Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ теории и практики бурения скважин во льдах 9
1.1 Особенности технологии бурения скважин во льдах 9
1.2 Буровые комплексы для бурения глубоких скважин во льдах 10
1.3 Буровые снаряды на грузонесущем кабеле 14
1.3.1 Термобуровые снаряды 14
1.3.2 Колонковые электромеханические снаряды 18
1.4 Бурение направленных и многоствольных скважин 23
1.4.1 Опыт бурения направленных и многоствольных скважин на станции восток 25
1.4.2 Зарубежный опыт бурения дополнительных стволов скважин во льдах 31
1.5 Анализ технологии многозабойного бурения скважин во льдах 34
1.6 Выводы по главе 1 37
Глава 2 Методика экспериментальных исследований 38
2.1 Условия моделирования 38
2.2 Статистическая обработка экспериментальных данных39
2.3 Методика стендовых исследований процесса искривления скважины при движении бурового снаряда 41
2.4 Выводы по главе 2 48
Глава 3 Теоретический анализ изменения пространственного положения скважины во льду при бурении снарядами на грузонесущем кабеле 49
3.1 Физико-механические свойства льда 49
3.2 Особенности строения ледника в районе станции восток 51
3.3 Аналитический метод определения траектории движения снаряда на участке искривления 53
3.4 Графоаналитический метод определения траектории движения снаряда на участке искривления 62
3.5 Сравнение теоретических и экспериментальных данных 71
3.6 Бурение многоствольной скважины 4г 73
3.7 Выводы по главе 3 77
Глава 4 Разработка технических средств для бурения дополнительных стволов глубоких скважин в ледниковых массивах снарядами на грузонесущем кабеле 78
4.1 Особенности бурения глубоких скважин во льду 78
4.2 Колонковый электромеханический буровой снаряд 81
4.3 Коронка для направленного механического бурения льда 86
4.4 Выводы по главе 4 93
Глава 5 Применение технологии бурения направленных и многоствольных скважин во льду снарядами на грузонесущем кабеле 94
5.1 Бурение многоствольной скважины 5г 94
5.2 Результаты работ по бурению бокового ствола 5г-2 101
5.3 Бурение бокового ствола скважины 5г-3 107
5.4 Выводы по главе 5 117
Заключение 118
Список литературы 120
- Опыт бурения направленных и многоствольных скважин на станции восток
- Методика стендовых исследований процесса искривления скважины при движении бурового снаряда
- Графоаналитический метод определения траектории движения снаряда на участке искривления
- Коронка для направленного механического бурения льда
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Изучение современного материкового оледенения и всех видов ледников имеет большое значение для целого ряда естественных наук: географии, гляциологии, палеоклиматологии, геологии, геофизики, геохимии, микробиологии и др. Особый интерес вызывает Антарктида, где сосредоточено около 30 млн. км3 льда, мощность которого в центральной части материка превышает 4 км. В изучении ледникового покрова Антарктиды принимают участие многие страны – Россия, США, Япония, Франция, Новая Зеландия, Аргентина, Бразилия, Чили, ФРГ, Польша, Индия и др.
Важнейшим и наиболее эффективным способом изучения
строения, структуры, вещественного состава и динамики
ледниковых массивов в полярных областях является бурение скважин с полным отбором керна.
В последние годы, когда глубины скважин превысили отметку в 3000 м, появилась настоятельная необходимость в разработке технологии бурения многоствольных скважин для получения дополнительного кернового материала с заданных глубин. Например, в самой глубокой скважине 5Г на станции Восток на интервале 3600 – 3620 м было обнаружено большое количество включений, которые попали туда с берега подледникового озера Восток при движении ледника.
Координационный комитет программы «Международное партнерство в изучении ледяных кернов» (International Partnerships in Ice Core Sciences – IPICS), созданный под эгидой IGBP/PAGES и Научного комитета по исследованию Антарктики (SCAR), назвал наиболее приоритетной на ближайшие десятилетия задачей антарктических исследований получение ледяного керна, который бы позволил реконструировать изменения климата и концентрации парниковых газов за последние 1,5 млн. лет. Это позволит решить одну из ключевых проблем современной науки о климате, а именно: установить причины и понять природные процессы, которые в середине плейстоцена (примерно 1 млн. лет назад) привели к перестройке климата Земли. Среди первоочередных задач, стоящих перед разработчиками буровых технологий, технические эксперты
IPICS называют развитие способов и средств бурения
дополнительных стволов глубоких скважин с целью получения параллельных (дублирующих) кернов льда на заданных глубинах.
Возможность управляемого бурения дополнительного ствола имеет большое значение и при ликвидации аварий, что связано с обходом аварийных участков скважин.
В работах по созданию и внедрению в практику технологии и технических средств для бурения и исследования скважин в ледниковых массивах принимал участие широкий круг российских учных и полярных исследователей: Б.Б. Кудряшов, Н.И. Барков, Н.Е. Бобин, Н.И. Васильев, Л.К. Горшков, А.Н. Дмитриев, Э.А. Загривный, В.Я. Липенков, В.В. Морев, Л.М. Саватюгин, А.М. Шкурко и др.
Вопросы бурения направленных и многоствольных скважин различного назначения подробно освещены в работах российских учных: С.С. Сулакшина, А.Г. Калинина, Ю.Т. Морозова, В.В. Кривошеева, В.В. Нескоромных, Ю.С. Костина, В.П. Зиненко и др.
Цель работы. Повышение информативности опробования льда и эффективности обхода аварийных участков при бурении глубоких скважин снарядами на грузонесущем кабеле.
Идея работы. Бурение боковых стволов скважин в ледниковых массивах в заданном интервале опробования для получения дополнительного кернового материала и обхода аварийных участков.
Задачи исследования:
-
Аналитический обзор причин изменения пространственного положения скважины во льду при бурении снарядом на грузонесущем кабеле;
-
Разработка математической модели процесса изменения пространственного положения бурового снаряда на грузонесущем кабеле в процессе бурения;
-
Разработка стенда для моделирования движения снаряда на кабеле в процессе бурения;
-
Проведение экспериментальных стендовых исследований по изменению траектории скважин при бурении снарядами на грузонесущем кабеле во льду;
-
Математический анализ экспериментальных стендовых исследований и получение эмпирических зависимостей;
-
Разработка технологии бурения многоствольных скважин во льду снарядом на грузонесущем кабеле;
-
Проведение опытно-производственной оценки предложенных разработок.
Методика исследования. Для решения указанных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. На основе разработанных теоретических моделей и экспериментальной методики исследования осуществлялось их практическое внедрение при бурении скважины 5Г на станции Восток.
Научная новизна работы заключается в установлении зависимости радиуса кривизны скважины на участке искривления от геометрических характеристик бурового снаряда на грузонесущем кабеле.
Достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций подтверждается достаточным объемом
теоретических и экспериментальных исследований,
удовлетворительной сходимостью расчтных величин с
фактическими, полученными при бурении скважин на станции Восток.
Теоретическая и практическая значимость работы
заключается в разработке и внедрении комплекса методических, технологических и технических решений, которые позволили завершить бурение скважины 5Г на станции Восток, выполнить вскрытие реликтового подледникового озера Восток и повторное бурение ствола скважины 5Г-3 после замерзания воды, поднявшейся в скважину из озера.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на VII Международном симпозиуме по бурению скважин во льдах в 2013 г. (Висконсинский университет в
Мэдисоне, США); Российско-Французском семинаре, проходившем в Горном университете и в ФГБУ «ААНИИ» в 2013 г.
Реализация результатов работы.
Отдельные положения диссертационного исследования использованы при выполнении научно-исследовательских работ в рамках:
– проекта №2 «Комплексные исследования уникального подледникового озера Восток, включающие проникновение в озеро с отбором проб озрной воды, и гляциологические исследования Антарктики», выполняемые в рамках реализации подпрограммы «Изучение и исследование Антарктики» Федеральной целевой программы «Мировой океан» в 2011-2013 годах;
– проекта №1.13.11Ц «Разработка инновационных
технологий по приоритетному направлению научной школы «Бурение в осложннных условиях» по заданию Министерства образования и науки на проведение отдельной НИР по ОЦО в 2011 г.;
– проекта №1.6.08 «Разработка научных основ бурения и освоения скважин в сложных геолого-технических условиях» по заданию Министерства образования и науки РФ в 2011 г.;
– проекта №5744 «Новые методы разрушения горных пород при бурении скважин» по заданию Министерства образования и науки РФ в 2012 г.;
– проекта №8638 «Разработка нетрадиционных способов и средств бурения скважин» по заданию Министерства образования и науки РФ в 2013 г.
Публикации. Результаты диссертации в полной мере освещены в 6 публикациях, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, и получен 1 патент на изобретение.
Объем и структура диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных
выводов и рекомендаций, библиографического списка,
включающего 94 наименования. Материал диссертации изложен на 128 страницах, включает 15 таблиц, 58 рисунков.
Опыт бурения направленных и многоствольных скважин на станции восток
За более чем 40-летнюю историю бурения на российской станции Восток в Антарктиде пробурено пять скважин, и во всех из них происходили осложнения и аварии, в том числе наиболее тяжелые по последствиям прихваты буровых снарядов в скважине. Мероприятия по ликвидации подобных аварий крайне трудоемки и не всегда приводят к положительному результату.
Основными причинами прихватов буровых снарядов в скважине являлись различные технические отказы используемого забойного или поверхностного оборудования, а также нарушение устойчивости ствола скважины, что в свою очередь вызвано неполной компенсацией горного давления ледяной толщи. Наиболее рациональным приемом ликвидации прихватов бурового снаряда является забуривание дополнительного ствола скважины. Всего на станции Восток было выполнено, как минимум, 11 отклонений стволов скважин (Таблица 1.3). Впервые забуривание бокового ствола с целью обхода прихваченного в скважине бурового снаряда было осуществлено в сухой, незаполненной промывочной жидкостью скважине № 1 (Рисунок 1.9) в период работы 16-й САЭ (1971 г.).
Авария произошла на глубине 560 м, когда при подъеме в непосредственной близости от забоя термобуровой снаряд ТЭЛГА-14 оказался прихваченным. Причиной аварии послужило нарушение работы насоса, недостаточное удаление талой воды с забоя скважины и, как следствие, намораживание льда на поверхности бурового снаряда.
Для обхода снаряда на глубину 505 м был установлен стальной клин длиной 4,5 м (длина наклонной части 3,5 м) [57]. Отклонение проводилось укороченным снарядом с конусным нагревателем. На глубине 518 м был образован новый забой, однако после спуска основного снаряда выяснилось, что он зависает в искривленной части. После расходки этого интервала снаряд попал в старый ствол. При спуске буровой снаряд иногда попадал в новый ствол, иногда – в старый. На глубине 534,4 м бурение нового ствола было остановлено.
Скважина была забутована льдом до отметки 471 м. Для отклонения был изготовлен специальный снаряд в виде клина с асимметричным расположением тепловой коронки. С глубины 477 м использовался обычный снаряд. К концу зимовки скважина достигла глубины 625,2 м [29].
При забутовке ствола при помощи искусственного ледяного керна он заклинился на глубине 30 м, поэтому зарезка нового ствола скважины произошла с этой глубины [57]. Новый ствол, названный 1-бис, к концу зимовки достиг глубины 774 м [29]. В очередном рейсе произошло заклинивание бурового снаряда при подъме на глубине 308 м.
Отклонение скважины проведено на глубине 307 м. Скважина была забутована искусственным керном, и отклонение проведено укороченным снарядом ТЭЛГА-14М [29]. После проходки 2-3 м бурение продолжено снарядом нормальной длины [11]. В течение зимовочного периода ствол новой скважины 1-2 бис был пройден до 905 м [29]. Бурение этой скважины было остановлено в связи с постоянными заклиниваниями снаряда на спусках и подъемах и высокой вероятностью прихвата снаряда.
В период работы 26-й САЭ (1981 г.) при бурении скважины № 3Г термобуровым снарядом ТБС-112ВЧ на глубине 1580 м из-за неполадок в системе водоудаления снаряд был прихвачен на забое скважины. Искривление скважины выполнялось штатным термобуровым снарядом ТБС-112ВЧ длиной 7,1 м, начиная с глубины 1500 м, где было отмечено максимальное отклонение оси от вертикали (7). Скважину удалось отклонить в интервале глубин 1550-1560 м [20]. Новый ствол получил название 3Г-1 (Рисунок 1.10). По достижении глубины 2083 м крайне напряженная обстановка, сложившаяся на станции Восток в связи с пожаром на станционной ДЭС, заставила прервать буровые работы в скважине № 3Г-1 на два года. Это был единственный случай, когда отклонение скважины выполнено управляемо из лежачей стенки скважины [21].
При возобновлении бурения в 29-й САЭ (1984 г.) в связи с сужением нижнего участка скважины в процессе проработки ствола на отметке 1968,5 м был зарезан новый ствол 3Г-2, бурение которого было продолжено в следующий зимовочный период до рекордной глубины 2201,7 м [29].
При бурении скважины 4Г в период работы 29-й САЭ (1984 г.) на забое скважины на глубине 279 м был оставлен термобуровой снаряд ТБЗС-152, так как он оказался прихваченным (Рисунок 1.11). Попытки отклонения скважины 4Г термобуровым снарядом ТБЗС-152 не увенчались успехом, и в результате отклонение проведено при помощи снаряда ТЭЛГА-14 на глубине 120 м. Старый ствол не был забутован, что повлекло за собой возникновение осложнений в последующих экспедициях. Проходка нового ствола 4Г-1 была продолжена снарядом ТБЗС-152 с глубины 167 м до отметки 692 м [29].
Методика стендовых исследований процесса искривления скважины при движении бурового снаряда
Для проведения экспериментальных исследований разработан экспериментальный стенд, позволяющий моделировать процесс отклонения скважины в ледниковом массиве при бурении плавлением снарядом на грузонесущем кабеле. Все эксперименты по изучению изменения траектории снаряда на грузонесущем кабеле во льду проводились в лаборатории станции Восток.
Экспериментальный стенд, схема которого показана на Рисунке 2.2, включает в себя модель термобурового снаряда 1, направляющую трубу (модель скважины) 2, стойку 3, блок льда 4 и блок питания 5. Модель скважины крепится к стойке 3 и является направляющей для снаряда от момента забуривания до полного погружения снаряда в лд. Модель скважины может поворачиваться относительно точки О, что позволяет менять начальный зенитный угол скважины.
Электроэнергия к буровому снаряду подается от блока питания, схема которого приведена на Рисунке 2.3. Трансформатор 1 понижает напряжение с 220 до 130 В. В блок питания входит понижающий трансформатор 1, автотрансформатор (ЛАТР) 2, вольтметр 3, и амперметр 4.
Трансформатор 1 введен в цепь для повышения безопасности проводимых работ. С помощью автотрансформатора производится регулирование напряжения электрического тока, питающего модель бурового снаряда. При работе на стенде напряжение питания U=15 В, а ток в цепи I=5 А.
Для проведения экспериментальных исследований используется тепловой способ разрушения льда, что способствует существенному упрощению стенда и всей методики проведения экспериментальных работ без искажения физики процесса. Модель термобурового снаряда (Рисунок 2.1) состоит из термодолота 1, полого стержня 2, наголовника 3 и питающих проводов 4. Отдельные элементы термодолота представлены на Рисунке 2.4. Тепловод долота 1 выполнен из меди, и представляет собой стержень со сферическим наконечником. На стержне намотан нагревательный элемент 2 с диаметром равном 3 мм. Стержень с нагревательным элементом закрывается стальным кожухом 3.
Особенность конструкции долота в том, что после его сборки корпус является герметичным, что обеспечивает изоляцию нагревательного элемента. Тепло, которое выделяется на нагревательном элементе, передатся по стержню к сферическому наконечнику практически без потерь, что позволяет избежать подплавления нижней стенки скважины при проведении эксперимента, и существенно снижает потери тепла за счет рассеивания в стороны.
Перед началом эксперимента стойка с укрепленной на ней моделью скважины устанавливается на блок льда. Модель скважины устанавливается под определенным углом, внутри нее вставляется модель бурового снаряда. Нижний торец модели скважины вмораживается в лд на глубину, равную высоте сферического наконечника, что способствует стабилизации начального этапа бурения до полного погружения сферического наконечника в лд.
Напротив стенда устанавливается цифровая фотокамера, и в процессе углубки модели бурового снаряда выполняется фотографирование стенда с одной точки (до 20 снимков на 1 эксперимент). В каждом зафиксированном положении определяется угол наклона модели бурового снаряда и положение верхней точки бурового снаряда относительно модели скважины. Используя полученные данные, строится траектория перемещения модели бурового снаряда. Обработка полученных результатов производится в программе КОМПАС-3D.
Большое влияние на интенсивность искривления оси скважины оказывает наличие растаявшей в ней воды. В результате этого диаметр скважины над термодолотом увеличивается, что приводит к увеличению интенсивности искривления траектории скважины. Поэтому образующаяся вода постоянно удаляется из скважины в процессе проведения эксперимента при помощи шприца и гибкой трубки.
Для визуального наблюдения за процессом искривления скважины был изготовлен блок льда с размерами 1000х800х100 (Рисунок 2.5).
Блок льда просвечивался лампой, что позволяло наблюдать за ходом эксперимента. В связи с тем, что при глубине скважины, превышающей длину модели бурового снаряда, не удавалось своевременно удалять воду, мы не могли контролировать диаметр скважины, и было невозможно получить корректные данные.
Из-за подплавления нижней стенки скважины 1 ее траектория из криволинейной перешла в прямолинейную, после того, как модель скважины полностью вошла в лед. Средняя скважина 2 имеет большую кривизну из-за увеличения диаметра скважины, вызванного оставшейся в ней теплой водой.
Учитывая эту нестабильность, большая часть экспериментов проводилась на блоках льда с углубкой снаряда, не превышающей его длины. Для обработки фотографий, полученных в ходе экспериментов, использовалась программа КОМПАС-3D.
На полученном снимке (Рисунок 2.6,а) произвольно выбирается точка О, которая на остальных снимках должна находиться в том же положении для замеров перемещений точки А снаряда по оси X. При этом необходимо соблюдать масштаб на полученных снимках путм замеров размеров снаряда и сопоставления их с соответствующими размерами на снимке. На рисунке 2.6,б представлен момент завершения забуривания пилот-скважины, который является первым кадром в проведении эксперимента. Дальше будет происходить перемещение снаряда с увеличением угла отклонения снаряда от направляющей (Рисунок 2.6,б).
Графоаналитический метод определения траектории движения снаряда на участке искривления
В качестве альтернативы аналитическому методу решения задачи, и с цулью оценки погрешностей, вызванных принятыми допущениями рассмотрим графоаналитический метод, являющийся более простым и наглядным.
Суть графоаналитического метода заключается в построении траекторий движения характерных точек снаряда, т.е. , при различных его геометрических параметрах и шаге перемещения () Построение перемещений точек , и снаряда производилось в программе КОМПАСС-3D. На Рисунке 3.6 представлено перемещение с шагом =50 мм для с размерами: =200 мм; =10,9 мм; =199,7 мм.
Для определения траектории движения реального бурового снаряда ТБЗС-152 значение радиуса кривизны необходимо увеличить в 40 раз в соответствии с масштабом построения.
Для построений траектории движения бурового снаряда при различных значениях параметра длина гипотенуза была принята равной 200 м, а для изменения параметра менялось значение катета .
Известно, что радиус окружности, которую описывает снаряд [23,53] на участке искривления, можно определить через интенсивность искривления скважины по замерам зенитного угла в двух положениях по формуле (3.18).
Однако, построение такой окружности с радиусом на основе расчтных данных в программе КОМПАС-3D с касанием снаряда в точке начального и конечного его положения и сравнение с окружностью, построенной по трм точкам, визуально показало, что второй вариант более точен.
Для нахождения радиуса кривизны расчтным методом необходимо найти интенсивность искривления: де - отклонение катета от прямой в конечном положении снаряда на рисунке 3.10, гр.; - угол начального перекоса снаряда в прямой скважине (равен углу ), гр.; - общее перемещение снаряда, м.
Кривизна и радиус кривизны дуги окружности - взаимообратные величины, т. е.
Для треугольника с размерами, соответствующими снаряду ТБЗС-152М и шагом 800 мм радиус окружности по трм точкам 14309,13 м, а расчтные значения интенсивности искривления составят: V
Таким образом, разница значений радиусов окружностей, полученных по двум методам составляет 7%.
За величину единичного перемещения снаряда (шаг) были приняты значения 10, 20 и 50 мм (Таблица 3.3), кратные длине гипотенузы принятого треугольника. Количество перемещений треугольника, кратное длине гипотенузы, приводит к тому, что графиком зависимости радиуса описываемой окружности от шага является прямая линия (Рисунок 3.7).
Как видно из Рисунка 3.7, построение зависимости радиуса кривизны дуги описываемой окружности от шага можно проводить по двум точкам. Для исключения ошибок в построении принято три значения единичного шага движения снаряда. Построение такой зависимости позволяет выявить тенденцию изменения радиуса кривизны по мере уменьшения единичного шага путм экстраполяции полученных функций до пересечения с осью ординат. Такой метод позволяет найти искомое значение радиуса кривизны при бесконечно малом шаге. Зависимость радиуса кривизны дуги описываемой окружности от интервала перемещения, кратного длине снаряда, представлена на Рисунке 3.8. На участке перемещения радиус кривизны имеет максимальное значение. Связано это с тем, что точка перемещается по прямой линии. После достижения точкой точки снаряд (треугольник) продолжает движение в интервале , в котором точка движется по траекторию точки (которая, в свою очередь, перемещалась на интервале ) и радиус кривизны резко увеличивается. При дальнейшем перемещении снаряда радиус стабилизируется, на участке принимает окончательное значение и дальше не изменяется.
Коронка для направленного механического бурения льда
Стандартная коронка для механического бурения снаряда на грузонесущем кабеле КЭМС-112 состоит из стального корпуса, на торце которого закреплены съемные резцы, имеющие кольцевой паз для фиксации в радиальном направлении относительно корпуса коронки. Режущая кромка резцов имеет прямую форму. Передние грани резцов развернуты внутрь коронки. Угол между режущей кромкой и радиусом коронки составляет 5, что улучшает вынос бурового шлама. Кернорвательное устройство выполнено совместно с корпусом коронки. В процессе бурения резцы коронки совершают сложное движение по винтовой линии. За один оборот коронка внедряется в породу на величину hi, при этом каждый резец снимает стружку толщиной hi/n, где n - число резцов. Режущая кромка резца равна его ширине. Таким образом, при работе 3-резцовой коронки один резец снимает стружку толщиной, равной 1/3 углубки за оборот. Главная режущая кромка резца выполнена прямой [6].
На боковых поверхностях резцов имеются цилиндрические участки, не позволяющие резцам внедряться в стенки скважины. Благодаря этим цилиндрическим площадкам коронка центрируется по оси скважины, что способствует сохранению набранного зенитного угла. При бурении скважины 5Г-1 в интервале глубин 2755-2900 м предпринимались усилия по уменьшению зенитного угла, но после достижения 6 эти действия были прекращены и зенитный угол вплоть до 3666 м, когда произошла авария, оставался близким к 6. Для бурения направленных и многоствольных скважин механическим способом разработана специальная коронка, обеспечивающая фрезерование стенок скважин и забуривание дополнительных стволов, представленная на Рисунке 4.3 [43].
Разработанная конструкция буровой коронки обеспечивает отклонение от первоначальной траектории оси скважины и забуривания дополнительного ствола с получением ледяного керна на всм интервале отклонения за счет фрезерования стенок скважины.
Коронка для направленного механического бурения льда имеет корпус, на торце которого укреплены съемные резцы, расположенные симметрично в радиальном направлении, где режущая кромка резцов выполнена прямой и развернута внутрь коронки. Также имеется кернорвательное устройство, и установлено как минимум четыре съемных резца и четыре съемных ограничителя бокового внедрения, расположенных симметрично в радиальном направлении между резцами и выполненных с кольцевым пазом для фиксации в радиальном направлении относительно корпуса коронки, а также с соответствующим отверстием для винтового соединения, при этом наружная боковая поверхность каждого резца выполнена с дополнительной режущей гранью.
Установка, как минимум, четырех съемных резцов обеспечивает стабилизацию коронки при вращении на забое и целостность получаемого керна за счет снижения толщины срезаемого льда каждым резцом за один оборот и уменьшения расстояния между резцами.
На забое при вращении коронки в стволе скважины и при контакте боковых режущих граней со стенкой скважины происходит фрезерование стенки, в результате чего снаряд начинает отклоняться от основного ствола и, таким образом, происходит забуривание дополнительного ствола. При этом происходит образование серповидного керна на всем участке отклонения, что обеспечивает контроль за состоянием процесса искусственного искривления.
Установление, как минимум, четырех съемных ограничителей бокового внедрения, расположенных симметрично в радиальном направлении между резцами и выполненных с кольцевым пазом для фиксации в радиальном направлении относительно корпуса коронки, а также с соответствующим отверстием для винтового соединения, обеспечивает стабилизацию процесса фрезерования стенок скважины и возможность проведения ствола скважины в проектном направлении. Ограничитель бокового внедрения, расположенный перед резцом на соседнем посадочном месте у заднего торца впереди стоящего резца, препятствует чрезмерному внедрению в лд в направлении, перпендикулярном оси снаряда. Величина внедрения боковых поверхностей резцов составляет є = 0,1 0,2 мм.
Равномерное распределение, как минимум, четырех резцов и четырех ограничителей бокового внедрения симметрично в радиальном направлении относительно оси коронки через 90 обеспечивает стабилизацию процесса отклонения от первоначальной траектории, забуривание дополнительного ствола скважины и целостность образуемого серповидного керна, необходимого для контроля за изменением траектории скважины.
За один оборот коронка внедряется в породу на величину hi, при этом каждый резец снимает стружку толщиной hi/n, где n - число резцов. Длина передней режущей кромки резца равна ширине кольцевого забоя. Так как при работе 4-х резцовой коронки происходит одновременное разрушение забоя как в осевом направлении передней режущей кромкой резца, так и в радиальном направлении боковой режущей кромкой резца. Каждый резец снимает стружку толщиной, равной углубки по оси снаряда и бокового внедрения за один оборот.
Забуривание дополнительного ствола скважины в ледниковом массиве позволяет существенно снизить объемы буровых работ по сравнению с бурением новой скважины, а также затраты на сооружение нового бурового оборудования.
Экспериментальные работы, проведенные в глубокой скважине на станции Восток в Антарктиде по забуриванию нового ствола 5Г-2, показали высокую эффективность применения технологии направленного бурения для выполнения отклонения от основного ствола скважины.
Наружная боковая поверхность резца затылована таким образом, что центр О2 ее описанной окружности 8 смещен относительно окружности 7 с цетром О на оси коронки по дуге окружности 9 с центром О2 в точке, лежащей на наружной вершине резца, при этом наружный боковой угол резца =5 10 - это угол между касательной, проведенной через основную вершину резца к наружной боковой поверхности 10 и перпендикуляром к диаметру коронки в этой точке 11. Такие значения угла обеспечивают минимальное трение боковой режущей поверхности резца со стенкой скважины.
Угол между режущей кромкой 12 и радиусом коронки 13 составляет 5, что улучшает вынос бурового шлама.
В 4-х резцовой коронке, например, резцы расположены симметрично в радиальном направлении на торце коронки и каждый резец снабжен передней режущей кромкой и одной боковой наружной режущей кромкой.
Угол резания 8 каждого резца выполнен в пределах 60 75. При таких значениях угла резания требуется наименьшее усилие для внедрения резца в лед и, следовательно, обеспечивается минимальная энергоемкость резания и минимальное требуемое значение момента на коронку.
Боковая наружная рабочая грань резца заточена. При этом наружный боковой угол резца а1 =5 10 - это угол между касательной, проведенной через основную вершину к наружной боковой поверхности резца, и перпендикуляром к диаметру коронки в этой точке. Такие значения бокового наружного угла резца обеспечивают минимальное трение боковой режущей поверхности резца о лд.
Задний угол резца (угол наклона) а = 5-10 - это угол между задней поверхностью резца и плоскостью, перпендикулярной оси снаряда. Такие значения заднего угла резца обеспечивают минимальное трение задней поверхности о лд.
