СПОСОБ ШАРОСТРУЙНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН
METHOD OF BALL-JET DRILLING OF WELLS

Изобретение относится к шароструйному бурению скважин и может быть использовано для бурения геологоразведочных, технологических, геотермальных и других скважин в твердых горных породах.
Известен способ шароструйного бурения скважин [Уваков А.Б. Шароструйное бурение. - М.: Недра, 1969. - С. 6], выбранный в качестве прототипа, при котором осуществляют непрерывную циркуляцию предварительно спущенных на забой шаров с помощью шароструйно-эжекторного бурового снаряда. При этом расстояние между снарядом и забоем скважины поддерживают путем расхаживания снаряда, при котором в процессе бурения через определенные промежутки времени его опускают до забоя, а затем поднимают на необходимое расстояние.
Этот способ приводит к интенсивной деформации бурового снаряда и шаров под действием осевой нагрузки при контакте с забоем скважины.
Техническая проблема, решаемая при осуществлении предложенного способа, заключается в повышении эффективности шароструйного бурения за счет оптимизации процесса регулирования расстояния от снаряда до забоя скважины.
Способ шароструйного бурения скважин, так же как в прототипе, заключается в спуске на забой породоразрушающих шаров, подаче промывочной жидкости под давлением через шароструйно-эжекторный буровой снаряд, обеспечивающей непрерывную циркуляцию шаров, при этом расстояние между снарядом и забоем скважины поддерживают путем расхаживания бурового снаряда.
Согласно изобретению с помощью датчика акустических колебаний, установленного на колонне бурильных труб, непрерывно регистрируют акустические сигналы, генерируемые шарами в результате отскока их от забоя скважины и соударения с буровым снарядом, а расстояние между буровым снарядом и забоем скважины устанавливают по максимальным значениям амплитуд акустических сигналов.
Физической основой предлагаемого способа являются результаты экспериментальных исследований, проведенных авторами в лабораторных условиях [Исаев Е.Д., Ковалев А.В., Алиев Ф.Р. Экспериментальные исследования технологических параметров режима шароструйного бурения // Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы научно-технического прогресса в бурении скважин», посвященной 60-летию кафедры бурения скважин. - Томск: Изд. ТПУ, 2014. - С. 68-83]. Установлено, что при увеличении расстояния между диффузором снаряда и забоем скважины механическая скорость шароструйного бурения снижается. Высокоскоростная съемка процессов движения шаров показала [Исаев Е.Д. Исследование процессов шароструйного бурения с помощью высокоскоростной видеосъемки // Труды XVIII Международного симпозиума студентов и молодых ученых имени акад. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр». - Томск: Изд. ТПУ, 2014. - С. 401-405], что в области под буровым снарядом наблюдаются скопления шаров, которые не могут быстро покинуть эту область. Причем при увеличении расстояния между снарядом и забоем скоплений больше, что в свою очередь приводит к уменьшению расхода шаров в камере смешения. Взаимодействие нисходящего и отраженного потоков при малом расстоянии ведет к тому, что шары, отскочившие от горной породы, быстрее направляются в затрубное пространство, а при большом расстоянии падающие шары бомбардируют шары, отскочившие от горной породы, что ведет к их скоплениям под снарядом.
На фиг. 1 показана схема шароструйного бурения предлагаемым способом.
На фиг. 2 показан процесс регулирования оптимального расстояния между снарядом и забоем скважины и соответствующие значения амплитуды акустических сигналов, регистрируемых датчиком акустических колебаний, в процессе углубки скважины: а) без опускания бурового снаряда, б) в момент заклинивания шаров при опускании снаряда, в) в момент подъема снаряда до возобновления циркуляции породоразрушающих шаров.
Для осуществления шароструйного бурения скважин к колонне бурильных труб 1 (фиг. 1), которые снабжены центраторами 2, подсоединяют в нижней части шароструйно-эжекторный буровой снаряд, который представляет собой цилиндрический полый корпус, в верхней части которого выполнено сопло 3, ниже расположена камера смешения 4 цилиндрической формы с окнами для прохода породоразрушающих шаров, заканчивающаяся диффузором 5.
На колонне бурильных труб 1 в устьевой части установлен датчик акустических колебаний 7 (Д), к которому последовательно подключены усилитель сигнала 8 (У), осциллографическая приставка 9 (ОП), например PCLab2000, и система управления 10 (СУ).
В качестве датчика акустических колебаний 7 (Д) может быть использован пьезорезистивный акселерометр для измерения длительных переходных процессов и кратковременных ударных воздействий.
Система управления 10 (СУ) представляет собой регулятор подачи долота, которым снабжают современные буровые установки.
На забой скважины засыпают порцию шаров 6, спускают буровой снаряд, насосом подают промывочную жидкость. Рабочая жидкость, подводимая к буровому снаряду, ускоряется в сопле 3 и на выходе из него истекает с большой скоростью в камеру смешения 4. При этом в пространстве между соплом 3 и камерой смешения 4 образуется зона разрежения. Благодаря разрежению происходит всасывание рабочей жидкости вместе со взвешенными шарами 6 из затрубного пространства через окна для прохода породоразрушающих шаров камеры смешения 4. Затем двухфазная смесь проходит через камеру смешения 4 и диффузор 5 и ударяется о горную породу, осуществляя разрушение. В процессе циркуляции в призабойной зоне скважины шары 6 постоянно взаимодействуют с буровым снарядом, в котором формируются продольные волны деформации в результате их отскока от забоя скважины. Формирующиеся упругие колебания передаются по колонне бурильных труб 1 на устье скважины, где регистрируются датчиком акустических колебаний 7 (Д), усиливаются с помощью усилителя 8 (У) и посредством осциллографической приставки 9 (ОП) направляются в систему управления 10 (СУ), которая передает управляющее воздействие буровому снаряду на основании полученного сигнала.
После забуривания скважины диаметром 46 мм в гранитном блоке (расход промывочной жидкости составлял 2 л/с) и проходки интервала в 5 см, устанавливали режим, соответствующий максимальному значению амплитуды акустического сигнала 12-18 усл. ед. (фиг. 2, а)), затем буровой снаряд кратковременно опускали до момента заклинивания шаров 6 (фиг. 2, б)), сопровождающегося снижением амплитуды акустического сигнала до 5-10 усл. ед., регистрируемого датчиком акустических колебаний 7, и поднимали до возобновления их циркуляции (фиг. 2, в)), сопровождающегося увеличением амплитуды сигнала до 12-18 усл. ед., что свидетельствовало о достижении оптимального расстояния между буровым снарядом и забоем скважины Rсз.
Таким образом, определение в процессе бурения значения амплитуды акустических сигналов позволяет оперативно подбирать наиболее эффективный режим бурения.