автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Теоретические и экспериментальные исследования основ механики разрушения горных пород в процессе формирования стволов скважин заданного направления и кривизны

На правах рукописи

НЕСКОРОМНЫХ Вячеслав Васильевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В ПРОЦЕССЕ ФОРМИРОВАНИЯ СТВОЛОВ СКВАЖИН ЗАДАННОГО НАПРАВЛЕНИЯ И КРИВИЗНЫ

Специальность 05.15.14 - "Технология и техника геологоразведочных работ"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск -

1998

Работа выполнена в Иркутском государственном техническом университете

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Мельничук Игорь Павлович

доктор технических наук, доцент Николаев Николай Иванович

доктор технических наук, профессор Сулакшин Степан Степанович

Ведущая организация: государственное федеральное унитарное

предприятие «Сосновгеология»

Защита диссертации состоится 24 июня 1998 г. в 15 часов в 111 аудитории 1 корпуса на заседании диссертационного совета Д 063.80.08 при Томском политехническом университете по адресу: 634034, г. Томск, пр. Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан «мая 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

П.С.Чубик

1. Актуальность проблемы

Бурение имеет решающее значение на различных этапах разведки и жоения месторождений минерального сырья. Направленное бурение, как »вокупность разнообразных технологий и технических средств, являясь »ставной частью технической системы бурения, призвано решать одну из окнейших задач геологического задания - формирование стволов сква-ин с качественными параметрами кривизны и с безусловным подсечением дашх залежей в заданных узких пределах.

Технический прогресс определяет тенденции развития буровой тех-пси и технологий, основные положения которых сводятся к повышению шцентрации энергии на забое. Новые технологии безусловно решают за-1чи роста скоростей бурения, качественных показателей и в то же время авят новые и разнообразные задачи по оперативному и безаварийному травлению кривизной и направлением скважин. При этом очевидна необ->димость перехода от преимущественной корректировки направления важин техническими средствами искусственного искривления к широко/ использованию технологических методов управления пространствен-.ши параметрами стволов непосредственно в процессе их углубки.

Реализация новых методов, соответственно разработка необходи-лх, для их реализации, новых и современных технологий, технических едств и инструментов невозможны без глубокого теоретического и экс-:риментального исследования механики разрушения горных пород, в ■рвую очередь анизотропных и перемежающихся по твердости. Здесь >айне важно выявить, а при разработке объектов техники учитывать, си->вые факторы, возникновение которых связано с процессами разрушения >.нных пород и которые задают направление искривления стволов сква-т и его темп.

Новые данные о механизме формирования дестабилизирующих сил и ментов сил, полученные в связи с процессами упруго-пластического де->рмирования и разрушения, распределения напряжений под торцами ердых тел и инструментов, резания-скалывания породы при вращатель-ад бурении позволили предложить и новые критерии выбора параметров [струментов, буровых компоновок и технологических режимов бурения, здать новые конструкции технических средств. Углубленный анализ юцессов разрушения различных по степени и формам влияния на ис-ивляемость скважин горных пород показал, что полное устранение стабилизирующих направление скважин сил и моментов сил достигается :шь при бурении изотропных пород, когда названные силовые факторы 1еют техногенный характер. При бурении анизотропных или переме-1ющихся по твердости горных пород возможна при механическом раз-шении лишь минимизация указанных сил и моментов сил, а полное транение отклонения скважин от заданного направления возможно лишь счет дополнительного и направленного породоразрушающего воздей-вия на забой и (или) стенку скважины. В качестве указанного дополни-

з

тельного породоразрушающего воздействия предложены новые способ и ус ройство направленного бурения внеценгренным приложением ударов к порода разрушающему инструменту.

Исследования механизма и установление закономерностей разрушения з; боя, представленного породами различной твердости, позволяло решить зада1 оперативного и надежного забуривания дополнительных стволов скважин с и< кусственных забоев, менее твердых и упругих, чем горные породы в ингервш забуривания, отклонителями непрерывного действия. Учитывая, что в тверды породах для забуривания применяются малопроизводительные и потенциалы аварийные технические средства, данная технология и разработанные инстр; менты представляются актуальными.

Таким образом, в диссертации концептуально, на основе новых результ; тов, полученных при исследовании механики разрушения твердых анизотро! ных и перемежающихся по твердости горных пород, решены задачи управлеш направлением и кривизной скважин. В данном случае представляются полезнь ми и важными для развития теории бурения новые научные результаты о пр< цессах разрушения горных пород, а технические разработки актуальными с то1 ки зрения промышленного использования.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре технологии и техник разведки МПИ Иркутского гос. техн. университета с 1981 г. и начата при нау1 ном консультировании докт. техн. наук И.Н.Страбыкина.

В процессе работы над диссертацией автор пользовался поддержкой консультациями специалистов кафедр технологии и техники разведки МПИ Щ кутского государственного технического университета и Томского полигехш ческого университета, которым выражает свои признательность и благода^ ность.

Исследования и разработки выполнялись в соответствии с координацией ными планами НИР и ОКР Мингео СССР, планов Геолкома России по разрг ботке и совершенствованию технологии и технических средств направленног бурения при выполнении хоздоговорных НИР с ПРО "Сосновгеология" ( отче №01829009439, 1985 г.) сПГО "Дальгеология" (отчет №01850017652, 1987 г.; гранта Госкомитета России по высшему образованию за 1996-97 г.

2. Основная цель работы - изучить механизм, действующие факторы закономерности формирования направления ствола скважины при разрушени буровым инструментом в процессе вращательного бурения изотропных, анизс тронных и контактирующих горных пород и искусственных образований раз личной твердости и упругости с целью создания новых объектов техники дл управления кривизной и направлением скважин.

3. Методика исследований. Использованные методы исследований можно характеризовать как сочетание математического и расчетного анализа с экспериментами в стендовых и производственных условиях.

Исследования включали :

- критический анализ и обобщение имеющихся в СНГ и других странах опубликованных данных о процессах разрушения твердых изотропных, анизо-гропных и перемежающихся по твердости горных пород, процессах естественного искривления скважин, методах и технических средствах направленного Зурения;

- математический анализ процессов деформирования и разрушения твердых горных пород: изотропных, анизотропных и перемежающихся по твердости с учетом основных составляющих разрушения при вращательном бурении, механизма искривления скважин, работы буровых компоновок;

- разработку методик и опытных установок для осуществления экспериментальных работ, как правило с использованием методов планирования эксперимента, по изучению процессов искривления скважин в анизотропных и геремежающихся по твердости горных породах, механики упругопластическо-:о деформирования анизотропной породы и опытного определения силовых параметров анизотропных горных пород, разработку методов исследования работы буровых компоновок в производственных условиях;

- разработку теоретических основ для выбора параметров буровых ком-юновок и породоразрушающих инструментов для бурения скважин в условиях естественного искривления, забуривания дополнительных стволов скважин с яскусственных забоев;

- разработку и изготовление макетов и опытных образцов компоновок щя снижения естественного искривления скважин;

- разработку методики испытаний разработанных технических средств в троизводственных условиях, обработку результатов испытаний;

- разработку рекомендаций по управлению направлением и кривизной жважин при бурении анизотропных и перемежающихся по твердости горных юрод и по забуриванию дополнительных стволов скважин с искусственных ¡абоев, менее твердых и упругих, чем горные породы в интервале забуривания.

При расчетном анализе использовались ЭВМ типа PC/AT, методы математической статистики и планирования эксперимента. При экспериментальных «следованиях использовались электрические, гидравлические и механические /гетоды измерений.

4. Научная новизна результатов состоит:

- в теоретическом и экспериментальном изучении механизма разрушения шизотропной горной породы, на основании которого выделены асимметрич-ше формы поля механических напряжений под торцами иденторов и породо->азрушающих инструментов, определено наличие опрокидывающего момента, ;ак результата неравенства упругих реакций деформируемой породы и уста-

новлена функциональная связь данного силового параметра с углом встреч инструмента со слоистостью или сланцеватостью, с анизотропностью пород по модулю упругости, параметрам прочности и внутреннего трения, с формо размерами и конструкцией породоразрушающих инструментов, а также опр делено влияние данного силового параметра на процессы формирования н правления и кривизны ствола скважин при вращательном бурении;

- в установлении механизма формирования направления стволов скважк при пересечении буровым инструментом в процессе вращательного бурен* перемежающихся по твердости горных пород, заключающегося в совокупно проявлении выделенных аналитически разнохарактерных силовых факторо: отклоняющего усилия и моментов упругих реакций, а также сил сопротивлеш резанию-скалыванию различных пород, задающих интервалы локальной кр] визны и различной направленности, геометрическая сумма которых на знач! тельном интервале и определяет направление и кривизну ствола скважин;

- в разработке аналитической модели механизма искривления скважи при вращательном бурении, на основе единства процессов асимметрично! разрушения забоя и фрезерования стенки скважины, осуществляемые под во: действием сил, проявляющихся при разрушении изотропных или анизотро1 ных или перемежающихся по твердости горных пород и при реализации ра: личных видов движения деформированной буровой компоновки, на основани которой разработаны новые конструкции коронок и буровых компоновок дл шарошечного и алмазного бурения;

- в разработке нового способа управления направлением и регулирована кривизны скважин при разрушении горной породы на забое внецентренны приложением ударов к породоразрушающему инструменту, на основании к< торого предложен новый тип отклонителя на базе забойной машины ударнох двойного действия;

- в аналитическом и экспериментальном исследовании механизма заб} ривания дополнительного ствола скважины с искусственного забоя, мене твердого и упругого, чем горные породы, отклонителями непрерывного дейс' вия, заключающегося во взаимосвязи действующих силовых факторов со стс роны стенки и искусственного забоя скважины, параметрами отклонителе! отличающихся реализуемым механизмом набора кривизны, режима бурения породоразрушающих инструментов, на основании которого разработаны не вые типы долот и технология забуривания дополнительных стволов скважин искусственных забоев менее твердых и упругих, чем горная порода в шггерв; ле забуривания.

5. Практическая ценность н реализация работы.

Разработаны научные основы разработки новых типов породоразрушак щих инструментов и буровых компоновок, обеспечивающие снижение искрш ления скважин в анизотропных и перемежающихся по твердости горных поре

(ах. Ряд разработок зарегистрированы как изобретения, а некоторые из них 'спешно испытаны и внедрены в ПГО Сосновгеология.

Создан новый способ направленного бурения внецентренным приложе-[ием ударов к породоразрушающему инструменту на основе которого предложена конструкция забойной ударной машины для управления направлением кважин с регулированием кривизны в широких пределах.

Разработана технология и новые типы долот для забуривания дополни-сльных стволов скважин с искусственных забоев отклонителями непрерывно-о действия, позволяющие осуществлять забуривание в стенку скважины с забоев малой твердости в породах УШ-Х категорий по буримости с высокой на-;ежностыо и в минимальные сроки. Разработки испытаны и внедрены в ПГО Сосновгеология".

Все основные разработки выполнены на уровне изобретений.

Внедрение в производство технических средств направленного бурения, озданных при выполнении диссертации, позволило получить экономический ффект 177 тыс.руб. (цены 1985-89 гг.).

6. Обсуждение работы.

Основные результаты исследований и разработок докладывались на на-чно-технических конференциях (НТК) ИрГТУ, научно-технических советах [ГО "Сосновгеология" и ГРЭ 324 в 1984-86 гг., на кафедре разведочного буре-ия МГРИ в 1986, 87 гг., на научно-техническом совете ЗабНИИ Мингео ССР, г.Чита, 1987 г., на межреспуб. НТК в УГТА, г.Екатеринбург, 1994 г., на сероссийской НТК в ТПУ, г.Томск, 1994 г., на НТК в КГАМЦЗ, г.Красноярск, 996 г.,на кафедрах технологии и техники разведки МПИ в ТПУ и УГТА в 1997

7. Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 5 брошюрах (4 обзора ИЭМС и АО "Геоинформмарк", 1 брошюра депонирована ВИНИТИ), 1 учеб-ом пособии, 22 статьях, 10 авторских свидетельствах и 2 патентах России на зобретение.

8. Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения. Список использо-шной литературы содержит 104 источника.

Во Введении дается общая характеристика работы, обосновывается акту-тьносгь исследований, их научная и практическая значимость.

В главе 1 приводится критический анализ и обобщение теоретических, пытных и производственных данных о механизме разрушения горных пород ри искривлении скважин в анизотропных и перемежающихся по твердости зрных породах, о технологиях, технических средствах и инструментах приме-яемых для снижения естественного искривления скважин и забуривания до-элнительных стволов с искусственных забоев.

В главе 2 дается экономическое обоснование эффективности технолога ческих методов управления направлением и кривизной скважин.

В главе 3 изложены аналитические и экспериментальные исследовани механики разрушения изотропных и анизотропных горных пород при статиче ском нагружении и в процессе вращательного бурения.

В главе 4 изложены результаты аналитических и экспериментальных рг бот по изучению механизма формирования стволов скважин при пересечени буровым инструментом контактов горных пород различной твердости.

В главе 5 изложены результаты механизма искривления скважин и мете дологические основы выбора параметров буровых компоновок и инструменто для проходки скважин в анизотропных и перемежающихся по твердости поро дах, приведены разработанные конструкции объектов техники.

В главе 6 приводятся исследования и результаты разработки методов ] технических средств забуривания дополнительных стволов с искусственны забоев отклонителями непрерывного действия.

В главе 7 приведены результаты промышленного освоения технологиче ских и технических решений, созданных для управления направлением и кри визной скважин.

В заключении приводятся общие выводы и рекомендации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В своих исследованиях автор опирался на богатый материал по пробле мам направленного бурения, разрушения горных пород, работы бурильной ко лонны, созданный трудами отечественных и зарубежных ученых Л.А.Шрейнером, Б.И.Воздвиженским, Е.Ф.Эпштейном, Ф.А.Шамшевым С.С.Сулакшиным, А.Г.Калининым, Ю.Т.Морозовым, И.Н.Страбыкиньш Ю.Л.Боярко, В.С.Владиславлевым, Р.М.Эйгелесом, В.В.Кривошеевым В.П.Зиненко, Ю.С.Костиным, А.Е.Колесниковым, И.П.Мелышчуком М.Р.Мавлютовым, Б.З.Султановым, Л.Г.Шолоховым, Н.А.Григоряном Л.Я.Сушоном, Е.ЛЛимановым, Л.А.Лачиняном, А.И. Остроушко Ч.Л.Мочульским, В.Бредли, А.Лубинским, Г.Вудсом, Ф.А.Бобылевым К.Н.Абдильдиновым, А.С.Станишевским, М.Ж.Музопаровым

В.В.Перминовым, В.Т.Лукьяновым, В.Г.Григулецким, А.И.Уржумовым Н.А.Бугловым, В.Е.Копыловым, В.Н.Алексеевым, Г.А.Воробьевым Е.И.Быченковым, Г.А.Блиновым, Б.Е. Стебловым, Ф.Д.Вытоптовым и др.

Критический анализ работ, опубликованных, названными специалистами показал, что разработка технологических методов, инструментов и других объ ектов техники, предназначенных для управления процессом естественного ис кривления, а также решения ряда других задач направленного бурения невоз можны без глубокого исследования различных аспектов механизма разрушена

изотропных, анизотропных и перемежающихся по твердости горных пород. При этом крайне важно аналитически выделить основные силовые составляющие механики искривления стволов скважин, возникновение которых определено взаимодействием инструмента и, например, анизотропной упруго-пластичной среды с определенными текстурными и структурными признаками.

В то же время существенная роль в процессе естественного искривления принадлежит динамическим процессам работы бурового инструмента и деформированных буровых компоновок. Следует отметить, что в связи с тенденциями уменьшения диаметров скважин, повышения частот вращения колонн и появления др. составляющих современного бурения значимость влшпшя на процесс бурения дестабилизирующих работу инструмента и направление скважин силовых факторов, а также динамики инструмента и колонн повышается существенно, т.к. резко снижается устойчивость и возрастают удельная силовая и энергетическая загруженность колонны, буровых компоновок и инструментов. При этом хоть и очевидна поверхностно связь процессов разрушения породы на забое, динамики буровой компоновки и формирования криволинейного или относительного прямолинейного ствола, многие составляющие этих процессов, их взаимовлияние и зависимость от множества факторов не исследованы. Но поскольку эти взаимосвязанные процессы, при условии управляемости путем использования новых технических решений, и составляют существо технологических методов управления процессом искривления скважин, необходимо их исследование в совокупности с целью как познания процессов, так и создания новых технологических и технических решений, которые бы составили рабочий арсенал новых технологий.

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные защищаемые положения.

1. Технологические методы управления процессом естественного искривления скважин наиболее выгодны экономически и эффективны при использовании современных технологий, высоких производительности буровых работ (1Т) и интенсивности естественного искривления (1), а методы искусственной корректировки направления скважины отличаются тем, что сводят к прогрессирующему, по мере роста П я и минимуму преимущества современных и скоростных технологий бурения при проходке скважин в анизотропных и перемежающихся по твердости горных породах.

Стоимость метра скважины, пробуренной с использованием методов направленного бурения, рассчитывается из зависимости общего вида с включением в расшифрованном виде входящих составляющих:

Сет Со ± Си+ Се + Су

Сн= -=- , (1)

п-дп

где Сст - стоимость станко-смены работы бурового агрегата без затрат н истирающие материалы и компоновки, руб.; С0, Си ,Се , Су - затраты соответственно на:

- на постановку отклонитедей; истирающие материалы и компоновки; разра ботку методики учета закономерностей естественного искривления; бурени интервалов удлинения или укорачивания стволов скважин, вследствие их за ложения с упреждением по типовым кривым, отнесенные к затратам на одн станко-смену, руб.;

П - производительность бурения за одну станко-смену, м.;

ДП - потери производительности, связанные с направленным бурением за одну

станко-смену, м.

Как следует из анализа зависимости (1) глубокий минимум значения С] возможен при выполнении следующих условий:

- использование для проходки скважин оригинальных технологий управ ления процессом естественного искривления и соответствующих компоновок обладающих высокой стабилизирующей способностью при минимальной не стоимости и максимальном ресурсе, а также повышающие основные показате ли бурения - механическую скорость и рейсовую проходку;

- бурение скважин по типовым кривым, полученных с максимально воз можной достоверностью и с наибольшим распространением по геологическое площади, на которой ведутся буровые работы;

- использование для искусственного искривления недорогих технически) средств и инструментов, способных реализовать кривизну с высокой точно стью, надежностью и в минимальные сроки, при этом наибольшей эффектна ностью обладают технологические методы управления процессом искривление скважин.

Приведенные условия, для получения минимума Сн, являются интеграль ными, т.к. каждое включает сумму разнообразных параметров и факторов, a i то же время отражают все основные тенденции совершенствования методов v техники направленного бурения.

Для расчета Сн разработана программа для ШМ PC/AT и совместимых < ней, согласно которой проведен анализ технологий направленного бурения i ПГО "Сосновгеология". Сравнительная оценка технологий показала, что экономически невыгодно для проводки скважин по заданным трассам применение только отклонителей, поскольку при росте производительности буровых работ и интенсивности естественного искривления, затраты на корректировку направления скважины скрадывают экономический эффект от использования новых инструментов, технологий и оборудования. В то же время наглядно проявляются преимущества технологических методов управления процессом естественного искривления. Для условий ПГО "Сосновгеология" таковыми оказались: анализ использования закономерностей естественного искривления пря различных способах бурения, и применение для снижения искривления раз-

1ичных буровых компоновок при огарочном, алмазном и пневмоударном буре-1ИИ.

2. В процессе упруго-пластического деформирования изотропной породы гдро под торцом индентора (резца) формируется в виде симметричной шаро-юй формы при внедрении индентора без перекоса или асимметричной формы ) случае внедрения индентора с перекосом. В ядре сжатия, в момент перехода к шастическому деформированию, порода теряет свои упругие свойства, а упругие реакщш породы воздействуют на торец индентора через ядро сжатия порода, соответственно симметричной шаровой или асимметричной форм. По-:кольку появление дестабилизирующих работу инструмента поперечных сил и .юментов сил наблюдается при перекосе инструмента на забое, величина этих ¡иловых факторов очевидно связана с параметрами асимметрии ядра сжатия юроды.

При рассмотрении процесса упруго-пластического деформирования по-юды определено, что упругая реакция породы на внедрение индентора (резца) шределяется из зависимости:

РР = Р(1-18ф) , (2)

-де Р - осевая нагрузка на индентор, кН;

ф - угол внутреннего трения в деформируемом объеме породы, градус. Соэффициент внутреннего трения позволяет связать упругие реакщш породы т внедряемый твердое тело с параметрами прочности и пластичности горной юроды.

Из вышеприведенного материала следует, что под индентором (резцом) в гроцессе упруго-пластического деформирования возникает и развивается до .юмента выкола лунки буферная зона из разрушенной в порошок породы, которая в сжатом объеме приобретает свойства псевдожидкости (определение Л.Р.Мавлютова, ЮЛ.Боярко). Реакции упруго-сжатой породы воздействуют, :аким образом, на индентор или резцы инструмента через ядро сжатия. Следо-ительно, форма и размеры ядра сжатия играют решающую роль в формирова-ши упругих реакций разрушаемой породы, их векторной направленности, а мачит и в формировании дестабилизирующих работу инструмента сил и моментов сил. Так, например, при перекосе инструмента на забое, когда его резцы ;аглублены в изотропную породу неравномерно, со стороны забоя воздействует упругие реакции породы, обеспечивающие появление реактивного момента Мр), уравновешивающего изгибающий момент со стороны деформированной 1ли перекошенной без изгиба компоновки (Мк):

МР=0,57- п • ш • а • Р* (1- • уп , (3)

и

где r| - показатель устойчивости равный R2 для долота (торец в форме круга

(i?2 + rR + г1)

и Л—---—L дт КОрОНКИ (Торец в форме кольца);

(i? + г)

R,r - наружный и внутренний радиусы торца инструмента, м; ю - число породоразрушающих элементов на торце инструмента; d - диаметр породоразрушающих резцов (алмазы шарообразной формы), м;

Pw - твердость породы, Па; уп - угол перекоса инструмента на забое, радиан. Показатель г| максимален для коронок с плоским торцом и тонкой матрицей, которые более устойчивы на забое. Минимально устойчивы долота с шарообразной формой торца.

Таким образом, очевиден вывод о том, что поскольку при бурении более интенсивно изнашивается периферийная часть торца, который приобретает криволинейность профиля но внешнему радиусу, изначально заданное значение г) по мере износа инструмента изменяется. В результате возможен рост угла перекоса инструмента на забое по мере увеличения износа инструмента и повышается вероятность бурения криволинейного ствола скважины. Последнее определяется тем, что инструмент имеет меньшее значение показателя устойчивости, или он снизился из-за износа, величина Мр, компенсирующая Мк , обеспечивается повышением угла перекоса инструмента на забое ( см. зависимость 3). Последний же задает значение отклоняющей силы, реализующейся в направлении перекоса: Р0с • sin у„ , где Р0с - осевая нагрузка на инструмент.

Перекос инструмента на забое, соответствующие перекосу различные глубины внедрения породоразрущающих элементов в породу, определяют появление поперечной дестабилизирующей равномерное вращение силы АТ :

ЛТ = 0,3 • m • d • crCK 4r¡ • уп , (4)

где Стек - предел сопротивления породы на скалывание, Па. Точка приложения силы АТ на торце инструмента (.Ог) смещена от геометрического центра на расстояние хд: "П -Ги

х=0,57- , (5)

h

где h - углубка забоя за элементарный отрезок времени, м. Точка Oj является мгновенным центром вращения инструмента, что обеспечивает воздействие последнего на стенку скважины и ее фрезерование, неравномерность вращения с возможным переходом в гипоциклическое. Возможность

гипоциклического движения определяется величиной технологического зазора между инструментом и стенкой скважины.

Как следует из анализа силовые факторы МР, ЛТ, Р0с задаются многими параметрами главным из которых является устойчивость компоновки, выраженная в зависимостях (3-5) через угол перекоса у„.

Таким образом, снижение искривления скважин и повышение эффективности бурения твердых пород связывается с повышением устойчивости компоновок, например, путем использования тонкоматричных или иных коронок с малой площадью торца, инструментов и технологий, обеспечивающих высокое контактное давление на забой при малых значениях осевого усилия на инструмент.

3. При упруго-пластическом деформировании анизотропной породы, вследствие ее различной упругости вдоль и перпендикулярно слоистости или сланцеватости, ядро сжатия под индентором (резцом) приобретает форму близкую к эллипсоиду или параболоиду вращения для пород с двумя плоскостями изотропии и трехосному эллипсоиду или эллиптическому параболоиду для пород с тремя плоскостями изотропии. Указанные формы и их размеры определяются соотношением упругих свойств породы, а также формой торца внедряемого в породу твердого тела. Упругие реакции породы, воздействующие на ядро сжатия, обеспечивают воздействие на внедряемый без перекоса инден-тор (резец) опрокидывающего момента (Мпл), который ориентирует его в направлении перпендикулярно слоистости или сланцеватости, а при определенных условиях возможен критический угол встречи у,д , при котором Моп=0. При углах встречи индентора (резца) со слоистостью или сланцеватостью у < УдуМпп , воздействуя на индентор (резец), ориентирует его вдоль слоистости или сланцеватости.

Аналитическое исследование процесса упруго-пластического деформирования породы с анизотропией упругости позволило выделить асимметричность распределения напряжений в породе и возможные формы ядер сжатия под индентором (резцом). Ядра сжатия, очевидно в зависимости от соотношения модулей упругости, пластических свойств, особенностей индивидуального строения могут иметь форму эллипсоида или параболоида вращения (анизотропность от умеренной до максимальной) для пород с двумя плоскостями изотропии. Для пород с тремя плоскостями изотропии формы ядра сжатия могут быть близки к трехосному эллипсоиду или эллиптическому параболоиду.

На эллиптические формы изолиний напряжений в анизотропных породах указывает также Л.Г.Шолохов. Учитывая, что упругие реакции деформируемой породы воздействуют на внедряемый индентор (резец) через ядро сжатия эллиптической формы, получено уравнение для расчета Моп > действующего на горец цилиндрического индентора:

М0п= Р • Гт [ cos2 у • sin у J-i- (1- tg ф") - sin2 у cos у -¡К (1-tg ф-1)], (8)

где rT - радиус торца индентора, м;

у - угол встречи индентора со слоистостью или сланцеватостью, градус; Ф "> ф1 ■ углы внутреннего трения в деформируемых слоях породы вдоль и пер пендикулярно слоистости или сланцеватости, градус;

К - соотношение модулей упругости породы, замеренные вдоль и перпендикулярно слоистости или сланцеватости.

Выражение в квадратных скобках, которое определяет характеристику М0п * дает его направленность в зависимости от угла у, обозначим символом F (у). Для шарообразного индентора (резца) выражение для расчета М0п имеет

вид:

Mon = 1,25 ■ Р-р ■ F(Y) , (9)

где р - радиус пятна контакта поверхности шара с породой, м.

На рис. 1 дан график Mon = f ("/) при К=1 и 2, tg ф " = 1, tg =0,6 - аргиллит; tg <р " = 0,8 , tg ф1=0,7 - дацит.

Графики на рис.1 показывают рост М0п и снижение величины при повышении К. Зависимость Мод от угла встречи у имеет синусоидальный характер со сменой направления действия для более упругого, чем аргиллит да-цита. Смена направления действия происходит при определенном значении

угла Укр : при больших значениях у > укр действие Mon ориентирует индентор перпендикулярно слойкам пород, При У < Укр вдоль слой-ков. Углы внутреннего трения в деформируемом объеме породы определяют значение упругих реакций и задают как величину Mon» так и значение у^, . Так, например, для пластичных аргиллитов угол укр отсутствует, а поворот индентора, а значит и искривление скважины, вероятнее всего будет происходить в направлении перпендикулярно слоистости или сланцеватости породы.

Величина укр и угол поворота индентора у рассчитываются из формул:

ОД

MOÎI, дан и

К=1 (дацит)

К=2(дацитТ К=1( аргиллит &=2(аргиллит)

0

20

40

60 80 й .градус

Рис.1 Графическая зависимость Моп = f (у) для дацита и аргиллита при внедрении цилиндрического индентора.

l-tg<p'

y„p=arctg ; (10)

K(l-tg91)

для цилиндрического индентора v/ = arcsin F(y); (11)

для шарового индентора v|/ = arcsin ( sin a • F(y)), (12)

где sin a ~pi га, а ra - радиус шарового индентора, м.

Экспериментальные исследования выполнены на буровом стенде и разработанной опытной установке согласно методики комплексной оценки анизо-гропности горных пород. В соответствии с данной методикой определены для дацита анизотропность по буримости, твердости и упругости, коэффициентам внутреннего трения и параметрам прочности, а также замерян, определенный аналитически, угол поворота шарового индентора при упруго-пластическом деформировании при различных у под действием статической нагрузки.

Эксперименты показали, что отмеченные аналитически закономерности упруго-пластического деформирования анизотропной породы подтверждаются. Полученная экспериментально кривая у = f (у) для дацита и других материа-тов соответствует геометрии теоретической функции (кривые на рис.1) с выде-гением у^ , величина которого оказалась очень близка к расчетной. Совпадение расчетных и опытных значений признано удовлетворительным при достаточной достоверности экспериментальных данных.

В соответствии с этим результатом появляется возможность опытной эценки анизотропности горных пород применительно к бурению путем определения силовых факторов, воздействующих на индентор или буровой инструмент при бурении, по результатам опытного определения угла ц/:

м0п=Рос-р-м' ; (13)

Рот=Рос'¥ , (14)

4. Поле механических напряжений под торцом инструмента при вращательном бурении формируется как результат объемно-геометрического суммирования напряжений под каждым отдельным породоразрушающим элементом, I поскольку напряжения в анизотропной породе под каждым отдельным рез-юм развиваются в виде асимметричных эллиптических или параболоидных |юрм, под торцом долота поле напряжений будет иметь вид эллипсоида или шраболоида вращения или близких к ним, а под торцом коронки в виде тора с длиптическими сечениями торового кольца, ориентированных длинной осью ¡крест слоистости или сланцеватости. Величина Мпп, воздействующего на то->ец инструмента при бурении анизотропной породы, определяется размерами

асимметричного поля напряжений, а также величинои осевой нагрузки на инструмент.

Исследования напряженного состояния анизотропной горной породы под торцом бурового инструмента, оснащенного множеством равномернораспреде-ленных по торцу породоразрушаюхцих элементов, показали, что если от каждого элемента напряжения распространяются в виде изоэллипсоидов, то суммарное поле напряжений под плоским торцом долота в виде круга будет иметь вид эллипсоида с центром, совпадающим с геометрическим центром инструмента

(рис.2). Для коронки поле напряжений формируется в виде тора с эллипсовидными сечениями торового кольца.

Линии напряжений в породе под торцами коронок в виде торов отмечены экспериментально Е.И. Быченко-вым.

Анализ распределения упругих реакций породы под торцом инструмента Рц и Рх за пределами контура поля механических напряжений оа (рис 2.) позволил получить уравнение для определения значения опрокидывающего момента:

Моп = Рос [ ЬЦ сое у ■ вш у (1- ф ") ■

Рис.2 Схема к анализу напряженного состояния породы под торцом долота.

51П2 усОЗу^^ф")] ,

(15)

где К.;; , Ра

малой и большой осям, м.

Формулы для расчета значений Гч I и имеют вид:

радиусы эллипсоида по

№ Р,

ос

Щ~а12<7 В

Е,

(16)

Rx=A-y2<7 В

E, 2 [E{ +El)

(17)

где A для долота 0,5 • R, для коронки 0,25 • hM; В для долота 2 R , для коронки 4 hM; h„ - ширина матрицы коронки, м;

Рк- контактное давление на забой, Па;

о - нормальное напряжение в породе по внешнему контуру торца, Па;

Ец , Ех ,v,|, Vj - модули упругости и коэффициенты Пуассона для породы соответственно вдоль и перпендикулярно слоистости или сланцеватости.

Полученный аналитический материал показывает влияние на величину Mon не только анизотропности породы, но и размеров торца инструмента. Повышение Рос приводит к резкому росту Mon > минимум этого силового фактора достигается для коронок в сравнении с долотами равного им диаметра, причем Mon тем меньше, чем тоньше матрица инструмента.

Как следует из анализа теоретического материала конфигурация полей напряжений под торцами инструментов, их ориентация, а значит величина и направленность М0п зависят от формы профиля торцов коронок и долот. Например, сравнение торцов коронок с наружной и внутренней ступенчатостью показывает, что при расположении ступеней по наружному контуру торца асимметрия поля напряжений ориентирована за пределы ствола, что указывает на более высокие значения напряжений в породе в стенке скважины, а потому на преимущественное ее разрушение и отклонение скважины от первоначального направления. При внутренней ступенчатости поле напряжений смещено в сторону керна, что допускает вероятность повышенного разрушения керна, но меньшую склонность скважины к искривлению.

Таким образом, возможна разработка инструментов с различными геометрическими параметрами профилей для решения задач направленного бурения в конкретных горно-геологических условиях. Здесь рационально использование методов моделирования на ПЭВМ, на основе разработанной теории, с целью проектирования таких профилей торцов коронок и долот, которые бы минимизировали Mon и были способны корректировать направления действия этого силового фактора.

Установлено, на основании полученных данных, что величина Mon определяется не только геометрическими параметрами инструментов, но и их конструкцией. Так, например, для шарошечных долот наблюдаются колебания величины Mon в зависимости от ориентации шарошек долота относительно слоистости или сланцеватости. Минимум М0п наблюдается при положении шарошки в тот момент, когда действие М0п направлено перпендикулярно оси ее вра-

щения, т.к. шарнирное соединение, как известно, действие изгибающего мо мента не передае т.

Колебания величины суммарной дестабилизирующей силы за оборот вращения при разрушении анизотропной породы шарошечным долотом зафик сировано экспериментально А.И.Жеребкиным и др.

На основании проведенного исследования разработаны компоновки фа сонного сечения для бурения шарошечными долотами повышенной устойчивости, в которых предусмотрена ориентированная установка долот таким образом, что максимум Mon воспринимаются компоновкой в направлении максимальной жесткости (а.с. №1231199).

Для нейтрализации Mon предлагается разработка инструментов с динамическими шарнирными связями породоразрушающих элементов с корпусом. При реализации этих разработок теоретически возможно создание коронок в долот, которые устраняют действие основного силового фактора, определяющего искривление скважин в анизотропных породах.

5. В процессе резания-скалывания анизотропной породы в плоскости забоя действует усилие AT, как результат геометрического суммирования единичных и не равных сил сопротивления разрушению породы резцами. Неравенство единичных сил, воздействующих на резцы, определяется различными значениями прочности на скалывание породы и коэффициентов внешнего трения при перемещении резцов в направлениях на восстание и по палению слой-ков, а также действием отклоняющего усилия, вызванного упруго-пластическим деформированием породы.

Усилие ДТ определено для инструмента с шарообразными резцами (алмазы) в виде уравнения:

AT = 5

0,02 Ък-d-m

hi-аск ~hvalCK

^ M

>(18)

где Аз = 0,25(А; + ЗЙ3); Ьх = 0,25(/г3 + 3/г,) . средние значения глубин борозд разрушения на забое для каждой из половин торца инструмента, м; Ьь Ь3 - "динамическая" глубина внедрения резцов в породу при перемещении их по падению и на восстание слойков, м;

(д", - коэффициенты внешнего трения резцов о породу при перемещении по падению и на восстание;

с^ск" > <7аГ - пределы прочности на скалывание породы вдоль и перпендикулярно слоистости или сланцеватости, Па;

Оф / ^м - соотношение скоростей фрезерования стенки скважины и углубки забоя.

Глубины внедрения резцов определены из формул:

0,25</2(1 -С)1

1 ос

\-cospsmP /г1 +

Ч V и

т' л' +

Аз = 0,5-4(1 -О)-

0,25с/2 (1-П)2--

1 ос

1-СО5у05т/Я /х1 -р(у)

1

"и

(20)

где

сгск соэ/^т/? о"сК со^рътр С=--т—; В —-т-с—

2 Pw(\±tg(f>)

Р - передний угол резца, определяемый через его заглубление в породу, градус;

Ру/, Ф - твердость и угол внутреннего трения породы, определяемые в направлении перпендикулярно забою.

Расчеты значений 111 > Ь2 показали, что глубина внедрения резцов больше при его перемещении на восстание слойков.

Анализ данных по расчету усилия АТ показал, что в процессе естественного искривления скважин с интенсивностью 0,5+20° на 100 м (иф/им = 0 + 0,0005) усилие АТ задается в основном разностью коэффициентов трения резцов о породу и только при соотношении скоростей фрезерования стенки и углубки забоя более 0,05, что свойственно процессу искусственного искривления, проявляется составляющая отклоняющей силы и отмечается связь усилия АТ со значением угла встречи у. Данный вывод совпадает с экспериментальными данными профессора В.В.Кривошеева.

На основании проведенных исследований сформулированы основные технологические решения для снижения дестабилизирующего усилия АТ при бурении анизотропных пород:

- бурение нужно производить на минимальновозможных осевых нагрузках, но при стремлении к достижению максимальной механической скорости, что достижимо при использовании инструментов, обеспечивающих высокие значения контактного давления на забой при малых значениях осевого усилия, а также при применении гидроударников;

- при росте частоты вращения уменьшается величина напряжений в породе под торцом инструмента, а потому этот параметр режима бурения следует выбирать в основном из условия максимума механической скорости бурения.

6. Механизм формирования направления стволов скважин при пересечении буровым инструментом в процессе вращательного бурения перемежающихся по твердости твердых пород заключается в совокупном проявлении разнохарактерных силовых факторов: отклоняющего усилия ГРпЛ и моментов упругих реакций (Мд.Мг), а также сил сопротивления резанию-скалыванию различных по твердости горных пород, задающих интервалы локальной кривизны и различной направленности, геометрическая сумма которых на значительном интервале и определяет направление и кривизну ствола скважины. Характер изменения и величина изгибающего момента Мд определяются как упругими и прочностными характеристиками контактируемых'пород, так и формой торца инструмента, его конструкцией, в частности асимметрией вооружения.

Формирование локальной кривизны ствола в интервале контакта горных пород различной твердости осуществляется под воздействием упругих и неуравновешенных реакций со стороны контактируемых пород, которые определяют отклонение ствола как в направлении падения контакта (первоначальный интервал), так и в направлении твердой породы. Первый интервал формируется под воздействием отклоняющей силы максимальной в момент встречи инструментом твердой породы и равной нулю при врезании инструмента на 0,5 диаметра торца:

Р = Р

гот гос

К + 1ё<рм -Щ(рт -1

{к+\уёГ

(21)

где К - соотношение модулей упругости контактируемых пород; фт, фм - углы внутреннего трения пород различной твердости, градус; у - угол встречи инструмента и контакта пород, градус.

Анализ зависимости (21) показывает, что Р0т максимально при малых у и более высоких значениях К. Из уравнения (21) следует, что при определенных условиях возможен критический угол встречи у^,, при котором Рот= 0:

/ К + %<рм -Щф* -I Гкр= - ^ -• (22)

Величина угла укр при различных значениях параметров варьирует в диа-

пазоне 0 -г 10°, что соответствует известным и опубликованным данным о значениях критического угла.

По мере врезания инструмента в твердый слой происходит перераспределение реакций забоя, при котором наблюдается рост вертикальных реакций и изгибающего момента Мв. Изгибающий момент минимален, в отличии от Р0т» вначале взаимодействия с твердой породой и максимален при достижении контакта точкой приложения суммарной вертикальной реакции забоя (точка О:). Следуя версии о повороте инструмента под действием вертикальных реакций вокруг точки Оь получена уточненная формула А.С.Станишевского для Мв:

мв=-(*л-*в)\1? ~{х-хс)7

'■-А

-{х-хсу

(23)

где Ста , ств - напряжения под торцом инструмента в твердой и более мягкой породах, Па;

X - текущая координата перемещения контакта по торцу коронки, м;

Хс - расстояние от точки приложения реакции забоя (точка 0{) до линии контакта, м;

X - коэффициент равный 0 при Х> г и 1 при Х< г. Разность напряжений (сгА- Ов) определена для инструмента с шарообразными резцами:

( гг~ - г,—„ \

а

Ъя-М

м

(24)

—д/У где <1 - диаметр резцов, м;

Ьт , Ьм - глубины внедрения резцов в твердую и более мягкую породы соответственно, м;

Ет , , ут , - модули упругости и коэффициенты Пуассона для твердой и более мягкой пород соответственно.

Выражение (24) позволяет более глубоко осмыслить значение и влияние изгибающего момента на искривление скважин, поскольку связывает этот силовой фактор с напряжениями в горных породах и соответственно с типом вооружения инструмента, значением осевого усилия и характером разрушения пород (объемное или поверхностно-усталостное). Последнее определяется соотношением контактного давления на забой, твердостью контактируемых пород и учитывается через глубину внедрения резцов соответственно в твердую и более мягкую породу.

Наряду с формированием кривизны в плоскости перпендикулярной контакту под действием Рот и Мв происходит искривление ствола в направлении простирания контакта под действием отклоняющего момента Мг, который

обеспечивается за счет различной сопротивляемости пород разрушению рез; нием-скалыванием:

2

Мг= з

г?-{х-хг)2Х2-&г-{Х-Хг)

(25;

где с1« , амск - пределы прочности на скалывание твердой и более мягкой пс род, Па;

(Iм - коэффициенты трения резцов о твердую и более мягкую породы; X, - расстояние от точки приложения суммарной реакции сил сопротш ления резанию-скалыванию до контакта пород, м.

Кривые моментов Мв, Мг близки по характеристике, но первый определяе кривизну ствола в вертикальной плоскости, второй, одновременно с первым, плоскости забоя. Направление искривления в плоскости забоя зависит от т правления вращения инструмента.

Характер изменения и величина изгибающего момента Мв также определяете формой торца инструмента и асимметрией вооружения: так для шарочного дс лота, имеющего вытянутую в плане форму торца, происходит колебание вел* чины Мв за один оборот вращения долота на забое при различном положени торца по отношению к контакту (рис.3).

Мц.М^М, дан м; 4

СМ

,4.

\ м ЧЛг 3 ---^ А

"Г

90

180

30

20 10

270 360 градус;

Асимметрия вооружения торх] инструмента (пример долот ДДА) создает условия для появле ния при разрушении породы мс мента Мд , что при пересечени контакта пород различной твердс сти приводит к колебаниям вел* чины суммарного для этого доле та момента М (рис.3). При буре нии момент Мд обеспечивает пе вышенную деформацию компе новки и перекос долота на забо: что становится причиной расип рения ствола. При бурении пер« межающихся по твердости поро

оборот долота на забое,

Рис.3 Графики изгибающих моментов Мв асимметрия вооружения создае и Мд за один оборот двухшарочного условия для повышенной вибрг долота на забое Ции инструмента и при опред<

ленных условиях является прич*

ной повышенного искривления скважин.

Для подтверждения выводов о влиянии асимметрии вооружения инструментов выполнены работы по изучению износа шарочных долот, которые достоверно показали на односторонний износ корпуса долот ДЦА. Как следствие отмечено при бурении повышении вибрации, увеличение диаметра и искривляемости стволов скважин.

Эксперименты в стендовых условиях по разбуриванию долотами ДДА, АДН и Ш-59К-ЦА блоков с контактами пород различной твердости позволили подтвердить основные выводы о влиянии силовых факторов на искривление стволов, отметить связь углов искривления с механической скоростью и параметрами режима бурения, конструкцией долот и асимметрией их вооружения. Данные исследования дополнены также изучением локальных форм искривления по образцам керна.

Аналитические и экспериментальные исследования процесса искривления на контактах горных пород различной твердости позволили разработать конструкции коронок (а.с. №1231201, №1700190) и компоновок шарочного (а.с. №1231199) и алмазного бурения.

Согласно а.с. №1231199 повышается устойчивость буровых компоновок ориентированной установкой долот. Например, двухшарошечное долото устанавливается с совпадением осей вращения шарошек, вдоль которых имеется максимум Мв , с осями сечения профилированной компоновки, вдоль которых максимален осевой момент инерции (решение на рис.3, где дано совмещение кривых I - осевого момента терции сечения компоновки с максимумами Мв ). Для компоновок со смещенным центром тяжести (КСМ) предложена схема установки долота ДДА, таким образом, что взаимно компенсируются изгибающие моменты внецентренного нагружения компоновки и долота Мд . Данное решение, обладая преимуществами предыдущего технического решения, обеспечивает также повышение устойчивости КСМ и устраняет негативное влияние асимметрии вооружения долот ДДА на процесс формирования стволов скважин. Для алмазного бурения подобное техническое решение сделано с применением коронки по а.с. №1700190 и колонкового набора КСМ.

Для алмазного бурения предложена коронка с пилотом в виде эллипса (а.с.№1231201), которая по одной из позиций технической сущности может иметь самую минимальную площадь торца при заданных диаметрах керна и ствола скважины, что позволяет производить разрушение самых твердых пород на пониженных осевых нагрузках. Вторая составляющая технической сущности состоит в том, что коронка с торцом в виде эллипса при пересечении контакта пород различной твердости имеет характеристику изменения Мв с двумя максимумами и минимумами. Данное обстоятельство, по аналогии с решением для шарошечного долота, позволяет повысить устойчивость колонкового набора путем установки коронки с совмещением длинной оси эллипса матрицы с осью сечения компоновки, вдоль которой имеется максимум ].

7. Механизм искривления скважин при вращательном бурении заключ! ется в одновременном асимметричном разрушении забоя и фрезеровании cxei ки скважины, осуществляемые под воздействием сил и моментов сил, прою лающихся при разрушении изотропных или анизотропных или перемежак щихся по твердости горных пород и при реализации различных видов движ< ния деформированной буровой компоновки.

Теоретическое исследования механизма искривления скважин, подкрег ленные изучением износа колонковых наборов, специальных компоновок и ии струментов, а также работы по испытанию и внедрению технических средст для снижения интенсивности естественного искривления при алмазном и ша рошечном бурении, позволяют сформулировать следующие позиции механиз ма искривления скважин.

Нижний конец деформированной буровой компоновки при бурении изо тропных пород может иметь в призабойном интервале скважины заделку, па раметры которой наиболее близки к шарнирной с наложением упруго реактивного момента M¡, на торец инструмента или к жесткой в случае разме щения над породоразрушающим инструментом расширителя. Максимально« значение отклоняющей силы со стороны деформированной компоновки в на правлении стенки скважины имеет место при жестком закреплении нижнегс конца буровой компоновки, а величина этой силы определяется жесткостью v степенью деформированное™ компоновки, а также расстоянием от забоя дс места установки расширителя.

При бурении анизотропных или перемежающихся по твердости горных пород на торец инструмента в дополнение к моменту МР воздействуют не фиксированные относительно прогиба компоновки моменты М0п или Мв.

Длина нижней полуволны и другие параметры деформации буровой компоновки определяются не только режимами и условиями бурения, но и типом горной породы: максимум длины полуволны связан с разрушением изотропных горных пород, а минимум сильно анизотропных или перемежающихся по твердости горных пород, когда на торец инструмента воздействуют моменты сил Mon или Мв- Действие моментов Mon и Мв на изогнутую компоновку вызывает перераспределение энергии и изменение за период вращения взаимосвязанных параметров деформации (длина полуволны, прогиб, угол перекоса инструмента на забое). Изменение параметров деформации определяет тот или иной вид вращения буровой компоновки в скважине. Вид движения деформированной компоновки оказывает самое существенное влияние на интенсивность искривления: при реализации вида G>i (обращение вокруг оси скважины с минимальным изменением параметров деформации) достигается глубокий минимум интенсивности искривления, а при реализации вида движения Ф2 (ориентированный изгиб при неизменных параметрах деформации) возможна максимальная интенсивность искривления. При этом первый вариант движения компоновок в идеальном виде возможен только при бурении изотропных

пород, а второй только при малых силах инерции, упруго-реактивном моменте Мр и существенно высоком значении моментов Mon и Мв •

Рост интенсивности искривления и изменение видов движения деформированной компоновки по схеме Фх -» Ф)_2 —> Ф2 наблюдается при повышении изгибающего момента со стороны забоя скважины, осевого усилия, радиального зазора, снижения жесткости буровой компоновки и Мр.

Процесс естественного искривления скважин включает асимметричное разрушение забоя и фрезерование стенки скважины. Доля участия каждой составляющей в формируемой кривизне может быть различна, а их направленность существенно отличаться.

Разработанная аналитическая модель механизма искривления основывается на зависимости расчета интенсивности искривления, которая представлена в следующем общем виде;

57,3

(26)

I =

^м им

где Г - максимальный прогиб компоновки в скважине, м;

Ьм- длина, так называемой "мнимой" компоновки, определяемая для каждого вида движения Ф1, Ф].2 и Ф2, исходя из длин полуволн буровой компоновки, определяемые расчетом, сформированные под воздействием суммы внешних сил и моментов сил, м.

При расчете интенсивности искривления, для формализации и обобщения многообразных видов движения компоновки, используется аналитический образ "мнимой" компоновки. "Мнимая" компоновка является прямолинейной и располагается по касательной к продольной оси, вокруг которой вращаются центры сечений нижней полуволны изогнутой компоновки (для вида движения Ф2 данная ось совпадает с осью самой компоновки), и ограниченная по длине стенкой скважины. Таким образом, если при движении вида Ф2 Ьм = 0,32 • Ьк , где Ьк - длина нижней полуволны компоновки, то по мере перехода к движению вида Фи Ьм увеличивается и становится бесконечно велика при реализации компоновкой вида движения Фь Таким образом, длина "мнимой" компоновки учитывает одновременно условия деформации и вид движения компоновки.

На основании зависимости (26) построена аналитическая модель искривления скважин и сделаны расчеты всех входящих в модель параметров и факторов, определены возможные виды движения компоновок под воздействием суммы внешних силовых факторов при бурении анизотропной горной породы стандартным одинарным набором и набором ССК. Результаты приведены

в виде графиков на рис.4. При построении учтен закон изменения момента Мс (рис.1), а также определен и учтен основной фактор, определяющий интенсш ность искривления скважины при бурении,- вид движения деформированног

колонкового набора. На интервале = 0 - 30° вид движения из-за малы значений М0щ оказался близок к Î , при у > 30° движение снаряда от ветствовало виду Oi_2.

Разработанная теоретическа модель процесса естественного ис кривления, в которой при анализ многообразия вариантов деформг ции и видов движения буровы компоновок используется формат: зоватшй объект - "мнимая" компс новка, позволяет качественно и кс личественно отобразить сложны механизм формирования кривизны Рис.4 Графические расчетные зависимо- любых основных типах горных пс сти интенсивности искривления от угла род. Аналитические результаты раз у в анизотропных породах. работанного механизма естествен

ного искривления в полной мере соответствуют выделенным многими автори тетными исследователями закономерностям естественного искривления сква жин в изотропных, анизотропных и перемежающихся по твердости горных пс родах, что позволяет обоснованно сформулировать ряд основных требований техническим решениям предназначенных для управления процессом естесз венного искривления скважин.

Для реализации вида движения буровой компоновки Ф], с которым cbî зано наименьшее значение интенсивности естественного искривления, разрг ботаны конструкции компоновок со смещенным центром тяжести поперечног сечения (КСМ) для шарошечного и алмазного бурения. Данные компоновки, развитие более ранних известных конструкций, созданы с учетом установлен ного механизма их работы. В основе этого механизма заложена способност регулирования центробежной силы прижатия к стенке скважины и соответст венно возмущающей равномерное вращение силы внешнего трения путем са моцентрации компоновки при вращении. На основании экспериментальны работ по изучению износа отработанных на плановых скважинах ПГ( "Сосновгеология" компоновок КСМ и теоретических исследований разработа ны новые конструкции компоновок ( а.с. №1406332, патент РФ №2078194) : даны основные аналитические зависимости расчета параметров КСМ. В част ности определен достаточный эксцентриситет центра масс КСМ при заданны длине компоновки, параметрах режима бурения, типе бурильной колонны, ко

I,градус/100 м;

эффициенте трения в системе "колонна-скважина", значениях изгибающих моментов М0п и Мв . Анализ теоретических зависимостей и экспериментальных данных показал, что для реализации вида движения Ф1 требуется соблюдение следующих условий:

- высокие частоты вращения бурильных колонн;

- минимальная деформация бурильной колонны;

- минимальное значение коэффициента трения между компоновкой, колонной и стенкой скважины;

- повышение реактивного МР и снижение изгибающих моментов Mon или Мв , воздействующих на торец бурового инструмента и компоновку при бурении анизотропных или перемежающихся по твердости горных пород.

Соответственно стабильность движения в режиме Ф1 повышается с ростом эксцентриситета центра масс, веса отдельной КСМ и числа отдельных КСМ, распределенных вдоль сжатого участка бурильной колонны.

Конструкция КСМ согласно a.c.№1406332 обоснована как рациональная с точки зрения механизма работы исходя из принципа самоцентрации.

Для активного снижения коэффициента трения между КСМ и стенкой скважины разработана конструкция КСМ (патент РФ №2078194) с опорами качения, установленных в соответствии с особенностями механизма их работы.

Для повышения реактивного момента на проворот бурильной колонны вокруг собственной изогнутой оси и с целью деформирования колебаний создана конструкция бурильной трубы согласно a.c.№1680937.

С целью опытной оценки влияния конструктивных параметров компоновок на процесс естественного искривления и для создания рациональной конструкции буровой компоновки проведены опытные работы в ГРЭ 324 ПГО "Сосновгеология". В процессе работы изготовлены и испытаны макеты и опытные образцы компоновок с различными параметрами устойчивости, радиального зазора и эксцентриситета центра масс. Уровень устойчивости регулировали жесткостью, а также предварительным напряжением материала и оценивали на специальном стенде. Для проходки скважин диаметром 59 мм использовались компоновки КСМ, трехгранные, овальные, центрированные, предварительнонапряженные и стандартные с различными значениями перечисленных конструктивных параметров. Объем бурения в соответствии с планом эксперимента составил 1500 м, а его данные обработаны одним из методов планирования эксперимента - методом случайного баланса, что позволило получить аналитические модели и достоверно оценить влияние всех основных параметров, а также их уровней и сочетаний в одной кострукции на процесс стабилизации направления скважины.

Полученные данные позволили предложить для снижения искривления и повышения эффективности бурения скважины компоновки с оптимальными конструктивными параметрами. В последующем объем внедрения разработанных компоновок КСМ составил 40 тыс. метров скважин.

8. Полное устранение силовых факторов, вызывающих искривлен! скважин в анизотропных и перемежающихся по твердости горных породах щ механических способах бурения, невозможно. Для надежного управления н правлением и кривизной скважин в названных породах необходимо использ! вать технологии и технические средства, которые бы обеспечивали дополи тельное направленно-ориентированное породоразрушающее воздействие I забой и (или") стенку скважины. В качестве таковых могут использоваться его соб и устройство забойной ударной машины, согласно которым дополнител! ное породоразрушающее воздействие на забой обеспечивается внецентренны приложением ударов по инструменту и забою скважины.

Появление дезоориентирующих сил и моментов сил при бурении аниЗ( тропных или перемежающихся по твердости горных пород связано с неравш мерным разрушением породы на забое и стенке скважины. Технические репи ния, определяющие новые конструкции породоразрушающих инструментов буровых компоновок, способны уменьшить как величину этих сил, так и сш зить их влияние на процесс искривления скважин. Поскольку появление эта силовых факторов определено природой механического разрушения, устранит их полностью невозможно, но возможно компенсировать неравномерным я направленно-ориентированным и дозированным дополнительным разрушен! ем породы. В данном случае возможна или равная компенсация неравномернс го разрушения, вызванного анизотропией горных пород, дополнительны управляемым разрушением породы, что даст эффект стабилизации направл« ния скважины, или дополнительное породоразрушающее действие окажете доминирующим и определит новую тенденцию для направления скважшп При этом очевидно, что дополнительное породоразрушающее действие должв производиться для стабилизации направления скважины со стороны направл! ния естественного искривления, а при изменении направления скважины в 3! данную сторону со стороны противоположной этому заданному направлению.

В качестве новой технологии направленного бурения предлагается и ра рабатывается новый способ и устройство (патент РФ №2039185) забойно ударной машины обеспечивающих ориентируемо-направленное дополнител: ное породоразрушающее разрушение породы на забое за счет внецентренно1 приложения ударов к породоразрушающему инструменту. Внецентреннс ударное нагружение инструмента обеспечивает различную глубину внедрен! породоразрушающих элементов в породу, формирует угол перекоса забс скважины и способно обеспечить формирование ствола скважины в ту ил иную заданную сторону.

Конструктивная схема забойной машины для управления направление скважин разработана на базе пневмоударника типа РП, но может создаваться I любой серийной ударной забойной машины двойного действия. Интенсивное! искривления, реализуемая забойной машиной-отклонителем, изменяется вар] ированием двух параметров: эксцентриситетом установки выступа на торг

ударника машины (эксцентриситет приложения удара по хвостовику инструмента - Е ) и расстоянием от торца инструмента до точки приложения удара со стороны ударника - Н.

В направлении разработки новой технологии созданы основы теории разрушения горных пород внецентренными ударами, положения которой проверялись экспериментально на установке копрового типа. Согласно этим исследованиям получена основная аналитическая зависимость для расчета интенсивности искривления, реализуемая внецентренными ударами в выбранном диапазоне значений Е и H : 2 (F6 - L6 )

i3=--, (27)

Д (F6 + L6 )

где F=H2 + (0,5Д + E)2 ; L=H2 + (0.5Д - E )2 ;

Д - диаметр породоразрушаюшего инструмента, м. Анализ данной формулы позволяет утверждать, что кривизна при новом способе направленного бурения задается только параметрами отклоняющей системы, а потому может прогнозироваться, варьироваться и реализовываться с высокой точностью. Расчеты показывают, что вполне достижимы как значительная (0,2 - 27 м), так и минимальная интенсивность искривления при соответствующих значениях Е и Н. Это предполагает возможность использования забойной машины с внецентренным приложением ударов как для стабилизации направления скважины, так и для изменения ее направления в заданную сторону.

При использовании новой технологии возможны следующие варианты ее применения.

1. Стабилизация направления скважины при ее проходке в анизотропных и перемежающихся по твердости горных породах. В данном случае забойная машина ориентируется таким образом, чтобы производить дополнительное по-родоразрушающее воздействие на породу со стороны направления естественного искривления, а управляющие параметры выбираются исходя из задачи компенсации моментов Mon и Мв . Для решения задачи используются гидро-или пневмоударники двойного действия со свободно посаженным в корпусе ударником.

2. Снижение искривления скважин при бурении с использованием гидроударников прямого действия. В данном случае обеспечивается неориентируе-мое внецентренное приложение ударов по инструменту и забою по периметру последнего, что определяет дополнительный объем разрушения породы по периметру забоя и снижает вероятность работы деформированной компоновки в режиме движения Ф2.

3. Набор кривизны в заданную сторону с определенным темпом. В данном случае забойная ударная машина двойного действия ориентируется таким

образом, чтобы производить дополнительно породоразрушающее воздействи на забой со стороны противоположной заданному направлению искривления.

При реализации первого и третьего вариантов может использоваться те* нология управления направлением скважин согласно а.с.№ 1633074.

9. Процесс забуривания дополнительного ствола скважины с искусствен ного забоя, менее твердого и упругого, чем горные породы характеризуете действующими силовыми факторами со стороны стенки и забоя на долото : отклонитель, которые характерны для случая разрушения контактируемых пс род различной твердости при малых, нулевых или отрицательных углах ветре чи инструмента с контактом. Эффективность забуривания уступа и формиро вания дополнительного ствола скважины определяется сложной взаимосвязи действующих силовых факторов со стороны стенки и забоя скважины, пара метрами ОНД, режима бурения, вооружения и конструкции долота.

Аналитическими исследованиями и опытными работами по установк искусственных забоев и забуривания с них отклонителями непрерывного дей ствия (ОНД) дополнительных стволов установлено следующее.

При забуривании нового направления ствола скважины с более мягкоп и менее упругого, чем горная порода, забоя на инструмент воздействует значи тельное по величине отклоняющее усилие со стороны стенки скважины. Дан ное усилие максимально в момент начала забуривания уступа, а при ширин уступа в четверть диаметра долота настолько мало, что уже неспособно оказы вать серьезного влияния на процесс забуривания. Таким образом, проблем: формирования нового направления состоит в преодолении первых сантиметро] при забуривании уступа.

Изгибающий момент Мв , действующий в вертикальной плоскости и на растаюший по мере забуривания уступа в горной породе, стремится повернул торец инструмента в направлении забуриваемой стенки и может приводить ] существенным корректировкам интенсивности искривления, реализуемой от клонителем, т.к. влияет на изменение величины отклоняющей силы со сторонь отклонителя. При этом ОНД фрезерующего действия и противоположного ем; асимметричного разрушения забоя теряют существенную часть отклоняющей усилия (до 40% и более), а отклонители фрезерующего действия, но с совпа дающим по направлению асимметричным разрушением забоя, увеличиваю: реализуемую отклонителем отклоняющую силу при прочих равных условиях.

Отклоняющий момент Мо , действующий в плоскости забоя, стремиться отклонить инструмент влево при правом вращении инструмента и обеспечивает подработку ствола. В результате снижается точность выдерживания направления забуривания, а также создаются условия для проворота и дестабилизацш отклонителя. В связи с этим узлы закрепления ОНД в скважине должны удовлетворять условию надежной стабилизации, рассчитанной ориентировочно не смещающий момент 35-40 даН м (отклонитель типоразмера 59 мм).

Аналитическое исследование процесса забуривания ОНД дополнительного ствола с более мягкого забоя, чем горные породы, позволило получить зависимость для расчета параметра К (соотношение модулей упругости породы и материала забоя) при котором возможно без дополнительных технологических решений осуществить формирование уступа тем или иным ОНД:

М1

- tg<PM) + (Рос ■ s'mr + Ро + Рос ' м)*ёГ ~ РОС( 1" <ё9Т) ~ {Рос - sinУ+ Р0 + Рос ■ M)tg/ ' (28)

где фТ, фМ - углы внутреннего трения для породы и материала забоя, градус; Ро - отклоняющее усилие со стороны ОНД, кН; ц - коэффициент трения торца инструмента о забой; у - угол встречи оси долота и стенки скважины, градус. Зависимость (28), а также аналитические результаты расчета темпа изменения Рос и скорости углубки по мере забуривания дополнительного ствола, позволяют взвешенно определить рациональные конструктивные параметры ОНД и требования к ним, а также ряд технологических приемов интенсификации процесса формирования уступа. Последние вполне разнообразны, но в основном сводятся к увеличению угла у , рациональному регулированию соотношения скоростей фрезерования стенки скважины оф и углубки забоя им , выбору типа долота, в частности в связи с повышением [i .

Эффективность забуривания уступа в стенке скважины определяется типом ОНД и максимальна для отклонителей реализующих фрезерование стенки скважины с одновременным асимметричным однонаправленным асимметричным разрушением забоя.

При забуривании уступа также важна управляемость регулирования осевой нагрузки и скорости углубки в определенных, достаточно широких, пределах. Процесс регулирования индивидуален для каждого из типов ОНД, его темп может определяться по предложенным аналитическим зависимостям, которые учитывают сумму внешних силовых факторов, воздействующих со стороны стенки и забоя скважины. Параметром регулирования, в пределах разрабатываемой методики, служит скорость углубки. Для забуривания дополнительных стволов скважин, на основании анализа работоспособности ОНД, можно рекомендовать созданный в КазИМСе отклонитель ОГМ.

Для забуривания дополнительных стволов скважин с искусственных за-эоев, путем регулирования соотношения скоростей ОвЛ>м, разработаны специальные долота.

Первые из них созданы на базе серийных шарошечных долот, долот ЦША и АШК. В отличии от известных инструментов для интенсификации и говышения надежности забуривания вооружения на торцах шарошек долот покрывается, в соответствии с разработанной методикой, пластичным материа-том, например, латунным или оловянным припоем. Такие долота позволяют

при фрезеровании уступа задавать необходимое соотношение скоростей ф зерования стенки скважины и углубки забоя: при зарезании уступа им ми мально, а \)ф оптимально, но в последующем, по мере забуривания уступа и 1 вого направления ствола, ом повышается за счет износа пластичного матери и обнажения породоразрушающих вставок долота. Таким образом, соотно: ние скоростей ОфЛ->м изменяется по мере износа пластичного сплава, ушире! уступа и углубления нового направления ствола, а при некотором выходе до; та за пределы основного ствола оно работает уже как обычное, обеспечш необходимые параметры кривизны дополнительного ствола.

Для забуривания уступа, на основании выделенных особенностей п] десса формирования нового ствола скважины, разработано доле (а.с.№1756530) с помощью которого регулирование соотношения скорост фрезерования стенки скважины и углубки забоя осуществляется на некотор начальном интервале бурения за счет изменения контактного давления на бой.

Оперативным и надежным методом контроля процесса забуривания : ляется апробированный, при испытании новых долот, метод контроля по ме; нической скорости бурения, которая изменяется в достаточно широких пре; лах с четко выраженными границами в связи с различной буримостью горн породы и материала искусственного забоя.

Разработанные долота и технология забуривания дополнительных ст! лов скважин с искусственных забоев ОНД испытаны и внедрены на объект ПГО "Сосновгеология". Для забуривания дополнительных стволов скважш особо сложных горно-геологических условиях, встречающихся в частность интервалах залегания дробленных пород, разработан специальный стациош ный клин (а.с.№ 1283349), обеспечивающий надежное закрепление в ствол значительной каверзности, также использовавшийся в ГРЭ-324 при проведен специальных работ по направленному бурению.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработка технологических методов, инструментов и других объект техники, предназначенных для управления процессом естественного искривл ния, а также решения ряда других задач направленного бурения невозмож! без глубокого исследования различных аспектов механизма разрушения из тройных, анизотропных и перемежающихся по твердости горных пород. П скольку технологические методы управления процессом естественного искри ления выгодны экономически и наиболее эффективны при использовании с

временных технологий, исследования механики разрушения пород в процессе формирования стволов скважин заданного направления и кривизны актуальны.

2. Анализ упруго-пластического деформирования различных по характеру влияния на процесс искривления горных пород, определение основных сил и моментов сил, задающих тенденции формирования направления и кривизны скважин, а также созданная, на основе влияния силовых факторов на трансформацию видов движения деформированных буровых компоновок, теоретическая модель процесса естественного искривления при вращательном бурении позволяют не только объяснить достоверно установленные закономерности естественного искривления, но и предложить ряд новых перспективных разработок для управления процессом естественного искривления.

3. Для эффективного бурения скважин минимальной кривизны в любых гипах горных пород можно сформулировать основные общие критерии, которые могут определить существо технологических и технических решений. К гаковым, на основании рассмотренных научных положений, можно отнести :ледующие из них:

Рос -> min;

Рот -> min;

ÜM —> шах;

© optimum f(uM). Совокупное достижение выделенных критериев возможно при условии реали-ации оптимальной технологии бурения с рациональной отработкой бурового иструмента с высокой скоростью, но при воздействии на инструмент пониженных осевых нагрузок, что достигается:

- за счет гидродинамического и адсорбционного воздействия на забой и о ну предразрушения;

- за счет применения инструментов с уменьшенными площадями торцов, ¡апример, тонкоматричных коронок, а для ССК коронок с матрицей в виде эл-ипса (а.с.№1231201);

- за счет использования забойных ударных машин при алмазном и шаро-1ечном бурении, что не только повышает скорость бурения, но и является фак-ором улучшения условий работы колонны, т.к. продольные колебания обеспе-ивают снижение коэффициента трения в системе "колонна-скважина" и этим асширяют диапазон параметров режима безвибрационного высокочастотного урения;

- за счет использования компоновок повышенной устойчивости, стабили-1торов, а также компоновок нижней части колонны реализующих при работе

вид движения Фь который гарантирует минимальную кривизну ствола и обес печивает в целом более эффективное бурение скважин.

4. При разработке компоновок следует иметь в виду, что результат при менения этих технических средств определяется совокупным проявлением раз личных параметров: устойчивости, радиального зазора, эксцентриситета цен тра масс и др. Именно поэтому следует обеспечить оптимальное сочетание раз личных параметров в одной конструкции. В связи с этим рекомендуются дл применения разработанные, на основании выделенного подхода, двухгранны компоновки КСМ для шарошечного бурения, оптимальное соотношение пара метров которых определено экспериментально.

5. При разработке технических средств, способных обеспечить мини мальность кривизны ствола, следует иметь в виду, что важнейшим факторов является вид движения деформированной буровой компоновки. Идеальным, m критерию минимальности искривления, является вид движения Ф1 в том еп виде, когда за период обращения нижней полуволны вокруг центра траекторщ обращения не происходит изменение прогиба и длины полуволны, а центр тра ектории обращения максимально приближен к оси скважины. В связи с этил наиболее перспективны для разработки компоновки нижней части колонны < КСМ.

6. Для реализации вида Ф1 могут рекомендоваться элементы бурилыго? колонны согласно патента РФ №2078194, а.с.№1406332, а.с.№1680937, а также технические решения обеспечивающие снижение опрокидывающего моменте Mon и изгибающего Мв моментов, возникающих при разрушении анизотропных или перемежающихся по твердости горных пород, т.к. именно эти силовые факторы задают вариацию значений длины полуволны и прогиба компоновки при вращении, а также стремятся навязать деформированной компоновке ввд движения Ф2 • К таким решениям можно отнести ориентированную установку шарошечных долот, эллиптических или иных коронок в компоновке, оснащенной трубами фасонного профиля с различным значением осевого момента терции по разным осям поперечного сечения, обеспечивающая передачу максимального изгибающего момента в направлении максимальной же жесткости буровой компоновки (а.с.№1231199,1231201).

7. Результаты исследований механики разрушения анизотропных горных пород позволили выделить как перспективные направления разработки инструментов с динамизированными (шарнирными) связями породоразрушающих элементов или вооруженых частей торца с корпусом инструмента, что способно обеспечить устранение действия момента М0п на буровую компоновку. Перспективна также разработка инструментов со сложными профилями торцов для бурения анизотропных пород, проектируемых с учетом закономерностей формирования поля механических напряжений в породе под торцом инструмента.

8. Как показали исследования процессов упруго-пластического деформирования и разрушения анизотропных и перемежающихся по твердости горных пород под воздействием поля механических напряжений, полное устранение силовых факторов, вызывающих искривление скважин, невозможно. В связи с этим актуальны технологии и технические средства, которые бы обеспечили пополнительное ориентированно-направленное породоразрушающее воздействие на забой и (или) стенку скважины. В качестве таковых могут рекомендоваться новые технология и устройство забойной ударной машины (патент РФ №2039185) согласно которым дополнительно породоразрушающее воздействие та забое обеспечивается внецентренным приложением ударов по инструменту л забою скважины.

9. Технология управления направлением скважин внецентренными уда-эами позволяет производить корректировку направления и изменение кривизны в широких пределах и может послужить эффективной основой для создания новых конструкций забойных ударных машин для ударно-вращательного и уращательно-ударното способов бурения, в том числе шарошечным и алмазным инструментом, съемных гидроударников для бурения ССК.

10. Исследование процесса забуривания уступа и формирования дополнительного ствола скважины с искусственного забоя позволило выделить основные силовые факторы, связанные с разрушением контактируемых горной юроды и материала искусственного забоя, определить рациональные типы }НД, а также разработать технологию и долота для осуществления операции :абуривания нового направления ствола скважины с высокой надежностью и в «алые сроки.

Рекомендуется для забуривания использовать отклонители с гидравличе-жой системой закрепления в скважине, способных производить набор кривиз-гы фрезерованием с одновременным перекосом долота в направлении искрив-гения.

Для повышения надежности забуривания дополнительных стволов с неточных забоев рекомендуется разработанные долота с покрытием торцового юоружения пластичным сплавом, способных обеспечить забуривание в горных юродах УШ-Х категорий по буримости с малопрочных цементных забоев. Для шработки рекомендуется долото согласно а. с.№1756530.

Для обеспечения надежной установки в каверзной скважине разработан тационарный клин (а.с.№1283349), который рекомендуется для использования ри проходке скважин в сложно горно-геологических условиях.

11. Первоочередными задачами дальнейших исследований являются:

- углубленное исследование процессов деформирования и разрушения низотропных горных пород;

- теоретическое и экспериментальное исследование процессов разруше-ия анизотропной породы при ударно-вращательном и вращательно-ударном пособах бурения;

- разработка теоретической базы для проектирования профилей тори буровых инструментов, предназначенных для управления кривизной в ани: тропных породах;

- разработка конструкций бурового инструмента с динамическими (ш< нирными) связями элементов вооружения с корпусом инструмента;

- разработка основ методики и опытной установки для определения с ловых параметров анизотропных горных пород применительно к бурению;

- углубление теоретических знаний о процессах разрушения горных г род, в том числе анизотропных, под действием внецентренных ударов и раз| ботка технических средств для осуществления данного способа управления г правлением скважин;

- решение комплекса научно-технических задач внедрения разработок практику геологоразведочных работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ :

1. Технические средства и методы снижения интенсивности искривления ге логоразведочных скважин. - М.,1989.- 68 с. - Обзор / ВИЭМС.

2. Методы и технические средства бесклинового забуривания дополнительнь стволов скважин с искусственных забоев. - М.,1993. - 56 с. - Обзор / А "Геоинформмарк".

3. Отклонители для искусственного искривления геологоразведочных скв жин. - М.,1995. - 56 с. - Обзор / АО "Геоинформмарк" (соавтс А.А.Фатхутдинов).

4. Механика разрушения анизотропных горных пород при бурении скважъ заданного направления и кривизны. М.,1997. - 53 с. - Обзор / А "Геоинформмарк".

5. Исследование процесса искривления скважин при бурении перемежшощи; ся по твердости горных пород. Деп. ВИНИТИ. М., 1985, 48 с.

6. Технические средства для искусственного искривления геологоразведочнн скважин. Уч. пособие. - Иркутск: изд. ИрГТУ, 1995. - 82 с.

7. Причины искривления скважин при бурении шарошечными долотами ДД/ М., ЭИ ВИЭМС, 1984, вып.11, с.1-8 (соавтор И.Н.Страбыкин).

8. Компоновки повышенной устойчивости для бурения направленных скв< жин. М.,ЭИ ВИЭМС, 1983, вып.23,сЛ-10 (соавтор И.Н.Страбыкин).

9. Бурение скважин в условиях естественного искривления. М.,ЭИ ВИЭМС 1986, выл.2, с.4-9 (соавтор Р.З.Ахмеров).

10. Анализ работы несбалансированной компоновки бурового снаряда "Изв.вузов. Геол. иразв.", 1986, №10, с.79-84 (соавтор И.Н.Страбыкин).

11. Оценка анизотропности прочностных свойств горных пород по форме ока-ганности обломков. - "Изв. вузов. Геол. и разв.", 1986, №12, с.103-105 (соавторы А.В.Губарев, А.А.Миронов).

12. Направленное бурение в условиях высоких скоростей бурения скважин. VI., ЭИ ВИЭМС, 1987, вып.5, с.7-12 (соавторы Р.З.Ахмеров, В.Р.Бруев).

13. Исследование процесса искривления скважин при углах встречи меньше критического. Межвуз. науч. темат. сб. - Свердловск: СГИ, 1987, с.84-91.

14. Анализ работоспособности отклонителей непрерывного действия на основе реализуемого процесса набора кривизны. - "Изв.вузов. Геол. и разв.", 1989, №11,с.113-119.

15. Совершенствование технических средств и технологий забуривания дополнительных стволов скважин. М., ВИЭМС, Передовой опыт, 1989, вып. 18, ;.40-47 (соавторы Ю.С.Костин, В.Р.Бруев, Р.З.Ахмеров).

16. Исследование характера изменения изгибающего момента, действующего на бурильную колонну, при бурении шарошечными долотами перемежающихся по твердости горных пород. Межвуз. науч. темат. сб. - Свердловск : СГИ, 1990, с.54-58.

17. Оптимизация конструктивных параметров компоновок для шарошечного эурения анизотропных пород. Межвуз. науч. темат. сб. - Свердловск : СГИ, 1988, с.97-105 (соавторы ИЯ.Страбыкин, А.И.Ламбин).

18. Основные научные положения методики разработки компоновок для снижения искривления геологоразведрчных скважин. Межвуз. науч. темат. сб. -Екатеринбург : УГТА, 1994, с.37-46.

19. Исследование возможности формирования ствола различной кривизны внецентренными точечными ударами. "Изв. вузов. Геол. и разведка", 1995, №2, ;.137-142 (соавтор А.А.Фагхутдинов).

20. Механика упруго-пластического деформирования анизотропных пород для решения задач направленного бурения. "Изв. вузов. Геол. и разведка", 1996, №6, с.101-106.

21. Исследование напряженного состояния анизотропной горной породы под гордом бурового инструмента. "Изв. вузов. Геол. и разведка",1997.

22. Методика теоретико-экспериментального определения силовых параметров анизотропности. Межвуз. науч. темат. сб. - Екатеринбург: УГТА, 1996. -с.118-128.

23. Использование пневмоударного бурения при управлении направлением и кривизной геологоразведочных скважин. Труды НТК ГРФ ИрГТУ, Иркутск, 1993, с.33-40 (соавторы Р.З.Ахмеров, А.А.Фатхутдинов).

24. Разработка методов управления кривизной скважин забойными пневмо-ударными машинами. Там же, с.90-102 (соавтор А.А.Фатхутдинов).

25. Технология направленного бурения с применением забойных ударных машин. Тезисы Всероссийской НТК, Томск, ТПУ, 1994, с.38-39 (соавтор АА.Фатхутдинов).

26. Разработка компоновок для направленного бурения скважин. Тезисы меж вузовской НТК, Иркутск, ИЛИ, 1988, с.47-48 (соавтор К.Г.Суслов).

27. Анализ форм локального искривления скважин. Тезисы региональной НТК Иркутск, ВостСибНИИГТМС, 1985, с.79-80.

28. Исследования разрушения горных пород при внецентренном приложенш ударов к породоразрушающему инструменту. Тезисы НТК, Красноярск КГАМЦЗ, 1996, с.29 (соавторы В.АЛрудников, СЛХРоманов).

29. Колонковый набор. А.с.№1148966, опубл. в Б.И.№13, 1984 г. (соавторь И.Н.Страбыкин, Н.А.Буглов).

30. Коронка для бурения. A.c. №1231201, опубл. в Б.И. №18,1986 г. (соавторь И.Н.Страбыкин, Е.Н.Литвиненко).

31. Устройство для бурения вертикальных скважин. А.с.№1231199, опубл. i Б JH. №18,1986 г.

32. Отклонитель. A.c. №1283349, опубл. в Б.И. №2, 1987 г. (соавторы Р.З.Ахмеров, В.Д.Жерлов).

33. Колонна бурильных труб для высокочастотного бурения. А.с.№1406332: опубл. в Б.И. №24, 1987 г. (соавтор И.Н.Страбыкин).

34. Стенд для исследования процесса искривления скважин. A.c. №1514894. опубл. в Б.И. №38, 1989 г. (соавторы Ю.С.Костин, С.А.Сибиряков. А.В.Карпиков, Д.Г.Соснин).

35. Способ проводки наклонного ствола скважины с использованием пневмо-ударного механизма. A.c. №1633074, опубл. в Б.И. №9, 1991 г. (соавторы Ю.С.Костин, И.Б.Захаров).

36. Бурильная труба. A.c. №1680937, опубл. в Б.И. №36, 1991 г.

37. Алмазная буровая коронка. A.c. №1700190, опубл. в Б.И. №47, 1991 г. (соавторы А.В.Карпиков, Н.А.Буглов, Г.А.Воробьев, Р.К.Богданов, В.Ф.Фадеев, Б.А.Новожилов).

38. Долото для направленного бурения. A.c. №1756530, опубл. в Б.И. №31, 1992 г. (соавторы Ю.С.Костин, В.Р.Бруев).

39. Устройство для направленного бурения ударно-вращательным способом. Патент №2039185, опубл. в Б.И. №19, 1995 г. (соавторы В.В.Федоров, А.А.Липин, Ю.С.Костин).

40. Компоновка бурильной колонны. Патент №2078194, опубл. в Б.И. №12, 1997 г.

/ / ' ч/ с- / Л? а - с?

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ'УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

НЕСКОРОМНЫХ Вячеслав Васильевич

теоретические И эшшршентмьше ИССЛЕДОВАНИИ ОСНОВ механики РАЗРУШЕНИЕ горных ПОРОД В ПРОЦЕССЕ формирования СТВОЛОВ СКВАЖН ЗАДАННОГО направления И КРИВИЗНЫ

Специальность 05.15.14 - Технологий и техника

геологоразведочных работ

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск- 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..........................6

1. Аналитический обзор исследований ж технических решений жо проблеме механики разрушения анизотропных и перемежающихся по твердости горных пород и искривления стволов скважин* »•••«•♦•»•••»♦••••»••«• ХО

1.1. Обзор и анализ исследований механики разрушения забоя и силовых факторов, вызывающих искривление стволов скважин, жри бурении анизотропных горных пород......10

1.2. Обзор и анализ исследований разрушения забоя и силовых факторов, вызывающих искривление стволов скважин при пересечении контактов горных пород различной

1.3. Современные представлений о механизме искривления скважин при вращательном бурении. ...... ...... 24

1.4. Обзор, анализ и классификация технических решений

для управления направлением и кривизной скважин. .... 37

1.5. Обзор и теоретические предпосылки разработки методов и породоразрушающих инструментов для забуриванжя дополнительных стволов скважин с искусственного забоя. . 41

1.6. Этапы теоретических и экспериментальных исследований механики разрушения горных пород в процессе формирования стволов скважин заданного направления и кривизны. 46

2. Экономическое обоснование эффективности технологических методов управления направлением и кривизной скважин. ... 50

3. Механика разрушения изотропных и анизотропных горных пород в процессе формирования стволов скважин при вращательном бурении...................58

3.1. Исследование условий формирования ствола скважины

при бурении изотропной горной породы. ......... 58

3.2. Механика упруго-пластического деформирования анизотропных горных пород................69

3.3. Исследование напряженного состояния анизотропно! горной породы под торцом породоразрушающего инструмента. ... .84

3.4. Механика формирования стволов скважин в процессе вращательного бурения анизотропных горных пород.......93

3.5. Экспериментальные исследования буримо сти и механики упруго-пластического деформирования анизотропных

горных пород. . ....................ДОи

3.5.1. Методика исследований................ .jqq

3.5.2. Результаты экспериментальных работ.......... 106

3.6. Теоретические модели породоразрушащих инструментов

для снижения искривления скважин в анизотропных

породах. . .......................И7

4. Механика |ормирования стволов екважин жри пересечении буровым инструментом контактов различных so твердости горных пород.......................120

4.1. Жселедование условий и силовых факторов формирования стволов екважин жри пересечении инструментом контактов горных пород различной твердости. ......... 120

4.2. Исследование влияния геометрии торца и конструкции породоразрушающих инструментов на величину и характер силовых факторов, вызывающих искривление на контактах горных пород различной твердости. ....... .135

4.3. Экспериментальные исследования процесса искривления

на контактах горных пород различной твердости. .... .140

4.3.1. Методика исследований. ................140

4.3.2. Результаты экспериментальных работ. . ....... . 141

5. Теоретические и экспериментальные исследования механизма искривления екважин, методологические основы выбора параметров буровых компоновок для проходки скважин

в анизотропных и перемежающихся по твердости горных породах......................... .149

5.1. Механизм искривления скважин..............149

5.1.1. Анализ условий, определяющих устойчивость буровых компоновок, и методика изучения работы компоновок

по их износу.....................149

5.1.2. Механизм искривления екважин на основе анализа

работы бурошх компоновок. ..............153

5.2. Исследование механизма работы, выбор параметров и разработка конструкций буровых компоновок для бурения анизотропных и перемежающихся по твердости горных пород...........................179

5.2.1. Аналитические и экспериментальные исследования механизма работы буровых компоновок со смещенным центром тяжести поперечного сечения. .......... .179

5.2.2. Выбор и обоснование конструктивных параметров

компоновок для бурения анизотропных и перемежающихся по твердости горных пород шарошечными долотами. . . . .191 5.2.3.Конструкции буровых наборов для алмазного колонкового бурения анизотропных и перемежающихся по твердости

горных пород......................198

5.3. Выводы и рекомендации по выбору технических и технологических решений, перспективных направлений разработки методов и технических средств для проходки скважин в анизотропных и перемежающихся по твердости горных породах..................203

6. Исследование и разработка методов и технических средств забуривания дополнительных стволов скважин с искусственных забоев отклонителями непрерывного действий......211

6.1. Исследование процесса формирования уступа в стенке скважины при забуривании дополнительного ствола

с искусственного забоя.................211

6.2. Анализ работоспособности откяонителей при забуривании дополнительных стволов скважин с искусственного

забоя..........................220

6.3. Разработка новых пород©разрушающих инструментов для забуривания дополнительных стволов скважин с искусственного забоя отклонителями непрерывного действия. . .227

6.4. Рекомендации по технологическим приемам забуривания

дополнительных стволов скважин с искусственных забоев. .234 7. Промышленное освоение технологических и технических решений для управления направлением и кривизной ■„ _

скважин. .................. .......238

7.1. Разработка и внедрение буровых компоновок с оптимальными параметрами для бурения скважин шарошечными долотами в условиях интенсивного естественного

ис кривления.......................23 8

7.1.1. Методика и результаты опытных работ по определению оптимальных параметров буровых компоновок.......238

7.1.2. Испытания опытных образцов и внедрение компоновок для бурения скважин шарошечными долотами диаметром

59 мм в производство. ................ 248

7.2. Разработка и внедрение компоновок для алмазного

бурения.........................249

7.3. Разработка и внедрение технических средств и технологий

для забуривания дополнительных стволов скважин......250

Заключение........................252

Литература....................... .254

Приложение................ ........262

прение скважин имеет редащее значение на различных этапах разведки и разработки месторождений минерального сырья. Направленное бурение» как совокупность разнообразных технологий и технических средств, являясь составной частью технической системы бурения, призвано решать одну из важнейших составляющих геологического задания - формирование етволов скважин с качественными параметрами кривизны и с безусловным подсечением залежей полезных ископаемых в заданных узких пределах.

Технический прогресс определяет тенденции развития буровой техники и технологий, основные положения которых сводятся к повышении концентрации энергии на забое за счет использования форсированных режимов алмазного и шарошечного бурения, гидро- и пнев-моударников, других разнообразных инструментов и способов бурения, уменьшения диаметров породоразрушащих инструментов и бурильных колонн, оптимизаций технологии бурения и внедрения буровых установок нового поколения.

Указанные тенденции безусловно решают задачи существенного роста механических скоростей бурения, качественных показателей, снижения стоимости сооружения скважин, и в то же время ставят ноше ж разнообразные задачи по качественному, оперативному и безаварийному управлению кривизной и направлением екважин. При этом очевидна необходимость перехода от преимущественной корректировки направления екважин методами и техническими средствами искусственного искривления к широкому использованию технологических методов управления направлением и кривизной скважин непосредственно в процессе углубки. Объективная необходимость решения проблемы качественного роста технологий направленного бурения связана со следующим.

В процессе проходки скважин малых диаметров возрастает интенсивность естественного искривления из-за уменьшения жесткости бурильных колонн ж буровых компоновок, что в сочетании с роетом производительности требует применения таких методов управления направлением и кривизной скважин, которые бы устранили намечащееея техническое противоречие: методы искусственного искривления в ситуации роста интенсивности естественного искривления и производительности бурения требуют повышения непроизводительных затрат времени и средств на корректировку направления скважины, что в резуль-

тате сводит к прогрессирующему минимуму технико-экономические преимущества современных и скоростных технологий при проходке скважин в анизотропных и перемежающихся по твердости горных породах.

Уменьшение диаметров технических средств искусственного искривления, особенно при использовании их для работ в твердых, анизотропных и перемежающихся по твердости горных породах, не обеспечивает качественных показателей искривления, а это совершенно не приемлемо при бурении на. высоких частотах вращения колонн, при использовании комплексов ССК и других прогрессивных технологий. При этом следует отметить, что резервы повышения эффективности технологий и технических средств искусственного искривления во многом исчерпаны, совершенствование вдет достаточно медленно, без существенных новаций и очевидна их ограниченность в удовлетворении требований будущих технологий бурения.

В то же время, как показывает анализ результатов перспективных исследований в области бурения, их экономическая оценка, технологические методы управления направлением и кривизной скважин, выбранные на основе научнообоснованных критериев, не противоречат тенденциям выбора рациональных технологий проходки скважин, сориентированных на высокие механические скорости, рост ресурсных показателей инструмента и снижение себестоимости буровых работ. В связи с этим важен принцип выбора направления решения проблемы. На наш взгляд это направление состоит в расширении функциональных возможностей компоновки нижней части бурильной колонны, которая без существенных усложнений должна стать многоцелешм техническим средством, управляемым для решения комплекса задач, а её традиционные составные элементы поэтому должны привлекаться к выполнению новых функций. В связи с этим наибольший интерес представляют оригинальные конструкции породоразрушающих инструментов, конструктивные параметры бурильных, колонковых и направляющих труб, забойных ударных машин, которые в совокупности, обладая новыми техническими свойствами, должны быть оптимально скомпонованы для решения задач стабилизации или изменения направления скважин с одновременным улучшением всех основных показателей бурения. Решение комплекса задач повышения эффективности бурения наиболее актуально при проходке скважин в условиях интенсивного естественного искривления, т.к. природа возникновения естественного искривления и снижения показателей бурения часто одна.

При реализации данного направления необходимо учитывать в

первую очередь горно-геологические условия бурения, а именно, еи-лоше факторы, возникающие при разрушении горной породы и определяющие тенденции формирования ствола скважины в определенном направлении. Именно поэтому в диссертации теоретически и экспериментально исследуется механика разрушения при бурении твердых изотропных, анизотропных и перемежающихся по твердости горных пород в процессе формирования стволов скважин при вращательном бурении.

Указанный подход к решению составляющих проблещу задач позволил предложить ноше критерии выбора конструктивных параметров нородоразрушающих инструментов и буровых компоновок. При этом углубленный анализ процессов разрушения различных по степени и формам влияния на искривляемость екважин горных пород показал, что полное устранение дестабилизирующих направление скважин сил и моментов сил достигается лишь при бурении изотропных пород, когда названные силоше факторы имеют техногенный характер. Что касается пород анизотропных или перемежающихся по твердости, то здесь возможна лишь минимизация указанных сил и моментов сил, а полное устранение отклонения скважин от заданного направления возможно лишь за счет дополнительного и направленного иородоразрушающего воздействия на забой и (или) стенку скважины. Степень этого дополнительного иородоразрушающего воздействия может определять направление скважины - стабилизация или набор кривизны в заданную сторону с определенным темпом. В качестве указанного дополнительного иородоразрушающего воздействия предложен принципиально новый способ направленного бурения внецентренным приложением ударов к породоразрушающему инструменту.

Исследование механизма и установление закономерностей разрушения забоя, представленного породами различной твердости, позволило решить задачу оперативного и надежного забуривания дополнительных стволов скважин с искусственного забоя, менее твердого и упругого, чем горные породы в интервале забуривания, отклонн-телями непрерывного действия. Учитывая, что подобные условия забуривания включают широкий диапазон горно-геологических условий, жри которых традиционно применяются малопроизводительные ж потенциально аварийные методы забуривания, данная технология представляется актуальной, обеспечивает возможность забуривания дополнительных стволов скважин при обходе аварийных интервалов и многоствольном бурении в твердых породах оперативно и надежно без использования стационарных и съемных откяонителей, использо-

вание которых трудоемко, а параметры кривизны, получаемые в резу-льтете их применения неудовлетворительны с точки зрения прогрессивных технологий бурения.

Таким образом, в диссертации решен ряд задач направленного бурения, на основе теоретических и экспериментальных исследований механики разрушения анизотропных и перемежающихся по твердости горных пород в процессе формирования стволов скважин с целью управления их направлением и кривизной.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре технологии и техники разведки ИЛИ Иркутского государственного технического униве рситета с 1981 года и начата под руководством доктора техн. наук И.Н.Страбыкина.

В процессе работы над диссертацией автор пользовался поддержкой и консультациями специалистов кафедр технологии и техники разведки МОЙ Иркутского государственного технического университета и Томского политехнического университета, которым выражает сво© признательность и благодарность.

I. АНШТИЧЕС

и пер:

ю ПР

I.I. Обзор и анализ исследований механики разрушения забоя и силовых факторов, вызывающих искривление стволов скважин, при бурении анизотрожных горных пород

Механизм искривления скважин, благодаря усилиям С.С.Сулакшина, А.Г.Калинина, Ю.Т.Морозова, М.Н.Страбыкина, В.П.Зиненко, В.В.Кри-вожеева, Ю.Л.Боярко, А.Е.Колесникова, В.П.Рожкова и др. отечественных и зарубежных специалистов, определился как комплекс причин задающих неравномерное разрушение забоя и стенок скважины. Особое внимание в этом перечне причин всегда уделяли анизотропии физико-механических свойств горных пород.

Сулакшин С.С. [85,8?,88] ,Боярко D.I. [is], Морозов Ю.Т. [61,62, Калинин А. Г. [Зб] в своих работах показали, что анизотропия является основным фактором, обуславливающим искривление, а процесс набора кривизны определяется тем, что анизотропная порода оказывает максимальное сопротивление разрушению вдоль слоистости (сланцеватости), а минимальное- в перпендикулярном направлении. Последнее направление рядом специалистов [89] называется линией наименьшего сопротивления (ЛНС) порода. Во всех промежуточных направлениях величина сопротивления оказывается заплетенной между указанными экстремальными значениями.

При оценке степени анизотропности горных пород известны два основных принципиальных подхода. Первый состоит в определении соотношения характеристик пород, таких как твердость, модуль упругости, величина упругой деформации и другие прямые и щавенные характеристики физико-механических свойств горных пород, замеренные в различных направлениях относительно образца, что позволяет получить относительно постоянное для породы значение показателя анизотропности. Второй подход основан на определении соотношения буримоетей в разных направлениях относительно слоистости или сланцеватости, что в отличии от первого дает показатель или индекс анизотропности, зависящий не только от свойств породы, но и п�