автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Управление искривлением скважин при алмазном бурении в анизотропных породах

Государственный комитет РСФСР по делам науки

и высшей школы Московский ордена Трудового Красного Знамени геологоразведочный институт им. С. Орджоникидзе

На правах рукописи

КРИВОШЕЕВ ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ

УДК 622.243

УПРАВЛЕНИЕ ИСКРИВЛЕНИЕМ СКВАЖИН ПРИ АЛМАЗНОМ БУРЕНИИ В АНИЗОТРОПНЫХ ПОРОДАХ

Специальность 05.15.14 — Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1991

Работа выполнена в Томском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им. С. М. Кирова.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор А. Г. Калинин

доктор технических наук Мельничук И. П.

доктор технических наук Морозов Ю. Т.

Ведущее предприятие: ПГО «Запснбгеология» Министерства геологии СССР.

Защита состоится « » _1991 г.

в час., в ауд. 2 на заседании специализи-

рованного совета Д.063.55.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Московском ордена Трудового Красного Знамени геологоразведочном институте им. Серго Орджоникидзе, по адресу: 117485, Москва, ул. Миклухо-Маклая, дом 23 а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «___» _ 1991 р.

Ученый секретарь специализированного совета,

доктор технических наук

профессор А. А. СМОЛЯНИЦКИИ

гсшац

я. -!еллкз

гдел

ртаций

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Направленное бурение является высшим проявлением ресурсосберегающего подхода при разведке месторождений полезных ископаемых, поскольку оно позволяет избежать перебуривания скважин, отклоняющихся от проектных траектории н не выполняющих при этом геологическое задание, позволяет решать поставленные задачи с наименьшими затратами средств и времени, а в ряде случаев осуществлять такие схемы разведки, которые без использования методов и средств направленного бурения реализовать просто невозможно.

До настоящего времени направленным бурением можно было заниматься, а можно было и не заниматься, поскольку в геологоразведке действовал затратный механизм, и итоги работы, а следовательно, и их оплата, зависели от количества набуренных метров. Поскольку бурение скважин с использованием средств корректировки траекторий требовало больших затрат, чем бурение таких же скважин по естественным траекториям, а снижение объемов бурения не стимулировалось, то у геологоразведочных организаций не было прямой необходимости использовать все возможности этого перспективного и далеко не исчерпавшего свои возможности метода.

Очевидно, что в условиях рыночной экономики старые механизмы не смогут действовать и в геологоразведке. Отрасль, даже если она сохранится в виде существующих структур, вынуждена будет перейти на контрактную систему разведки месторождений, исключающую возможность оценки результатов работы по количеству пробуренных метров, что еще более повысит актуальность проблемы направленного бурения.

Особые сложности вызывает искривление скважин в анизотропных породах, характеризующееся высокой интен-

1

сивностью, и зачастую, на первый взгляд, совершенно бессистемное.

Например, по данным Апанасенко, в районе работ Комсомольской ГРЭ при использовании ССК-59 и КССК.-76 средняя интенсивность искривления скважин составляет 0,01—0,02 °/м, но по отдельным типам пород, к которым относится переслаивание песчаников с алевролитами, она достигает 0,10—0,19 0/м, то есть повышается в 10 и более раз.

На Тенкергинском месторождении, сложенном контак-тово - метаморфнзованными песчано - глинистыми породами, по данным Рачкина С. М., отмечается интенсивность искривления скважин по азимуту 0,11 что совершенно недопустимо.

Для ликвидации последствии внепроектного отклонения скважин в анизотропных породах в отдельных экспедициях осуществляется до 700—800 циклов искусственного искривления в год, что приводит к большим затратам средств и времени непроизводительного характера.

Существующие в настоящее время представления о строении анизотропных пород, о закономерностях изменения их свойств, о процессах, происходящих при взаимодействии породоразрушающего инструмента с горной породой и приводящих к отклонению скважин, зачастую противоречивы и затрудняют поиск наиболее логичных путей управления искривлением скважин. Традиционные технические средства направленного бурения, применяемые в настоящее время для стабилизации и корректировки траекторий скважин в анизотропных породах, не дают требуемого эффекта, поскольку методологические принципы, на которых базируются эти средства, в определенной степени исчерпали свои возможности, что тормозит развитие научно-технического прогресса в отрасли.

Таким образом, разработка теории и создание целостной системы средств и методов управления траекториями скважин в анизотропных породах представляет собой весьма актуальную для геологоразведочных работ проблему, а ее практическое решение обеспечивает проведение скважин по проектным траекториям с наименьшими затратами средств и времени, а в ряде случаев позволяет осуществить бурение в таких условиях, где применение традиционных средств направленного бурения не позволяет решить поставленную задачу.

Настоящая работа, направленная на решение данной проблемы, проводилась в Томском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте имени С. Л1. Кирова на кафедре техники разведки месторождений полезных ископаемых по пятилетним планам НИОКР Мингео СССР по проблемам XIIJLHL^

002

115 задание 6, XII — 119 задание 7 отраслевой компле-

002

ксной целевой программы «Принципиально новые технические средства и методы бурения направленных и многоствольных скважин, включая инклннометрическую, ориентирующую и другую аппаратуру», а тажже по заданиям ПГО «Запснбгеология» и «Востказгеологпя» (№№ гос. регистрации 73029848; 76069242; 0183.0018705; 0186.0065420 и др.), по которым автор являлся сначала ответственным исполнителем, а затем научным руководителем научно-исследовательских и опытно-конструкторских тем.

ИДЕЯ РАБОТЫ — разработка основных вопросов теории процесса искривления скважин в анизотропных породах позволяет создать систему средств и способов управления искривлением скважин.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ — разработка теории и создание целостной системы средств и методов управления траекториями скважин для повышения эффективности направленного бурения в анизотропных породах.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие основные задачи:

— исследование анизотропии горных пород как объекта приложения технологических процессов; характера взаимосвязей элементов анизотропных пород, показателей, характера изменения свойств;

— экспериментальное исследование процесса естественного искривления скважин в анизотропных породах;

— теоретическое обоснование процесса естественного искривления скважин в анизотропных породах;

— разработка нетрадиционных средств и способов для управления искривлением скважин в анизотропных породах;

— разработка традиционных средств направленного бурения скважин в той части, в которой это необходимо и воз-

3

можно для повышения его эффективности в анизотропных породах.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ. При подготовке программы научных исследовании использован метод «от частного к общему, а затем снова к частному на более высоком уровне». Общая методическая схема выполнения научно-производственных исследовании выглядит следующим образом:

— обзор и анализ материалов научных и производственных исследований по проблеме;

— решение вопросов, связанных с выбором цели, постановкой задач исследований и определением путей их решения;

— создание экспериментальной базы для исследований, подбор коллекций анизотропных пород, породоразрушающе-го инструмента;

— экспериментальные исследования процесса искривления скважин в анизотропных породах;

— статистическая обработка результатов экспериментальных исследований на ЭВМ;

— теоретические исследования вопросов искривления скважин в анизотропных породах;

— разработка технических средств и методов управления процессом искривления скважин в анизотропных породах на основании знаний, полученных в результате экспериментальных и теоретических исследований;

■— экспериментальная проверка технических средств и методов управления процессом искривления скважин в анизотропных породах, совершенствование и уточнение конструкции технических средств направленного бурения и технологии их применения;

— опытно-производственные исследования и проверка работоспособности методов, технических средств и технологии направленного бурения на плановых скважинах в различных геологотехничеоких условиях, определение их работоспособности, точности и экономической эффективности.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в том, что в итоге проведенных теоретических, экспериментальных и производственных исследований разработана теория и создана целостная система средств и методов управления траекториями скважин при алмазном бурении в анизотропных породах.

Это стало возможным вследствие того, что были решены следующие научные вопросы.

Исследована анизотропия пород, доказан приоритет показателя анизотропии по буримости применительно к «ругу решаемых вопросов, исследован характер изменчивости показателен анизотропии пород по буримости и по твердости при различных углах встречи плоскости сланцеватости породы, определены адекватные уравнения для его описания, в широком диапазоне изучены закономерности изменения показателя анизотропии по буримости при различных параметрах режима бурения.

Создан уникальный электромеханический стенд, с помощью которого проведены исследования процесса естественного искривления скважин в анизотропных породах, позволившие в чистом виде выделить поперечную отклоняющую силу, приводящую к искривлению скважин, разложить эту силу на составляющие, обуславливающие зенитное и азимутальное искривление, выявить закономерности изменения направления и величины этих сил при различных параметрах режима бурения, а также получить результаты, позволяющие предположить возможности управления естественным искривлением скважин за счет использования промывочных жидкостей с различной смазочной способностью.

Сформулированы и экспериментально подтверждены основные аспекты теории процесса естественного искривления скважин в анизотропных породах, показана природа и приоритет силовой теории естественного искривления скважин в анизотропных породах, в свете которой представлены причины зенитного и азимутального искривления скважин, объясняющие ранее спорные вопросы искривления скважин, в частности, интенсивное искривление скважин при бурении снарядами со съемными керноприемникамп, которое связано с тем, что отклоняющая сила формируется на контакте каждого резца с горной породой и пропорциональна площади торца алмазной коронки.

Получены теоретические и экспериментальные результаты, позволяющие количественно оценить процесс трения алмазного породоразрушающего инструмента о горную породу, наличие которых сделало возможным создать методику расчета специального породоразрушающего инструмента для стабилизации скважин.

Проведенные научные исследования позволили разработать комплекс технических средств и методов направленного бурения нетрадиционного характера, предназначенных для стабилизации траекторий и регулирования темпа естественного искривления скважин.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ диссертации заключается в том, что на базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны нетрадиционные средства, позволяющие управлять процессом естественного искривления скважин в анизотропных породах, а также разработаны технические средства из группы традиционных, в той части, в которой это необходимо для повышения эффективности направленного бурения скважин в анизотропных породах.

Для стабилизации траекторий скважин разработаны базированные алмазные коронки, позволяющие снижать интенсивность естественного искривления в среднем в 2—3 раза, а также создана шарнирная компоновка, позволяющая решать эту задачу.

Для управления естественным искривлением скважин разработаны балансированные алмазные коронки, позволяющие изменять интенсивность искривления на 20—50%, а в ряде случаев — направление азимутального искривления на противоположное.

Для установки отклонителен в наклонных скважинах в заданном направлении разработан дебалансный гидравлический ориентатор, обеспечивающий точность ориентации на уровне 0,95—0,98 при затратах времени 2—5 минут на эту операцию.

Разработаны методики расчета темпа пространственного искривления скважин для снаряда, работающего в режиме фиксированного перекоса и в стесненных условиях, позволяющие решать ряд вопросов по проектированию траекторий скважин и управлению их естественным искривлением.

Разработана технология управления процессом естественного искривления скважин в анизотропных породах путем изменения параметров режима бурения.

Все разработанные технические средства направленного бурения выполнены на уровне изобретений и защищены авторскими свидетельствами.

ОБОСИОВАННОСЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений, методов исследований, выводов и рекомендаций обусловлена результатами теоретических, экспериментальных и производственных исследований, выполненных в лабораторных условиях и в производственных организациях по разработанным автором методикам с использованием совершенной регистрирующей, контрольно-измерительной аппаратуры и электронно-вычислительной техники.

Объемы экспериментальных исследований определялись исходя из выборочных коэффициентов вариации таким образом, чтобы надежность результатов находилась на уровне 0,95—0,99.

Все вычислительные работы выполнены на ЭВМ ЕС-1033 и ЕС-10С0 по программа, разработанным автором диссертации.

Обоснованность теоретических положений, изложенных в диссертации, подтверждается высокой сходимостью предполагаемых и полученных в результате экспериментальных и производственных работ данных.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИИ. Разработанные технические средства управления искривлением скважин нзготовлепы малыми сериями в цехе рекуперации алмазов Монгольской ГРЭ ПГО «Сосновгеология», на ЭЗТАБе ВПО «Союзгеотехнпка», в Тульском филиале ЦНИГРИ, а также в ЦРММ ПГО «Запсибгеология» и экспериментальных производственных мастерских Томского политехнического института.

Комплект технических средств для направленного бурения скважин опробован и применяется в Рудно-Алтайской и Шалымской ГРЭ ПГО «Запсибгеология», в Зыряновской ГРЭ ПГО «Востказгеология», в ГРП-47 и ГРЭ-41 ПГО-«Стспгсология», в Монгольской ГРЭ ПГО «Сосновгеология».

Методическое руководство по направленному бурению геологоразведочных скважин, выполненное в соавторстве с Сулакшиным С. С., Рязановым В. И. и утвержденное Мингео РСФСР, в котором изложены вопросы проектирования скважин и решения других задач средствами направленного бурения, широко внедрено в отрасли.

ЛИЧНЫЙ НАУЧНЫЙ ВКЛАД автора в получении результатов заключается в том, что им выработаны практически все научные и технические идеи, реализованные в диссертационной работе, разработаны схемы экспернменталь-

ных стендов, подготовлены методики экспериментальных исследований и обработаны результаты. Автор принимал личное участие в экспериментальных исследованиях, часть из которых выполнена под его научным руководством Дсль-вон В. А., Нейштетером И. А., Петуховым А. А. при участии Онищенко В. Л., Чубика П. С. Подготовка теоретической части и обработка статистических данных проведены лично Кривошеевьш В. В.

ОБСУЖДЕНИЕ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались на совещаниях Экспертного координационного совета по направленному бурению и инклинометрип Мингео СССР (г.г. Ленинград, Усть-Каменогорск, Чита) в 1984, 1985, 1988, 1989 гг., на Всесоюзной научно-технической конференции по направленному бурению скважин (г. Чита) в 1988 г., на межвузовских научно-технических конференциях ТПИ (г. Томск) в 1984, 1989 гг., на международном симпозиуме по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (г. Ленинград) в 1989 г., на научно-технических совещаниях и советах геологоразведочных партий, экспедиции и объединении, освещены в трудах пятой Всесоюзной научно-технической конференции по разрушению горных пород при бурении скважин (г. Уфа) в 1990 г. Технические разработки Кривошеева В. В. демонстрировались на ВДНХ СССР в 1986, 1990—91 гг. и на международной выставке «Геология» в КНР в 1989 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 44 научных работы, в том числе 2 монографии, 6 брошюр, 15 статей, 6 тезисов докладов, 7 информационных листов и проспектов ВДНХ СССР, получено 2 авторских свидетельства об изобретениях и 2 положительных решения, зарегистрировано 4 научно-технических отчета.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Работа состоит из введения и шести глав и изложена на 323 стр. машинописного текста, включая 84 рисунка, 15 таблиц и список литературы из 11 наименований, а также 18 приложений.

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность своему наставнику профессору Сулакшину С. С., а также сотрудникам кафедры техники разведки месторождений полезных ископаемых Томского политехнического института Дельве В. А., Нейштетеру И. А., Петухову А. А., принимавшим непосредственное участие в выполнении рабо-

ты, и доценту Боярко Ю. Л., с которым работа неоднократно обсуждалась.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводятся сведения общего характера о направленности работы, ее связи с отраслевой тематикой, обсуждении и внедрении основных научных результатов исследований.

В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы направленного бурения скважин в анизотропных породах в СССР и за рубежом, проанализированы существующие представления об анизотропном кристалле и анизотропной породе, о процессах, происходящих при взаимодействии породоразрушающего инструмента и анизотропных пород, отмечен большой вклад в разработку проблемы направленного бурения, который внесли советские и зарубежные ученые Анищенко А. Я., Башкатов Д. Н., Боярко 10. Л., Боголюбский К. А., Вытонгов Ф. Д., Данпльченко И. Е., Журнист В. И., Зиненко В. П., Калинин А. Г., Кодзаев 10. В., Колесников А. Е., Костин 10. С., Лиманов Е. Л., Мелыш-чук И. П., Мелентьев Н. Я., Михалкевич Ю. Л., Морозов 10. Т., Олексенко М. П., Перминов В. В., Питерский В. М., Рожков В. П., Рязанов В. И., Соловов 10. Г., Сорокин А. А., Спиридонов Б. И., Страбыкин И. Н., Сулакшин С. С., Шитихин В. В., Щербаков В. С., Юдборов-екпй И. М., Браун Е., Бредли В., Вудс Г., Грин С., Де-рин Д., Лубински А., Макламор Р., Мэрфи С., Пэйрис В., Роллинг Г., Синх К., Чпсэм Д. и многие другие. Показано, что проблема требует дальнейшей разработки, сформулирована цель, определены задачи исследований, намечены пути и методика решения поставленных задач.

Во второй главе отражены теоретические, экспериментальные и статистические исследования анизотропии горных пород. На примере Таштагольского месторождения показаны структурные признаки анизотропии пород, исследованы показатели степени анизотропии породы по твердости и по бурнмости при различных условиях, решены вопросы приоритетов.

В третьей главе изложены материалы экспериментальных исследований процесса естественного искривления скважин в анизотропных породах, выделена поперечная откло-

няющая сила, действующая на буровую коронку при искривлении скважин, определена связь отклоняющей силы с параметрами режима бурения и смазывающей способностью промывочной жидкости, дано теоретическое обоснование процесса естественного искривления скважин в анизотропных породах, рассмотрены вопросы практического приложения разработанной теории.

В четвертой главе изложены вопросы стабилизации траекторий скважин базированными коронками. Разработана конструкция коронки, описана разработанная методика расчета элементов коронки, исследован процесс трения алмазного породоразрушающего инструмента о горную породу, показана связь коэффициента трения с энергоемкостью процесса разрушения породы, даны уравнения для практических расчетов.

В пятой главе приведены материалы, связанные с оценкой возможности стабилизации скважин одинарными колонковыми наборами, даны конструкции средств стабилизации окважин и средств ориентации отклонитслей, проделаны необходимые расчеты.

В шестой главе приведены основные результаты научных и производственных исследований процесса управления искривлением скважин при алмазном бурении в анизотропных породах.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Положение 1. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований создана целостная система представлений об анизотропной горной породе, как объекте приложения технологических процессов при направленном бурении скважин.

На уровне обобщений систематизирована информация о составе, строении и происхождении анизотропных пород, рассмотрена структура анизотропного кристалла, характер взаимосвязи отдельных элементов анизотропных пород, а также отдельных свойств. На примере Северо-Западного участка Таштагольского месторождения рассмотрены структурные признаки анизотропных пород, очерчен круг проблем, возникающих при осуществлении направленного бурения скважин в условиях несогласия структурных плоскостей пород и кливажа.

Экспериментальные и статистические исследования (табл. 1) позволили установить, что показатель анизотропии пород по буримости имеет приоритет по отношению к показателю анизотропии пород по твердости, поскольку I — критерии всегда больше табулированного значения 001; н>=4,59, что говорит о статистической существенности отличия средних значений.

Таблица 1

Оценка коэффициентов показателей анизотропии пород по твердости и по буримости

Коэффициент вариации показателя анизотропии по твердости, %

Угол встречи плоскости сланцеватости, °

30

60

90

30,1

35,2

33,4

28,0

То же, по буримости

6,9

7,5

6,4

8,3

1-крнтерии

10,4

7,4

10,9

5,8

Проведены исследования с целыо решения вопроса о выборе адекватного уравнения, описывающего связь между показателями степени анизотропии пород и углом встречи плоскости сланцеватости (табл. 2).

Таблица 2

Оценка адекватности уравнений, связывающих показатели анизотропии с углом встречи плоскости сланцеватости

Уравнение но буримости по твердости

параболическое 0,0079 0,0392

линейное 0,0166 0,0860

показательное 0,0182 0,0861

синусоидальное 0,0320 0,1074

степенное 0,0488 0,0662

логарифмическое 0,0535 0,0951

эллиптическое 0,0575 0,0990

Материалы табл. 2 позволили утверждать, что показатель анизотропии по буримости является более корректным

и лучше описывается стандартными функциями; общепринятая для описания связи показателя анизотропии с углом встречи плоскости сланцеватости эллиптическая функция не может быть использована с этой целью, поскольку критерий согласия в случае ее применения имеет наибольшее (анизотропия буримости) или почти наибольшее (анизотропия твердости) значение; лучше всего связь показателя анизотропии пород с углом встречи плоскости сланцеватости описывается параболической функцией, однако с достаточной степенью точности может быть описана уравнением прямой линии.

Проведенные более 1000 циклов экспериментального бурения позволили получить поверхность распределения показателя анизотропии пород по буримости при различных углах встречи плоскости сланцеватости и различных параметрах режима бурения.

Разработан метод интерполяции и экстраполяции поверхностей распределения показателя анизотропии пород по буримости системой перпендикулярных вертикальных поверхностей. Это позволяет прогнозировать показатель анизотропии и дает новые возможности оптимизации процесса бурения как на стадии проектирования скважин, так и на стадии выбора параметров режима бурения.

Типизированы показатели анизотропии пород по буримости, классифицированы горные породы по характеру анизотропии, определены текстуры горных пород, которым свойственен тот или иной тип анизотропии (табл. 3).

Положение 2. Сформулированы и экспериментально подтверждены основные аспекты силовой теории процесса естественного искривления скважин в анизотропных породах.

Проведенные экспериментальные исследования лунок разрушения при вдавливании инденторов в анизотропные породы под разными углами к плоскости сланцеватости показали, что при углах встречи меньше 45°, наибольший объем разрушения имеет место в направлении падения плоскости сланцеватости пород. Эти наблюдения, наряду с результатами экспериментального бурения в комбинированных образцах, состоящих из анизотропных и изотропных пород, позволили доказать неправомочность объяснения причин и закономерностей естественного искривления скважин в анизотропных породах с позиций асимметричного скола породы.

Таблица 3

Показатели и текстуры анизотропных пород

Схема силового взаимодействия породоразрушающего инструмента с анизотропной породой, представленная на рис. 1, дает основание утверждать, что сумма сил, действующая на коронку параллельно оси х, определяется величиной

п

ДРт^Р^-зтр,. (1)

1=1

С учетом того, что сила сопротивления породы перемещению резца в направлении восстания плоскости сланцеватости меньше, чем в направлении падения этой плоскости, результирующая сила АРт направлена так, как это показано па рис. 1, а скважина отклоняется в направлении восстания плоскости сланцеватости. Естественно, новое толкование природы искривления позволяет найти новые пути к прогнозированию процесса и к управлению им.

С помощью специального стенда и оригинальных комбинированных образцов анизотропных пород (рис. 2), позволивших как бы дифференцировать забой скважины и исследовать характер силового взаимодействия породоразрушающего инструмента с породой в разных точках забоя, впервые в чистом виде определена дезориентирующая сила АРт (табл. 4).

Таблица 4

Экспериментальные результаты бурения алмазными коронками диаметром 36 мм в комбинированных образцах анизотропных пород

Момент трення, Н-м

при бурешш п на- при бурешш с на- Отклоняющая

н правлсини падения правлении восста- сила (ДРТ), Н

плоскости сланце- ния плоскости

ватости сланцеватости

400 2,04 2,02 0,9

800 3,40 3,52 —4,0

1200 5,59 5,06 18,2

1600 7,52 7,25 9,3

2000 9,66 9,26 13,9

2400 10,91 10,38 18,1

2800 11,75 11,33 14,5

след плоскости.

Рис. 1. Схема силового взаимодействия породоразрушающего инструмента с анизотропной породой

а

Рис. 2. Схема стенда для исследований комбинированных образцов анизотропных пород при бурении п направлении восстания (а) и в направлении падения плоскости сланцеватости (б): 1 — комбинированный образец; 2 — нородоразрушающнй инструмент; 3 •— упругий элемент датчика; 4 — направление падения плоскости сланцеватости

Сила AFt определена следующим образом

2SFtgbh — 21Ftha0 AFt =---;

где S^tqbh —сумма сил сопротивления поперечному перемещению резца в плоскости забоя по дуге GBH (рис. 1, рис. 2,6);

^^тцло—сумма сил сопротивления поперечному перемещению резца в плоскости забоя по дуге MAG (рнс. Г, рис. 2,а).

Названные силы определены экспериментальным путем и рассчитаны как

2SFt = ^, (3)

где Мт — момент трения; RCk — средний радиус коронки.

Это позволило количественно оценить процесс естественного искривления скважин и разрешить некоторые существующие противоречия, в частности, позволило однозначно объяснить более высокую интенсивность искривления скважин при бурении ССК и КССК.

Положение 3. Экспериментально изучены закономерности естественного искривления скважин и создана теория регулирования траектории скважин балансированными коронками в анизотропных породах.

На буровую коронку, вращающуюся по часовой стрелке, если скважина отклоняется от прямолинейной траектории, действует поперечная сила N (рис. 3), обусловленная геологотехннческимп причинами. На наружной поверхности матрицы, контактирующей со стенкой скважины, формируется равнодействующая Rh нормальных Nu и тангенциальных т„ сил, повернутая влево от направления отклоняющей силы N. На внутренней поверхности матрицы, контактирующей с керном, формируется равнодействующая Rb нормальных Nu и тангенциальных х„ сил, повернутая вправо от направления отклоняющей силы N. Если наружная и внутренняя поверхности матрицы вооружены одинаково, то суммарная равнодействующая всех сил R действует в том же направлении, что и сила N. Если внутренняя поверхность вооружена лучше чем наружная, то равнодействующая R поворачивается вправо, а если лучше вооружена наружная поверхность, то сила R поворачивается влево. 16

V

а

Рис. 3. Схема поперечных отклоняющих сил и возможные направления отклонения скважин: а — поверхности матрицы армированы одинаково; б — внутренняя поверхность матрицы армирована более насыщенно; в — наружная поверхность матрицы армирована более насыщенно.

Таким образом, характер смещения коронки и направление искривления скважины, наряду с прочими причинами, зависят от соотношения сил, формирующихся на боковых поверхностях матрицы коронки. Соотношение этих сил зависит от количества подрезных алмазов.

Угол поворота Чт результирующей силы И определяется по уравнению

Л1. , , М, — М2

м, + м2.

где Г — динамический коэффициент сопротивления породы перемещению коронки в плоскости забоя; М] — число подрезных алмазов на внутренней поверхности матрицы коронки; М2 — число подрезных алмазов на наружной поверхности матрицы коронки.

Немаловажную роль в этом процессе играет и фрезерующая способность подрезных алмазов, существенно различная для отдельных видов. Причем наибольшая эффективность фрезерования свойственна мелким алмазам изо-метричнон формы.

Для экспериментального подтверждения теоретических предположений и исследования закономерностей искривления скважин в анизотропных породах создан уникальный стенд. Традиционные стенды такого типа предусматривают наличие неподвижно закрепленного образца анизотропной породы и относительно свободного бурового снаряда, отклоняющегося от первоначального направления при бурении. Однако при такой компоновке стенда сложно получить в чистом виде результаты силового взаимодействия коронки с горной породой. Поэтому в стенде ТПИ использована противоположная схема фиксации взаимодействующих элементов. Буровой снаряд зафиксирован, а образцу породы предоставлена определенная свобода перемещения в горизонтальной плоскости в двух взаимноперпендикулярных направлениях. Для измерения генерируемых в процессе бурения отклоняющих зенитной и азимутальной сил используются упругие стальные пластины. Величина изгиба пластины соответствует величине приложенной отклоняющей силе и измеряется с помощью индуктивных датчиков.

Экспериментальные исследования на лабораторном стенде осуществлялись в рассланцованных анизотропных породах Таштагольскои серии и позволили подтвердить выдви-

Таблица 5

Отклоняющие зенитные Р9 и азимутальные Р а силы при различном соотношении внутренних и наружных подрезных алмазов г, различных Соу , частотах вращения п при бурении алмазными коронками диаметром 36 мм в анизотропных породах Ташгагольскои серии

Сии п, Р'1 , Ра C,v, л. ре, Ра Ре,

МПа мин"1 Н н МПа мин-1 Н Н Н

Н

2,6 49,2 11,5 2,6 23,5 21,3

0,50 4,9 325 79,6 20,8 3,5 645 г; о о 12,0 71,5 15,3

7,0 120,7 —2,0 5,1 80,4 10,9

2,6 36,8 2,1 2,6 23,7 21,3

0,35 4,9 325 51,4 15,4 3,5 645 39,0 6,0

7,0 60,7 —9,3 5,1 70,8 —3,8 50,6 3,8

7,0 56,5 —58,0

2,6 47,1 7,7 3,5 645 42,2 9,8

0,15 4,9 325 61,3 —0,6 2,6 33,2 17,2 71,0 —5,9

7,0 128,1 —36,9 5,1 84,5 -6,8

путые предположения о возможностях управления искривлением скважин за счет регулирования вооружения боковых поверхностей матриц алмазных коронок, а также позволили установить связь отклоняющих зенитных и азимутальных сил друг с другом и с параметрами режима бурения (табл. 5). |

Результаты, приведенные в табл. 5, позволили получить количественные зависимости зенитной отклоняющей силы от давления (табл. 6) при разных частотах вращения.

Таблица 6

Корреляционные характеристики зависимостей величины зенитной силы (Рц) от давления (Соу )

г п, мин-1 Р0 =Ф(С0у), Н Количество опытов Коэфф. корр.

0,50 325 Ро = 13,9 Соу+12,4 33 0,50

615 Ро =21,9 Соу—25,0 23 0.75

0,35 325 Ро = 6,2 С„у+ 22,1 37 0,34

645 Ра = 14,4 СоУ—18,7 19 0,57

0,15 325 РО = 19,5 С„у—18,7 36 0,74

645 РО = 13,5 СоУ+ 6,7 21 0.46

Проведенные исследования показали, что характер азимутального усилия очень существенно зависит от соотношения количества внутренних и наружных подрезных алмазов. При соотношении алмазов 0,5 зафиксирована в среднем положительная азимутальная сила, равная 15,3 И. При уменьшении соотношения алмазов до 0,35 сила остается положительной, но уменьшается в среднем до 3,8 Н. Наконец, при величине соотношения 0,13, »преобладающей в искривлении становится левая компонента, а величина азимутальной силы равна — 5,9 Н.

Очень активную роль при формировании азимутального искривления играет осевая нагрузка. Во всех сериях экспериментов с ростом нагрузки происходит уменьшение правой компоненты искривления и рост левой. Переход от правого искривления к левому не достигнут только у коронки с соотношением внутренних и наружных подрезных алмазов, равном 0,5. В пяти остальных сериях экспериментов при на-

чальном давлении 2,6 МПа наблюдалась положительная азимутальная сила, то есть правое искривление, а при максимальной нагрузке в 4,9—7,0 МПа — отрицательная сила, то есть левое искривление.

Частота оборотов не столь заметно влияет на азимутальную отклоняющую силу, но, в целом, просматривается увеличение правой компоненты азимутального искривления с ростом частоты оборотов. Для прогнозирования величины азимутальной силы по материалам экспериментального бурения рассчитано уравнение множественной корреляции, связывающее азимутальную силу с параметрами режима бурения.

Ра= 10,3—4,6 Соу+0,21 п (5)

Все изложенное позволяет сделать вывод о том, что зенитная и азимутальная силы связаны между собой (табл.7).

Таблица 7

Корреляционные характеристики зависимостей величины азимутальной силы (Р« ) от зенитной силы (Ро)

т. и, Р-д=([ (РО, II Количество Коэфф.

мин 1 опытов корр.

0,50 325 Ро. =—0,37 Ро +47,5 28 —0,45

015 Рз =—0,17 Ро+24,5 23 —0,39

0,35 325 Р» = — 0,13 РО +11,4 38 —0,14

015 Ра =—0,49 Ро +23,0 22 —0,54

0,15 325 Р. =—0,23 Ре +11,0 32 —0,32

645 Р* =—0,09 РО + 4,3 21 —0,12

Как видно из уравнений, приведенных в табл. 7, между зенитной и азимутальной силами во всех случаях существует обратная зависимость. Эти и другие наблюдения позволили сформулировать следующие положения о природе азимутального искривления скважин в анизотропных породах и о возможностях его регулирования.

Деформация породы под торцевыми алмазными резцами в точке А (рис. 2) больше, чем в точке В, поскольку условия разрушения породы при движении резца в направлении восстания плоскости сланцеватости лучше, чем в на-

правлении падения плоскости сланцеватости. В связи с этим происходит движение скважины по правому винту, что отмечено также в работах Боголюбского К. А. и др. При появлении поперечного отклоняющего усилия, вызванного различными геологотехническими причинами, коронка прижимается к стенке скважины и к керну соответственно наружной и внутренней поверхностями матрицы. При малых поперечных (зенитных) усилиях коронка слабо прижимается к стенке скважины и к керну, и предполагаемые нами эффекты поперечного взаимодействия ощущаются слабо. С ростом величины зенитного искривления эти эффекты становятся превалирующими, а скважины отклоняются влево при уменьшенной вооруженности внутренней поверхности матрицы или еще более интенсивно вправо при уменьшенной вооруженности наружной поверхности матрицы.

Выдвинутое нами предположение о приоритетном характере влияния сил сопротивления поперечнохму перемещению резца при бурении в анизотропных породах на искривление скважин потребовало экспериментальной проверки закономерностей искривления скважин при промывке разными жидкостями.

Исследованиями Ребиндера П. А., Шрейнера Л. А., Жи-гача К. Ф. показано, что в процессе бурения непосредственно под торцом коронки образуется трещиноватая зона и циркулирующая жидкость со смачивающим агентом проникает в микротрещины этой зоны. Использование промывочной жидкости с увеличенной смачивающей способностью повышает эффективность разрушения породы вследствие проникновения смачивателя в мнкротрещины и адсорбирования его на поверхностях. Этот эффект активизируется при бурении в анизотропных породах, склонных к образованию многочисленных плоскостей скольжения, сообщающихся с поверхностью.

В связи с этим был проведен цикл экспериментального бурения в анизотропных горных породах на лабораторном стенде при промывке водным однопроцентным раствором сульфонола, являющегося активным понизителем твердости, и проведено сравнение величин отклоняющих зенитных и азимутальных сил с соответствующими результатами, полученными при промывке скважин технической водой (табл. 8).

■ Результаты, приведенные в табл. 8, которые следует считать предварительными, тем не менее, обнадеживают.

Зенитная сила при промывке раствором сульфонола уменьшилась более чем в два раза, что, в свою очередь, изменило характер азимутальной силы. Поскольку при бурении с промывкой водой зенитная сила существенно выше, то хорошо проявилась левая компонента и, в целом, имело место левое искривление. При бурении с промывкой раствором сульфонола зенитная сила невелика, хорошо проявилась правая компонента, чго подтверждает сделанные ранее выводы с природе азимутального искривления скважин в анизотропных породах.

Таблица 8

Сравнительные результаты экспериментальною бурения в анизотропных породах алмазными коронками лмаметром 30 мм при промывке жидкостями разных типов

Промывочная Колич. Соу, п, Ро, Р* , v»!,

жидкость опытов МПа мни"' Н Н мм/с

те.хнич. вода 61 5,3 325 86,1 —7,2 0,68

1 °/о-11 Р-Р

сульфонола 39 5,3 325 38,1 7,8 0,76

На основании разработанной теории регулирования азимутального искривления скважин в ТПИ были изготовлены балансированные коронки 02ИЗНС, 02ИЗНЛ и 02ИЗНП, а также коронки К1ИЗНП, К1ИЗНЛ изготовлены на ЭЗТАБе ВПО «Союзгеотехника4». Применение коронок 02ИЗНЛ, 02ИЗНП в Шалымской ГРЭ ПГО «Запсибгеоло-гия» позволило изменять интенсивность азимутального искривления скважин в среднем на 30—40% в расчетном направлении. Применение коронок К1ИЗНП, К1ИЗНЛ в Зыря-новской ГРЭ ПГО «Востказгеология» позволило получить более высокие результаты регулирования азимутального искривления в среднем до 50—70%. В отдельных случаях удалось полностью погасить нежелательное азимутальное искривление скважин либо изменить направление искривления на противоположное.

Положение 4. Разработана теория работы специальных базированных алмазных коронок, позволяющих стабилизировать траектории скважин.

Наружная часть торца матрицы коронки (рис. 4) наклонена под углом Я к поперечной осн. В наклонной части

Рис. 4. Базированная коронка: 1 — короночное кольцо; 2 — матрица; 3 — объемные алмазы; 4 — паз; 5,6 — базовые направляющие; 7 — наружные подрезные алмазы; 8 — внутренние подрезные алмазы

торца матрицы выбран паз 4 (на рис. 4 горизонтальная проекция паза показана пунктиром). В боковую поверхность матрицы вмонтированы базовые направляющие 5 и 6, разнесенные на угол [i. Наружная поверхность матрицы коронки, заключенная между сторонами этого угла, подрезными алмазами не армирована.

При создании осевой нагрузки и крутящего момента осуществляется силовое взаимодействие торца коронки и горной породы. На наклонной части торца коронки в точках касания каждого алмаза с породой возникают поперечные составляющие от осевой нагрузки, направленные к центру коронки. Полученные силы, генерируемые в диаметрально противоположных точках, взаимно уничтожаются. Поскольку в матрице выбран паз 4, на диаметрально противоположной части матрицы формируются некомпенсированные радиальные силы, равнодействующая которых Fr направлена в центр паза.

По такому же принципу формируется равнодействующая FT некомпенсированных тангенциальных сил, направленных противоположно вектору скорости вращения.

Равнодействующая R радиальной и тангенциальной сил направлена по биссектрисе угла ц и обеспечивает равномерную загрузку базовых направляющих и их равномерный износ.

Коронка прижимается к стенке скважины базовыми направляющими п боковой поверхностью матрицы, заключенной между базовыми направляющими, то есть гладкими элементами, не имеющими возможности фрезеровать стенку скважины и уводить ее от заданного направления.

При появлении посторонней возмущающей силы направление равнодействующей всех поперечных сил меняется, но она не выходит за пределы базированной зоны, что резко уменьшает возможность прижатия боковой поверхности матрицы вооруженной поверхностью к стенке скважины и существенно снижает интенсивность искривления.

Параметры базированной коронки рассчитывается на основании следующих уравнений.

Fu = с;, • cos ?v (sin }. — rp • cos К), (6)

где С,', — несбалансированная осевая нагрузка; rp — статический коэффициент сопротивления породы перемещению коронки в апсидалыюй плоскости.

где { — динамический коэффициент сопротивления породы перемещению коронки в плоскости забоя.

В связи с большой ¿неоднозначностью и противоречивостью информации о процессе трения алмазных резцов о горную породу, а также с необходимостью наличия универсальной методики расчета динамического коэффициента сопротивления породы перемещению коронки в плоскости забоя, проведены экспериментальные исследования процесса трения и дано их теоретическое обоснование.

Если рассматривать коэффициент трения, как отношение силы лобового сопротивления породы к силе, препятствующей заглублению резца в породу, то при его расчете необходимо учитывать соотношение продольных и поперечных размеров алмазного зерна. Известно, что габитус кристаллов может быть октаэдрическим, ромбододекаэдрическим и гексаэдрическим в остро- и плосковершинных, а также прямо- и крнвогранных разновидностях этих форм. При армировании буровых коронок естественными алмазами используются овализованные и полированные фракции, имеющие форму, приближающуюся к сферической, а также необработанные целые или дробленые алмазы. Последние алмазы по форме приближаются ¡к перечисленным выше кристаллографическим образованиям и могут быть условно представлены в виде параболоида вращения, пирамиды или конуса, характеризующихся различным относительным удлинением (искаженностью).

В качестве теоретического обоснования процесса трения алмазных зерен о горную породу могут быть использованы следующие полученные нами уравнения.

где [с — коэффициент сопротивления перемещению сферического резца; т — предел прочности породы на срез; о —

X 0,5 агсып

о,5с;, + гк + 1/о.25с;,а - г» + Ргг о,5с;,(1 + ?*)

¡л = 2агс{д----

БШ /. — 9 - соб ).

(8)

(9)

(Ю)

предел прочности породы на сжатие (смятие); И — радиус сферы; а — длина горизонтали, соединяющей продольную ось резца с верхней точкой соприкосновения резца с породой (в данном случае; а — радиус горизонтальной проекции лунки вдавливания).

Ь = (И)

Зг-а-И/

где /п — коэффициент сопротивления перемещению резца, представляющего собой параболоид вращения; Ян — радиус поперечного сечения параболоида вращения; О — искажсн-ность геометрической формы алмаза (отношение продольного размера к поперечному).

= (12) 2а

где Г0 — коэффициент сопротивления перемещению резца,

представляющего собой прямогранный островершинный октаэдр.

—. (13)

где — коэффициент сопротивления перемещению резца, представляющего собой двойной конус.

Проведенные статистические исследования на основании большого экспериментального материала позволяют утверждать, что коэффициенты сопротивления для однослойных ¡о и импрегиированных ^ алмазных коронок могут быть с высокой степенью точности рассчитаны с помощью линейных корреляционных уравнений через энергоемкость разрушения пород си.

Го = 0,094+ 0,025 (XV (14)

^1=0,143 + 0,029 ау (15)

Уравнения более высоких порядков искать не имеет смысла, поскольку значения коэффициентов корреляции (го = 0,59; г,, = 0,61) очень близки и< значениям соответствующих корреляционных отношений (т)о = 0,62; т)и=0,64).

Таким образом, с ростом энергоемкости разрушения коэффициент сопротивления линейно возрастает. Причем, по абсолютной величине коэффициент трения для импрегиированных коронок выше, чем для однослойных. Это объясняется тем, что импрегнированные коронки вооружены алма-

27

зами, имеющими меньшую степень овализации и большую искаженность, что хорошо увязывается с нашими теоретическими представлениями, завершающимися уравнениями (10—13). Темп роста коэффициента сопротивления у нмпре-гнированных коронок также, но уже незначительно, выше, чем у однослойных.

Для практических расчетов коэффициента сопротивления нами, на основании общего уравнения Нейштетера И. А., «олучены частные уравнения, связывающие энергоемкость разрушения пород с некоторыми параметрами отдельно по типам коронок для пород средней твердости (индекс «с», твердость меньше 3500 МПа) и твердых (индекс «т», твердость больше 3500 МПа).

Л Г.81

а,..ис. =0,017-°—--, (16)

"(С) ' Г).-п0,12

ро,25 . Н'-30

а = 0,017 —-—, (17)

0(С) Ос-11°'30

рп,4Ц . Т—10,78

ап.|Т. = 0,017-^--—. (18)

14 1,14 Пж

ауо(Т) = 0,017 ——-—, (19)

°(Т) Ос • п"'ад мм3

где Ос — средний диаметр коронки, мм; Н — твердость пород, даН/мм2; С0 — осевая нагрузка, даН; п — частота вращения, мин-1.

На основании приведенных материалов рассчитаны и изготовлены в цехе рекуперации алмазов Монгольской ГРЭ, на ЭЗТАБ и в Тульском филиале ЦНИГРИ базированные коронки диаметром 59 и 76 мм, армированные естественными и искусственными алмазами.

Применение базированных коронок в Монгольской ГРЭ, в условиях очень незначительного естественного искривления, позволило снизить его интенсивность на 20—25%. В Шалымской ГРЭ ПГО «Запсибгеология», в условиях несколько большего искривления скважин, эффект стабилизации проявился также несколько более значительно. В среднем интенсивность пространственного искривления снизилась на треть. Наконец, в Зыряповской ГРЭ ПГО «Востказ-геология» в условиях весьма значительного искривления, интенсивность пространственного искривления скважин была 28

снижена при использовании базированных коронок в 2—3 раза по сравнению с обычными алмазными коронками в сопоставимых интервалах.

Положение 5. Проведено исследование возможностей стабилизации скважин одинарными колонковыми снарядами, работающими в режиме фиксированного перекоса, разработаны технические средства направленного бурения из группы традиционных в топ части, в которой это необходимо для повышения эффективности буровой разведки в анизотропных породах.

Для того, чтобы решить вопрос о возможности стабилизации скважин с помощью одинарных колонковых наборов, и на основании полученных результатов судить о необходимости создания специальных технических средств для осуществления этого процесса, нами разработана методика расчета кривизны скважины К, исходя из технологии бурения и особенностей колонкового набора, работающего в режиме фиксированного перекоса, то есть режима, характеризующегося наибольшим искривлением скважин.

К | (20)

2Ь2 1-СЛ , /С„ 2 °

1/1

EJ

Для практических расчетов может быть использовано

упрощенное уравнение.

¡Ф = 28,65

и СЕЛ 60 (ЕЛ;2]

где ¡ф — интенсивность искривления, °/м; АО — диаметральный зазор, м; Ь — длина колонковой трубы, м; q — нормальная составляющая веса единицы длины колонковой трубы, даЫ/м; Сп —• осевая нагрузка, даН; Е — модуль упругости стали, даН/м2; Л — осевой момент инерции сечения трубы, м4.

Уравнения (20, 21) применимы до тех пор, пока не прекращается свободный прогиб колонковой трубы, ограниченный предельной длиной колонковой трубы Ьп.

' ^.(Ш^Г (М,

Наименьшая интенсивность искривления скважин при использовании одинарного колонкового набора, работающего в режиме фиксированного перекоса, имеет место при расчетной длине колонковой трубы, равной Ьк.

Проведенные нами исследования показали, что одинарный колонковый набор имеет весьма малые перспективы стабилизации скважин, наращивание же длины набора и толщины стенки зачастую могут дать результаты, противоположные желаемым.

В связи с изложенным выше, а также исходя из того, что существующие стабилизирующие компоновки обладают малой чувствительностью и генерируют усилия в направлении, противоположном направлению естественного искривления, только после большого изгиба, нами создана принципиально новая стабилизирующая шарнирная компоновка «Стабит».

Компоновка состоит из двух шарнирносоединенных частей, нижняя из которых контролирует направление отклоняющегося участка скважины, а верхняя фиксируется центраторами в заданном направлении. При этом за счет наличия в верхней части компоновки эксцентричной втулки, воздействующей на рычаг, связанный через шарнир с нижней частью компоновки, в снаряде возникают ноперечные силы, прижимающие породоразрушающий инструмент к стенке скважины в направлении, противоположном направлению естественного искривления. Поперечные силы пропорциональны величине отклонения скважины от заданного направления, и с их помощью происходит стабилизация скважины до восстановления соосности верхней и нижней частей компоновки.

Величина поперечной силы Рк, генерируемой в компоновке, зависит от ряда параметров и может быть рассчитана на основании полученного нами уравнения

где Ь) — длина нижней части компоновки; Ь2 — длина рычага, связывающего нижнюю часть компоновки с эксцентричной втулкой.

(23)

Рк

1.5К |ЕЛ + Сп ■ Ь, (0,26 • и + О.ЗЗЬ,)]

и +

(24)

Поперечная сила Р1( носит экстремальный характер, если се рассматривать как функцию от длины нижней части компоновки. Минимальное значение поперечной силы имеет место при длине нижней части компоновки, равной Ь0.

Основные объемы производственных испытаний стабилизирующих компоновок осуществлены в Рудно-Алтайской ГРЭ ПГО «Запснбгеология», где в среднем достигнуто снижение интенсивности искривления па 30—40%, а также в ГРП-47 и ГРЭ-41 ПГО «Стспгеология», где интенсивность искривления снижалась на 40—70%, а также были получены довольно значительные интервалы скважин, в которых естественное искривление скважин было полностью погашено.

Кроме того, изучение зарубежной литературы свидетельствует о том, что в КНР в конце 80-х годов с успехом и в больших объемах начали применяться стабилизаторы траекторий скважин нашей конструкции, защищенные авторским свидетельством СССР Аг2 9662!9 с приоритетом от 05.03.1981 г., автор — Кривошесв В. В.

Определенная часть задач, возникающих при направленном бурении, решается и будет решаться с помощью специальных комплексов средств, основой которых являются отклонитель и ориентатор. Уровни этих изделий в настоящее время существенно отличаются, средства ориентации отработаны недостаточно хорошо, поэтому определенная часть наших исследований посвящена разработке средств ориентации отклонителей.

Производственные испытания разработанных дебаланс-ных гидравлических ориентиров ДГО—ТПИ в Рудно-Алтайской и Шалымской ГРЭ ПГО «Запснбгеология», а также в Зыряповскои ГРЭ ПГО «Востказгеология» позволили сократить затраты времени па ориентацию до 2—5 мин. и повысить точность ориентации до 0,95—0,98.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Исследована анизотропия горных пород, что позволило составить целостную картину об анизотропной породе,

о

(25)

как объекте приложения технологических процессов при направленном бурении.

Обобщены и проанализированы материалы о происхождении и строении анизотропных пород.

Исследованы показатели степени анизотропии пород, определен приоритет показателя анизотропии по буримости.

Исследован характер изменчивости показателей анизотропии пород по буримости и по твердости при различных углах встречи плоскости сланцеватости.

Изучены закономерности изменения показателя анизотропии по буримости при различных параметрах режима бурения.

2. Исследован процесс и экспериментально изучены закономерности естественного искривления скважин в анизотропных породах.

Создан уникальный стенд и методы экспериментальных исследований закономерностей искривления скважин в анизотропных породах.

В чистом виде выделена поперечная сила, отклоняющая породоразрушающий инструмент и скважину от первоначального направления. Эта сила разложена па азимутальную и зенитную составляющие, выявлены закономерности их изменения и регулирования параметрами режима бурения. Получены результаты, позволяющие предполагать возможность управления естественным искривлением скважин за счет использования промывочных жидкостей с различной смазочной способностью.

3. Сформулированы и экспериментально подтверждены основные аспекты теории процесса естественного искривления скважин в анизотропных породах.

Проведены исследования, позволившие показать приоритет силовой теории искривления скважин в анизотропных породах.

Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены причины зенитного и азимутального искривления скважин в анизотропных породах.

4. Разработаны нетрадиционные средства, позволяющие управлять процессом искривления скважин в анизотропных породах.

Разработана конструкция базированных алмазных коронок для стабилизации скважин, создана методика расчета элементов коронок. Как неотъемлемая часть этой работы

проведены значительные исследования процесса трения алмазного породоразрушающего инструмента о горную породу.

Разработана конструкция балансированных алмазных коронок, позволяющих регулировать азимутальное искривление скважин, разработана технология их применения.

5. Разработаны технические средства из группы традиционных в той части, в которой это необходимо п возможно для повышения эффективности направленного бурения скважин в анизотропных породах.

Проанализированы возможности стабилизации скважин с одинарным колонковым набором, работающим в режиме фиксированного перекоса, для чего создана методика расчета темпа естественного искривления скважин.

Разработана конструкция шарнирного стабилизатора траекторий скважин и создана методика его расчета.

Проанализированы конструкции, классифицированы ориентаторы отклонителей, разработана конструкция деба-лапеного гидравлического ориентатора ДГО-1-ТПИ.

6. Разработанные технические средства для направленного бурения скважин выполнены па уровне изобретений, изготовлены малыми сериями и показали положительные результаты при внедрении па плановых скважинах в ПГО «•Востказгеологпя», «Запсибгеология», «Сосновгеологпя» п «Стеигеология».

7. Проведенные исследования позволили разработать теоретические научные положения и предложить технические и технологические решения, совокупность которых представляет собой целостную систему управления траекториями скважин в анизотропных породах, что имеет важное народнохозяйственное значение и может внести значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса при направленном бурении скважин.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Монографии

1. С у л а к ш н и С. С., К р н в о ш с о в В. В., Рязанов В. И. Методическое руководство по направленному бурению геологоразведочных скважин. М.: Мипгсо РСФСР, Геолфопд РСФСР, 1978, 380 с.

2. С у л а к ш и п С. С., Кривошеее В. В., Рязанов В. И. Решение геологотехнических задач при направленном бурении скважин: Справочное пособие. М.: Недра, 1989, 167 с.

Брошюры

1. Криво шее в В. В. Направленное и .мпогозабоиное бурение скважин с основам» керпометрин. Томск: ТПИ, 1984, 84 с.

2. Кривошее в В. В. Ориентация отклоннтслеп. Обзор. М.: ОНТИ ВИЭМС, 1988, 44 с.

3. Криво ш се в В. В., Дельва В. А., Сулакшин С. С. и др. Экспериментальные исследования процесса естественного искривления скважин в анизотропных породах / Известия вузов. Геология и разведка. М„ 1987, 33 с. — Дсп. в ВИЭМС МГ СССР'l2.01.88, № 532-МГ-88.

4. К р и в о ш с е в В. В. Искривление скважин в анизотропных породах/Известия вузов. Геология п разведка. М., 1989, 54 с. — Дсп. в ВИЭМС МГ СССР 07.07.89, Да 778-МГ-89.

5. К р и в о ш е е в В. В., 11 с и ш т с т с р И. Д., Дельва В. А. Базированные алмазные коронки/Известия вузов. Геология и разведка. М., 1989, 01 с. — Дсп. в ВИЭМС МГ СССР 08 08.89, № 779-МГ-89.

6. К р и в о ш с с в В. В. Анизотропия горных пород/Известия вузов. Геология и разведка. М., 58 с. — Дсп. в ВИЭМС МГ СССР 26.12.89, № 813-МГ-89.

Статьи

1. К р и в о ш с е-в В. В., Сулакшин С. С., Шолохов И. Г. Методика определения оптимальных азимутов заложения скважин наТаш-тагольском железорудном месторождеш1!1//Буренис направленных и многоствольных скважпн на угольных п железорудных месторождениях Сибири и Урала: Сб. науч. трудов. М.: Мннгео РСФСР, Геолфонд РСФСР, 1970, с. 12—19.

2. Кривошеее В. В., С у л а к ш и и С. С., Ш е л е х о в Н. Г. Влияние некоторых факторов на направление и интенсивность искривления скважин//Б\'ре1те направленных и многоствольных скважпн на 34

угольных и железорудных месторождениях Сибири и Урала: Сб. науч. трудов. М.: Мингео РСФСР, Геолфонд РСФСР, 1976. — с. 44—54.

3. К р н п о in с е в В. В. Исследование степени влияния различных факторов па искривление скважин//Методика и техника разведки: Сб. науч. трудов. Л.: ОНТИ, ВИТР, 1977. № 1 12, с. 27—30.

4. К р и в о ш с е. в В. В., Сулакшин С. С., Рязанов В. II. Выявление закономерностей естественного искривления скважин на круто-падаотщих месторождениях//А\етоднка и техника разведки: Сб. науч. трудов. Л.: ОНТИ BI1TP, 1977, № 112, с. 38—42.

5. Сулакшин С. С., Рязанов В. П., Николаев Н. Л., Криво т с е в В. В. Шарнирные компоновки для направленного бурения скважин. М.: Разведка и охрана недр, 1977, Л"? 3, с. 29—32.

6. Кривошееп В. В. Определение закона распределения интенсивности зенитного искривления скважин на Таштагольском месторождении. М.: Известия вузов. Геология и разведка. 1978. № 2, с. 173—175.

7. Сулакшин С. С., Кривошеее В. В., Н е ф е д ь е в М. А. Закономерности естественного искривления скважин, пробуренных с использованием комплекса ССК в Мурманской и Степной ГРЭ//Техиоло-гня и техника геологоразведочных работ в Сибири: Межвуз. сб. науч. трудов. Томск: ТПИ, 1979, с. 8—12.

8. Кривошее в В. В. Исследование вопросов предупреждения естественного искривления скважин//Технологпя и техника геологоразведочных работ в Сибири: Межвуз. сб. науч. трудов. Томск: ТПИ, 1981, с. 65—69.

9. Крип о in с е о В. В., Дельва В. Д., Сулакшин С. С. и др. Шарнирная компоновка для бурения прямолинейных скважин. М.: Разведка и охрана недр, 1981, № 12, с. 38—39.

10. К р и в о ш е е в В. В., С у л а к ш и л С. С., Дельва В. А. и др. Дсбалансный гидравлический ориентатор отклонителеи новой конструкции ДГО-ТПИ. М.: ОНТИ ВИЭМС, 1988, вып. 10, с. 24—28.

11. К р и в о ш е е в В. В., Дельва В. Л., Н е й ш т е т е р 11. Л. Экспериментальные исследования фрезерующей способности боковой поверхности алмазных коронок с целью разработки рекомендаций но управлению трассами скважнн//Техп. и технол. геологоразвед. работ: Межвуз сб. науч. трудов. М.: МГРИ, 1987, вып. 10, с. 76—85.

12. Кривошееп В. В., Сулакшин С. С., Онищенко В. Л. и др. Объективный показатель степени анизотропии механических свойств горных пород. М.: Известия вузов. Геология и разведка, 1989, № 8, с. 88—96.

13. Дельва В. А., Нейштетер И. А., Криво шеев В. В. Процесс фрезерования стенок скважин при направленном буреннн//Тсхн. и технол. геологоразвед. работ: Межвуз. сб. науч. трудов. М.: МГРИ, 1988, вып. 11, с. 66—72.

14. Нейштетер И. А., Криво шеев В. В. Экспериментальные исследования трения при алмазном бурении. М.: Известия вузов. Геология и разведка, 1990, № 8, с. 108—111.

15. Дельва В. А., Кривошееп В. В. Экспериментальный стенд для исследования искривления скважнн//Проблемы научно-технического прогресса в бурении геологоразведочных скважин: Сб. науч. трудов, Томск: ТПИ, 1990, с. 120—124.

Тезисы докладов

1. Сулакшин С. С., Кривошеей В. В., Рязанов В. И., Методика выявления закономерностей естественного искривления и проектирования траекторий скважин//Техи. и тсхнол, геологоразведочных работ в Забайкалье: Тезисы докладов науч. тсхннч. конфер. Чита: ЗабНИИ, 1973, с. 50—52.

2. Кривошесв В. В. Управление искривлением скважин в анизотропных породах,//Бурение скважин в осложненных условиях: Сб. матер. Международного симпозиума. Л.: ЛГИ, 1989, с. 101.

3. Кривошеев В. В., Сулакшин С. С. Новые методы управления процессом естественного искривления скважин в изотропных и анизотропных породах//Направленное бурение геол. развед. скважин: Сб. матер. Всесоюзной науч.-технич. конференции. Чита: ЗабНИИ, 1989, с. 65—69.

4. Петри Н. 3., Кривошеев В. В. Статистические исследования процесса трения резца о горную породу. Тезисы докл. науч.-технич. конференции. Томск: ТПИ. Библ. указат. ВИНИТИ «Депонированные науч. раб.», 1990, № 2 (220), с. 105, п. 318 (спр. № 1858—89 Дсп.).

5. Кривошеев В. В., Сулакшин С. С,., Дельна В. А. Средства направленного бурения конструкции ТПИ//Пути повышения эффективности геологоразведочных работ: Тезисы докладов научи, техннч. конференции «Научные разработки — геологоразведчикам региона». Днепропетровск: ДТП НТГО, 1990, с. 42—43.

6. Кривошеев В. В., Ней ш тетер И. А., Д е л ь в а В. А. Сопротивление горных пород при их разрушении алмазными резцами различной формы//Разрушенпе горных пород при бурении скважин: Тезисы докладов пятой Всесоюзной науч.-технич. конференции РГП—90 Уфа: УНИ, 1990, с. 61—63.

Авторские свидетельства

1. А. с. 966219 СССР, М. КлЗ. Е 21 В 7/06. Снаряд для направленного бурения скважин/Крнвошеев В. В. — Л» 3253475/22—03; заявлено 05.03.81 г.

2. Л. с. 1541362 СССР, Е 21 В 7/08. Ориентатор отклонителя/Кри-вошеев В. В., Дельва В. А., Сулакшин С. С. — № 4331167/22—03; заявлено 24.11.87.

Положительные решения

1. П. р. М. КлЗ Е 21 В 10/48, 7/08. Алмазная буровая коронка Кривошеев В. В., Нейштетер И. А., Дельва В. А. и др. — № 4637117/ /31—03/174542; заявлено 19.12.88.

2. П. р. М. Кл5 Е 21 В 10/48. Алмазная буровая коронка/Крпвоше-ев В. В. — ЛЬ 4617667/31 — 03/147339; заявлено 17.10.88.

Информационные листки и проспекты

1. Кривошеев В. В., Дельва В. А., Сулакшин С. С. Де-балансно-гпдравлический ориентатор отклоннтелей для направленного бурения: Проспект ВДНХ СССР/МВ и ССО СССР — Томск, Красное знамя, 1986. — 4 с.