Способ бурения направленных скважин

Изобретение относится к области бурения, а именно к способу бурения направленных скважин. Способ заключается в приложении к буровому инструменту перпендикулярно направлению подачи в процессе бурения отклоняющей радиальной силы, осуществляемой с частотой, равной частоте вращения инструмента, и с фазой, сдвинутой относительно нулевой фазовой точки на угол, соответствующий направлению отклонения, и постоянный контроль местоположения забоя скважины и величины его отклонения от проектного положения. В качестве отклоняющей радиальной силы используют боковую составляющую реакции резца при увеличении подачи больше номинальной и посадке на заднюю грань пера с меньшим задним углом, а фазу и величину отклоняющей радиальной силы изменяют варьированием величины угловой скорости вращения шпинделя на одном обороте. Обеспечивает улучшение технологических характеристик способа бурения направленных скважин малого диаметра с возможностью управляемого от станка изменения радиуса кривизны в широких пределах в категорийных по выбросам газа шахтах. 11 ил.

 

Изобретение относится к способам бурения направленных скважин и может найти применение при бурении дегазационных и пилотскважин, а также других технологических или разведочных скважин малого (42 мм, 59 мм, 65 мм, 76 мм) диаметра.

Известен способ направленного бурения скважин (см. авторское свидетельство №1698411, 1991), включающий приложение к инструменту в процессе бурения перпендикулярно направлению подачи импульсного усилия, осуществляемого с частотой, равной частоте вращения инструмента, и с 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. Принимаем его в качестве аналога.

Недостатки: отсутствие оперативного контроля отклонения в процессе работы; отсутствие возможности целенаправленного изменения траектории бурения, что может привести к большим отклонениям от заданной траектории.

Наиболее близким техническим решением является способ направленного бурения (см. авторское свидетельство №1740603, 1992), принятый нами в качестве прототипа. 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. Данный способ применяется при бурении геологоразведочных скважин большого диаметра.

Недостатки:

1. требуется использование специально изготовленных отклоняющих устройств, работой которых управляют посредством электрического тока;

2. величина радиальной силы ударно-импульсного отклонителя прототипа определяется жесткостью пружины и ходом ударника, что затрудняет варьирование амплитудной радиальной отклоняющей силы при бурении направленных скважин и, следовательно, не может обеспечить изменения радиуса кривизны скважины в широких пределах;

3. при работе в категорийных по выбросам газа шахтах реализация данных способов изменения траектории скважины сопряжена со значительным увеличением габаритных размеров отклонителя вследствие пожаровзрывобезопасного исполнения его электрической части, что делает применение данного способа затруднительным при бурении дегазационных и пилотскважин, а также других технологических скважин малого диаметра.

Задачей изобретения является улучшение технологических характеристик способа бурения направленных скважин. При этом имеется в виду бурение направленных скважин малого диаметра с возможностью управляемого от станка изменения радиуса кривизны в широких пределах в категорийных по выбросам газа шахтах.

Это достигается подведением к буровому инструменту перпендикулярно направлению подачи отклоняющей радиальной силы, осуществляемым с частотой, равной частоте вращения инструмента, и с фазой, сдвинутой относительно нулевой фазовой точки на угол, соответствующий направлению отклонения, и постоянным контролем местоположения забоя скважины и величины ее отклонения от проектного положения. При этом в качестве отклоняющей радиальной силы используют боковую составляющую реакции резца при увеличении подачи больше номинальной и посадке при этом на заднюю грань пера с меньшим задним углом, а фазу и ее величину изменяют варьированием величины угловой скорости вращения шпинделя на одном обороте.

Исследования зависимостей подачи резца от усилия подачи и частоты вращения проводились на песчанике с контактной прочностью 1776 МПа при усилиях подачи от 8 до 28 кН с частотами вращения 90, 155, 280 и 435 об/мин (см. Ю.Ф.Литкевич. Исследование подачи, скорости бурения и коэффициента полезного действия при вращательном бурении шпуров. Новые технологии управления движением технических объектов: Сб. стат. по матер. 6-й междунар. науч.-тех. конф. Новочеркасск, 17-19 дек. 2003 г./Юж.-Рос.гос.техн. ун-т.- Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. - Вып.4 - С.59-65). Аналогичные результаты были получены и при бурении пород с контактной прочностью Ρ_к=960 и 1270 МПа.

Анализ зависимостей показывает, что при бурении крепких пород при постоянном значении усилия подачи во всем диапазоне рабочих частот скорость бурения остается величиной постоянной, не зависящей от частоты вращения резца, то есть

V_б=S_i·n_i=const при Ρ_ос=const,

где V_б - скорость бурения, мм/с;

S_i - i-я подача за один оборот, мм/об;

n_i - i-я частота вращения, об/с;

Ρ_ос - усилие подачи, кН.

Откуда следует, что при уменьшении частоты вращения увеличивается толщина срезаемой стружки, а при увеличении частоты подача уменьшается. Поэтому для импульсного увеличения подачи резца при постоянном значении усилия подачи необходимо импульсное изменение угловой скорости в заданном секторе каждого оборота резца.

Равнодействующая боковых 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 силы на одном обороте оказывает боковая составляющая реакции резца при увеличении подачи до значения больше номинального и посадке при этом на заднюю грань пера с меньшим задним углом.

Геометрическая сумма результирующих сил на одном обороте определяет фазу и величину равнодействующей силы на данном обороте.

Сущность изобретения на примере резца РП-42 с измененной на одном пере величиной заднего угла поясняется фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11.

На фиг.1, табл.1 и 2 представлены зависимости подачи инструмента S от усилия подачи P и чистоты вращения n.

На фиг.2 представлен симметричный резец, осуществляющий неуправляемое бурение.

На фиг.3 представлена главная боковая режущая кромка А при неуправляемом бурении.

На фиг.4 представлена главная боковая режущая кромка Б при неуправляемом бурении.

На фиг.5 представлены эпюры результирующей действующих на буровой инструмент сил в перпендикулярной направлению бурения плоскости.

На фиг.6 представлен забой скважины с находящимся в нем инструментом при равномерно вращающемся буровом ставе.

На фиг.7 представлен симметричный резец, осуществляющий управляемое бурение.

На фиг.8 представлена главная боковая режущая кромка А при управляемом бурении.

На фиг.9 представлена главная боковая режущая кромка Б при управляемом бурении.

На фиг.10 представлены эпюры результирующей действующих на буровой инструмент сил в перпендикулярной направлению бурения плоскости при изменении угловой скорости вращения бурового става на одном обороте.

На фиг.11 представлен забой скважины с находящимся в нем инструментом при аналогичном изменении угловой скорости.

Способ осуществляется следующим образом. При бурении скважины симметричным резцом с концевым углом ϕ° и неодинаковыми задними углами α_А и α_Б на главных боковых режущих кромках А и Б формируются нагрузки осевые Ρ_YA и Ρ_YБ и боковые Ρ_XA и Ρ_ХБ, значения которых попарно равны, и при номинальном усилии подачи и постоянной угловой скорости вращения ω боковое отклоняющее усилие не образуется.

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 к нулю. Незначительные изменения состояния породы или параметров системы "буровой инструмент - став - буровой станок" при постоянном режиме бурения не вызывает неуправляемого изменения диаметра скважины относительно диаметра бурового инструмента. Управляемого изменения направления скважины при этом не происходит.

При увеличении подачи или толщины срезаемой стружки, когда угол γ° наклона винтовой траектории движения режущей кромки Б станет равным заднему углу α_Б, происходит посадка резца на заднюю грань В_Б, при этом составляющие Ρ_YБ и Ρ_ХБ резко возрастают, создаются разные по величине боковые усилия на главных режущих кромках (Ρ_ХА≪Ρ_ХБ), разность которых отклоняет резец в направлении действия Ρ_ХБ.

При импульсном изменении угловой скорости вращения бурового става ω происходит импульсное изменение величины подачи (толщины срезаемой стружки), посадка резца одним пером на заднюю грань и возникновение отклоняющей силы. Поэтому эпюра результирующих сил, действующих на буровой инструмент в перпендикулярной направлению бурения плоскости, имеет ярко выраженный экстремум, обусловленный уменьшением угловой скорости вращения.

Равнодействующая данных сил отлична от нуля. Величина и фаза равнодействующей определяются величинами и направлением сил резания, силы реакции бурового става на изгиб и управляемой отклоняющей силы при посадке одного пера на заднюю грань.

При этом фаза отклоняющей силы определяется совпадением времени подачи импульса угловой скорости и расхождением импульса подачи бурового инструмента в нужном для отклонения скважины положении. Величина отклоняющей силы определяется уменьшением амплитуды угловой скорости вращения бурового става. Следовательно, при изменении амплитуды угловой скорости можно осуществлять варьирование силой, отклоняющей буровой инструмент в широких пределах. Это дает возможность получить скважины заданного направления с различным радиусом кривизны.

Если происходит совпадение фазы равнодействующей силы при предыдущих и последующих оборотах, то осуществляется направленное подрезание породы резцом, определяющее эксцентриситет "е" 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.

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 с 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 боковую составляющую реакции резца при увеличении подачи больше номинальной и посадке на заднюю грань пера с меньшим задним углом, а фазу и величину отклоняющей радиальной силы изменяют варьированием величины угловой скорости вращения шпинделя на одном обороте.