бурении скважин: учебник. Иркутск: Инфра-М, 2015. 336 с.

3. Пушмин П.С. Некоторые особенности процесса углубки забоя наклонно-направленных скважин в упруго-

хрупких горных породах // Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле Российской академии естественных наук. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. 2015. № 4 (53). С. 98-101.

References

1. Shadrina A.V. Saruev L.A. Analiz i nauchnoe obobshchenie rezul'tatov issledo-vanii udarno-vrashchatel'nogo sposoba bu-reniya skvazhin malogo diametra iz pod-zemnykh gornykh vyrabotok [Analysis and science-based compilation of the results of studying percussion-rotary underground slimhole digging]. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering], 2015, v. 326, no. 8, pp. 120-136.

2. Neskoromnykh V.V. Razrushenie gornykh porod pri burenii skvazhin [Rock destruction under well drilling]. Irkutsk, Infra-M Publ., 2015. 336 p.

3. Pushmin P.S. Nekotorye osoben-nosti protsessa uglubki zaboya naklonno-napravlennykh skvazhin v uprugo-khru-pkikh gornykh porodakh [Some features of inclined directional well face deepening in elasto-brittle rocks]. Izvestiya Sibirskogo otdeleniya Sektsii nauk o Zemle Rossiiskoi akademii estestvennykh nauk. Geologiya, poiski i razvedka rudnykh mestorozhdenii [Proceedings of the Siberian Department of the Section of Earth Sciences, Russian Academy of Natural Sciences. Geology, Prospecting and Exploration of Ore Deposits], 2015, no. 4 (53), рр. 98-101.

Статья поступила 04.03.2016 г.

Article received04.03.2016.