Бурение с расширением стволов скважин
Глава 13. Технология бурения скважин специального назначения
13.1. Бурение скважин большого диаметра и шурфов
Скважины большого диаметра (более 151 мм) геологоразведочного назначения бурят, в основном, при разведке и заверке россыпных месторождений золота и алмазов и для гидрогеологических изысканий.
В процессе горноразведочных работ бурение специальных скважин большого диаметра и, изредка, шахтных стволов производится в основном для вспомогательных работ: вентиляции, подъема и спуска руды и различных материалов, водоотлива, подачи электроэнергии и сжатого воздуха.
При инженерно-геологических изысканиях скважины большого диаметра (200-300 мм) и шурфы бурят с целью: детального изучения геологического разреза, отбора образцов пород (монолитов), различных полевых инженерно-геологических исследований, гидрогеологических исследований для определения коэффициента фильтрации и других гидрогеологических характеристик исследуемых пород и водоносных горизонтов и некоторых других целей.
Бурение скважин диаметром до 400-600 мм для установки свайных фундаментов и опор глубокого залегания применяется с целью индустриализации строительного процесса в различных геолого-гидрогеологических условиях, в том числе в водонасыщенных грунтах, при глубоком заложении плотных и скальных пород и в условиях многолетней мерзлоты. В последнее время широкое применение при сооружении фундаментов и оснований получили железобетонные сваи-опоры глубокого заложения, опускаемые в пробуренные скважины, и буронабивные сваи. Бурение скважин большого диаметра в строительстве применяются также при установке столбовых фундаментов, опор линии связи и электропередач. Для этих целей преимущественно используются специализированные буровые и бурильно-крановые установки.
|
|
|
Бурение глубоких скважин большого диаметра производится, в основном, реактивно-турбинными агрегатами, а за рубежом - роторными установками.
При бурении скважин большого диаметра довольно часто возникает необходимость крепления стенок кратковременной или постоянной крепью.
По способу разрушения породы практическое применение нашли следующие виды бурения: вращательный, ударный, ударно-вращательный, вибрационный, гидродинамический, термический и термомеханический.
В зависимости от технологий удаления продуктов разрушения различают способы бурения: с прямой и обратной промывкой, продувкой, шнековый и др.
По площади разрушения забоя различают способы бурения: бескерновый, колонковый и бурение с расширением.
Технология ударно-канатного бурения при разведке россыпных
|
|
|
месторождений
Конструкция скважины. Конструкцию скважин ударно-канатного, как и любого другого разведочного бурения, следует максимально упрощать. Это снижает расход труб, энергии, повышает производительность труда и уменьшает общие затраты на бурение. При разведке россыпей применяют наиболее простую и экономичную конструкцию скважины - типовую для всех горно-геологических условий северо-востока России. Диаметр скважин (условный) на всю глубину принят равным 219 мм. Используют одну колонну толстостенных обсадных труб муфтового соединения диаметром 219 мм, которая является одновременно направляющей и кондуктором. В процессе углубки скважины колонна следует за породоразрушающим инструментом (ходовая колонна) или опережает забой (опережающая колонна). При бурении в устойчивых (мерзлых) отложениях закрепляют только устьевую часть скважины на глубину 4-6м (две, реже три трубы). Этого достаточно, чтобы предохранить устье от обвалов и зафиксировать направление. Далее бурение ведут без крепления трубами. Если породы, вскрываемые скважиной, осыпаются, обваливаются, плывут, пучат (сушенцы, водоносные горизонты, талые рыхлые отложения), обсадную колонну опускают до тех пор, пока интервал неустойчивых пород не будет перекрыт. Длина колонны будет зависеть от мощности интервала неустойчивых пород. При бурении сложных разрезов с горизонтами валунистых пород и таликами большой мощности используют двухколонную конструкцию скважин - трубы диаметром 219 мм (до глубины 60-80 м) и 168 мм (глубже).
|
|
|
Забуривание скважины производится в следующем порядке. После расчистки буровой линии расчищается площадка под буровые станки и вспомогательное оборудование (промывочные станции, дизельную электростанцию, емкости для воды и др.). Перед забуриванием каждой новой скважины станок устанавливается на домкраты. Производится осмотр механизмов и узлов станка, проверяется буровой инструмент и состояние канатов и их крепление. После этого приступают к забуриванию скважины. Забуривание, как и бурение неглубоких скважин (до 8 м), производят в обязательном порядке с использованием направляющего колокола. При забуривании скважины сразу же (поинтервально) производится посадка обсадных труб.
Бурение в зонах талых пород. Таликовые зоны встречаются в прирусловых частях долин и нередко распространяются на всю ширину долин крупных рек, охватывая полностью толщу рыхлых отложений. В водных таликах грунтовая вода находится в движении, бывает застойной или напорной, когда она перекрыта водоупором. При наличии большого количества песка и илов грунтовая вода образует плывун. В безводных таликах (сушенцах) илисто-глинистый цемент практически отсутствует. Бурение скважины в таких отложениях без крепления стенок трубами невозможно - породы осыпаются, обваливаются, пучат. При встрече с ними скорость бурения снижается, углубка прекращается. Глубина скважин нередко уменьшается за счет создавшейся на забое "подушки" в результате интенсивного обрушения пород и образования каверн. Это фиксируется ослаблением каната. Часто скважина обрушается целиком, что вызывает прихват бурового снаряда. При этом качество опробования нарушается, поскольку пробы разных рейсов смешиваются, а объем фактически извлеченной породы отличается от расчетного.
|
|
|
Для обеспечения качественного отбора проб бурение в водных таликах и сушенцах без опережающей обсадки труб, как правило, не производится. Во избежание свайного эффекта забивку труб нужно производить на рейс не более 0,4 м. С увеличением рейса уплотнившаяся порода создает в трубах пробку, и колонна под действием ударов продолжает двигаться как свая, уплотняя и вдавливая породы в затрубное пространство, в связи с чем данные опробования искажаются. Если интервал не опробуется, а трубы свободно забиваются, то углубка за рейс не ограничивается.
Забить трубы без предварительного долочения удается не всегда. Наличие крупной гальки и валунов может затруднить или даже исключить возможность забивки труб ниже забоя. Во избежание аварий необходимо подбурить долотом ниже башмака на 5-10 см, а затем снова приступить к посадке труб.
Состав снаряда: плоское долото, полуштанга, штанга, канатный замок. Воду не подливают, поскольку при бурении водных таликов ее в скважине достаточно. В слабообводненных талых породах с большим количеством глины подливают 10-15 л воды на рейс 0,4 м. Частота ударов 50-52 в минуту; навеску, как правило, не делают.
Бурение плывунов осуществляют с опережающей обсадкой колонны труб. Необходимо перекрыть сразу весь горизонт плывуна и забить колонну в подстилающий водоупорный горизонт на глубину не менее 1,0 м.
Бурение в мерзлых породах. На территории северо-востока страны широко развиты устойчивые многолетнемерзлые отложения, содержащие воду в виде вкраплений, зерен и кристаллов льда, которые прочно цементируют их в плотную массу. Встречаются прожилки, пласты, линзы льда и насыщенные водой прослои илов в мерзлом состоянии. От верхних горизонтов к нижним в отложениях наблюдается уменьшение льдистости. Иногда мерзлота бывает сухой, и тогда она ничем (кроме температуры) не отличается от сухого талика. Бурение в устойчивых мерзлых отложениях, когда необходимо в дальнейшем перекрыть трубами таликовую или сушенцовую зону, расположенную под горизонтом мерзлых пород, а также при забуривании скважин на глубину 4-6 м (2-3 трубы) независимо от состояния грунта ведут с креплением скважины трубами. Порядок проведения операций: 1. Долочение на заданный интервал ниже башмака обсадных труб. Во время долочения в скважину подливают воду из расчета 10-20 л на рейс 0,4 м. 2. Забивка труб до глубины, достигнутой долотом. 3. Повторное долочение в трубах. Во время забивки разрыхленная и срезанная башмаком порода уплотняется. Для того чтобы ее можно было взять желонкой, необходимо повторное долочение. 4.Желонение - очистка забоя скважины желонкой, пробоотборником. Мерзлый грунт по сравнению с таликами имеет существенное преимущество - он более устойчив, поэтому нет необходимости крепить скважину трубами. Процесс бурения в этом случае заключается в чередовании долочения и желонения. Обсадными трубами крепят только устьевую часть скважины. В результате этого: повышается производительность буровых станков за счет увеличения времени чистого бурения; значительно снижаются расход обсадных труб и количество аварий, связанных с ними; исключаются повышенные нагрузки на канат и станок, возникающие при извлечении труб, а, следовательно, и их повышенный износ. Все это снижает стоимость буровых работ.
Вместе с тем снижение льдистости в приплотиковой части при небольшом количестве связывающего глинистого материала в отложениях иногда приводит к образованию интервалов неустойчивых пород в продуктивном горизонте. В этом случае необходимое качество работ обеспечивается применением тампонирования стенок скважины и соблюдением шламового режима.
Буровой снаряд должен включать долото, полуштангу, штангу, канатный замок. Если скважины глубокие (до 100 м и более) и нет необходимости часто забивать трубы, полуштангу заменяют штангой. Применяют плоское долото со съемным лезвием зубильной формы с углом приострения 70-90о.
При бурении без труб в малоустойчивых породах рекомендуется подсаливание воды (5%-ный раствор). Хорошие результаты дает применение глинистого раствора с плотностью 1,18-1,2г/см3 . Малый расход воды или поддержание шлама большой плотности (1,5-1,6 г/см3) во время долочения является эффективным способом сохранения стенок от обрушения, а, следовательно, и обеспечения качества опробования. В конце долочения заливают значительную порцию воды, чтобы обеспечить условия для работы желонки и обмыва снаряда.
Частоту ударов в мерзлых устойчивых породах III-IV категорий принимают равной 50-52 в минуту, навеска должна быть наименьшая или равна нулю.
Бурение в осложненных горно-геологических условиях. К горно-геологическим условиям, значительно осложняющим бурение разведочных скважин, принято относить следующее: мощные талые отложения (обводненные и сухие); ледниковые и водно-ледниковые отложения с сушенцовыми зонами, иногда преобладающими над интервалами устойчивых пород; чередование в разрезах большой мощности отложений, находящихся в различном физическом состоянии (мерзлота, водные талики, сушенцы с положительной и отрицательной температурой).
Неустойчивые рыхлые отложения могут быть пробурены и принудительно закреплены одной колонной обсадных труб диаметром 219 м на глубину до 60 м. Когда разрез представлен мелкогалечным материалом без валунов, длину колонны можно увеличить до 80 м. Если появляется необходимость бурить в этих условиях более глубокие скважины, применяют две колонны. Ходовую (опережающую) колонну диаметром 219 мм забивают до глубины 60 м. Колонна 168 мм свободно проходит в трубы 219 мм, а от 60 м до конечной глубины производят ее принудительную порейсовую обсадку. Одним из сложных вариантов УКБ на россыпях является проходка сушенцов, расположенных отдельными интервалами в нижних горизонтах глубокозалегающих россыпей. В этих случаях крепление трубами чрезвычайно трудно, а чаще невозможно.
Многолетним опытом бурения определен способ, позволяющий бурить такие породы без крепления трубами, используя тампонирование стенок льдом, глиной, торфом и другими материалами. Применение тампонирования одновременно с бурением улучшает качество опробования. Состав тампонирующей смеси: толченый лед (до кусков около 10 см) или куски плотного снега, облитые водой; вязкая жирная глина или глинистый раствор удельным весом 1,2-1,3 кг/см3; мерзлый торф, мох, дерн или другой волокнистый материал (опилки, бумага и др.); вода (когда нет глинистого раствора). Расход смеси на 1 м скважины: глина (6-10 кг), лед (12-16 кг), вода (4-8 кг). Лед можно заменить частично или полностью льдонасыщенным торфом. Заброска в скважину рыхлого снега недопустима, так как он, не долетая до забоя, оседает на стенках скважины и заужает ее. Перед заброской кусок плотного снега, как и волокнистый материал, надо облить водой и заморозить. На рейс 0,4 м расход смеси составит около половины указанного количества. После засыпки в скважину смеси производят долочение на заданный интервал, в результате которого компоненты смеси и грунта измельчаются, перемешиваются и тампонируют стенки скважины. Это предотвращает их обрушение. Порядок операций при бурении с искусственной проморозкой: засыпка тампонирующей смеси; долочение на рейс 0,4 м; желонение. Часто для тампонирования используют только лед в количестве 12-16 кг на рейс 0,4 м. При интенсивном осыпании стенок, для того чтобы смесь в скважине замерзла и схватилась, после долочения работы в скважине приостанавливают на 20-30 мин. Затем производят вторичное долочение и желонение. Далее операции повторяют, пока интервал сыпучих пород не будет пройден.
Бурение ледниковых отложений. Широкое вовлечение в разведку россыпей, перекрытых ледниковыми отложениями, повлекло ряд существенных изменений в технологии УКБ. Для ледниковых отложений характерны: большая мощность (до 200 м и более) и несортированность материала, значительное количество (более 50%) крупных валунов и глыб. В разрезе часто встречаются слабосцементированные сушенцовые зоны. Самую большую трудность представляет бурение валунов. Если поверхность валуна горизонтальна, что встречается довольно редко, и он перекрывает все сечение скважины, то процесс бурения не затруднен, снижается только скорость углубки. Осложнения возникают лишь при выходе из валуна. Долото может пробить валун и выйти из него, не обработав стенки скважины. Тогда проворот снаряда приводит к прихвату головки долота. Чаще всего поверхность валунов находится под некоторым углом к лезвию головки долота. Нередко валун выступает в скважине только частью. В таких условиях происходит отклонение снаряда по наклонной плоскости валуна в сторону слабых пород, возможны искривления скважины и прихват снаряда. Для бурения валунистых пород необходимо применять округляющие, реже крестовые долота, с углом приострения 110-130о. Состав снаряда: при бурении без обсадки - долото, утяжеленная ударная штанга (6 м), канатный замок; при бурении с обсадкой - долото, забивная штанга, ударная штанга (4 м), канатный замок. В валунистых отложениях не следует допускать износа долота по диаметру выше 5 мм. Особое внимание надо обращать на обработку стенок и тщательно следить за подачей бурового снаряда. Высота навески должна быть 5-7 см, в этом случае хорошо обрабатываются выступающие в скважину части валунов и предотвращается соскальзывание лезвия по наклонной плоскости валуна. Высота сбрасывания максимальная, частота ударов 48-50 в минуту.
Тип долота. Правильный выбор типа долота во многом определяет качество отбираемых проб и производительность буровых работ. В ряде случаев несоответствие содержания полезного компонента по пробам фактическому в россыпи объясняется затрамбованием части металла в стенки скважины и затрубное пространство вследствие применения широкобортных, крестовых и затупленных долот, переизмельчением металла и потерей тонких фракций. В настоящее время при разведке россыпных месторождений наиболее распространенными типами долот являются плоские, округляющие, крестовые. Двутавровые долота применяются только в редких случаях для бурения вязких пород. Важнейшими конструктивными параметрами долота являются: угол приострения и число лезвий. Влияние угла приострения a при бурении россыпей многосторонне. Уменьшение угла приострения увеличивает механическую скорость бурения в слабых однородных породах, но уменьшает стойкость долота, что требует его частой заправки, а в крепких абразивных породах угол приострения должен быть существенно увеличен. Опытные данные показывают, что для бурения мягких пород a=70-80о, для пород средней твердости - 90-110о, а для твердых - 110-140о. Используемые долота имеют различное число лезвий: плоское долото - одно, крестовое - два; округляющее - одно, но оно более массивно и широкобортно, чем у плоского и считается на полтора лезвия. Уменьшение числа лезвий позволяет повысить механическую скорость бурения, что предопределяет применение плоского долота. Однако в абразивных породах плоское долото активно изнашивается, а в трещиноватых - часто заклинивается, что вызывает различного рода осложнения. Сравнительные испытания плоских, округляющих и крестовых долот в различных геолого-технических условиях показывают, что применение плоского долота, в большинстве случаев считается наиболее целесообразным, так как при этом повышается на 30-40% механическая скорость бурения и уменьшается переизмельчение породы и полезного компонента, улучшая тем самым качество опробования. Наибольшие преимущества плоские долота показывают при бурении рыхлых отложений без включения крупнообломочного материала, при бурении в трубах и при опробовании продуктивного пласта для повышения качества пробы.
Округляющие долота эффективны при бурении ниже труб в рыхлых отложениях с большим количеством крупной гальки и валунов.
Крестовые долота можно применять при бурении наиболее валунистых отложений, для разрушения отдельных крупных валунов и проходки твердых трещиноватых пород.
Разрушение пород ударным способом зависит от силы удара, которая определяется кинетической энергией R, развиваемой при падении снаряда заданной массы Q с определенной высоты S, и ускорения падения снаряда в скважине j, зависящего от плотности жидкости и состояния скважины, то есть
R = Q S j / g , (13.1)
где g - ускорение силы тяжести.
Следовательно, эффективность единичного удара тем выше, чем больше масса, высота падения и ускорение падения снаряда. Естественно, что механическая скорость бурения возрастает с увеличением частоты n наносимых по забою ударов в единицу времени.
Рассмотрим влияние и принципы подбора каждого из указанных параметров на повышение эффективности бурения.
Масса снаряда Q , участвующая в эффективном разрушении различного вида горных пород, может быть ориентировочно определена по относительной массе q, которая приходится в зависимости от твердости пород на 1 см диаметра долота D (или длины его лезвия): для мягких пород -25-30 кг/см, для пород средней твердости -35-45 кг/см, для твердых пород-50-60 кг/см. В эффективном разрушении породы на забое принимает участие часть снаряда называемая "ударной", масса которой должна быть Q >q D. Фактическая "ударная" масса снаряда определяется как
Q = Q1 + Q2 + 1/2 Q3 , (13.2)
где Q1 - масса долота, Q2 - масса ударной штанги (переходника, полуштанги), Q3 - масса раздвижной штанги, участвующей в ударе по забою.
Высота сбрасывания S и частота ударов n бурового снаряда. Эти величины взаимосвязаны и подбираются для конкретных условий таким образом, чтобы обеспечивалось свободное падение снаряда в скважине. Свободное падение снаряда обеспечивается в случае, когда время движения оттяжного ролика вверх будет равно или меньше времени свободного падения. Однако оттяжной ролик придерживает канат во второй половине своего пути, вызывая торможение бурового снаряда. Однако за счет вытяжения каната и сжатия амортизаторов мачты массой снаряда влияние торможения уменьшается. Рациональная частота ударов определяется из эмпирических выражений (2.53) и (2.54).
При выборе S и n рекомендуется исходить из следующего: с увеличением S частоту ударов n необходимо уменьшать, а при снижении S - увеличивать. Частота ударов, увеличенная выше оптимальной, приводит к рывкам каната, так как опускание оттяжного ролика (подъем снаряда) начинается раньше, чем долото достигает забоя. Удары снаряда по забою будут неполноценными.
Заниженная частота лишает снаряд возможности свободно падать. Он плавно перемещается в скважине, находясь все время в подвешенном состоянии на канате, и задерживается на забое.
Установлено, что в начале операции долочения (из скважины удален шлам) падение снаряда сдерживается более медленным движением оттяжного блока и удары по забою наносятся благодаря сжатию амортизаторов. В это время надо увеличить обороты электродвигателя станка. Наблюдаемое несоответствие сглаживается по мере накопления шлама. В конце операции долочения, когда в скважине образуется большое количество шлама, буровой снаряд начинает падать с меньшим ускорением, синхронность его падения с качаниями ударной балки вновь нарушается. Необходимо либо уменьшить число оборотов электродвигателя, либо прекратить бурение и очистить скважину. В момент забуривания скважины и при ликвидации искривления следует также снижать число ударов бурового снаряда.
Под подвеской (навеской) бурового снаряда над забоем скважины понимают расстояние между лезвием долота и забоем скважины при свободно висящем снаряде, когда оттяжной ролик находится в верхнем крайнем положении. Величина подвески весьма существенно влияет на характер и эффективность работы долота. При рациональной подвеске снаряда подъем и падение его происходит плавно, без рывков и толчков. Поэтому к моменту нанесения удара по забою скорость падающего снаряда близка к максимальной величине ее. Кинетическая энергия, расходуемая при этом на разрушение породы, будет наибольшей.
Рациональная величина подвески бурового снаряда может быть определена выражением
d = l - h (13.3)
где d - величина подвески снаряда, см; l - суммарный прирост длины каната при ударе, зависящий от сжатия амортизатора и собственного удлинения каната, см; h - глубина внедрения лезвия долота, см.
Суммарный прирост длины каната зависит от веса снаряда, под действием которого вытягивается каната и сжимается амортизатор, а также от качества и конструкции амортизатора. Сжатие амортизатора на 1 см приводит к удлинению каната примерно на 2 cм. Кроме того, это удлинение зависит от диаметра и длины каната. Чем тяжелее снаряд, меньше диаметр и больше длина каната, тем больше величина удлинения каната и больше должна быть подвеска снаряда над забоем. Установлено, что величина подвески снаряда в зависимости от характера пород и глубины скважины изменяется от 0 до 7 см. Величину высоты навески долота необходимо увеличивать с повышением твердости пород.
В процессе ударного бурения частицы разрушенной породы (шлам) можно удалять с забоя только с помощью жидкости, приводимой в движение буровым снарядом. Падающий в скважине снаряд вытесняет жидкость, струи которой подхватывают частицы породы. В результате эти частицы переходят во взвешенное состояние, увеличивая вязкость и объемный вес жидкости. Это двояко влияет на производительность бурения. С одной стороны, увеличение вязкости и объемного веса жидкости повышает сопротивление движению снаряда. Скорость падения его уменьшается и производительность бурения снижается. Но с другой стороны, увеличение вязкости и объемного веса повышает способность жидкости удерживать более крупные частицы разрушенной породы. Это сокращает расход энергии на разрушение породы и повышает производительность бурения. Если в скважине нет жидкости или удерживающая способность ее недостаточна, то частицы породы оседают и на забое образуется так называемая "подушка", поглощающая значительную часть энергии удара. Поэтому для обеспечения нормальных условий бурения в скважину подливают воду, а зашламованную жидкость периодически вычерпывают желонкой.
Скорость бурения твердых пород зависит от шламового режима. Увеличение объемного веса зашламованной жидкости до 2г/см3 незначительно влияет на конечную скорость падения снаряда. При дальнейшем же увеличении объемного веса скорость падения значительно уменьшается, а с этим связано существенное снижение силы удара и, следовательно, скорости бурения. Скорость падения снаряда и производительность ударного бурения существенно снижаются также при увеличении высоты столба шлама до 3-4 м. Уменьшать высоту столба шлама и объемный вес жидкости можно добавляя в скважину воду и периодически производя чистку ее. При бурении скважин с притоком грунтовых вод объемный вес зашламованной жидкости можно регулировать периодическим расхаживанием бурового снаряда (подъем и опускание его 2-3 раза на высоту 2-4 м). В скважинах, где нет поступления грунтовых вод, густоту зашламованной жидкости регулируют периодическим подливом воды: вначале рейса (долбления) 8-12 л, а затем по мере зашламования жидкости вода добавляется порциями в зависимости от скорости бурения и требуемой вязкости жидкости. Перед чисткой скважины рекомендуется влить сразу 20-30 литров воды и шлам тщательно перемешать расхаживанием снаряда. При объемной массе пород около 2,5 т/м3 рекомендуется поддерживать плотность пульпы (смеси воды с частицами разрушенной породы) около 1,5-1,7 кг/л, а высоту пульпы (при поднятом инструменте) около 3-3,5 м. С целью уменьшения плотности пульпы рекомендуется перед началом нового рейса доливать в скважину следующее количество воды:
- номинальный диаметр скважины, мм 150 200 250 395
- количество доливаемой воды, л 20-30 30-50 50-70 90-100
С точки зрения полноты извлечения пробы при плотности пульпы 1700кг/м3 вязкость ее рекомендуется поддерживать в пределах 22-25 с.
Величина углубки за рейс является одним из основных параметров бурового процесса при разведке россыпных месторождений, оказывающим значительное влияние на качество отбираемых проб и производительность труда. В настоящее время бурение скважин при разведке россыпных месторождений осуществляется с интервалами углубки за рейс равными 0,2; 0,4-0,5 и 1,0 м. Анализ показывает, что при интервале углубки за рейс 0,2 м обеспечивается наиболее полное извлечение породы и металла с минимальной растяжкой пласта. Поэтому опробование продуктивной толщи необходимо производить укороченными рейсами, что значительно повышает качество отбора проб. Кроме того, при интервале бурения 0,2 м извлекается проба, состоящая из более крупных фракций. Однако при проходке пустых пород целесообразно увеличивать интервал углубки за рейс до 0,5-1,0м, так как в этом случае за счет сокращения вспомогательных операций достигается повышение рейсовой скорости бурения.
Интервал забивки обсадных труб. В практике геологоразведочных работ по разведке талых россыпных месторождений при технологической схеме бурения в трубах существует мнение, что забивку обсадных труб в целик целесообразно осуществлять на возможно больший интервал, после чего следует переходить к разбуриванию и опробованию поступившей в них породы. Рациональным, однако, является соответствие интервала забивки обсадных труб интервалу опробования. Тогда относительный объем извлекаемой пробы значительно выше и составляет при рейсе 0,2 м почти 90% от расчетного объема ее. При неограниченном интервале забивки труб объем извлеченной пробы при той же величине углубки составляет, как показывает опыт работ, до 60% от расчетного. С увеличением углубки за рейс процент извлечения породы снижается еще более.
Отбор проб и очистка скважины. Пробы отбирают с помощью желонок Р-8Ж-4У. Перед началом желонения в скважину заливают 10-20 л воды. Опущенную желонку после трех-пяти ходов поршня поднимают на поверхность в воронку разгрузочного устройства. Желонение считается законченным, когда желонка поднята пустой; ее обмывают над разгрузочным устройством.
| |
Зимой желонку обогревают на всю длину. Особое внимание обращается на соответствие объема поднятой породы теоретическому. В случае резких отклонений объема поднятого грунта от теоретического принимаются меры по устранению причин расхождения (проводят глинизацию скважины или переходят на бурение с трубами).
Колонковое бурение скважин большого диаметра
Эта технология используется при сооружении разведочных и заверочных скважин на месторождениях золота и алмазов, скважин для водоснабжения и дренажа, под кондукторы глубоких нефтяных и газовых скважин, а также под фундаменты и опоры глубокого заложения. Диаметры таких скважин могут быть более 0,5 м, а глубина до 600 – 800 м.
Для буренииприменяется разнообразный технологический инструмент, в состав которого входят колонковые снаряды с различными устройства и приспособлениями для отделения керна, извлечения его из скважины, чистки скважин от шлама и кусков породы. В качестве породоразрушающего инструмента используются как твердосплавные резцовые коронки, так и коронки со смонтированными на них шарошками. В зарубежной практике для армирования коронок большого диаметра используются вставки из композиционных материалов повышенной твердости.
Прямая промывка применяется при сооружении скважин таких диаметров, где скорость восходящей струи достаточна для выноса разрушенной породы на поверхность. Затем промывочная жидкость по желобам направляется в очистную систему и после очистки от шлама возвращается для дальнейшей циркуляции. При некотором увеличении диаметра ствола прямая промывка обеспечивает удовлетворительные результаты при установке на верхней части бурового оборудования шламоулавливающего приспособления, обычно представляющего собой емкость (шламовую трубу), куда оседают более тяжелые фракции шлама. В качестве промывочной жидкости в настоящее время нашли применение глинистые растворы или техническая вода с различными добавками.
Наибольшее распространение в России и странах СНГ для разведки россыпных месторождений золота и месторождений алмазов получили колонковые снаряды и коронки, выпускаемые Тульским НИГП. Колонковый снаряд большого диаметра показан на рис. 13.1. Он состоит из коронки 1, кернорвателя 2, колонковой трубы 3 и переходника 4. Срыв и удержание керна в этих снарядах осуществляется четырьмя заклинивающими элементами 5, установленными в корпусе кернорвателя на цилиндрических осях. Характеристики этих снарядов приведены в табл. 13.1.
Рис. 13.1. Колонковый снаряд
1 - коронка;
2 – кернорватель;
3 – колонковая труба;
4 – переходник;
5 - заклинивающий элемент кернорвателя
 |
Для указанных колонковых снарядов выпускается несколько типов буровых коронок. С использованием этого инструмента пробурено более 15 тыс. м. скважин глубиной от 5-30 м (россыпи золота) до 200-300 м и более (месторождения алмазов) по талым и многолетнемерзлым породам Ш-УШ категории буримости (по классификации для колонкового бурения) в Якутии, Архангельской обл., Киргизской республике, на Алтае и в других регионах. При этом использовались буровые установки ЗИФ-650М, ЗИФ-1200 МР, 1БА-15В, УРБ-ЗАМ и другие. В зависимости от типа коронок, геолого-технических условий и правильности выбранных режимов бурения проходка на коронку достигает 40-80 м и более. Механическая скорость бурения в зависимости от категории пород по буримости колеблется от 3-5 м/ч до 14-20 м/ч, углубка за рейс составляет от 1,0 до 3,5 м.
Шарошечный породоразрушающий инструмент разработан для колонкового бурения скважин больших диаметров в породах средней твердости установками колонкового бурения УКБ-0,8 (конструкция ЦНИГРИ), БШК-1250 (конструкция Гидропроекта) и УКБ-1250 (конструкция МГРИ).
Шарошечные колонковые буры УКБ-1250, УКБ-0,8 и БКШ-1250 имеют, в основном, однотипную конструкцию и состоят из цилиндрического корпуса со шламоприемником в верхней части и шарошками, размещенными на лапах, присоединенных к торцовой части бура. Стенки корпуса бура делаются одинарными или двойными. Между шламоприемником и корпусом устанавливается сплошная перегородка, в центре которой закреплена труба с фланцем или муфтой для соединения с колонной бурильных труб.
Таблица 13.1
Колонковые снаряды большого диаметра
| Наименование показателя | Тип снаряда | ||
| БС 168 | БС 219 | БС 273 | |
| Колонковая трубы |
|
|
|
| Диаметр, мм | |||
| наружный | 168 | 219 | 273 |
| внутренний | 150 | 201 | 255 |
| Длинна, мм | 2000-3000 | 1500-2000 | 1500-2000 |
| Масса, кг | 70-105 | 70-93 | 88-117 |
| Коронка |
|
|
|
| Диаметр, мм | |||
| наружный | 172 | 224 | 278 |
| внутренний | 144 | 188 | 242 |
| Высота, мм | 105 | 115 | 115 |
| Числор резцов (пластинок твердого сплава), шт | 6 | 6-8 | 8-12 |
| Форма пластинок | 02251 | 02271 | 02271; 02251 |
| Резба | специальная трапецеидальная | ||
| длина, мм | 45 | 45 | 45 |
| шаг, мм | 10 | 10 | 10 |
| Масса, кг | 2,5 | 4,5 | 10,0 |
| Кернорватель |
|
|
|
| Диаметр, мм | |||
| наружный | 172 | 224 | 278 |
| внутренний | 144 | 188 | 242 |
| Масса, кг | 4,7 | 5,9 | 13,5 |
В колонковом буре УКБ-1250 в нижней части корпуса закреплено кольцо, в котором размещаются гидроцилиндры керноотделительного устройства, а в двойных стенках корпуса запрятаны трубопроводы гидросистемы.
В колонковом буре БКШ-1250 стенки корпуса выполнены одинарными, а лапы с шарошками крепятся к короночному кольцу. Последнее, в свою очередь, посредством заклепок прикрепляется к корпусу колонкового бура. Лапы присоединяются к буру либо болтами, либо посредством сварного шва.
Особенностью колонкового бура УКБ-0,8 является размещение в нижней и верхней частях его центрирующих шарошек, обеспечивающих устойчивое положение его в скважине. Центрирующие шарошки создают более спокойный режим работы шарошек и их опор, повышают время их работы на забое за счет уменьшения динамической составляющей осевой нагрузки.
Параметры режима бурения этим инструментом определяются, в основном, величиной предельно допустимой нагрузки на опору и условиями вращения колонны бурильных труб в скважине большого диаметра. Допустимая нагрузка на опору шарошки бура БКШ-1250 не превышает 20кН. Следовательно, общая осевая нагрузка при шести установленных шарошках не должна превышать 120кН.
Исходя из условия обеспечения нормальной работы бурильной колонны, скорость вращения колонкового бура рекомендуется принимать в пределах 10-40 об/мин. При шарошечном бурении расход промывочной жидкости, обеспечивающий достаточную очистку скважины, зависит от величины зазора между короночным кольцом и забоем. Так, при величине зазора 10-20 мм и расходе 5 л/с обеспечивается хороший вынос шлама в шламоприемник.
Более эффектны колонковые буры, используемые в установке УМБ-20А. Это модификация УБСР-25М для бурения скважин диаметром до 700 мм и глубиной до 20 м во многолетнемерзых породах с очисткой забоя воздухом. Буровая установка комплектуется шарошечным (рис. 13.2) и пневмоударным (рис. 13.3) бурами.
Шарошечный бур предназначен для бурения скважин в многолетнемерзлых отложениях с небольшим включением валунно-галечного мате-риала. Бур представляет собой корпус сварной конструкции в виде двойной колонны труб, имеющей в верхней части фланец, а в нижней - башмак, оснащенный двухшарошечными долота-ми. Он представляет собой корпус сварной конст-рукции в виде двойной колонны труб, имеющей в верхней части фланец, а в нижней – башмак, осна-щенный двухшарошечными долотами.
В корпусе бура монтируется механизм подрезки и удержания керна. Усилие подрезки керна передается от гидроцилиндра, встроенного в вертлюг-сальник оригинальной конструкции, через систему толкателей, смонтированных в бурильных трубах. В выдвинутом (рабочем) положении резцы при подъеме бура над забоем открывают керн и удерживают его при подъеме.
Пневмоударный бур, предназначеный для бурения валунов и коренных пород, оснащен четырьмя серийными пневмоударниками П-105. Корпус бура и подрезное устройство аналогичны используемым в конструкции шарошечного бура. Оба они оснащены откидными шламосборниками. Для обеспечения очистки забоя скважины и работы пневмоударников установка УБМ-20А комплектуется двумя компрессорами НВ-10 с производительностью до 10 м3/мин каждый, соединенных в одну линию.
Бурение с расширением стволов скважин
Бурение скважин с расширением их стволов до требуемого проектным заданием диаметра, особенно в твердых породах, является сложным и энергоемким процессом, но в некоторых случаях достаточно эффективным.
Так, технология бурения вентиляционных скважин большого диаметра глубиной до 250 м в твердых породах с помощью геологоразведочного оборудования и инструмента разработана и реализована в Таджикистане. Станком ЗИФ-1200А специальными долотами-расширителями пробурены две вентиляционные скважины диаметром 590/425 мм в породах VIII-X категории по буримости по следующей технологии.
Долото-расширитель, конструкция которого показана на рис. 13.4, состоит из корпуса, в нижнюю часть которого ввертывается переходник длиной до 2 м и долото типа К, ТК или ТКЗ диаметром 215,9 мм, а по бокам на двух уровнях различного диаметра крепятся с помощью сварки четыре и шесть секций трехшарошечных долот одного из названных типов. Для бурения пород IX-X категорий используются две нижние ступени долота. Вершины конусов секций двух верхних
Рис. 13.4. Долото-расширитель
1 – корпус; 2 – брусок 100х100х60 мм; 3 – брусок 100х80х60 мм; 4 – секции трехшарошечного долота; 5 – переходник-центратор; 6 – трехшарошечное долото
ступеней попадают в разбуренное пространство. Поэтому расширение скважины производится средними и периферийными венцами секций долота. Секции шарошек чередуются таким образом, чтобы была обеспечена равномерная обработка всей площади забоя скважины.
После проходки шурфа и установки кондуктора в его центре долотом d = 215,9 мм с центратором забуривается опережающая скважина. Тип долота определяется в зависимости от твердости пород. После углубки скважины на 10 - 15 м это долото извлекается и опускается трехсекционное (d=215,9/425/590 мм), которым бурятся породы до VIII категории включительно. Опережающая скважина разбуривается до ¾ ее длины. Затем с помощью долота d = 215,9 мм порода измельчается, скважина очищается от скопившегося в ней крупного шлама и бурится следующий интервал протяженностью 10—15 м. Далее опять производится бурение долотом-расширителем и описанные циклы повторяются до выхода более твердых пород, где применение трехступенчатого долота-расширителя неэффективно. Пробуренный интервал крепится трубами 530x7 мм, в которые методом погружения доливается раствор (в нижней части труб устанавливается деревянная пробка) и цементируется.
Бурение пород IX-X категорий начинается инструментом d = 215,9 мм типа К или ТК. Опережающая скважина бурится с помощью долота-расширителя d = 215,9 мм с центратором. Циклы бурения и расширения чередуются до достижения проектной глубины. При этом рекомендуется сохранять глубину опережения 8-10 м с целью создания аккумулирующего пространства для осыпающихся при разбурке породы и шлама из раствора.
Пробуренный интервал также крепится трубами и цементируется.
Эффективная технология расширения стволов скважин в мягких породах разработана в Тульском НИГП. Одним из путей существенного сокращения затрат на получение представительных проб увеличенного объёма при обеспечении возможности бурения скважин серийно выпускаемыми установками является расширение до нужного размера ствола «рядовой» скважины в зоне продуктивного пласта с помощью расширителей-пробоотборников. Эта технология применима и при сооружении геотехнологических скважин.
Расширитель и пробоотборник для отбора представительной пробы увеличенного объёма должны обеспечивать возможность отбора пробы не только в заданном интервале, но и строго заданной формы и объёма, а также обеспечивать надежное транспортирование пробы на поверхность.
Указанным требованиям наиболее полно отвечают технические средства, включающие собственно расширитель-пробоотборник и дополнительные пробоотборники (ПС и ПСП).
Расширитель-пробоотборник (рис. 13.5) состоит из корпуса 1, к которому шарнирно на осях 2 крепятся расширительные лопасти 3, снабженные роликами 4. Режущие концы лопастей 5 армированы твердым сплавом. Внутри корпуса находится подвижный клин-шток 6. В нижней части клин-шток выполнен в виде незамкнутой скобы 7 с накидной втулкой 8.
Рис. 13.5. Расширитель-пробоотборник
1 – корпус расширителя; 2 – оси крепления лопастей; 3 – лопасти; 4 – ролики; 5 – режущие части лопастей; 6 – клин-шток; 7 – незамкнутая скоба; 8 – накидная втулка; 9 – стойка опорная с пятой; 10 – муфта замковая; 11 – пружина возвратная; 12 – стопорный палец
С помощью этих устройств к клину-штоку присоединяется опорная стойка с пятой 9, которая в зависимости от условий работы может быть заменена шламосборником. В верхней части корпуса расширитель снабжен переходником (муфта замковая) 10, с помощью которого он крепится к колонне бурильных труб. Внутри корпуса расширителя над верхней частью клинаштока установлена возвратная пружина 11, удерживающая клин-шток в нижнем транспортном положении. Палец 12 клина-штока, опираясь на перемычку в корпусе, удерживает клин-шток с опорным устройством на весу при спуске расширителя в скважину и подъёме из неё.
Расширитель в собранном виде на колонне бурильных труб опускается в скважину и устанавливается на забой. Для предотвращения преждевременного случайного раскрытия лопастей при спуске в скважину лопасти стягиваются проволочным хомутом (на рисунке не показано).
При достижении забоя включается вращение снаряда и создается осевая нагрузка, под действием которой корпус 1 с лопастями 3 опускается вдоль клина-штока 6, сжимая пружину 11. При этом лопасти 3, накатываясь роликами 4 на клиновидные поверхности клина-штока 6, разрывают проволочный хомут (если он был установлен), расходятся в стороны и выводятся в рабочее положение. При дальнейшем движении вниз ролики 4, накатываясь на параллельные грани клина-штока 6, фиксируют лопасти в одном положении на весь интервал расширения, чем обеспечивается постоянный диаметр разбуриваемой скважины. Подача бурового снаряда с вращением осуществляется до полного образования цилиндрической каверны в продуктивной зоне на весь интервал опробования. Разрушенный материал собирается на забое. По окончании расширения расширитель без вращения извлекают из скважины. При подъёме корпуса 1 пружина 11, разжимаясь, выталкивает клин-шток до тех пор, пока ролики 4, перекатываясь по параллельным граням клина-штока 6, не попадут в его клиновидную самую узкую часть, позволяя лопастям 3 убраться в исходное (транспортное) положение, а клин-шток, опираясь пальцем 12 о перегородку в корпусе 1, повиснет на ней. На поверхности расширитель очищают от шлама, собирая его для опробования, отсоединяют от колонны бурильных труб, присоединяют к ним пробоотборник скважинный и производят очистку скважины от разбуренной породы.
При незначительной мощности пласта возможна замена опорной стойки с пятой 9 на специальный шламосборник. В этом случае разбуриваемая расширителем порода собирается в шламосборник и поднимается на поверхность после завершения цикла расширения.
Пробоотборник состоит из корпуса 1 к нижней части которого присоединены башмак 2 и опора 3 (рис. 13.6). Башмак снабжен режущими лопастями 4, установленными под определенным углом и шарнирно закрепленными клапанами 5, которые через шарнирно-стержневую систему, включающую толкатель 6 и шток 7, соединены с ведущей квадратной втулкой 8, взаимодействующей с головным переходником 9. Ведущая втулка жестко связана с замковой муфтой 10.
Пробоотборник работает в пробуренной скважине после того, как определенный интервал продуктивного пласта расширен расширителем и продукты разрушения осели на забой. Замковой муфтой 10 пробоотборник присоединяется к колонне бурильных труб и опускается в скважину. При этом клапаны 5 удерживаются в закрытом состоянии. При достижении забоя пробоотборник опирается на него лопастями 4 башмака, а подвижная система, включающая муфту замковую 10, ведущую втулку 8, шток 7 и толкатели 6, опускается вниз и открывает клапаны 5. Включают вращение и прикладывают небольшую осевую нагрузку, при этом разрушенная порода заполняет корпус. После заполнения пробоотборника вращение выключают и поднимают его на поверхность. Вначале поднимается подвижная система, принудительно закрывая клапаны. На поверхности пробоотборник устанавливают на твердое основание (шламоприемник), подвижная система опускается, принудительно открывая клапаны, и пробоотборник разгружается от шлама. После разгрузки пробоотборник промывается чистой водой.
 |
Рис. 13.6. Пробоотборник скважинный ПС
1 – корпус пробоотборника; 2 – башмак; 3 - опора; 4 – лопасти башмака; 5 – клапаны башмака; 6 – толкатели шарнирно-стержневой системы; 7 – шток; 8 – втулка ведущая квадратная; 9 - переходник головной; 10 – муфта замковая
Дата добавления: 2022-11-11; просмотров: 108; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!