§ 2. Технологические средства, используемые при бурении горизонтальных и восходящих скважин

При бурении горизонтальных и восходящих скважин используют как обычный буровой технологический инструмент, так и специальные вспомогательные средства, в частности, для осуществления доставки в скважину бурового снаряда и извлечения его из скважины.

Породоразрушающий инструмент подбирают в соответствии с характером пород и диаметром скважины, исходя из рассмотренных ранее принципов. Для бурения в породах невысокой твердости (до VIII категории) используют твердосплавный ПРИ, а в более твердых (IX—XII категорий по буримости) — алмазный. В тех случаях, когда не требуется получение керна, прибегают к помощи долот шарошечного типа или используют алмазные долота небольшого диаметра.

Буровой снаряд в нормальных условиях бурения горизонтальных и восходящих скважин составляют из обычных элементов, применяемых при колонковом бурении (коронка, кернорватель-расшири- тель, колонковая труба, переходник и БТ).

В случае бурения в малоустойчивых породах (сильно трещиноватых, разрушенных, слабосцементированных) прибегают к помощи двойных и специальных колонковых снарядов (ДКС, ССК, ЭКС).

С целью повышения механической скорости бурения и производительности труда используют ударно-вращательный способ бурения, с помощью погруженных гидроударников (ГВ6, ГВ-6Д), а в случае бурения с воздухом — пневмоударных машин. При этом механическая скорость бурения алмазными'коронками увеличивается на 20—50%, углубка за рейс на 20—60%, а выход керна достигает 90% при сокращении расхода алмазов на 25%.

Бурильные трубы. При бурении горизонтальных й восходящих скважин рекомендуется использовать ЛБТН, обладающие меньшим весом, чем СБТ, достаточно высокой износостойкостью и жесткостью. Применение ЛБТН позволяет увеличить механическую скорость бурения за счет увеличения частоты вращения, снизить затраты мощности на вращение БТ и подачу их в скважину на 35—40%.

§ 3. Технологические режимы бурения скважин с получением керна

Технология бурения горизонтальных и восходящих скважин по целому ряду признаков существенно отличается от технологии бурения нисходящих скважин. В горизонтальных скважинах буровой снаряд, включая колонну БТ, в процессе бурения и СПО постоянно прижимается по всей длине к лежачей стенке скважины, с чем связано повышенное сопротивление сил трения его вращению и перемещению в процессе подачи в скважину или извлечения из нее. С этим связаны повышенная затрата мощности на вращение БС и необходимость создания осевой нагрузки только с помощью механизма подачи. Вес бурового снаряда в этом случае не используется. Более того, в восходящих скважинах вес БС действует в обратную от забоя сторону, создавая нагрузку на вращатель станка, чем вызывается необходимость компенсировать возникающую силу при создании осевой нагрузки. И чем круче восходящая скважина, тем больше величина этой силы.

Меняются при этом и условия удаления продуктов разрушения, предупреждения и ликвидации осложнений, управления траекторией скважины, выполнения СПО и др. В связи с ограничениями в создании рациональной осевой нагрузки, с увеличением глубины скважин и действием других факторов скорость бурения с ростом глубины существенно снижается. Поэтому в достижении высокого уровня производительности труда при бурении горизонтальных и восходящих скважин большую роль играет повышение углубки за рейс (рейсовой скорости) за счет увеличения продолжительности рейсов и повышения механической скорости бурения.

Следует отметить, что основные объемы бурения скважин из подземных выработок выполняются с применением алмазного ПРИ. Выбор параметров режима бурения делается с учетом свойств пород, типоразмера, ПРИ, глубины и угла наклона скважины, а также специфики условий бурения горизонтальных и восходящих скважин.

Осевую нагрузку подбирают применительно к виду ПРИ с учетом условий его работы и принятых при колонковом бурении рекомендаций. Учитывая, что забой горизонтальных и восходящих скважин разгружен от гидростатического давления столба жидкости при бурении с промывкой и легко очищается от продуктов разрушения, осевая нагрузка реализуется более эффективно при участии в процессе разрушения большего количества резцов, внедряющихся на большую глубину. Для получения объемного разрушения пород в этих условиях требуется и повышенная осевая нагрузка.

Поэтому для таких условий рекомендуется увеличивать осевую нагрузку по сравнению с расчетной для обычных условий бурения. Так, по рекомендации В. И. Власюка при бурении восходящих скважин в породах IX—X категорий по буримости алмазными импрегнирован- ными коронками расчетная осевая нагрузка должна увеличиваться на 10—15%, а однослойными коронками —на 20—30%. При этом следует помнить, что величина осевой нагрузки должна коррели- роваться с частотой вращения ПРИ. Каждому уровню частоты вращения соответствуют рациональная величина осевой нагрузки и механическая скорость бурения. Так, например, при диаметре коронки 59 мм для окружных скоростей 1,12; 1,83 и 2,65 м/с критические значения осевой нагрузки, по данным В. И. Власюка, составляют соответственно 6, 7 и 8 МПа.

Ю. В. Кодзаев для разных типов пород рекомендует определенные удельные значения осевой нагрузки для пород VI—VIII категорий по буримости малоабразивных —0,6—0,63 кН/см²; IX—X категорий по буримости абразивных —0,65 кН/см² и IX—X категорий по буримости высокоабразивных — 0,65—0,75 кН/см² рабочей площади торца ПРИ. Есть рекомендации и более широкого диапазона удельных значений осевой нагрузки на однослойную алмазную коронку в пределах 0,6—1,2 кН/см². Для им премированных коронок рекомендуется повышенная осевая нагрузка.

Частота вращения играет существенную роль в достижении высокой эффективности бурения восходящих и горизонтальных скважин, учитывая, что возможности создания рациональной осевой нагрузки ограничены обратным действием веса бурового снаряда, на преодоление которого затрачивается значительная часть усилия подачи БС, создаваемого механизмом подачи. Этот недостаток может быть компенсирован увеличением частоты вращения БС. Исследованиями установлено, что механическая скорость бурения алмазным ПРИ растет пропорционально увеличению частоты его вращения. Такая зависимость, например, установлена при бурении алмазной коронкой 01АЗ в изотропных породах IX—X категорий по буримости (брекчии гранит-порфиров): с изменением окружной скорости от 0,8 до 3,6 м/с механическая скорость возросла с 2,5 до 9 м/ч при бурении нисходящих скважин и с 2,5 до 11м — восходящих. Поэтому практически рекомендуется в породах IX—XI категорий по буримости вести бурение по возможности при максимальной частоте вращения и рациональной осевой нагрузке. Ограничения в этом случае могут быть связаны с трещиноватостью пород, вибрацией БС или осложнениями в скважине. По некоторым данным, до глубины 100—150 м бурение успешно осуществляют с частотой вращения до 1250 об/мин, а до глубины 300 м —до 700 об/мин при использовании средств борьбы с вибрацией. При бурении в трещиноватых породах частоту вращения рекомендуется снижать до минимума.

Влияние частоты вращения и осевой нагрузки на механическую скорость бурения восходящих скважин в породах IX—X категорий по буримости показано в табл. 15.1.

Таблица 15.1. Значения механической скорости бурения (м/ч) в породах IX категории по буримости (числитель) и X категории (знаменатель)

Осевая нагрузка, кН	Частота вращения, об/мин
	280	430	700
5-6	0,68/0,61	1,12/0,83	1,68/1,29
6,5-7	0,78/0,68	1,20/0,91	1,88/1,36
8,5-9	0,96/0,78	1,43/1,14	2,32/1,67

Удаление продуктов разрушения обычно осуществляют с помощью промывочной жидкости. Используют при этом прямую и обратную схемы циркуляции. В последнем случае возможно транспортирование керна потоком жидкости с использованием ПРИ и БТ от комплекса ССК.

В качестве промывочной жидкости в основном используют воду и реже эмульсионные или безглинистые растворы, так как при бурении из подземных выработок жидкость, вытекающая из скважины, обычно идет на сброс. Однако в связи с увеличением сил трения БС о стенку при бурении горизонтальных и пологонаклонных скважин большое значение приобретают антифрикционные добавки к промывочным жидкостям. Снижение коэффициента трения уменьшает потери осевой нагрузки, создаваемой на ПРИ, а также затраты мощности на вращение БС. Здесь следует отметить, что при прямой схеме циркуляции жидкости в восходящих скважинах может происходить разрыв потока из-за потери жидкости в неплотных соединениях БТ. При этом интенсивность циркуляции жидкости на забое может существенно снизиться, что ведет к ухудшению условий работы ПРИ, его перегреванию и прижогу.

С целью предупреждения осложнений в таких условиях необходимо осуществлять постоянный контроль за циркуляцией жидкости в призабойной части скважины или создавать искусственно подпор жидкости в зазоре между БС и стенкой скважины путем дросселирования потока.

Для контроля за циркуляцией промывочной жидкости прибегают к помощи электроконтактного манометра, от которого поступает сигнал в случае аномального понижения или повышения давления в нагнетательной линии насоса. По сигналу срабатывает сигнальная лампочка или звонок. Падение давления свидетельствует об уменьшении интенсивности потока жидкости вследствие потерь, а повышение давления выше нормального для конкретных условий указывает на перекрытие циркуляционного канала в БС (при заклинивании керна или чрезмерном прижатии ПРИ к забою и за- шламованию циркуляционных каналов) и, следовательно, к снижению интенсивности циркуляции промывочной жидкости на забое, о чем также подается сигнал.

Для создания зоны повышенного давления в зазоре между БС и стенкой скважины (искусственного подпора) в состав БС включают расширитель или ниппель, имеющий наружный диаметр, равный диаметру коронки, и промывочные каналы, площадь сечения которых на 20—25% меньше площади сечения циркуляционных каналов в коронке. Это препятствует разрыву струи промывочной жидкости в призабойной части скважины.

Поток промывочной жидкости при бурении восходящих скважин, таким образом, должен обеспечить в основном охлаждение ПРИ, коль скоро вынос продуктов разрушения не составляет проблемы. Поэтому расход промывочной жидкости может быть меньше, чем при бурении нисходящих скважин. Но при этом следует учитывать, что от интенсивности потока промывочной жидкости зависит механическая скорость бурения скважин (условия разрушения пород в забое). В связи с этим для определения объемного расхода жидкости В. И. Власюком была предложена эмпирически полученная формула

где Q — объемный расход жидкости, л/мин; т — окружная скорость коронки, м/с; S—рабочая площадь торца коронки, м²; к„ — коэффициент пропорциональности, зависящий от угла наклона скважины.

При значениях т в пределах 2—6 м/с для восходящих скважин к_а-0,6, а для нисходящих Аг_п=1,5. С учетом этой зависимости рациональные значения Q при частотах вращения ПРИ 700—1015 об/мин вычисляют, исходя из удельных значений расхода промывочной жидкости 2,1—2,7 л/мин на 1 см² рабочей площади торца ПРИ. По данным практики минимальный расход промывочной жидкости 2,1—2,7 л/мин на 1 см² рабочей площади торца ПРИ. По данным практики минимальный расход промывочной жидкости при диаметре коронки 59 мм составляет 12—25 л/мин. С ростом глубины скважины и величины потерь промывочной жидкости в соединениях БТ расход рекомендуется увеличивать. Так, при глубине 250—400 м расход жидкости может достигать 40 л/мин.