Конспект лекций БС. 2. Конспект лекций БС. Конспект лекций по дисциплине "бурение скважин на твердые полезные ископаемые" для студентов специальности
 Скачать 0.63 Mb.
|
|
8. БУРЕНИЕ С ГИДРОТРАНСПОРТОМ КЕРНА Сущность способа состоит в использовании двойной бурильной ко- лонны, когда промывочная жидкость подается на забой скважины по меж- трубному зазору, а поднимается по центральному каналу, транспортируя на поверхность керн и разрушенную породу. Для бурения этим способом используются буровые установки КГК-100 и КГК-300 (соответственно на 100 и 300 м). Области применения – мягкие по- роды I-IV категории с прослоями более твердых пород при бурении карти- ровочных, поисковых скважин, а также разведочных на некоторые виды по- лезных ископаемых. 31 Скважины проходятся, как правило, без крепления обсадными трубами, с промывкой водой, в течение одного рейса. По сравнению с обычным спо- собом производительность возрастает в 3-4 раза, и коммерческая скорость достигает 10-12 тысяч метров в месяц. В состав комплексов входит Буровая установка УРБ-2А-2ГК , смонтированная на базе автомобиля ЗИЛ-131, с подвижным вращателем с приводом от гидромотора. Ход вращателя 5200 мм., что обеспечивает проведение спускоподъемных операций с помощью гидроцилиндра, без использования лебедки. Часто- та вращения 140, 225 и 325 об/мин. Насос НБ4-320/63 с максимальной подачей 320 л/мин. Специальная бурильная колонна, состоящая из наружных труб, стальных диаметром 73 мм (КГК-100) или из алюминиевого сплава диаметром 75 мм (КГК-300) и внутренних, легкосплавных, диаметром 48 мм. Наружные трубы соединяются с помощью резьб, а внутренние- с помощью подвиж- ного безрезьбового соединения. Колонна внутренних труб подпружинена с помощью аммортизатора.Трубы собраны в секции из наружных, внут- ренних труб и центраторов. Система промывки, включающая промывочный сальник с керноотводя- щим патрубком большого радиуса закругления, нагнетательные и слив- ные рукава и вентиль для подачи промывки в центральный канал колон- ны труб или в межтрубный зазор. Керноприемное устройство, включающее транспортер с ручным приво- дом, кернопремные лотки и пескосборник. Стеллаж для труб. В качестве породоразрушающего инструмента используются специаль- ные твердосплавные коронки диаметром 76, 84 и 92 мм, а также алмазные коронки, Коронки диаметром 76 мм применяются в устойчивых породах, 84 мм – имеют расширяющие ребра и предназначены для вспучивающихся и неус- тойчивых пород II-IV категории, а 92 мм –для бурения в мощных толщах сы- пучих отложений и плывунов. При бурении поток жидкости не контактирует со стенками скважины, что значительно уменьшает потери промывочной жидкости и позволяет бурить даже в зонах интенсивного и катастрофического поглощения, Однако отсут- ствие потока жидкости в затрубном пространстве приводит к его зашламо- ванию, прихватам снаряда. Поэтому бурение этим способом сопровождает- ся непрерывным расхаживанием снаряда, и к числу режимных параметров относятся: - осевая нагрузка, - частота вращения, - расход промывочной жидкости, - частота и высота расхаживания снаряда, - крутящий момент. Осевая нагрузка составляет от 450-600 даН в породах II категории (пес- ки, суглинки) до 1200-1400 даН в прослоях крепких пород. 32 Частота вращения составляет 140 об/мин в мягких, 225 об/мин в твердых породах. Расход промывочной жидкости рекомендуется принимать от 120-160 л/мин в мягких породах до 160-200 л/мин в твердых. Скорость восходящего потока должна находиться в пределах 1,5-2,3 м/с. Интервал расхаживания снаряда –через 0,5-1 метр углубки в мягких по- родах, 1-2 м –в твердых. Высота подрыва снаряда уменьшается с увеличе- нием твердости пород и находится в пределах 0,5-1,5 м. Керн может поступать на поверхность в виде отдельных кусков /цилиндров/ высотой от 2-3 см в крепких породах до 30-50 см в мягких, вяз- ких. Для обеспечения привязки породы с глубиной скважины углубка пе- риодически прекращается до полного выноса породы на поверхность. Из числа осложнений при бурения наиболее часто происходит закли- нивание керна при транспортировке его на поверхность – в бурильной ко- лонне или керноотводящем патрубке сальника. Для ликвидации самоза- клинивания используют подачу промывки в центральный канал труб , в том числе с продавливанием деревянной пробки, а также встряхивание снаря- да, обстукивание керноотводящего патрубка. 9. БУРЕНИЕ С ПРОДУВКОЙ При бурении в качестве очистного агента может применяться не только промывочная жидкость, но и сжатый воздух, имеющий ряд преимуществ: - неограниченное количество и в любом месте, - малая вязкость и плотность, - хорошая сжимаемость, - низкая теплоемкость и теплопроводность. Эти преимущества обеспечивают хорошую очистку забоя скважины вследствие мгновенного расширения сжатого воздуха и турбулентности восходящего потока, отсутствие противодавления столба жидкости на забой, снижение теплового воздействия на стенки скважины. Бурение с продувкой характеризуется высокой механической скоростью. Рациональными областями применения этого способа являются без- водные разрезы, сложенные нелипкими и несыпучими породами; в слу- чаях интенсивных поглощений и обвалов при использовании промывки; в условиях вечной мерзлоты, высокогорья и пустынных районах. При бурении сжатый в компрессоре воздух поступает в компенсатор (ресивер), затем во влагоотделитель и охладитель (при бурении в мерзлых породах), а оттуда через сальник - в бурильную колонну и на забой скважи- ны. Отработанный воздух выводится через герметизатор устья скважины за пределы буровой. Используются компрессоры общего назначения с рабочим давлением 0,6- 0,8 Мпа и производительностью 5-9 .м³./с. Необходимая производитель- ность компрессора Q = 60 V вп Fкп К, .м³/мин, где Vвп –скорость восходящего потока воздуха в кольцевом пространстве между бурильной колонной и стенками скважины, м/с (10-15 м/с при буре- 33 нии коронками и 20-25 м/с –долотами).; Fкп –площадь кольцевого простран- ства, м.²; К- коэффициент запаса (1,05-1,1 при бурении до 200 м и 1,25-1,3 – до 500 м.) Необходимое давление компрессора Р =q L Pм, Мпа, Где L – глубина скважины,м ; q – удельные потери давления, МПа/м (0,0015 МПа/м); Pм- потери давления в поверхностной обвязке компрессора (0,1-0,3 МПа). В качестве породоразрушающего инструмента используются обычные твердосплавные коронки, алмазные коронки с улучшенной системой охлаж- дения и долота. Наиболее успешно бурение ведется при отсутствии водопритока. Ос- ложнения могут здесь возникать лишь в липких и рыхлых породах. При наличии водопритока возможны следующие осложнения: 1. При незначительных водопритоках (зона влажности на буровом инстру- менте) может происходить налипание частиц шлама на увлажненных трубах и стенках скважины, 2. При ограниченном водопритоке (вода омывает колонковый набор и часть труб) – интенсивное сальникообразование. 3. При умеренном водопритоке ( статическое давление жидкости до 0,8 от давления компрессора)- наиболее благоприятные условия бурения, об- разования сальников почти не происходит. 4. При обильном водопритоке, когда статическое давление жидкости пре- вышает возможное давление компрессора бурение с продувкой нера- ционально. 10. БЕСКЕРНОВОЕ БУРЕНИЕ Этот способ не относится к колонковому бурению, но часто с ним соче- тается и используется в разведочном бурении на твердые полезные иско- паемые при проходке толщ заведомо непродуктивных пород, при достаточ- но хорошо изученном геологическом разрезе скважин (верхние интервалы, отработанные горизонты и т.п.) При бурении сплошным забоем углубка за рейс не ограничена длиной колонковой трубы и зависит только от износостойкости долота, что обеспе- чивает уменьшение затрат времени на спускоподъемные операции. Кроме того, с использованием долот возрастает обычно и механическая скорость бурения, что и предопределяет в целом эффективность бескернового бу- рения. В качестве породоразрушающего инструмента применяются долота ре- жущего типа (лопастные долота, пикобуры) и долота дробяще- скалывающего типа – шарошечные. Долота режущего типа бывают одно-, двух-, трех- и четырехлопастные, армированные твердосплавными резцами, выпускаемые серийно, а также местного изготовления – пикобуры. Область их применения – породы мяг- кие и средней твердости. Наибольшее применение находят шарошечные долота. Они состоят из секций, которые имеют лапы с консольно закрепленными осями, на кото- рых расположены шарошки. Секции сварены в общий корпус, на верхней 34 части которого имеется резьба для соединения с бурильной колонной. По количеству шарошек могут быть одно-, двух- и трехшарошечные долота. Вооружением шарошек служат зубья с наплавкой твердого сплава (зубча- тые шарошки) или твердосплавные штыри (штыревые шарошки). Шифр шарошечного долота содержит информацию о его основных конст- руктивных параметрах. Например: II 112 М – Ц В 1 2 3 4 5 1 – количество шарошек, 2 – диаметр долота (аналогичны диаметрам коронок), 3 – тип по назначению: М - для мягких пород, С - средней твердости, Т - для твердых, К – для крепких, ОК –для особо крепких пород. Выпускаются доло- та и для промежуточных разностей пород (МС, СТ, ТК и др.) 3 – система циркуляции очистного агента: Г – гидромониторные долота, Ц – с центральным каналом для промывки, П – для бурения с продувкой. 4 – тип опоры: А – 1 подшипник качения, 2- скольжения (тихоходная), Н – 2 качения и 1 скольжения (низкооборотная), В – 3 качения (высокооборот- ная). В зависимости от наклона оси вращения шарошек относительно оси до- лота изменяется характер разрушения породы с преобладанием дробле- ния или проскальзывания со скалыванием. Чем мягче порода, тем преду- смотрено большее проскальзывание шарошек со сколом породы, а в до- лотах, предназначенных для бурения крепких пород ( К, ОК) проскальзы- вание отсутствует, и порода разрушается в результате только дробления. В зубчатых шарошках высота зубьев уменьшается от долот типа М до Т, а угол заострения увеличивается. При выборе режимов бурения бескерновым способом рекомендуется исходить из следующего. При использовании долот режущего типа удельная осевая нагрузка должна составлять от 60 даН/см диаметра долота (I-II категория пород) до 100 даН/см.; окружная скорость – в пределах 0,8-1,2 м/с; удельный расход жид- кости 12-20 л/мин/см. При бурении шарошечными долотами удельная осевая нагрузка - от 150- 200 даН/см (для долот типа М) до 400-500 (тип К); окружная скорость – 1- 1,2 м /с в абразивных и 1,5-2 м/с –в малоабразивных породах; скорость восходящего потока - в пределах 0,4-0,8 м/с. В целом для бурения бескерновым способом необходимо создавать высокие осевые нагрузки (в твердых и крепких породах до 2500-3500 даН при диаметре долота 76 мм), повышенный расход промывочной жидкости и использовать средний уровень частот вращения. Для эффективной передачи осевой нагрузки и предупреждения значи- тельного искривления скважин рекомендуется бурильную колонну оснащать утяжеленными бурильными трубами, а колонковую трубу исключать из со- става снаряда. 35 13. ОПРОБОВАНИЕ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН Основная цель бурения скважин состоит в получении геологической ин- формации о горных породах, прежде всего, о полезных ископаемых. Досто- верность и полнота этой информации связаны с качеством опробования при бурении. 13.1 ПОНЯТИЕ О КАЧЕСТВЕ И ТРЕБОВАНИЯ К ПРЕДСТАВИТЕЛЬНОСТИ ПРОБ К числу задач, которые решаются в процессе бурения скважин отно- сится определение размеров и формы залежи полезного ископаемого, оценка количества и качества полезного ископаемого, геологического строения, свойств горных пород, горно-геологических условий эксплуатации месторождения и т.д. Все эти и другие подобные задачи решаются с ис- пользованием данных опробования при бурении. Задачи опробования могут быть различны в зависимости от стадии разведки. Так, при поисковых работах первоочередной задачей является выявление факторов полезной минерализации, при геокартировании керновый мате- риал должен обеспечить стратиграфическое расчленение разреза, при предварительной разведке необходимо дать предварительную оценку толщи полезного ископаемого, а при детальной - еще и технологические особенности, условия эксплуатации ( такие как устойчивость пород почвы и кровли, водообильность, газоносность и т.д.). В соответствии с этим требо- вания к отбору проб дифференцированы в зависимости от целей разведки. Основным видом пробы при бурении является керн, и показатели его отбора можно охарактеризовать как с количественной, так и с качественной стороны. Количество пробы оценивается по выходу керна, который может опре- деляться линейным, весовым или объемным способами. Линейный способ: Вк = Lпр. / Lин.· 100% , где Lпр.-длина пробы (керна); Lин .- длина пройденного интервала (углубка за рейс). Весовой способ: Вк = (Рфакт./ Ртеор.)· 100%, то есть отношение теоретически возможной и фактически полученной мас- сы пробы керна. Фактическая масса определяется путем взвешивания проб, а теоретическая – как произведение теоретического объема цилиндра кер- на на плотность породы. Объемный способ: Вк =( Vф/ Vтеор)·100%, то есть по соотношению фактического и теоретически возможного (при пол- ном выходе керна) объемов керна. Фактический объем определяется путем окунания керна в мерную емкость, а теоретический - по теоретическому объему цилиндра керна. На практике наибольшее применение находит линейный способ оценки выхода керна, но при получении кусков неправильной формы, извлечении интенсивно разрушенных пород более приемлемы другие способы. 36 Под качеством пробы понимается соответствие вещественного состава пробы условиям недр и степень сохранности структурно-текстурных осо- бенностей. Сохранность вещественного состава зависит от степени однородности пород и их структурно-текстурных особенностей. В однородных по составу и механическим свойствам породах получение даже небольшой части пробы позволяет оценить состав пород всего пройденного интервала. В не- однородных, перемежающихся по твердости породах или при наличии включений более мягких пород при бурении происходит неравномерное истирание керна, когда в первую очередь разрушаются более мягкие про- слои или включения, то есть избирательное истирание керна. Это может привести к существенным погрешностям в оценке качества пробы. В зависимости от того, представлен ли полезный компонент мягкими или твердыми прослоями, при избирательном истирании может происходить обогащение пробы (истирание вмещающих пород) или ее обеднение, разу- боживание (потеря при истирании полезного компонента). 13.2 ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА УСЛОВИЯ СОХРАННОСТИ КЕРНА На сохранность керна могут оказывать влияние геологические, техни- ческие, технологические и организационные факторы. Из числа геологических факторов наибольшее влияние оказывают твер- дость горных пород, прочность связи между частицами, степень трещино- ватости, сланцеватость, перемежаемость по твердости, углы падения по- род. В зависимости от этих и других факторов геологического характера мо- жет происходить размыв керна мягких пород или при слабой связи между частицами, взаимное истирание кусков керна при его раскалывании. Наибо- лее сложные условия получения керна - в трещиноватых, перемежающихся по твердости породах и при крутых углах падения пластов. В последнем случае часто происходит самозаклинивание керна при его раскалывании по слабым плоскостям. Верхняя часть керна под действием собственного веса и потока промывочной жидкости скользит по плоскости скола вниз и раскли- нивается в колонковой трубе, воспринимая на себя осевую нагрузку. Углуб- ка прекращается, и рейс вынужденно прерывается. Разработан ряд классификаций горных пород по трудности получения керна. Так, в классификации С.С.Сулакшина породы классифицируются в зависимости от связи между частицами и подразделяются на : 1. Неустойчивые породы, связь между частицами которых отсутствует - рыхлые, сыпучие, интенсивно трещиноватые породы. 2. Слабоустойчивые, с недостаточно прочной связью - сланцеватые, рас- сланцованные и перемежающиеся по твердости породы. 3. Временно устойчивые, которые теряют устойчивость под воздействием промывочной жидкости - многолетнемерзлые породы, глины, склонные к оплыванию, минеральные соли, склонные к растворению. 37 4. Устойчивые породы с прочной, преимущественно кристаллизационной связью между частицами - крепкие, монолитные или слабо трещинова- тые. В классификации, разработанной ВИТР, в основу положены механиче- ская прочность и абразивность пород, степень трещиноватости и связь ме- жду частицами. На месторождениях каменного угля необходимо также учитывать сле- дующие факторы: - Вещественный состав угля. В зависимости от него угли можно условно подразделить на блестящие, полублестящие, полуматовые и матовые, Прочность угля возрастает от блестящих к матовым. - Степень метаморфизма угленосной формации. Наименее прочны угли средней степени метаморфизма (марок Ж,К,ОС, относящиеся к кок- сующимся маркам), тогда как малой степени метаморфизма (Д, Г) и вы- сокой (ПА, А) меньше подвержены разрушению. - Строение пласта может быть простое (один слой угля) и сложное (не- сколько слоев угля, разделенных прослоями вмещающих пород, обычно более высокой твердости). Условия формирования керна угля и вме- щающих пород различны, что затрудняет опробование пластов сложного строения. - Мощность пласта отражается на выходе керна, так как при бурении по пластам большей мощности доля потерь при встрече меньше. - Характер залегания пласта: чем больше различие в буримости пород кровли и угля, тем более четко определяется момент встречи. Технические и технологические факторы определяются техническими средствами и технологией бурения по полезным ископаемым. Керн может разрушаться при его формировании на забое скважины, при размещении в колонковой трубе под воздействием потока промывочной жидкости, трения и вибраций, взаимного истирания, а также при его извлечении. Из числа технических факторов на условия сохранности керна наиболь- шее влияние оказывают следующие: - Cпособ бурения определяет скорость разрушения породы, а следова- тельно и продолжительность влияния неблагоприятных факторов, плавность работы коронки, степень разработки керна и скважины, Наи- более благоприятны условия сохранности керна при алмазном бурении. - Конструкция коронки определяет выход резцов наружу и внутрь, склон- ность к поперечным перемещениям, приводящим к разрушению керна. Более устойчиво работают коронки со ступенчатой формой торца. - Диаметр бурения определяет диаметр керна и соответственно его проч- ность на скалывание. Момент скалывания |