Способ бурения направленных скважин

 

Использование: при бурении направленных скважин в угольной промышленности, например дегазационных и пилотскважин, а также скважин для снятия напряжения в угольных пластах или других технологических скважин малого диаметра в категорийных по выбросам газа шахтах. Сущность изобретения: отклоняющую радиальную силу создают за счет использования центробежной силы неуравновешенной массы бурового инструмента с равновысотными резцами. Управление траекторией скважины осуществляют путем изменения величины и места приложения отклоняющей радиальной силы за счет варьирования величиной угловой скорости вращения шпинделя на одном обороте. 4 ил.

Изобретение относится к способам бурения направленных скважин и может найти предпочтительное применение в угольной промышленности при бурении дегазационных и пилотскважин, а также скважин для снятия напряжения в угольных пластах или других технологических скважин малого (30 42 мм) диаметра в категорийных по выбросам газа шахтах.

Известен способ направленного бурения скважин (авт.св. N 1698411, 1991) включающий приложение к инструменту перпендикулярно направлению подачи в процессе бурения импульсного усилия, осуществляемого с частотой, равной частоте вращения инструмента, и фазой, сдвинутой относительно нулевой фазовой точки на угол, соответствующий направлению отклонения. Отклоняющее усилие прикладывается в непосредственной близости от режущего инструмента посредством подачи электрического тока от электродов, расположенных на дневной поверхности к центральным электродам, находящимся на забое скважины.

Недостатками данного способа являются отсутствие оперативного контроля отклонения в процессе работы, а также отсутствие возможности целенаправленного изменения траектории бурения, что может привести к большим отклонениям от заданной траектории.

Наиболее близким техническим решением является способ направленного бурения (авт. св. N 1740603, 1992). Данный способ отличается от выбранного в качестве аналога способа направленного бурения скважин установкой вокруг устья скважины сейсмоприемников, регистрирующих импульсы от отклоняющего элемента, и вычислительного блока, определяющего по времени их прихода направление отклонения скважины, а также тем, что в качестве отклоняющего элемента используют подпружиненный ударник с храповиком. Данные способы применяются при бурении геологоразведочных скважин большого диаметра и требуют использования специально изготовленных отклоняющих устройств, работой которых управляют посредством электрического тока. Кроме того, величина радиальной силы ударно-импульсного отклонителя прототипа определяется жесткостью пружины и ходом ударника. Все это затрудняет варьирование амплитудой радиальной отклоняющей силы при бурении направленных скважин и, следовательно, не может обеспечить изменение радиуса кривизны скважины в широких пределах. С другой стороны, при работе в категорийных по выбросам газа шахтах реализация данных способов изменения траектории скважины будет сопряжена со значительным увеличением габаритных размеров отклонителя вследствие пожаровзрывобезопасного исполнения его электрической части. Последнее делает применение данных способов затруднительным при бурении дегазационных или пилотскважин, а также других технологических скважин малого диаметра в категорийных по выбросам газа шахтах.

Изобретение направлено на улучшение технологических характеристик способа бурения направленных скважин. При этом имеется ввиду применение способа для бурения направленных скважин малого диаметра с возможностью управляемого со станка изменения радиуса кривизны в широких приделах в категорийных по выбросам газа шахтах.

Это достигается тем, что проводят приложение к буровому инструменту перпендикулярно направлению подачи в процессе бурения отклоняющей радиальной силы, осуществляемое с частотой, равной частоте вращения инструмента, и фазой, сдвинутой относительно нулевой фазовой точки на угол, соответствующий направлению отклонения, и постоянный контроль местоположения забоя скважины и величины ее отклонения от проектного положения. При этом в качестве отклоняющей радиальной силы используют центробежную силу неуравновешенной массы бурового инструмента с разновысотными резцами на буровой коронке, а фазу и величину ее изменяют варьированием величины угловой скорости вращения шпинделя на одном обороте.

На фиг. 1 и 2 представлены эпюры результирующей действующих на буровой инструмент сил в перпендикулярной направлению бурения плоскости и забой скважины с находящимся в нем инструментом при равномерно вращающемся буровом ставе соответственно. На фиг. 3 и 4 представлены эпюры результирующей действующих на буровой инструмент сил в перпендикулярной направлению бурения плоскости и забой скважины с находящимся в нем инструментом при изменении угловой скорости вращения бурового става на одном обороте соответственно.

В перпендикулярной направлению бурения плоскости при бурении горизонтальных скважин на буровой инструмент действуют силы резания F_z и F_y, гравитационная сила F_g, сила реакции бурового става на изгиб F_ry и центробежная сила неуравновешенной массы бурового инструмента F_zb.

Силы резания при бурении острыми круглыми резцами определяются формулами F_z ≈ F_y здесь K_α коэффициент, характеризующий влияние угла резания на величину усилия резания; K_λ -коэффициент, учитывающий влияние угла поворота резца; K_f коэффициент, учитывающий влияние кривизны режущей кромки; F_k контактная прочность буримого материала; h глубина резания; t шаг резания.

Гравитационная сила F_g на конце бурового става с учетом точек его опоры в скважине и описание его поведения как неустойчивой колонны под действием усилия подачи определяется формулой
здесь P_bst масса 1 пог. м буровой штанги;
l₀ расстояние между точками опоры става;
g ускорение свободного падения;
α угол подъема скважины.

Сила реакции бурового става на изгиб F_ry может быть найдена по формуле

здесь E_st модуль упругости материала бурового става;
IS_st= π·R_bst 4/4 момент инерции сечения буровой штанги;
R_bst радиус буровой штанги;
f_y R_kr·(1-Cos(L₀/R_kr)) максимальное отклонение бурового става в плоскости изгиба;
R_kr радиус кривизны скважины.

Центробежная сила неуравновешенной массы бурового инструмента определяется формулой
F_zb= d_mi·ω²_i·R,
здесь d_mi неуравновешенная масса бурового инструмента;
ω_i текущее значение угловой скорости бурового инструмента;
R расстояние от оси бурового инструмента до центра тяжести его неуравновешенной массы.

Равнодействующая данных сил на каждом обороте будет определять направление отклонения скважины. Проведенный анализ влияния сил, действующих на буровой инструмент в перпендикулярной направлению бурения плоскости, с точки зрения эффективного управления со стороны бурового станка показал, что наиболее существенное влияние на формирование фазы и величины результирующей данных сил на одном обороте оказывает центробежная сила неуравновешенной массы бурового инструмента. Геометрическая сумма результирующих на одном обороте определяет фазу и величину равнодействующей силы на данном обороте.

Как видно из фиг. 1, при равномерном вращении бурового става эпюра результирующих сил, действующих на буровой инструмент в перпендикулярной направлению бурения плоскости, практически полностью симметрична относительно продольной оси бурового става. В этом случае равнодействующая данных сил близка нулю. Незначительные изменения состояния породы или параметров системы буровой инструмент став буровой станок при постоянном режиме бурения вызывает неуправляемое увеличение диаметра скважины относительно диаметра бурового инструмента (фиг. 2). Управляемого изменения направления скважины при этом не происходит.

При импульсном изменении угловой скорости вращения бурового става происходит импульсное изменение и центробежной силы неуравновешенной массы бурового инструмента. Поэтому эпюра результирующих сил, действующих на буровой инструмент в перпендикулярной направлению бурения плоскости, имеет ярко выраженный экстремум (фиг. 3), обусловленный увеличением угловой скорости вращения. Равнодействующая данных сил отлична от нуля. Величина и фаза равнодействующей определяются величинами и направлением сил резания, гравитационной силы, силы резания бурового става на изгиб и управляемой центробежной силы неуравновешенной массы бурового инструмента. При этом фаза центробежной силы определяется совпадением времени подачи импульса угловой скорости и расхождением неуравновешенной массы бурового инструмента в нужном для отклонения скважины положении. Величина центробежной силы определяется увеличением амплитуды угловой скорости вращения бурового става. Следовательно, при изменении амплитуды угловой скорости можно осуществлять варьирование центробежной силой неуравновешенной массы бурового инструмента в широких приделах. Это дает возможность получить скважины заданного направления с различными радиусами кривизны.

Если происходит совпадение фазы равнодействующей силы при предыдующих и последующих оборотах, то осуществляются направленное подрезание породы резцом (фиг. 4), определяющее эксцентриситет ε скважины, и управляемое отклонение траектории скважины от первоначального направления.

Контроль пространственного положения скважины может осуществляться с помощью метода, описанного в прототипе, при условии пожаровзрывобезопасного исполнения электрической части измерительных и вычислительных приборов.

В настоящее время разработана математическая модель процесса бурения предлагаемым способом и составлена программа на алгоритмическом языке Pascal 6.0. Проведенные на математической модели исследования процесса бурения скважин длиной до 150 м с пульсацией угловой скорости вращения шпинделя бурового станка показали устойчивое и управляемое по фазе и величине увеличение центробежной силы неуравновешенной массы бурового инструмента и равнодействующей сил, действующих на буровой инструмент в перпендикулярной направлению бурения плоскости, на одном обороте. Помимо машинных экспериментов на полигоне кафедры ГПАиГ НГТУ был собран полноразмерный стенд и проведены натуральные эксперименты, которые подтвердили правильность теоретических предположений и результаты расчетов. Результаты машинных и лабораторных исследований оценены положительно.

Формула изобретения

Способ бурения направленных скважин, включающий приложение к буровому инструменту перпендикулярно направлению подачи в процессе бурения отклоняющей радиальной силы, осуществляемое с частотой, равной частоте вращения инструмента, и фазой, сдвинутой относительно нулевой фазовой точки на угол, соответствующий направлению отклонения, и постоянный контроль местоположения забоя скважины и величины его отклонения от проектного положения, отличающийся тем, что в качестве отклоняющей радиальной силы используют центробежную силу неуравновешенной массы бурового инструмента с разновысотными резцами на буровой коронке, а фазу и величину отклоняющей радиальной силы изменяют варьированием величины угловой скорости вращения шпинделя на одном обороте.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4