Конспект лекций БС. 2. Конспект лекций БС. Конспект лекций по дисциплине "бурение скважин на твердые полезные ископаемые" для студентов специальности
 Скачать 0.63 Mb.
|
|
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ТЕХНИКИ РАЗВЕДКИ МПИ ПАХОМОВ И. Н. ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ “БУРЕНИЕ СКВАЖИН НА ТВЕРДЫЕ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ” ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ “БУРЕНИЕ” М ДНЕПРОПЕТРОВСК – 2016 2 ВВЕДЕНИЕ В зависимости от вида полезных ископаемых бурение скважин может производиться на жидкие (вода, нефть), газообразные или твердые иско- паемые. Это во многом определяет специфику техники и технологии буре- ния. Особенностями бурения скважин на твердые полезные ископаемые является: 1.Бурение ведется, как правило, колонковым способом, т.е. с отбором колонки керна, и лишь некоторые ограниченные интервалы скважин могут буриться сплошным забоем без отбора керна. 2.В отличие от бурения на жидкие и газообразные полезные ископае- мые диаметры скважин существенно меньше, что определяет специфику технологии бурения и конструкцию скважин. 3.Значительно отличается техника и технология опробования. Скважина –это цилиндрическая горная выработка малого диаметра и относительно большой протяженности. Диаметры скважин находятся в диапазоне 36-151 мм, а глубины до 1500-2000 м. Место пересечения сква- жины с дневной поверхностью называется устьем, а дно – забоем, по- верхность цилиндра- стенки скважины. В зависимости от угла заложения скважины могут быть наклонными, вертикальными, горизонтальными или восстающими. Способы бурения можно классифицировать по различным признакам: По форме забоя скважины: а/ бурение кольцевым забоем (колонковое); б/ бурение сплошным забоем (бескерновое). По способу очистки забоя а/ с помощью очистного агента (промывки или продувки скважины), б/ с помощью специальных устройств (шнеки, же- лонки и т.д.), т.е. без очистного агента. По способу подведения энергии к забою скважины: а/ с помощью двигателя, установленного на поверхности, б/ с помощью забойных элек- трических или гидравлических двигателей. По способу извлечения керна из скважины: а/ с помощью колонкового снаряда, извлекаемого из скважины после каждого рейса при подъеме бу- рильной колонны, б/ с помощью съемных керноприемников на канате без подъема бурильной колонны, в/ с гидротранспортом керна восходящим по- током промывочной жидкости. По типу породоразрушающего инструмента: а/ коронками твердо- сплавными или алмазными, б/ долотами режущего типа или шарошечными. 1.СОСТАВ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИКО- ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ Процесс сооружения скважины включает подготовительный, основной и заключительный этапы. Подготовительный этап включает следующие виды работ и опе- раций: 1.Вынос точки заложения скважины на местность. 3 2.Планирование площадки под буровую. 3.Оборудование циркуляционной системы для промывочной жидкости. 4.Установка фундаментов под буровую вышку и станок. 5.Монтаж вышки, бурового здания и оборудования. 6.Подготовка подъездных путей, линий электропередачи. 7.Проверка готовности буровой к производству работ и прием ее спе- циальной комиссией. Перечисленные виды работ относятся, в основном, к сооружению от- носительно глубоких скважин с использованием стационарных или пере- движных буровых установок. При бурении скважин самоходными установ- ками на небольшие глубины работы подготовительного этапа существенно сокращаются. Основной этап включает собственно бурение, сопровождающие его операции и другие необходимые виды работ. Бурение осуществляется пу- тем чередования рейсов. Рейс состоит из собственно бурения и сопутст- вующих ему операций: подготовки к рейсу (сборка колонкового снаряда, производство необходимых замеров и т.д.), спуск бурового снаряда, дохо- ждение до забоя, собственно бурение с остановками на наращивание и пе- рекрепление, заклинивание керна, подъем бурового снаряда и извлечение керна. При бурении обычно выполняются дополнительные работы, связан- ные с обслуживанием скважины, бурового оборудования и инструмента (крепление обсадными трубами, борьба с геологическими осложнениями, проведение скважинных исследований, замена элементов бурового снаря- да, профилактический осмотр, смазка и текущий ремонт оборудования). Кроме необходимых работ бурение может сопровождаться непредви- денными затратами времени на простои и ликвидацию аварий. Заключительный этап включает проведение завершающих иссле- дований в скважине и замеров (глубины скважины, параметров искривле- ния), извлечение обсадных труб, ликвидационное тампонирование, демон- тажные работы, рекультивацию площади. СХЕМА БАЛАНСА РАБОЧЕГО ВРЕМЕНИ Чистое бурение (Тчб) Простои (Тпрост) Спускоподъемные и вспом. Аварии (Тав) операции в рейсе (Т спво.) Вспомогат. операции по обслуж. скважины (Тво) КАЛЕНДАРНОЕ ВРЕМЯ (Ткаленд.) Производит. время ( Тпр.) Непроизв. время (Тне (Тнепр .) 4 Тех. обслуживание оборудования (Тто) Монтаж-демонтаж оборудования (Тмд) Перевозка (Тпер) Основные показатели, по которым оценивается эффективность про- цесса бурения следующие: Механическая скорость Vмех=L / Tч.б., м/ч , где L – количество пробуренных метров. Уровень этой скорости зависит от свойств горных пород, конструкции породоразрушающего инструмента и технологии бурения. Рейсовая скорость V рейс.= L / Т ч.б.+Т спво = L / Т рейс, м/ч.. Величина этой скорости характеризует дополнительно еще и глубину сква- жины, а также оперативность выполнения спуско-подъемных операций. Техническая скоростьV тех.= L / Т рейс.+ Т во + Т то.,м/ч По уровню этой скорости можно дополнительно оценить сложность условий ведения работ Коммерческая скорость (Производительность) V комм.= L / T календ. Величина этой скорости определяется общими затратами времени на бу- рение скважин, включая непроизводительное время на аварии и простои. Размерность этой скорости, м / станко-месяц. Углубка за рейс l рейс. При колонковом бурении не превышает длину колонковой трубы и составляет в среднем 3.5-4 метра. Удельный расход алмазов q = Q кор./ L кор., карат/м., где Q кор.- содержание алмазов в коронке, карат; L кор.- проходка на коронку. Стоимость метра бурения определяется как частное от деления стоимости станко-смены на сменную производительность. Для оценки эффективности бурения используются и другие показатели. 2.СОСТАВ БУРОВОГО СНАРЯДА При колонковом бурении буровой снаряд состоит из колонкового на- бора и бурильной колонны. 2.1 Колонковый набор и конструкция его элементов Колонковый набор состоит из коронки, кернорвательного устройства (при алмазном бурении совмещенного с расширителем), колонковой трубы, верхнего переходника и в некоторых случаях - шламовой трубы. Коронка состоит из стального короночного кольца и режущих элементов. Короночные кольца изготавливают из трубной заготовки. Высота кольца 55- 65 мм. Оно включает гладкую и резьбовую части. Резьба трапецеидального профиля с шагом 4 мм, длина резьбы 30 мм. Внутренняя стенка верхней части короночного кольца расточена на конус для размещения в нем кер- норвательного кольца или заклиночного материала при срыве керна. На- ружные диаметры коронок геологоразведочного стандарта составляют: 36; 46; 59; 76; 93; 112; 132; 151 мм . Кернорвательное устройство состоит из пружинного кернорватель- ного кольца и корпуса кернорвателя (при алмазном бурении корпусом слу- жит расширитель). 5 Кернорватели разработаны для алмазных коронок диаметром от 46 до 76 мм и для твердосплавных - диаметром от 59 до 112 мм. При бурении кольцо охватывает столбик керна и находится в корпусе (расширителе), а при подрыве колонкового снаряда коронка находит конусной расточкой на разрезное пружинное кольцо и сжимает его, обеспечивая отрыв керна от массива горной породы. Колонковые трубы служат для размещения колонки керна. Они изго- тавливаются из легированной стали с пределом прочности при растяжении 6 50 МПа и пределом текучести не менее 380 Мпа длиной 1,5; 3; 4.5 и 6 метров. Колонковые трубы могут соединяться ниппелями. Основные раз- меры колонковых труб следующие: Наружный диаметр труб: 34; 44; 57; 73; 89; 108; 127; 146 мм. Толщина стенки соответственно 3.0; 3.5; 4.5; 5.0 (трубы 73 мм и более). На обоих концах колонковой трубы нарезана внутренняя трапецеидальная резьба с шагом 4 мм. Переходники служат для соединения колонковых труб с бурильной колонной. Они могут быть двойными с фрезерной насечкой в верхней части и тройными, имеющими дополнительно левую резьбу под шламовую трубу. Верхняя внутренняя резьба переходника может быть под ниппельное со- единение, под ниппель замка бурильной колонны или под бурильную трубу. Пример обозначения переходника: П1-50 / 108 (двойной переходник, со- единяющий колонковую трубу диаметром 108 мм и бурильную колонну диаметром 50 мм ). Кроме стандартных переходников могут применяться также специаль- ные (сливные, отсоединительные и др). Отсоединительные (противоава- рийные) переходники служат для отсоединения бурильной колонны от ко- лонкового набора в случае его прихвата в скважине. Принцип устройства основан на использовании элементов с незатягивающейся резьбой боль- шого шага. Шламовые трубы предназначены для дополнительной очистки сква- жины от шлама. Изготавливаются из трубных заготовок, предназначенных для колонковых труб. Открытые вверху, они имеют внизу левую резьбу для соединения с тройным переходником. Такие трубы применяются при недо- статочном расходе промывочной жидкости, большом кольцевом зазоре между бурильными трубами и стенками скважины или при наличии тяжело- го шлама или крупных его частиц. 2.2 БУРИЛЬНАЯ КОЛОННА Выполняет следующие функции: Передача осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент. Передача вращения и крутящего момента. Подача очистного агента на забой скважины. Доставка аварийного инструмента при ликвидации аварии. Доставка тампонажных смесей и некоторые другие функции. Требования к бурильной колонне: Высокая прочность на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. 6 Герметичность, Малое гидравлическое сопротивление, Сбалансированность. Конструкция бурильной колонны должна обеспечивать возможность механизации спускоподъемных операций. По виду материала бурильные колонны могут быть стальными из ле- гированных сталей 36Г2С, 40Х, 30ХГС и др. - (СБТ ), а также легкосплав- ными, изготовленными из алюминиевого сплава Д16Т (ЛБТ). При проведении спуско-подъемных операций бурильная колонна разъединяется на отдельные звенья, называемые бурильными свечами, которые устанавливаются в буровой вышке в вертикальном положении. Длина свечи зависит от высоты вышки и изменяется от 9 до 18.5 метров. Бурильные трубы свинчиваются в свечи при помощи муфт или ниппелей, а свечи в бурильную колонну – при помощи бурильных замков или ниппелей. В соответствии с этим бурильные колонны подразделяются на муфтово – замковые и ниппельные. Основные типы бурильных колонн следующие Типы буриль- ных колонн Шифр Наружный диа- метр, мм Примечание Стальные муфто- во-замкового со- единения СБТМ 42;50;63.5;73 Твердосплав. и бес- керновое бурение Стальные нип- пельного соеди- нения СБТН 33,5;42;50 Твердосплавно- алмазное бурение (старая нормаль) 42;54;68 Алмазное бурение (новая нормаль) Легкосплавные муфтово- замкового соеди- нения ЛБТМ 54 Твердосплавно- алмазное бурение Легкосплавные ниппельного со- единен. ЛБТН 32;42;54;68 Алмазное бурение Утяжеленные бу- рильные трубы УБТ 73;89;108 Твердосплав. и бес- керновое бурение Кроме перечисленных выше типов бурильных колонн разработаны и другие конструкции, в том числе: - для бурения снарядами со съемными керноприемниками специальные бурильные колонны наружным диаметром 70 мм муфтово-замкового со- единения и диаметром 43;55 и 70 мм соединением “труба в трубу”; - для бурения с гидротранспортом керна двойная бурильная колонна стальная диаметром 73 мм и легкосплавная диаметром 75 мм. 7 Бурильные колонны муфтово-замкового соединения находят в настоящее время широкое применение. Их преимущества состоят в вы- сокой прочности резьбовых соединений, малых гидравлических сопротив- лениях из-за большого проходного сечения, быстроте свинчивания – раз- винчивания. Их недостаток - несбалансированность вследствие наличия утолщенных по сравнению с трубами соединительных элементов. Трубы имеют на концах наружную резьбу треугольного профиля с от- носительно небольшой конусностью (1/16) и внутреннюю высадку. Матери- ал - сталь 36Г2С. Наружная поверхность подвержена закалке токами высо- кой частоты для повышения износостойкости. Муфты и замки изготавливаются из стали повышенного качества 40Х, 40ХН и тоже подвергаются индукционной термообработке на глубину 1,5- 2,5 мм за исключением участков вблизи торцов с трубной резьбой (для возможности соединения с ловильным инструментом в случае обрыва). Бурильный замок состоит из однопрорезного ниппеля и двухпрорезной муфты. Прорези служат для соединения с подкладной, отбивной вилками и элеватором при проведении спускоподъемных операций. Ниппель и муфта замка соединяются быстроразъемной замковой резьбой треугольного про- филя с большой конусностью (1/5) Бурильные колонны ниппельного соединения более предпочтите- льны для алмазного бурения, при котором применяются высокие частоты вращения. Основная особенность таких колонн состоит в гладкоствольности по наружному диаметру, так как соединительные элементы - ниппели имеют тот же диаметр, что и бурильные трубы. В СБТН старой нормали в качестве соединительных элементов при- меняются ниппели однопрорезные / тип А/ и двухпрорезные / тип Б / с ци- линдрической резьбой трапецеидального профиля. С помощью ниппелей типа А бурильные трубы соединяются между собой в свечи, а два ниппеля / А+ Б / составляют замок для соединения свечей между собой. В СБТН новой нормали используются ниппели трех видов: для со- единения свечей - однопрорезные / тип А / и двухпрорезные / тип Б / с ци- линдрической резьбой для соединения с трубами и конусной треугольно-го профиля – для соединения между собой, а также однопрорезные ниппели типа В с цилиндрической резьбой для соединения труб. Легкосплавные бурильные колонны используются для уменьше- ния затрат мощности двигателя на бурение и увеличения возможной глу- бины скважин. В ЛБТН ниппельные соединения / ниппели типов А и Б / из- готовлены из стали 40ХН.Соединение трубы с ниппелем неразборное (на самотвердеющем герметизирующем клее). В ЛБТМ –54 замки изготовлены из стали 40ХН, а муфты из стали 36Г2С. Использование легкосплавных бурильных труб обеспечивает умень- шение на 20-30% энергоемкости процесса бурения. Недостатки таких ко- лонн - высокая стоимость и относительно малая прочность на изгиб. Утяжеленные бурильные трубы характеризуются увеличенной толщиной стенки и наружным диаметром, приближенным к диаметру сква- жины. Их рекомендуется устанавливать в нижней части бурильной колонны 8 для снижения интенсивности искривления скважины, более эффективной передачи осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент и облегче- ния условий работы бурильной колонны. Толщина стенки УБТ диаметра 73 мм составляет 19 мм, 89 мм - 22 мм и 108 мм – 26 мм. Трубы соединяются между собой с помощью замков. В некоторых конструкциях УБТ применяет- ся соединение замков с трубами на сварке. Масса 1 метра УБТ составляет 25,3 кг при диаметре труб 73 мм; 36,1 кг (89 мм) и 54,2 кг (108 мм). Общую массу УБТ рекомендуется подбирать из условия: G убт =( 1,2- 1,25 ) С ос , где С ос .- осевая нагрузка. При таком условии опасное сечение бурильной колонны при бурении будет проходить через УБТ. К вспомогательным элементам бурильной колонны относятся: Переходники – для соединения элементов колонны с разной резьбой; центраторы в качестве опорно-центрирующих элементов для создания промежуточной опоры бурильной колонны о стенки скважины, стабилиза- торы, служащие для сохранения жесткой соосности колонны и оси скважи- ны на определенном интервале. В отличие от центраторов они имеют большую длину (20-30 диаметров бурильной трубы). 2.3 ЭКСПЛУАТАЦИЯ БУРИЛЬНЫХ КОЛОНН Бурильная колонна работает в очень тяжелых условиях, испытывая различные напряжения. Осевая нагрузка на породоразрушающий инст- румент создается массой всей бурильной колонны (при небольших глу- бинах скважин) или ее нижней части, при этом вся колонна или часть ее ис- пытывает напряжения сжатия, которые достигают максимальных значений у забоя скважины. Если осевая нагрузка передается нижней частью бу- рильной колонны, верхняя ее часть находится в растянутом состоянии, и напряжение растяжения достигают максимума у устья скважины. Кроме на- пряжений растяжения и сжатия бурильная колонна воспринимает при буре- нии напряжения кручения (по всей длине колонны) и изгиба ( в сжатой час- ти) При этом напряжения могут носить знакопеременный характер, что еще более осложняет условия работы бурильной колонны. Поэтому правилам эксплуатации бурильных колонн необходимо уделять серьезное внимание. Причинами отказов (обрывов) бурильных колонн могут быть: - брак в изготовлении; - абразивный износ (от трения о стенки скважины); - эрозионный износ (коррозия металла); - усталость металла. Брак в изготовлении выявляют в процессе входного |