Источник: Подоразрушающий и металлообрабатавыющий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сборник научных трудов. – Вып. 8. – Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2005. – c. 89-91.
Острый кризис в обеспечении Украины собственным природным газом, добыча которого едва покрывает треть потребления, обусловил актуальность задачи разведки и добычи в промышленных: масштабах метана из угленосных отложений Донецкого угольного бассейна. По категории «Ресурсы» запасы свободного метана во вмещающих породах угольных районов Донбасса оцениваются более в 645 млрд м3. Однако, при существующей степени разведанности запасов (5-20 %) нельзя утверждать, что эти залежи метана могут представлять промышленную ценность. Только значительное увеличение объемов бурения разведочно-эксплуатационных скважин даст возможность дальнейшего изучения газоносности структур и подсчета запасов по категориям С1 и С2.
Первые практические данные, полученные ЗАО «Компания «Юговостокгаз» при проходке скважин на газоносных участках Юго-Западного Донбасса, с точки зрения качества решения геологических задач можно считать вполне представительными. Однако достичь высокого уровня производственных показателей бурения во многих случаях не удалось. При бурении предприятием использовался исключительно вращательный (роторный) способ бурения с использованием, главным образом шарошечных долот типа Т и СЗ. При этом в течение рейса механическая скорость бурения долотами 190Т и 215Т по переслаивающимся породам V-IХ категорий по буримости не превышала 0,9-0,3 м/ч при стойкости долот от 6 до 35 м. По однородным породам VI-VII категорий механическая скорость бурения составляла 0,9-1,1 м/ч при стойкости долот до 60 м. Все это значительно снижает технико-экономические показатели буровых работ. Следовательно, при перспективе долгосрочных работ по сооружению таких скважин необходимо увеличивать показатели механической скорости бурения и рейсовой проходки на долото, особенно при проходке перемежающихся пород, для чего, по-видимому, потребуется изменение способа бурения – с вращательного на ударно-вращательный.
Предпосылкой применения ударно-вращательного способа бурения газовых скважин с целью улучшения технико-экономических показателей и снижения стоимости бурения, прежде всего, является исследования, проведенные во ВНИИБТ [1]. Одним из важнейших выводов этих исследований является то, что применение гидроударников при реализации ударно-вращательного бурения по песчаникам, известнякам и твердым сланцам обеспечивает увеличение механической скорости бурения в 1.3-1.8 раза при одновременном росте проходки на долото на 25-30 % по сравнению с вращательным бурением в аналогичных условиях. Таким образом, имеет место повышение тех параметров, которые определяют экономичность способа бурения скважин.
Приведенные обобщенные показатели относятся к результатам опытного применения гидроударников ВВО-5А, ВВО-145 и ВВО-170, выполненных по схеме машин одинарного действия с обратным активным ходом бойка. Конструктивной особенностью таких гидроударников является наличие мощных силовых пружин, ресурс которых не превышает 25-30 ч. Еще меньший (10-12 ч) ресурс имеет клапанное распределительное устройство. Максимальная стойкость машин составляет 50 ч при работе на глинистом растворе и 90 ч при эксплуатации на воде. Характерным показателем машин данного класса является высокий расход жидкости на привод, который составляем 12-16 л/с при рабочем перепаде давления 5 МПа и более. Подобные исследования машин одинарного действия с прямым активным ходом бойка также проводились учеными НГУ (г. Днепропетровск), СКБ «Геотехника» МПР России, РУНГ им. Губкина г.Москва), Казахского НИИМС (г. Алма-Ата) и др. [2-4]. Несмотря на отличие конструктивной схемы, показатели надежности этих гидроударников находятся на уровне конструкций ВНИИБТ.
Таким образом, отмеченные показатели надежности гидроударников и завышенные параметры силового привода являются факторами, которые ограничивают их широкое использование в практике бурения скважин большого диаметра в страна СНГ. Европе гидроударное бурение с 90-х годов наиболее активно развивается в Швеции, где при помощи гидроударников бурят до 5 млн м взрывных скважин в год с весьма высокими технико-экономическими показателями [5]. Однако и в этом случае из-за высокого перепада давления на самом гидроударнике например, в гидроударниках фирмы «Wassara Drilling System» он составляет 15-18 МПа [6] область применения этих машин ограничивается небольшими глубинами скважин.
Более эффективными и высокопроизводительными являются гидроударные машины двойного действия. Например, гидроударники, сконструированные по этому принципу, уже выдержали производственную проверку при бурении на шельф скважин диаметром 130-150 мм с гарантированным моторесурсом 150 ч [7]. На основании накопленного опыта авторами была разработана конструкт гидроударника, предназначенного для бурения газовых скважин в условиях Донбасса.
На рис. 1 показана принципиальная схема гидроударника для ударно-вращательного бурения скважин диаметром более 170 мм. Во время эксплуатации механизм может находиться в двух состояниях - заблокированном (см. рис. 1, а) и рабочем (см. рис. 1, б). Блокировка машины происходит, когда она находится в подвешенном положении (при спуске или подъеме бурового снаряда). Тогда шток с седлом и клапаном занимают крайнее верхнее положение. Жидкость свободно проходит через гидроударник (направление движения жидкости показано стрелками), обеспечивая возможность спуска бурового инструмента с промывкой скважины. Пуск машины в работу происходит при ее постановке на забой и приложении к ней определенной осевой нагрузки. При этом шлицевой узел (см. рис. 1, детали 2 и 3) смыкается, седло уплотненной частью входит в цилиндр, перекрывая кольцевой канал, по которому жидкость перетекала в скважину. Происходит запуск гидроударника. Под давлением жидкости поршень совершает возвратно-поступательное движение, при этом в подпоршневой полости постоянно поддерживается рабочее давление, а надпоршневая полость при помощи клапанной группы (см. рис. 1, детали 5 и 7) соединяется со скважиной при ходе бойка вверх и с нагнетательной магистралью при ходе бойка вниз. При движении вниз боек наносит удар по нижней наковальне, соединенной с породоразрушающим инструментом. Отработанная в гидроударнике жидкость подается на забой скважины. Для предложенной схемы гидроударника выполнен необходимый комплекс проектных расчетов, на основе которых проведено трехмерное компьютерное моделирование конструкции.
По сравнению с известными механизмами типа ВВО, разработанный гидроударник, относящийся к классу машин двойного действия, имеет повышенный моторесурс и способен развивать более высокие частотно-энергетические параметры. Однако его практическое использование ставит задачу создания бурового инструмента, имеющего достаточный срок службы и способного выдерживать высокие динамические усилия, необходимые для эффективного разрушения абразивных и перемежающихся пород V-IХ категорий.