Томский политехнический университет, г. Томск, Россия. Научный руководитель: профессор Рябчиков С.Я.
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ШАРОСТРУЙНОГО БУРЕНИЯ
Ковалев А.В., Алиев Ф.Р., Якушев Д.А.
Научный руководитель: профессор Рябчиков С.Я.
Томский политехнический университет, г. Томск, Россия
Способ разрушения горных пород ударами шаров был предложен в 1955 г. группой ученых американской нефтяной компании «Картер Ойл К°». Результаты этих исследований освещены в работах И.Э. Эскеля, Ф.Г. Дэйли, Л.У. Леджервурда [1, 2]. Некоторые данные приводятся в работах А.У. Маккрея и Ф.У. Коле [3]. Целью исследований была разработка более эффективного способа бурения нефтяных скважин. Убедившись в возможности разрушения горных пород ударами быстродвижущихся шаров, исследователи решили проблему создания устройства, позволяющего осуществлять разгон шаров и их рециркуляцию. Устройством, наиболее полно отвечающим этим требованиям, оказался струйный насос.
В результате проведенных лабораторных исследований было установлено, что наибольшая механическая скорость проходки наблюдается в случае использования шаров максимально возможного диаметра, не заклинивающихся в камере смешения струйного насоса. Также установлено увеличение механической скорости бурения при максимально возможном расходе, при котором не происходит вынос шаров из скважины. При бурении известняка была достигнута скорость проходки 6,8 м/ч (при расходе 254 л/мин, перепаде давления в сопле струйного насоса 4,4 МПа). Использование глинистого раствора обусловило падение скорости бурения на 25%, а воздуха – на 7% по сравнению с использованием воды. Необходимо отметить, что для определения расхода шаров и скорости их движения в камере смешения струйного насоса использовался специальный шариковый электромагнитный детектор, а процесс заклинивания шаров в камере смешения исследовался с помощью высокоскоростной видеосъемки.
На основе результатов лабораторных исследований были сконструированы два шариковых бура диаметром 228,7 мм для бурения скважин [1]. Буры имели сменные камеры смешения диаметром 89 и 102 мм и набор сопел диаметром от 15,9 до 23,8 мм. Следует отметить, что аппараты были изготовлены из стали SAE4340 и закалены до твердости 36–40 С по Роквеллу. Сопла изготовляли из вольфрамо-кобальтового твердого сплава. Шары производились на специальном прессе из стали SAE52100 и закалялись до твердости 50–53 С по Роквеллу. Испытания калибровочных лап при воздействии на бур осевой нагрузки 12,2 тс и крутящего момента, равного 693 кгс·м, показали их удовлетворительную прочность.
В ходе промышленных испытаний было пробурено 16,2 м в мраморе, известняке и розовом кварците с применением в качестве промывочной жидкости воды. В табл. 1 представлены условия проведения испытаний.
Таблица 1
Условия проведения промышленных испытаний шарикового бура
| Параметр | Dскв, мм | Мкр, кгс·м | Gос, кгс | Vвр, об/ мин | dc, мм | dкс, мм | kэ | Рст, МПа | Δрс, МПа | Q, л/мин | dш, мм | Мш, кг | Vж, м/c | Vвп1, м/c | Vвп2, м/c | Vвп3, м/c | Qш, шт/c | Vш, м/c |
| Значение | 46,4 | 22,1 | 3,6 | 5,05–5,33 | 3,9–4,18 | 31,8 | 63,4–86,2 | 24,1 | 5,5 | 1,13 | 0,95 | 22,8 | ||||||
| Примечание Dскв – диаметр скважины, Мкр – крутящий момент, Gос – осевая нагрузка, Vвр – скорость вращения, dc – диаметр сопла, dкс – диаметр камеры смешения, kэ – коэффициент эжекции, Рст – давление на стояке, Δрс – перепад давления в сопле, Q – расход воды, dш – диаметр шаров, Мш – масса шаров, Vж – скорость жидкости на выходе из камеры смешения, Vвп1, Vвп2, Vвп3 – скорости восходящей жидкости соответственно в зазоре между аппаратом и скважиной, возле сопла и возле бурильных труб, Qш – расход шаров в камере смешения, Vш – скорость вылета шаров из камеры смешения |
При бурении оклахомского мрамора (мягкая порода) средний диаметр скважины равнялся 270 мм, а средняя скорость проходки составила 2,29 м/ч. По вирджинскому известняку (порода средней крепости) была получена средняя механическая скорость 1,22 м/ч при диаметре скважины 251 мм. Средняя механическая скорость бурения розового кварцита (твердая порода) составила 0,15 м/ч, а диаметр скважины - 246 мм. При этом наблюдался интенсивный износ калибровочных лап при бурении кварцита. При бурении мрамора и известняка стальные шары практически не изнашивались, при бурении же кварцита за 3,5 часа вес шаров уменьшился на 1,13 кг. Износ поверхностей камеры смешения и других деталей аппарата был несущественен.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных работ было сделано заключение о возможности «производить разрушение горных пород с заметной скоростью, что показывает реальность принципов бурения ударами шаров. Дальнейшие работы могут быть сделаны для полного определения их перспективности в условиях производства» [1]. Однако уже через пять лет (в 1961 г.) один из участников этих исследований Л.У. Леджервуд [2] отмечал: «Импульсное шариковое бурение не имеет практического применения. На достигнутом уровне с его помощью можно разрушать породы, но с экономической точки зрения этот процесс значительно менее выгоден, чем обычное вращательное бурение». В отечественной литературе некоторые исследователи [4, 5], вероятно основываясь на выводах Л.У. Леджервуда, также характеризовали называемый ими «ударно-дробовой способ бурения» как малоперспективный.
Несмотря на приведенные заключения, с 1963 г. в Южно-Казахстанском геологическом управлении начались дальнейшие исследования данного способа бурения, называемого шароструйным (при этом породоразрушающий инструмент (ПРИ) назывался «шароструйным аппаратом»). Причем в силу того, что для эффективной работы шароструйного аппарата нет необходимости в его вращении, его применяли для искусственного искривления геологоразведочных скважин. Анализируя результаты американских ученых, руководитель исследований А.Б. Уваков указывал на их не совсем объективные выводы [6]. Американцы при проведении экспериментов делали акцент на определение физической сущности работы шароструйных аппаратов, в тоже время вопросам разрушения горных пород уделялось неоправданно мало внимания. В результате они совершили явную ошибку, пытаясь бурить различные по крепости горные породы при одинаковой скорости вылета шаров из аппарата, равной 22,8 м/с.
В результате проведенных исследований, подробно описанных в работах [6, 7], были выявлены основные аналитические зависимости, характеризующие процесс разрушения горных пород ударами шаров, разработана методика расчета процессов шароструйного бурения, проведены лабораторные и полевые испытания, рассчитана экономическая эффективность данного способа. Экспериментально установлено, что в оптимальном режиме работы шароструйных аппаратов механическая скорость бурения возрастает с увеличением крепости горных пород и может быть равной 20 м/ч в крепких и очень крепких породах. Причем большой износ снаряда можно исключить за счет создания оптимальной скорости вылета шаров, при которой отсутствуют отскоки шаров от забоя. Указываются следующие преимущества шароструйного бурения: простота устройства шароструйного аппарата, возможность упрощения и облегчения бурового станка вследствие отсутствия необходимости создания больших осевых нагрузок и вращающих моментов, экологическая безопасность. Также авторы указывают на следующие недостатки шароструйного бурения: необходимость установки мощного насоса и невозможность отбора керна.
В диссертации казахского ученого Заурбекова С.А. 1995 г. [8] были определены рациональные параметры процессов разрушения при шароструйном бурении, на основании чего разработана новая конструкция шароструйного снаряда ШСМ-216. Промышленные испытания показали превышение механической скорости на 20% и проходки на долото на 43% по сравнению с серийными долотами. Причем бурение осуществлялось роторным способом в интервале 500–1100 м, представленном породами средней крепости, при следующих параметрах режима бурения: расход жидкости – 30 л/с, осевая нагрузка – 10 кН, частота вращения – 90 об/мин, плотность бурового раствора – 1060 кг/м3.
Полученные результаты вызвали активный интерес исследователей и производственников. Разработанный Уваковым А.Б. и Штрассером В.В. шароструйный снаряд для бурения скважин [9] подвергался дальнейшему совершенствованию. Дербенев Л.С. и др. разработали снаряд для эрозионного бурения [10], снабженное средством для определения расстояния от его среза до забоя скважины, связанное с механизмом подачи насадки. А.В. Дугарцыреновым и др. заявлена конструкция шароструйного снаряда [11], в котором сопловая насадка и разгонная камера соединены шарнирно-поворотно, что обеспечивает требуемый диаметр скважины по всей глубине. Зубкова Т.Н. разработала две конструкции шароструйного снаряда [12, 13]. В первом нижняя внутренняя часть снаряда снабжена магнитами для улучшения циркуляции породоразрушающих шаров, а на разгонной камере находится бункер для точного направления шаров в ее окна. Особенностью второго снаряда является то, что струйный аппарат расположен эксцентрично в кожухе и жестко прикреплен под углом 20–70˚ к заглушке, связанной с колонной бурильных труб с возможностью кругового перемещения относительно вертикальной оси устройства, что обеспечивает равномерное разрушение забоя.
Кроме того, известны конструкции шароструйной буровой головки [14], гидромониторно-эжекторных насадок на шарошечные долота и долота истирающего типа [15, 16], гидромониторного бура для бурения рыхлых горных пород при гидродобыче [17], шароструйного снаряда с нагревателем для бурения в мерзлых горных породах [18].
В ΧΧΙ веке интерес специалистов к шароструйному бурению заметно снизился. В публикуемых работах чаще рассматриваются проблемы конструирования при исследовании комбинированных способов разрушения горных пород. Так шароструйное бурение заинтересовало украинских исследователей [19–21], которые разработали гидродинамический снаряд, в основе которого лежит комбинация шароструйного и дробового бурения. Однако информации о проведении дальнейших исследований в работах не было представлено.
Анализ и обобщение результатов работ, посвященных исследованию шароструйного бурения, позволяет прийти к выводу, что оно является довольно перспективным, однако требует проведения дальнейших теоретических и экспериментальных исследований, а также конструкторских проработок, что может позволить выйти на применение в практике буровых работ.
Литература