Перспективная конструкция шарошечного расширителя для проходки наклонно-направленных скважин подземных переходов газонефтепроводов
Д. Ю. СЕРИКОВ –
д.т.н., профессор, член-корреспондент РАЕН РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина,
dr.serikov@rambler.ru
В процессе сооружения газонефтепроводов нередко встает задача пересечения различных водных преград, таких как каналы, реки, озера, обширные болотистые территории и т. д. В этом случае наиболее экологичным, экономичным и безопасным способом преодоления этих участков является метод наклонно-направленного бурения (ННБ).
Ключевые слова: газонефтепровод, подземный переход, шарошечный расширитель, одноконусная шарошка, струйный насос, эжекционная насадка.
Метод ННБ позволяет минимизировать время сооружения подземных переходов газонефтепроводов, однако у него все еще существуют целый ряд технических и технологических недостатков, для оценки которых были изучены условия и основные принципы работы применяемого при сооружении подземных переходов бурового инструмента.
Метод ННБ скважин для прокладки газонефтепроводов, осуществляется путем использования как обычного, так и специального бурового оборудования в несколько этапов. В начале производят бурение ствола пилотной скважины малого диаметра на всю длину перехода. Затем осуществляют ее расширение до формирования требуемого технологического диаметра, большего диаметра трубопровода. Далее происходят калибрование и зачистка стенок скважины, с целью обеспечения беспрепятственного протаскивания трубопровода.
Как правило, бурение пилотной скважины осуществляется обычными буровыми долотами различных типоразмеров, выбор типа и размера которых зависит в основном от твердости и абразивности разбуриваемых пород.
Расширение пилотной скважины осуществляется уже при помощи расширителей специальных конструкций, позволяющих наиболее эффективно разрушать породу в условиях проходки наклонно-направленных скважин большого диаметра.
На сегодняшний день существует множество конструкций шарошечных расширителей, предназначенных именно для формирования наклонно-направленных стволов для прокладки газонефтепроводов. Отличительными особенностями всех этих конструкций являются: тип вооружения, форма шарошек, одно- или многоярусность, расположение породоразрушающих элементов, системы промывки и т. д. Многие конструкции расширителей предусматривают замену шарошек и представляют собой сборно-разборные конструкции.
Например, известен шарошечный расширитель пилотного ствола скважины, включающий полый приводной шток, в передней части которого размещен направляющий аппарат, а в задней части которого размещен корпус расширителя. Корпус расширителя имеет лапы с установленными на них вращающимися шарошками с вооружением, при этом шарошки выполнены с возможностью расширения пилотного ствола скважины. Направляющий аппарат выполнен в виде центрирующего кольца с ребрами, выполненного с возможностью прохождения внутри пилотного ствола скважины и поддержания траектории расширителя шарошечного вдоль траектории предварительно пробуренного пилотного ствола скважины. Полый приводной шток выполнен с возможностью соединения с бурильной колонной перед направляющим аппаратом и сообщения полости полого приводного штока с полостью бурильной колонны для прохождения промывочной жидкости.
Корпус расширителя и полый приводной шток имеют сообщающиеся каналы, сообщающие полость полого приводного штока с шарошечным пространством для промывки зоны расширения пилотного ствола скважины, формируемой вооружением шарошек (см. US 2010/0319993A1, опубл. 23.12.2010).
Однако, несмотря на множество конструкций таких расширителей, при их проектировании зачастую не учитывают те существенные изменения в кинематике шарошек, связанных со значительным, нежели чем в долоте, удалением их от центра вращения бурового инструмента. В большинстве случаев это приводит к полному или частичному несоответствию геометрических параметров вооружения бурового инструмента, условиям и характеру взаимодействия зубьев шарошек расширителя в процессе разрушения горной породы кольцевого забоя большого диаметра (555–1200 мм и более).
Анализ износа основных рабочих элементов шарошечных расширителей после отработки свидетельствует о том, что данный инструмент работает в условиях сильного зашламления забоя. На это указывает целый ряд факторов: сильный износ армированных поверхностей направляющего аппарата, значительное число заклиненных шарошек и еще большее с катастрофическим износом герметизированных маслонаполненных подшипниковых узлов. Также обращает на себя внимание превалирующий износ зубчатого вооружения периферийных и калибрующих конусов шарошек, в то время как вершинные венцы изношены менее значительно. Это свидетельствует о том, что геометрия вооружения шарошек не соответствует характеру и условиям разрушения породы при данном способе бурения.
С целью устранения этих недостатков и повышения эффективности работы данного вида бурового инструмента были разработаны принципиальные схемы двух вариантов шарошечного расширителя. Техническим результатом предложенных вариантов конструкции является повышение эффективности работы шарошечного расширителя путем более интенсивного выноса разбуренной породы из зоны расширения пилотного ствола скважины (рис. 1 и 2).
Представленный шарошечный расширитель пилотного ствола скважины включает полый приводной шток (1), в передней части которого размещен направляющий аппарат (2), в задней части которого размещен корпус (3) расширителя, корпус (3) расширителя имеет лапы (4) с установленными на них вращающимися шарошками (5) с вооружением (6), при этом шарошки выполнены с возможностью расширения пилотного ствола (7) скважины. Направляющий аппарат (2) выполнен в виде центрирующего кольца (8) с ребрами (9), выполненного с возможностью прохождения внутри пилотного ствола (7) скважины и поддержания траектории расширителя шарошечного вдоль траектории предварительно пробуренного пилотного ствола (7) скважины. Полый приводной шток (1) выполнен с возможностью соединения с бурильной колонной перед направляющим аппаратом (2) и сообщения полости (10) полого приводного штока (1) с полостью бурильной колонны для прохождения промывочной жидкости, корпус (3) расширителя и полый приводной шток (1) имеют сообщающиеся каналы (11, 12), сообщающие полость полого приводного штока с шарошечным пространством для промывки зоны (13) расширения пилотного ствола скважины, формируемой вооружением (6) шарошек.
Новым в расширителе является то, что в пространстве за внешней боковой поверхностью полого приводного штока (1) организована по меньшей мере одна эжекционная камера (14), при этом в каждой из по меньшей мере одной эжекционной камеры (14) активным потоком (15) является промывочная жидкость, поступающая по дополнительному каналу (16) полого приводного штока (1) из его полости (10), а пассивным потоком является поток жидкости с разбуриваемой породой из зоны (13) расширения пилотного ствола скважины, формируемой вооружением (6) шарошек. При этом смешанный поток (20) из эжекционной камеры (14) выведен за пределы зоны (13) расширения пилотного ствола скважины, формируемой вооружением (6) шарошек.
Именно такое выполнение шарошечного расширителя пилотного ствола скважины позволяет интенсифицировать вынос разбуренной породы из зоны расширения пилотного ствола скважины. Оснащение зоны расширения пилотного ствола скважины дополнительным узлом в виде по меньшей мере одного струйного насоса (т. е. эжекционной камеры) позволяет снизить зашламление забоя путем выноса потока жидкости с разбуриваемой породы из зоны расширения, что в конечном счете приводит к повышению эффективности работы шарошечного расширителя.
Рис. 1. Первый вариант конструкции шарошечного расширителя для проходки наклонно-направленных скважин подземных переходов газонефтепроводов
Рис. 2. Второй вариант конструкции шарошечного расширителя для проходки параболических скважин подземных переходов газонефтепроводов
В первом варианте (рис. 1), по меньшей мере одна эжекционная камера (14) размещена в направляющем аппарате (2), при этом активным потоком (15) является промывочная жидкость, поступающая по дополнительному каналу (16) полого приводного штока из его полости (10) и далее по дополнительному каналу (17) корпуса (3) расширителя, переходящему в полость осевого патрубка (18) с гидромониторной насадкой (19), при этом смешанный поток (20) из эжекционной камеры (14) выведен за направляющий аппарат (2) в сторону пилотного ствола (7) скважины. Это способствует повышению эффективности работы шарошечного расширителя путем более интенсивного выноса разбуренной породы из зоны расширения пилотного ствола скважины.
Во втором варианте (рис. 2), по меньшей мере одна эжекционная камера (14) размещена в корпусе (3) расширителя, при этом активным потоком (15) является промывочная жидкость, поступающая по дополнительному каналу (16) полого приводного штока (1) из его полости (10) и далее по каналу (21) в направляющем аппарате (2), переходящему в полость осевого патрубка (18) с гидромониторной насадкой (19), при этом смешанный поток (20) из эжекционной камеры (14) выведен за корпус (3) расширителя в направлении от пилотного ствола (7) скважины. Это конструктивное решение также способствует повышению эффективности работы шарошечного расширителя путем более интенсивного выноса разбуренной породы из зоны расширения пилотного ствола скважины. В этом случае шлам более интенсивно выводится в направлении от пилотного ствола (7) скважины, способствуя разгрузке шлама в зоне расширения.
Шарошки (5) выполнены одноконусными. Это, позволяет более точно сориентировать положение образующей шарошки по отношению к ее мгновенной оси вращения и тем самым более точно управлять величинами проскальзывания (или отсутствием такового) зубчатого вооружения всех венцов. Данная геометрия шарошек, также способствует повышению эффективности работы шарошечного расширителя путем более интенсивного выноса разбуренной породы из зоны расширения пилотного ствола скважины. В этом случае обеспечивается формирование забоя конусной формы, способствующей движению бурового раствора (промывочной жидкости) непосредственно в свободное пространство пилотной скважины, без дополнительных изгибов потока от ступенчатой формы или многоконусной формы шарошек. На внешней поверхности направляющего аппарата (2) выполнена твердосплавная наплавка в виде одно- или многозаходной резьбы. Такое выполнение внешней поверхности направляющего аппарата позволяет не только придать этой рабочей поверхности износостойкость и способность самоочищаться, но и дает возможность снизить осевую нагрузку на колонну бурильных труб, за счет эффекта самозавинчивания бурового агрегата с установленным расширителем. При этом, на выходе каналов (12) корпуса (3) расширителя в шарошечное пространство для промывки зоны (13) расширения пилотного ствола скважины, формируемой вооружением (6) шарошек, установлены гидромониторные насадки (22). Это, также способствует повышению эффективности работы шарошечного расширителя путем более интенсивного выноса разбуренной породы из зоны расширения пилотного ствола скважины. В этом случае будет происходить более интенсивная очистка шарошек промывочной жидкостью, а также создаваться турбулентный поток жидкости, способствующий снижению зашламления зоны расширения, разрушаемой вооружением шарошек.
Представленный шарошечный расширитель пилотного ствола скважины работает следующим образом. При осуществлении вращения колонны бурильных труб в пилотной скважине с закрепленным на них полым приводным штоком, шарошки (5), вращаясь в подшипниках на цапфах лап, перемещаются по зоне расширения и своим зубчатым вооружением под действием крутящего момента (24) и осевой нагрузки (25) на инструмент, разбуривают и расширяют пилотный ствол скважины. В свою очередь, промывочная жидкость, которая прокачивается через внутреннее пространство колонны бурильных труб, расширителя и эжекционную камеру, успешно эвакуирует шлам из зоны работы расширителя. Промывочная жидкость достигает канала (12) или насадки (22), которые создают определенное гидравлическое сопротивление и давление, заставляющие промывочную жидкость также двигаться и к насадке (19), а после этого – заставляя промывочную жидкость вместе с выбуренной породой двигаться в каналы эжекционной камеры (14) из зоны (13) расширения пилотного ствола. В эжекционной камере (14) потоки промывочной жидкости, исходящие из эжекционных насадок (19), смешиваются с более медленными потоками промывочной жидкости из зоны расширения (13), обогащенной разрушенной породой, образующейся на поверхности расширения скважины сквозь межшарошечные пространства. В результате этого взаимодействия потоков возникает общий эжектированный поток, обладающий значительно большей скоростью и подъемной силой, нежели образованный в зоне расширения скважины. Помимо этого, в зоне (13) расширения пилотной скважины создается относительное разряжение, которое не только способствует улучшению очистки, но и к вскрытию массива разбуриваемой породы за счет уменьшения дифференциального давления на зону разрушения шарошек. Все это снижает энергоемкость процесса разрушения породы и повышает скорость расширения и проходку расширителя. Применение заявленного расширителя позволяет на качественном уровне (благодаря введению эжекционной камеры, установленной определенным образом, как раскрыто выше) повысить эффективность работы шарошечного расширителя путем более интенсивного выноса разбуренной породы из зоны расширения пилотного ствола скважины.
Представленный расширитель может быть оснащен иметь множеством элементов, известных из уровня техники, не указанных в описании (например, наличие промывочных отверстий и сопел, наличие составных элементов, выполнение нескольких элементов цельными в виде одной детали – например штока (1) и корпуса (3) и т. п., выполнение косозубого фрезерованного вооружения шарошек, выполнение вставок в виде вооружения шарошек, наличие уплотнений насадок и их узлов креплений к элементам расширителя, наличие подшипниковых опор шарошек, например, герметизированных маслонаполненных подшипниковых узлов, наличие цапф на лапах для опирания шарошек, сборно-разборные конструкции элементов и т. п.).
Применение предложенной конструкции шарошечного расширителя, благодаря более рациональной геометрии вооружения и созданию благоприятных условий, как механических, так и гидравлических, для удаления шлама с поверхности кольцевого забоя скважин большого диаметра, позволит повысить проходку и скорость бурения стволов большого диаметра, и тем самым снизить себестоимость проведения буровых работ.
ЛИТЕРАТУРА:
- Мустафин Ф. М., Быков Л. И., Васильев Г. Г., Лаврентьев А. Е. и др. Технология сооружения газонефтепроводов / Под ред. Васильева Г. Г. Т.1. Уфа: Нефтегазовое дело. 2007. 632 с.
- Вафин Д. Р., Сапсай А. Н., Шаталов Д. А. Технико-экономические границы применения метода наклонно-направленного бурения в строительстве подводных переходов магистральных трубопроводов // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2017. Т. 7. № 3. С. 66–73.
- Лурье М. В., Мастобаев Б. Н., Ревель-Мороз П. А., Сощенко А. Е. Проектирование и эксплуатация нефтепроводов. Учебник для нефтегазовых вузов. М.: Издательский дом Недра». 2019. 434 с.
- Буримов Ю. Г., Копылов А. С., Орлов А. В. Бурение верхних интервалов глубоких скважин большого диаметра. Москва, 1975. 231 с.
-
119991, Москва,Ленинский пр., д. 65, корп. 1
- ☎ +7 (499) 507-88-88
- com@gubkin.ru
- gubkin.ru
