Василий Безпалый,
главный инженер ООО «Русская буровая компания»
Эффективность геологоразведочных работ при разведке месторождений рудных полезных ископаемых в значительной степени зависит от качества пробуренных скважин. Пространственно-рудное тело месторождений в недрах Земли залегает в разном положении и согласно существующей методике для их изучения необходимо обеспечивать следующие требования:
— бурение скважин должно осуществляться по рациональной траектории с допустимыми отклонениями оси скважин от заданного проектного направления;
— пересечение толщи пород и рудных тел должно происходить в заданных проектом точках по определенной сетке (как правило – в крест простирания пластов);
— построение моделей месторождения при условии точной привязки получаемых образцов пород и проб к точкам их пространственного ориентирования;
— проведение работ с наименьшими трудовыми и материальными затратами, а также в кратчайшие сроки при вводе месторождения полезных ископаемых в эксплуатацию.
Для удовлетворения этих требований, особенно с увеличением глубины поисков и разведки месторождений, целесообразно применять направленное бурение скважин. Анализируя его способы, рассмотрим, почему происходит искривление скважины и к чему оно приводит.
Буровой отвал (бурильные трубы) в пространстве выглядит как тонкая нить. При бурении пород, сильно перемежающихся по твердости и крепости, крутому углу, падению пластов и трещиноватости, происходит искривление оси скважины, как в азимутальном, так и в зенитном направлении. С увеличением глубины скважины углы искривлений увеличиваются, и уменьшается вероятность попадания скважины в проектную точку ее пересечения с полезным ископаемым, а иногда и с самим «телом» полезного ископаемого. Если скважина проходит по пустым породам, то формируется неверная геологическая информация о полезном ископаемом.
Интенсивность искривления скважины увеличивается также вследствие увеличенного зазора между стенками скважины и бурильными трубами. Например, при бурении скважины диаметром 76 мм применяются бурильные трубы диаметром 50 мм, разница по диаметру составляет 26 мм. При необходимости использования кернового материала (разведка алмазных трубок) до 65-100 мм применяется породоразрушающий инструмент (долотья) диаметром 112-132 мм, а бурильные трубы — диаметром 50-63,5 мм, из-за чего еще больше увеличивается зазор между стенкой скважины и бурильной трубой. При создании нагрузки на забой бурильные трубы благодаря этому зазору начинают изгибаться, изменяется прямолинейность их оси и увеличивается интенсивность искривления скважин в непредсказуемом направлении.
Интенсивное искривление скважин, помимо получения неверной геологической информации, создает и ряд технических трудностей:
— значительный изгиб бурильных труб и снаряда приводит к их интенсивному износу, разрушению кернового материала, увеличению нагрузки на буровой станок и созданию аварийной ситуации вследствие обрыва бурильных колонковых труб;
— невозможность проводить буровые работы в форсированном режиме;
— обрушение стенок скважин в местах искривления, образование каверн в скважинах, что увеличивает вероятность возникновения аварийной ситуации;
— трудность в определении равноценной нагрузки на породоразрушающий инструмент из-за большого трения бурильных труб о стенки скважин.
Итак, естественное интенсивное искривление скважины усложняет бурение, снижает достоверность полученных данных при изучении месторождения и подсчете запасов, вместе с тем увеличивается длина скважин и повышается стоимость геологоразведочных работ. Поэтому с искривлением скважин необходимо бороться, изучая его причины и закономерности. Использование направленного бурения должно обеспечить решение следующих задач:
— вывод скважины на проектное направление;
— получение представительных данных при бурении скважин по наиболее рациональной траектории;
— пересечение пласта месторождения полезного ископаемого в заданном проектом месте;
— увеличение угла встречи залежи полезного ископаемого (приближенного в крест простирания);
— поиски рудных тел, не выходящих на поверхность;
— установление глубины и характера выклинивания рудного тела;
— отбор кернового материала из пропущенных пластов;
— обход интервалов возможных осложнений;
— сокращение объемов бурения при использовании многоствольных скважин;
— сокращение объемов строительства подъездных путей и буровых площадок в горной или заболоченной местности при использовании многоствольных скважин;
— отбор ориентированного керна;
— повторное пересечение рудных залежей и уточнение их границ.
Одновременно решаются также задачи по снижению стоимости выполнения геологоразведочных работ. Весь комплекс задач решается следующим образом:
— проектирование и бурение многоствольных скважин для повышения качества разведки глубокозалегающих рудных тел;
— проектирование траекторий бурения скважин с учетом закономерностей их естественного и искусственного искривления;
— применение специальных технических и технологических средств при бурении направленных и многоствольных скважин;
— применение средств направленного бурения, уменьшающих или увеличивающих интенсивность естественного искривления скважин.
Выбор способа бурения зависит от геолого-технических условий и технической оснащенности буровой бригады. При решении тех или иных задач бурение может осуществляться различными способами с учетом закономерностей естественного искривления скважин, применением специальных режимов бурения, различных конструкций и компоновок бурильного инструмента, а также применением специальных отклоняющих снарядов.
Способы направленного бурения скважин можно классифицировать следующим образом (см. таблицу):
|
Способы направленного бурения |
Факторы или средства, учитываемые или используемые при направленном бурении |
|
Направленное бурение по типовым траекториям, построенным с учетом геологических условий, которые определяют закономерность естественного искривления скважин |
Перемежаемость по твердости горных пород Простирание и падение слоев пород Структурно-текстурные особенности горных пород Трещиноватость, кавернозность горных пород |
|
Направленное бурение с использованием специальных технологий и режимов бурения |
Параметры режимов бурения (форсированные или умеренные) Бурение с применением забойных двигателей Ударно-поворотное бурение |
|
Направленное бурение с применением специальных отклоняющих снарядов и приспособлений |
Снаряды непрерывного действия (СНД) Снаряды периодического действия (СПД) Снаряды разового действия (СРД) |
|
Комбинированные способы направленного бурения |
Использование вышеперечисленных способов в той или иной комбинации |
Все эти способы применяются на месторождениях с крутопадающими или вертикальными телами, на местностях с труднодоступным рельефом, заболоченных или обводненных.
Для искусственного искривления скважин применяют несколько способов:
- Установка стационарного отклоняющего клина типа КОС с отклонением от него специальным отбурочным снарядом и укороченными рейсами.
- Искривление скважины отклоняющими снарядами типа извлекаемых клиньев одноразового действия. Заключается в предварительном бурении скважины меньшего диаметра, которую расширяют после извлечения клина.
- Искривление скважины с использованием специальных шарнирных компоновок для набора дополнительной кривизны.
- Искривление скважины или забуривание нового ствола специальными бесклиновыми буровыми снарядами типа СБС-ВИТР, БСНБ-ЦКТГУ, ТЗ-ЗабНИИ и др. Они обладают рядом преимуществ: обеспечивают номинальный диаметр скважины в интервале искривления без предварительного забуривания пилот-скважины, непрерывный и плавный набор кривизны, при увеличенных проходках за рейс время на одно отклонение уменьшается в 2-3 раза.
Для выполнения таких работ требуются высококвалифицированные специалисты и высокоточные ориентирующие приборы. Однако эти способы имеют ряд недостатков:
— увеличиваются трудозатраты по установке и ориентированию клиньев;
— низкий выход кернового материала в интервалах искусственных искривлений, а в отдельных случаях – полное отсутствие выхода керна;
— повышенная аварийность (обрывы бурильных труб) при искривлении в сильно перемежающихся по твердости породах;
— в особо твердых породах X-XII категорий сойти с клиньев крайне затруднительно, что приводит к аварийной ситуации.
На применение технологий направленного бурения в значительной степени повлияло появление на отечественном рынке соответствующей импортной техники. Началась разведка и разработка месторождений по зарубежным технологиям с применением импортных буровых станков и бурового инструмента. В буровых станках используются проходные подвижные вращатели и трубодержатели с гидравлическими приводами, что в значительной степени сокращает время на спускоподъемные операции, позволяет применять форсированные режимы бурения и увеличивать длину рейсов. Угол наклона скважины при «забурке» может устанавливаться от горизонтального до вертикального в зависимости от марки станка и проектных требований угла пересечения рудного тела.
Зазор между стенками скважин и бурильными трубами может быть уменьшен до минимально возможного. Это позволяет увеличивать частоту вращения и осевую нагрузку в форсированных режимах.
В дополнение используется жесткий колонковый набор с двумя стабилизирующими расширителями внизу и вверху, что также стабилизирует направление его движения по проектной оси. Кроме того, все бурильные колонковые трубы имеют по сравнению с бурильными трубами увеличенный диаметр. Это также способствует стабилизации направления бурения. Для более жесткой стабилизации используют колонковые трубы диаметром, приближенным к диаметру породоразрушающего инструмента с фрезерованными направлениями вдоль трубы для протекания промывочной жидкости. Среди специалистов буровых бригад такой инструмент называют «трехгранными» колонковыми трубами.
С целью уменьшения трения бурильных труб о стенки скважины, а также интенсивного выноса шлама в межтрубном пространстве для промывочных жидкостей разработаны специальные сухие и готовые к применению смеси на основе целлюлозы, глины и полиакриламида. Такие промывочные жидкости обладают хорошим смазывающим эффектом, повышенной вязкостью и большой способностью выноса из забоя скважины разрушенной породы, что также способствует поддержанию проектного направления бурения скважины.
Исходя из практики, можно с уверенностью сказать, чем больше диаметр колонковых и бурильных труб, тем стабильнее направленное бурение. С уменьшением их диаметра увеличивается вероятность естественного искривления оси скважины в зависимости от пород, перемежающихся по крепости и углу падения пластов.
Разведка рудных месторождений ведется наклонными с поверхности скважинами в зависимости от угла падения рудного тела. Чем круче падают тела, вплоть до вертикальных, тем больше возникает проблем с направленным бурением. Следует отметить, что в зависимости от мощности буровых станков существуют ограничения по глубине направленного бурения. Чем больше диаметр скважины, тем меньше глубина бурения. Но с уменьшением диаметра увеличивается интенсивность искривления скважины. Поэтому возникает необходимость установки стационарных или съемных клиньев с требуемым углом отклонения. Исходя из практики, буровой снаряд ССК не выдерживает больших углов отклонения скважины. С углом отклонения больше 0,4°-0,5° на один метр бурения происходят обрывы бурильных труб.
С учетом существующих требований в области направленного бурения, а также проблем, связанных с его выполнением, многие организации, занимающиеся буровыми работами на большие глубины, начали применять отклоняющие устройства, разработанные еще в 1980-е годы. Специалисты ООО «Русская Буровая Компания» (далее – «РБК») решили пойти по другому пути: мы разработали и изготовили опытный образец уникальной управляемой колонкововой трубы со съемной керноприемной трубой. Ее использование позволяет непрерывно направлять колонковую трубу по проектной оси, не прерывая бурения для установки клиньев.
Специалисты норвежской компании «Devico» разработали колонковую трубу малого диаметра со съемным керноприемником, где диаметр кернового материала равен 31,5 мм. Однако с увеличением диаметра конструкция норвежских специалистов не позволяет осуществлять непрерывное бурение. Имея серьезный опыт работы в области проведения направленного бурения, компания «Devico» сохраняет полную конфиденциальность относительно своей методики проведения работ и занимается выполнением на сервисной основе.
Специалисты «РБК» разработали конструкцию управляемого колонкового набора со съемным керноприемником с диаметром выхода кернового материала равным 63,5 мм. Разрабатывается конструкция с диаметром кернового материала 47,6 мм. Принцип работы нашего колонкового набора заключается в том, что одна колонковая труба заключена в другую колонковую трубу (втулку), смещенную относительно центральной оси колонкового набора. Расширительные плашки фиксируют наружную трубу в ориентированном положении во время бурения по искривленному радиусу, т.е. внутренняя труба со смещенной осью при бурении начинает отклонять скважину с постоянным углом отклонения.
При изменении угла отклонения меняется угол смещения оси, который в процессе бурения остается постоянным (в зенитном направлении). При необходимости изменения азимутального угла отклонения, раскрепляется наружная труба и поворачивается на расчетный угол, а затем опять фиксируется и продолжается бурение. Происходит все это без подъема бурильного инструмента. Процесс длится до полного совпадения скважины с проектной точкой.
Контроль за искривлением скважины в азимутальном и зенитном направлении выполняется при помощи гироскопического инклинометра отечественного или зарубежного производства через бурильные трубы с последующим внесением корректировки по направлению искривления. В процессе бурения замеры отклонения трубы делаются через каждые 1,5-2,0 метра. Так как расширитель скважины находится возле коронки, ориентация направления легко контролируется. По расчетным данным при бурении колонковой трубой зенитный угол может варьироваться в пределах 0,15°-0,2° на один метр бурения, максимально – до 0,3° на один метр бурения, радиус кривизны составляет примерно 125-135 мм. В результате формируется кривая оси скважины.
Для уменьшения радиуса кривизны скважины, т.е. интенсивного изменения искривления скважины, длина колонкового набора может быть уменьшена в 2-3 раза. Обычно используется колонковая труба длиной 4,2-4,5 м. Изготавливается она из нестандартных по диаметру и длине труб из тонкостенной упругой стали, которая может легко изгибаться и тут же восстанавливаться до своего первоначального состояния. При бурении такой трубой до глубины 500-600 м коррекция проходки скважины выполняется 1-2 раза, а с увеличением глубины до 1500-2000 м – до 5-7 раз. Как правило, радиус отклонения от проектной точки при использовании управляемой трубы для бурения скважины до глубины 1000 м составляет 5-10 м, с увеличением глубины до 1500-2000 м радиус отклонения возрастает до 10-20 м, что соответствует нормам методики подсчета запасов полезных ископаемых.
Ориентировку угла искривления упомянутым колонковым набором можно выполнять как в одиночных скважинах, так и в многоствольных. Когда достигается глубина одиночной скважины (материнской), от нее могут забуриваться ответвленные скважины. Количество ответвленных скважин, разбуренных из материнской, для эффективности их бурения не должно превышать 5-10.
Буровые трубы при разработанном нами способе бурения применяются такие же, как и при обычном бурении со съемным керноприемником. Но с увеличением диаметра бурения желательно применять трубы с утонченной стенкой, толщиной менее 1-2 мм, которые в главной, кривой скважине могут легко изгибаться. Такие гибкие трубы рекомендуется применять на больших глубинах и в скважинах с большой интенсивностью искривлений.
Итак, можно отметить следующие преимущества применения колонковых наборов со съемным керноприемником при управляемом направленном колонковом бурении:
— уменьшение объемов бурения;
— уменьшение трудозатрат, экономия времени и денежных средств;
— отбор керновых проб в местах искривления;
— отклонение легко изменяется в разных направлениях;
— постоянный радиус отклонения;
— снижение износа бурового оборудования и инструмента;
— снижение аварийности по обрыву бурильных труб;
— уменьшенная потребность промывочной жидкости в сравнении с бурением сплошным забоем;
— сокращение объемов работ по строительству подъездных путей и буровых площадок;
— минимальное воздействие на окружающую среду;
— полный и непрерывный контроль за отклонением оси скважины;
— высокая точность попадания в проектную точку пересечения рудного тела;
— оборудование и инструмент соответствует стандартному оборудованию и инструменту при бурении;
— высокий уровень проходки в твердых породах без возникновения аварийных ситуаций;
— вращение буровой колонны в процессе искривления;
— в интервалах отклонения скважина не подлежит дополнительной разбурке;
— контроль искривления скважины осуществляется на минимальном расстоянии от забоя;
— экономия средств при проведении геологоразведочных работ составляет от 25% до 30%.
В ближайшее время на золоторудном месторождении российско-канадской компании «Кенрос», что на Чукотке, с использованием разработанного в «РБК» оборудования начнется опытное бурение скважин.
