Совершенствование буровых снарядов для сооружения подземных переходов трубопроводов различного назначения в сложных горно-геологических условиях

При прокладке нефтегазопроводов нередко встает задача прохождения участков, требующих подземного размещения трубопровода. К ним относятся различные водные преграды, горные массивы, строительные сооружения и т.д. В этом случае наиболее экологичным, экономичным и безопасным способом преодоления этих мест является метод наклонно-направленного бурения [4].

Метод наклонно-направленного бурения позволяет минимизировать время сооружения подземного перехода нефтегазопровода. Применение данного метода ограничивается лишь сложностью бурения отдельных категорий пород и техническими возможностями применяемого бурового оборудования.

Наклонно-направленное бурение скважин для прокладки нефтегазопроводов осуществляется путем использования специальных агрегатов и различного бурового оборудования в несколько этапов. В начале производят бурение пилотной скважины небольшого диаметра на всю длину перехода. Затем проводят ее расширение до формирования требуемого технологического диаметра, большего диаметра трубопровода. Далее происходит калибрование и зачистка стенок скважины с целью обеспечения беспрепятственного протаскивания трубопровода [2].

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 уже осуществляется при помощи расширителей специальных конструкций, позволяющих наиболее эффективно разрушать породу в условиях проходки наклонно-направленных скважин большого диаметра [3].

На сегодняшний день существует множество конструкций буровых агрегатов, а также долот и шарошечных расширителей, предназначенных именно для формирования наклонно-направленных стволов для прокладки нефтегазопроводов. Однако необходимость дальнейшего их совершенствования все еще является достаточно актуальной задачей. Особенно в условиях введенных беспрецедентных санкций в отношении нашей страны и ухода с рынка множества иностранных производителей, специализирующихся на изготовлении данного вида оборудования.

На сегодняшний день повышение эффективности работы буровых агрегатов и породоразрушающего инструмента при сооружении подземных переходов нефтегазопроводов является одной из основных задач, стоящих перед производителями данного вида бурового оборудования. Один из вариантов ее решения может быть реализован за счет разработки и создания новых конструкций бурового инструмента, обеспечивающего увеличение механической скорости бурения и проходки на инструмент. Немаловажным фактором, способствующим увеличению указанных показателей бурения, является качественная работа системы промывки как инструмента, так и всей призабойной зоны в целом [1].

Бурение пилотных наклонно-направленных скважин в процессе строительства подземных переходов нефтегазопроводов осуществляется обычными буровыми долотами, за которыми, как правило, устанавливаются калибрующе-центрирующие устройства, обеспечивающие выравнивание стенок скважины и препятствующие возникновению радиальных колебаний породоразрушающих инструментов. Также их использование способствует улучшению управляемости долота и обеспечивает более точное формирование проектного профиля ствола наклонно-направленной скважины. Однако применение калибрующе-центрирующих устройств в связке с долотом неизбежно ведет к повышению гидравлического сопротивления в области работы инструмента и, как следствие, увеличению дифференциального давления на забое. Одним из эффективных способов его снижения является применение различных эжекционных систем, размещаемых как непосредственно в долоте, так и в сопутствующем ему вспомогательном инструменте. Эжекционные системы работают по принципу струйных насосов, что позволяет им существенно интенсифицировать процесс удаления разрушенной породы от забоя и дальнейшего ее перемещения по затрубному пространству в сторону дневной поверхности. Кроме того, использование эжекционных систем, размещенных непосредственно в зоне работы породоразрушающего инструмента, позволяет снизить дифференциальное давление на забое. Многолетний опыт применения различных эжекционных систем при бурении нефтяных и газовых скважин показал, что их использование позволяет увеличить механическую скорость бурения и проходку на инструмент. Однако реализовать весь потенциал данных систем в буровом инструменте так и не удалось. Это связано с тем, что эжекционные системы размещались либо непосредственно в самом долоте, что не позволяло сделать их достаточно мощными ввиду ограниченного пространства для их размещения, либо устанавливались отдельно, над долотом, и выполняли только эжектирующую функцию.

Учитывая все вышеперечисленные факты, было предложено разместить эжекционные устройства в теле наддолотного калибратора, совместив в нем сразу несколько функций: калибрования стенки скважины, центрирования и стабилизации долота и струйного насоса, позволяющего интенсифицировать процесс промывки забоя и удаления шлама в межтрубное пространство.

В результате проведенных исследований была разработана новая конструкция калибратора-эжектора, оснащенного эжекционными системами очистки скважины (рис. 1). Для проведения предварительных гидравлических испытаний была создана экспериментальная модель калибратора-эжектора диаметром 215,9 мм, а также шарошечное долото аналогичного диаметрального размера, с использованием 3D-технологий (рис. 1).

Принцип совместной работы калибратора-эжектора и долота в процессе бурения пилотной скважины (рис. 2) заключается в следующем. Под воздействием крутящего момента и осевой нагрузки на долото, передаваемых посредством колонны буровых труб, зубчатое вооружение долота разрушает породу забоя. Одновременно с этим сквозь внутреннее пространство бурильных труб и промывочную систему породоразрушающего инструмента прокачивается буровой раствор, который очищает вооружение долота и поверхность забоя. Как отмечалось ранее, непосредственно за долотом устанавливается калибратор-эжектор, также включающий в себя систему промывки в виде трех струйных насосов, расположенных в его межлопастных пространствах. Отличительными особенностями этой конструкции являются наличие подпорной насадки, расположенной внутри центрального ствола калибратора-эжектора (рис. 3), и трех эжекционных каналов с насадками, направленных в сторону от поверхности забоя.

Буровой раствор, перемещаясь сквозь внутреннее пространство калибратора-эжектора, достигает его внутренней подпорной насадки (рис. 3), создающей определенное гидравлическое сопротивление, которое заставляет часть общего объема промывочной жидкости двигаться в специальные эжекционные каналы. Пройдя сквозь эжекционные каналы и насадки, буровой раствор попадает в наружные эжекционные камеры открытого типа. Отличительной особенностью их конструкции является тот факт, что их внутренние поверхности образованы корпусом калибратора и двумя смежными его лопастями, а наружной частью является непосредственно стенка скважины. В эжекционных камерах высокоскоростные потоки бурового раствора, истекающие из эжекционных насадок, смешиваются с более медленными потоками бурового раствора, обогащенного шламом, перемещающимися от поверхности забоя сквозь межлопастные пространства калибратора (рис. 3). В результате взаимодействия этих потоков формируются три общих эжектированных потока, обладающих значительно большей гидравлической энергией, способствующих значительной интенсификации процесса промывки как инструмента, так и всей призабойной зоны в целом [5].

Как было указано ранее, по завершении формирования ствола пилотной скважины осуществляется процесс дальнейшего расширения ее диаметральных размеров шарошечными расширителями специальных конструкций. При этом, в отличие от первого этапа, когда буровой агрегат перемещает породоразрушающий инструмент «от себя», при осуществлении второго этапа расширение ствола происходит путем перемещения буровым агрегатом породоразрушающего инструмента «на себя». Как показывает практика, в большинстве случаев процесс промывки, как правило, является прямоточным (невозвратным), т.е. с одной стороны перехода на другую. Это существенно ухудшает эффективность удаления разбуренной породы вследствие большего диаметра уже расширенного участка скважины, не говоря уже об экологическом аспекте этого процесса. В связи с этим при расширении пилотной скважины предлагается использовать процесс обратной промывки, аналогичный такому при бурении вертикальных нефтегазовых скважин, т.е. подачу бурового раствора внутри буровой колонны к породоразрушающему инструменту и возвращение его обратно на дневную поверхность по затрубному пространству. Это позволит использовать все наработки по очистке, восстановлению бурового раствора, существенно снизить его расход и значительно улучшить экологичность процесса сооружения подземных переходов нефтегазопроводов.

При расширении пилотной скважины с использованием обратной системы промывки можно применять тот же калибратор-эжектор, уже использованный на первом этапе бурения. В данном случае он устанавливается перед шарошечным расширителем и выполняет не только функции калибратора и струйного насоса, но и переднего стабилизатора и направляющего аппарата шарошечного расширителя (рис. 2). Таким образом, один и тот же инструмент (калибратор-эжектор) может использоваться как при первоначальном бурении пилотной скважины, так и впоследствии при ее расширении.

Данные калибраторы-эжекторы могут использоваться при бурении совместно не только с шарошечными долотами, но и с любыми другими видами и типами породоразрушающих инструментов.

Использование калибратора-эжектора новой конструкции в буровых агрегатах и системы обратной промывки скважины при ее расширении позволит снизить время и стоимость строительства подземных переходов нефтегазопроводов, а также улучшить экологические аспекты при их сооружении.

ВКЛАД АВТОРОВ / AUTHOR CONTRIBUTIONS

Сериков Д.Ю. — разработал концепцию и подготовил текст статьи, окончательно утвердил публикуемую версию статьи и согласен принять на себя ответственность за все аспекты работы.

Цхадая Н.Д. — разработал концепцию и подготовил текст статьи, окончательно утвердил публикуемую версию статьи и согласен принять на себя ответственность за все аспекты работы.

Борейко Д.А. — разработал концепцию и подготовил текст статьи, окончательно утвердил публикуемую версию статьи и согласен принять на себя ответственность за все аспекты работы.

Dmitry Y. Serikov — collected material, developed the concept and prepared text of the article, finally approved the published version of the article and agree to take responsibility for all aspects of the work.

Nikolay D. Tskhadaya — collected material, developed the concept and prepared text of the article, finally approved the published version of the article and agree to take responsibility for all aspects of the work.

Dmitry A. Boreyko — collected material, developed the concept and prepared text of the article, finally approved the published version of the article and agree to take responsibility for all aspects of the work.