Перспективные направления в развитии способов бурения в мировой практике

В отечественной и зарубежной практике ведутся научно-исследо­вательские и опытно-конструкторские работы в области создания новых методов бурения, технологий, техники.

К ним относятся углубление в горных породах с использованием взрывов, разрушение пород при помощи ультразвука, эрозионное, с помо­щью лазера, вибрации и др. Анализ различных методов свидетельствует о необходимости увеличения подводимой к забою мощности.

Некоторые из названных методов получили развитие и используются, хотя и в незначительном объеме, зачастую на стадии эксперимента.

Гидромеханический метод разрушения горных пород при углублении скважин все чаще используется в экспериментальных и полевых условиях. С.С. Шавловским проведена классификация водяных струй, которые могут применяться при бурении скважин. Основа классификации — развиваемое давление, рабочая длина струй и степень их воздействия на породы раз­личного состава, сцементированности и прочности в зависимости от диа­метра насадки, начального давления струи и расхода воды. Применение водяных струй позволяет в сравнении с механическими способами повы­сить технико-экономические показатели.

На VII Международном симпозиуме (Канада, 1984) были представлены результаты работ по использованию водяных струй в бурении. Его воз­можности связываются с непрерывной, пульсирующей или прерывистой подачей флюида, наличием или отсутствием абразивного материала и тех­нико-технологическими особенностями способа.

Эрозионное бурение обеспечивает скорости углубления в 4 — 20 раз больше, чем при роторном бурении (в аналогичных условиях). Сущность его состоит в том, что к долоту специальной конструкции вместе с буро­вым раствором подается абразивный материал — стальная дробь. Размер гранул 0,42 — 0,48 мм, концентрация в растворе — 6 %. Через насадки доло­та с большой скоростью на забой подается этот раствор с дробью, и забой разрушается. В бурильной колонне последовательно устанавливают два фильтра, предназначенные для отсева и удержания частиц, размер которых не позволяет им пройти через насадки долота.

Один фильтр — над долотом, второй — под ведущей трубой, где мож­но осуществлять очистку. Химическая обработка бурового раствора с дро­бью сложнее, чем обработка обычного раствора, особенно при повышен­ных температурах, так как необходимо удерживать дробь в растворе во взвешенном состоянии и затем генерировать этот абразивный материал.

После предварительной очистки бурового раствора от газа и шлама при помощи гидроциклонов дробь отбирают и сохраняют в смоченном со­стоянии. Раствор пропускают через гидроциклоны тонкой очистки и дега­затор и восстанавливают его утраченные показатели химической обработ­кой. Затем часть бурового раствора смешивают с дробью и подают в сква­жину, на пути смешивая с обычным буровым раствором (в расчетном со­отношении).

Лазеры в бурении. Лазеры — квантовые генераторы оптического диа­пазона — одно из замечательных достижений науки и техники. Они нашли широкое применение во многих областях науки и техники. По зарубежным данным в настоящее время возможна организация производства газовых лазеров непрерывного действия с выходной мощностью 100 кВт и выше. КПД газовых лазеров может достигать 20 — 60 %. Большая мощность лазе­ров при условии получения чрезвычайно высоких плотностей излучения достаточна для расплавления и испарения любых материалов, в том числе горных пород, которые при этом также растрескиваются, шелушатся.

Экспериментально установлена минимальная плотность мощности ла­зерного излучения, достаточного для разрушения пород плавлением: для песчаников, алевролитов и глин она составляет примерно 1,2—1,5 кВт/см². Плотность мощности эффективного разрушения нефтенасыщенных горных пород из-за термических процессов горения нефти, особенно при поддуве в зону разрушения воздуха или кислорода, ниже и составляет 0,7 — 0,9 кВт/см².

Подсчитано, что для скважины глубиной 2000 м и диаметром 20 см нужно затратить около 30 млн. кВт энергии лазерного излучения. Проводка скважин такой глубины пока не конкурентоспособна в сравнении с тради­ционными механическими методами бурения. Однако имеются теоретиче­ские предпосылки повышения КПД лазеров; при КПД, равном 60 % энерге­тические и стоимостные затраты существенно снизятся и конкурентоспо­собность этого метода повысится. При использовании лазера в случае бурения скважин глубиной 100 — 200 м стоимость работ относительно неве­лика. Но во всех случаях при лазерном бурении форму сечения можно за­

программировать, а стенка скважины будет формироваться из расплава горной породы и будет представлять собой стеклообразную массу, позво­ляющую повысить коэффициент вытеснения бурового раствора цемент­ным. В некоторых случаях можно, очевидно, обойтись без крепления скважин.

Зарубежные фирмы предлагают несколько конструкций лазеробуров. Основу их составляет мощный лазер, размещенный в герметичном корпу­се, способном выдержать высокое давление. (Температуроустойчивость по­ка не изучалась.) По этим конструкциям излучение лазера передается на забой через светопроводящее волокно. По мере разрушения (плавления) горной породы лазеробур подается вниз; он может быть снабжен установ­ленным в корпусе вибратором. При вдавливании снаряда в расплав породы стенки скважины могут уплотняться.

В Японии начат выпуск углекислотных газовых лазеров, которые при использовании в бурении существенно (до 10 раз) повысят скорость про­ходки.

Сечение скважины при формировании ствола этим методом может иметь произвольную форму. Компьютер по разработанной программе дис­танционно задает режим сканирования лазерного луча, что позволяет за­программировать размер и форму ствола скважины.

Проведение лазеротермических работ возможно в дальнейшем в пер­форационных работах. Лазерная перфорация обеспечит управляемость процесса разрушения обсадной колонны, цементного камня и породы и может обеспечить проникновение каналов на значительную глубину, что, безусловно, повысит степень совершенства вскрытия пласта. Однако оплавление пород, целесообразное при углублении скважины, здесь непри­емлемо, что должно быть учтено при использовании этого метода в даль­нейшем.

В отечественных работах есть предложения о создании лазероплаз-менных установок для термического бурения скважин. Однако транспор­тировка плазмы к забою скважины пока затруднена. В настоящее время проводятся исследования по возможности разработки световодов («свето-водных труб»).

Одним из наиболее интересных методов воздействия на горные поро­ды, обладающим критерием универсальности, является метод их плавления при помощи непосредственного контакта с тугоплавким наконечником — пенетратором. Значительные успехи в создании термопрочных материалов позволили перенести вопрос о плавлении горных пород в область реально­го проектирования. Уже при температурах порядка 1200—1300 °С метод плавления работоспособен в рыхлых грунтах, песках и песчаниках, базаль­тах и других породах кристаллического фундамента. В породах осадочного комплекса проходка глинистых и карбонатных пород требует, по-видимому, более высокой температуры.

Метод бурения плавлением позволяет получить на стенках скважины достаточно толстую ситалловую корку с гладкими внутренними стенками. Метод имеет высокий коэффициент ввода энергии в породу — до 80 — 90 %. При этом может быть, хотя бы принципиально, решена проблема удаления расплава с забоя. Выходя по выводящим каналам или просто обтекая глад­кий пенетратор, расплав, застывая, образует шлам, размерами и формой которого можно управлять. Шлам выносится жидкостью, циркулирующей выше бурового снаряда и охлаждающей его верхнюю часть.