ИЗВЕСТИЯ ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА Т о м 17, в. 1964 К РАСЧЕТУ ПРОСТЫХ Ш А Р Н И Р Н ЫХ О Т К Л О Н И Т Е Л Е Й Б. И. С П И Р И Д О Н О В (П р ед с т а в л ен о научным сем инаром к а ф ед р ы техники р азв ед к и ) В п р а к т и к е н а п р а в л е н н о г о б ур е ни я г е о л о г о р а з в е д о ч н ы х с к в а ж и н п рос ты е ш а р н и р н ы е о тк ло н и т е ли п р и м е н я ю т с я д л я и з м ен е н и я вел ичины зе нит ног о у г л а в а п с и д а л ь н о й плоскости. О т к л о н и т е л и этого тип а я в л я ются од ним и из н а и б о л е е пр остых и н а д е ж н ы х инстру ме нто в, с п о м о щ ь ю ко т ор ы х в о з м о ж н о у п р а в л е н и е и с кр и вл е н и е м с к в а ж и н. П р ос т ой о д и н а р н ы й ш а р н и р н ы й о т к л о н и т е л ь (рис. 1, а) состоит из от б ур оч ног о с н а р я д а 1, о с н а щ е н н о го д р о б о в о й или т в е р д о с п л а в н о й к оро нко й и пр и с о е д и н яе м о го по с ре дст вом ш а р н и р н о г о пе р е х о д н и к а 3 к ко ло нне у т я ж е л е н н ы х б у р и л ь н ы х тр у б 4. П р и т а ко й схеме о т к л о н и тел ь р а б о т а е т на уве ли чен ие зенитн ого угла, т. е. на «в ы п о л а ж и в а н и е» с к в а ж и н ы. Пр и вк лю чен ии в с хе му о т к л о н и т е л я д в у х ш а р н и р н ы х с о е д инений 3 и 5 (рис. 1, 6 ), р а з д е л е н н ы х п р о м е ж у т о ч н ы м звен ом 6, с н а р я д п р и м е н я е т с я д л я у м е н ь ш е н и я зе нитного угл а, т. е. д л я «вы кр у ч и в а н и я». В этом с л у ча е мы имеем де ло с д во й н ы м пр остым ш а р н и р н ы м о т к л о нителем. П р о с т ы е ш а р н и р н ы е о тк ло н и т е ли я в л я ю т с я с а м о о р и е н т и р у ю щ и м и с я о т к л о н и т е л я м и и могут пр и м е н я т ь с я то л ьк о в н а к л о н н ы х с к в а ж и н а х. П р и этом чем б о л ь ш е зенитны й угол с к в а ж и н ы, тем н а д е ж н е е и э ф ф е к тивнее их р а б от а. П о н а з н а ч е н и ю и у с л о в и я м п р и м ен е ни я р а с с м а т р и в а е м ы е о т к л о н и тели могут быть п о д р а з д е л е н ы на д ва типа: 1. П р о с т ы е ш а р н и р н ы е откло ни те ли, п р е д н а з н а ч е н н ы е д л я измен ен ия н а п р а в л е н и я с к в а ж и н ы в процессе ее бурения.. П р о с т ы е ш а р н и р н ы е отк ло н и те ли, ко т о р ые п р и м е н я ю т с я д л я местного и с кр ив л е ни я с к в а ж и н и п р е д п о л а г а ю т л иб о пе рио ди чес кое ис п о л ь зо в а н и е их в процессе н а п р а в л е н н о й п рох од ки с к в а ж и н ы, ли б о о д н о к р а т н о е при м ен ен ие д л я з а р е з к и д о п о л н и т е л ь н о го ств ол а при безкл ин ов о м способе м н о г о за б о й н о г о бурения. П р ин ц ип де йс т ви я прос тых ш а р н и р н ы х о т к ло н и т е ле й первого типа з а к л ю ч а е т с я в с л е д у ю щ е м. Под дей ств ие м г о р и з о н т а л ь н о й с о с т а в л я ю щей соб ственно го веса P r ко л о н н а у т я ж е л е н н ы х б у р и л ь н ы х тр уб и ж е с т ко с в я з а н н о е с ней ш а р н и р н о е со единение р а с п о л а г а ю т с я на л е ж а ч е й стен ке с к в а ж и н ы. Д е й с т в и е осевого ус ил ия P 0 в у с л о в и я х экс це нт ри ч но го р а с п о л о ж е н и я осей с к в а ж и н ы и ш а р н и р а 3 о б у с л о в л и в а е т пе ре кос о т бурочно го с н а р я д а под о п р е д е л е н н ы м уг ло м а и его р а б о т у на «в ы п о л а ж и в а н и е» (рис. 1, а) или на «вы кр у ч и ва н и е» (рис. 1, 6 ). Э ф ф е к т р а боты д о с ти г а е тс я за счет п р е и м у щ е с тв е н н о г о р а з б у р и в а н и я н иж не й части 176
з а б о я при о д и н а р н о м и верхней при дво йн ом ш а р н и р н о м отк лон ит еле. Оч е ви д но, что силы с о п р о т и в л е н и я п ор од ы р а з б у р и в а н и ю, ц е н т р о б е ж н ы е силы, к о л е б а т е л ь н ы е д в и ж е н и я к о л о нн ы б у р и л ь н ы х т р у б и д р у ги е ф а к тор ы с т р е м я т с я изм ен ит ь п о л о ж е н и е ш а р н и р о в и от б уро чн ого с н а р я д а. О д н а к о постоя нно д е й с т в у ю щ а я с и л а P r о б е сп е ч и ва е т в проце ссе п р о ход ки н а и б о л е е ч астое п о л о ж е н и е ш а р н и р а и к о л о н н ы у т я ж е л е н н ы х т р у б у л е ж а ч е й стенки с к в а ж и н ы и, к а к сл ед с тв ие этого, и с к р и в л е н и е с к в а ж и ны в т р е б у е м о м н а п р а в л е н и и. У ш а р н и р н ы х от к л о н и т е л е й этого ти п а от б ур оч ны й с н а р я д им еет д и а м е т р, со от в е т ст ву ю щ ий пр о е к т н о м у д и а м е т р у с к в а ж ин ы. Те ор е ти ч ес ки е ра с че ты пр ос ты х ш а р нирны х от кло не ни й пе рво го типа, п р о в е денные, в частности, те м а т и ч е с к о й п а р тией З а п а д н о - С и б и р с к о г о геоло гич ес ког о у п р а в л е н и я, и це лый р я д п р и м е р о в их пр и м ен е н и я с п о л о ж и т е л ь н ы м и р е з у л ь т а т а м и п о з в о л я ю т счи т а ть этот тип о т к л о ни тел ей э ф ф е к т и в н ы м с ре дс тв ом н а п р а в л е нн ог о бурения. И н т е н си в н о с ть искус с тв енного ис к р и в л е н и я с к в а ж и н при их пр им ен е ни и д ос т и г а е т 3 4 на 10 м. H o в р я д е с л уча ев, ко г д а ге ол оги чес кие ф а к т о р ы и а н и зо т р о п н ы е с во йс тв а г орн ых по ро д не сп ос об с т ву ю т ис к р и в л е н и ю с к в а ж и н ы в тр е б у е м о м н а п р а в л е н и и, п р и менение ш а р н и р н ы х от к л о н и т е л е й м о ж е т не привести к ж е л а е м о м у р е з у л ь т а т у. В это м сл учае, а т а к ж е при о с у щ е с тв лен ии м но го за б о й н о го б ур е н и я без п р и м ен е н и я клинь ев, к ог д а т р е б у е тс я с о з д а н и е местного и н т е р в а л а ре зк ог о и с кр и в л е н и я, п р и м е н я ю т с я про сты е ш а р н и р ные о т к ло ни т е ли вт орого типа. С х е м а их у с тр ой с тв а, к о м п а н о в к а о тд е л ьн ы х ч а стей, не о т л и ч а е т с я от от к л о н и т е л е й п е р вого типа, но прин цип р а б о т ы имее т о т л и ч и т е л ь н ы е черты. а М ест но е ре зк ое ис к р и в л е н и е в ж е л а е мом н а п р а в л е н и и м о ж е т бы ть получено Рис- 1. С х е м ы работы про стых ш арнирны х отклонителей то л ьк о тогда, ко г д а отб ур оч ны й с н а р я д п ер в о г о типа: а одинарно в с к в а ж и н е з а н и м а е т в н а ч а л е за р е зк ;. го, б д в о й н о г о. вполне оп р е д ел е н н о е усто йч иво е п о л о ж е ние, к к о т о р о м у с т р е м и тс я с и сте ма «о т б уро чны й с н а р я д ш а р н и р н о е со единение к ол он н а у т я ж е л е н н ы х б у ри л ь н ы х труб» при ее в р а щ е н и и. У ст ойч ив ым п о л о ж е н и е м о т к л о н и т е л я м о ж е т с чи та тьс я такое, при ко то ром пр ив ед ен ны й центр т я ж е с т и с и с те мы пе ре ме с ти т ся вниз на оп р е д ел е н н о е р а с с т о я н и е h от п е р в о н а ч а л ь ного п о л о ж е н и я. П р и з а д а н н ы х ге ом ет ри че ски х п а р а м е т р а х ш а р н и р н о г о о т к л о н и т е л я в с к в а ж и н е оп р е д ел е н н о го д и а м е т р а м а к с и м а л ь н ы й угол отк ло не ни я, а т а к ж е м а к с и м а л ь н о в о з м о ж н о е п е р е м е щ е н и е h могут быт ь полу чен ы л и ш ь при п о л о ж е н и и на «в ы п о л а ж и в а н и е» или «в ы к р у ч и в а ние» в з а в и с и м о с т и от си сте мы ш а р н и р н о г о о тк ло н ит е ля. В л и т е р а т у р е д о с та то ч н о не ос вещ ен ы во пр ос ы в ы б о р а и р а с че та п а р а м е т р о в ш а р н и р н ы х от к ло ни т е ле й, без чего не в о з м о ж н о их п р и м е нение с пол уче ние м н а д е ж н ы х р е з у л ь т а т о в. П е р в о й з а д а ч е й р а с ч е т а я в л я е т с я оп р е д ел е н и е в о з м о ж н о с т и п е р е 1. З а к. 476. DT
м е щ е н и я це н т р а ш а р н и р а и пр иве де нно го к нему ц е н тр а т я ж е с т и си сте мы вниз и ве ли чи ны h в за ви с и м о ст и от ге оме тр иче ски х п а р а м е т р о в ш а р н и р н о г о от к ло ни т е ля. К ге оме тр иче ски м п а р а м е т р а м относятся: d K д и а м е т р отбур оч ной коронк и; d m д и а м е т р к о рп ус а ш а р н и р а, И д л и н а п ле ча отк ло ни т е ля, к о т о р а я о п р е д е л я е т с я р а с ст оя н и е м по оси отбуроч но го с н а р я д а от т о р ц а ко ро нки до це нт ра н и ж него ш а р н и р а ; H 1 д л и н а пр о м е ж у т о ч н о г о зв е н а (в сл уч а е п р и м ен е н ия д в у х ш а р ни рного о т к л о н и т е л я ). П р и д и а м е т р е с к в а ж и н ы D и з а д а н н о м угле о т к ло н е н и я а д л и н а пле ча H м о ж е т быть р а с с ч и т а н а по ф о р м у л е D H dm Sm dk. d) cl Д л и н а пл еча H м о ж е т быть о п р е д е л е н а т а к ж е по г р а ф и к у (рис., а ), по ст р о е нн ом у при условии, что d m = d K. Р а с с м о т р и м вопро с в о з м о ж н о с т и с м е щ е н и я це н т р а ш а р н и р а на не ко т о р у ю ве л ич ин у h в с л у ча е плос ког о з а б о я с к в а ж и н ы. Очевидно, что Ь(нп) (град] а Рис.. а г р а ф и к з а в и с и м о с т и в е л и ч и н ы д л и н ы п л е ч а о т к л о н и т е л я ди ам етр а ск важ и н ы и угла отклонения. б г р а ф и к з а в и с и м о с т и в е л и ч и н ы с м е щ е н и я ц е н т р а ш а р н и р а вни з у гла отклонения. от от //к d и, 76 м л і d к (Iui 91 м м dk= 110 м м dm = центр ш а р н и р а м о ж е т пе ре м е с ти т ьс я вниз (рис. 3, а) то л ьк о к о г д а бу д ет с о б лю д ен о с л е д у ю щ е е нераве нс тво : >> + + + Y cosa ИЛИ 178 тогда, ()
d K< при d K = d m. I -f- cos a ^ К а к видн о из пр ив е д е нн ых н ер авенств, при зн а ч е н и я х уг л а о т к л о нения а до 4 5 д и а м е т р отб урочной ко ро нки должен быть м ень ш е по ло вин ы д и а м е т р а с к в а ж и н ы. Ве л ич ин а в о з м о ж н о г о м а к с и м а л ь н о г о с м е щ е н и я h о пр е д е л я е т с я из в ы р а ж е н и я : h - H H Cosa s i n a. (3) Т а к и м о б р а з о м, д и а м е т р п и л о т - с к в а ж и н ы, а соответственно и д и а метр отбуроч ной ко ро нк и при з а р е з к е нового н а п р а в л е н и я в плоском з а б о е не м о ж е т п р е в ы ш а т ь 76 мм при с у щ е с т в у ю щ и х д и а м е т р а х г е о л о го р а з в е д о ч н ы х с к в а ж и н. П о э т о м у при пло ско м з а б о е простой ш а р н и р ный от к л о н и т е л ь м о ж е т п р и м е н я т ь с я ли б о д л я п р о хо дк и п и л о т - с к в а ж и н ы вс п о м о га те л ь н о го н а з н а ч е н и я (у ст а н о в к а клин а, к е р н о м е т р и я и т. п.), л и б о д л я со бственно н а п р а в л е н н о г о бурения, но с п ос л ед ую щ ей р а з б у р к о й п и л о т - с к в а ж и н ы до тр е б у е м о го д и а м е т р а. Д л я у с т р а н е н и я этого н е д о с т а т к а и р а с ш и р е н и я об л ас т и пр им ене ния пр ос ты х ш а р н и р н ы х от к ло ни т е ле й втор ого тип а м о ж е т быть п р е д л о ж е н а с п е ц и а л ь н а я ф о р м а з а б о я, н а пр им е р, в виде части с фе ры оп ре д ел е н но го р а д и у с а, л иб о в виде усеченного конуса. В этом с л уч а е с ме щ е н и е це нтр а ш а р н и р а вниз бу дет о б е сп е ч и в а ть ся при л ю б о м со отношении д и а м е т р о в отбуроч ной кор онк и и с к в а ж и н ы. В ы с от а в усеченного конуса (рис. 3, б ), по к о т о р о м у д о л ж е н быть о б р а б о т а н заб ой, при угл е о т к л о нения а и д и а м е т р е отбур оч ной ко ро нки d K будет b = d Ksin a. (4) Д и а м е т р н и ж не го о с н о в а н и я кон ус а при б ыть ра с с ч и т а н по ф о р м у л е диаметре скважины D может d 0 = d Kcos a D. (4а) П р и т а к о й ф о р м е з а б о я с м е щ е н и е ц е н тр а ш а р н и р а вниз, а оно при этом б уд ет им еть м а к с и м а л ь н у ю ве л ич ину д л я д а н н ог о со чет ани я д и а мет ров с к в а ж и н ы и коронки, п о д с чи т ы ва е тс я по ф о р м у л е h! = H _ H cos a -f sin a. (5) В е л ич ин а h ' м о ж е т быть т а к ж е о п р е д е л е н а до с та то ч н о точно и по г р а ф и к у (рис., б) И з с р а в н е н и я ф о р м у л (3) и (5) видно, что при с пе ци ал ьн ой ко н у с ной ф о р м е з а б о я в е л ич ин а h' будет б о л ь ш е с о от вет ств ую ще го зн а че ни я вели чи ны с м е щ е н и я це н т р а ш а р н и р а при пл ос ком з а б о е на h' h = d Ks i n a, (5а) т. е. при м а л о м угл е от к л о н е н и я почти в д в а р а з а. С л е д о в а т е л ь н о при сп е ц и ал ьн ой под гот ов ке з а б о я в о з м о ж н а отбурка с к в а ж и н ы нового н а п р а в л е н и я с при м ен е ни е м пр ос ты х ш а р н и р н ы х о тк ло н и т е ле й з н а ч и т е л ь н о бо л ьш е го д и а м е т р а, чем при тех ж е у с л о ви ях о т б ур ки в пл ос ко м заб ое. П р и это м од но вр е м ен но ув е л и ч и в а е т с я ус той чивость системы з а счет более з н а чи т е ль но й ве ли чи ны с м е щ е н и я ш а р н и р а вниз. Н е о б х о д и м а я ф о р м а з а б о я м о ж е т быть по д го то в ле на сп е ци ал ьн ой конусной коронкой, а р м и р о в а н н о й р е з ц а м и из т в е р д ы х с пл аво в, пр о ч ность ко т о р ы х вп ол не д ос та то ч на, чтобы за н е б ол ь ш ой п р о м е ж у т о к вр е м е ни д а ж е в очень к р е пк и х п о р о д а х п р и д а т ь з а б о ю н у ж н у ю ф орму. 1* 179
В с а м о м н а ч а л е з а р е з к и, пока отбуро чн ый с н а р я д не у д е р ж и в а е т с я п ил о т- с к в а ж и н о й, на систему де йс т ву ю т р а з л и ч н ы е силы, ко то рые могут вывести ее из устойчивого п о л о ж е н и я, о б е сп е ч и ва ю щ е го о т б у р к у в т р е б уе мом на п р а в л е н и и. О п р е д е л е н и е х а р а к т е р а и величи ны этих сил я в л я е т ся второй з а д а ч е й р а с че та прос ты х ш а р н и р н ы х отк ло н и те ле й второго типа, и м ею щ е го конечной це ль ю оп р е д ел е н и е в о з м о ж н о м а к с и м а л ь н о г о S Р и с. 3. С х е м ы работы п р о с т о го одинарного ш а р н и р н о г о о т к л о н и т е л я в т о р о г о т и п а: а при п л о с к о м за б о е, б п ри з а б о е, о б р а б о т а н н о м по у с е ч е н н о м у к о н у су. д и а м е т р а от б ур оч но й коронки. В о б щ е м виде нео б хо ди м ое услови е устойчивости систе мы (в с л уч а е о д и н а р н о г о ш а р н и р н о г о от к л о н и т е л я) м о ж е т быть в ы р а ж е н о н е р а в е н с тв о м р~> D -, tga (6) где р вел ич ин а осевой н а г р у з к и с точкой п р и л о ж е н и я в центре ш а р нира; f сила, д е й с т в у ю щ а я на от бу роч ный с н а р я д в плоскости о т к л о н е ния и в о з н и к а ю щ а я за счет сил с о п р о ти в ле ни я пор од ы р а з б у р и ванию: под де йс т ви е м этих сил от бу роч ный н а к он е чн ик в н а ч а л е з а р е з к и ст ре м ит с я п е р е м е щ а т ь с я по за б ою ; а угол отк лон ен ия. А н а л и ти ч е с к о е о п ре д ел е н и е силы F в известной степени за тр уд не но, т а к к а к ее ве л и ч и н а за ви с и т от б о л ьш о го чи сла ф ак т о р о в, по это м у в ы 180
ясн ен ие в о з м о ж н о с т и о т б у р к и ш а р н и р н ы м и о т к л о н и т е л я м и б о л ь ш о г о д и а м е т р а в д а л ь н е й ш е м м о ж е т б ы т ь п р ов е д е н о о п ы т н ы м путем. А н а л и з ге о м е т р и ч е с к и х п а р а м е т р о в п р о с ты х о д и н а р н ы х ш а р н и р н ы х о т к л о н и т е л е й в т ор ог о т и п а п о з в о л я е т с д е л а т ь с л е д у ю щ и е вы во д ы. 1. П р о с т ы е ш а р н и р н ы е о т к л о н и т е л и вт ор ого т и п а д о л ж н ы о б л а д а т ь о п р е д е л е н н ы м с о ч е т ан и е м ге о м е т р и ч е с к и х п а р а м е т р о в д л я об есп е ч ен и я надежности работы.. Н а д е ж н о с т ь р а б о т ы п о в ы ш а е т с я с у ве л и ч ен и е м зе ни тн ог о у г л а с к в а ж и н ы, ве с а т я ж е л о г о н из а и у г л а от к ло не ни я. 3. Д и а м е т р о т б у р о ч н о й ко р о н к и д о л ж е н б ы т ь м е н ь ш е п о л о ви н ы д и а м е т р а с к в а ж и н ы при о т б у р к е в п л о с к о м за б о е. 4. С п е ц и а л ь н а я ф о р м а з а б о я п о з в о л я е т у в е л и ч и т ь д и а м е т р отбурочного н а к о н е ч н и к а с ув е л и ч е н и е м степени ус той чи вос ти системы.