Направленное и многозабойное бурение

Скважины, сильно искривившиеся в процессе бурения, исправляют одним из следующих способов.
Если искривление произошло в породах невысокой твердости, искривленный участок цементируют, а затем перебуривают длинным жестким колонковым снарядом при небольшой нагрузке на породоразрушающий инструмент. При искривлении скважины в твердых породах участок начала ее отклонения торпедируют, после чего в скважине устанавливают обсадные трубы, цементируют их и продолжают бурение при пониженных параметрах режима.
Кроме того, выправить искривленную скважину можно путем ее искусственного искривления в обратном направлении.
Искусственное искривление применяется также для повторного перебуривания интервалов, с которых не был получен керн, и для обхода мест сложных аварий, ликвидация которых экономически нецелесообразна.
Искусственно искривляя скважины с помощью различных технических и технологических средств, можно осуществлять направленное бурение.
Направленное бурение геологоразведочных скважин производится под участки, на которых нельзя почему-либо заложить скважину (бурение под дно водного бассейна, под заболоченное место, под инженерное сооружение) и т. п.
При разведке месторождений с крутым падением пластов полезного ископаемого возникает необходимость бурения наклонных скважин, которые бурить значительно труднее, чем вертикальные. В таких случаях целесообразно применение направленного бурения, когда закладывают вертикальные или слабонаклонные скважины, а на глубине их искривляют и пересекают полезное ископаемое вкрест его простирания в намеченном месте
Искусственное искривление в заданном направления используется для бурения многозабойных скважин, когда из основного ствола отводится несколько дополнительных стволов, пересекающих полезное ископаемое по установленной разведочной сети (рис. 75). Многозабойное бурение осуществляется в следующем порядке. После подсечения рудного тела основным стволом скважины на определенном расстоянии от забоя устанавливают отклонитель и забуривают новый ствол, которым пересекают полезное ископаемое в другой точке. Так же производится бурение остальных дополнительных стволов. Их можно забуривать как из основного, так и из любого вновь созданного ствола. При проектировании таких скважин должен учитываться необходимый угол их встречи с полезным ископаемым.

Для предупреждения чрезмерного перегиба бурильной колонны при работе радиус кривизны искривленной скважины должен быть не менее 60 м.
Стоимость бурения 1 м многозабойных скважин выше, чем обычных, примерно на 15—20%. Однако при многозабойном бурении уменьшаются затраты времени и средств на монтаж, демонтаж и транспортировку оборудования, а также сокращается объем бурения скважин.
Анализ экономической эффективности многозабойного бурения показывает, что при сооружении неглубоких скважин (до 250—300 м) его применение невыгодно. Бурение же глубоких многозабойных скважин дает экономию, достигающую 40—55%.
Направленное бурение осуществляют с учетом геологического строения разреза и закономерностей искривления скважин. В соответствии с желаемым направлением искривления нужно применять такую технологию бурения, которая или усиливает естественное искривление скважины, или, наоборот, противодействует ему. Например, если необходимо увеличить зенитный угол скважины в сторону выполаживания, нужно применять короткий колонковый снаряд с коронкой, имеющей большой выход резцов, повысить осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент.
Технические средства для искусственного искривления по назначению разделяются на следующие группы:
1) стационарные клинья, используемые для забуривания дополнительных стволов при бурении многозабойных скважин, обходе аварийных интервалов в скважине, повторном перебуривании полезного ископаемого;
2) отклоняющие снаряды, предназначенные для искусственного искривления скважин с их естественного забоя, разделяющиеся на:
а) извлекаемые клиновые снаряды, обеспечивающие в процессе искусственного искривления бурение пилот-скважины уменьшенного диаметра;
б) снаряды многократного действия, позволяющие искривлять скважину при сохранении ее диаметра;
в) бесклиновые скользящие снаряды, обеспечивающие непрерывный набор кривизны в течение всего процесса искусственного искривления при сохранении диаметра скважины;
3) шарнирные и центрированные компоновки колонковых наборов, включающие:
а) шарнирные компоновки, предназначенные для выполаскивания скважин в благоприятных геологических условиях или для дальнейшего искривления скважины, которое первоначально выполнено при использовании какого-либо отклоняющего снаряда;
б) центрированные компоновки, используемые для снижения интенсивности естественного искривления скважин и проработки интервалов искусственного искривления.
Клиновые стационарные (неизвлекаемые) отклонители КОС-73-2,5°; КОС-57 2,5°; КОС 44 1,5° состоят (рис. 76) из цельнометаллического клина и раскрепляющего устройства. Клин 3 вместе с раскрепляющим устройством спускается в скважину на бурильных трубах и устанавливается на забой. Под действием массы бурильной колонны или дополнительной нагрузки гидравлической системы станка срезается крепежный винт 5, и корпус раскрепляющего устройства, имеющий в верхней и нижней частях пластины с внутренними плашками, переместится относительно конусов 4 и 8, соединенных штоком 6, и расклинится в скважине. Затем, увеличивая осевую нагрузку до 30—35 кН, срезают заклепки 2, и бурильную колонну с установочной трубой 1 извлекают из скважины.
Отбуривание от стационарного клина КОС-73 производится снарядом, состоящим из коронки или долота диаметром 76 мм, колонковой трубы диаметром 57 мм и бурильных труб диаметром 42 мм. Длина колонкового набора не должна превышать 1,3 м. Первые 1,5 м следует бурить на минимальной частоте вращения при осевой нагрузке 4—5 кН. Второй рейс при отбуривании от клина ведут снарядом той же компоновки, но с длиной колонкового набора 1,7—1,75 м. Работу ведут на второй скорости станка, постепенно увеличивая осевую нагрузку до предусмотренной технологией бурения в данных породах. Процесс отбуривания считается законченным, когда скважина будет отбурена от клина на длину 3-метрового колонкового набора. Дальнейшее бурение ведется буровым снарядом обычной компоновки.
Клинья КОС могут быть установлены на искусственный забой, созданный в любом месте скважины, что используется при необходимости зарезки дополнительного ствола (например, при многозабойном бурении). Для создания искусственного забоя используется пробка-забой ПЗ, которая выпускается трех диаметров 73, 57 и 44 мм.

Пробка забой (рис. 77) состоит из собственно пробки и гидропривода. Промывочная жидкость, закачиваемая в скважину через бурильную колонну, перемещает вниз шток 1 гидропровода. а вместе с ним конус 3, срезая фиксирующий винт 2. Плашки 5, раздвигаемые конусом, расклинивают корпус 4 пробки в скважине. После этого вращением бурильной колонны вправо гидропривод отсоединяется от пробки и извлекается из скважины.
Из извлекаемых клиновых снарядов наиболее широко применяются отклоняющие снаряды CO 73/46-3° и СО-57/36-3° конструкции ВИТР, снаряды направленного бурения СНБ КО-89, СНБ КО 73, СНБ-КО 57 конструкции КазИМС и СНБ-АС-73, СНБ-АС 57 конструкции ЮКТГУ.
Отклоняющий снаряд СО-73/46-3° (рис. 78) состоит из цельнометаллического клина 9, соединенного с корпусом 5 снаряда заклепкой 8 и шпонкой-ограничителем 7. Буровой снаряд 6, диаметр которого на порядок меньше диаметра скважины, соединяется с корпусом 5 винтами 4.
После ориентированной установки отклоняющего снаряда на забое скважины гидравлической системой станка создается нагрузка и срезается заклепка 8. Освободившийся корпус снаряда проседает вниз и прочно закрепляет клин в скважине, расклиниваясь между стенкой скважины и желобом клина Увеличивая нагрузку до 20—25 кН, срезают винты 4. Буровом снаряд опускается вниз и гайка 2 входит в конусную расточку втулки 3. Снижая нагрузку до 0,5—1 кН, вращением колонны бурильных труб вывинчивают переходник 1 из гайки 2. Освобождая таким образом снаряд от корпуса 5, начинают отбуривание пилот скважины. Бурение ведут на первой скорости станка при осевой нагрузке 0,5—1 кН с постепенным увеличением последней до 3 5 кН (2—4 кН для CO-57/36). После выхода бурового снаряда из желоба клина переходят на вторую скорость шпинделя и увеличивают осевую нагрузку до 7— 9 кН (4—5 кН для CO 57/36). Пробурив пилот-скважину длиной 1,3 м (для CO 57—1,2 м), буровой снаряд извлекают из скважины. При этом фланец переходника 1 упирается в нижний торец втулки 3, и клиновой отклоняющий снаряд полностью поднимается на поверхность. Затем пилот-скважина расширяется ступенчатым расширителем РС-59/76 (для CO 57/36 расширитель РС-46/59). Продолжают бурение расширенной до первоначального диаметра скважины обычным колонковым снарядом.
Периодическая установка извлекаемых клиновых снарядов типа CO, СНБ 10, СНБ-АС по мере углубки скважины обеспечивает ее искусственное искривление с необходимым набором кривизны.
Важное преимущество безклиновых скользящих снарядов непрерывного действия, применяемых для направленного искривления скважин, — возможность равномерного набора кривизны одновременно с бурением без потери диаметра Произ водственные предприятия применяют следующие снаряды этой группы: ТЗ-3-57 (73, 89, 108), БСНБ 57 (73, 89, 108), СНБ-ИМР-73 (89), СБС 46 (59).
Снаряд T3-3-73 (тарбаган забайкальский) состоит (рис. 79) из вращающейся части — ротора I и невращающейся — статора II. Статор служит для создания отклоняющей силы и стабилизации ее направления в процессе бурения. Bpa щающийся при бурении ротор снабжен долотом 11 и обеспечивает продвижение забоя скважины.
Вал ротора имеет центральный промывочный канал и состоит из двух частей, соединенных между собой шлицевым узлом 7. Опорными выступами 2 и 10 вал опирается на подшипники. Узел блокировки 4 фиксирует взаимное положение ротора и статора при транспортировке и ориентировании отклонителя.
Распорно-отклоняющий узел статора состоит из нижнего 9 и верхнего 8 полуклиньев, между которыми размещен выдвижной ползун 12, имеющий скошенные под углом 45° торцы и соединенный с полуклиньями Г-образными пазами.
При транспортном положении снаряда статорная пружина 3 сжата на 2—5 мм и обеспечивает блокировку, а роторная пружина 5, сжатая при сборке на 30 мм, обеспечивает втягивание ползуна в корпус отклонителя.

После спуска в скважину и ориентирования в нужном направлении снаряд ТЗ устанавливают на забой и создают осевую нагрузку. При этом верхняя часть вала за счет шлицевого узла 7 смещается вниз, воздействуя через верхний подшипниковый узел 1 на статорную пружину. Усилие пружины передается корпусу 6, который опускается и выдвигает ползун до упора в стенку скважины. При сжатии статорной пружины фиксатор расблокируется, и ротор получает возможность вращаться относительно статора. В процессе бурения нижняя часть ротора и долото отклоняются в противоположную от ползуна сторону. Для стабилизации направления статора на ползуне установлена каретка катков 13, которые по мере углубления скважины перекатываются по ее стенке и препятствуют угловому смещению корпуса отклонителя.
Скользящий бесклиновый снаряд СБС (рис. 80) конструктивно имеет много общего со снарядом ТЗ-3.
После спуска и ориентирования СБС устанавливают на забой и создают необходимую нагрузку, которая через переходник 1, соединяющий бурильную колонну с ведущим валом 5, передается на тарельчатые пружины 2, подшипник 3 и клин 4. Клин, перемещаясь вниз, выдвигает распорную каретку 6 за пределы корпуса, а ролики 7 упираются в стенку скважины и удерживают снаряд от проворачивания. Подшипниковый узел 8 при этом, сжимая пружину 9 и смыкая шлицевой разъем 11, упирается в бурт корпуса 10 и надвигает отклонитель 13 на сместитель 14, который смещается от оси снаряда. Ведомый вал 15 изгибается в шлицевом шарнире 12 и отклоняет переходник 16 с долотом в проектном направлении.
Отклоняющие снаряды с шарнирной компоновкой состоят из специальной коронки 1 с утолщенной матрицей (12АЗ, 13ИЗ, колонковой трубы 2, диаметр которой на порядок меньше диаметра коронки и шарнирного устройства 4, за которым следуют бурильные трубы. Наличие шарнира уменьшает жесткость соединения колонкового набора с бурильной колонной. Такой снаряд опирается на стенку скважины коронкой и шарнирным устройством (рис. 81, а). При этом ось колонкового набора устанавливается под углом к оси скважины. За счет постоянного сохранения этого угла перекоса в процессе бурения происходит непрерывный набор кривизны скважины. Интенсивность искривления тем больше, чем больше угол перекоса и меньше длина колонкового набора.

Применяются также отклоняющие снаряды с шарнирным устройством, у которых колонковая труба разделена муфтой 3, являющейся промежуточной опорой (рис. 81, б). Диаметр муфты на 1—3 мм меньше диаметра коронки. Положение муфты относительно коронки и шарнира влияет на интенсивность искривления скважины.
Шарнирные компоновки снарядов можно применять в комбинации с клиновыми отклонителями. В настоящее время серийно выпускаются шарнирные устройства: ШУ-73-6°, ШУ 57-3°, ШУ-44-3°.
Отклонители в скважинах ориентируются с помощью различных ориентаторов, которые можно разделить на погружные, входящие в состав бурового снаряда (ШОК, СТ-1М, СЭОКЛ и др ), и на извлекаемые, опускаемые внутрь бурильной колонны только на период ориентации отклонителей («Курс», «Луч», УШО). Наиболее совершенные и точные — приборы второй группы.