Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Скважины большого диаметра (более 151 мм) геологоразведочного назначения бурят главным образом при разведке и заверке россып­ных месторождений золота и алмазов и для гидрогеологических изы­сканий.

В процессе горноразведочных работ бурение специальных скважин большого диаметра и изредка шахтных стволов производят в основ­ном для вспомогательных работ: вентиляции, подъема и спуска руды и различных материалов, водоотлива, подачи электроэнергии и сжа­того воздуха.

При инженерно-геологических изысканиях скважины большого диа­метра (200—300 мм) и шурфы бурят с целью детального изучения гео­логического разреза, отбора образцов пород (монолитов), проведения различных полевых инженерно-геологических исследований, гидроге­ологических исследований для определения коэффициента фильтра­ции и других гидрогеологических характеристик исследуемых пород и водоносных горизонтов и др.

Бурение скважин диаметром до 400—600 мм для установки свай­ных фундаментов и опор глубокого залегания применяют с целью ин­дустриализации строительного процесса в различных геолого-гидро — геологических условиях, в том числе в водонасыщенных грунтах, при глубоком заложении плотных и скальных пород и в условиях много­летней мерзлоты. В последнее время при сооружении фундаментов и оснований широко применяют железобетонные сваи-опоры глубокого заложения, опускаемые в пробуренные скважины, и буронабивные сваи. Бурение скважин большого диаметра в строительстве приме­няют также при установке столбовых фундаментов, опор линии связи и электропередач. Для этих целей преимущественно используют спе­циализированные буровые и бурильно-крановые установки. Бурение глубоких скважин большого диаметра производят в основном реактив­но-турбинными агрегатами, за рубежом — роторными установками. При бурении скважин большого диаметра довольно часто возникает необходимость крепления стенок кратковременной или постоянной крепью.

По способу разрушения породы в практике используют враща­тельный, ударный, ударно-вращательный, вибрационный, гидродина­мический, термический и термомеханический виды бурения.

В зависимости от технологий удаления продуктов разрушения раз­личают способы бурения с прямой и обратной промывкой, продув­кой, шнековый и др. По площади разрушения забоя — бескерновый, колонковый и бурение с расширением.

Технология ударно-канатного бурения при разведке россыпных месторождений

Конструкция скважины ударно-канатного, как и любого другого разведочного, бурения, должна быть максимально упрощена. Это сни­жает расход труб, энергии, повышает производительность труда и умень­шает общие затраты на бурение. При разведке россыпей применяют наиболее простую и экономичную конструкцию скважины — типовую для всех горно-геологических условий северо-востока России. Диаметр скважин (условный) на всю глубину принят равным 219 мм. Исполь­зуют одну колонну толстостенных обсадных труб муфтового соеди­нения диаметром 219 мм, которая является одновременно направляю­щей и кондуктором. В процессе углубки скважины колонна следует за породоразрушающим инструментом (ходовая колонна) или опережает забой (опережающая колонна). При бурении в устойчивых (мерзлых) отложениях закрепляют только устьевую часть скважины на глубину 4—6 м (две, реже три трубы). Этого достаточно, чтобы предохранить устье от обвалов и зафиксировать направление. Далее бурение ведут без крепления трубами. Если породы, вскрываемые скважиной, осы­паются, обваливаются, плывут, пучат (сушенцы, водоносные горизон­ты, талые рыхлые отложения), обсадную колонну опускают до тех пор, пока интервал неустойчивых пород не будет перекрыт. Длина колонны будет зависеть от мощности интервала неустойчивых пород. При бу­рении сложных разрезов с горизонтами валунистых пород и таликами большой мощности используют двухколонную конструкцию скважин — трубы диаметром 219 (до глубины 60—80 м) и 168 мм (глубже).

Забуривание скважины производят в таком порядке. После расчис­тки буровой линии расчищают площадку под буровые станки и вспо­могательное оборудование (промывочные станции, дизельную элект­ростанцию, емкости для воды и др.). Перед забуриванием каждой новой скважины станок устанавливают на домкраты. После осмотра механиз­мов и узлов станка, проверки бурового инструмента и состояния кана­тов и их крепления приступают к забуриванию скважины, которое, как и бурение неглубоких скважин (до 8 м), производят в обязательном по­рядке с использованием направляющего колокола. При забуривании скважины сразу же (поинтервально) производят посадку обсадных труб.

Бурение в зонах талых пород. Таликовые зоны встречаются в при­русловых частях долин и нередко распространяются на всю ширину долин крупных рек, охватывая полностью толщу рыхлых отложений.

В водных таликах фунтовая вода находится в движении, бывает за­стойной или напорной, когда она перекрыта водоупором. При наличии большого количества песка и илов грунтовая вода образует плывун. В безводных таликах (сушенцах) илисто-глинистый цемент практичес­ки отсутствует. Бурение скважины в таких отложениях без крепления стенок трубами невозможно: породы осыпаются, обваливаются, пучат. При встрече с ними скорость бурения снижается, углубка прекраща­ется. Глубина скважин нередко уменьшается за счет создавшейся на забое «подушки» в результате интенсивного обрушения пород и обра­зования каверн, вследствие чего происходит ослабление каната. Часто скважина обрушается целиком, что вызывает прихват бурового снаряда. При этом качество опробования нарушается, поскольку пробы разных рейсов смешиваются, а объем фактически извлеченной породы отли­чается от расчетного.

Для обеспечения качественного отбора проб бурение в водных та­ликах и сушенцах без опережающей обсадки труб, как правило, не про­изводят. Во избежание свайного эффекта забивку труб нужно произво­дить из расчета на рейс не более 0,4 м. С увеличением рейса уплотнив­шаяся порода создает в трубах пробку, и колонна под действием ударов продолжает двигаться как свая, уплотняя и вдавливая породы в затруб — ное пространство, в связи с чем данные опробования искажаются. Если интервал не опробуется, а трубы свободно забиваются, то углубка за рейс не ограничивается.

Забить трубы без предварительного долочения удается не всегда. Наличие крупной гальки и валунов может затруднить или даже ис­ключить возможность забивки труб ниже забоя. Во избежание аварий необходимо подбурить долотом ниже башмака на 5—10 см, а затем снова приступить к посадке труб.

Снаряд состоит из плоского долота, полуштанги, штанги, канат­ного замка. Воду не подливают, поскольку при бурении водных тали­ков ее в скважине достаточно. В слабообводненных талых породах с боль­шим количеством глины подливают 10—15 л воды на рейс 0,4 м; частота ударов 50—52 в мин; навеску, как правило, не делают.

Бурение плывунов осуществляют с опережающей обсадкой колонны труб. При таком виде бурения необходимо перекрыть сразу весь го­ризонт плывуна и забить колонну в подстилающий водоупорный гори­зонт на глубину не менее 1,0 м.

Бурение в мерзлых породах. На территории северо-востока страны широко развиты устойчивые многолетнемерзлые отложения, содержа­щие воду в виде вкраплений, зерен и кристаллов льда, которые проч­но цементируют их в плотную массу. Встречаются прожилки, пласты, линзы льда и насыщенные водой прослои илов в мерзлом состоянии. От верхних горизонтов к нижним в отложениях наблюдается умень­шение льдистости. Иногда мерзлота бывает сухой, и тогда она ничем (кроме температуры) не отличается от сухого талика. Бурение в устой­чивых мерзлых отложениях, когда необходимо в дальнейшем перекрыть трубами таликовую или сушенцовую зону, расположенную под гори­зонтом мерзлых пород, а также при забуривании скважин на глубину

4— 6 м (2—3 трубы) независимо от состояния грунта ведут с крепле­нием скважины трубами. Следует соблюдать такой порядок проведе­ния операций:

1. Долочение на заданный интервал ниже башмака обсадных труб. Во время долочения в скважину подливают воду из расчета 10—20 л на рейс 0,4 м.

2. Забивка труб до глубины, достигнутой долотом.

3. Повторное долочение в трубах. Во время забивки разрыхленная и срезанная башмаком порода уплотняется. Однако, чтобы ее можно было взять желонкой, необходимо повторное долочение.

4. Желонение — очистка забоя скважины желонкой, пробоотбор­ником.

Мерзлый грунт по сравнению с таликами более устойчив, поэтому нет необходимости крепить скважину трубами. Процесс бурения в этом случае заключается в чередовании долочения и желонения. Обсадны­ми трубами крепят только устьевую часть скважины. В результате по­вышается производительность буровых станков за счет увеличения вре­мени чистого бурения, значительно снижаются расход обсадных труб и количество аварий, связанных с ними; исключаются повышенные нагрузки на канат и станок, возникающие при извлечении труб, а сле­довательно, и их повышенный износ. Все это снижает стоимость бу­ровых работ.

Вместе с тем снижение льдистости в приплотиковой части при небольшом количестве связывающего глинистого материала в отло­жениях иногда приводит к образованию интервалов неустойчивых пород в продуктивном горизонте. В таком случае необходимое ка­чество работ обеспечивают, применяя тампонирование стенок сква­жины и соблюдая шламовый режим.

Буровой снаряд должен включать долото, полуштангу, штангу, канат­ный замок. Если скважины глубокие (до 100 м и более) и нет необхо­димости часто забивать трубы, полуштангу заменяют штангой. Приме­няют плоское долото со съемным лезвием зубильной формы с углом приострения 70—90°.

При бурении без труб в малоустойчивых породах рекомендуется подсаливание воды (5%-й раствор). Хорошие результаты дает приме­нение глинистого раствора с плотностью 1,18—1,2 г/см3. Малый рас­ход воды или поддержание шлама большой плотности (1,5—1,6 г/см3) во время долочения является эффективным способом сохранения сте­нок от обрушения, а следовательно, и обеспечения качества опробо­вания. В конце долочения заливают значительную порцию воды, чтобы обеспечить условия для работы желонки и обмыва снаряда.

Частоту ударов в мерзлых устойчивых породах III—IV категорий принимают равной 50—52 в мин, навеска должна быть наименьшая или равна нулю.

Бурение в осложненных горно-геологических условиях. К горно-гео­логическим условиям, значительно осложняющим бурение разведоч­ных скважин, относят: мощные талые отложения (обводненные и су­хие); ледниковые и водно-ледниковые отложения с сушенцовыми зо­нами, иногда преобладающими над интервалами устойчивых пород; чередование в разрезах большой мощности отложений, находящихся в различном физическом состоянии (мерзлота, водные талики, су — шенцы с положительной и отрицательной температурами).

Неустойчивые рыхлые отложения могут быть пробурены и прину­дительно закреплены одной колонной обсадных труб диаметром 219 мм на глубину до 60 м. Если разрез представлен мелкогалечным материа­лом без валунов, длину колонны можно увеличить до 80 м. При необхо­димости бурить в этих условиях более глубокие скважины применяют две колонны. Ходовую (опережающую) колонну диаметром 219 мм заби­вают до глубины 60 м. Колонна 168 мм свободно проходит в трубы диа­метром 219 мм, а от 60 м до конечной глубины производят ее прину­дительную порейсовую обсадку. Одним из сложных вариантов УКБ на россыпях является проходка сушенцов, расположенных отдельными интер­валами в нижних горизонтах глубокозалегающих россыпей. В этих случаях крепление трубами чрезвычайно затруднено, а зачастую невозможно.

Многолетним опытом бурения определен способ, позволяющий бу­рить такие породы без крепления трубами, используя тампонирование стенок льдом, глиной, торфом и другими материалами. Применение тампонирования одновременно с бурением улучшает качество опробо­вания. В состав тампонирующей смеси входят: толченый лед (до кус­ков около 10 см) или куски плотного снега, облитые водой; вязкая жирная глина или глинистый раствор удельным весом 1,2—1,3 кг/см3; мерзлый торф, мох, дерн или другой волокнистый материал (опилки, бумага и др.); вода (когда нет глинистого раствора). Расход смеси на 1 м скважины следующий: глины (6—10 кг), лед (12—16 кг), воды (4—8 кг). Возможна частичная или полная замена лвда льдонасыщенным тор­фом. Заброска в скважину рыхлого снега недопустима, так как он, не долетая до забоя, оседает на стенках скважины и заужает ее. Перед заброской кусок плотного снега, как и волокнистый материал, надо об­лить водой и заморозить. На рейс 0,4 м расход смеси составляет около половины указанного количества. После засыпки в скважину смеси производят долочение на заданный интервал, в результате которого компоненты смеси и грунта измельчаются, перемешиваются и тампо­нируют стенки скважины. Это предотвращает их обрушение. Опреде­лен следующий порядок операций при бурении с искусственной про — морозкой: засыпка тампонирующей смеси; долочение на рейс 0,4 м; желонение. При таком виде бурения часто для тампонирования ис­пользуют только лед в количестве 12—16 кг на рейс 0,4 м. При ин­тенсивном осыпании стенок, для того чтобы смесь в скважине замерз­ла и схватилась, после долочения работы в скважине приостанавливают на 20—30 мин, затем производят вторичное долочение и желонение. Далее операции повторяют, пока интервал сыпучих пород не будет пройден.

Бурение ледниковых отложений. Широкое вовлечение в разведку россыпей, перекрытых ледниковыми отложениями, повлекло ряд су­щественных изменений в технологии УКБ. Для ледниковых отложе­ний характерны большая мощность (до 200 м и более) и несортиро — ванность материала, значительное количество (более 50%) крупных валунов и глыб. В разрезе часто встречаются слабосцементированные сушенцовые зоны. Самую большую трудность представляет бурение валунов. Если поверхность валуна горизонтальна, что встречается до­вольно редко, и он перекрывает все сечение скважины, процесс буре­ния не затруднен, снижается только скорость углубки. Осложнения возникают лишь при выходе из валуна. Долото может пробить валун и выйти из него, не обработав стенки скважины. Тогда проворот сна­ряда приводит к прихвату головки долота. Чаще всего поверхность валунов находится под некоторым углом к лезвию головки долота. Нередко валун выступает в скважине только частью. В таких условиях происходит отклонение снаряда по наклонной плоскости валуна в сто­рону слабых пород, возможны искривления скважины и прихват сна­ряда. Для бурения валунистых пород необходимо применять округ­ляющие, реже крестовые долота, с углом приострения 110—130°. При бурении без обсадки снаряд оснащен долотом, утяжеленной удар­ной штангой (6 м), канатным замком; при бурении с обсадкой — до­лотом, забивной штангой, ударной штангой (4 м), канатным замком. В валунистых отложениях не следует допускать износа долота по диа­метру выше 5 мм. Особое внимание надо обращать на обработку стенок и тщательно следить за подачей бурового снаряда. Высота навески должна быть 5—7 см, в этом случае хорошо обрабатываются выступаю­щие в скважину части валунов и предотвращается соскальзывание лезвия по наклонной плоскости валуна. Высота сбрасывания макси­мальная, частота ударов — 48—50 в мин.

Тип долота. Правильный выбор типа долота во многом определяет качество отбираемых проб и производительность буровых работ. В ряде случаев несоответствие содержания полезного компонента по пробам фактическому в россыпи объясняется затрамбованием части металла в стенки скважины и затрубное пространство вследствие применения широкобортных, крестовых и затупленных долот, переизмельчением металла и потерей тонких фракций. В настоящее время при разведке россыпных месторождений наиболее распространенными типами до­лот являются плоские, округляющие, крестовые. Двутавровые долота применяют только в редких случаях для бурения вязких пород. Важ­нейшими конструктивными параметрами долота являются угол при­острения и число лезвий. Влияние угла приострения а при бурении россыпей многосторонне. Уменьшение угла приострения увеличивает механическую скорость бурения в слабых однородных породах, но снижает стойкость долота, что требует его частой заправки, а в креп­ких абразивных породах угол приострения должен быть существенно увеличен. Опытные данные показывают, что для бурения мягких пород а = 70—80°, для пород средней твердости — 90—110°, для твердых — 110—140°. Используемые долота имеют различное число лезвий: плос­кое долото — одно, крестовое — два; округляющее — одно, но оно более массивно и широкобортно, чем у плоского, и считается на полтора лезвия. Уменьшение числа лезвий позволяет повысить механическую скорость бурения, что предопределяет применение плоского долота. Однако в абразивных породах плоское долото активно изнашивается, а в трещиноватых часто заклинивается, что вызывает различного рода осложнения. Сравнительные испытания плоских, округляющих и кре­стовых долот в различных геолого-технических условиях показывают, что применение плоского долота в большинстве случаев считается наиболее целесообразным, так как при этом повышается на 30—40 % механическая скорость бурения и уменьшается переизмельчение поро­ды и полезного компонента, в связи с чем улучшается качество опро­бования. Наибольшие преимущества плоского долота отмечены при бурении рыхлых отложений без включения крупнообломочного мате­риала, при бурении в трубах и при опробовании продуктивного пла­ста для повышения качества пробы.

Округляющие долота эффективны при бурении ниже труб в рых­лых отложениях с большим количеством крупной гальки и валунов. Крестовые можно применять при бурении наиболее валунистых от­ложений, для разрушения отдельных крупных валунов и проходки твердых трещиноватых пород.

Разрушение пород ударным способом зависит от силы удара, кото­рая определяется кинетической энергией Л, развиваемой при падении снаряда заданной массы 0 с определенной высоты 5, и ускорения падения снаряда в скважине ], зависящего от плотности жидкости и состояния скважины, т. е.

Я= О^/ё, (13.1)

где § — ускорение силы тяжести.

Следовательно, эффективность единичного удара тем выше, чем больше масса, высота падения и ускорение падения снаряда. Естест­венно, что механическая скорость бурения возрастает с увеличением частоты и наносимых по забою ударов в единицу времени.

Рассмотрим влияние и принципы подбора каждого из указанных параметров на повышение эффективности бурения.

Масса снаряда 0, участвующая в эффективном разрушении раз­личного вида горных пород, может быть ориентировочно определе­на по относительной массе <7, которая приходится в зависимости от твердости пород на 1 см диаметра долота И (или длины его лезвия): для мягких пород — 25—30 кг/см, для пород средней твердости — 35— 45 кг/см, для твердых пород — 50—60 кг/см. В эффективном разру­шении породы на забое существенную роль играет часть снаряда, называемая «ударной», ее масса должна быть 0>#1). Фактическая ударная масса снаряда определяется следующим образом:

<3= <2, + <32+ (13.2)

где 0, — масса долота; 02 — масса ударной штанги (переходника, полу- штанги); 0з — масса раздвижной штанги, участвующей в ударе по забою.

Высота сбрасывания Б и частота ударов п бурового снаряда взаи­мосвязаны и подбираются для конкретных условий таким образом, чтобы обеспечивалось свободное падение снаряда в скважине. Сво­бодное падение снаряда обеспечивается в случае, когда время движе­ния оттяжного ролика вверх будет равно или меньше времени свобод­ного падения. Однако оттяжной ролик придерживает канат во второй половине своего пути, вызывая торможение бурового снаряда. Одна­ко за счет вытяжения каната и сжатия амортизаторов мачты массой снаряда влияние торможения уменьшается. Рациональная частота уда­ров определяется из эмпирических выражений (2.53) и (2.54).

При выборе 5 и п рекомендуется исходить из следующего: с уве­личением 5 частоту ударов п необходимо уменьшать, а при снижении

5— увеличивать. Частота ударов, увеличенная выше оптимальной, при­водит к рывкам каната, так как опускание оттяжного ролика (подъем снаряда) начинается раньше, чем долото достигает забоя. Удары сна­ряда по забою будут неполноценными.

Заниженная частота лишает снаряд возможности свободно падать. Он плавно перемещается в скважине, находясь все время в подве­шенном состоянии на канате, и задерживается на забое.

Установлено, что в начале операции долочения (из скважины уда­лен шлам) падение снаряда сдерживается более медленным движени­ем оттяжного блока и удары по забою наносятся благодаря сжатию амортизаторов. В это время надо увеличить обороты электродвигателя станка. Наблюдаемое несоответствие сглаживается по мере накоп­ления шлама. В конце операции долочения, при образовании в скважи­не большого количества шлама буровой снаряд начинает падать с мень­шим ускорением, синхронность его падения с качаниями ударной балки вновь нарушается, поэтому необходимо либо уменьшить число оборотов электродвигателя, либо прекратить бурение и очистить сква­жину. В момент забуривания скважины и при ликвидации искривле­ния следует также снижать число ударов бурового снаряда.

Под подвеской (навеской) бурового снаряда над забоем скважины понимают расстояние между лезвием долота и забоем скважины при свободно висящем снаряде, когда оттяжной ролик находится в верх­нем крайнем положении. Величина подвески весьма существенно влия­ет на характер и эффективность работы долота. При рациональной под­веске снаряда подъем и падение его происходит плавно, без рывков и толчков, поэтому к моменту нанесения удара по забою скорость падаю­щего снаряда близка к максимальной ее величине. Кинетическая энер­гия, расходуемая при этом на разрушение породы, будет наибольшей.

Рациональная величина подвески бурового снаряда может быть найдена из выражения

(1=1-И, (13.3)

где с1 — величина подвески снаряда, см; / — суммарный прирост дли­ны каната при ударе, зависящий от сжатия амортизатора и собствен­ного удлинения каната, см; А — глубина внедрения лезвия долота, см.

Суммарный прирост длины каната зависит от веса снаряда, под действием которого вытягивается канат и сжимается амортизатор, а также от качества и конструкции амортизатора. Сжатие амортиза­тора на 1 см приводит к удлинению каната примерно на 2 см. Кроме того, это удлинение зависит от диаметра и длины каната: чем тяжелее снаряд, меньше диаметр и больше длина каната, тем больше величи­на удлинения каната и больше должна быть подвеска снаряда над забоем. Установлено, что величина подвески снаряда в зависимости от характера пород и глубины скважины изменяется от 0 до 7 см. Величину высоты навески долота необходимо увеличивать с повыше­нием твердости пород.

В процессе ударного бурения частицы разрушенной породы (шлам) можно удалять с забоя только с помощью жидкости, приводимой в движение буровым снарядом. Падающий в скважине снаряд вытес­няет жидкость, струи которой подхватывают частицы породы. В ре­зультате эти частицы переходят во взвешенное состояние, увеличивая вязкость и объемный вес жидкости, что двояко влияет на производи­тельность бурения: с одной стороны, увеличение вязкости и объемного веса жидкости повышает сопротивление движению снаряда, скорость падения его уменьшается, и производительность бурения снижается; с другой — увеличение вязкости и объемного веса повышает способ­ность жидкости удерживать более крупные частицы разрушенной по­роды. Это сокращает расход энергии на разрушение породы и повы­шает производительность бурения. При отсутствии в скважине жид­кости или недостаточной удерживающей ее способности частицы породы оседают и на забое образуется так называемая подушка, по­глощающая значительную часть энергии удара. Для обеспечения нор­мальных условий бурения в скважину подливают воду, а зашламован — ную жидкость периодически вычерпывают желонкой.

Скорость бурения твердых пород зависит от шламового режима. Увеличение объемного веса зашламованной жидкости до 2 г/см3 не­значительно влияет на конечную скорость падения снаряда. При даль­нейшем увеличении объемного веса скорость падения значительно уменьшается, а с этим связано существенное снижение силы удара и, следовательно, скорости бурения. Скорость падения снаряда и про­изводительность ударного бурения существенно снижаются также при увеличении высоты столба шлама до 3—4 м. Уменьшить высоту стол­ба шлама и объемный вес жидкости возможно, добавив в скважину воду и периодически производя ее чистку. При бурении скважин с при­током грунтовых вод объемный вес зашламованной жидкости можно регулировать периодическим расхаживанием бурового снаряда (подъем и опускание его 2—3 раза на высоту 2—4 м). В скважинах, где нет по­ступления грунтовых вод, густоту зашламованной жидкости регулиру­ют периодическим подливом воды: вначале рейса (долбления) 8—12 л, затем по мере зашламования жидкости воду добавляют порциями, в зависимости от скорости бурения и требуемой вязкости жидкости. Перед чисткой скважины рекомендуется влить сразу 20—30 л воды и

шлам тщательно перемешать расхаживанием снаряда. При объемной массе пород около 2,5 т/м3 рекомендуется поддерживать плотность пуль­пы (смеси воды с частицами разрушенной породы) около 1,5—1,7 кг/л, высоту пульпы (при поднятом инструменте) — около 3—3,5 м. С це­лью уменьшения плотности пульпы перед началом нового рейса необ­ходимо доливать в скважину следующее количество воды:

Номинальный диаметр скважины, мм…………………. 150 200 250 395

Количество доливаемой воды, л………………………… 20—30 30—50 50—70 90—100

С точки зрения полноты извлечения пробы при плотности пуль­пы 1700 кг/м3 условную вязкость ее рекомендуется поддерживать в пределах 22—25 с.

Величина углубки за рейс является одним из основных параметров бурового процесса при разведке россыпных месторождений, оказыва­ющих значительное влияние на качество отбираемых проб и произво­дительность труда. В настоящее время бурение скважин при разведке россыпных месторождений осуществляется с интервалами углубки за рейс, равными 0,2; 0,4—0,5 и 1,0 м. В ходе анализа выявлено, что при интервале углубки за рейс 0,2 м обеспечивается наиболее полное извлечение породы и металла с минимальной растяжкой пласта. По­этому опробование продуктивной толщи необходимо производить уко­роченными рейсами, что значительно повышает качество отбора проб. Кроме того, при интервале бурения 0,2 м извлекается проба, состоя­щая из более крупных фракций. Однако при проходке пустых пород целесообразно увеличивать интервал углубки за рейс до 0,5—1,0 м, так как в этом случае за счет сокращения вспомогательных операций до­стигается повышение рейсовой скорости бурения.

Интервал забивки обсадных труб. В практике геологоразведочных работ по разведке талых россыпных месторождений при технологиче­ской схеме бурения в трубах существует мнение, что забивку обсадных труб в целик целесообразно осуществлять на возможно больший ин­тервал, после чего следует переходить к разбуриванию и опробованию поступившей в них породы. Рациональным, однако, является соответ­ствие интервала забивки обсадных труб интервалу опробования. Тогда относительный объем извлекаемой пробы значительно выше и составля­ет при рейсе 0,2 м почти 90 % от расчетного ее объема. При неогра­ниченном интервале забивки труб объем извлеченной пробы при той же величине углубки составляет, как показывает опыт работ, до 60 % от расчетного. С увеличением углубки за рейс процент извлечения породы еще больше снижается.

Отбор проб и очистку скважины осуществляют с помощью желонок Р-8Ж-4У. Перед началом желонения в скважину заливают 10—20 л во­ды. Опущенную желонку после трех — пяти ходов поршня поднимают на поверхность в воронку разгрузочного устройства. Желонение счи­тается законченным, когда желонка поднята пустой; ее обмывают над разгрузочным устройством. Для полной очистки скважины от шлама желонку необходимо опускать в нее 3—4 раза. При бурении в преде­лах опробуемого интервала желонку обмывают водой в устье скважи­ны и в разгрузочном устройстве. Для этого в предпоследнем желоне — нии желонку снаружи обмывают в устье скважины, когда шток вый­дет из нее на 0,5—1,0 м. В последнем желонении в окна желонки, как только они появятся над скважиной, заливают 8—10 л воды для внут­реннего ее обмывания. По окончании желонения нижнюю часть же­лонки обмывают в разгрузочном устройстве. Перед вторым и после­дующим желонением в скважину необходимо заливать 10—20 л воды.

Зимой желонку обогревают на всю длину. Особое внимание об­ращается на соответствие объема поднятой породы теоретическому. В случае резких отклонений объема поднятого грунта от теоретичес­кого принимают меры по устранению причин расхождения (проводят глинизацию скважины или переходят на бурение с трубами).

Колонковое бурение скважин большого диаметра используют при сооружении разведочных и заверочных скважин на месторождениях золота и алмазов, скважин для водоснабжения и дренажа, под кон­дукторы глубоких нефтяных и газовых скважин, а также под фунда­менты и опоры глубокого заложения. Диаметры таких скважин могут быть более 0,5 м, а глубина —до 600—800 м.

Для бурения применяют разнообразный технологический инстру­мент, в состав которого входят колонковые снаряды с различными устройствами и приспособлениями для отделения керна, извлечения его из скважины, чистки скважин от шлама и кусков породы. В ка­честве породоразрушающего инструмента используют как твердосплав­ные резцовые коронки, так и коронки со смонтированными на них шарошками. В зарубежной практике для армирования коронок боль­шого диаметра применяют вставки из композиционных материалов повышенной твердости.

Прямую промывку осуществляют при сооружении скважин таких диаметров, где скорость восходящей струи достаточна для выноса разрушенной породы на поверхность. Затем промывочная жидкость по желобам направляется в очистную систему и после очистки от шлама возвращается для дальнейшей циркуляции. При некотором увеличе­нии диаметра ствола прямая промывка дает удовлетворительные ре­зультаты при установке на верхней части бурового оборудования шламоулавливающего приспособления, обычно представляющего со­бой емкость (шламовую трубу), куда оседают более тяжелые фракции шлама. В качестве промывочной жидкости в настоящее время исполь­зуют глинистые растворы или техническую воду с различными добав­ками.

Наибольшее распространение в России и странах СНГ для развед­ки россыпных месторождений золота и месторождений алмазов полу­чили колонковые снаряды и коронки, выпускаемые Тульским НИГП.

Колонковый снаряд большого диаметра, показанный на рис. 13.1, состоит из коронки 7, кернорвателя 2, колонковой трубы 3 и пере­ходника 4. Срыв и удержание керна в этих снарядах осуществляется

б

четырьмя заклинивающими элементами 5, установленными в корпусе кернорвателя на цилиндрических осях. Характеристики этих снарядов приведены в табл. 13.1.

Для указанных колонковых снарядов предназначено несколько типов буровых коронок. С использованием этого инструмента пробу­рено более 15 тыс. м скважин глубиной от 5—30 (россыпи золота) до 200—300 м и более (месторождения алмазов) по талым и многолетне­мерзлым породам III—VIII категорий буримости (по классификации для колонкового бурения) в Якутии, Архангельской обл., Киргизии, на Алтае и в других регионах. При этом были использованы буровые установки ЗИФ-650М, ЗИФ-1200 МР, 1БА-15В, УРБ-ЗАМ и др. В зависимости от типа коронок, геолого-технических условий и пра­вильности выбранных режимов бурения проходка на коронку дости­гает 40—80 м и более. Механическая скорость бурения в зависимости от категории пород по буримости колеблется от 3—5 до 14—20 м/ч, углубка за рейс составляет от 1,0 до 3,5 м.

Шарошечный породоразрушающий инструмент разработан для колонкового бурения скважин больших диаметров в породах средней твердости установками колонкового бурения УКБ-0,8 (конструкция ДНИ ГРИ), БШК-1250 (конструкция Гидропроекта) и УКБ-1250 (кон­струкция МГРИ).

Наименование показателя		Тип снаряда
БС-168	БС-219	БС-273
Колонковая трубы Диаметр, мм: наружный	168	219	273
внутренний	150	201	255
Длина, мм	2000-3000	1500-2000	1500-2000
Масса, кг	70-105	70-93	88-117
Коронка Диаметр, мм: наружный	172	224	278
внутренний	144	188	242
Высота, мм	105	115	115
Число резцов (пластинок твердого сплава), шт.	6	6-8	8-12
Форма пластинок	02251	02271	02271;02251
Резьба (специальная трапецеидальная), мм: длина	45	45	45
шаг	10	10	10
Масса, кг	2,5	4,5	10,0
Кернорватель Диаметр, мм: наружный	172	224	278
внутренний	144	188	242
Масса, кг	4,7	5,9	13,5

Шарошечные колонковые буры УКБ-1250, УКБ-0,8 и БКШ-1250 имеют в основном однотипную конструкцию и состоят из цилиндри­ческого корпуса со шламоприемником в верхней части и шарошками, размещенными на лапах, присоединенных к торцовой части бура. Стен­ки корпуса бура делают одинарными или двойными. Между шламо­приемником и корпусом устанавливают сплошную перегородку, в цент­ре которой закреплена труба с фланцем или муфтой для соединения с колонной бурильных труб.

В колонковом буре УКБ-1250 в нижней части корпуса закреплено кольцо, в котором размещены гидроцилиндры керноотделительного устройства, а в двойных стенках корпуса запрятаны трубопроводы гидросистемы.

В колонковом буре БКШ-1250 стенки корпуса выполнены одинар­ными, а лапы с шарошками прикреплены к короночному кольцу, кото­рое посредством заклепок прикреплено к корпусу колонкового бура. Лапы присоединены к буру либо болтами, либо посредством сварного шва.

Особенностью колонкового бура УКБ-0,8 является размещение в нижней и верхней частях его центрирующих шарошек, обеспечиваю­щих устойчивое положение его в скважине. Центрирующие шарошки создают более спокойный режим работы шарошек и их опор, повы­шают время их работы на забое за счет уменьшения динамической составляющей осевой нагрузки.

Параметры режима бурения этим инструментом определяются в ос­новном величиной предельно допустимой нагрузки на опору и усло­виями вращения колонны бурильных труб в скважине большого диа­метра. Допустимая нагрузка на опору шарошки бура БКШ-1250 не превышает 20 кН. Следовательно, общая осевая нагрузка при шести установленных шарошках не должна превышать 120 кН.

Исходя из условия обеспечения нормальной работы бурильной колонны, скорость вращения колонкового бура рекомендуется при­нимать в пределах 10—40 об/мин. При шарошечном бурении расход промывочной жидкости, обеспечивающий достаточную очистку сква­жины, зависит от величины зазора между короночным кольцом и за­боем. Так, при величине зазора 10—20 мм и расходе 5 л/с обеспечи­вается хороший вынос шлама в шламоприемник.

Более эффективны колонковые буры, используемые в установке УМБ-20А. Это модификация УБСР-25М для бурения скважин диа­метром до 700 мм и глубиной до 20 м в многолетнемерзлых породах с очист-кой забоя воздухом. Буровая установка комплектуется шаро­шечным (рис. 13.2) и пневмоударным (рис. 13.3) бурами.

Шарошечный бур предназначен для бурения скважин в многолет­немерзлых отложениях с небольшим включением валунно-галечного материала. Бур представляет собой корпус сварной конструкции в виде двойной колонны труб, имеющей в верхней части фланец, а в ниж­ней — башмак, оснащенный двухшарошечными долотами.

В корпусе бура монтируется механизм подрезки и удержания керна. Усилие подрезки керна передается от гидроцилиндра, встроенного в вертлюг-сальник оригинальной конструкции, через систему толка­телей, смонтированных в бурильных трубах. В выдвинутом (рабочем) положении резцы при подъеме бура над забоем открывают керн и удерживают его при подъеме.

Пневмоударный бур, предназначеный для бурения валунов и корен­ных пород, оснащен четырьмя серийными пневмоударниками П-105. Корпус бура и подрезное устройство аналогичны используемым в кон­струкции шарошечного бура. Оба оснащены откидными шламосбор — никами. Для обеспечения очистки забоя скважины и работы пневмо­ударников установка УБМ-20А комплектуется двумя компрессорами НВ-10 с производительностью до 10 м3/мин каждый, соединенных в одну линию.

Бурение с расширением стволов скважин до требуемого проектным заданием диаметра, особенно в твердых породах, является сложным и энергоемким процессом, но в некоторых случаях достаточно эф­фективным.

Так, технология бурения вентиляционных скважин большого диа­метра глубиной до 250 м в твердых породах с помощью геологоразве­дочного оборудования и инструмента разработана и реализована в Тад­жикистане. Станком ЗИФ-1200А специальными долотами-расширите — лями пробурены две вентиляционные скважины диаметром 590/425 мм в породах VIII—X категорий по буримости по следующей технологии.

м

Рис. 13.2. Шарошечный бур: / — корпус; 2 — башмак; 3 — двухшарошечные долота; 4 — подрезной нож; 5 — шток; 6 — гер­метическая крышка; 7—ресивер; крышка ресивера; 9 — шламосборник; 10— палеи; 11 — замок; /2—центральный толкатель с гребенкой; 13 — возвратная пружина; /4—крестовина

Рис. 13.3. Пневмоударный бур: 1 — пмевмоударник; 2 — рессивер; 3 — воздухопроводящий канал; 4 — долото

Долоторасширитель, конструкция которого показана на рис. 13.4, состоит из корпуса, в нижнюю часть которого ввернут переходник длиной до 2 м и долото типа К, ТК или ТКЗ диаметром 215,9 мм, а по бокам на двух уровнях различного диаметра закреплены с по­мощью сварки четыре и шесть секций трехшарошечных долот одного из названных типов. Для бурения пород IX—X категорий используют нижние ступени долота. Вершины конусов секций двух верхних сту­пеней попадают в разбуренное пространство, поэтому расширение
скважины производится средними и пе­риферийными венцами секций долота.

Рис. 13.4. Долоторасширитель: / — корпус; 2—брусок 100x 100×60 мм; 3 — брусок 100x80x60 мм; 4—секции трехшарошечного долота; 5 — переходник- центратор; 6 — трехшарошечное долото

Секции шарошек чередуются таким об­разом, чтобы была обеспечена равно­мерная обработка всей площади забоя скважины.

После проходки шурфа и установ­ки кондуктора в его центре долотом с/= 215,9 мм с центратором забуривают опережающую скважину. Тип долота оп­ределяют в зависимости от твердости пород. После углубки скважины на 10—

15 м это долото извлекают и опускают трехсекционное (^=215,9/425/590 мм), которым бурят породы до VIII катего­рии включительно. Опережающая сква­жина разбуривается до 3/4 ее длины, затем с помощью долота (1= 215,9 мм породу измельчают, скважину очища­ют от скопившегося в ней крупного шлама и бурят следующий интервал протяженностью 10—15 м. Далее опять производят бурение долотом-расшири­телем и описанные циклы повторяют до выхода более твердых пород, где применение трехступенчатого долота — расширителя неэффективно. Пробу­ренный интервал крепят трубами 530 х 7 мм, в которые методом погружения доливается раствор (в нижней части труб устанавливается деревянная пробка) и цемен­тируется.

Бурение пород IX—X категорий начинают инструментом с!= 215,9 мм типа К или ТК. Опережающую скважину бурят с помощью долота — расширителя с1= 215,9 мм с центратором. Циклы бурения и расшире­ния чередуются до достижения проектной глубины. При этом реко­мендуется сохранять глубину опережения 8—10 м с целью создания аккумулирующего пространства для осыпающихся при разбурке по­роды и шлама из раствора. Пробуренный интервал также крепят трубами и цементируют.

Эффективная технология расширения стволов скважин в мягких породах разработана в Тульском НИГП. Одним из путей существен­ного сокращения затрат на получение представительных проб увели­ченного объема при обеспечении возможности бурения скважин се­рийно выпускаемыми установками является расширение до нужного размера ствола «рядовой» скважины в зоне продуктивного пласта с помощью расширителей-пробоотборников. Эта технология приме­нима и при сооружении геотехнологических скважин.

Расширитель и пробоотборник для отбо­ра представительной пробы увеличенного объема должны обеспечивать возможность от­бора пробы не только в заданном интервале, но и строго заданной формы и объема, а так­же обеспечивать надежное транспортирова­ние пробы на поверхность. Указанным тре­бованиям наиболее полно отвечают техни­ческие средства, включающие собственно рас- ширитель-пробоотборник и дополнительные пробоотборники (ПС и ПСП).

Рис. 13.5. Расширитель-про­боотборник

Расширитель-пробоотборник, представ­ленный на рис. 13.5, состоит из корпуса 1, к которому шарнирно на осях 2 прикрепле­ны расширительные лопасти 3, снабженные роликами 4. Режущие концы лопастей 5 ар­мированы твердым сплавом. Внутри корпуса находится подвижный клин-шток 6. В ниж­ней части клин-шток выполнен в виде не­замкнутой скобы 7 с накидной втулкой 8.

С помощью этих устройств к клину-што­ку присоединена опорная стойка с пятой 9, которая в зависимости от условий работы мо­жет быть заменена шламосборником. В верх­ней части корпуса расширитель снабжен пе­реходником (муфта замковая) 10, с помо­щью которого он крепится к колонне бу­рильных труб. Внутри корпуса расширителя над верхней частью клина-штока установлена возвратная пружина 11, удерживающая клин-шток в нижнем транспортном положении. Па­лец 12 клина-штока, опираясь на перемычку в корпусе, удерживает клин-шток с опорным устройством на весу при спуске расширителя в скважину и подъеме из нее.

Расширитель в собранном виде на колонне бурильных труб опус­кают в скважину и устанавливают на забой. Для предотвращения преждевременного случайного раскрытия лопастей при спуске в сква­жину лопасти стягивают проволочным хомутом (на рисунке не пока­зано).

При достижении забоя включается вращение снаряда и создается осевая нагрузка, под действием которой корпус с лопастями опуска­ется вдоль клина-штока, сжимая пружину. При этом лопасти, нака­тываясь роликами на клиновидные поверхности клина-штока, разры­вают проволочный хомут (если он был установлен), расходятся в сто­роны и выводятся в рабочее положение. При дальнейшем движении вниз ролики, накатываясь на параллельные грани клина-штока, фик­сируют лопасти в одном положении на весь интервал расширения, чем обеспечивается постоянный диаметр разбуриваемой скважины.

Подачу бурового снаряда с вращением осуществляют до полного образования цилиндрической каверны в продуктивной зоне на весь интервал опробования. Разрушенный материал собирается на забое. По окончании расширения расширитель без вращения извлекают из скважины. При подъеме корпуса пружина, разжимаясь, выталкивает клин-шток до тех пор, пока ролики, перекатываясь по параллельным граням клина-штока, не попадут в его клиновидную самую узкую часть, позволяя лопастям убраться в исходное (транспортное) положение, а клин-шток, опираясь пальцем о перегородку в корпусе, повиснет на ней. На поверхности расширитель очищают от шлама, собирая его для опробования, отсоединяют от колонны бурильных труб, присо­единяют к ним пробоотборник скважинный и производят очистку скважины от разбуренной породы.

При незначительной мощности пласта возможна замена опорной стойки с пятой на специальный шламосборник. В этом случае раз­буриваемая расширителем порода собирается в шламосборник и под­нимается на поверхность после завершения цикла расширения.

Рис. 13.6. Пробоотборник скважинный ПС

Пробоотборник состоит из корпуса 1, к ниж­ней части которого присоединены башмак 2 и опора 3 (рис. 13.6). Башмак снабжен режущими лопастями 4, установленными под определен­ным углом и шарнирно закрепленными клапа­нами 5, которые через шарнирно-стержневую систему, включающую толкатель 6 и шток 7, со­единены с ведущей квадратной втулкой 8, вза­имодействующей с головным переходником 9.

Ведущая втулка жестко связана с замковой муф­той 10.

Пробоотборник работает в пробуренной сква­жине после того, как определенный интервал продуктивного пласта расширен расширителем и продукты разрушения осели на забой. Замко­вой муфтой пробоотборник присоединяется к ко­лонне бурильных труб и опускается в скважину.

При этом клапаны удерживаются в закрытом со­стоянии. При достижении забоя пробоотборник опирается на него лопастями башмака, а под­вижная система, включающая муфту замковую, ведущую втулку, шток и толкатели, опускается вниз и открывает клапаны. Включают враще­ние и прикладывают небольшую осевую нагруз­ку, при этом разрушенная порода заполняет кор­пус. После заполнения пробоотборника враще­ние выключают и поднимают его на поверх­ность. Вначале поднимают подвижную систему, принудительно закрывая клапаны. На поверхно­сти пробоотборник устанавливают на твердое
основание (шламоприемник), подвижную систему опускают, прину­дительно открывая клапаны, и пробоотборник разгружается от шла­ма. После разгрузки пробоотборник промывают чистой водой.

Реактивно-турбинное бурение (РТБ) — один из наиболее перспек­тивных способов сооружения скважин большого диаметра и шахтных стволов. Реактивно-турбинные буровые агрегаты находят все более широкое применение в России и за рубежом.

Во ВНИИ буровой техники выполнен значительный объем науч­но-исследовательских работ, определивших теоретические основы тех­нологии реактивно-турбинного бурения. Создан ряд конструкций за­бойных буровых машин планетарно-турбинного (реактивно-турбинно — го) бурения, успешно выполнявших сооружение скважин большого диаметра и шахтных стволов. Планетарно-турбинные буровые агрега­ты разрушают забой долотами, совершающими сложное, планетарное движение: долота вращаются вокруг своих осей (относительное дви­жение) и вместе с траверсой вокруг продольной оси агрегата (перенос­ное движение). В большинстве случаев бурения большими диаметрами каждое из этих движений осуществляется от раздельных приводов: относительное от турбобуров (каждое долото от отдельного турбобура), переносное — от ротора на поверхности через бурильные трубы.

Значительным преимуществом реактивно-турбинных буровых аг­регатов (РТБ) является разрушение породы на всей площади забоя с одновременным ее удалением из ствола с помощью промывки, что обеспечивает непрерывность процесса углубки скважины или ствола шахты. Применение в конструкции агрегатов РТБ стандартных узлов (турбобуров, шарошечных долот) значительно упрощает и снижает затраты при их изготовлении и эксплуатации. Общая схема установки для реактивно-турбинного бурения приведена на рис. 13.7.

Теоретически установками РТБ можно бурить стволы скважин и шахт любой глубины. Практически при современной технологии ими возможно бурение стволов до глубины 500—1000 м.

Забойные агрегаты РТБ в зависимости от типа применяемого при бурении инструмента используют при бурении горных пород любой твердости. Штыревые шарошечные долота позволяют бурить породы с коэффициентом крепости /=12—16.

Принципиальная конструктивная схема реактивно-турбинного за­бойного бурового агрегата приведена на рис. 13.8. Агрегат состоит из турбобуров, жестко соединенных в единую конструкцию с помощью траверсы, хомутов и продольных стяжек. Траверса соединена с колон­ной бурильных труб переводником, а с турбобурами с помощью нип­пелей. На выходных валах турбобуров через переводники крепятся ша­рошечные долота. Агрегат РТБ получает общее вращательное движение от бурильной колонны, вращаемой ротором. Вращательное движение агрегата достигается также за счет реактивного действия струй жидко­сти, выходящих из турбобуров.

Вращение шарошечных долот создается промывочной жидкостью, подаваемой в турбобур под давлением и вызывающей вращение вала

Рис. 13.8. Реактивно-турбин­ный агрегат: / _ турбобур; 2 — грузы-утяжели — тели; 3 — траверсы; 4 — переводник; 5 — долото

Рис. 13.7. Установка с агре­гатом РТБ: 1 — вышка; 2— буровая лебедка; 3 — кронблок; 4 — талевый блок; 5—вертлюг; б —квадратная штан­га; 7—бурильная колонна; <?—аг­регат РТБ; 9 — грязевые насосы

турбобура. Для увеличения осевой нагрузки на шарошечные долота на агрегате устанавливают грузы-утяжелители. Породоразрушающий ин­струмент РТБ в результате вращения вокруг своей оси и общего вра­щения вокруг центра забоя ствола приобретает планетарное движение. Рабочие элементы долот (зубки шарошек) движутся по отношению к плоскости забоя по гипоциклоидам, разрушая породу у стенок ство­ла и на внутренней площади у центра забоя. При таком характере работы инструмента происходит равномерный износ зубьев. Стойкость долот может быть повышена за счет применения оптимальных режимов работы зубков долота, разрушающих породу. Основными режимными параметрами при бурении являются осевая нагрузка на долото, окруж­ная скорость вращения шарошек, а также расположение и форма лез­вий зубков. Чем тверже порода, тем большей должна быть осевая на­грузка и тем меньшей скорость вращения шарошки. При выборе форм, расположения зубков (штырей) долота необходимо учитывать дей­
ствие всех сил, возникающих при бурении. Особенно ускоряют затуп­ление зубков наличие волочения их и недостаточная величина осевой нагрузки. При исключении этих недостатков стойкость долот значи­тельно повышается. В настоящее время при бурении реактивно-тур­бинным способом применяют шарошечные долота специальной кон­струкции, разработанные ВНИИБТ. К таким относят унифицирован­ные трехшарошечные долота, предназначенные для бурения крепких пород диаметром 394, 445, 490 мм, армированные твердосплавными зубками со сферическими головками, выступающими над поверхностью корпуса шарошки на 6 мм. Характерной особенностью реактивно-тур­бинного бурения является высокая вертикальность стволов (отсутствие искривлений). Установками реактивно-турбинного бурения пройдено много вентиляционных, вспомогательных и разведочных стволов шахт. В последние годы реактивно-турбинное бурение все больше применяют при проходке нефтяных и газовых скважин увеличенного диаметра, обеспечивая удовлетворительные технико-экономические показатели.

Комментарии запрещены.