РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОФИЛИРОВАНИЯ И МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО БУРОВОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ БУРЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН

Рассмотрена методика расчета профиля восстающей криволинейной скважины, пробуренной из подземной горной выработки. Описана конструкция и принцип действия бурового снаряда для бурения с заданной кривизной профиля скважины.

Ключевые слова: подземное бурение, восстающая скважина, профиль, радиус искривления, отклонитель непрерывного действия

The design procedure of a profile of the rising curvilinear well drilled from an underground excavation is considered. The design and a principle of action of a chisel shell for drilling with the set curvature of a profile of a well is described.

Key words: the underground drilling, rising well, profile, curvature radius, deflecting tool of continuous action

Розглянуто методику розрахунку профілю криволінійної свердловини, що повстає, пробуреної з підземного гірського вироблення. Описана конструкція і принцип дії бурового снаряда для буріння із заданою кривизною профілю свердловини.

Ключові слова: підземне буріння, свердловина, що повстає, профіль, радіус викривлення, відхілювач безперервної дії

Современное состояние подземного бурения в угольных шахтах характеризуется отсутствием цельного технического и организационного подхода к его проведению.

Значительное количество буримых из подземных выработок скважин предназначено для предварительной дегазации, схема которой зависит от системы разработки угольных пластов и проводится как по углю, так и вмещающим породам. Это в свое время обусловило использование для бурения дегазационных скважин геологоразведочных станков и инструмента, не вполне подходящих для шахтных условий, особенно в условиях бескернового бурения восстающих скважин. По-прежнему открытыми остаются ряд вопросов, составляющих суть как технической, так и технологической основы методики подземного бурения.

Современное зарубежное буровое оборудование для проведения дегазации является высокопроизводительным, но его закупка и массовое внедрение в значительной степени сдерживается высокой стоимостью и затратами на обслуживание и ремонт.

Выходом из сложившейся ситуации в настоящий момент может стать внедрение ранее разработанных технических средств и технологий, не реализованных ранее в силу ряда причин экономического и организационного характера. В 80-90–х годах прошлого века на кафедре технологии и техники геологоразведочных работ Донецкого политехнического института (ныне ДонНТУ) совместно с Тематической экспедицией ПО «Укруглегеология» проводились научно-исследовательские работы по разработке и внедрению в производство бурового оборудования и инструмента для подземного бурения скважин. Были созданы инклинометр оперативного контроля положения скважины ИОШ, гидравлический ориентатор бурового снаряда ОГШ, отклонители разового (СНБ-2Р) и непрерывного (ОНДГ) действия и другие технические средства направленного бурения [1].

В настоящий момент в ДонНТУ проводятся работы по созданию модернизированных под современные требования образцов бурового инструмента на основе существующих конструктивных схем.

При бурении скважин из подземных горных выработок преобладает восстающее их направление, сочетающее прямолинейные и криволинейные участки. Сами скважины в зависимости от горно-геологических условий залегания дегазируемого пласта и условий забуривания могут быть как плоско- так и пространственно-искривленными. Скважины, буримые их подземных горных выработок могут профилироваться по простиранию пласта при его горизонтальном залегании, по восстанию пласта и по падению пласта. Исходя их особенностей размещения бурового оборудования, дегазационная скважина должна иметь криволинейный и прямолинейный участки, причем прямолинейная часть скважины параллельна горной выработке [2].

На рис. 1 дана схема для расчета параметров профиля скважины, при горизонтальном залегании пласта.

Рис. 1. Схема к расчету плоско-пространственного профиля скважины

Случаи строго горизонтального залегания пласта встречаются редко, но описание такой схемы является общим случаем, необходимым для дальнейшего рассмотрения частных случаев профилирования скважины.

Для определения параметров плоско-пространственного профиля скважины приняты следующие условия (рис. 1):

1. Скважина искривляется по дуге О₁В окружности заданного радиуса R.

2. Точка забуривания скважины О находится на штреке на уровне кровли разрабатываемого пласта.

3. В точке В входа в дегазируемый пласт (верхний по схеме) скважина горизонтальна.

4. Межпластовая мощность составляет m₀.

5. Касательная к скважине в точке В, то есть прямолинейный участок скважины ВВ₁, параллелен оси штрека ОА.

6. Задано расстояние АD = S от оси штрека ОА до горизонтальной проекции DD₁ прямолинейного участка скважины.

7. Дуга РВ является четвертью окружности, плоскость РО₁Q – горизонтальна, СО₁Q – вертикальна, а плоскость окружности наклонена к горизонтальной под углом β.

8. Приняты координатные оси XYZ с центром точке забуривания, а указанные на схеме направления приняты за положительные.

Кривая ODD₁ является проекцией оси скважины на горизонтальную плоскость.

Исходя из построенной схемы профиля, координаты точки входа скважины в пласт определяется как:

,

Абсцисса точки В равняется АО. Из треугольника АО₁О получаем:

(1)

Также , где .

Из треугольника ABD имеем:

.

Отсюда

,

и, следовательно,

(2)

Очевидно, что угол .

Угол наклона плоскости скважины к горизонту определяется из выражения:

(3)

Рассмотрение пирамиды АСFО с вершиной в С, грани которой являются прямоугольными треугольниками, показывает, что

,

,

где η₀ – угол наклона скважины при забуривании,

δ₀ – угол разворота скважины от оси штрека.

Таким образом, получим:

	(4)
	(5)

Для целей проектирования профиля скважины необходимо определить координаты любой точки N скважины, расположенной на длине l_N от устья, угол наклона η_N скважины в этой точке и разворот ее относительно оси штрека δ_N. Последний определяет азимутальное направление скважины, т.к. азимут штрека известен.

Рассмотрение построений связанных с произвольной точкой N (треугольников А₁С₁N, A₁F₁N, F₁C₁N) показывают, что они аналогичны построениям для точки О, причем положение точки N зависит от величины центрального угла ε_N. Этот угол равен:

(6)

где l_N – длина скважины от устья до точки N.

Тогда,

	(7)
	(8)

Координатами точки N являются:

X_N= OT = AO – AT = AO – A₁N,

Y_N = TN₁ = AE = AD – ED,

Z_N = NN₁ = A₁E.

При этом из геометрии профиля имеем:

Отсюда с учетом геометрических преобразований получаем:

	(9)
	(10)
	(11)

Используя формулы (1) – (11), можно получить все данные, необходимые для проектирования скважины, построения ее проекций и контроля за фактическим положением.

В настоящий момент на кафедре ТТГР ДонНТУ разработана и тестируется программа расчета на ПЭВМ, позволяющая выполнить профилирование скважины для случаев бурения по горизонтальному пласту, по восстанию пласта и по падению пласта.

При проведении бурения криволинейных участков дегазационных скважин целесообразно применять отклонители непрерывного действия с фиксированным значением обеспечиваемого радиуса кривизны R. Для этих целей выполняются работы по созданию многофункционального бурового комплекса, предназначенного для ориентирования и бурения направленных скважин.

Конструктивно комплекс включает два основных блока: ориентирующий и отклоняющий (рис. 2). За основу ориентирующего блока использована система шарикового ориентатора, в целом аналогичная ориентатору серии ОГШ конструкции ДПИ [3]. Отклоняющая система комплекса представляет собой усовершенствованный отклонитель с гидромеханическим распором спроектированный на основе отклонителя ОНДГ-93МР конструкции ДПИ и ПО «Укруглегеология» [4].

Рис. 2. Буровой комплекс направленного бурения

Распорный блок состоит из корпуса камеры 9 с ползуном 6, выходящим за габариты корпуса под действием расширяющейся резиновой камеры 7, охватывающей вал - трубу 10. В теле трубы выполнено отверстие, сообщающееся с внутренней полостью резиновой камеры. Концы резиновой камеры 7 закреплены в корпусе 9 с помощью конусов 8. Ползун 6 снабжен набором роликов 14, которые при выдвижении ползуна контактируют со стенкой, удерживая корпус отклонителя от поворота. Предельный выход ползуна ограничен упорами 15, закрепленными на корпусе камеры с помощью винтов и свободно расположенными в пазах ползуна.

К корпусу камеры присоединен корпус подшипников 11, в котором размещен блок упорных шарикоподшипников 16 и радиальных роликоподшипников 17. Для предотвращения утечек промывочной жидкости в корпусе 11 установлены манжеты 18. Поверхность корпуса 11 выполнена в виде эксцентричной втулки. Наружная поверхность корпусов 2 и 11 армированной твердосплавными вставками выполняющими функцию опорных элементов, регулирующих интенсивность искривления скважины.

К верхней части корпуса отклонителя на резьбе присоединен ориентирующий ниппель 4. К ниппелю 4 присоединен корпус 2, внутри которого размещены два радиальных шарикоподшипника, разделенных между собой распорным кольцом. Защита подшипников от воздействия промывочной жидкости и частиц шлама осуществляется уплотнительным резиновым кольцом 13. Внутренняя часть ориентирующего ниппеля имеет пазы для сопряжения с валом отклонителя. В нижней части ниппеля выполнен паз, предназначенный для размещения ориентирующего шара 3 при ориентировании корпуса отклонителя.

Через корпус 2 и ориентирующий ниппель 4 проходит верхний вал 1. На его поверхности расположен блокировочный шпоночный узел, сопрягаемый с пазами ориентирующего ниппеля.

В нижней части верхнего вала размещен шпоночный разъем 5, предназначенный для компенсации смещения вала при ориентировании. Вал снабжен отверстиями для прохода промывочной жидкости, которые предназначены для сигнализации об окончании процесса ориентирования.

В кольцевой полости, образованной внутренней поверхностью ниппеля 4 и расточкой верхнего вала 1 под шпоночным участком вала, размещен ориентирующий шар 3, свободно перекатывающийся в исходном положении под действием силы тяжести.

Разрабатываемый комплекс работает следующим образом. Процесс ориентирования отклонителя заключается в следующем: Выполняют подтягивание вала за колонну бурильных труб. При этом верхний вал 1 получает возможность небольшого смещения вверх по шпоночному разъему ниппеля 4. Это освобождает шар 3, который перекатывается по кольцевой полости, занимая положение, соответствующее нижней образующей апсидальной плоскости скважины. Опускают снаряд до забоя, включают подачу промывочной жидкости и начинают медленное проворачивание корпуса снаряда через колонну бурильных труб. При этом осуществляют периодическое подтягивание и опускание верхнего вала 1 (при ориентировании в горизонтальных и восстающих скважинах осуществляется периодическая досылка и извлечение верхнего вала). Корпус проворачивается благодаря шпоночному сопряжению с валом. В тот момент, когда положение паза совпадет с нижней образующей апсидальной плоскости скважины, ориентирующий шар 3 переместится в паз ниппеля 4. Благодаря этому вал 1 сместится вниз по корпусу отклонителя, разъединится шпоночное соединение вала и корпуса, сместится вниз нижний шпоночный разъем, тем самым открыв боковые отверстия вала, и промывочная жидкость получит возможность выхода. Давление в подводящей линии резко снизится, что даст гидравлический сигнал о завершении ориентирования, отмечаемый по манометру.

Благодаря наличию дросселирующей втулки 12, во внутренней полости вала 10 создается повышенное давление, что приводит к расширению резиновой камеры 7 и выдвижению ползуна 6 до упора его роликов 14 в стенку скважины. Корпуса 2 и 11, упираясь в противоположную стенку скважины твердосплавными вставками на эксцентричных выступах, обеспечивают заданный перекос оси снаряда.

Применение данного комплекса направленного бурения позволяет повысить надежность работ по искривлению, так как устраняются такие причины отказов из-за дезориентации снаряда, как случайное или намеренное снятие осевой нагрузки, запуск снаряда в нагруженном состоянии и др. Наличие шарикового ориентирующего узла позволяет исключить использование веса снаряда для разворота корпуса отклонителя под требуемым углом установки, а значит эффективно использовать разработанный снаряд для бурения как наклонных, так и горизонтальных и восстающих скважин.

Литература

1. Юшков, А. С. Новые технические средства для искусственного искривления скважин при подземном бурении / А. С. Юшков, А. Д. Корсаков // Техн. и технол. геол.развед. работ в Сибири / Томск: Изд. ТПИ. – 1981. – С. 69 - 75.

2. Юшков, А. С. Проектирование криволинейных восстающих скважин сложного профиля: реф. карты / А. С. Юшков. – М.: ЦНИЭИуголь, 1979. – 18 с. - Вып.10 (118). - №835. - Деп. в ЦНИЭИуголь, № 1527.

3. А. с. 595497 СССР, М. Кл². Е 21 В 47/022. Гидравлический ориентатор / А. С. Юшков; Донец. политехн. ин-т (СССР). - № 2148082/22-03; заявл. 25.06.1975; опубл. 28.02.1978, Бюл. № 8.

4. А. с. 744106 СССР, М. Кл². Е 21 В 7/08. Снаряд для направленного бурения / А. С. Юшков, Б. Ф. Головченко, А. Д. Корсаков, О. П. Приходько, В. Г. Рожков, Т. Н. Филимоненко; Донец. политехн. ин-т и Тематическая экспедиция Производственного объединения «Укруглеология» (СССР). - № 2582171/22-03; заявл. 20.02.1978; опубл. 30.06.1980, Бюл. № 24.