Совершенствование механизма искусственного искривления скважин скользящими отклонителями непрерывного действия

В последние годы в Российской Федерации складываются рыночные отношения. В условиях их развития на первое место выходит вопрос конкурентоспособности разрабатываемой техники для удовлетворения запросов потребителей.

Комитетом Российской Федерации по геологии и использованию недр (Роскомнедра) и ныне Министерством природных ресурсов РФ ведется целенаправленная политика в определении приоритетов, исходя из необходимости создания технических средств высокого качества и надежности.

Необходимо, однако, четко представлять, что мотивы потенциального заказчика при выборе технических средств для бурения геологоразведочных скважин в основном определяются экономическими трудностями, особо проявившимися на производственных предприятиях системы Минприроды в последние пятнадцать лет. тыс.пог.м.

7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 О.

3163 л.

1654 1339 1451/| 1475,3 1613,4 a JLJ, А ^ в • t * ¦ ¦ * • I * 1 .,, ., I -1 I ¦ I— ¦ 1 гг.

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000.

Рис. 1. Объемы бурения по организациям Роскомнедра за период 1991;2000 гг.

Снижение госбюджетного финансирования геологоразведочных работ и, как следствие, объемов бурения скважин, приведенное на рис. 1 (Справка об основных итогах ГРР в 1995 г. и за период 1991;1995 гг. «К заседанию коллегии Роскомнедра», 14 февраля 1996 г., Москва), говорит о смене приоритетов в решении задач данной отрасли. Отсюда очевидно, насколько важно сконцентрировать внимание разработчиков на теоретических исследованиях и обосновании технических образцов новой техники и технологии их применения. Они (исследования) являются основой совершенствования процесса оптимизации конструкций ОНД и методов их применения для решения геолого-методических и технических задач, которые решались ранее при бурении геологоразведочных направленных скважин на твердые полезные ископаемые, и остаются актуальными в настоящее время. Как следует из публикаций, развитие бурового дела в России и странах СНГ продолжается, но уже меньшими темпами [Отчет ВИТР за 1977 г.]. И если в условиях стабильного финансирования прошлых лет была предоставлена уникальная возможность создавать, испытывать и доводить опытные образцы буровой техники до серийного производства, то в современных условиях остро стоит вопрос сокращения в 2−4 раза сроков разработки и освоения новой техники. В 1988 году средняя продолжительность создания и освоения в производстве опытного образца новой техники составляла 5−6 лет, а в ряде случаев до 10 и более, в настоящее же время это срок морального износа техники, который составляет, по данным мировой статистики, около 6 лет. Поэтому заниматься доводкой вновь создаваемых образцов буровой техники и технологии ее применения для удовлетворения определенных потребительских требований, опираясь только на испытания в производственных условияхнепозволительная роскошь. Благодаря разработке теоретических основ ИИ и используя специальное стендовое оборудование, срок освоения новых образцов ОНД можно сократить до 1 — 1,5 лет.

Предлагаемая диссертация посвящена совершенствованию методов управления траекториями направленных скважин при искусственном искривлении (ИИ) и повышению эффективности применения отклонителей непрерывного действия (ОНД), которые остаются и в настоящее время наиболее действенным инструментом корректировки траекторий направленных скважин. Однако, как показывает практика, погрешность интенсивности искусственного искривления ОНД нередко достигает ±40% относительно проектируемых параметров, что обусловлено отсутствием теоретически обоснованных методик прогнозирования циклов применения отклонителей и стабильности технологий их применения.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности направленного бурения геологоразведочных скважин за счет оперативного управления траекториями стволов скважин регулируемыми скользящими от-клонителями.

Идея работы: соотношение работы фрезерования боковой стенки скважины и механической скорости бурения обеспечивает заданную точность искусственного искривления скользящими отклонителями непрерывного действия.

Задачи исследования.

1. анализ современного состояния теоретического, технического и технологического уровней искусственного искривления бесклиновыми снарядами непрерывного действия;

2. обоснование необходимого оперативного управления траекторией скважин при их искусственном искривлении ОНД;

3. разработка математических моделей работы ОНД с учетом их конструктивно-технологических параметров;

4. разработка и изготовление экспериментального стенда;

5. проведение экспериментальных исследований по влиянию технических параметров ОНД на реализацию эффективной технологии ИИ;

6. разработка рекомендаций по созданию отклонителей нового поколения.

Методика исследований. Для решения поставленных задач применялись теоретические и экспериментальные методы исследования, а также производственные испытания отклонителей ОБС-46(59,76), что позволило разработать новую модель процесса ИИ на основе применения математического анализа и программирования. Экспериментальные исследования выполнялись на специальном стенде (модели скважины) с применением современной контрольно-измерительной аппаратуры. Опытные данные обрабатывались методами математической статистики с применением ПЭВМ и разработанных программ.

Научная новизна заключается в совершенствовании механизма искусственного искривления скважин на основе отношения степени разрушения долотом стенки скважины и её забоя, возникающего при работе скользящего от-клонителя с регулируемым узлом отклонения и обеспечивающего необходимую интенсивность искусственного искривления.

Основные результаты, полученные лично соискателем: анализ современного состояния теоретического, технического и технологического уровня проблемы искусственного искривления бесклиновыми снарядами непрерывного действия, позволивший сформулировать цель и основные задачи исследованийновая аналитическая зависимость, определяющая эффективность проведения цикла ИИ бесклиновыми снарядами непрерывного действияновые аналитические зависимости, определяющие усилия раскрепления и отклонения в основных функциональных узлах отклонителя типа ОБСразработан стенд СПО-59/76 для испытания и создания отклонителей непрерывного действия нового усовершенствованного типа (патент № 2 109 125 РФ, МКИ кл. Е 21 В 7/04. Б.И., № 11 от 20 апреля 1998 г.). Основные защищаемые положения: • механизм искусственного искривления скважин скользящими от-клонителями непрерывного действия определяется соотношением работы разрушения стенки скважины активным боковым сектором долота и механической скоростью бурения в интервале искривления, а стабильность этих параметров позволяет повысить точность выполнения цикла технологического задания;

• значения рациональных технологических параметров процесса искусственного искривления определяются из соотношения величин осевого усилия и усилия отклонения на породоразрушающем инструменте, обеспечивающего требуемую интенсивность при применении отклонителей непрерывного действия.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается значительным объемом теоретических и опытно — производственных исследований и близкой сходимостью опытных данных с расчетными, а также положительными результатами (до 93−95%) испытаний и внедрения отклонителей ОБС во многих экспедициях ряда организаций геологоразведочной отрасли.

Личный вклад автора заключается:

• в постановке идеи и задач исследований и методов их реализации;

• в разработке методики определения количественных значений технологических параметров циклов искусственного искривления с целью эффективного использования ОБС;

• в проведении исследований влияния естественного искривления на постановки ОБС;

• в производственных испытаниях и внедрении разработанных технологий применения отклонителей типа ОБС.

Практическая ценность состоит:

• в разработке инженерной методики проектирования параметров цикла ИИ направленных скважин в конкретных горно-геологических условиях;

• в обосновании и экспериментальном подтверждении оптимальных величин раскрепляющего и отклоняющего усилий на ОНД, что обеспечивает стабильность набора кривизны при производственных работах с применением от-клонителей типа ОБС.

Реализация результатов работы осуществлялась при испытаниях отклонителей ОБС на объектах ПГО «Севзапгеология», «Севвостзолото», «Ташкентгеология», Кайраккумская экспедиция Таджикистана, «Центрказгео-логия».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на IV научной конференции молодых ученых и специалистов Северо-запада «Научные и практические проблемы геологоразведки» (1990, ВИТР), II Международном симпозиуме по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (1992, СПбГГИ) — на 1Уи V Международном симпозиуме по бурению скважин в осложненных условиях (1998 и 2001, СПбГГИ) — на технических совещаниях Жайремской ГРЭ «Центрказгеология» (1988), в Северной ГРЭ «Севзапгеология» (1989;1990), Восточно-Чукотской экспедиции ГГП «Севвостгеология» (1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе патент РФ за № 2 109 125 на изобретение «Стенд для моделирования работы бурового става в наклонной скважине».

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 80 наименований. Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста, включает 29 рисунков, 12 таблиц, 7 приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Существующие аналитические и эмпирические модели цикла ИИ от-клонителями непрерывного действия не раскрывают в явном виде функциональные параметры, влияющие на этот процесс, что делает их малопригодными для инженерных расчетов по прогнозу и регулированию интенсивности ИИ.

2. Интенсивность искусственного искривления определяется работой разрушения боковой стенки скважины, механической скоростью бурения интервала ИИ и величиной бокового смещения оси вращения ПРИ относительно оси корпуса отклонителя в радиальном направлении.

3. Основными факторами, определяющими эффективность выполнения отклонителями непрерывного действия геолого-технического задания по проведению скважин согласно проектной траектории, является стабильность технологических параметров цикла ИИ.

4. При равных опытных значениях Рот и п работа разрушения однотипных горных пород боковой поверхностью (Аб) для алмазного долота в среднем в 1,6 раз выше Аб чем для шарошечного долота.

5. Для задач плавного набора кривизны по дуге с заданным радиусом предпочтительно регулирование параметра Рот, а в случае необходимости получения более высоких значений интенсивности предпочтительно регулирование параметра п как для алмазного, так и для шарошечного долота.

6. Оптимальное значение усилия раскрепления достигается не ростом Рос, а регулированием угла скоса клиновой пары узла раскрепления.

7. Механизмы раскрепления в современных конструкциях скользящих отклонителей являются одним из факторов уменьшения их габаритов.

8. Экспериментальные исследования ОБС-59 на стенде СПО-59/76 подтвердили аналитические зависимости, полученные для основных функциональных узлов (раскрепления, отклонения) отклонителя, которые рекомендованы для инженерных расчетов.

9. В результате выполненных теоретических, экспериментальных, стендовых и производственных исследований были сформулированы требования к созданию отклонителей нового поколения:

• малогабаритный;

• разделение канала передачи осевой нагрузки и частоты вращения на ПРИ;

• Рос и Рот должны быть функционально независимы;

• Регулируемое значение Рот.

10. Основным направлением дальнейших исследований может стать совершенствование методики проектирования технологии интервалов ИИ с применением полученных аналитических зависимостей для конкретных горногеологических условий, а также совершенствование конструкции узла отклонения скользящих отклонителей.

ЗАДАЧИ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Для дальнейшего развития техники и технологии искусственного искривления отклонителями непрерывного действия типа ОБС необходимо продолжать исследования в части совершенствования методики проектирования технологии интервалов ИИ с применением полученных аналитических зависимостей, изложенных в диссертации, совершенствовать конструкцию узла отклонения ОБС по критерию максимальной надежности работы для всех типов диаметров геологоразведочного бурения.