Некоторые особенности процесса углубки забоя наклонно-направленных скважин в упруго-хрупких горных породах

УДК 622. 243

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА УГЛУБКИ ЗАБОЯ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН В УПРУГО-ХРУПКИХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ

© П.С. Пушмин1

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

В процессе бурения наклонно-направленных скважин возможно интенсивное осаждение частиц разрушенной горной породы на забой скважины, что приводит к образованию области повышенной прочности. Подобное явление может привести к потере проектного направления ствола скважины за счет неравномерного разрушения забоя буровым долотом. Зачастую это вызвано неэффективным режимом очистки от частиц разрушенной горной породы. Следовательно, одной из основных задач разведочного и эксплуатационного бурения является регулирование показателей очистки забоев наклонно-направленных скважин. С целью поиска решения поставленной задачи проведено теоретическое исследование, направленное на выявление и анализ факторов, вызывающих скопление частиц разрушенной упруго-хрупкой горной породы на забое наклонно-направленной скважины. В результате исследования выделен ряд основных факторов, вызывающих образование на забое области повышенной прочности. Исследование также показало, что предупреждение образования области масштабно упрочненной горной породы возможно за счет применения гидромониторных насадок с определенным диаметром выходного отверстия, ориентированных в направлении к периферии бурового долота.

Ключевые слова: наклонно-направленное бурение; очистка забоев скважин; промывочная жидкость; эффект Бойкотта.

SOME FEATURES OF INCLINED DIRECTIONAL WELL FACE DEEPENING IN ELASTO-BRITTLE ROCKS

P.S. Pushmin

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Drilling of inclined directional wells can be accompanied with intensive sedimentation of the particles of broken rock on a well face that results in the formation of the area of increased strength. This phenomenon can lead to the loss of the borehole design direction due to uneven destruction of a face by a boring bit. It is often caused by the inefficient mode of cleaning the hole from the particles of the broken rock. Therefore, one of the main objectives of exploration and development drilling is regulation of the indicators of directional well face cleaning. In order to search for the solution of the set task a theoretical research directed at the identification and the analysis of the factors causing the accumulation of the particles of the destroyed elasto-brittle rock on the face of the inclined directed well has been carried out. Conducted study allowed to identify a number of main factors causing the formation of the area of increased strength on the face. Research has also showed that formation of the area of substantially strengthened rock can be prevented by the application of the hydromonitor nozzles with a certain diameter of an exhaust outlet focused in the direction of the boring bit periphery.

Keywords: directional drilling; cleaning of well faces; flushing fluid; Boykott effect.

Современные требования к проведению разведочного и эксплуатационного бурения скважин предполагают строительство большого количества наклонно-направленных стволов, в процессе углубки которых зачастую возникают проблемы с очисткой забоя и выно-

сом разрушенной горной породы на поверхность по причине осаждения и повторного измельчения продуктов разрушения.

Многократное измельчение бурового шлама на забое скважины сопровождается значительной долей затрат

1Пушмин Павел Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологий геологической разведки, тел.: (3952) 405737, e-mail: pps@istu.irk.ru

Pushmin Pavel, Candidate of Engineering, Associate Professor of the Department of Technologies of Geological Exploration, tel.: (3952) 405737, e-mail: pps@istu.irk.ru

энергии, являясь причиной снижения углубки за один оборот породоразруша-ющего инструмента и механической скорости бурения. В работе [1] отмечена связь данного явления с проявлением масштабного фактора, который заключается в повышении прочности единичных обломков разрушенной породы при уменьшении их размера. Так, по размеру частиц шлама, выходящих из скважины с потоком промывочного раствора, судят об эффективности процесса углубки скважины. Преобладание мелкой фракции в продуктах разрушения говорит о неудовлетворительной очистке забоя и, следовательно, низкой эффективности разрушения горной породы, что объясняется проявлением эффекта масштабного упрочнения скопившейся на забое разрушенной горной породы.

Подобное явление особенно актуально при разрушении упруго-хрупких горных пород инструментом режуще-истирающего (режуще-скалывающего) действия, содержащим алмазные разрушающие элементы (алмазные бурго-ловки и долота, долота РБС).

Проанализируем процесс очистки забоя скважины в упруго-хрупкой горной породе (рис. 1). Буровой раствор, попадая из центрального промывочного канала на забой скважины, распространяется в радиальном направлении от оси вращения инструмента к периферии, постепенно обогащаясь частицами разрушенной горной породы. При этом количество шлама в буровом растворе возрастает с увеличением расстояния от оси вращения породоразрушающего инструмента.

Породоразрушающие элементы (зубцы), расположенные ближе к оси вращения инструмента (условно ближние), и зубцы, расположенные далее до периферии корпуса долота (дальние), имеют неодинаковые линейные скорости перемещения \л и, соответственно, скорости резания-скалывания, вследствие чего ближние к оси вращения резцы производят работу по разрушению горной породы с большей интенсив-

ностью [3]. Следует предположить, что для дальних от оси вращения зубцов износ о частицы разрушенной породы носит нерациональный усталостный характер, степень которого будет увеличиваться по мере отдаления от оси вращения за счет повышения количества измельчаемого под зубцами шлама и, соответственно, степени зашламования забоя скважины.

Интенсивность зашламования забоя скважины зависит не только от основных гидродинамических показателей и технологических параметров режима бурения [1], но и от профиля ствола, определяемого зенитными углами. Известно, что при малых зенитных углах ствола скважины (0-10°) сила тяжести, действующая на каждую частицу шлама, заставляет их оседать в направлении забоя (рис. 2). С ростом зенитного угла (10-30°) плотность и вязкость частиц шлама увеличиваются, однако тенденция к скольжению частиц к забою сохраняется. Замедление скорости скольжения частиц шлама вплоть до полной остановки за счет возрастания сил трения возможно при углах 45-60°.

Рис. 1. Схема для анализа неравномерного зашламования забоя скважины

Подобные явления объясняются, в частности, эффектом Бойкотта, проявляющимся в различных дисперсных средах при бурении скважин с зенитными углами 30-60°, а наиболее интенсивно - с углами 40-50° (см. рис. 2) и заключающимся в накоплении шлама и некоторой части твердой фазы бурового раствора при его движении или в состоянии покоя. Формирующиеся напластования

Рис. 2. Поведение шлама в скважине в интервалах с разными зенитными углами

твердой фазы сползают вниз и собираются на забое, являясь причиной зашла-мования и переизмельчения. Таким образом, в процессе формирования наклонного ствола скважины скопление шлама на забое со стороны лежачей стенки будет более интенсивным, чем в вертикальном стволе, в том числе за счет проявления эффекта Бойкотта (рис. 3). В этом случае велика вероятность образования области масштабно упрочненного шлама, прочность которой будет выше прочности горной породы, слагающей непосредственно забой скважины.

Рис. 3. Схема для анализа углубки забоя наклонного ствола скважины

Буровое долото, формирующее проектное направление наклонного ствола (вектор результирующего усилия Я1 на рис. 3), начинает испытывать большую сопротивляемость углубке со стороны масштабно упрочненной области шлама. Следовательно, дальнейшая углубка будет происходить с некоторым перекосом долота в направлении менее прочного участка забоя (вектор результирующего усилия за счет действия отклоняющей силы с соответствующей

скоростью фрезерования стенки скважины Уф (см. рис. 3). При этом возможно изменение проектного угла набора кривизны за счет естественного искривления ствола скважины.

Интенсивность искривления

ствола скважины г, формируемого при фрезеровании стенки с одновременной углубкой забоя, пропорциональна соотношению скоростей углубки забоя Уб и фрезерования стенки скважины Уф [2]:

I =

57>ф \б Ь

где Ь - длина жесткой части бурового снаряда, способной без деформации вписаться в искривленный участок ствола скважины, м.

Из приведенной формулы следует, что одним из возможных факторов уменьшения естественного искривления стволов скважин при бурении являются параметры снижения скорости фрезерования стенки Уф. Таким образом, необходим поиск способов предупреждения образования области масштабно упрочненного шлама со стороны лежачей стенки наклонного ствола скважины.

Одним из возможных способов предупреждения образования области с повышенной прочностью шлама может являться дополнительное гидродинамическое воздействие струи бурового раствора непосредственно на область масштабно упрочненной горной породы, в частности за счет применения гидромониторных насадок определенного диаметра выходного канала ^1, ^2, создающих значительные скорости выходящей струи (рис. 4).

Рис. 4. Схема расположения гидромониторных насадок буровых долот

Поиск способов предупреждения зашламования забоя скважины и недопущения повторного измельчения продуктов разрушения представляется перспек-

тивным, требующим дальнейших теоретических и экспериментальных исследований направлением.

Библиографический список

1. Евсеев В.Д. Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин: учеб. пособие для вузов. Томск: Изд-во ТПУ, 2004. 151 с.

2. Нескоромных В.В. Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ: учеб. пособие. Красноярск: Изд-во СФУ, 2012. 300 с.

3. Пушмин П.С., Романов Г.Р. Проблемы промывки наклонно-направленных скважин // Известия Сибирского отделения секции наук о Земле РАЕН. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. 2014. № 3 (46). С. 56-60.

Статья поступила 30.10.2015 г.