Способы бурения

Размещено на http://www.allbest.ru/

СПОСОБЫ БУРЕНИЯ



Колонковое бурение

бурение колонковый скважина вибромолот

Колонковое бурение - наиболее распространенный способ проходки картировочных, структурных, поисковых и разведочных скважин. Колонковое бурение особенно широко применяется при разведке месторождений твердых полезных ископаемых. При производстве работ на нефть и газ колонковым способом выполняются большие объемы бурения структурно-поисковых скважин. Применяется оно и при инженерно-геологи- ческих и гидрогеологических исследованиях, в сейсморазведке - для закладки взрывчатых веществ; в большом объеме применяется и для других технических целей, например, для нагнетания цемента и битума при создании водонепроницаемых завес в трещиноватых породах при инженерных сооружениях и т. п. Колонковым способом в крепких породах иногда проходят разведочные шурфы.

Широкое применение колонкового бурения в геологической службе объясняется тем, что оно обеспечивает получение ненарушенных образцов в виде столбика или колонки горных пород (керна) на всем протяжении скважины; отсюда происходит и название - колонковое бурение. Керн (колонка) позволяет получить наиболее надежную геологическую документацию; по данным керна определяются геологическое строение месторождения, глубина залегания и мощность полезного ископаемого, проводится его опробование, подсчитываются запасы, выявляются горнотехнические условия эксплуатации. На основании этих данных месторождение полезного ископаемого передается горным предприятиям для организации добычи.

Особенно наглядно достоинства колонкового бурения проявляются при разведке в условиях преобладания твердых пород, когда можно бурить скважины малых диаметров (36, 46, 59 мм) и получать кондиционный выход керна. При кольцевом забое объем разрушения горных пород в 3-5 раз меньше, чем при бурении сплошным забоем. Поэтому установки колонкового бурения значительно легче и транспортабельнее установок других систем, рассчитанных для бурения на одни и те же глубины.

Преимущество колонкового бурения перед другими видами проходки скважин заключается еще и в том, что оно обеспечивает проходку практически под любым углом к горизонту. Если к этому добавить, что экономические показатели колонкового бурения выше, чем при других видах бурения, то становится ясной весьма значительная роль колонкового бурения при обеспечении разведанными запасами минерального сырья промышленности и народного хозяйства страны.

Для осуществления проходки скважин колонковым способом используется поверхностное и забойное оборудование.

Поверхностное оборудование состоит из бурового станка, насоса, двигателя и вышки (мачты); вместе они составляют буровой агрегат, или буровую установку. Буровые установки бывают стационарные и передвижные; в последнем случае станок, насос и двигатель монтируются на салазках или на колесном ходу, на гусеницах; у самоходных агрегат монтируется на автомашине.

Забойное, или подземное оборудование состоит из породоразрушающего инструмента в колонковом наборе, колонны бурильных и обсадных труб.

Для разрушения горных пород при проходке скважин применяют алмазы как самые твердые минералы на земле, твердые сплавы и дробь - чугунную, литую стальную и дробь-сечку. Отсюда различают виды колонкового бурения - алмазное, твердосплавное и дробовое. Алмазы и твердые сплавы крепятся в торце короночного кольца, представляющего собой короткий патрубок с резьбой на верхнем конце. Такое устройство породоразрушающего инструмента обеспечивает бурение по кольцу, в то время как в центре коронки образуется столбик породы - керн.



Режущие и истирающие материалы

Алмазы

До 1930-1931 гг. колонковое бурение называлось алмазным, потому что для разрушения горных пород на забое применялись почти исключительно алмазы. В настоящее время для этой цели применяются: 1) алмазы, 2) твердые сплавы, 3) дробь чугунная и стальная.

Алмазы были применены в колонковом бурении ранее других материалов, потому что они являются самыми твердыми. Алмаз по абсолютной шкале твердости в 140 раз превышает твердость корунда, в ~820 раз - твердость топаза и в ~3170 раз - твердость кварца.

С другой стороны, кварц обладает твердостью, только в 3 раза превышающей твердость полевого шпата и в 18 раз - твердость апатита.

Отсюда понятно, почему в бурении алмазы имеют особое значение.

В технике различают следующие типы алмазов: борты, балласы и карбонаты.

Борты представляют собой крупнокристаллическую разность алмазов светлых тонов; они характеризуются хрупкостью, поэтому даже от легких ударов разрушаются. Наибольшую ценность представляют мелкие борты для изготовления мелкоалмазных (импрегнированных) коронок.

Балласы отличаются от бортов радиальнолучистым строением с твердой мелкокристаллической оболочкой. Среди алмазов они имеют наивысшую твердость, однако также отличаются хрупкостью.

Карбонаты имеют почти аморфное строение, поэтому отличаются наибольшей вязкостью, менее чувствительны к ударам. Они имеют металлический черный блеск (цвет воронова крыла), обладают весьма высокой твердостью и стойкостью на истирание.



Схема буровой установки колонкового бурения и забойного оборудования к нему:

I - копер (вышка); II - откос; III - буровой станок; IV - насос; V - электродвигатель; VI - двигатель; VII - направляющая труба. 1 - коронка; 2 - колонковая труба; 3 - переходник с колонковой трубы на колонну штанг; 4 - колонна штанг; 5 - вертлюг-сальник; 6 - подъемный крюк; 7 - талевый блок, 8 - шпиндель станка; 9 - патроны, зажимающие верх колонны штанг; 10 - подъемная лебедка; 11 - регулятор подачи станка; 12 - нагнетательный шланг; 13 - керн; 14 - отстойные желоба; 15 - отстойный бак; 16 - приемный бак: 17 - всасывающий рукав; 18 - талевый канат; 18 a - неподвижный конец каната; 19 - индикатор веса; 20 - манометр индикатора веса; 21 - манометр бурового насоса; 22 - верхняя рама с кронблоком; 23 - ноги копра (вышки); 24 - пояса; 25 - раскосы копра; 26 - фундаментные тумбы

Для бурения отбираются алмазы, обладающие близкой к шарообразной формой. Единицей измерения для алмазов является карат, равный 200 мг (0,2 г). По величине в бурении применяются алмазы крупные - 0,75-1,5 карата и более и мелкие - 0,05-0,25 карата.

Способ вставки алмазов в коронки зависит от их величины. Крупные алмазы чеканятся. Для чеканки крупных алмазов необходимо иметь набор слесарного (тиски, пилы, дрель, зубила, молотки и т. п.) и измерительного (мерные линейки, циркули, штангенциркуль и т. п.) инструмента. Кроме того, нужны каратные весы.

На рис. 8.2 изображена крупноалмазная коронка. Камни по размерам таковы, что один камень в торце не перекрывает тело коронки, поэтому их располагают в шахматном порядке: один выставляют наружу, второй внутрь. Например, в алмазную коронку диаметром 46 мм (самую ходовую) вставляют шесть-восемь алмазов.

Крепление мелких алмазов (рис. 8.3) в коронках производится следующими тремя способами:

1) Способ спекания. Кольцевая пресс-форма заполняется металлическим порошком; поверх в определенном порядке укладываются алмазы; масса спрессовывается при высоком давлении и спекается при высоких температурах, полученное кольцо припаивается или приклепывается к торцу коронки.

2) Способ насыщения заключается в том, что мелкие алмазы перемешиваются с металлическим порошком, смесь прессуется и спекается.

3) Литой способ отличается oт предыдущих тем, что в специальной форме укрепляются в определенном порядке алмазы, а потом заливаются особым сплавом. Кольцо с алмазами припаивается к коронке.

Твердые сплавы

Твердые сплавы, применяемые при колонковом бурении, разделяются на металлокерамические, литые и порошкообразные.

Наиболее широким распространеннем пользуются металлокерамические сплавы типа ВК. Этот твердый сплав изготовляется путем тщательного перемешивания тонкого порошка очень твердого карбида вольфрама с тонким порошком металла кобальта. Смесь прессуется под высоким давлением в виде резцов той или иной формы. Эти резцы нагреваются в восстановительной среде до температуры плавления кобальта. Чем меньше в сплаве кобальта, тем более высокой твердостью он обладает, но одновременно понижается вязкость, увеличивается хрупкость; при колонковом бурении чаще применяется сплав ВК8 (8 показывает процентное содержание кобальта).

Представителем литых сплавов является ликар - литой карбид вольфрама. Он отличается очень большой твердостью, но имеет и большую хрупкость, поэтому его можно с успехом применять в однородных, нетрещиноватых абразивных породах.

Порошкообразные или зернистые сплавы являются смесью тугоплавких металлов с углеродом и наплавляются на режущие части буровых наконечников при помощи вольтовой дуги.

По форме металлокерамические сплавы разделяются на следующие:

1. Восьмигранники - первая форма резцов из твердых сплавов для бурения - применяются при проходке горных пород сравнительно высокой твердости, размеры 5Ч10 мм.

2. Прямоугольные пластинки применяются примерно в тех же случаях, что и первые, размеры 3Ч8Ч10 мм.

3. Косоугольные пластинки применяются для проходки мягких и средней твердости пород, размеры 3Ч8Ч14 мм.

4. Ромбические пластинки применяются при бурении мягких пород, размеры 8,5Ч8,5Ч3 мм.

Армирование коронки резцами из твердых сплавов производится в следующем порядке:

1)подбирается необходимое количество резцов и короночное кольцо;

2)просверливаются или пропиливаются гнезда;

3)разделываются гнезда оправками по форме резцов;

запрессовываются резцы в гнезда коронки;

5)резцы припаиваются в муфельных печах медным или латунным припоем;

6)резцы затачиваются на экстракарборундовых кругах под надлежащий угол;

7)протачиваются канавки для прохода промывочной жидкости.

Восьмигранники имеют в сечении 5 мм, т. е. меньше толщины короночного кольца (6,5 мм), поэтому они располагаются в торце коронки в шахматном порядке, по аналогии с крупными алмазами.

Восьмигранные и пластинчатые резцы при бурении твердых пород выставляются из торца на 3 мм на боковые поверхности на 0,75-1,0 мм. При бурении такими коронками получается незначительный зазор между стенками скважины и стенками колонкового снаряда. При бурении в мягких породах с глинистой промывкой колонковые снаряды с коронками, имеющими малый выход резцов, часто прихватываются.

Для увеличения зазора между стенками скважины и стенками коронки резцы косоугольной и ромбической формы выступают за боковую поверхность коронки на 5 мм; таким образом, диаметр коронки в резцах получается больше диаметра короночного кольца на 10 мм, т. е. почти на интервал между смежными диаметрами коронок. При таком выходе резцов за боковые стенки коронки можно применять интенсивную промывку глинистым раствором и обеспечивать большие механические скорости бурения.

Дробь буровая

Дробь буровая применялась ранее для проходки крепких пород в условиях дефицита алмазного породоразрушающего инструмента.

Изготовляется дробь из чугуна с повышенным содержанием фосфора - до 1,2 %, кремния до 2,75 %, марганца до 0,8 %, серы не более 0,04 %. Диаметр буровой дроби 2-4,5 мм.

Вместо чугунной как более производительную применяли стальную дробь. Вначале применялась собственно стальная сечка, изготовляемая из старых стальных канатов, и только значительно позже были начаты работы по отливке стальной дроби. Кроме этого, стальную сечку изготавливали из стальных стружек. Стальные стружки получаются при силовом резании старых стальных труб или стальных плит. Диаметр стальной сечки 3,0-3,5 мм. Стальная дробь термически обрабатывается.

Буровой забойный инструмент

При колонковом бурении выбуривается керн, столбик породы, которой необходимо оторвать с забоя и поднять на поверхность. С этой целью применяется буровой снаряд (рис. 8.4, а), состоящий из следующих частей: коронки 1, рвательного корпуса 2 с рвательной пружиной-кольцом 3 для отрыва керна, колонковой трубы 4 для приема выбуриваемого керна и стабилизации направления (траектории) скважины; переходника 5 с колонковой трубы на штанги 6.

Коронка или корончатое кольцо представляет собой пустотелый стальной цилиндр, имеющий на верхнем конце наружную нарезку под рвательный корпус или под колонковую трубу; в нижнюю торцевую плоскость коронки вставляются алмазы или резцы из твердых сплавов; высота коронки 50 мм, толщина стенки 6,5 мм, наружный диаметр корончатых колец по стандарту 44,5; 58,5; 75; 91; 110; 130; 150 мм.

Рвательный корпус в нижней части имеет расширенную кверху конусную расточку. В этой расточке находится рвательная пружина. Роль рвательного корпуса сводится к удержанию на месте пружины, чтобы она

не поднималась кверху вместе с керном; для этой цели верхнее отверстие в рвательном корпусе имеет меньший диаметр по сравнению с наружным диаметром пружины.

Рвательная пружина представляет собой разрезанное по образующей коническое пружинное кольцо с внутренними выступами, которые можно рассматривать как клинья. При бурении эти клинья-выступы слегка касаются керна, но как только снаряд будет подниматься кверху, они заклинят керн в конусе коронки. Рвательный корпус с установленной в нем рвательной пружиной (в сборе) называют кернорвателем.

Колонковая труба изготавливается из цельнотянутых труб с толщиной стенок 3,5-5 мм; длина колонковых труб - 1,5; 3,0; 4,5 м и более; диаметр на 1-4 мм меньше наружного диаметра коронки. Колонковая труба имеет на нижнем и верхнем концах внутреннюю ленточную резьбу.

Колонковый снаряд для дробового бурения (рис. 8.4, б) несколько отличается от вышеописанного - дробовая коронка 1; колонковая труба 2; тройной переходник 3 с колонковой трубы на штанги 5 и на шламовую трубу 4.

Дробовая коронка 1 представляет собой патрубок с резьбой на верхнем конце под колонковую трубу и внутренней конусной расточкой для заклинки керна; внизу коронка имеет вырез (часто называемый магазином) размерами: длина 12-15 см, ширина вверху 2 см, внизу до 1/4 и даже 1/3 средней окружности торца коронки. Задняя часть выреза имеет дугообразную форму для облегчения попадания дроби под торец коронки.

Шламовая труба представляет собой патрубок, навинчиваемый нижней левой резьбой на переходник; верхний конец открыт; внутри шламовой трубы проходят штанги.

При дробовом бурении, поскольку дробь не закреплена в коронке, нельзя давать большую промывку, чтобы не вымывать дробь с забоя. В небольшом кольцевом зазоре между колонковой трубой и стенками скважины скорость восходящего потока жидкости подбирается для подъема частиц породного и дробового шлама; но при выходе жидкости в большой кольцевой зазор между стенками скважины и стенками штанг скорость восходящего потока падает во столько раз, во сколько раз увеличилось кольцевое сечение. Падает и несущая способность струи, поэтому крупный шлам не может быть вынесен на поверхность, он сосредоточивается у переходника с колонковой трубы. Если бы не было шламовой трубы, куда оседает шлам, то такое скопление могло бы привести к зашламованию и прихвату колонкового снаряда, т. е. к аварии.

Диаметр шламовых труб совпадает с диаметром сопряженных колонковых труб; длина: 1,0; 2,0; 3,0 м.

Двойные колонковые трубы служат для улучшения выхода керна легко разрушающихся пород при алмазном и твердосплавном бурении. Двойная колонковая труба состоит из наружной трубы, к которой привинчивается коронка, и внутренней, в которую входит керн. Внутренняя труба изолирует слабоустойчивый керн от механического воздействия промывочной жидкости, направляющейся в зазор между трубами, и от вибраций колонкового снаряда. При вхождении в нее керна она прекращает вращаться и является защитным футляром для керна. Для выхода жидкости из трубы, заполняемой керном, служит клапан. Для срыва керна служит кернорватель, оснащенный кольцевой пружиной, захватывающий крепко керн при подъеме бурового инструмента на поверхность.

Для взятия керна в слабоустойчивых породах существует большое количество различных систем двойных колонковых труб.

В наборе буровых инструментов имеются боковые грунтоносы различных систем (пружинные, гидравлические, стреляющие) для взятия образцов пород со стенок скважины, т. е. из уже пробуренной скважины.

Для свинчивания колонкового снаряда применяются шарнирные и дуговые ключи.

При бурении не всегда требуется получение керна из верхних мягких пород; тогда в целях повышения производительности за счет уменьшения спуско-подъемных операций (не нужно поднимать керн, а можно бурить до затупления породоразрушающего инструмента, т. е. 25-40 м и более на один рейс вместо 1,0-2,0 м) применяют лопастные долота, шарошечные долота для сплошного бурения или пикобуры.

Буровые штанги (трубы)

Буровые штанги являются самым ответственным звеном в оборудовании. Штанги передают вращение коронке; они передают нагрузку на забой, подводят промывочную жидкость к забою. Поэтому штанги изготавливаются из стали высокого качества с высоким пределом прочности (от 60 до 80 кг/мм2).

Диаметры штанг для колонкового бурения 33,5; 42; 50; 63,5; 73 мм; толщина стенок труб для штанг 4,5-6,5 мм; длина штанг 1,5; 3,0; 4,5; 6 м.

Концы труб, из которых изготовляются штанги, перед нарезкой высаживаются обычно внутрь, чтобы не было ослабления в резьбе. Соединяются штанги ниппелями или муфтами. Свечи муфтовых штанг соединяются штанговыми замками, а ниппельных штанг - двухпрорезными ниппелями и замками. Преимущества замкового соединения штанг заключается в следующем:

1) Удлиняется срок службы резьбовых соединений штанг, т. к. при спуско-подъемных операциях резьбы штанг не участвуют в свинчивании и развинчивании.

2) Сокращается время на спуско-подъемные операции за счет более легкого и быстрого свинчивания конусной резьбы замка; при этом соединении достаточно сделать 2-3 оборота, чтобы резьба стала на место, тогда как при цилиндрической ленточной резьбе нужно сделать столько оборотов, сколько ниток в резьбе. Ускоряется свинчивание и развинчивание за счет применения простых и безотказных в работе ключей (крюкообразных), элеватора и подкладной вилки.

3) Удлиняется срок службы штанг, т. к. они замками и муфтами защищаются от истирания о стенки скважины.

4) Обеспечивается применение насосов с большей производительностью за счет большего проходного отверстия в замках по сравнению с ниппельным соединением, что способствует ускорению проходки скважин в мягких породах.

Указанные причины объясняют широкое внедрение муфтово-замковых соединений штанг в практику. В частности, замковое соединение ускоряет спуско-подъемные операции на 25-30 % по сравнению с ниппельными.

Буровые станки

Каждый буровой станок колонкового бурения выполняет следующие функции: 1) вращает колонну штанг с колонковым буровым снарядом внизу, 2) создает необходимую нагрузку на забой и 3) обеспечивает спуско-подъемные операции.

В соответствии с этими функциями в каждом станке имеются следующие узлы (см. рис. 8.1): 1) вращательный механизм; 2) механизм для регулирования давления на забой или подачи инструмента; 3) подъемный механизм или лебедка; 4) станина или рама, на которой монтируются первые три узла. Основные детали вращателя-шестерни (конические) - горизонтальный и вертикальный валы. Вертикальный вал пустотелый, называется шпинделем, через него проходят бурильные трубы. Поэтому станки колонкового бурения иногда называют шпиндельными станками.

В конструкцию каждого бурового колонкового станка, кроме основных узлов входит следующее: 1) коробка передач, 2) фрикцион включения и выключения узлов бурового станка, 3) гидросистема. Последняя состоит из: 1) масляного насоса, 2) масляного бака, 3) гидроцилиндров, 4) прибора гидроуправления, 5) соединительных трубопроводов, а также контрольно-измерительной аппаратуры в виде манометра и указателя давления.

Все эти узлы монтируются на нижней и верхней станинах, установленных на раме станка.

Основой для создания типоразмерного ряда буровых станков взяты глубина и диаметр скважины.

По транспортабельности станки разделяются на стационарные, передвижные и самоходные. Станки последнего типа применяются главным образом при бурении неглубоких скважин в некрепких породах. Такие скважины бурятся быстро, поэтому, чтобы сократить время на переброску установки с одной точки на другую, рациональнее применять самоходные установки.

Конструкций буровых станков для колонкового бурения много, но все станки классифицируются по системе подачи. Различают станки: 1) с рычажной, 2) с гидравлической, 3) с дифференциальной подачей, 4) бесшпиндельные роторные буровые станки с ведущей трубой и нажимным приспособлением или без него. Шпиндельные станки могут быть использованы для бурения с ведущей трубой при замене зажимных плашек ведущими.

В станках роторного типа роль шпинделя выполняет ведущая труба, с помощью которой вращение от ротора передается забойному буровому инструменту через колонну бурильных труб.

Шпиндельными буровыми станками практически можно бурить скважины под любым углом к горизонту; роторными - вертикальные или с наклоном до 4°. Отмеченное преимущество шпиндельных станков является особенно важным при бурении из подземных выработок, из которых проводятся скважины наклонные, горизонтальные и восстающие. Малые размеры и легкая разборка на небольшие узлы являются постоянными требованиями, предъявляемыми к буровым станкам, используемым в геологоразведочной практике и особенно при бурении в подземных горных выработках.

Первыми механическими буровыми колонковыми станками были станки с рычажной подачей (типа КА2М-300 и КАМ-500). Потом их заменили более совершенные - станки с гидравлической подачей.

Представителем станков с рычажной подачей является станок КА-2М-300. Этот станок рассчитан для бурения скважин глубиной 300 м при начальном диаметре скважины 130 мм; число оборотов шпинделя 130-140 в минуту; грузоподъемность лебедки 1,5 т; вес станка 750 кг.

Станки с гидравлической подачей являются самыми распространенными и в настоящее время при разведке главным образом твердых полезных ископаемых. Широкое их распространение обусловлено тем, что станки с гидравлической подачей: 1) облегчают труд бурового персонала в процессе работы; 2) обеспечивают точное регулирование нагрузки на забой; 3) позволяют буровому персоналу по показаниям регистрирующих приборов отмечать переходы коронки из одной породы в другую, что повышает качество геологической документации разведочного бурения; 4) устраняют возможность падения бурового инструмента при встрече каверн и пустот на забое, т. к. под поршнями гидравлических цилиндров всегда находится жидкость; 5) дают возможность с помощью гидросистемы достаточно точно определить фактический вес забойного инструмента в скважине; 6) позволяют использовать гидроцилиндры как гидравлические домкраты при ликвидации аварий с буровым снарядом и при извлечении обсадных труб из скважин.

Станки с гидравлической подачей имеют устройства для механического свинчивания и развинчивания бурильных и обсадных труб, приборы для контроля режимных параметров бурения, автоматические перехваты для перестановки шпинделя при подаче бурильных труб в процессе углубления забоя скважины.

Буровые станки типа ЗИФ - достаточно широко применяемые в практике ГРР в Беларуси станки с гидравлической подачей. Они рассчитаны на бурение скважин глубиной 300-1200 м: ЗИФ-650А и ЗИФ-1200А. Цифровые индексы обозначают проектные глубины бурения, марка ЗИФ обозначает завод им. Фрунзе, где впервые было начало производство этих станков. Модификация станка ЗИФ-1200МР позволяет бурить скважины глубиной до 1500 м при конечном диаметре скважины 93 мм и до 2000 м - при диаметре 59 мм.

В состав буровой установки ЗИФ-1200МР входят: буровой станок с электроприводом, два насосных агрегата (насос с электромотором), магнитная станция и резервная передвижная бензоэлектростанция для аварийного привода. Станок имеет шесть скоростей.

Перечисленные станки были рассчитаны на бурение твердыми сплавами и дробью, поэтому скорость вращения шпинделя не превышает 480 об/мин. По конструкции станки ЗИФ близки друг другу.

Но при алмазном бурении требуются высокооборотные установки: число оборотов при бурении в нормальных условиях составляет 300-700 об/мин., при бурении мелкоалмазной коронкой число оборотов может быть увеличено до 1500-3000 об/мин. Только при этих условиях четко проявляется преимущество алмазного бурения.

Поэтому были разработаны специальные быстровращательные буровые станки с гидравлической подачей для бурения алмазными коронками.

К станкам с повышенными числами оборотов шпинделя относятся станки УКБ-4П, УКБ-5П, УКБ-7П, УКБ-8П, УКБ-200/300С и др. Эти станки рассчитаны на бурение алмазами и твердосплавными коронками как вертикальных, так и наклонных скважин. От станков типа ЗИФ они отличаются тем, что в их конструкции заложены элементы механизации и частично автоматизации вспомогательных процессов. Станки имеют вращатели с двумя гидропатронами и систему электрогидроавтоматики, позволяющие производить перестановку шпинделя автоматически (автоматический перехват), в том числе без остановки вращения бурового снаряда. Станки оснащены контрольно-измерительной аппаратурой: указатель давления на забой, вольтметр и киловаттметр, контрольные манометры. Станки с двигателями внутреннего сгорания имеют дополнительно указатель числа оборотов.

Конструкция скважин

Конструкция скважины при колонковом бурении зависит от: 1) геологических условий, определяемых твердостью и устойчивостью проходимых пород; 2) глубины скважины и 3) ее конечного диаметра.

Из свойств горных пород на выбор конструкции скважин влияют устойчивость, закарстованность, трещиноватость, наличие зон поглощения промывочной жидкости, буримость и выход керна. В ряде случаев, если применение оптимальных глинистых растворов не дает положительных результатов, приходится прибегать к креплению скважин обсадными трубами, что связано с уменьшением диаметра скважины и приводит к необходимости увеличения ее начального диаметра.

Чем глубже скважина, тем дольше она находится в бурении и тем больше возможных осложнений, а для устранения их часто требуются обсадные трубы.

На выбор конечного диаметра скважины влияют цель бурения и вид породоразрушающих инструментов. Так, при бурении дробью конечный диаметр должен быть не менее 91 мм, в противном случае выход керна получается явно недостаточным. В крепких массивных породах полный выход керна при алмазном бурении обеспечивается и при диаметрах коронки 46 и 36 мм. Однако в ряде случаев при алмазном бурении приходится бурить коронками бульших диаметров - в одних случаях по геологическим причинам, чтобы обеспечить качественное опробование проходимых полезных ископаемых, в других - по техническим причинам, из-за большой глубины скважин. Так, например, в настоящее время не представляется возможным бурить скважины глубиной более 1000 м бурильными трубами диаметром 33,5 мм и т. д.

При бурении инженерно-геологических скважин конечный диаметр зависит от требований к диаметрам образцов грунтов с ненарушенной структурой, при бурении гидрогеологических скважин он зависит от диаметра погружного насоса, диаметра фильтра.

С учетом отмеченных требований и разрабатывается конструкция скважины: устанавливают конечный диаметр, определяют число колонн обсадных труб, диаметр и длину каждой колонны. Во всех случаях стремятся к упрощению конструкции скважин для экономии металла, затрачиваемого на обсадные трубы, и всего забойного и поверхностного оборудования.

В мировой практике отмечается тенденция к переходу на бурение скважин (разведочных и эксплуатационных) малых диаметров и к одноступенчатой конструкции скважин: например, крепят рыхлые породы трубами диаметром 108, 89 мм на глубину 15-100 м, а затем до проектной глубины (1500-2000 м) бурят коронкой одного диаметра 76, 59 или 46 мм. Возможна замена и на еще меньшие диаметры - 36, 24 мм. Переход на малые диаметры скважин снижает расход металла, алмазов, энергии, транспорта и т. д.

Было подсчитано, что с увеличением диаметра коронки с 76 до 93 мм, т. е. на один размер, увеличивается стоимость проходки 1 п. м на 45 %, при увеличении до 112 мм - на 90-100 %; при снижении с 59 до 46 мм стоимость 1 м снижается на 34-54 %.

Для алмазных инструментов считают нормальными диаметрами 59, 46, 36 мм, для твердосплавных - 76, 59, 46 мм.

Ударно-механическое бурение

Ударно-механическое бурение разделяется на два основных вида: штанговое и канатное. Однако на практике применяется почти исключительно канатное бурение по следующим причинам: все канатное оборудование, в том числе и станок, легче штангового; на канате быстрее проводятся спуско-подъемные операции; не требуется организация промывки забоя, исключается высокая аварийность при работе со штангами. Поэтому в рассмотрении упор сделаем на канатное бурение.

Ударно-механическое канатное (т. е. без промывки) бурение применяется в следующих случаях:

1) при разведке россыпных месторождений полезных ископаемых, когда бурение ведется с целью точного опробования россыпи в осложненных геологических условиях;

2) при проходке галечников и валунных отложений, когда другие виды бурения в таких условиях дают весьма низкую производи-тельность;

3) при разведке малодебитных безнапорных водоносных горизонтов, ибо при бурении с промывкой их легко пропустить;

4) при разведке нефтяных и газовых с малым пластовым давлением месторождений (по указанным выше причинам);

5) в условиях, когда требуется проходка скважин большого диаметра и без промывки;

6) при разведке в безводной местности;

7) при разработке открытым способом месторождений полезных ископаемых, когда проходятся скважины-шпуры диаметром до 300 мм для закладки больших количеств ВВ (взрывчатых веществ).

Буровые станки

В каждом станке для канатного ударно-механического бурения имеются следующие узлы: 1) главный или трансмиссионный вал, получающий вращение от двигателя и передающий вращение другим узлам; 2) долбежный вал (ударный механизм) с оттяжным роликом; 3) инструментальный барабан (подъемный механизм); 4) желоночный барабан.

Передача движения от главного вала осуществляется или зубчатыми шестернями, или фрикционными колесами.

Движение от двигателя внутреннего сгорания или электродвигателя главному валу производится плоскоременной или клиноременной передачей.

Станки изготовляются передвижными и самоходными, на колесном или гусеничном ходу, а также на шасси автомашины. Для спуско-подъем- ных операций станки имеют мачту.

По системе ударного механизма станки разделяются на балансирные и безбалансирные, работающие по принципу оттяжки.

Ударный снаряд подвешивается на канате, который через головной ролик (на мачте), оттяжной ролик (на кривошипно-шатунном механизме) и направляющий ролик (на оттяжной раме) идет к инструментальному барабану.

Снаряд при долблении поднимается и сбрасывается при помощи оттяжного механизма, который состоит из оттяжной рамы и кривошипно-шатунного механизма.

По мере углубления скважины бурильный канат стравливается с инструментального барабана, осуществляя подачу долота.

Периодически осуществляют чистку забоя желонкой, спускаемой на желоночном канате с желоночного барабана.

Чтобы получить скважину круглого сечения, необходимо после каждого удара инструмент (долото) поворачивать

Если в разрезе есть неустойчивые породы, стенки скважин закрепляют колонной обсадных труб. Тяжелые комплекты труб спускают в скважину с трубного (талевого) барабана (есть на ударно-канатных станках тяжелого и среднего типов)

Кроме того, станок часто имеет ручную или механическую лебедку для подъема и опускания мачты. Мачта при перевозках станка кладется в горизонтальное положение.

На буровых работах применяются следующие канатные станки: УА-75, «Уралец» БУ-1, БУ-20-2, УКС-20. УКС-22, УКС-30 и др.

Ударно-канатные станки имеют примерно следующую основную характеристику: число ударов 40-60 в минуту, ход инструмента (высота подъема) 50-110 см; путем перестановки пальца кривошипа можно изменять ход инструмента.

Станок БУ-20-2 (самоходный), имеющий значительное распространение, имеет следующие характеристики:

предназначен для бурения скважин начальным диаметром до 300 мм, глубиной - до 300 м;

вес бурового снаряда 1300 кг;

высота подъема над забоем -0,45-1,1 м;

число ударов - 56 в минуту;

высота мачты 11,6 м;

вес станка 11,1 т.

Буровой инструмент

Долота предназначены для разрушения породы при ударах по забою. Различают следующие типы долот:

1) тяжелое желобчатое долото, предназначаемое для бурения в крепких породах; во избежание заклинки диаметр лезвия должен быть больше диаметра тела долота;

2) облегченное долото (от предыдущего отличается только меньшей высотой и толщиной и, следовательно, меньшим весом);

3) округляющее или проверочное долото - применяется для обработки скважин с целью уничтожения всех пропусков и неровностей на стенках затрудняющих в дальнейшем спуск в скважину обсадных труб;

4) крестовые долота - применяются при бурении в неоднородных и трещиноватых породах.

Долота изготавливаются из качественной углеродистой стали с содержанием углерода около 0,70 %. Наилучших результатов можно достичь при использовании долот из стали марки 60-С2; долота из легированных сталей не выдерживают частых заправок. Вместо кованых могут с успехом применяться литые долота.

Лезвию долота придается надлежащая форма, и оно закаливается; угол приострения (заправки) лезвия 75-120°, округляющих долот - до 140°. Чем крепче порода, тем более тупой угол должно иметь лезвие.

Ударная штанга представляет собой массивный цилиндр, на нижнем конце которого имеется внутренняя остроугольная резьба под долото, а на верхнем конце - внешняя резьба под канатный замок при канатном бурении и под переходник с ударной штанги на рабочие штанги при штанговом бурении. На обоих концах штанги имеются квадраты под инструментальные ключи. Ударная штанга предназначается для увеличения веса (массы) инструмента, воздействующего на забой. Диаметр ударной штанги обычно равен 0,7 диаметра долота Длина ударных штанг 1,5; 3; 4,5 и 6 м. Чем крепче порода, тем более длинная и тяжелая рекомендуется ударная штанга.

В состав бурового снаряда при проходке с ходовой колонной обсадных труб входит часто расширитель.

Расширитель включается между долотом и ударной штангой. При вводе в обсадные трубы резцы сжимают. При выходе ниже башмака резцы расширителя под действием пружины расходятся и при бурении расширяют скважину, поэтому обсадные трубы легче опускаются.

Ножницы, или яссы, при канатном бурении служат для выбивания инструмента из забоя, для облегчения работы станка и двигателя и для увеличения эффекта удара долота. Ножницы состоят из двух удлиненных звеньев и соединяются между собой, как звенья цепи. На верхнем конце верхнего звена имеется головка с резьбой для соединения с канатным замком; нижний конец звена заканчивается внутренней резьбой под ударную штангу.

Ножницы применяются двух видов: рабочие с расходом 150-250 мм и ловильные с расходом 450-1000 мм.

Изготовляются ножницы путем поковки или литьем.

Канатный замок или ропсакет служит для соединения ножниц (или ударной штанги) с инструментальным канатом. Замок представляет собой цилиндрическое тело, сужающееся кверху и оканчивающееся цилиндром меньшего диаметра. Внизу замка имеется внутренняя нарезка под буровой инструмент, а вверху - отверстие, расширяющееся книзу; в этом отверстии и закрепляется канат.

Как замок, так и ножницы и ударная штанга на шейках резьбы имеют квадратные вырезы под инструментальные ключи.

В качестве инструментального каната применяется стальной канат, свитый из шести прядей вокруг центрального органического сердечника. Диаметр каната 19-25 мм.

Инструментальные ключи служат для прочного соединения бурового инструмента (долота, ударной штанги, ножниц замка).

Для более сильного закрепления резьбы применяют цепные рычаги и специальные трещотки.

Цепной рычаг снабжается двумя кусками цепей, которые одним концом прикреплены к рычагу, а вторым - к вилкам инструментальных ключей во время соединения снаряда.

Трещотка применяется для тех же целей, что и цепной рычаг, только для соединения инструментов большого диаметра (более 8") Один дюйм (1") равен 25,4 мм..

Долотами только разрушают породу на забое, но не поднимают на поверхность. Эту операцию выполняют с помощью желонок, представляющих собой полую трубу, на нижнем конце которой закреплен башмак с клапаном. Желонки для чистки скважины при работе долотом без промывки применяются с плоскими, шаровыми, тарельчатыми и полусферическими клапанами; для проходки плывунов используются поршневые желонки.

Желонки могут быть использованы в качестве проходческого инструмента, например по пескам, гравийно-песчаниковым отложениям, плывунам.

Процесс бурения

Последовательность операций при сооружении скважины ударно-механическими станками обычно такова: на месте заложения скважины подготовляется площадка (иногда проходится небольшой шурф-приямок), на площадке устанавливается буровой станок, колеса его раскрепляются колодками. Далее поднимается мачта. После этого собирают буровой инструмент в такой последовательности (снизу вверх): на долото навинчивается ударная штанга, на последнюю ножницы и, наконец, канатный замок.

Собранный снаряд опускают в скважину и ставят долото на забой; оснастка каната должна быть следующей: канат от замка огибает верхний блок мачты или вышки, далее идет под оттяжной ролик и, огибая направляющий ролик, идет к барабану.

Натяжка каната должна быть такой, чтобы при верхнем положении оттяжного ролика долото только слегка касалось забоя. На канате, идущем из скважины, крепится поворотный хомут. Далее пускается в ход двигатель и главный вал, от главного вала - долбежный механизм. После каждого удара долото поворачивается.

После углубки на 30-50 см бурение прекращается, инструмент поднимается на поверхность, и в скважину опускается желонка; после чистки скважины в нее подливается вода и снова приступают к бурению.

Скорость проходки при ударном бурении зависит oт веса снаряда, высоты подъема инструмента и числа ударов. Высота подъема долота обычно находится в пределах 500-1000 мм. Число ударов при малых глубинах скважины достигает 50-60 в минуту; по мере углубки скважины число ударов снижается до 30 в минуту. Число ударов зависит также от величины хода инструмента и плотности шлама. Чем больше ход инструмента, тем больше время его падения, и тем меньше должно быть число ударов. При глубоком бурении и большой длине достаточно эластичного каната он может подхватывать долото раньше, чем последнее успеет ударить о забой, что резко снижает силу удара.

В случае проходки пород, в которых сильно увязает долото, над ножницами ставят вторую ударную (выбивную) штангу.

По буримости при ударно-механическом способе бурения породы разбиты на семь категорий. Скорость проходки в час чистого бурения в зависимости от крепости пород варьирует от 0,05 до 7 м.

Шнековое и вибрационное бурение

Шнековое бурение применяют в основном для бурения сейсмических скважин. Шнековое бурение производится без промывки забоя. Порода, разбуренная лопастным долотом типа РХ, попадает на шнек (шнек представляет собой буровые трубы с навитой на них спиралью из полос тонкой стали), который транспортирует ее на поверхность. Поскольку диаметр шнека меньше диаметра долота, шлам, направляясь вверх и тесно соприкасаясь со стенками скважины, частично проскальзывает вниз; шнеки втирают разрыхленную породу в стенки скважины, и таким образом скважина плотно штукатурится. Основной недостаток шнекового бурения - трудность бурения твердых пород, а также скважин глубиной более 100 м.

Вибрационное бурение с использованием вибромолота, расположенного на поверхности (на оголовке бурильной колонны) применимо в мягких породах до IV категории буримости на относительно небольшую глубину (до 15-20 м) для погружения и извлечения зондов, обычно при инженерно-геологических исследованиях.

Забойные вибраторы гидравлического действия, действующие от потока промывочной жидкости, создают вибрацию, которая передается долоту. Порода разрушается под действием ударов долота по забою. Кроме вибраций, долоту может передаваться вращение. Оно осуществляется путем вращения бурильных труб с поверхности. В этом случае получается комбинация ударного и вращательного способов бурения. Для бурения скважин применяются также различные гидро- и пневмоударные механизмы, в этом случае говорят о бурении гидро- и пневмоударниками, пневмопробойниками и т. д.

Размещено на Allbest.ru

...