Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Сжатый воздух в отличие от воды и "глинистых растворов не замерзает при бурении в мерзлых породах. Поэтому полностью устраняются осложнения, связанные с замерзанием промывочной среды.

Массовые расходы воздуха обычно в 15—25 раз меньше мас­совых расходов любой промывочной жидкости, а его теплоемкость в 4 раза меньше. При одной и той же начальной температуре воздух песет в 60—100 раз меньше тепла, чем промывочная жид­кость. Это существенно снижает опасность осложнений, связан­ных с протаиванием мерзлых пород. Воздух значительно эф­фективнее солевого раствора, который хотя и не замерзает в скважине, но легко может нарушить естественное агрегатное состояние льда в мерзлых породах путем его растворения.

Сжатый воздух, снижая опасность и остроту осложнений, свя­занных с протаиванием пород, не устраняет этих осложнений пол­ностью. На выходе из компрессора он имеет повышенную темпе­ратуру (70—80°С), которая может приводить к протаиванию мерзлоты и всегда вызывает выпадение и замерзание в циркуля­ционной системе конденсата с последующими осложнениями.

При выпадении конденсата из воздуха могут возникнуть спе­цифические осложнения: слипание частиц шлама, образование сальников, намерзание конденсата в соединениях, уменьшение проходных сечений, прижоги породораз’рушающего инструмента, прихваты и др. Эти осложнения также вызваны недоучетом тем­пературного фактора при бурении.

Для практических расчетов по прогнозированию и регулиро­ванию температурного режима скважин с продувкой воздухом можно получить более простые формулы, нежели приведенные в разделе 2.1 аналитические зависимости. Применительно к ко­лонковому бурению в мерзлых породах с продувкой воздухом без большой ошибки можно в формулах (2.33) и (2.34) принять (Т = 0, е5,н = 0, что позволяет получить простые выражения для распределения температуры в потоках промывочной среды: в бурильных трубах

и = (7’п — и ^ ^ е* «*-« + 7’„; (2.35)

в кольцевом канале

/* = (/,„- Т„)-§2-«А* — ^ в* <" "> + Тп, (2.36)

где 7’п — средняя постоянная по глубине естественная температура пород, °С.

Эти формулы можно применять в случае использования обыч­ных нетеплоизолированных бурильных труб.

Рассмотрим расчетным путем особенности температурного режима в двух крайних случаях: бурение скважин большого
диаметра со значительным расходом воздуха (разведка россыпей) и малого диаметра с небольшим расходом (алмазное бурение).

В первом случае принято: скважина диаметром 180 мм, глуби­ной до 150 м; бурильные трубы муфтово-замкового соединения диаметром 63,5 мм; породы типа мерзлого суглинка с р„ = = 2070 кг/м3, = 1,21 • 103 ДжДкг ■ °С), к~а = 2,33 Вт/(м • °С), со средней температурой 7’п =—3°С; расход воздуха 9 м3/мин с на­чальными температурами £1н =+30, —5 и —30 °С; мощность на забое 3 кВт.

Во втором случае: скважина диаметром 76 мм, глубиной до 200 м; бурильные трубы ниппельного соединения диаметром 50 мм; породы типа песчаников с р~ = 2600 кг/м3, с~ = 1,05 • 103 ДжДкг • °С); &~ = 1,86 Вт/(м • °С), со средней температурой 7’п = —5°С; расход воздуха 4 м3/мин с начальными температурами = +30 и —20°С; мощность на забое 1,5 кВт.

В обоих случаях принято Ат = 46,5 Вт/(м-°С). Расчеты про­ведены — по формулам (2.35) и (2.36) при т = 2 ч. Изменение агре­гатного состояния не учитывалось (&агр = 1).

Результаты расчетов на ЭВМ представлены графически на рис. 2.3 и 2.4. Кривые на рис. 2.3 и 2.4 показывают, что даже при глубинах до 100—200 м температура в скважине резко изменяется и тем больше, чем сильнее начальная температура воздуха отли­чается от температуры пород в большую или меньшую сторону. Причина в том, что воздух несет малый запас холода или тепла н быстро приобретает с глубиной температуру, близкую к темпе­ратуре пород. Этот процесс протекает тем быстрее, чем меньше расход воздуха и интенсивнее теплообмен. Во втором из приме-

6

в

Рис. 2.3. Расчетное распределение температуры в бурильных трубах (/) н коль­цевом канале (2) скважины диаметром 180 мм при бурении на россыпях при расходе воздуха 9 м3/мин, конечных глубинах 50, 100 и 150 м, продолжитель­ности циркуляции 2 ч и начальных температурах нагнетаемого в скважину воз­духа + 30° С (а), — 5° С (б) и — 30° С (в).

а

-20 -1

[

Н; и, м

Рис. 2.4. Расчетное распределение температуры в бурильных трубах (/) и кольцевом канале (2) скважины диаметром 76 мм (алмазное бурение) при рас­ходе воздуха 4 м’/мин, конечной глубине 200 м, продолжительности циркуляции

2 ч и начальных температурах нагнетаемого в скважину воздуха +30° С (а)„

— 0°С (б) и —20° С (в).

ров (алмазное бурение) из-за малого расхода воздуха, высоких скоростей его движения и, следовательно, больших значений коэф­фициента теплоотдачи температура в скважине уже на глубине 50—70 м становится равной температуре пород независимо от на­чальной температуры воздуха (см. рис. 2.4).

Наиболее неблагоприятны условия бурения по мерзлым поро­дам при высоких начальных температурах воздуха и больших его расходах. При этом по всему стволу может сохраняться положи­тельная температура (рис. 2.3, а), что ведет к осложнениям. При малых расходах высокая начальная температура воздуха с глу­биной перестает играть отрицательную роль. На верхнем участке ствола, где влияние начальной температуры сохраняется, ослож­нения предупреждаются установкой обсадной колонны.

Во всех случаях бурения с продувкой температура воздуха резко возрастает у забоя скважины за счет теплоты, отбираемой от породоразрушающего инструмента. При охлажденном воздухе максимум температуры при нетеплоизолированных бурильных трубах устанавливается, как правило, у забоя, и лишь при малой глубине и большом расходе—-несколько выше забоя (рис. 2.4,в).

При начальной температуре воздуха, близкой к температуре породы, ее распределение по скважине определяется теплотой, ге­нерируемой на забое (рис. 2.3,6 и 2.4,6).

Важнейшими являются значения температуры воздуха в коль­цевом канале у забоя и устья. Их определение возможно с по­мощью приближенных зависимостей, полученных из выражения

(2.34) при условиях И = И и /г = 0:

‘. = 7.—&|т: (2‘37)

^у = (?’п-^„)|^- + 7’п. (2.38)

Последние выражения показывают, что при достаточно боль­шой глубине скважины забойная и устьевая температуры прак­тически не зависят от глубины и определяются температурой мерзлых пород, условиями и продолжительностью теплообмена. Решающее влияние на призабойную температуру оказывает мощ­ность, развиваемая на забое при разрушении породы, а на устье­вую—начальная температура воздуха.

Нормальным следует считать такой температурный режим скважины, при котором ни на одном из участков ствола не про­исходит протаивания пород с потерей связности. Условием сохра­нения устойчивости является поддержание в стволе температуры не выше максимально допустимой, которая определяется выраже­нием [23]

*п»х = КТЖ-ъ) (2.39)

и зависит от продолжительности теплового воздействия, т. е. от механической скорости бурения. Чем последняя выше, тем меньше продолжительность рейса (к. х -> а2) и соответственно выше допу­стимая температура воздуха в кольцевом канале.

Из рис. 2.3, в и 2.4, в следует, что в условиях продувки охлаж­денным воздухом его температура превышает естественную тем­пературу мерзлых пород лишь в призабойной зоне, которая в про­цессе бурения непрерывно перемещается. Чем выше механическая скорость, тем меньше растепляющее действие воздуха. Эти рас­суждения справедливы, когда механическая скорость опреде­ляется буримостью пород, а не мощностью N3, пропорциональной осевой нагрузке и частоте вращения снаряда. Форсирование ре­жима бурения ведет к увеличению Nз и самой температуры воз­духа в призабойной зоне. Создаваемый на поверхности запас хо­лода в процессе теплообмена между нисходящим и восходящим потоками затрачивается на бесполезное понижение температуры верхних горизонтов пород, не достигая забоя скважины.

Эффективное использование холода при производстве его на поверхности может быть достигнуто с помощью теплоизолиро­ванной бурильной колонны. На рис. 2.5 представлены расчеты зависимости потребной температуры охлажденного на поверх­ности воздуха для обеспечения £5 = 0°С при обычных и теплоизо­лированных бурильных трубах в условиях первого из рассмотрен­ных примеров [23]. Уже при глубине скважины 100 м потребное охлаждение воздуха на поверхности при теплоизолированных тру­бах в несколько раз меньше, чем при обычных. Современные теп­лоизоляционные материалы позволяют обеспечить столь надеж — 72

Рис. 2.5. Зависимость темпе­ратуры охлажденного иа по­верхности сжатого воздуха, потребной для обеспечения ну­левой температуры в призабой­ной зоне скважины в процессе бурения, от глубины скважины при обычных (/) и теплоизоли­рованных (2) бурильных трубах.

ную изоляцию, что холод будет достигать забоя практически без потерь.

Устранение резкого прироста температуры воздуха в приза­бойной зоне может быть достигнуто на основе сочетания охлаж­дения воздуха на поверхности с использованием пневматического забойного двигателя или обычного пневмоударника.

Охлаждение и осушение сжатого воздуха на поверхности позво­ляет простейшим образом устранить осложнения, связанные с вы­падением конденсат’а. Подаваемый в бурильные трубы непосред­ственно от компрессора теплый сжатый воздух при движении по скважине охлаждается, что вызывает выпадение конденсата в бу­рильных трубах и кольцевом канале. Предварительно охлажден­ный и осушенный сжатый воздух может лишь поглощать влагу в призабойной зоне и кольцевом канале, где он контактирует с по­родами, содержащими влагу в жидкой или твердой фазах. При этом полностью устраняются выпадение конденсата и все связан­ные с ним осложнения. Нагревающийся при движении по сква­жине охлажденный воздух осушает ее.

Для регулирования и нормализации температурного режима скважин при бурении с продувкой в мерзлых породах необходимо в первую очередь разработать и внедрить на производстве эффек­тивную систему принудительного охлаждения и осушения сжатого воздуха.

При колонковом разведочном бурении используются двухсту­пенчатые компрессоры, оснащенные одним промежуточным холо­дильником между первой и второй ступенями для снижения за­трат энергии на сжатие воздуха. После второй ступени сжатый воздух без принудительного охлаждения поступает в ресивер. По­этому его температура на выходе из ресивера компрессорных стан­ций типа ДК-9 или ЗИФ-55 может составлять 70—80 °С. Техни­ческая характеристика основных типов компрессорных станций приведена в табл. 2.2.

Для полного устранения осложнений при бурении в мерзлых породах вполне достаточно снизить температуру нагнетаемого в бурильные трубы сжатого воздуха приблизительно до —10 °С.

Из существующих способов охлаждения сжатого воздуха наи­более простым и дешевым является теплообмен с естественным хладоносителем. На Крайнем Севере и Северо-Востоке в зимний

Техническая характеристика компрессорных станций, используемых Техническая характеристика ПП-1,5 ПКС-5 ДК-ЭЧ ЭК-9.М Производительность (при условиях всасывания), м3/мии Абсолютное давление, МП а: 1.5 5 ± 5 % Ю ± 5 % 9 ±5% всасывания 0,1 0,1 0,1 0,1 нагнетания Наибольшая скорость транспортирования, км/ч: 0,8 0,8 0,7 0,7 по шоссе 50 50 25 25 по грунтовой дороге Габаритные размеры, мм: 25 30 12 12 длина с дышлом (без дышла) 3110(1800) 4985(3830) 6400(5070) 5565(4230) ширина 1600 1870 1940 1940 высота 1685 1830 2620 2030 Масса, кг Компрессор: 1200 2550 5200 4000 тип Поршиевой Поршневой Поршиевой Поршневой потребляемая мощ­ность л. с. (кВт) 15(11) 45(33) 94(69) ± 5% (67,5 ± 5%) масса, кг 200 745 780 780 Привод Д-21 или Д-21А ЗИБ-164А нли КАЗ-120 Д-108-1 Д-108 Номинальная мощность, Л — с. 20 (или 25) 100 108 — Электродвигатель — — — А2-92-6 Номинальная мощность, кВт — — — 75 Завод-изготовитель Ереванский компрес­ сорный завод Мелито­ польский компрес­ сорный завод Читинский машино­строитель­ный завод Читинский машино­строитель­ный завод

* Передвижная шахтная воздушно-компрессорная станции перемещается при помощи эле земных условиях).

период имеются идеальные условия для охлаждения сжатого воз­духа до отрицательных температур за счет теплообмена с атмо­сферным воздухом в поверхностных (разделительных) теплооб­менниках. Возможно применение и других естественных хладоно — еителей (многолетнемерзлых пород и льда). Так, в практике буровых работ известен способ охлаждения сжатого воздуха с по­мощью поверхностного теплообменника, погружаемого в шурф, пройденный в мерзлых породах, а также с помощью двухнитевого трубопровода, помещенного в скважину, пройденную в мерзлых породах и заполненную незамерзающей жидкостью. Эффектив-

иа геологоразведочных работах в организациях Министерства геологии СССР ПК-10 пв-ю ПР-ЮМ ЗИФ-55 ЗИФ-51 ЗИФ-ШВКС-5» 10 10 + 5 %- Ю ± 5 % 5 5 5 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 од 0,8 0.8 0,8 0,7 0,7 0,6 30 50 50 60 60 15 25 26 25 25 — 6320(4700) 4550(3395) -(3940) 3387(4362) 3070(4128) 2550(—} 1890 1730 1700 1820 1820 1050 2610 1870 2100 1770 1770 1400 5000 3200 3000 1920 1700 1200 Поршневой Винтовой Ротационный пластинчатый РКМ-10/7 Вин говой ЗИФ-Г1 В-5’ 94(69) 94(69) ± 5 % 90(66) — — — 780 375 430 _ _ _ ЯМЗ-236 А-01МД ЗИЛ-1575М — — — 108 180 130 — — — _ — _ _ АК2-81-4 ВАО-81-4 — — — 40 40 Т ашкент- Читинский Ташкент­ Завод им. Завод им. Завод им. ский завод машино­ ский завод М. В. Фрунзе, М. В. Фрунзе, М. В. Фрунз^ «Компрес­ сор» строитель­ный завод «Компрес­ сор» Ленинград Ленинград Ленинград

ктровоза по узкоколейной железной дороге с шириной колеи 900 мм (используется в под-

ность охлаждения можно повысить, пропуская сжатый воздух по герметичной выработке в мерзлых породах, что дает возможность достижения отрицательных температур как зимой, так и летом. Однако необходимость дорогостоящих горных работ исключает широкое применение этого варианта охлаждения.

Использование льда в зимний период связано с трудностями его заготовки и доставки к месту работ, а в летний период воз­можно лишь за счет искусственного создания его запасов. То и другое в сложных условиях организации буровых работ нецеле­сообразно.

Наиболее рационально охлаждение сжатого воздуха за счет теплообмена с атмосферным. На практике этот способ применяет­ся в зимнее время. Используются дополнительные ресиверы от компрессора, длинные трубопроводы или сварные из труб бата­реи. Эти устройства громоздки, неудобны в условиях частных пере­возок и малоэффективны.

Отличные результаты дает применение компактного ребристо­трубчатого холодильника с большей поверхностью теплообмена со стороны холодного атмосферного воздуха в сочетании с прину­дительной его циркуляцией с помощью вентилятора. Поскольку сжатый воздух охлаждается с давлением до 0,7—0,8 МПа, при­менять водяные и масляные радиаторы или калориферы нельзя. Целесообразно использовать применяемые в разнообразных реф­рижераторных установках ребристо-трубчатые конденсаторы КВ-25, КВ-30 с внешней площадью теплообмена 25—30 м2, рас­считанные на рабочее давление 1,6 МПа. Для циркуляции атмо­сферного воздуха удобно использовать — осевые вентиляторы типа МЦ № 4 или № 5 с электро — или механическим приводом мощ­ностью 0,5—1 кВт, а также другие вентиляторы для местного проветривания горных выработок.

В летний период, когда температура даже в условиях Севера и Северо-Востока может достигать 25—30 °С, охладить сжатый воздух до отрицательных температур этим способом невозможно. Однако охлаждение выходящего из компрессора горячего сжа­того воздуха за счет теплообмена с атмосферным очень полезно для повышения экономичности системы охлаждения, которая должна содержать две ступени — предварительного и окончатель­ного охлаждения. Снижение в предварительной ступени охлажде­ния температуры сжатого воздуха с +80 °С (на выходе из реси­вера компрессора) до +25°С (на выходе из теплообменника) позволяет более чем вдвое снизить потребную хладопроизводитель — ность второй ступени охлаждения. В зимний период может эксплу­атироваться лишь первая ступень охлаждения, достаточная для получения сжатого воздуха с отрицательной температурой около —10 °С, а в летний период — в сочетании со второй ступенью охлаждения.

Из существующих способов искусственного охлаждения наи-, более приемлемыми следует считать: а) охлаждение в результате изменения внутреннего баланса энергии при расширении воздуха с отдачей внешней работы; б) охлаждение за счет теплообмена с искусственным хладоносителем — хладагентом с помощью паро­вой холодильной машины.

Расширение воздуха с отдачей работы проводится в поршне­вых или турбодетандерах. Турбодетандеры требуют тщательной очистки и осушения воздуха, нуждаются в высококвалифициро­ванном обслуживании и весьма дороги. Специальные турбодетан­деры для охлаждения воздуха при бурении с продувкой скважин на нефть и газ разрабатывались в Куйбышевском авиационном институте под руководством В. И. Метенина, но практического применения не нашли.

Поршневые детандеры, серийно выпускаемые для специальных целей, также не соответствуют требованиям колонкового бурения с продувкой.

Проведенные в ЛГИ и ЦНИГРИ исследования [23] позволили сделать вывод о возможности использования в условиях колонко­вого разведочного бурения в качестве детандера серийного порш­невого пневматического двигателя, широко применяемого на гор­ных работах.

Техническая характеристика поршневых пневмодвигателей завода «Пневматика»

Тип поршневого пневмодвигателя….	П6.3-12	П7.5-12
Номинальное рабочее давление сжатого	0,4-0,5	0,4-0,5
воздуха на входе в пневмодвигатель, МПа
Расход воздуха, м3/мин…………………………………	7,1—8,1	8,75-10,4
Номинальная частота вращения выходно­
го вала, с-1…………………………………………………… Мощность, кВт……………………………………………..	12,5	12,5—13,3
6,3—7,5	7,5-9,6
Масса, кг. . …………………………………………………	95	95

Процесс расширения воздуха в поршневом пневмодвигателе является политропным. Для влажного сжатого воздуха в срав­нительно тихоходных пневмодвигателях показатель политропы мо­жет быть принят п =1,25 [22]. Тогда для наиболее тяжелых условий при начальной температуре сжатого воздуха после пред­варительного охлаждения в ребристо-трубчатом теплообменнике, равной 25 °С, и падении абсолютного давления с р— 0,8 МПа до Рг = 0,4 МПа на основании известной формулы политропного расширения температура на выходе из пневмодвигателя

п-1 1,25-1

Т2 = Т{(^) “ =298(^|) 1,25 = 259К = — 14°С, (2.40)

где Т[■ г — абсолютная температура воздуха, К.

На основании полученных результатов разработана, изготов­лена и испытана в лабораторных условиях воздушная холодильная машина ВХМ-ЛГИ (рис. 2.6). Сжатый воздух с давлением 0,7— 0,8 МПа и температурой 70—80 °С от ресивера компрессора по шлангу 1 подается на первую ступень охлаждения — в компакт­ный ребристо-трубчатый теплообменник 2 марки КВ-25 (30) вы­сокого давления, принудительно вентилируемый атмосферным воздухом с помощью осевого вентилятора 6 марки МЦ № 5, по­мещенного в диффузоре. В теплообменнике 2 горячий сжатый воз­дух охлаждается практически до температуры атмосферного, при этом из него выпадает конденсат, периодически выпускаемый с по­мощью вентиля в нижней части теплообменника.

Охлажденный и осушенный сжатый воздух поступает на вто­рую ступень охлаждения — в поршневой пневмодвигатель ДР-5У (П6,3-12) — детандер 5, где в процессе частичного расширения и падения избыточного давления до 0,2—0,3 МПа отдает свою

Рис. 2.6. Воздушная холодильная машина ВХМ-ЛГИ.

I—нагнетательный шланг от компрессора; 2—ребристо-трубчатый теплообменник КВ-30 с диф­фузором; 3—нагнетательный шланг к скважине; 4-— влагомаслоотделители; 5— поршневой пне­вматический двигатель ДР-5У; 6— осевой вентилятор МЦ № 5.

внутреннюю тепловую энергию в виде внешней механической ра — боты, полезно затрачиваемой на привод вентилятора 6 с помощью клиноременной передачи.

Для лучшего осушения сжатого воздуха между теплообменни­ком 2 и детандером 5, а также на выходе из последнего установ­лены дополнительные влагомаслоотделители 4 для сбора масла, жид­кого конденсата и снега (на выходе из детандера). Охлажденный и осушенный воздух по нагнетательному шлангу 3 подается в скважину с избыточным давлением 0,2—0,3 МПа, что в условиях неглубокого бурения при правильно подобранном сочетании диа­метра скважины и конструкции бурильной колонны достаточно для создания устойчивой циркуляции охлажденного воздуха. — Техническая характеристика установки ВХМ-ЛГИ

TOC o "1-5" h z Минимальный расход воздуха, м3/мин. … … 3,5

Максимальное давление на входе, МПа…………………………………………. 0,8

Максимальное давление воздуха на выходе из пневмодвига­теля, МПа 0,4

Максимальная температура воздуха на входе в промежуточ­ный радиаторный холодильник, °С 80

Перепад температуры, обеспечиваемый машиной, °С. 40

Масса, кг. … 300

Испытания при бурении мелких скважин для инженерных изы­сканий подтвердили работоспособность данной системы охлажде­ния. Ее преимущества в простоте, безотказности, дешевизне и до­ступности комплектующих элементов, возможности монтажа в ус­ловиях механических мастерских ГРП. Однако так как процесс охлаждения происходит за счет расширения воздуха с отдачей

внешней работы, то при этом резко снижается его давление, необ­ходимое для устойчивой циркуляции воздуха в скважине. Данная система охлаждения рациональна только при бурении мелких скважин до 20—30 м и может найти применение при бурении в це­лях инженерных изысканий или поисков и разведки россыпей.

В настоящее время Ленгидропроектом вместе с ЛГИ создана усовершенствованная система охлаждения данного типа для бу­рения с продувкой охлажденным воздухом изыскательских сква­жин глубиной до 100 м.

Охлаждение сжатого воздуха до необходимых при бурении от­рицательных температур при практически полном сохранении развиваемого компрессором рабочего давления воздуха возможно с помощью современных фреоновых парокомпрессорных холодиль­ных машин. Давно освоенные промышленностью эти машины до­ведены до высокой степени совершенства, оснащены автоматикой, позволяющей в течение многих тысяч часов поддерживать задан­ный режим охлаждения. Надежность и безотказность этих машин проверена в тяжелых условиях эксплуатации на судах, автомо­бильном транспорте и др.

Двухступенчатая система охлаждения сжатого воздуха с пер­вой ступенью охлаждения за счет теплообмена с атмосферным воздухом, принудительно циркулирующим через ребристо-трубча­тый теплообменник высокого давления, и второй ступенью в виде фреоновой парокомпрессорной холодильной машины оптимальна для условий бурения скважин с продувкой воздухом в многолет­немерзлых породах.

Целесообразно применять компрессорно-конденсаторные агре­гаты с воздушным охлаждением, работающие на доступном и де­шевом фреоне-12 (табл. 2.3).

Таблица 2.3 Технические характеристики малых фреоновых парокомпрессорных холодильных машин с воздушным охлаждением конденсатора Холодо — произво — днтель — ность лрн стандарт­ном режиме, кВт Компрессорно­ конденсаторный агрегат- Фреоновый компрессор Площадь поверхно­сти кон­денсатора. м2 Мощность электро­ двигателя, кВт Габаритные размеры, мм Масса, кг 1,30 ФАК-1,1 2ФВ-4 5,18 1,0 690X513X530 120 1,30 ФКГ-1,1 ФВ-1,1 5,08 0,55 590X423X410 65 1,75 ФАК-1,5 2ФВ-4 7,76 1,7 862X528X636 166 2,10 АК2ФВ-3/1.5 ФВ-2,5 9,3 1,7 880X550X550 185 3,25 АКВС-2,8 ФГ-2,8 13,7 1,7 930X475X555 145 3,50 АКВ-3 ФВ-4 14,0 2,8 920 X670X600 240 7,00 АКВФВБС-6 ФВБ-6 30,0 4,5 1100X940X930 300 7,40 АКВФУБС-6 ФУБС-6 30,0 4,2 940 X872X900 256 14,0 АКВФУБС-12 ФУБС-12 60,0 10,0 1800X1060X900 465

А
К скважине
-6
2
П	5	Б
Рис. 2.7. Принципиальная схема двухступенчатой системы охлаждения сжатого воздуха с фреоновой холодильной машиной. / и II—первая и вторая ступени охлаждения. /-ребристо-трубчатый теплообменник; 2 —инер- цвонные влагоотделителн; 3 —фреоновый испаритель; 4~ресивер для фреона; 5— фреоновый компрессор; б —фреоновый конденсатор. А —движение сжатого воздуха; Б—движение фреона »

Принципиальная схема разработанной в ЛГИ двухступенча­той системы охлаждения сжатого воздуха с фреоновой холодиль­ной машиной в качестве второй ступени представлена на рис. 2.7.

Разработка комплексной установки для выработки охлажден­ного сжатого воздуха при бурении с продувкой и опыт ее приме­нения подробно описаны в работах [23, 25].

Пневмоударное бурение в мерзлых породах показало очень хорошие результаты в зимних условиях, когда сжатый воздух до­статочно глубоко охлаждается и осушается в первой ступени за счет теплообмена с морозным атмосферным воздухом. В пневмо­ударнике сжатый воздух отдает свою внутреннюю потенциальную энергию в виде внешней механической работы и поэтому на вы­ходе дополнительно охлаждается. Правда, механическая работа пневмоударника по разрушению горной породы рассеивается в форме тепла, которое частично вновь воспринимается воздухом, а частично — горным массивом. При этом в отличие* от обычного случая вращательного бурения с продувкой не только отсутствует местный прирост температуры воздуха у забоя, но отмечается не­которое ее снижение. Последнее способствует сохранению есте­ственной устойчивости мерзлых пород, увеличивает выход и по­вышает качество керна.

Опыт показал, что в летний период целесообразно не только охлаждение сжатого воздуха до отрицательных температур, но и принудительное его осушение за счет адсорбции содержащейся в нем влаги. Широкое применение для этой цели находят различ­ные твердые, твердо-жидкие и жидкие вещества-сорбенты, спо­собные в большом количестве поглощать водяной пар. Наиболее пригоден для использования в полевых условиях силикагель. Это вещество имеет пористость порядка 50 % и сорбционную способ­ность — 18—20;% его массы. Для осушения воздуха его приме­няют в виде массы зерен крупностью 2—4 мм. Наилучший способ
регенерации заключается в прогреве силикагеля потоком горячего воздуха с температурой 220—240 °С и точкой росы 28—30 °С.

В ОНИЛ ТТРБ разработан для бурения с продувкой сжатым воздухом осушающе-охлаждающий агрегат. Первая ступень ох­лаждения сжатого воздуха представляет собой ребристо-трубча­тый теплообменник с вентилятором. Блок осушки состоит из двух адсорберов, воздухоподогревателя, щита управления. Адсорберы работают поочередно: в одном идет процесс осушки воздуха, в другом — регенерация силикагеля. Блок осушки может работать в ручном и автоматическом режимах.

Техническая характеристика блока осушки производства

завода Кургаихиммаш

Марка………………………………………………………………………………….. А10М1

TOC o "1-5" h z Производительность при рабочей температуре 30 °С и ра­бочем давлении 0,8 МПа, м3/мин. . 10

Рабочее давление, МПа…………………………………………………………… 1,0

Температура воздуха на входе в блок осушки, °С. … +30

Температура нагревания воздуха в воздухонагревателе,

°С……………………………………………………………………………………….. 200—240

Расход воздуха на регенерацию, м3/мин……………………………… . 1,7

Масса силикагеля для загрузки двух адсорберов, кг 350

Точка росы осушенного воздуха, °С…………………………….. —40

Потребляемая на регенерацию мощность, кВт. 9—12

Масса блока без силикагеля, кг………………………………………. . 980

Вторая ступень охлаждения — это холодильный агрегат, рабо­тающий на фреоне-12, обеспечивающий охлаждение сжатого воз­духа до необходимых отрицательных температур при практически полном сохранении развиваемого воздушным компрессором рабо­чего давления сжатого воздуха.

Производственные испытания осушающе-охлаждающего агре­гата, смонтированного на стальных санях для автономности пере­движения, проведены при бурении разведочных скважин на уча­стке Ашим Берелехской КГРЭ ПГО «Севвостгеология» с хоро­шими результатами. Средняя механическая скорость бурения повысилась до 2,1 м/ч, а суточная производительность возросла в 1,6 раза главным образом за счет устранения осложнений, свя­занных с растеплением мерзлоты. Охлаждение стенок скважины и керна достигалось при поглощении влаги осушенным до низ­кой температуры точки росы сжатым воздухом. При забурива — нии скв. 57а удалось заморозить этим способом верхний интер­вал талой породы.

Рассмотренные способы охлаждения и осушения воздуха при бурении осуществимы лишь на поверхности. С точки зрения ра­ционального размещения производства холода в целях повыше­ния выхода керна в мерзлых породах или нормализации темпера­турного режима коронки перспективно использование погружного вихревого холодильника, встраиваемого в состав бурового снаряда над колонковой трубой.

Принцип действия вихревого холодильника основан на эффекте вихревого температурного разделения газа. Сжатый воздух

•шлаиг; 4—бу*

-вихревая камера;

расширяясь истекает через сопло 1 (рис. 2.8) со сверхзвуковой ско­ростью тангенциально внутрь полого цилиндра, где образует мощ­ный вихрь со сложным полем температур. В центре вихря уста­навливается низкая, а по периферии высокая температура. Через диафрагму 2 с центральным отверстием выходит холодный воз­дух, а через дроссель 5 с зазором по периферии — горячий. При перепаде давления 0,5 МПа и начальной температуре 0°С можно получить примерно одинаковые по расходу потоки воздуха с тем­пературами —50 и +50 °С.

Вихревой холодильник отличается очень малыми размерами и не имеет движущихся частей, что позволяет использовать его в качестве призабойного генератора холода при бурении сква­жин. Вихревой холодильник 5 (см. рис. 2.9) встраивается в состав

бурового снаряда над колонковой трубой. Сжатый воздух из ре­сивера 2 компрессора 1 по шлангу 3 и бурильным трубам 4 по­дается в вихревую камеру 6, где разделяется на холодный и го­рячий потоки. Холодный поток направляется внутрь колонковой трубы 7, попадает на забой и по узкому кольцевому зазору между стенками скважины и колонковой трубой направляется вверх, транспортируя шлам с забоя. Горячий воздух выпускается непо­средственно в широкий зазор между стенками скважины и буриль­ными трубами, где сливается с холодным потоком. Смешанный по­ток приобретает температуру, близкую к начальной. Благодаря тому, что холодный воздух (составляющий часть общего расхода) транспортирует шлам только на участке узкого зазора, сохра­няются нормальные условия для очистки забоя от шлама.

Разработки погружного вихревого холодильника и опыт его применения, в частности при алмазном бурении, описаны в ра­боте [23].

Наиболее эффективно вихревой холодильник может быть ис­пользован в сочетании с предварительным охлаждением сжатого воздуха на поверхности.

Помимо использования вихревого холодильника как приза­бойного генератора холода имеются возможности применения его в качестве простейшего средства охлаждения воздуха на поверх­ности при бурении мелких скважин, например, на россыпях. В этом случае вихревой холодильник устанавливается между сальником и ведущей трубой. Поток горячего воздуха выпускается в атмо­сферу. Непременное условие успеха — обеспечение минимальных аэродинамических сопротивлений в бурильных трубах и кольце­вом канале скважины.

При бурении в мерзлых породах наиболее ответственной в теп­ловом отношении является призабойная зона. Единственное сред­ство рациональной доставки холода с поверхности к забою — теп­лоизоляция бурильной колонны.

С точки зрения эффективности теплоизоляции покрытие труб изнутри при равной толщине существенно выгоднее, чем снаружи. Внутреннее покрытие бурильной колонны неизмеримо долговеч­нее наружного. Расход теплоизолирующего материала при внут­реннем покрытии труб значительно меньше. В практике бурения и эксплуатации скважин внутреннее покрытие труб известно и уже применяется в трубной промышленности и на промыслах для борьбы с коррозией, отложениями парафина, для снижения гид­равлических потерь давления вследствие сглаживания шерохова­тости и в других целях. В качестве покрывающих материалов применяются или могут быть использованы стеклоэмаль, органо­силикаты, эпоксидные смолы, полиэтилен, винипласт, фторопласты, плотные пенополистиролы, пенофенопласт, пенополиуретан и мно­гие другие синтетические материалы. В США наряду с другими покрытиями успешно применяют в различных целях тефлон и теф — лонгласс.

Наилучшим для внутреннего покрытия бурильных труб сле­дует считать пенополиуретан (ППУ), который после вскипания и затвердевания отличается высокой механической прочностью (на сжатие примерно 20 МПа), не боится ударов и имеет глазирован­ную водонепроницаемую поверхность. Покрытия из него, обла­дающие высокой адгезией к металлу, наносятся слоем любой тол­щины методом напыления исходной смеси.

Осуществить внутреннее покрытие трубы полимеризующимся материалом (например, эпоксидной смолой) значительно проще, чем наружное. Для этого предварительно очищенную изнутри трубу заливают расчетным количеством исходной смеси, изоли­руют торцы и приводят трубу во вращение в горизонтальном по­ложении. Для ускорения процесса нетрудно организовать прогрев трубы в процессе вращения.

Простейший способ внутренней теплоизоляции бурильных труб был предложен и с успехом практически опробован в ЛГИ. Вну­три бурильных труб муфтово-замкового соединения диаметром 50 и 63,5 мм после выглаживания шероховатостей высаженных внутрь концов прокладывали полиэтиленовые шланги диаметром соответственно 30 и 40 мм с толщиной стенки 3—5 мм. Концы шлангов на торцах труб развальцовывали, после чего трубы муф­тами соединяли в свечи.

Практическая целесообразность способа бурения мерзлых по­род с продувкой охлажденным воздухом была предварительно проверена физическим моделированием в процессе совместных ис­следований ЛГИ и ЦНИГРИ [23].

Опытное бурение велось по искусственным блокам мерзлых пород различного гранулометрического состава с температурой от 0 до —12 °С и влажностью (льдистостью) от 5 до 30% твердо­сплавными коронками различных марок диаметром от 76 до 178 мм.

Во всех случаях бурения с продувкой воздухом, охлажденным до отрицательных температур, сохранялись устойчивость и проч­ность стенок скважины. Признаки поверхностного протаивания от-‘ мечались при форсированных режимах, но стенки скважины со­храняли монолитность.

Анализ результатов почти 100 м опытного бурения по искус­ственным мерзлым породам различного гранулометрического состава, близкого к реальным породам, подтверждает справедли­вость теоретических предпосылок, что охлаждение сжатого воз­духа максимум до —10°С является эффективным средством устра­нения осложнений, обеспечения высокого выхода керна мерзлых пород в их естественном, ненарушенном состоянии.

Преимущества охлажденного сжатого воздуха в качестве очи­стного агента при бурении скважин в мерзлых породах оконча­тельно проверены практикой внедрения этого эффективного тех­нологического средства на буровых работах в районах Крайнего Севера, Северо-Востока страны и в приполярных районах.

Этот способ бурения сочетает в себе преимущества воздушной продувки перед жидкостной промывкой (решение проблемы водо­снабжения, особенно в зимнее время) с надежным регулирова­нием температурного режима скважины. Большую часть года в районах распространения мерзлоты охлаждение сжатого воз­духа до отрицательных температур возможно за счет теплооб­мена с холодным атмосферным воздухом. Лишь в летний период необходима та или иная система принудительного охлаждения, составные элементы которой доступны, недороги и долговечны.

В остальном способ бурения с очисткой забоя охлажденным воздухом не отличается от обычного и с успехом освоен во мно­гих районах. Рекомендации по расчету необходимого расхода и давления воздуха, выбору оборудования и инструмента, техноло­гическим режимам бурения с продувкой остаются в силе и для применения охлажденного воздуха. Но в последнем случае нет необходимости в погружных влагоотделителях и средствах борьбы с осложнениями из-за выпадения конденсата.

Разработкой вопросов технологии бурения в мерзлых породах и льдах, в частности с продувкой охлажденным воздухом, с 1953 г. занимается специальная лаборатория армии США по инженерным исследованиям в северных районах (СИКЕЬ). Накоплен значи­тельный опыт бурения с продувкой на крайнем севере США и Ка­нады, в Гренландии и Исландии. При бурении по ледовым отло­жениям в Гренландии инженерные войска США применяли сжа­тый воздух, охлаждаемый последовательно в теплообменнике, ресивере-влагоотделителе и газовой турбине приблизительно до температуры льда. Сконструирована специальная буровая уста­новка «Фейлинт». Охлажденный сжатый воздух успешно приме­няется также при механическом бурении с продувкой во льдах Антарктиды [72].

Канадцы для охлаждения сжатого воздуха при бурении при­меняли длинную нагнетательную линию, проложенную по поверх­ности земли [72].

При бурении в целях инженерных изысканий в районах мерз­лоты американскими специалистами использовалась фреоновая установка для охлаждения сжатого воздуха в летний период до —9 °С [23]. Примером высокой эффективности этого способа бу­рения могут служить инженерные изыскания под трансконтинен­тальную линию электропередачи на севере Канады и Аляске, вы­полненные на его основе в течение всего лишь трех летних ме­сяцев.

Получение более подробной информации об имеющихся за ру­бежом достижениях в области технологии и техники бурения мно­голетнемерзлых пород затруднено, поскольку эти работы ведутся главным образом инженерными войсками США при строительстве военных объектов и разведке стратегического сырья.

Имеются примеры успешного бурения по мерзлым породам на Севере и Северо-Востоке СССР с продувкой воздухом, охлажден­ным с помощью проложенных по земле длинных трубопроводов с влагоотделителями, простейших сварных из обсадных труб теп­лообменников с кранами для спуска конденсата, устанавливае­мых в зимний период на ветру или погружаемых в летний период в мерзлый грунт [25], и др.

На одном из россыпных месторождений Северо-Востока со­трудниками ЦНИГРИ под руководством П. М. Степанова прове­ден производственный опыт колонкового бурения с продувкой воздухом, принудительно охлажденным до отрицательных темпе­ратур в летнее время с помощью холодильной установки ВХМ — ЛГИ [23].

Бурение велось ребристыми твердосплавными коронками диа­метром 178 мм с помощью станка ЗИФ-650А, смонтированного на тележке БУ-20-2, и компрессорной станции ЗИФ-51. Из-за не­достаточного расхода воздуха в состав колонкового набора вклю­чили шламовую трубу. В результате большого диаметра скважин и применения труб муфтово-замкового соединения диаметром 63,5 мм противодавление на выходе пневмодвигателя в нормаль­ных условиях при глубине скважины до 40 м не превышало 0,1 МПа, в силу чего сжатый воздух охлаждался до —23 °С. От­мечено многократное увеличение механической скорости и стой­кости коронок. В сильнольдистых песках обеспечивался практи­чески полный выход высококачественного керна, тогда как при бурении «всухую» из-за протаивания льда он резко снижался и полностью искажалась первоначальная криологическая структура. В слабосцементированных льдом рыхлых мерзлых породах выход керна снижается при продувке вследствие избирательного истира­ния, выдувания мелких фракций, но извлекаемые фрагменты керна сохраняли естественную структуру. При бурении «всухую» в тех же породах, несмотря на полный выход керна, его представитель­ность мала в результате полного разрушения структуры, переме­шивания и уплотнения материала.

Полевые исследования ЛГИ в летних, и зимних условиях про­водились на объектах ГПИ Дальстройпроект и в геологоразве­дочных партиях ПГО «Якутгеология» и «Севвостгеология». Буре­ние велось твердосплавными и алмазными коронками, а также частично штыревыми долотами в многолетнемерзлых и сезонно­мерзлых породах различного гранулометрического состава от мел­кодисперсных до крупнообломочных и в коренных скальных по­родах— от сильновыветрелых и трещиноватых до монолитных и плотных от III до XI категорий по буримости влажностью (льди — стостью) от 41,7 до 0 % (рыхлые «сушенцы» и монолитные «мо­розные» породы) с естественной температурой от —0,1 до —11°С, а также в ряде случаев в таликовых зонах. Рыхлые, в различной степени сцементированные льдом породы представлены глинами, суглинками, супесями, разнозернистыми песками, дресвой, пес­чано-гравийными, гравийно-галечными и валунно-галечными от­ложениями, скальные — песчаниками, глинистыми сланцами, гра — нодиоритами, липаритами, андезитами и другими породами раз­ной степени нарушенное™.

Для выработки сжатого воздуха применяли передвижные компрессорные станции ПКС-5, ЗИФ-55, ДК-9М с приводом от ДВС и в одной из изыскательских партий Дальстройпроекта — стационарный компрессор ВВ-10/8 с электроприводом, имеющий подачу 10 м3/мин при рабочем давлении 0,8 МПа. Для охлажде­ния воздуха использовали описанную выше установку ВХМ-ЛГИ. с пневмодвигателем-детаидером и три варианта холодильной уста­новки с фреоновыми парокомпрессионными холодильными маши­нами на 4,65; 7,0 и 11,6 кВт в качестве второй’ступени охлажде­ния. Температура охлажденного воздуха достигала —25 °С. Для сравнения проводили отдельные рейсы с продувкой воздухом от компрессора с температурой до +40 °С.

Буровые оснащались комплексом контрольно-измерительной аппаратуры. Контроль всех параметров режима бурения с одно­временным хронометражом проведен в объеме свыше 300 м сква­жин для инженерных изысканий глубиной до 40 м и около 4000 м геологоразведочных скважин глубиной до 300 м.

В табл. 2.4 приводятся условия и результаты бурения плано­вых скважин с продувкой охлажденным воздухом и «всухую» по мерзлым породам при инженерных изысканиях на площадке Аркагалинской ГРЭС. Когда температура нагнетаемого в сква­жину воздуха не превышала температуры пород, растепления сте­нок скважины и керна не происходило. Шлам выносился сухой в виде мерзлой пыли и кусочков льда. При подаче воздуха с тем­пературой до +5-^-+10°С наблюдались поверхностное растепле­ние стенок скважины и керна, а также выпадение конденсата из воздуха в результате контакта его с более холодными стенками скважины, образование сальников и повышение давления воз­духа. При температуре нагнетаемого воздуха +20°С и выше при извлечении снаряда встречались затяжки и при­хваты.

При диаметре скважин 112, 132 мм и реальном расходе воз­духа 5—6 м3/мин шлам полностью выносился из скважины, а при повышенном диаметре или уменьшенном до 3,0—3,5 м3/мин рас­ходе требовалось вводить в состав снаряда шламовую трубу.

Скорость бурения с продувкой в рыхлых мерзлых породах в 4 раза выше, чем при бурении «всухую», проходка за рейс уве­личивается в 3 раза, а стойкость коронок — в 5—6 раз. При буре­нии выветрелых скальных пород механическая скорость увеличи­вается в 4—4,5 раза, проходка за рейс — в 4 раза, стойкость коро­нок— в 6—7 раз, а при бурении в плотных скальных породах

VIII— IX категорий по буримости скорость бурения увеличивается в 4,5 раза, средняя проходка за рейс — в 10 раз и стойкость коро­нок— в 8—10 раз.

Особое внимание уделялось выходу и качеству керна, получе­ние которого затруднено в малольдистых и крупнообломочных рыхлых породах с температурой —0,1 —————- 0,3 °С. В этих неблаго­

приятных условиях хорошие результаты дает применение простей­ших двойных колонковых труб.

о со СО ю о о ю о (М 1 Л -3* 1 1 <э

о I

ь/и ‘чхэобомэ НВМЭЭЬИНВХЭХд/

Данные по бурению скважин с продувкой воздухом при инженерных изысканиях

о 7

ю + о

Эо •ВХАГ’ЕОЯ в&Лхвбэииэх

■I* о

Примечание. Цифры в знаменателе относятся к бурению «всухую», приведенному для сравнения.

ю см см см о о см 1 ю о ’■"1 о

с-} см сГ I ю

1Л о"

ВЦДО ‘БХ-Л^ЕОН эинэ^нв#

о*

сГ

ю о ю со 1 о 1 о ю ю

НИК ^ 14 ‘вхЛЪгеоя 1ГОхэв<!

0^40 со" со*

о. 10

оо СО ьГ

со" со’

н* •вмеЛалвн нвнээо

ю <м с<Г

СО -3< тр-

ю см~

Ю СМ~СО

ю сГ со

ю еС со

ник/90 ‘винэпт — вбе вхохэвь

И ‘ВМХГОХОЙН ВВНОЭЙЭ^ о со о ю о ю о со о *ф § о см о см о со 8 о о о о о о о и ‘винэйАр иэч.90 о СО­ о СО аГ о со" см 5«: я о с <и с к сз с СО со со см X ° х к £ 2> см к р; с а см я а н £

00 ТГ <М о — см

Т* О о см СМ СО

^ о о <м см со

-фо о см ем со

о (М

о

К зз о» О — . 2 н Н о 2 к ё ® О — л £ ° ч ^ к <-> о »я Ж 2 8*^ 2 * 5 сх ж д ^ я ^ я си 053 о О. 53 О, е £ Я о

к я К 8.1 о « — 1 в ч 3 £ Си Н д ё *’5 •я л л к ® аЯ Д г л §3 5^ ►5 Е — га, о £ «о ою — 5 и 0-00 53 о га I О ж Р I

О-

О) д ^ ся <и о, н >■ О £ о; та с. о с; <0 с «55

л н £ гЗ *5 *-. т СХЛ о Я X я-е-аг к С_ 3

я к Е ° с с. «

я л к

си

ё8£ 5 Л О 2 Й «

о о О) О £,»510 и 2 I

« = Я и « я

о. 7~ 2- СО Ю о о Ю ю 00 04 о ^ о о” о“ о

Лмнойом/и ‘ИМЖИкЭМ Ч1ЭОМ#ОАЭ

Я К о

‘енйэх И’ОХИЯ

о о

о о

Рис. 2Л0. Типичный керн сцементированных льдом мерзлых пород, получаемый при бурении с продувкой охлажденным воздухом в производственных условиях, о— гравелистый песок с прослой­ками супеси и суглинка; б —пе­сок; в и г —выветрелый граиоди- орит.

Практически во всех случаях твердосплавного бурения по сце­ментированным льдом рыхлым мерзлым породам выход керна составлял 100 % как при бурении с продувкой охлажденным воз­духом, так и «всухую». Однако качество керна совершенно не­сравнимо. По керну, получаемому при бурении «всухую», не толь­ко нельзя судить о физико-механических свойствах и несущей спо­собности грунта, но часто невозможно с уверенностью отнести пробуренные породы к мерзлым или талым. Керн, получаемый при бурении с продувкой охлажденным воздухом, полностью со­храняет естественное агрегатное состояние и все особенности структуры, что очень важно для достоверности инженерных изы­сканий.

В породах с льдистостью 20 % и более бурение проводилось, как правило, без ограничения рейса одинарным колонковым сна­рядом. Керн получался в виде ровных столбиков, максимальная длина которых во многих случаях была равна проходке за рейс (1—2 м). На рис. 2.10,а показан керн, представленный мерзлым гравелистым песком с прослойками супеси и суглинка. Общая длина керна 1,9 м. При извлечении из колонковой трубы он рас­кололся на три части. На рис. 2.10,6 представлен керн мерзлого песка средней льдистости 20 %. Частичное его разрушение про­изошло уже на поверхности под действием солнечных лучей.

При бурении скальных трещиноватых и выветрелых пород с льдистостью 10-—15 % (лед в виде прослоек, линз и цемента) выход керна составлял 100,%, но для его предохранения от раз­рушения в колонковой трубе рейс приходилось сокращать до

0, 6—0,8 м при бурении одинарным снарядом со стандартной ко­ронкой типа СМ или усиленной дополнительными подрезными
резцами, выступающими на 3 мм наружу и внутрь. В этих слу­чаях керн извлекался, как правило, одним куском.

На рис. 2.10, в изображен керн мерзлых выветрелых гранодио — ритов в момент извлечения из колонковой трубы. При бурении той же породы «всухую» происходило не только полное протаивание цементирующего керн льда, но и разрушение минеральной струк­туры породы. В результате выветрелые гранодиориты перетира­лись в песок и дресву, а прослойки андезитов превращались в крупнообломочные включения. Интересно отметить, что на основа­нии проводившегося ранее бурения «всухую» выветрелые трещи­новатые гранодиориты и андезиты, прочно сцементированные в естественном состоянии льдом, по терминологии бурового персо­нала ГПИ Дальстройпроект назывались «галечниками», в то вре­мя как керн этих же пород, полученный при бурении с продувкой охлажденным воздухом, с трудом раскалывался на куски (рис. 2.10,г).

Высокое качество образцов мерзлых пород, полученных из скв. 535а на площадке Аркагалинской ГРЭС при бурении с продув­кой охлажденным сжатым воздухом, подтверждается полным со­впадением результатов их исследования с результатами исследо­вания образцов, отобранных из разведочного шурфа, пройденного вблизи этой скважины. Объемная плотность и влажность образ­цов мерзлых пород, полученных при бурении «всухую» и с про­дувкой охлажденным воздухом, существенно различаются. Сни­жение влажности под воздействием теплоты, выделяющейся при бурении «всухую», минимально для однородных дисперсных мерз­лых пород — 0,2—0,4% и возрастает для сцементированных льдом крупнообломочных отложений и трещиноватых скальных пород до 4—5 % и выше. Объемная плотность в результате выплавления конституционного льда, как правило, снижается на 0,05—0,17 г/см3, но в переувлажненных породах из-за протаивания сегрегационно­го, инъекционного или пещерно-жильного льда и уплотнения ми­нерального скелета может резко возрастать.

Возможность эффективного бурения мерзлых пород с продув­кой воздухом, охлаждаемым в зимний период с помощью одной компактной первой ступени охлаждения, проверена в процессе бу­рения двух неглубоких скважин в Магадане. Ребристо-трубчатый теплообменник с вентилятором, приводимым клиновым ремнем от трансмиссионного вала дизеля Д-33, был смонтирован непосред­ственно на раме самоходной буровой установки УГБ-50М (рис. 2.11). Компрессорная станция ПКС-5 перемещалась вместе с установкой в качестве прицепа. В табл. 2.5 приводится темпера­тура охлажденного сжатого воздуха (при расходе 3,5 м3/мин и давлении 0,3—0,4 МПа) в различных точках циркуляционной си­стемы в зависимости от температуры атмосферного воздуха при его относительной влажности 20—52 %.

Породы V—IX категорий по буримости, представленные гра — вийно-галечниковыми отложениями на песчано-глинистом цементе с включением валунов размером до 20 см, имели температуру

Рис. 2.11. Самоходная буровая установка УГБ-50М с одноступенчатой системой охлаждения.

—2-,—— 4°С и влажность 6—20%. При указанном режиме про­

дувки, осевой нагрузке 8—-10 кН и частотах вращения снаряда 65—115 об/мин средняя механическая скорость бурения твердо­сплавными коронками СТ и СМ диаметром 132 мм составила 5 м/ч при рейсовой проходке и проходке на коронку 0,5—1 м.

В породах льдистостью 15 % и выше керн выходил в виде мо­нолитов. При меньшей льдистости тонкодисперсный связующий материал потоком воздуха выносился в шламовую трубу и на по­верхность, наблюдалось снижение выхода керна, потребовавшее применения двойной колонковой трубы.

Благодаря низкой температуре сжатого воздуха, признаков рас­тепления керна и стенок скважины не отмечалось даже при встрече валунов.

Для оценки эффективности применения охлажденного сжатого воздуха при бурении геологоразведочных скважин различными ти­пами породоразрушающего инструмента для твердых скальных пород были проведены опытные рейсы в плановых скважинах на одном из рудных месторождений Северо-Востока. Использовались буровой агрегат СБЛ-500 с электроприводом и мачтой МР-5 на передвижных санях, передвижная компрессорная станция ДК-9,

Таблица 2.5 Температура воздуха в различных точках циркуляционной системы, °С Атмосферный воздух На выходе из ресивера компрессора. На входе в скважину На выходе из скважииы — 22 + 10 —21 -5 —24 +9 —22 —8 —27 +5 —23 -10

шламопылеулавливающая установка ШПУ-1А и одноступенчатая система охлаждения, состоявшая из ребристо-трубчатого теплооб­менника КВ-30 с влагоотделителями и мощного вентилятора «Про — ходка-500М». Расположение оборудования и контрольно-измери­тельной аппаратуры показано на рис. 2.12. Питание электроэнер­гией осуществлялось от передвижной дизель-электростанции ДЭС-50 (на рисунке не показана).

Породы разреза по обеим скважинам представлены интенсивно окварцованными туфами, автомагматическими и гидротермаль­ными брекчиями липаритов и дацитов IX—XI категорий по бури — мости. Верхняя часть разреза (до 40-—45 м) — затронутые вывет­риванием мерзлые коренные породы с прожилками льда, ниж­няя— морозные породы, естественная температура —5-;—————————————————————————— 3°С.

Бурение по мерзлым породам велось штыревыми трехшаро­шечными долотами В-93К и ДДА-76 диаметром соответственно 93 и 76 мм. Бурильная колонна состояла из 50-миллиметровых труб муфтово-замкового соединения и 73-миллиметровых УБТ. В состав снаряда включалась шламовая труба.

Температура охлажденного воздуха достигала —15°С. В ве­сенний период при положительной температуре атмосферного воз­духа до 5°С в ночное время (при отсутствии солнечной радиации) неоднократно отмечались случаи охлаждения сжатого воздуха до отрицательных температур и даже замерзание конденсата в теп­лообменнике, что можно объяснить испарительным охлаждением в условиях сильного разрежения, создаваемого мощным вентиля­тором «Проходка-500М». Охлаждение сжатого воздуха до иизких положительных температур при бурении в «морозных» породах позволяет осушать сжатый воздух и устранять осложнения из-за выпадения и замерзания конденсата в скважине.

Бескерновое бурение долотами В-93К и ДДА-76 велось с осе­выми нагрузками соответственно 25 и 20 кН при частотах враще­ния 104, 190, 280 об/мин и расходе воздуха 7—8 м3/шш. Средняя механическая скорость бурения этими долотами в породах X—XI категорий составила 1,9 и 1,0 м/ч, проходка на долото—18,9 и 4,8 м, производительность на станко-смену — 6,5 и 4,0 м, а в усло­виях промывки водой лишь 1,41 и 0,98 м на станко-смену.

Столь высокие показатели бурения с продувкой охлажденным воздухом (в особенности штыревыми долотами при значительно меньших осевых нагрузках, чем применяемые в условиях про­мывки) объясняются полной и практически мгновенной очисткой забоя от шлама, надежным охлаждением породоразрушающего инструмента и отсутствием каких-либо осложнений из-за протаи — вания мерзлых пород или образования шуги, что существенно улучшает баланс рабочего времени.

В Берелехской КГРЭ ПГО «Севвостгеология» проводились ис­пытания разработанного Отраслевой лабораторией ТТРБ ЛГИ осушающе-охлаждающего агрегата с двумя силикагелевыми блоками осушки, предназначенного для пневмоударного бу­рения.

Плановые скв. 133, 135, 137, 139, 142 и 148 бурили станком ЗИФ-650А с применением пневмоударников РП-130 и РП-111 по мерзлым ледниковым и межледниковым отложениям с большим содержанием льда. Глубина скважин — до 120 м. В процессе ис­пытаний пройдено 535 м с хорошими результатами.

Скважины 133 и 135 пробурены при температуре атмосферного воздуха ниже 0°С только с применением блока осушки (во время ремонта второй ступени охлаждения) без каких-либо осложнений, что подтверждает важность осушения сжатого воздуха при пнев — моударном бурении по мерзлым породам.

В 1982—1983 гг. на объектах работ экспедиции № 12 ПГО «Приленскгеология» проводились производственные испытания опытной установки для охлаждения и осушки сжатого воздуха. Принципиальное отличие разработанной двухступенчатой уста­новки для получения сжатого воздуха с отрицательной темпера­турой в любое время года заключалось в использовании между предварительной системой охлаждения (воздушным теплообмен­ником) и второй ступенью (фреоновой холодильной машиной) специального осушительного устройства с использованием хими­чески активных веществ — адсорбентов. Это позволяло добиться не только полного удаления конденсата из сжатого воздуха, но и понизить точку росы (до —20 °С), что существенно снижает необ­ходимую холодопроизводительность второй ступени охлаждения, а также в условиях отрицательных температур предотвращает на­мерзание на теплопередающих поверхностях конденсата в виде «снежной шубы». Принципиальная схема устройства показана на рис. 2.13.

Горячий сжатый воздух от компрессора производительностью до 10 м3/мин с давлением 0,8 МПа и температурой до 100 °С по­ступает в первую ступень охлаждения, где его температура сни­жается до близкой к атмосферной за счет развитой поверхности (25-—30 м2) ребристо-трубчатого теплообменника 2. Принудитель­ная циркуляция атмосферного воздуха создается вентилятором 3. Большая часть (до 80—90 %) выделившегося конденсата улавли­вается в инерционном вихревом влагоотделителе 4, а масла — в блоке масляных фильтров 5.

После первой ступени охлаждения воздух поступает в блок осушки, состоящий из двух попеременно работающих адсорбе­ров 6. Работа блока основана на адсорбции водяных паров и ос­татков капельной влаги. Для регенерации адсорбента использует­ся осушенный воздух, отбираемый из основной магистрали в воз­духонагреватель, откуда с температурой 220—240 °С воздух проходит слой адсорбента, выпаривает влагу и сбрасывается в атмосферу. Сухой сжатый воздух из блока осушки поступает во вторую ступень охлаждения, где его температура понижается до отрицательных значений. В качестве второй ступени охлаждения используется фреоновый компрессорно-конденсаторный агрегат с воздушным охлаждением ХМВ ФУБС-9 с номинальной холодо — производительностью 7—10 кВт при температуре испарения фре-

Рис. 2.13. Принципиальная схема установки для охлаждения и осушки сжатого воздуха при бурении с продувкой в мерзлых породах. 1 — компрессор; 2 — ребристо-трубчатый теплообменник; 8 — вентилятор; 4 — инерционный вих~ ревой влагоотделитель; 5—блок масляных фильтров; £—адсорбер; 7—теплоизолированная емкость с испарительными батареями.

она —12 ——— 15 °С. Воздух охлаждается в испарительных батареях

типа ИРСН-12, помещенных в теплоизолированную емкость 7, за­полненную промежуточным жидкостным хладоносителем (анти­фриз, дизельное топливо, керосин, солевой раствор и пр.). Охлаж­дение промежуточного хладоносителя производится путем помеще­ния в эту же емкость дополнительных секций испарительных бата­рей, в которых испаряется жидкий фреон-12, поступающий от ком­прессорно-конденсаторного агрегата. Теплообменная система с ис­пользованием стандартных батарей испарения как для кипения фреона, так и для дальнейшего охлаждения сжатого воздуха с по­мощью жидкостного промежуточного теплоносителя в надежно теплоизолированной емкости позволяет упростить изготовление воздухоохладителя, не снижая эффективности его работы.

Осушенный и охлажденный до отрицательных температур сжа­тый воздух после второй ступени охлаждения поступает в тепло­изолированную буферную емкость (до 1 м3) и далее по нагнета­тельной линии к распределителю, установленному в буровом здании.

Для испытаний была использована первая ступень охлажде­ния сжатого воздуха, изготовленная в ПГО «Приленскгеология», и блок осушки сжатого воздуха на основе установки УОВ 10М1, выпускаемой Курганармхнммашем.

Техническая характеристика установки УОВ 10М1

Тип установки…………………………………………………………………. А10М1

TOC o "1-5" h z Производительность оптимальная при рабочей темпе­ратуре +20 °С и рабочем давлении 0,8 МПа, м3/мнн 10,5

Рабочее давление, МПа…………………….. …………………. До 0,8

Время работы одной башни, ч……………………………………….. . . 8

Время регенерации одной башни, ч………………………….. 1,3—2,0

Расход сухого воздуха на регенерацию, м3/мин. 1,7

Точка росы осушенного воздуха…………………………….. —40 °С

Масса силикагеля для загрузки двух башен, кг. 350

Потребляемая мощность, кВт. 9—12

Ток. ……………………………………………………………………. . Переменный

Частота, Гц. . …………………….. 50

Напряжение, В……………………………………………………………………………… 380

Масса блока без адсорбента, кг… . 980

Производственные испытания системы охлаждения и осушки сжатого воздуха проводились в экспедиции № 12 ПГО «Приленск — геология» на участке поискового бурения. В процессе испытаний установка проработала 200 ч, из них объем чистого бурения со­ставил 50 ч. С применением установки пробурено около 100 м в интервале глубин от 0 до 120 м (скважины 77,5/450, 79,3/450, 80,0/450).

Температура атмосферного воздуха днем достигала +29 °С, ночью +10°С.

Бурение велось станком ЗИФ-650М с применением твердо­сплавного породоразрушающего инструмента по следующим лито­логическим разностям мерзлых пород: песчаники с глинистым це­ментом, долериты, переслаивание аргиллитов и алевролитов, туфы с прослоями льда, известняки.

Сжатый воздух подавался от компрессора КВ-10 производи­тельностью 10 м3/мин. Под давлением 0,8 МПа с температурой 90—95 °С он поступал в первую ступень системы, где охлаждался до температуры, близкой к температуре окружающего воздуха (+30+ +33°С днем и +10++13°С ночью), а затем в инер­ционный влагоотделитель вихревого типа М-30. После удаления капельной влаги и отделения минерального масла в блоке филь­тров БМФ воздух подавался в одну из башен с адсорбентом блока осушки типа А10М1. Осушенный воздух поступал в реси­вер вместимостью 1 м3, а из него к распределительному устрой­ству, установленному в буровом здании. В качестве адсорбента применялся силикагель марки КСМ.

Все агрегаты системы охлаждения и осушки сжатого воздуха были соединены последовательно, отвод конденсата производился через спускные краны, установленные в нижней части влагомасло — отделителя.

Применение установки осушки позволило избежать аварий, связанных с выпадением конденсата в системе «бурильные трубы — скважина» и образованием сальников на стенках сква­

жины. При бурении удалось добиться почти полного выноса нерас — тепленного шлама на поверхность или в шламовые трубы, и при этом стенки скважины оставались сухими. Кроме того, по всем интервалам колонкового бурения был получен 100%-ный выход высококачественного нерастепленного керна. Основные результаты бурения приведены в табл. 2.6.

Анализ результатов испытаний, позволил сделать следующие ьыводы.

1. Установка для охлаждения и осушки сжатого воздуха без фреоновой системы охлаждения позволяет получать сжатый воз­дух с температурой, превышающей температуру окружающего воз­духа лишь на 2—5°С, и степенью осушки, достаточной не только для предотвращения выпадения конденсата при дальнейшем ох­лаждении сжатого воздуха в циркуляционной системе, но и для удовлетворительной осушки частично растепляемых в процессе бу­рения стенок скважины и керна, а также частичек шлама.

2. Использование при бурении мерзлых пород осушенного сжатого воздуха даже при относительно высокой его температуре позволяет повысить эффективность очистки скважины от шлама и в значительной степени уменьшить осложнения, связанные с об­разованием сальников. Все это повышает механическую и рейсо­вую скорости бурения, а также рейсовую проходку.

Таблица 2.6 Основные показатели экспериментального бурения в экспедиции № 12 ПГО «Прилеискгеология» Породы Категория пород по бури мости Объем бурения, м Средняя рейсовая скорость, м/ч Состояние и выход керна Примечание Мерзлые песчаники с глинистым цемен­том V 18 4,5 Керн цельный, К „ = 2н-3, выход 100 % Колонковое бурение Долериты IX 50 1,7 То же Бурение пневмоудар­ником П-125 Аргиллиты, алевро­литы У1-УН 15 3,2 Керн цельный. Кк = 2-нЗ, выход юо % Колонковое бурение Туфы У1-УИ 30 4,2 Керн цельный, Кк= 1,5-2 выход 100 % То же

Примечание. Кк—коэффициент куековатости: число кусков керна на 1 м проходки. 7 Б. Б. Кудряшов и др. 97

3. Для полного предотвращения растепления мерзлых стенок скважины и керна в процессе бурения и окончательной ликвида­ции связанных с этим явлением осложнений, осушенный воздух необходимо охлаждать до отрицательной температуры.

Теория и расчет, лабораторные эксперименты и накопленный практический опыт бурения убедительно показывают, что вполне осуществимое в зимний и летний периоды года охлаждение сжатого воздуха до отрицательной температуры —10 °С во всех случаях достаточно для резкого повышения произво­дительности и качества буровых работ в районах многолетней мерзлоты.

Если не считать сильно обводненных минерализованными во­дами или напорных горизонтов, где продувка вообще неприем­лема, единственной разновидностью неблагоприятных для этого способа условий является бурение слабосвязных «сушенцов». Воз­можные осложнения в виде сальникообразования при слабых во — допроявлениях легко устраняются применением новых пенообра­зователей, активных в минерализованной среде при повышенных температурах. Во влажных таликовых зонах с успехом можно ис­пользовать одновременное с бурением поверхностное подморажи­вание буримых пород продувкой морозным воздухом.

Для повышения выхода керна в малольдистых «еушенцах» вполне применимы двойные колонковые трубы. Кроме того, сле­дует учитывать, что в условиях, когда целью буровых работ яв­ляется изучение состава, строения и физико-механических свойств мерзлых пород, как при инженерных изысканиях, использование охлажденного воздуха даже при пониженном выходе керна дает существенно более объективную информацию, нежели широко при­меняемое бурение «всухую». В тех случаях, когда нас интересует содержание и распределение полезного ископаемого по мощности продуктивного горизонта, как при геологоразведочных буровых работах, в целях обеспечения высокого выхода керна в елабосце — ментированных рыхлых мерзлых отложениях на россыпях или в силыютрещиноватых раздробленных сухих «морозных» поро­дах коренных месторождений возможны предварительное увлаж­нение, «крепление льдом» этих пород и затем бурение с продув­кой охлажденным воздухом.

Как известно, достоверность разведки россыпных месторожде­ний Северо-Востока на основе ударно-механического бурения не удовлетворяет современным требованиям и для подтверждения получаемых данных часто необходимо проходить дорогостоящие шурфы. Переход в этих условиях на колонковое бурение с продув­кой охлажденным воздухом в целях сохранения естественного аг­регатного состояния мерзлых пород и высокого выхода керна обес­печит получение вполне объективных сведений о содержании и распределении полезного ископаемого. Объемы буровых разве­дочных работ на россыпях весьма велики. Резкое повышение до­стоверности опробования по высококачественному керну с учетом возможного разрежения сети скважин и отказа от поверочных шурфов может значительно сократить сроки, улучшить качество и снизить стоимость разведки россыпных месторождений.

Комментарии запрещены.