Исследование и совершенствование компоновки бурильной колонны для повышения эффективности бурения геологоразведочных скважин

Актуальность. В настоящий момент большинство геологоразведочных скважин в России и мире бурится с применением комплексов ССК алмазным породоразрушающим инструментом.
Известно, что при бурении геологоразведочных скважин вращатель- ным способом, колонна бурильных труб служит проводником для передачи энергии на забой. Количество энергии, дошедшей до забоя в виде величины осевой нагрузки и крутящего момента, зависит от множества факторов, важ- нейшими из которых являются сила трения скольжения между колонной и стенками скважины, а также усилие прижатия деформированной компоновки к стенкам скважины [63]. При высоких значениях коэффициента трения ме- жду колонной и стенкой скважины колонна, деформируясь, ведет себя не стабильно: возможно возбуждение поперечных и крутильных колебаний, не эффективных видов движения таких, как обратная прецессия. Все это оказы- вает значительное влияние на механическую скорость бурения, искривление скважины, проходку за рейс, выход керна, затраты мощности на вращение колонны, вибрацию, износ снаряда [26, 59].
Согласно экспериментальным данным, полученным в МГРИ [23] при выполнении исследований на горизонтальном стенде, наиболее устойчивым видом движения статически сбалансированных колонн при высокой частоте вращения является обратная прецессия, вид движения колонны, с которым связаны все негативные влияния на показатели бурения.
Поэтому актуальность приобретают разработки, направленные на по- вышение эффективности буровых работ, связанные с работой колонны, и со- стоящие в том, чтобы подобрать значения параметров системы «колонна – скважина», которые бы снижали вероятность возникновения обратной пре- цессии и ориентированного изгиба колонны, приводящего к перекосу торца породоразрушающего инструмента на забое.
5
Рост эффективности работы колонны с устранением отмеченных пара- метров связан с реализацией вращения компоновки по типу Ф1*.
Реализация типа вращения Ф1 может достигаться следующими основ- ными методами:
 Применением высокосбалансированных бурильных колонн с вы- сокой степенью точности выполнения соосности резьбового соединения при определенных условиях эксплуатации (ограниченных осевых нагрузках и частотах вращения колонн, малых значениях радиального зазора и коэффи- циента трения скольжения между колонной и стенкой скважины и др.);
 Применением специальных компоновок, реализующих при буре- нии режим вращения Ф1 как колонны, так и породоразрушающего инстру- мента с эксцентриситетом торца матрицы, который под действием дисбалан- са сил резания предотвращает вращение коронки в режиме ориентированного перекоса [60].
Таким образом, одним из направлений повышения эффективности ра- боты колонны является разработка технических средств, используемых в со- ставе буровой компоновки для реализации ее вращения по типу Ф1 в забой- ной зоне и наиболее нагруженной части буровой компоновки.
Первый из упомянутых методов на сегодняшний день достаточно изу- чен, реализован и широко распространен. В это же время, технические сред- ства, способные обеспечивать стабильный вид вращения колонны, повыше- ние эффективности геологоразведочного бурения в сложных горно- геологических условиях при высокочастотном алмазном бурении в системах типа ССК отсутствуют, что является актуальной проблемой.
Целью диссертационной работы является систематизация, расшире- ние и углубление знаний в области повышения эффективности
* Согласно классификации видов движения колонн приведенной в работе В.Н. Алексеева «Исследования устойчивости движения бурильной колонны на стенде». – Методика и техника разведки. Л. : ОНТИ ВИТР, 1979, No131, с. 43-46,: Ф1 – вращение колонны вокруг своей оси и вокруг оси скважины; Ф2 – вращение ко- лонны вокруг собственной оси; Ф3 – вращение колонны вокруг собственной оси с качениям по ее стенкам
6

работы бурильных колонн путем применения компоновок со смещенным центром тяжести поперечного сечения (КСМ) и коронок с эксцентриситетом торца матрицы (КИТ).
Идея работы заключается в применении специальных труб со сме- щенным центром тяжести поперечного сечения и установкой их в сжатой части бурильной колонны с оптимальным шагом для обеспечения движения колонны вокруг оси скважины, а так же алмазных коронок с эксцентрисите- том торца матрицы для исключения режима вращения с ориентированным перекосом ее торца.
Объект исследования: технические средства, обеспечивающие дви- жение колонны вокруг оси скважины и предотвращающие ориентированный перекос торца буровой коронки на забое.
Предмет исследования: работа компоновки бурильной колонны, оп- ределяющая технико-экономическую эффективность бурения скважин.
Основные задачи исследований:
 обзор и анализ современного представления о работе бурильной колонны, существующих в связи с этим проблемах, опытом применения компоновок со смещенным центром тяжести поперечного сечения;
 анализ современных технических средств по управлению траек- торией скважин;
 разработка методики определения оптимального размещения труб со смещенным центром тяжести поперечного сечения в интервале сжа- того участка бурильной колонны;
 обоснование принципиальных конструкций труб со смещенным центром тяжести поперечного сечения, исходя из конкретных технико- технологических параметров бурения;
 производственные испытания бурильных труб со смещенным центром тяжести поперечного сечения в составе сжатой части буровой ком- поновки;
7

 разработка эффективных конструкций коронок с эксцентрисите- том торца матрицы;
 лабораторные исследования и производственные испытания ко- ронок с эксцентриситетом торца матрицы.
Методы решения поставленных задач. Работа выполнена в соответ- ствии с общепринятыми методами теоретических и экспериментальных ис- следований. Исследования механизма работы буровой коронки КИТ с изме- ненной формой торца производились на буровом стенде. Обработка резуль- татов экспериментальных исследований проводилась с помощью методов математической статистики. Проведены производственные испытания опыт- ных образцов труб КСМ и макетов коронок КИТ на золоторудном месторож- дении «Попутнинское» для изучения работы бурового снаряда с оптимально размещенными КСМ в сжатой зоне, а также оценки влияния буровой корон- ки КИТ на интенсивность искривления скважин.
Личный вклад автора состоит в обзоре и анализе литературных ис- точников по тематике работы бурильной колонны и современных техниче- ских средств по управлению траекторией скважин; в разработке методики определения оптимального размещения труб КСМ в интервале сжатого уча- стка бурильной колонны; в обосновании конструкций труб КСМ; в проведе- нии стендовых испытаний коронок КИТ; в проведении производственных испытаний макетов коронок КИТ и опытных образцов труб КСМ.
В работе защищаются следующие научные положения:
1. Повышение эффективности работы бурильных колонн, достига- ется за счет явления динамической стабилизации, которое наиболее полно проявляется в случае размещения специальных труб со смещенным центром тяжести поперечного сечения в сжатой, наиболее деформированной части бурильной колонны с определенным интервалом в точках, соответствующих местам деформации колонн с образованием гребня полуволны деформации, при этом величина эксцентриситета КСМ определяется типом бурильной ко- лонны и параметрами режима бурения.