Конспект лекций БС. 2. Конспект лекций БС. Конспект лекций по дисциплине "бурение скважин на твердые полезные ископаемые" для студентов специальности
 Скачать 0.63 Mb.
|
|
Мск = /16D ³ tск, где d- диаметр керна, ск – допустимое напряжение на скалывание. Следовательно, с увеличением диаметра керна возрастают его прочность и стойкость против разрушения. Отрицательное влияние на сохранность керна оказывают вибрации снаряда, особенно поперечные. Поэтому к числу важнейших технических и 38 технологических мероприятий относятся обеспечение нормальных условий работы бурильной колонны. Параметры режима бурения подбираются в соответствии с характери- стикой горных пород. Наибольшее влияние на сохранность керна оказывает частота вращения (биение снаряда, вибрации) и расход промывочной жид- кости (в рыхлых, хрупких породах). К числу факторов организационного порядка можно отнести (на примере бурения на каменноугольных месторождениях): - cвоевременная геологическая документация на буровой, пополнение разреза и увязка его с проектным; - своевременное письменное предупреждение буровой бригады об интер- вале встречи пласта полезного ископаемого; - бурение по пласту полезного ископаемого в присутствии комиссии (т.наз. комиссионные пласты); - наличие надежной оперативной связи буровой с базой; - заблаговременная подготовка технических средств подъема керна и средств контроля; - обучение бурового и младшего геологического персонала, обмен опытом; - использование материальных и моральных стимулов повышения качест- ва опробования. - 13.3 ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТБОРА ПРОБ Образцы пород или проб полезных ископаемых можно получить либо в прцессе бурения скважин, либо после бурения - из стенок скважины. При этом в процессе бурения с помощью колонковых снарядов получают керно- вый материал или шлам, а после бурения – из стенок скважины в требуе- мом интервале. К последнему способу прибегают в случае плохого выхода керна или при бескерновом бурении. 13.3.1 Двойные колонковые снаряды и их конструктивные элемен- ты Двойные колонковые снаряды (ДКС) являются основным средством от- бора проб. В зависимости от конкретных условий к ним могут предъявлять- ся следующие требования: - предотвращение разрушения керна при его формировании и вхождении в керноприемную трубу; - предупреждение размыва керна потоком промывочной жидкости; - предохранение истирания от трения и воздействия вибрации кернопри- емной трубы; - обеспечение свободного выхода промывочной жидкости из керноприем- ной трубы при заполнении ее керном (дренирование жидкости); - возможность отбора наряду с керном проб шлама; - предупреждение или снижение влияния самозаклинивания керна; - возможность бурения по породам различной твердости; - обеспечение сохранности образца при его извлечении из керноприемной трубы. 39 Конструктивные элементы ДКС могут выполняться в следующих вариан- тах. 1. Сочленение наружной и внутренней труб: - Жесткое сочленение с присоединением наружной и внутренней труб к переходнику на резьбе, при бурении обе трубы вращаются; - крепление внутренней трубы на подшипниковом узле, при бурении внут- ренняя труба тормозится породой и не вращается; - телескопическое сочленение, при котором внутренняя труба не вращает- ся в процессе бурения и может перемещаться относительно наружной в продольном направлении. 2. Способ формирования керна: - обуривание коронкой на наружной трубе; - наличие коронок на наружной и внутренней трубах; - обуривающая коронка на наружной трубе и керноформирующий нако- нечник (штамп) на внутренней; штамп опережает обуривающую коронку или отстает от нее. 3. Способ вытеснения (дренирования) жидкости из керноприемной тру- бы: Дренирующий канал может перекрываться шаровым клапаном, а вытес- няемый керном поток жидкости направляться : - навстречу рабочему нисходящему потоку, - в межтрубный зазор, - в затрубное пространство. Эти варианты отличаются разным сопротивлением, создаваемым вы- тесняемому потоку. Наиболее благоприятный последний вариант. 4. Способ срыва и удержания керна: - использование заклиночного материала, транспортируемого по буриль- ной колонне (в ДКС применения не находит, - затирка всухую, при кратковременном прекращении промывки, - применение кернорвательных и керноудерживающих устройств (пружин- ные кольца, пауки и т.д.) - заклинивание керна осевшим шламом. 5. Средство сохранения образца керна: - внутренняя керноприемная труба, - разъемная керноприемная кассета, - внутренний эластичный рукав. По характеру циркуляции промывочной жидкости ДКС подразделяются на : I - с прямой схемой циркуляции ; II –с обратной призабойной циркуляцией, когда восходящий поток полно- стью или частично направляется внутрь керноприемной трубы. ДКС с прямой схемой циркуляции промывки Из большого разнообразия конструкций ДКС, предназначенных для бурения в крепких породах рудных месторождений, наибольшее распро- странение получили трубы серии ТДН и ТДВ конструкции ВИТР. В ТДВ (труба двойная с вращающейся внутренней) жесткое сочленение труб, а в 40 ТДН (труба двойная с невращающейся в процессе бурения внутренней) – крепление внутренней трубы на подшипниковом узле. Трубы этой серии включают три модификации. ТДВ-1 и ТДН-1 оснащаются стандартной алмазной коронкой, что обуслов- ливает малый межтрубный зазор и, следовательно, необходимость исполь- зования для промывки воду. Нисходящий поток промывочной жидкости по- ступает во внутреннюю трубу через сверления на расстоянии 200-300 мм от забоя. Предназначена для бурения по монолитным и слабо трещинова- тым породам VIII-X категории. ТДВ-2 и ТДН-2 оснащены специальными толстостенными алмазными ко- ронками, межтрубный зазор увеличен, что обеспечивает использование более вязких промывочных жидкостей. Керн омывается только на интерва- ле коронки. Предназначены для бурения в трещиноватых породах. ТДН-4 предназначена для бурения интенсивно трещиноватых, переме- жающихся по твердости пород. Оснащена специальной утолщенной алмаз- ной коронкой с вертикальными сверлениями в матрице, поэтому промывка поступает непосредственно на плоскость забоя, не контактируя с керном. Технические средства бурения по угольным пластам Каменный уголь относится к породам малой твердости ( IV категория по буримости) и характеризуется повышенной хрупкостью, поэтому он легко разрушается при бурении. Формирование керна для обеспечения его сохранности обычно произво- дится путем вдавливания неподвижного стального наконечника-штампа. Кроме того, керн предохраняется от воздействия на него потока промывоч- ной жидкости и керноприемной трубы. Труба Алексеенко (ДТА-2) Труба двойная телескопического сочленения с дополнительной внут- ренней керноприемной разъемной кассетой. Подвеска внутренней трубы на штоке, который размещается в сальнике (подшипник скольжения). Телеско- пическое сочленение обеспечивается наличие муфты включения с двумя продольными пазами, куда входят выступы (сухари) шпинделя. Перемеще- ние наружной трубы относительно внутренней на 50 мм при постановке на забой и подрыве инструмента обеспечивает выход пружинного паука из-под штампа для удержания керна. Рабочий поток жидкости поступает на забой по межтрубному зазору, а дренирующий поток проходит через шарико-клапан и направляется по соот- ветствующим каналам в затрубное пространство. Вращение передается от шпинделя с сухарями на муфту включения и далее через наружную трубу на коронку. Внутренняя труба ниже шаровой опоры не вращается. Осевая нагрузка передается через сухари на муфту включения, наруж- ную трубу и коронку, а также через шаровую опору – на внутреннюю трубу и штамп. Формирование керна производится только путем вдавливания штампа, поэтому труба предназначена только для угольных пластов простого строе- ния. Опережение штампа составляет 2-5 мм в зависимости от твердости уг- ля (регулируется толщиной ограничительных шайб). 41 Недостатки: конструкция узла подвески внутренней трубы не всегда гарантирует отсутствие ее вращения; керноудерживающее устройство не обеспечивает надежное удержание керна при подъеме, особенно при большой газонасыщенности пласта; угольные пласты сложного строения приходится перебуривать в несколько приемов. ДКС серии ДонбассНИЛ Трубы этой серии разработаны в ДонбассНИЛ (г. Ростов) и включают три модификации со следующими общими конструктивными признаками: трубы двойные телескопического сочленения с подвеской внутренней тру- бы на подшипнике качения через пакет тарельчатых пружин, внутренняя труба оснащена штампом, а наружная – твердосплавной коронкой. Удержа- ние керна – за счет специальной конфигурации штампа с внутренним об- ратным конусом. ДонбассНИЛ – I предназначена для бурения по пластам простого строения. Опережение штампа изменяется автоматически в зависимости от твердости угля. Формирование керна осуществляется только путем вдав- ливания неподвижного штампа. ДонбассНИЛ – II - ДКС комбинированного действия фрикционного ти- па. Между вращающейся и невращающейся частями размещен фрикцион, ведущие диски которого жестко связаны с верхним переходником, а ведо- мые – с керноприемной трубой. При бурении по углю диски разомкнуты, штамп не вращается, и формирование керна происходит путем его вдавли- вания. При встрече твердых прослоев пород реакция забоя возрастает, внутренняя труба за счет сжатия пакета тарельчатых пружин перемещается вверх, диски фрикциона смыкаются и передают вращение на внутреннюю трубу. Твердые породные прослои перебуриваются вращающимся штам- пом, оснащенным микрорезцами. При входе в нижний слой угля пружина разжимается, диски фрикциона размыкаются, и формирование керна вновь происходит при вдавливании неподвижного штампа. ДонбассНИЛ – III -ДКС комбинированного действия вибрационного ти- па. Вместо фрикционных дисков имеются ведущие и ведомые кулачки (роли- ки), которые при бурению по углю разомкнуты, а при встрече твердых про- слоев и сжатии пружины соприкасаются. При этом верхние кулачки перека- тываются по неподвижным нижним, возбуждая вибрационные и ударные импульсы, обеспечивающие пробивание породного прослоя неподвижным штампом. Средства керногазового опробования угольных пластов. Газовое опробование с целью прогнозирования газообильности уголь- ных пластов может осуществляться несколькими способами: посредством проведения газового каротажа, когда анализируется газ, выходящий на по- верхность с потоком промывочной жидкости; при отборе проб газа в сква- жине путем изоляции угольного пласта и отсасывания газа путем вакууми- рования с помощью газоотборников типа КИИ, но наибольшее применение 42 находит отбор пробы газа совместно с керном при бурении с помощью га- зокернонаборников. Газокернонаборник КА-61 Конструкция основана на принципе ДТА-2 с включением в состав снаряда газосборника с системой клапанов – одного верхнего и двух нижних. При спуске снаряда все три клапана открыты: нижние - вследствие раз- мещения между ними разжимного штока, длина которого больше, чем рас- стояние между закрытыми клапанами, а верхний – оттесняется отжимным штоком, на буртик которого надавливает отжимной крючок. Крючок фикси- руется в нижнем положении введением его в горизонтальный паз наружного штока. При спуске снаряда промывочная жидкость заполняет его, вытесняя воздух. После постановки снаряда на забой и передачи вращения крючок отводится шпилькой ниппеля в вертикальный паз, и под действием пружины верхний клапан закрывается. Газ, который выделяется из керна при бурении и подъеме снаряда, по- ступает через нижние клапаны в газосборник, вытесняя из него жидкость через дренажную трубку в межтрубный зазор. После подъема снаряда и от- соединения газосборника от керноноприемника нижние клапаны автомати- чески закрываются. Окончательная герметизация проб керна и газа производится дополни- тельным наложением хомута на место выхода дренажной трубки и навин- чиванием герметизирующего колпака на штамп. Проверка надежности гер- метизации проб – путем погружения керноприемника и газосборника в ем- кость с водой. 13.3.2 Технические средства с обратной промывкой Обратная схема циркуляции промывочной жидкости в пределах ко- лонкового снаряда имеет ряд преимуществ по сравнению с прямой: снижа- ется вероятность возникновения самозаклинивания керна, его взаимного истирания; меньше размывается керн, так как интенсивность внутреннего потока можно существенно снизить ; предоставляется возможным отбирать в дополнение к керну и пробу шлама, устанавливая внутренний шламосборник на пути восходящего потока. Внутренний восходящий поток можно создавать в пределах всего буро- вого снаряда, герметизируя устье скважины и нагнетая промывочную жид- кость в затрубное кольцевое пространство, или только на интервале колон- кового снаряда с помощью специальных устройств для создания обратной призабойной циркуляции промывочной .жидкости. Первый способ не нашел широкого применения из-за трудности надежной герметизации устья сква- жины, сложности бурения в зонах интенсивного поглощения. Более широко применяются технические средства для , создания обратной призабойной циркуляции. Безнасосное бурение Снаряд для безнасосного бурения представляет собой обычный ко- лонковый набор со шламовой трубой, но снабженный шаровым клапаном и шламопроводящей трубкой со сливными окнами. Сущность этого способа 43 бурения состоит в том, что используется жидкость, находящаяся в скважи- не, а ее циркуляция в пределах колонкового снаряда создается путем его расхаживания. При подрыве снаряда на некоторую высоту от забоя .жидкость перемеща- ется из наружного кольцевого пространства в колонковую трубу, при этом клапан перекрывает осевой канал. Во время движения снаряда к забою клапан поднимается под давлением жидкости, и она вместе со шламом вы- ливается через сливные окна в шламовую трубу, где шлам оседает. Таким образом, при расхаживании бурового снаряда осуществляется периодиче- ская внутренняя циркуляция. Безнасосное бурение применяют: - для повышения выхода керна по породам I-VIII категории по буримости, которые легко размываются и растираются при бурении с промывкой (не- которые сорта бурых углей, мягкие железные руды, бокситы, пески, плы- вуны); - при инженерно-геологических изысканиях для получения образцов пород с ненарушенной структурой; - при забуривании скважин в сильно размывающихся породах. К недостаткам этого способа бурения относится повышенный износ кана- та, труб, бурового оборудования, утомительный труд бурового персонала. Снаряды пакерного типа с напорным восходящим потоком Принцип работы таких снарядов основан на создании дополнительных гидравлических сопротивлений на пути прохода жидкости в затрубный за- зор и уменьшения сопротивлений на пути внутреннего восходящего потока. Дополнительные сопротивления в затрубном пространстве создаются уста- новкой уплотнений (пакеров), полностью или частично перекрывающих кольцевой зазор, или применением коронок без выхода резцов наружу. При использовании ДКС рабочий поток промывочной жидкости поступа- ет по межтрубному зазору на забой, а затем разделяется пропорцио- нально гидравлическим сопротивлениям на наружный и внутренний восхо- дящие потоки. На пути внутреннего восходящего потока устанавливается шламосборник. Выход этого потока в затрубное пространство – выше паке- ра. К снарядам этого типа относятся ДКС типов ТДН –О, СО-ИМР и др. Области рационального их применения относятся толщи полезных иско- паемых, представленные интенсивно трещиноватыми, перемежающимися по твердости горными породами, склонными к избирательному истиранию керна..В некоторых снарядах для повышения представительности шламо- вых проб применяются устройства для очистки забоя скважины от шлама перед началом рейса. Эжекторные колонковые снаряды Принцип работыэжекторных колонковых снарядов (ЭКС) основан на преобразовании с помощью струйного насоса энергии потока промывочной жидкости, за счет чего в верхней части колонкового набора создается раз- режение, а у забоя - повышенное давление, что обеспечивает всасывание жидкости внутрь. В соответствии с уравнением Бернулли энергия потока жидкости 44 Е = h + v / 2g +P/ , то есть определяется суммой трех составляющих, первая из которых зависит от геометрической высоты, вторая - от скорости течения (кинетиче- ская составляющая энергии потока) и третья – от давления жидкости (по- тенциальная составляющая). Применительно к потоку в пределах колонкового набора первой состав- ляющей можно пренебречь как весьма малой по сравнению с глубиной скважины и рассматривать энергию потока как сумму двух составляющих. При изменении площади сечения потока его энергия остается неизменной. Следовательно, если сечение канала для прохода жидкости уменьшается и возрастает скорость, то давление жидкости снижается и, наоборот, с уменьшением скорости давление растет. Струйные насосы находят применение для нагнетания жидкости (инжек- торы), всасывания (эжекторы) и для подъема (гидроэлеваторы). Для созда- ния обратной призабойной циркуляции используются эжекторы. В состав такого струйного насоса входят сопло (насадка с суживающимся сечением канала), приемная камера, камера смешения с ее входным участком - кон- фузором и диффузор - канал с расширяющимся сечением. Создание обратной призабойной циркуляции обеспечивается следую- щим образом: рабочий поток промывочной жидкости поступает по буриль- ной колонне к соплу, на выходе из которого скорость потока резко возраста- ет, что обусловливает создание зоны разрежения в приемной камере. Струя захватывает часть жидкости из приемной камеры и направляется в камеру смешения и далее в диффузор, на выходе из которого смешанный поток имеет минимальную скорость, но максимальное давление. Здесь поток раз- деляется на восходящий, равный рабочему, и нисходящий (эжектируемый), который еще под достаточно большим давлением поступает к забою. Давление жидкости у забоя скважины выше, чем в приемной камере и перепад давлений обеспечивает всасывание жидкости внутрь колонкового снаряда. Этот восходящий поток проходит через внутренний шламосбор- ник, и очищенная от шлама жидкость поступает через сверления в прием- ную камеру. Интенсивность эжектируемого потока определяется коэффициентом эжекции Кэ = Qэ / Qр , то есть отношением расходов эжектируемого и ра- бочего потоков. По мере проходки, заполнения колонковой трубы керном и зашламования сопротивления эжектируемому потоку возрастают, перепад давления уменьшается, что приводит к постепенному снижению его интен- сивности. При достижении Кэ= 0 вся жидкость после выхода из диффузора будет направляться по затрубному зазору к устью скважины. Дальнейшее бурение приведет к перегреву коронки и прижогу. Для устранения вероятности прижога используют двойные ЭКС, в кото- рых смешанный поток поступает по межтрубному зазору к коронке, после чего делится на наружный и внутренний восходящий потоки. В этом случае даже при прекращении эжекции коронка будет омываться жидкостью и ох- лаждаться. Основным недостатком ЭКС является малая углубка за рейс, определяе- мая временем функционирования эжектируемого потока. |