Обоснование выбора разновидности бурения.

Бурение геологоразведочных скважин на ТПИ включает несколько разновидностей, различающихся применяемым оборудованием и инструментом и, главное, технологическими решениями.

Можно выделить около двух десятков разновидностей бурения разведочных скважин, имеющих как принципиальные, так и незначительные частные различия. Основные разновидности бурения скважин при разведке месторождений твердых полезных ископаемых приведены в табл. 1

Виды и разновидности геологоразведочного бурения на Т.П.И. Таблица 1

( механическое вращательное бурение с циркуляцией очистного агента)

Группа разновидностей геологоразведочного бурения - "вращательное бурение с циркуляцией очистногоагента" и является собственно предметом изучения курса "бурение на ТПИ". В этой группе объединены разновидности бурения, различающиеся применяемым породоразрушающим инструментом (ПРИ), применением специальных снарядов или забойных механизмов, особенностями технологии бурения.

Прежде всего, разновидности геологоразведочного бурения этой группы делятся на две принципиально отличные подгруппы по площади разрушения породы на забое скважины:

• разрушение породы по всей площади забоя скважины - "бурение сплошным забоем" или правильнее "бескерновое бурение"

• разрушение породы по кольцевой площади - "бурение с кольцевым забоем" или "колонковое бурение"

При бескерновом бурении вся порода на забое скважины разрушается и отделяется от забоя в виде мелких частиц - "шлама", которые очистным агентом удаляются с забоя и далее по стволу скважины на поверхность. При колонковом бурении порода на забое разрушается по кольцу, а в центре забоя остается неразрушенная часть, которая по мере углубления скважины образует столбик (колонку) породы - керн.

Принципиальное различие между этими подгруппами в том, что при бескерновом бурении углубка скважины продолжается до полного износа породоразрушающего инструмента. Углубка за рейс составляет в этом случае в мягких породах - сотни, в средних породах - десятки метров, но при этом не получается целых образцов породы, т.е. геологическая информация, представленная вынесенным на поверхность шламом, весьма ограниченна. В колонковом бурении, при использовании простых снарядов, углубка скважины ведется ограниченными рейсами протяженностью от 0,5-1,0 м до 5-10 м, но при этом поднимаются на поверхность образцы породы - керн, что обеспечивает наиболее представительную геологическую информацию. При использовании специальных снарядов колонкового бурения (ССК, КГК) углубка за рейс сравнивается с рейсами бескернового бурения, но сохраняется получение керна. Использование специальных снарядов значительно дороже бескернового и колонкового бурения простыми снарядами, но при достаточной глубине скважин окупается повышением производительности и качества бурения, за исключением бурения в породах XII категорий (где углубка за рейс и при бескерновом бурении и при бурении простыми колонковыми снарядами и снарядами ССК не превышает 5-8 м). В остальных случаях бескерновое бурение дешевле и производительнее колонкового.

Если геологу необходим керн - выбирается колонковое бурение,В тех интервалах скважины, где геолог может обойтись без керна (при достаточности косвенной информации), применяется бескерновое бурение (кроме пород ХII категории).

Обычно верхние интервалы разведочных скважин, представленные наносами или хорошо изученными пластами, проходятся бескерновым способом, а далее скважина бурится колонковым способом. Некоторые скважины (опорные, картировочные, структурные и т.п.) Проходятся целиком колонковым способом. Полностью бескерновым способом проходятся эксплуатационные и некоторые разведочные скважины при достаточности косвенной геологической информации (сбор шлама, геофизические исследования в скважине, отбор боковых проб).

На интервалах колонкового бурения осуществляется выбор из трех разновидностей: бурение простыми снарядами, бурение простыми снарядами с забойными механизмами и бурение специальными снарядами.

Каждая из разновидностей колонкового бурения отличается не только техническими средствами, но и технологией бурения и имеет свою рациональную область применения, определяемую характером буримых пород, глубиной и диаметром скважины, требованием к геологической информации и другими условиями бурения. Последовательность выбора разновидностей зависит от их доступности, способности решения конкретных задач бурения данной скважины и стоимости.

Бурение простыми снарядами наиболее простая дешевая и надежная разновидность колонкового бурения. Недостатком этой разновидности является ограниченная углубка за рейс и неспособность решать некоторые частные задачи, например борьба с заполированием алмазов, борьба с самозаклиниванием керна, сохранение керна в сложных геологических условиях. С использованием простых снарядов бурятся скважины сравнительно небольшой глубины, где время на спускоподъемные операции (СПО) незначительно, скважины или интервалы скважин повышенного диаметра, когда нет такого диаметра снарядов ССК, в породах XI – XII категорий по буримости, где проходка на алмазную коронку не превышает 8 – 10 метров.

При бурении простым снарядом различаются варианты по материалам резцов ПРИ - в данном случае коронок. Резцы из твердого сплава ВК - твердосплавное бурение, резцы из сверхтвердых материалов (СТМ), включающих спеки синтетических алмазов, нитриды бора, композицию твердого сплава и алмазного напыления (АТП) - бурение с резцами_из СТМ; резцы из природных и синтетических алмазов - алмазное бурение. До конца 50–ых годов в твердых породах применялось дробовое бурение с резцами в виде чугунной или стальной дроби. Область применения каждого из этих четырех вариантов определяется буримостью проходимых пород и, косвенно, глубиною скважины. Рациональные области применения разновидностей приведены в табл. 2 и видны из графика (рис.10), где показана зависимость эффективности применения разновидностей колонкового бурения по видам П.Р.И. от категории пород.

Таблица 2

1-Твердосплавное, 2-СТМ, 3 – Алмазное. Рис 10

Колонковое бурение специальными снарядами отличается технологией извлечения на поверхность керна и может быть обозначено как "бурение с подъемом керна без подъема бурильных труб". Два варианта, входящие в эту подгруппу (Снаряды со съемным керноприемником и комплекты с гидротранспортом керна) имеют принципиальные различия, как по технике, так и по технологии решения этой задачи.

Снаряды со съемными керноприемниками – ССКпредставляют собой одинарную колонну специальных бурильных труб с увеличенным внутренним сечением. В колонковой трубе размещается внутренняя тонкостенная труба со специальной головкой - съемный керноприемник, который может свободно проходить внутри бурильной колонны. На нижнем конце колонковой трубы алмазная коронка с увеличенной шириной торца, так что керн может заходить внутрь керноприемника. Во время бурения керн заходит в керноприемник (керноприемник надвигается на керн), который удерживается в колонковой трубе от смещения специальными упорами. (Рис.11)

Рис. 11Колонковый набор ССК: А - колонковый набор; Б - ловитель; 1 - реликтовый переходник; 2 - головка подшипникового узла; 3 - возвратная втулка; 4 - пружи­на; 5 - стопоры; 6- переходник наружной колонковой трубы; 7 - подшипниковый узел; 8- опорное кольцо; 13 - направляющая втулка; 14 - упорный шарикоподшипник; 15 - пружина; 16 - наружная колонковая труба; 17 - керноприемник; 18 - стабилизатор; 19 - упорное кольцо; 20 - кернорвательное кольцо: 21 - корпус кернорвателя; 22 - алмазная коронка; 23 - захваты головки 2, 24 - патрубок, бросаемый с поверхности по канату для освобождения ловителя; 25 — стальной канат

После заполнения керноприемника керном (ℓкп. = З; 4;5; 6 м) бурение останавливается; с поверхности на тонком канате с быстроходной лебедки спускается ловитель и захватывает за головку ксрноприемника, последний натяжением троса расфиксируется и быстро с керном поднимается на поверхность, керн извлекается и в буровойснаряд сбрасывается пустой керноприемник. Затем потоком промывочной жидкости он быстро доставляется в колонковую трубу и там фиксируется - бурение продолжается. Таким образом, подъем керна осуществляется без подъема бурильных труб в несколько раз быстрее, чем при бурении простым снарядом, что обеспечивает значительный рост производительности, особенно в благоприятных для ССК условиях. Кроме роста производительности к достоинствам ССК относится меньшее разрушение стенок скважины за счет уменьшения числа спускоподъемных операций (СПО), лучшие условия для сохранения керна (керн защищен от прямого потока промывочной жидкости и керноприемник не вращается в процессе бурения).

Главный недостаток ССК - его более высокая стоимость и более высокие требования к обслуживанию и квалификации персонала. Применение ССК, оправданно, когда его более высокая стоимость окупается соответствующим ростом производительности и качества бурения. Рост производительности от применения ССК зависит от глубины скважины (чем глубже скважина, тем больше выигрыш времени на СПО) и проходки за один рейс, определяемой ресурсом алмазной коронки ССК. Имеется подробная методика расчета экономических границ рационального применения ССК, но примерно можно ориентироваться исходя из целесообразности применения ССК при глубине скважины не менее 200-300 м и при проходке за рейс (на коронку) не менее 30-50 м. В последнее время разработаны работоспособные конструкции съемных алмазных коронок (СРК - Югова), которые спускаются и поднимаются весте с керноприемником, и после износа заменяются на поверхности на новую, что позволяет бурить всю скважину без подъема труб. Пока еще мало производственного опыта использования таких коронок и ориентироваться на их использование преждевременно. Высококачественные коронки зарубежных фирм – Craelius, Boart Longyear, Diamatic и другие позволяют проходить десятки метров даже в самых твердых породах и расширяют области рационального применения снарядов ССК.

В настоящее время могут быть использованы два варианта снарядов ССК отечественного производства: КССК-76 конструкции "СКБ", Москва и ССК-76, ССК - 59 и ССК - 46 конструкции "ВИТР", С.Петербург.

КССК-76 – «комплект снаряда со съемными керноприемником» предназначен для бурения скважин в разрезах с перемежающимися породами средней крепости VI-IХ, частично X категорий буримости глубиной до 3000м. И имеет более прочную колонну труб с замковыми соединениями.

ССК – 46, ССК – 59, ССК -76 – «снаряды со съемным керноприемником» приспособлены для высокооборотного алмазного бурения в однородных устойчивых породах VIII - X, частично XI категории по буримости в скважинах глубиной до 1500 м., имеет гладкоствольную тонкостенную колонну труб с резьбовым соединением труба в трубу.

Комплекты КГК. Значительно больший прирост производительности за счет сокращения СПО даст применение второго варианта бурения с подъемом керна без подъема бурильных труб - комплекта сгидравлическим (пневматическим) транспортом керна - КГК (КПК). Суть этого метода заключается в том, что бурение осуществляется с использованием двойной колонны бурильных труб и специальной коронки, которая направляет всю разрушенную породу и столбик керна во внутреннюю трубу. Поток очистного агента (жидкость или воздух) подается к забою по зазору между трубами и поднимается по внутренней трубе, вынося на поверхность шлам и (предварительно обломанные специальным керноломом) кусочки керна (Рис. 12). При такой разновидности бурения на подъем керна вообще не затрачивается время, и проходка за рейс обусловлена только ресурсом коронки. Наиболее эффективно использование КГК, - когда вся скважина пробуривается за один рейс. Это достигается в толщах мягких и полускальных пород I-IV, частично V категории по буримости и при глубине скважины до 150- 300 м. Бурение скважины за один рейс, являясь идеальным по производительности, позволяет бурить в рыхлых, неустойчивых породах без закрепления стенок скважины обсадными трубами, лишь заливая в затрубное пространство вязкую тиксотропную жидкость. В настоящее время имеются технические средства для бурения КГК, (КПК при продувке) разведочных скважин глубиной до 500 м, диаметром 76-93 мм и гидрогеологических и водозаборных скважин в породах I-V категорий диаметром до 250 мм.

В этих условиях такая разновидность бурения позволяет повысить производительность в 3-5 раз при наиболее полном геологическом опробовании.

Керноприемная труба с невращающимся клиновым керноломом. (нижняя часть комплекта КГК) 1 - патрубок; 2 - корпус; 3 - шарик; 4 - клин; 5 - центратор; 6 - патрубок 7 - коронка;

Рис. 12

Бурение простым снарядом с забойным механизмом,

Разновидности этой группы, как правило, применяются на отдельных интервалах скважины для решения конкретных задач, связанных со свойствами проходимых пород или с особенностями бурения. Забойные механизмы применяются для создания ударных импульсов (гидроударники, пневмоударники), для сохранения керна (ДКС, ЭКС), или для вращения П.Р.И. без вращения бурильных труб (забойные двигатели).

При использовании ударных машин, добавляющих ударные импульсы к вращательному движению бурового снаряда, разновидность бурения называется ударно-вращательное или вращательно-ударное в зависимости от того, какое воздействие на породу ударное или вращательное преобладает.

. При бурении с промывкой (кроме промывки вязкими, плотными, глинистыми растворами) в скальных породах VI-ХII категорий могут применяться гидроударники. При этом возможны два случая применения гидроударников: использование среднечастотных гидроударников с повышенной энергией ударов и использование высокочастотных гидроударников с малой энергией ударов.

Первый вариант, называемый "ударно-вращательное" бурение применяется там, где эффективно использовать разрушение породы коронками с твердосплавными резцами за счет энергии удара при минимальной осевой нагрузке. Это позволяет бурить прослойки твердых пород IХ-ХI категорий в скважинах диаметром 151 мм, (таких алмазных коронок нет), или бурить вертикальные строго прямолинейные скважины, поскольку при малой осевой нагрузке буровой снаряд висит в скважине как отвес (скважины обычного вращательного бурения всегда искривляются). В остальных случаях незначительный выигрыш производительности от ударно-вращательного бурения не покрывает дополнительных затрат.

Вращательно-ударное бурение осуществляется высокочастотными гидроударниками, создающими небольшую энергию удара с большой частотой, т.е. Они создают направленную вибрацию и используются с алмазными коронками. Повышение скорости бурения при этом очень незначительное и не во всех породах. Применяются они только в тех случаях, когда свойство вибрации снижать трение необходимо для улучшения процесса бурения. Так в очень твердых малоабразивных породах происходит интенсивное истирание контактной поверхности алмазных резцов за счет трения, и резцы (еще не изношенные) заполировываются, при этом проходка за рейс снижается до 1.0 - 0,5 метра. Мелкие ударные импульсы снижают трение, облегчают внедрение алмазов в породу и заполирование уменьшается. Другой случай эффективного применения вращательно-ударного варианта - бурение в трещиноватых или перемежающихся породах, где происходит самозаклинивание кусочков керна в коронке или в колонковой трубе. Осевая вибрация, снижая трение, уменьшает или ликвидирует самозаклинивание керна, позволяет сохранить керн и увеличить углубку за рейс.

Если бурение ведется с продувкой (районы с многолетнемерзлыми породами, суровые зимние условия, безводные районы) и в скальных породах V1 – Х категорий, то очень эффективно применять пневмоударники, которые, используя энергию потока сжатого воздуха, создают мощные ударные импульсы. Это позволяет существенно увеличить разрушение породы на забое коронками с твердосплавными резцами и в 2 – 3 раза повысить скорость и снизить себестоимость бурения.

Забойные двигатели- имеющиеся винтовые гидравлические двигатели диаметром 54 и 76 мм, разработанные нефтяниками для прочистки нефтеподъемных труб, применяются в разведочном бурении исключительно по целевому назначению при отбуривании участков скважин направленного бурения в комплексе со специальными средствами направленного бурения. Для обычного бурения разведочных скважин, имеющиеся забойные двигатели оказались неэффективными, так как их параметры (крутящий момент, частота оборотов) при имеющихся в геологоразведке насосах недостаточны для обеспечения нормальной производительности бурения.

Снаряды (колонковые наборы) для получения кондиционного керна (двойные колонковые трубы и снаряды с обратной циркуляцией) представляют собой специальные колонковые наборы, предназначенные для бурения в тех интервалах скважины, где необходимо защищать образующийся столбик керна от разрушения в процессе бурения. Эти снаряды используются в перемежающихся, трещиноватых, раздробленных, разрушаемых, рыхлых, размываемых и легко разрушаемых породах, там, где геологу необходим кондиционный керн, особенно в зонах полезного ископаемого. В некоторых случаях, например, при бурении в твердых трещиноватых породах, даже если это не связано с необходимостью защищать керн от разрушения, двойные колонковые трубы могут применяться для повышения производительности бурения за счет снижения самозаклинивания керна и за счет этого повышения углубки за рейс. В остальных случаях применение снарядов для получения кондиционного керна нецелесообразно, так как это вносит дополнительные затраты.

Подводя итоги, повторим исходные позиции выбора разновидности и вариантов бурения отдельных участков и интервалов скважины:

- полное (но не излишнее) выполнение конкретной задачи бурения данного интервала;

- соответствие реальным, географическим и геологическим условиям;

- минимальные затраты средств;

- максимальная производительность без ущерба качества;

- простота и доступность.