RU2528316C1 - Method of borehole drilling - Google Patents

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: method is intended for borehole drilling with downhole percussive machines in the mode of rotary-percussion or percussion-rotary drilling. The method of borehole drilling comprises drilling tool rotation with frequency ω, the transfer from the drilling tool to the bottom of the hole of axial force and eccentric shock pulses generated by the downhole percussive machine with the frequency Δ. The eccentric shock pulses from the drilling tool are transferred evenly around the perimeter of the bottom of the drilled hole provided that Δ/ω≥2, where Δ is the frequency of strikes of the downhole machine and ω is the speed of rotation of the drilling tool.

EFFECT: increase in drilling efficiency by increasing the speed of drilling and reduction of the wellbore deviation.

2 dwg

Description

Способ бурения скважин относится к горному делу и предназначен для бурения скважин забойными машинами ударного действия в режиме вращательно-ударного или ударно-вращательного бурения.The method of drilling wells relates to mining and is intended for drilling wells by impact hammers in rotary-shock or rotary-shock drilling.

Известен способ бурения скважин, включающий вращение бурового инструмента, передачу на торец бурового инструмента осевой нагрузки и центральных (с совпадением центров сечения ударника и бурового инструмента) ударных импульсов забойной машиной ударного действия (Нескоромных В.В. Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ: учебное пособие - Иркутск: изд-во ИрГТУ, 2008 г., стр.245-250).A known method of drilling wells, including the rotation of the drilling tool, the transmission of the axial load to the end face of the drilling tool and central (with the coincidence of the centers of the cross section of the hammer and the drilling tool) shock pulses by the impact hammer (Neskoromnykh V.V. Rock destruction during exploration: training manual - Irkutsk: Publishing House of ISTU, 2008, pp. 245-250).

Недостатком аналога является низкая эффективность бурения скважин вследствие повышенных затрат мощности на интенсификацию разрушения горной породы и затрат на работы, связанные с устранением естественного искривления скважины при бурении.The disadvantage of the analogue is the low efficiency of well drilling due to increased power costs for the intensification of rock destruction and the cost of work associated with the elimination of natural curvature of the well during drilling.

За прототип принят способ бурения скважин, реализуемый при работе устройства для направленного бурения (Патент РФ №2039185. Устройство для направленного бурения ударно-вращательным способом. Опубл. в БИ №19, 09.07.95 г., авторы: Федоров В.В., Липин Л.Л., Нескоромных В.В., Костин Ю.С.). При реализации данного способа обеспечивается вращение бурового инструмента и его нагружение осевым усилием, а также внецентренными ударными импульсами, т.е удары наносятся но верхнему торцу инструмента (наковальне) с не совпадением центра ударника с геометрическим центром верхнего торца инструмента, а с некоторым эксцентриситетом.The prototype adopted a method of drilling wells, implemented when the device for directional drilling (RF Patent No. 2039185. Device for directional drilling by shock-rotational method. Published in BI No. 19, 07/09/95, authors: Fedorov V.V., Lipin L.L., Neskoromnykh V.V., Kostin Yu.S.). When implementing this method, rotation of the drilling tool and its loading by axial force, as well as by eccentric shock pulses are provided, i.e., the blows are applied to the upper end of the tool (anvil) with the center of the hammer not coincident with the geometric center of the upper end of the tool, but with some eccentricity.

При этом, согласно описанию к патенту №2039185, внецентренные ударные импульсы по вращающемуся буровому инструменту наносятся самоориентирующимся ударником забойной машины таким образом, что к забою скважины ударные импульсы передаются строго в одной заданной плоскости, что обеспечивает интенсивное искривление скважины в заданном направлении. Таким образом, способ бурения, реализуемый устройством согласно патента №2039185, обеспечивает преднамеренное искривление скважины и не может применяться в качестве способа бурения скважин, искривление которых не планируется.Moreover, according to the description of patent No. 2039185, eccentric shock pulses along a rotating drilling tool are applied by a self-orientating hammer of the bottomhole machine in such a way that shock pulses are transmitted to the bottom of the well strictly in one given plane, which ensures intense bending of the well in a given direction. Thus, the drilling method implemented by the device according to patent No. 2039185 provides for deliberate curvature of the well and cannot be used as a method of drilling wells, the curvature of which is not planned.

Недостатком прототипа является низкая эффективность вследствие искривления скважины при бурении.The disadvantage of the prototype is low efficiency due to curvature of the well during drilling.

Целью изобретения является повышение эффективности бурения скважин в режиме ударно-вращательного и вращательно-ударного бурения за счет повышения скорости бурения и снижения искривления скважин.The aim of the invention is to increase the efficiency of well drilling in the shock-rotational and rotational-shock drilling mode by increasing the drilling speed and reducing the curvature of the wells.

Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что при реализации способа бурения, когда наряду с вращением бурового инструмента и созданием осевого усилия на инструмент, внецентренные ударные импульсы передаются буровому инструменту в процессе его вращения равномерно по периметру забоя скважины. Т.е. удары наносятся по верхнему торцу инструмента в одной плоскости, но при вращении колонны и инструмента передаются на забой скважины равномерно по периметру забоя. При этом для исключения искривления скважины внецентренные удары по забою должны наноситься равномерно по периметру, что может быть обеспечено только в том случае, если соотношение частоты ударов по забою Δ и частоты вращения инструмента ω будет равно или более 2. Только при соотношении Δ/ω≥2 могут быть нанесены диаметрально противоположные внецентренные удары, компенсирующие перекос забоя.The technical result of the claimed invention is achieved by the fact that when implementing the drilling method, when along with the rotation of the drilling tool and the creation of an axial force on the tool, eccentric shock pulses are transmitted to the drilling tool during its rotation evenly around the perimeter of the borehole bottom. Those. impacts are applied to the upper end of the tool in the same plane, but when the column and tool rotate, they are transferred to the bottom of the well evenly along the perimeter of the bottom. Moreover, to exclude the bending of the well, eccentric impacts on the face should be applied evenly around the perimeter, which can be achieved only if the ratio of the frequency of impacts on the face Δ and tool rotation frequency ω is equal to or more than 2. Only with the ratio Δ / ω≥ 2 diametrically opposed eccentric shocks can be applied to compensate for the skew of the face.

Например, если инструмент имеет частоту вращения ω=300 оборотов в минуту, а частота нанесения ударных импульсов Δ=1500 ударов в минуту, то на забой будет передано равномерно 5 ударных импульса через 72 градуса (весь периметр занимает 360 градусов центрального угла) периметра забоя скважины. Если частоту вращения инструмента ω увеличить до 750, то соотношение Δ/ω≥2 и между ударами будет 180°, т.е. внецентренные удары будут выполнены за один оборот вращения в диаметрально противоположных точках забоя скважины. При такой равномерной по периметру схеме нанесения ударов обеспечивается рост объема разрушения горной породы, но перекоса забоя скважины не наблюдается. В результате повышение объема разрушенной породы приводит к повышению скорости бурения скважины, а внецентренные удары, наносимые равномерно по периметру забоя скважины не только не создают условий для преднамеренного искривления скважины, но и обеспечивают существенное снижение возможного естественного искривления ствола скважины, буримого, например, в анизотропных горных породах.For example, if the tool has a rotation frequency of ω = 300 revolutions per minute, and the frequency of application of shock pulses is Δ = 1500 beats per minute, then 5 shock pulses will be transmitted evenly to the face after 72 degrees (the entire perimeter occupies 360 degrees of the central angle) of the perimeter of the bottom hole . If the frequency of rotation of the tool ω is increased to 750, then the ratio Δ / ω≥2 and between strokes will be 180 °, i.e. eccentric impacts will be performed in one revolution rotation at diametrically opposite points of the bottom hole. With such a uniform perimeter strike pattern, an increase in the volume of rock destruction is ensured, but there is no skewness in the bottom of the well. As a result, an increase in the volume of destroyed rock leads to an increase in the speed of well drilling, and eccentric impacts applied uniformly along the perimeter of the well bottom not only do not create conditions for deliberate curvature of the well, but also provide a significant reduction in the possible natural curvature of the well bore, which is drilled, for example, in anisotropic rocks.

Отличием предлагаемого изобретения от прототипа является то, что внецентренные ударные импульсы от бурового инструмента передаются равномерно по периметру забоя буримой скважины, а соотношение Δ/ω обеспечивается равным или более 2, что доказывает соответствие заявляемого технического решения критерию «новизна».The difference between the proposed invention and the prototype is that eccentric shock pulses from the drilling tool are transmitted uniformly along the perimeter of the bottom of the borehole, and the ratio Δ / ω is equal to or more than 2, which proves the conformity of the claimed technical solution to the criterion of "novelty".

При внецентренном ударе обеспечивается повышение глубины лунок разрушения на забое скважины со стороны точки приложения удара, смещенной от геометрического центра торца инструмента. При этом форма лунок разрушения также меняется, вместо округлых в плане лунок разрушения, они становятся овальными. Различная глубина лунок разрушения приводит к некоторому мгновенному перекосу забоя скважины, но поскольку внецентренные ударные импульсы наносятся равномерно по периметру забоя, какого-либо результирующего перекоса забоя скважины не наблюдается, а искривление ствола скважины отсутствует. Более того, внецентренное приложение ударных импульсов исключает фиксированный перекос бурового инструмента на забое, что исключает и искривление ствола скважины в направлении перекоса бурового инструмента.With an eccentric impact, an increase in the depth of the fracture wells at the bottom of the well is provided from the side of the impact application point, offset from the geometric center of the tool face. In this case, the shape of the holes of destruction also changes, instead of rounded in terms of holes of destruction, they become oval. Different depths of the fracture holes lead to some instantaneous skew of the bottom of the well, but since eccentric shock pulses are applied uniformly along the perimeter of the bottom, no resulting skew of the bottom of the well is observed, and there is no curvature of the wellbore. Moreover, the eccentric application of shock pulses eliminates a fixed skew of the drilling tool at the bottom, which eliminates the bending of the wellbore in the direction of skew of the drilling tool.

Данное обстоятельство связано со следующим. При нанесении внецентренного удара буровой инструмент внедряется в породу с некоторым перекосом. При этом резцы со стороны приложения внецентренного удара внедряются в породу на большую глубину, а на диаметрально противоположной стороне торца - на меньшую глубину. В результате неравномерного внедрения резцов центр мгновенного вращения бурового инструмента смещается из геометрического центра бурового инструмента в направлении приложения внецентренного удара, что исключает ориентированное вращение перекошенного бурового инструмента и устраняет мгновенное искривление ствола скважины. Таким образом, при каждом внецентренном ударе реализуется более значительный объем разрушения горной породы на забое и исключается ориентированное вращение перекошенного бурового инструмента, вызывающего искривление скважины. Очевидно, что эффективность реализации способа внецентренным равномерным нанесением ударов по периметру забоя буримой скважины будет возрастать по мере повышения числа внецентренных ударов за период одного оборота инструмента на забое, т.е. при Δ/ω≥2.This circumstance is associated with the following. When an eccentric strike is applied, the drilling tool is introduced into the rock with some bias. In this case, the cutters from the side of the application of an eccentric impact are introduced into the rock to a greater depth, and on the diametrically opposite side of the end face to a shallower depth. As a result of the uneven introduction of the cutters, the center of instant rotation of the drilling tool is shifted from the geometric center of the drilling tool in the direction of application of an eccentric impact, which eliminates the oriented rotation of the skewed drilling tool and eliminates instant curvature of the wellbore. Thus, with each eccentric shock, a more significant amount of rock destruction at the bottom is realized and the oriented rotation of the warped drilling tool, which causes the bore of the well, is excluded. It is obvious that the effectiveness of the method implementation by eccentric uniform striking along the perimeter of the face of the borehole will increase as the number of eccentric shocks increases during the period of one revolution of the tool at the bottom, i.e. at Δ / ω≥2.

Сопоставительный анализ показывает, что из уровня техники не следует очевидность заявляемого технического решения, что доказывает соответствие заявляемого способа бурения критерию «изобретательский уровень».A comparative analysis shows that the obviousness of the claimed technical solution does not follow from the prior art, which proves the compliance of the proposed drilling method with the criterion of "inventive step".

Сущность предлагаемого способа бурения поясняется графически.The essence of the proposed method of drilling is illustrated graphically.

На фиг.1 показан вариант бурения забойной машиной с реализацией центральных ударов со стороны ударника по инструменту и схема забоя скважины при реализации центрального удара.Figure 1 shows a variant of downhole drilling with the implementation of central impacts from the percussion side of the tool and the bottom hole diagram for the implementation of a central impact.

На фиг.2 показан вариант способа бурения с приложением внецентренных ударов со стороны ударника по инструменту, схема забоя скважины при реализации внецентренного удара по забою.Figure 2 shows a variant of the method of drilling with the application of eccentric impacts from the side of the hammer on the tool, the bottom hole diagram when implementing an eccentric impact on the bottom.

Заявляемый способ бурения реализуется следующим образом.The inventive method of drilling is implemented as follows.

Бурение с применением забойной машины ударного действия осуществляется под действием передаваемого на буровой инструмент осевого усилия и крутящего момента для вращения бурового снаряда, а также за счет энергии ударного импульса. При нейтральном приложении удара (фиг.1) ударник 1 забойной машины наносит центральный удар (эксцентриситет между ударником 1 и породоразрушающим инструментом 2 равен нулю) по верхнему торцу инструмента 2. В результате центрального удара породоразрушающие элементы 3 внедряются в породу на равную глубину, осуществляя углубку и формируя забой скважины. В случае реализации способа бурения с приложением центрального удара для увеличения скорости углубки скважины следует увеличить энергию ударного импульса, что достигается, например, за счет повышения давления циркулирующего через ударную машину очистного агента - воздуха (бурение пневмоударником) или воды (бурение гидроударником), что обеспечит рост скорости перемещения ударника 1 и в результате повысит энергию удара. В результате повышения давления очистного агента в системе «скважина-забойная машина ударного действия» рост скорости бурения будет сопровождаться ростом затрат мощности на бурение скважины, что не является эффективным, т.к. это потребует дополнительных затрат средств на бурение.Drilling using a downhole impact machine is carried out under the influence of axial force and torque transmitted to the drilling tool to rotate the drill, as well as due to the energy of the shock pulse. With the neutral application of the impact (Fig. 1), the hammer 1 of the downhole machine strikes a central blow (the eccentricity between the hammer 1 and the rock cutting tool 2 is zero) at the upper end of the tool 2. As a result of the central blow, the rock cutting elements 3 are introduced into the rock to an equal depth, making a deep and forming the bottom hole. In the case of the implementation of the drilling method with the application of a central impact, in order to increase the speed of the well’s hole, the energy of the shock pulse should be increased, which is achieved, for example, by increasing the pressure of the cleaning agent circulating through the shock machine — air (hammer drilling) or water (hammer drilling), which will provide the increase in the speed of movement of the striker 1 and as a result will increase the energy of the impact. As a result of the increase in pressure of the treatment agent in the "well-bottomhole impact machine" system, an increase in the drilling speed will be accompanied by an increase in the cost of power for drilling the well, which is not effective, because this will require additional drilling costs.

В случае бурения слоистых, сланцеватых и других горных пород, характеризующихся анизотропией прочностных свойств, при бурении будет происходить искривление скважины. Механизм искривления скважины определяется тем, что вследствие действия осевого усилия на инструмент и отклоняющих сил происходит фиксированный перекос бурового инструмента и формируется искривленный ствол скважины в направлении перекоса инструмента. При этом, в случае реализации центрального удара, буровой инструмент вращается вокруг геометрического центра (точка О на фиг.1 - вид со стороны забоя), осуществляя интенсивный набор кривизны в направлении перекоса инструмента.In the case of drilling of layered, shale, and other rocks characterized by anisotropy of strength properties, well curvature will occur during drilling. The bending mechanism of the well is determined by the fact that due to the action of the axial force on the tool and the deflecting forces, a fixed skew of the drilling tool occurs and a curved borehole is formed in the skew direction of the tool. In this case, in the case of the implementation of a central impact, the drilling tool rotates around the geometric center (point O in figure 1 is a view from the bottom), performing an intensive set of curvature in the direction of the tool skew.

При реализации заявленного способа бурения удары ударником 1 по верхнему торцу инструмента 2 наносятся с некоторым эксцентриситетом (фиг.2). В результате внецентренного удара породоразрушающие элементы 3 (фиг.2) внедряются в забой на различную глубину, формируя одномоментно забой с некоторым углом наклона. Поскольку внецентренные удары по забою наносятся равномерно по периметру забоя скважины, а согласно изобретения соотношение частоты ударов Δ по забою к частоте вращения бурового инструмента не может быть менее чем 2, то одномоментный угол устраняется при каждом последующем внецентренном ударе породоразрушающих элементов 3 о забой и скважина углубляется без отклонения от заданного направления. Внецентренные ударные импульсы обеспечивают некоторый рост объема разрушения горной породы и повышение производительности бурения без повышения энергии удара, т.е. без дополнительных затрат мощности на бурение. В то же время внецентренное приложение ударов по забою скважины, вследствие неравномерного заглубления породоразрушающих элементов 3 в породу, вызывает смещение мгновенного центра вращения породоразрушающего инструмента 2 из геометрического центра в сторону вновь образованного центра тяжести (фиг.2 - вид со стороны забоя), что исключает ориентированный заданный отклоняющими силами перекос инструмента и возможное искривление ствола скважины.When implementing the inventive method of drilling, hammer strikes 1 on the upper end of the tool 2 are applied with some eccentricity (figure 2). As a result of an eccentric impact, rock-cutting elements 3 (FIG. 2) are introduced into the face at various depths, forming at the same time the face with a certain angle of inclination. Since eccentric downhole impacts are applied uniformly along the perimeter of the well bottom, and according to the invention, the ratio of the strike frequency Δ in the face to the rotational speed of the drilling tool cannot be less than 2, then the instantaneous angle is eliminated with each subsequent eccentric impact of rock cutting elements 3 about the bottom and the well deepens without deviation from the given direction. Eccentric shock pulses provide a certain increase in the volume of rock destruction and increase drilling productivity without increasing impact energy, i.e. without additional cost of drilling power. At the same time, the eccentric application of impacts to the bottom of the well, due to the uneven penetration of the rock cutting elements 3 into the rock, causes the instantaneous center of rotation of the rock cutting tool 2 to shift from the geometric center to the side of the newly formed center of gravity (figure 2 is a view from the bottom) oriented misalignment of the tool and possible curvature of the wellbore.

Таким образом, реализованный в промышленности способ бурения скважин позволяет повысить эффективность бурения за счет повышения скорости бурения и снижения искривления скважин.Thus, a well-drilling method implemented in industry can improve drilling efficiency by increasing the drilling speed and reducing the curvature of wells.

Claims (1)

Способ бурения скважин, включающий вращение бурового инструмента с частотой ω, передачу от бурового инструмента на забой скважины осевого усилия и внецентренных ударных импульсов, генерируемых забойной машиной ударного действия с частотой Δ, отличающийся тем, что внецентренные ударные импульсы от бурового инструмента передают равномерно по периметру забоя буримой скважины при условии Δ/ω≥2,
где Δ - частота ударов забойной машины;
ω - частота вращения бурового инструмента. A method of drilling wells, including the rotation of the drilling tool with a frequency ω, the transmission of axial forces and eccentric shock pulses generated by the downhole impact machine with a frequency Δ from the drilling tool to the bottom of the well, characterized in that the eccentric shock pulses from the drilling tool are transmitted uniformly around the face drill hole provided Δ / ω≥2,
where Δ is the impact frequency of the face;
ω is the rotational speed of the drilling tool.

Images