Концепция снаряда для бурения скважин большого диаметра

Рассмотрена технология бурения скважин большого диаметра двойного назначения для выполнения спасательных, строительных работ, вентиляционных и технологических скважин. Предложены комбинированные способы очистки забоя с разрушением керна, представляющие собой одновременное использование сжатого воздуха и промывочной жидкости. Турбулентный процесс в забое, образованный сжатым воздухом и промывочной жидкостью, способствует интенсивной очистке забоя и повышению скорости проходки. Разработана геометрия бурения скважин большого диаметра с направляющей скважиной меньшего диаметра и по сплошному забою. Представлено решение по зачистке стенок скважины большого диаметра. Технология последовательного разбуривания скважин имеет важное преимущество, заключающееся в том, что все работы по бурению скважин большого диаметра можно выполнить одним станком среднего класса. При условии полной унификации узлов, инструментов и сопряжений можно значительно снизить стоимость буровых снарядов, что в свою очередь приведет к снижению затрат на буровые работы. Колонковое бурение скважины большого диаметра связано с трудностями извлечения тяжелого керна, разрушение которого на крупные фракции может привести к необходимости повторного разбуривания. Обустройство скважины большого диаметра для спасения людей является отдельной задачей, решаемой параллельно с ведением буровых работ. Предложен новый инструмент-индентор с твердосплавной вставкой со специальной геометрией.

Пелипенко Н. А., Игнатенко И. М., Процук И. С., Бакланов Р. Р. Концепция снаряда для бурения скважин большого диаметра // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2021. – № 4. – С. 16–32. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_4_0_16.

Пелипенко Николай Андреевич¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: pelipenkona@mail.ru,
Игнатенко Игнат Михайлович¹ — канд. техн. наук, директор Института Наук о Земле, e-mail: ignatenko_i@bsu.edu.ru,
Процук Иван Сергеевич¹ — ведущий специалист, ООО «ИГИИС», e-mail: geolog_ivan@mail.ru,
Бакланов Руслан Романович¹ — аспирант, e-mail: baklanovrr@mail.ru,
¹ Белгородский государственный национальный исследовательский университет.

Пелипенко Н. А., e-mail: pelipenkona@mail.ru.

1. Пелипенко Н. А., Процук И. С., Добрынин В. Е., Греховодов И. И. К вопросу о физике бурения скальных пород // Вестник ассоциации буровых подрядчиков. — 2016. — № 3. — С. 14—18.

2. Пелипенко Н. А., Процук И. С., Бакланов Р. Р. Статистическое исследование показателей буримости горных пород при строительстве МГ «Сила Сибири» // Вестник ассоциации буровых подрядчиков. — 2018. — № 2. — С. 44–48.

3. Yilmaz N. G., Yurdakul M., Goktan R. M. Prediction of radial bit cutting force in highstrength rocks using multiple linear regression analysis // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2007. Vol. 44. No 6. P. 962—970.

4. Murakami Yukitaka. Metal fatigue: effects of small defects and nonmetallic inclusions. Elsevier, 2002, P 390.

5. Dewangan S., Chattopadhyaya S., Hloch S. Wear assessment of conical pick used in coal cutting operation // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2015. Vol. 48. No 5. Pp. 2129—2139.

6. Bilgin N., Copur H., Balci C. Effect of replacing disc cutters with chisel tools on performance of a TBM in difficult ground conditions // Tunnelling and Underground Space Technology. 2012. Vol. 27. No 1. Pp. 41—51.

7. Bao R. H. Estimating the peak indentation force of the edge chipping of rocks using single point-attack pick // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2011. Vol. 44. No 3. Pp. 339—347.

8. Evans I. A theory of the cutting force for point-attack picks // Geotechnical and Geological Engineering. 1984. Vol. 2. No 1. Pp. 63—71.

9. Goktan N. A semi-empirical approach to cutting force prediction for point-attach picks // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2005. Vol. 105. No 4. Pp. 257—263.

10. Liu S. Experimental research on wear of conical pick interacting with coal-rock // Engineering Failure Analysis. 2017. Vol. 74. Pp. 172—187.

11. Akcin N. A., Su O. Numerical simulation of rock cutting using the discrete element method // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2011. Vol. 48. No 3. Pp. 434—442.

12. Dewangan S., Chattopadhyaya S., Hloch S. Investigation into coal fragmentation analysis by using conical pick // Procedia Materials Science. 2014. Vol. 5. Pp. 2411—2417.

13. Rojek J., Oñate E., Labra C., Kargl H. Discrete element modelling of rock cutting / Particle-Based Methods. 2011. Pp. 247—267. DOI: 10.1007/978-94-007-0735-1_10.

14. van Wyk G., Els D., Akdogan G., Bradshaw S., Sacks N. Discrete element simulation of tribological interactions in rock cutting // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2014. Vol. 65. Pp. 8—19.

15. Zhang H., Wang M. L., Han Q. K., Sun W. Dynamic behaviors of the cutterhead driving system in tunneling boring machine with impact // Journal of Mechanical Engineering Science. 2016. Vol. 230. Pp. 2427–2437.

16. Liu Y., Zhang G.C. Numerical simulation of large-diameter annular pressure loss in riser segment of deep-water drilling // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 868. Pp. 510—516.

17. D’Ambrosio P., Hart S., Prochaska E., Bouska R., Tinsley D. Cost-effective ultralarge-diameter polycrystalline-diamond-compact-bit drilling in deepwater gulf of Mexico // SPE Drilling & Completion. 2014. Vol. 29. No 01. Pp. 47–63.

18. Aburto M. Drilling optimization for salt caprock in deepwater gulf of Mexico // Paper prepared for the Drilling & Completing Trouble Zones (DCTZ) Forum. 2011.

19. Barton S., Weeden R., Mensa-Wilmot G. Solving the salt challenge: unique drill bit philosophy delivers breakthrough performance in the gulf of Mexico // Paper OTC-20425 presented at the Offshore Technology Conference. 2010. DOI: 10.4043/20425-MS.

20. Chamat E., Israel R. Efficient and reliable vertical drilling of top holes with RSS in deepwater GOM // Paper SPE 151395 presented at the IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition. 2012. DOI: 10.2118/151395-MS.

21. Chatar C., D’Ambrosio P., Clyde R. Directional Drilling Challenges for Deep Wells — Modeling Side-Force Limits // Paper AADE 2009NTCE-14-03 presented at the American Association of Drilling Engineers. 2009.

22. Chatar C., Israel R., Cantrell A. Drilling Deep in DeepWater: What It Takes to Drill Past 30,000 ft. Paper SPE 128190 presented at the IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition. 2010. DOI: 10.2118/128190-MS.

23. Dykstra M., Grauwmans R. Business value of stick-slip mitigation: Rejuvenation of soft torque technology. IADC Stick-Slip Mitigation Workshop. 2010.

24. Kull B. J., Duff R., Clarke A. Salt Drilling While Underreaming Behaviors Illuminated by Distributed Downhole Measurements // Paper SPE 124121 presented at the 2009 SPE Annual Technical Conference and Exhibition. 2009. DOI: 10.2118/124121-MS.

25. Kyllingstad A., Nessjoen P. J. Hardware-in-the-loop simulations used as a cost-efficient tool for developing an advanced stick-slip prevention system // Paper SPE 128223 presented at the IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition. 2010. DOI: 10.2118/128223-MS.

26. Kyllingstad A., Nessjoen P. J., D’Ambrosio P. Field experience with an active stick-slip prevention system. Paper SPE 139956 presented at the SPE/IADC Drilling Conference and Exhibition. 2011. DOI: 10.2118/139956-MS.

27. Neuschaefer R., Sirkin G., Tollefsen E. Realizing substantial rig time savings with nextgeneration LWD and directional services // Paper presented at the Global Drilling Conference. 2005.

28. Stroud D., Bird N., Norton P. Roller reamer fulcrum in point-the-bit rotary steerable system reduces stick-slip and backward whirl // Paper SPE 151603 presented at the IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition. 2012. DOI: 10.2118/151603-MS.

29. Teasdale P., Chafai R., Saeed A. BHA modeling coupled with high frequency downhole vibration data provides unique solution to inconsistent drilling performance in south iraq oilfield development // Paper SPE 156445 presented at the IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference and Exhibition. 2012. DOI: 10.2118/156445-MS.

30. Репин А. А., Смоляницкий Б. Н., Алексеев С. Е., Попелюх А. И., Тимонин В. В., Карпов В. Н. Погружные пневмоударники высокого давления для открытых горных работ // ФТПРПИ. — 2014. — № 5. — С. 157—167.

31. Федоров Л. Н., Ермаков С. А. Прочность пластин-резцов из твердых и сверхтвердых материалов в условиях клинового зажима // Горный информационно-аналитический бюллетень — 2018. — № 12. — С. 142—150. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-12-0-142-150.

32. Третьяк А. А. Теоретическое обоснование, разработка конструктивных параметров технологии бурения скважин коронками, армированными алмазно-твердосплавными пластинами: Дис. докт. техн. наук. — Новочеркасск: ЮРГПУ, 2017. — 319 с.

33. Сыкчин М. Е. Создание кольцевого геологоразведочного пневмоударника со встроенным эжекторным устройством Автореф. дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. наук. — Новосибирск, 1993.

34. Липин А. А., Харламов Ю. П., Тимонин В. В. Исследование циркуляционной системы пневмоударника с центральным шламотранспортом // ФТПРПИ. — 2013. — № 2. — С. 91—99.

35. Костылев А. Д., Данилов Б. Б., Смоляницкий Б. Н., Сырямин Ю. Н., Коган Д. И., Савельев В. Н. Новый забойный кольцевой пневмоударник для бурения геологоразведочных сважин // ФТПРПИ. — 1985. — № 2 — С. 53—57.

36. Петреев А. М., Примычкин А. Ю. Влияние типа системы воздухораспределения на энергетические показатели пневмоударного узла кольцнвой ударной машины // ФТПРПИ. — 2015. — № 3 — С. 117—123.

37. Петреев А. М., Воронцов Д. С., Примычкин А. Ю. Кольцевой упругий клапан в пневмоударных машинах // ФТПРПИ. — 2010. — № 4. — С. 56—65.

38. Алексеев С. Е., Тимонин В. В., Кокоулин Д. И., Шахторин И. О. Создание малогабаритного пневмоударника для проходки исследовательских скважин // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. — 2015. — № 2. — С. 187—193.

39. Карпов В. Н., Шахторин И. О. К вопросу исследования причин возникновения дефектов элементов конструкции погружных пневмоударников / Сборник трудов Всероссийской конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых с элементами научной школы «Горняцкая смена-2015» — Новосибирск: изд-во ИГД СО РАН, 2015. — С. 10—15.

40. Матвеев Ю. А., Кардыш Г. В. Патент № 2235848 РФ, МПК 7Е21В 25/00. Снаряд для бурения с транспортированием разрушенной породы обратным потоком очистного агента. Заявитель и патентообладатель ФГУП СКБ «Геотехника». № 2002126537; заявл. 07.10.2002; опубл. 10.09. 2004. Бюл. № 18.

41. Белоусов А. В. Патент № 2090729 РФ, МПК 6 Е 21 В 4/14, Е 21 С 3/24. Погружной пневмоударник. Заявитель и патентообладатель ФГБУН ИГД им. Чинакала СО РАН. № 95100219/03; заявл. 10.01.1995; опубл. 20.09.1997. Бюл. № 26.

42. Green C. J. Патент № GB 0407947 Великобритания, МПК 8Е 21В10/3, Е21В4/14S. Высокоэффективное забойное ударное оборудование. Заявитель и патентообладатель Halco Drilling International Limited. № 59962105; заявл. 05. 04. 2005; опубл. 23. 12 2008. Бюл. № 24.

43. https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Rescate_de_la_mina_San_Jos%C3%A9& oldid=117177947.

44. ГОСТ Р 51639-2000. Коронки для колонкового бурения скважин большого диаметра. — М.: Изд-во стандартов, 2000.