УДК 622.24 Петраков Артем Евгеньевич студент 3-го курса, гр. БС-09

УДК 622.24
Петраков Артем Евгеньевич
студент 3-го курса, гр. БС-09
Научный руководитель: Юшков Иван Александрович
доц., к.т.н.
кафедра «Технология и техника геологоразведочных работ»
Горно-геологический факультет
Донецкий национальный технический университет
Украина, г. Донецк
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРАЕКТОРИИ НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН
И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО
БУРОВОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ БУРЕНИЯ ИЗ ГОРНЫХ
ВЫРАБОТОК
DESIGNING TO PATHS OF THE DIRECTED BORE HOLES AND
DEVELOPMENT TO DESIGNS OF THE MULTIFUNCTIONAL BORE
COMPLEX FOR BORING FROM MOUNTAIN PRODUCTIONS
Одной из приоритетных задач развития угольной промышленности
является обеспечение безопасности условий труда шахтеров и увеличение
производственных мощностей угольных шахт. Добиться положительных
сдвигов в этом направлении позволяет эффективная работа системы
шахтной дегазации. Совершенствованием методов и технических средств
бурения дегазационных скважин продолжительный период времени
занимается кафедра технологии и техники геологоразведочных работ
Донецкого национального технического университета.
Современное состояние подземного бурения в угольных шахтах
Украины характеризуется отсутствием цельного технического и
организационного подхода к его проведению. Значительное количество
буримых из подземных выработок скважин предназначено для
предварительной дегазации, схема которой зависит от системы разработки
угольных пластов и проводится как по углю, так и вмещающим породам.
Это в свое время обусловило использование для бурения дегазационных
скважин геологоразведочных станков и инструмента, не вполне
подходящих для шахтных условий, особенно в условиях бескернового
бурения восстающих скважин. По-прежнему открытыми остаются ряд
вопросов, составляющих суть как технической, так и технологической
основы методики подземного бурения.
Для повышения эффективности выполнения дегазационных работ
целесообразным может оказаться бурение направленных скважин по
управляемой траектории из горных выработок разрабатываемого пласта.
Особенность расположения бурового оборудования приводит к тому, что
дегазационные скважины, как правило, включают криволинейную часть,
пройденную в межпластовых породах до выхода в дегазационный пласт и
62
прямолинейную, выполненную в сторону выработанного пространства и
буримую по углю [2].
В настоящий момент в ДонНТУ проводятся работы по созданию
модернизированных под современные требования образцов бурового
инструмента на основе существующих конструктивных схем.
При бурении скважин из подземных горных выработок преобладает
восстающее
их
направление,
сочетающее
прямолинейные
и
криволинейные участки. Сами скважины в зависимости от горногеологических условий залегания дегазируемого пласта и условий
забуривания могут быть как плоско- так и пространственноискривленными. Скважины, буримые их подземных горных выработок
могут профилироваться по простиранию пласта при его горизонтальном
залегании, по восстанию пласта и по падению пласта. Исходя их
особенностей размещения бурового оборудования, дегазационная
скважина должна иметь криволинейный и прямолинейный участки,
причем прямолинейная часть скважины параллельна горной выработке [2].
Случаи строго горизонтального залегания пласта встречаются редко,
но описание такой схемы является общим случаем, необходимым для
дальнейшего рассмотрения частных случаев профилирования скважины.
Проектирование удобнее выполнять в прямоугольной системе
координат XYZ (рис. 1). Координатная ось OX направлена по оси штрека,
из которого производится дегазационное бурение скважины, ось OY – в
поперечном направлении. Положительное направление оси OZ связано с
направлением восстания скважины. Центр О системы координат выбран в
точке забуривания.
Для определения параметров плоско-пространственного профиля
скважины приняты следующие условия:
1. Скважина искривляется по дуге О1В окружности заданного радиуса
R.
2. Точка забуривания скважины О находится на штреке на уровне
кровли разрабатываемого пласта.
3. В точке В входа в дегазируемый пласт (верхний по схеме) скважина
горизонтальна.
4. Межпластовая мощность составляет m0.
5. Касательная к скважине в точке В, то есть прямолинейный участок
скважины ВВ1, параллелен оси штрека ОА.
6. расстояние от оси штрека ОА до горизонтальной проекции DD1
прямолинейного участка скважины составляет АD = S
7. Дуга РВ является четвертью окружности, плоскость РО1Q –
горизонтальна, СО1Q – вертикальна, а плоскость окружности
наклонена к горизонтальной под углом β.
63
Рис. 1. Схема к расчету плоско-пространственного профиля скважины
Кривая ODD1 является проекцией оси скважины на горизонтальную
плоскость.
Исходя из построенной схемы профиля, координаты точки входа
скважины в пласт определяется как:
Z B  BD  mo
,
YB  AD  S
Абсцисса точки В равняется АО. Из треугольника АО1О получаем:
X B  R sin  0 .
(1)
OA
Также cos 0  1 , где O1 A  O1B  AB  R  AB .
R
Из треугольника ABD имеем:
R  m2  S 2
.
 0  arccos
R
(2)
64
Очевидно, что угол COA   0 .
Угол наклона плоскости скважины к горизонту определяется из
выражения:
m 
(3)
  arctg  0 
 S 
Преобразования пирамиды АСFО с вершиной в С, грани которой
являются прямоугольными треугольниками, позволяют получить угол
наклона скважины при забуривании η0, угол разворота скважины от оси
штрека δ0.
 0  arctg (tg 0 cos  )
(4)
0  arctg (tg sin  0 )
(5)
Для целей проектирования профиля скважины необходимо
определить координаты любой точки N скважины, расположенной на
длине lN от устья, угол наклона ηN скважины в этой точке и разворот ее
относительно оси штрека δN. Последний определяет азимутальное
направление скважины, т.к. азимут штрека известен.
Рассмотрение построений связанных с произвольной точкой N
(треугольников А1С1N, A1F1N, F1C1N) показывают, что они аналогичны
построениям для точки О, причем положение точки N зависит от величины
центрального угла εN. который равен:
 57,3lN 
 N  0  
(6)
,
 R 
где lN – длина скважины от устья до точки N.
С учетом геометрических преобразований получаем координаты
скважины:
X N  Rsin  0  sin  N 
(7)
YN  S  R cos  1  cos  N 
(8)
Z N  S  R cos  1  cos  N tg  m0  R sin  1  cos  N 
(9)
Указанные выше математические выражения позволяют получить
необходимые для проектирования скважины данные, на основе которых
выполняется построение проекций направленной скважины.
При системе разработки столбами по простиранию и
негоризонтальном залегании пласта необходимо учитывать, что аппликата
точки B ZB ≠ m0. В этом случае по схеме на рис. 2.
65
Рис. 2. Расчетная схема для бурения скважины по простиранию пласта
ZB =
m0  S  sin  y
(10)
cos y
где  y – угол падения пласта, направление восстания которого
совпадает с осью Y.
С учетом этого изменяется выражения (2), (3) и
(9), приняв вид:
R  Z B2  S 2
 0 = arccos
R
Z
 = arctg B
S
Z N = Z B  R sin  1  cos  N
(11)
(12)

(13)
Остальные расчетные формулы остаются без изменений.
Для системы разработки столбами по падению или восстанию
пласта, дегазационная скважина должна иметь криволинейный участок и
прямолинейную часть параллельную штреку и наклоненную под углом
падения пласта γx (направление падения совпадает с осью X).
На рис. 3 показано положение скважины OBB1, для случая
горизонтального расположения пласта аналогично рис. 1 и новое
положение скважины OB2B3, у которой прямолинейный участок наклонен
под углом падения пласта.
Новое расположение соответствует ситуации, когда все элементы
расчетной схемы по рис. 1 повернуты вокруг оси Y на угол падения пласта
и точки A, B, C, D, F занимают положение соответственно A2, B2, C2, D2,
F2.
Кривая OB2 будет характеризоваться новыми начальными углом
наклона η0' вместо η0 и углом δ0' вместо δ0.
Сохранятся ординаты точек Y, но изменятся абсциссы и аппликаты.
66
Рис. 3. Схема к расчету профиля скважины при бурении по восстанию
пласта.
Из построений по схеме (рис. 3) после преобразований получим
tan  0 cos 
tan  0' =
(14)
cos X  tan  0 sin  sin  X
Из (14) следует, также что
tan  0
 0'  arctan
cos  X  tan  0 sin  sin  X
Анализ построений по схеме рис. 3 позволяет после преобразований
получить.
sin  sin  0'  cos  cos 0' sin  X
'
tan 0 =
(15)
cos  cos X
67
Выражения (14) и (15) справедливы и для вычислений tan  n' и tan  n'
любой точки кривой N2 если определить угол  n по (6) и заменить им  0 в
(14).
Для определения координат любой точки кривой N2 (см. рис. 3.)
используем вспомогательную схему (рис. 4)
Рис. 4. Вспомогательная схема к расчету координат
Здесь абсцисса точки N2
xn' = OT2 = N 4G
ордината
yn' = OG
аппликата
zn' = N 2 N 4 = N 6 N 5
Очевидно, что ордината сохраняется той же, что и у точки N. Из (10)
(16)
yn' = S  R1  cos  n  cos 
Абсциса точки N
(17)
xn' = xn cos  X  zn sin  X
Апликата определяется как
zn' = zn cos  X  xn sin  X
(18)
Приведенные формулы позволяют рассчитать параметры скважин с
плоско-пространственной трассой. Координаты проектных точек,
проектные углы наклона и разворота от линии штрека в этих точках
68
рассчитываются для любых интервалов длины скважины, начиная от ln=0
до ln=lскв.
Длина скважины до входа в пласт определяется из выражения
 R
lÑÊÂ = 0
(19)
57,3
Для автоматизации процесса проектирования траектории скважины
была составлена расчетная программа, системный вид диалогового окна
которой приведен на рис. 5.
Рис 5. Системный вид программы расчета геометрических параметров
проектируемой скважины.
Задавая исходные параметры заложения скважины R, m, S, γ, αx, αn
можно получить расчетные координаты проектных точек траектории,
проектные углы наклона и разворота от линии штрека, необходимые для
ориентирования отклонителя и контроля пространственного положения
скважины в процессе бурения.
При проведении бурения криволинейных участков дегазационных
скважин целесообразно применять компоновки буровых снарядов с
фиксированным значением обеспечиваемого радиуса кривизны R. Плоскоискривленный и пространственно-искривленный виды профиля могут
быть образованы только отклонителями непрерывного действия.
Поскольку для бурения восстающих скважин снаряды с механической
системой распора не приемлемы, необходимо использовать отклонители с
гидромеханическим принципом фиксации в скважине. Применение
бурового снаряда с гидромеханическим распором позволяет повысить
надежность работ по искривлению, так как устраняются такие причины
отказов из-за дезориентации снаряда, как случайное или намеренное
снятие осевой нагрузки, запуск снаряда в нагруженном состоянии и т.п.
Буровой снаряд, предназначенный для ориентирования и бурения
восстающих дегазационных скважин плоско- и пространственно69
искривленного типа, разрабатывается в ДонНТУ. Он включает в себя
ориентирующий и отклоняющий блок (рис. 6). В основе ориентирующего
блока использована принципиальная система гидравлического шарикового
ориентатора, обеспечивающая передачу гидравлического сигнала о выходе
отклоняющих элементов снаряда на требуемый угол установки. Наличие
шарикового ориентирующего узла позволяет исключить использование
веса снаряда для разворота корпуса отклонителя под требуемым углом
установки, а значит эффективно использовать разработанный снаряд для
бурения как наклонных, так и горизонтальных и восстающих скважин.
Рис. 6. Буровой снаряд направленного бурения.
70
Отклоняющая
система
комплекса
представляет
собой
усовершенствованный отклонитель с гидромеханическим распором
спроектированный на основе отклонителя ОНДГ-93МР конструкции ДПИ
и ПО «Укруглегеология» [1].
Распорный блок (рис. 6) состоит из корпуса камеры 9 с ползуном 6,
выходящим за габариты корпуса под действием расширяющейся
резиновой камеры 7, охватывающей вал - трубу 10. В теле трубы
выполнено отверстие «а», сообщающееся с внутренней полостью
резиновой камеры. Концы резиновой камеры 7 закреплены в корпусе 9 с
помощью конусов 8. Ползун 6 снабжен набором роликов 14, которые при
выдвижении ползуна контактируют со стенкой, удерживая корпус
отклонителя от поворота. Предельный выход ползуна ограничен упорами,
закрепленными на корпусе камеры с помощью винтов и свободно
расположенными в пазах ползуна.
К корпусу камеры присоединен корпус подшипников 11, с
установленным в нем блоком упорных шарикоподшипников и радиальных
роликоподшипников. Для предотвращения утечек промывочной жидкости
в корпусе 11 установлены манжеты. Поверхность корпуса 11 выполнена в
виде эксцентричной втулки. Наружная поверхность корпусов 2 и 11
армирована сменными твердосплавными вставками 13 и 15,
выполняющими функцию опорных элементов и регулирующими
интенсивность искривления скважины.
К верхней части корпуса отклонителя на резьбе присоединен
ориентирующий ниппель 4. К ниппелю 4 присоединен корпус 2, внутри
которого размещены два радиальных шарикоподшипника, разделенных
между собой распорным кольцом. Защита подшипников от воздействия
промывочной жидкости и частиц шлама осуществляется уплотнительным
резиновым кольцом. Внутренняя часть ориентирующего ниппеля имеет
пазы для сопряжения с валом отклонителя. В нижней части ниппеля
выполнен паз, предназначенный для размещения ориентирующего шара 3
при ориентировании корпуса отклонителя.
Через корпус 2 и ориентирующий ниппель 4 проходит верхний вал 1.
На нем расположен блокировочный шпоночный узел, сопрягаемый с
пазами ориентирующего ниппеля.
В нижней части верхнего вала размещен шпоночный разъем 5,
предназначенный для компенсации смещения вала при ориентировании.
Вал снабжен отверстиями «б» для прохода промывочной жидкости,
которые предназначены для сигнализации об окончании процесса
ориентирования.
В кольцевой полости, образованной внутренней поверхностью
ниппеля 4 и расточкой верхнего вала 1 под шпоночным участком вала,
размещен ориентирующий шар 3, свободно перекатывающийся в
исходном положении под действием силы тяжести.
Разрабатываемый буровой комплекс работает следующим образом.
Процесс ориентирования отклонителя заключается в следующем.
71
Выполняют подтягивание вала за колонну бурильных труб. При этом
верхний вал 1 получает возможность небольшого смещения вверх по
шпоночному разъему ниппеля 4. Это освобождает шар 3, который
перекатывается
по
кольцевой
полости,
занимая
положение,
соответствующее нижней образующей апсидальной плоскости скважины.
Опускают (досылают) снаряд до забоя, включают подачу промывочной
жидкости и начинают медленное проворачивание корпуса снаряда через
колонну бурильных труб. При этом осуществляют периодическое
подтягивание и опускание верхнего вала 1 (при ориентировании в
горизонтальных и восстающих скважинах осуществляется периодическая
досылка и извлечение верхнего вала). Корпус проворачивается благодаря
шпоночному сопряжению с валом. В тот момент, когда положение паза
совпадет с нижней образующей апсидальной плоскости скважины,
ориентирующий шар 3 переместится в паз ниппеля 4. Благодаря этому вал
1 сместится вниз по корпусу отклонителя, разъединится шпоночное
соединение вала и корпуса, сместится вниз нижний шпоночный разъем,
тем самым открыв боковые отверстия «б» вала, и промывочная жидкость
получит возможность выхода. Давление в подводящей линии резко
снизится, что даст гидравлический сигнал о завершении ориентирования,
отмечаемый по манометру.
Благодаря наличию дросселирующей втулки 12, во внутренней
полости вала 10 создается повышенное давление, что приводит к
расширению резиновой камеры 7 и выдвижению ползуна 6 до упора его
роликов 14 в стенку скважины. Корпуса 2 и 11, упираясь в
противоположную стенку скважины твердосплавными вставками 13 и 15
на эксцентричных выступах, обеспечивают заданный перекос оси снаряда.
Преимуществом гидромеханической системы распора по сравнению
с механической является отсутствие осевых перемещений элементов
корпуса снаряда, поскольку выдвижение ползуна осуществляется только за
счет давления рабочей жидкости.
Размер твердосплавных вставок на эксцентричных выступах корпуса
позволяет регулировать интенсивность искривления.
ВЫВОДЫ
1. Система гидравлического ориентирования бурового снаряда
позволяет выполнять ориентирование снаряда в пологих, горизонтальных
и восстающих скважинах.
2. Работа снаряда не зависит от изменений осевой нагрузки,
передаваемой по колонне бурильных труб, а выдвижение ползуна узла
распора происходит без перемещения корпусных элементов бурового
снаряда.
3. Для достижения требуемой интенсивности искривления
необходимо применять съемные накладки на корпусе отклонителя и
обеспечивать постоянный перепад в полости приводной камеры ползуна.
72
Литература.
1. А.с. 744106 СССР, М. Кл2. Е 21 В 7/08. Снаряд для направленного
бурения
/
А. С. Юшков,
Б. Ф. Головченко,
А. Д. Корсаков,
О. П. Приходько, В. Г. Рожков, Т. Н. Филимоненко; Донец. политехн. ин-т
и
Тематическая
экспедиция
Производственного
объединения
«Укруглеология» (СССР). - № 2582171/22-03; заявл. 20.02.1978; опубл.
30.06.1980, Бюл. № 24.
2. Юшков А.С. Проектирование криволинейных восстающих скважин
сложного профиля: реф. карты / А.С. Юшков. – М.: ЦНИЭИуголь, 1979. –
18 с. - Вып.10 (118). - №835. - Деп. в ЦНИЭИуголь, № 1527.
Аннотация.
Рассмотрена методика расчета профиля восстающей криволинейной
скважины, пробуренной из подземной горной выработки. Описана
конструкция и принцип действия бурового снаряда для бурения с заданной
кривизной профиля скважины.
The design procedure of a profile of the rising curvilinear well drilled
from an underground excavation is considered. The design and a principle of
action of a chisel shell for drilling with the set curvature of a profile of a well is
described.
Ключевые слова.
подземное бурение, восстающая скважина, профиль, радиус
искривления, отклонитель непрерывного действия
underground drilling, rising well, profile, curvature radius, deflecting tool
of continuous action
73