Достоинство шланго-кабельного бурения очевидно – резкое сокращение времени на проведение спуско-подъемных операций [1]. Однако недостатки, обусловленные заменой металлической бурильной колонны гибким шлангом и ограниченные возможности последнего по нагрузке реактивным моментом от бурения, резко сокращают область его использования.
В работе [2] предлагается снимать крутящий момент со шланга за счет разделения площади разбуривания на две части – круговую и кольцевую, и разбуривать их в противоположных направлениях. Эти площади должны быть поделены в пропорции, уравнивающей реактивные моменты, возникающие при бурении. При условии равенства сил резания по всей поверхности забоя, реактивные моменты на внутренних и наружных буровых коронках вычисляются через интегралы:
где F – сила сопротивления породы разрушению на единице длины радиуса разбуривания; R – радиус скважины; r – радиус, отделяющий круговую часть забоя от кольцевой.
Приравнивая эти два момента, найдем длину радиуса круговой части, при которой моменты уравниваются:
При возрастании момента, например, на круговой площади разбуривания, необходимо уменьшать ее площадь, сокращая найденный радиус и увеличивая тем самым кольцевую площадь разбуривания и наоборот.
Технически это можно осуществить с помощью следующего устройства (рис. 1). Промывочная жидкость поступает из буровой колонны (бурового шланга) через окна 4 к лопаточным венцам 7 внутреннего ротора турбобура 3 и через окна 5 к лопаточным венцам 6 наружного ротора турбобура 2 под давлением и вращает наружный 2 и внутренний 3 роторы турбобура в противоположных направлениях. Лопаточные венцы 8 статора турбобура 1 при этом неподвижны и лишь разворачивают поток промывочной жидкости. При равенстве крутящих моментов на наружном 2 и внутреннем 3 роторах турбобура их вращение (на рис. 2 направление вращения показано круговыми стрелками) осуществляется с равными угловыми скоростями. При этом оси 21 сателлитов 20 стационарны и не двигаются относительно статора турбобура 1. При возрастании реактивного момента, например, на наружном роторе турбобура 2 из-за более твердой породы угловая скорость его вращения падает. Оси 21 сателлитов 20 приходят в движение по часовой стрелке на фигуре 2 и, за счет винтового соединения между водилом 22 и тарелкой 15, тянут тарелку 15 вверх. Это движение увлекает за собой наружные поводки 14, которые вращают наружные поворотные шайбы 13, последние, в свою очередь, поворачивают буровые коронки 9 и уменьшают кольцевую площадь разбуривания.
Одновременно через внутренние поводки 17 и внутренние поворотные шайбы 16 поворачиваются внутренние буровые коронки 11, увеличивая круговую площадь разбуривания до тех пор, пока моменты резания на буровых коронках не уравняются. Аналогично происходит изменение площадей в случае возрастания момента резания на внутреннем роторе турбобура 3, только движение осей 21 сателлитов 20 вместе с водилом 22, тарелки 15, поводков 14 и 17, поворотных шайб 13 и 16 и буровых коронок 9 и 11 меняет направление на противоположное.
У предлагаемого способа бурения есть и другие преимущества по сравнению с традиционной схемой. Поскольку моменты разбуривания уравниваются, отсутствует нагрузка на окружающую породу, не нарушается целостность разбуриваемых пластов и уменьшается риск возникновения последующих осложнений. Это может быть важно и в необычных условиях, таких например, как бурение на космических телах (особенно малой массы) для устранения их вращения при разбуривании.
С другой стороны, уменьшаются темпы искривления ствола скважины при бурении в разнородной среде. Важность устойчивости процесса бурения и компоновки низа бурильной колонны отмечается многими исследователями [3 – 5]. В нашем случае, при попадании в зону разбуривания локальной неоднородности, как показано на рис. 2, усилия резания в круговой и кольцевой частях направлены друг против друга и в большой степени уравнивают друг друга, чем уменьшается отклонение ствола скважины. Если же неоднородность встречается лишь в одной из разбуриваемых частей, возникает центр поворота либо в круговой, либо в кольцевой частях забоя. Поэтому рассматриваются два случая: неоднородность в кольцевой части или в круговой.
В первом случае, как показано на рис. 3, центр общего поворота бурового инструмента возникает в кольцевой части и естественно возрастает реактивный момент на буровых коронках кольцевой части. Предлагаемое устройство реагирует на это увеличением круговой разбуриваемой части.
Сдвигающиеся внутрь буровые коронки кольцевой и раздвигающиеся коронки круговой частей обеспечивают дополнительные усилия, препятствующие общему повороту бурового инструмента.
Во втором случае (рис. 4), центр разворота находится внутри круговой разбуриваемой части и устройство реагирует противоположным образом, уменьшая площадь круговой части и увеличивая кольцевую. При этом также возникают усилия за счет соответствующего движения кольцевых и круговых буровых коронок, препятствующие общему повороту бурового инструмента.
Таким образом, предлагаемая технология совершенствуется не только в отношении уменьшения затрат и времени на проведение спуско-подъемных операций, но и в отношении уменьшения риска осложнений, связанных с воздействием породоразрушающего инструмента на разбуриваемые пласты, отклонений от вертикальности ствола буримой скважины.
