Общая классификация способов разрушения горной породы
Как известно для того, чтобы создать скважину необходимо разрушать горную породу. При строительстве нефтяных и газовых скважин преимущественно используется механический вращательный способ разрушения горной породы, который, однако нельзя назвать единственным. Важно понимать, что при этом имеют место гидравлическое и химическое воздействие, а также термические процессы в точке контакта породоразрушающего инструмента и горной породы.
Если же рассматривать в общем разрушение горных пород, то существует множество классификаций, которые стараются дать общее представление о разнообразии существующих способов и механизмов.
Попытаемся их категорировать по виду физического воздействия:
- Механическое – это способ разрушения, когда создается определённое статодинамическое воздействие (вдавливание, удар, вращение, вибрация, комбинация) породоразрушающего инструмента на горную породу.
- Гидравлическое – это способ разрушения породы струей жидкости методом размыва.
- Химическое – это способ разрушения, при котором происходит растворение горной породы от воздействия потока жидкости (в исключительном случае – газа).
- Термическое – это способ разрушения горной породы, при котором происходит ее сжигание или растрескивание под действием высокой температуры. По сути вариациями термического способа разрушения являются способы основанные на применении плазмы, термоядерной реакции или лазера.
- Электроимпульсное – это способ разрушения породы посредством энергии пробоя, проходящей через горную породу электрической дуги.
- Взрывное – это способ разрушения горной породы, который обеспечивает разрушение массива за счет энергии, возникшей при детонации взрывчатого вещества.
- Имплозивное – это способ разрушения, основанный на явлении кавитации (создании импульсов давления при схлопывании пузырьков газа или специальных капсул).
- Комбинированное (гидроабразивное, шароструйное, механо-гидравлическое, термодинамическое и т.п.).
Каждый из этих способов характеризуется технологией и комплексом оборудования, которое должно использоваться для их реализации. В данном разделе мы будем последовательно рассматривать эти способы разрушения горных пород и оценивать возможную широту его их применения.
Механическое разрушение горных пород
В строительстве скважин в основном используется механический способ разрушения горных пород. Механически породы могут разрушаться несколькими способами:
- вращательным способом – когда породоразрушающий инструмент вращается и приложением в нему постоянной осевой нагрузки;
- ударным способом – когда породоразрушающий инструмент воздействуюет на породу посредством прилагаемой к нему ударной нагрузки;
- вращательно-ударным и ударно-вращательным способом – когда породоразрушающий инструмент воздействует на забой совмещением ударной нагрузки и вращения с определенной частотой. Ударно-вращательный и вращательно-ударный способ отличаются соотношением типа воздействия в динамике работы инструмента. Другими словами, при ударно-вращательном разрушении превалирует ударное воздействие, а при вращательно-ударном – вращательное.
- вибрационным способом – по сути это способ ударного разрушения горной породы, который отличается тем, что воздействие на породу идет высокочастотными импульсами, амплитуда которых не очень высока. Еще особенностью вибрационного способа разрушения является, что чаще оно подразумевает больше не разрушение посредством разделения элементов горной породы, а разрушение посредством ее уплотнения.
Чтобы осуществлять механическое разрушение породы необходим определенный набор оборудования:
- породоразрушающий инструмент, обладающий профилем (вооружением), способным внедряться в породу при приложении нагружения, а также имеющим определенную стойкость к износу со стороны породы;
- устройство приложения динамической нагрузки – то, что создает эффект динамического воздействия – в случае вращательного способа – это привод, обеспечивающий вращение; при использовании ударного воздействия – это ударный привод, при вибрационном воздействии – вибратор. Если же рассматриваются комбинированные методы, то используются совмещенные приводы или комбинации индивидуальных.
- устройство для приложения статической нагрузки – это то, что создает нагрузку для внедрения породоразрушающего инструмента в горную породу. Обычно это обеспечивается за счет специального элемента, обладающего достаточной массой, либо за счет специального механизма (например, гидроцилиндры), способного создавать и поддерживать эту нагрузку.
Механическое разрушение горных пород
Рассмотрим условия для осуществления разрушения механическим вращательным способом в контексте строительства скважины:
Породоразрушающий инструмент в постоянном контакте с забоем;
Все известные долота имеют постоянный контакт с забоем. В случае алмазных, лопастных (в том числе PDC) долот - это полное контактирование всех элементов вооружения с забоем. В случае шарошечных долот, контакт вооружения долота с забоем имеется постоянно, но само вооружение сменяется за счет вращения шарошек.
Наличие осевой нагрузки, обеспечивающей хотя бы минимальную глубину внедрения вооружения в забой;
Если осевая нагрузка недостаточна для сколь угодно малого внедрения вооружения долота в забой, то проходка будет отсуствовать или будет крайне низкой (будет осуществляться поверхностное разрушение породы). В этом случае не редка ситуация, связанная с «зашлифовыванием» забоя (когда недостаточная нагрузка в совокупности с высокой частотой вращения, наоборот, уплотняют горную породу на забое).
Если осевая нагрузка позволяет внедряться вооружению в забой, то может иметь место объемное разрушение для лопастных долот. А для шарошечных долот - объемное, либо усталостное – в зависимости от величины осевой нагрузки. Эффективность повышения осевой нагрузки напрямую зависит от величины вылета вооружения (глубины его возможного погружения в горную породу).
Если осевая нагрузка слишком высока, то эффективность разрушения горной породы повышаться не будет. Это обусловлено тем, что вооружение будет погружено в горную породу полностью и дальнейшее увеличение нагрузки будет приводить к ее распределению по корпусу долота. При крайне высоких значениях осевой нагрузки может наблюдаться разрушение долота.
Наличие вращения инструмента с помощью либо забойного привода (ВЗД, турбобур), либо поверхностного привода (ротор, СВП) с крутящим моментом, достаточным для разрушения горной породы;
Вращение должно осуществляться таким образом, чтобы у вооружения была возможность эффективно контактировать с забоем. Под понятием «эффективный контакт» подразумевается – наличие достаточного периода времени для внедрения вооружения в горную породу.
Наличие системы промывки, способной очищать забой и поднимать разрушенную горную породу до поверхности.
За эффективность данного процесса отвечает скорость циркуляции жидкости, а также параметры бурового раствора.
Механическое разрушение горных пород
Сегодня поговорим об ударном разрушении горной породы. Данный способ не сильно распространен при строительстве скважин на нефть и газ, но тем не менее требует внимания специалистов, которые хотят разбираться в разрушении горных пород.
Ударный способ разрушения горной породы основан на динамическом воздействии ударных нагрузок на породу. При этом энергия удара преобразуется в энергию деформаций, вызывая образование трещин, их распространение и скалывание материала. Этот принцип реализуется в таких технологиях, как ударное, ударно-вращательное и виброударное бурение, где ударный породоразрушающий инструмент внедряется в породу и разрушает ее структуру. О каждом из этих способов мы поговорим отдельно.
При ударном бурении порода разрушается под действием ударов буровыми клиновыми наконечниками, называемыми долотами.
Ударное бурение, в свою очередь, разделяется на штанговое и канатное. В первом случае буровые наконечники опускаются в скважину и приводятся в действие металлическими стержнями – штангами, во втором случае – канатом.
По факту при штанговом бурении можно передавать ударный импульс на долото к горной породе через колонну штанг с поверхности. То есть источник ударной нагрузки может располагаться по месту нахождения буровой установки.
При канатном ударном бурении, учитывая повышенную гибкость каната, ставка делается на принцип «наматывание каната с последующим резким разматыванием» и ударным воздействием на забой. Другими словами, ударный импульс зависит от веса наконечника (долота), высота подъема его над забоем и сил сопротивления разматыванию каната в момент движения к забою. В данном случае ударный импульс напрямую зависит от развитой скорости снарядом благодаря силам гравитации Земли.
Ударное бурение на штангах может производиться с промывкой забоя скважины или без промывки. Разрушение породы при ударном бурении осуществляется по всей площади поперечного сечения скважины, то есть сплошным забоем (при таком способе бурение с отбором керна не практикуется).
Механическое разрушение горных пород
Ударно-вращательное и вращательно-ударное бурение
Ударно-вращательное и вращательно-ударное бурение скважин – достаточно распространенная технология для сооружения геологоразведочных скважин. Для бурения глубоких скважин на нефть и газ эта технология применяется не часто. При бурении на нефть и газ ее основная область применения верхние интервалы, сложенные достаточно твердыми горными породами. Обычно этот метод совмещают с очисткой забоя от разрушенной породы методом продувки, поэтому его закономерно применять в зонах трещиноватых пород, для которых характерны высокоинтенсивные поглощения.
Технологический процесс заключается в разрушении породы постоянно вращающимся буровым инструментом, по которому наносятся удары. Удар обычно наносится пневмоударником, находящимся на забое, а вращение осуществляется с поверхности. Концептуально ударно-вращательное и вращательно-ударное бурение отличаются соотношением ударных и вращательных испульсов. То есть, при ударно-вращательном – основной способ воздействия – это нанесение ударов с периодическим поворотом (проворотом) инструмента. А при вращательно-ударном – это постоянное вращение инструмента с периодическим нанесением ударов. Таким образом, в зависимости от геологических особенностей участка измельчение грунта может происходить преимущественно или под воздействием удара, или под действием крутящего момента. Следовательно, выбор подтипа определяется геологическими особенностями – для более твердых и крепких пород логичнее использовать ударно-вращательный способ, а для пластичных и упруго-пластичных пород – вращательно-ударный способ.
Особенностью этих методов является то, что вращение и удары выполняют независимые механизмы – вращатель и пневмоударник (гидроударник). Сжатый воздух (или гидросмесь в виде пены) подается к ударнику через колонну буровых/бурильных труб. Эффективному дроблению породы помогает крутящий момент, который прикладывается к инструменту мощным вращателем (ротором), расположенным на поверхности. Хотя вполне может использоваться компоновка двух забойных механизмов – например, гидроударник и забойный двигатель вращательного типа. В принципе, не исключены варианты, при котором ударный и вращательный механизм могут располагаться в одном корпусе. Также для бурения мелких скважин возможно использование ударного и вращательного приводов, расположенных на поверхности, передающих динамическое воздействие на коронку через колонну жестких труб.
При бурении скважин таким способом может использовать пневмоударник, обеспечивающий 1000-2000 ударов в минуту или гидроударник, характеризующийся еще большей производительностью. Они могут давать до 3500 ударов в минуту.
Главным рабочим инструментом в рассматриваемой технологии бурения скважин является буровая коронка. Инструмент должен эффективно передавать комплексную нагрузку. На основе многочисленных исследований было выявлено, что для каждого типа разрушаемой породы необходимо свое сочетание сил динамического и статического характера. Исходя из этого, в зависимости от условий бурения и подбираются лезвия рабочего инструмента. Если они будут подобраны неправильно, то инструмент быстро износится.
|
