Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Одним из первых практических опытов применения искус­ственного замораживания горных пород при бурении явилась экспериментальная проверка разработанного кафедрой бурения Уфимского нефтяного института под руководством М. Я — Берко­вича способа борьбы с катастрофическими поглощениями промы­вочной жидкости при бурении нефтяных и газовых скважин [Бер­кович М. Я-, I960 г.].

Сущность этого способа заключается в том, что непосредствен­но в зону катастрофического поглощения подается низкотемпера­турный агент, который за короткий промежуток времени охлаж­дает и замораживает воду в окружающих скважину породах, образуя в интервале поглощений временное водонепроницаемое ледопородное цилиндрическое кольцо. В качестве холодильного агента был использован нейтральный безопасный в техническом отношении жидкий азот, доставка которого в зону поглощения осу­ществлялась с помощью специальной теплоизолированной же­лонки, конструкция которой схематично изображена на рис. 3.4.

Промышленные испытания, проведенные в 1957—1958 гг. на скв. 315/61, 411/412, 248 конторы разведочного бурения НПУ «Ишимбайнефть», позволили сделать следующие выводы:

1) замораживание практически можно применять для ликви­дации зон поглощения при температуре в скважине не более 40°С и давлении до 20 МПа;

2) замораживание может применяться без последующего це­ментирования или с последующим цементированием в зависимости от глубины залегания зоны поглощения и конструкции скважины;

3) максимальный эффект от применения замораживания полу­чается при ликвидации катастрофических поглощений в пористых, кавернозных и трещиноватых породах.

Максимальный эффект от применения искусственного замора­живания был получен при ликвидации катастрофического погло­щения на скв. 248 в интервалах 1305—1317 и 1291 —1298 м, сло­женных кавернозными и трещиноватыми известняками. Здесь после двух операций по замораживанию удалось создать цемент­ный мост и ликвидировать катастрофическое поглощение промы­вочной жидкости, не прекращавшееся после предпринятых до этого 10 заливок цементной смеси с общим расходом 104 т це­мента. Для успешного замораживания указанных выше интерва­лов потребовалось доставить в зоны поглощения соответственно 100 и 70 кг жидкого азота.

В США предложен способ бурения наносов и плывунов с од­новременным замораживанием последних циркулирующей в сква­жине охлажденной до низких отрицательных температур промы­вочной средой — хладоносителем (керосином или беспарафинным дизельным топливом арктического класса) [Redman D. Е., 1960 г.].

Для охлаждения использо­ван сухой лед (твердый диок­сид углерода), куски которого помещались в специальной ем­кости, где промывочная среда — хладоноситель перед нагнета­нием в скважину охлаждалась

О

до температуры —10-;————— 12°С

и одновременно очищалась от выносимого из скважины мерз­лого шлама. Перед началом бу­рения с замораживанием находя­щаяся в стволе скважины вода вытеснялась хладоносителем с положительной температурой и затем производилась прокачка низкотемпературного хладоноси — теля без углубки скважины для предварительного подморажива­ния окружающего массива и по­роды забоя.

о» сГ

Во избежание растепления и обвалов породы со стенок сква­жины во время спуско-подъем — ных и вспомогательных опера­ций между рейсами и перед на­чалом подъема снаряда прокачи­вался охлажденный хладоноси­тель в течение 5—10 мин. При бо­лее продолжительных перерывах в бурении время циркуляции хладоносителя без углубки сква­жины увеличивалось.

Этим способом при бурении скважины в районе Нью-Йорка была пройдена и временно за­креплена в течение 10 ч толща водоносных песков, гальки, гра­вия и валунов мощностью 27 м. В другом случае наносы мощ­ностью 20 м были успешно прой­дены за 4,5 ч. Средний расход сухого льда и хладоносителя (технического керосина) при этом составил соответственно 41 и 25 кг на 1 м, а стоимость бурения 1 м — 7,43 дол.

I

Бурение с одновременным за­мораживанием горных пород ча-

сто применялось при ликвидации осложнений, связанных с тали — ковыми зонами в многолетнемерзлых породах [62]. Так, в 1963 г. в Якутской АССР проводились опытные работы для выяснения возможности бурения разведочных и взрывных скважин с крепле­нием их стенок замораживанием без спуска обсадных колонн [Волков С. А., 1959 г.]. Интервал бурения был представлен раз­нозернистыми мерзлыми песками и валунно-галечниковыми отло­жениями с многочисленными пропластками талых водоносных песков и гравийно-галечниковых отложений. В качестве промывоч­ной среды — хладоносителя применялся технический керосин, ко­торый охлаждался в зимних условиях в специальных поверхно­стных теплообменниках за счет принудительной циркуляции атмосферного воздуха с низкой отрицательной температурой. За счет этого обеспечивалось надежное замораживание и крепление без применения обсадных труб при бурении скважин глубиной до 60 м. Выход керна при этом составил 98—100 %, проходка за рейс ограничивалась только длиной колонковой трубы и достигала 6 м, средняя скорость бурения не превышала 1,5—2,0 м/ч.

Интересен опыт применения непрерывного замораживания по­род в процессе бурения для повышения качества опробования руд­ного интервала, представленного сильнообводненными породами типа плывуна, который был проведен фирмой «Юнион Кар — байд Нюклир» при разведке уранового месторождения в штате Вайоминг (США).

Верхняя часть разреза до продуктивной толщи мощностью 15—50 м проходилась бескерновым способом с продувкой сжа­тым воздухом. Перед бурением по рудному интервалу скважина закреплялась обсадными трубами, оставшаяся в скважине вода удалялась продувкой сжатым воздухом, после чего бурение про­должалось с использованием в качестве промывочной среды ох­лажденного до —35 °С обеспарафиненного дизельного топлива.

Охлаждение дизельного топлива проводилось в специальном теплоизолированном резервуаре вместимостью 1,5 м3 с помощью сухого льда. При предварительном охлаждении дизельного топ­лива температура —35°С достигалась в течение 20—30 мин, при этом расход сухого льда составил 180 кг (1,2 кг на 10 л дизель­ного топлива). После циркуляции охлажденного дизельного топ­лива в скважине в течение 10 мин породы, представленные рых­лыми обводненными песками с включениями гравия и гальки крупностью до 100 мм, так замораживались, что приобретали мо­нолитность и прочность скальных пород. В процессе бурения по рудному интервалу расход хладоносителя составлял 40—45 л/мин, температура его на выходе из скважины колебалась в пределах

—12-;—— 15°С, а давление на выходе насоса было 1,4—1,8 МПа.

Применялся алмазный породоразрушающий инструмент диамет­ром 120 мм. Наилучшие результаты были достигнуты при исполь­зовании коронок с алмазами крупностью 30 шт/кар. Максималь­ная скорость бурения не превышала 1,5 м/ч. При этом отдельные крупные включения разрезались коронкой без нарушения моно-

Рис. 3.5. Схема охлаждения бурового а, 4 7 8 раствора и очистки его от шлама при бурении с замораживанием (а) и в мерзлых породах (б). / — муфта с кольцевой замазкой; 2—слив; 8 — перегородки; 4—подвижное сито; 5 — трубы; 6—рассол (лед или снег); 7—под- вижной охладительный отсек; 8—шланг для отсоса шлама; 9—фильтр; 10—насос; 11—теплоизолированный бак; 12—решетка.

литности как стенок скважи — ны, так и керна. Нормальным считался выход керна 98 %.

На бурение 10-метрового ин­тервала было затрачено 1000 кг сухого льда и приблизи­тельно 3 т дизельного топлива, часть которого после оконча­ния бурения можно было из­влечь из скважины.

На рис. 3.5 изображена принципиальная схема охлаждения бу­рового раствора и очистки его от шлама при бурении скважины с замораживанием или в мерзлых породах, применяемая в США и Канаде.

Возможность эффективного применения искусственного замо­раживания для отбора проб из слабосвязных и несвязных влаго­насыщенных горных пород и грунтов при проведении инженерно­геологических изысканий связана с тем, что при определенном режиме замораживания их естественная структура и влажность остаются без изменения, а прочностные свойства существенно уве­личиваются, облегчая процесс опробования [62]. Для этих целей как в СССР, так и за рубежом были предприняты попытки изго­товления разнообразных по конструкции термогрунтоносов [Васильев А. В., 1968 г.]. В качестве хл а доносителей в термогрун­тоносах использовались охлажденные до отрицательных темпе­ратур растворы солей, фреоны (хладоны), сухой лед. Продолжи­тельность замораживания образцов составляла несколько часов.

Ю. М. Абелевым для отбора образцов плывунов применялись специальные термогрунтоносы с внутренним диаметром 120 мм и наружным 146 мм. В качестве хладоносителя в термогрунтоносах использовался рассол с температурой —3,4°С, продолжительность замораживания образцов составила 5 ч [23].

Незначительный объем экспериментальных и производствен­ных данных по бурению скважин с замораживанием горных по­род, трудности в получении подробной информации о зарубежных работах в этом направлении потребовали проведения допол­нительных исследований и опытно-конструкторских разработок с целью определения области рационального применения рассмат­риваемого способа, совершенствования его технических средств

“ьп

ЕГ«&

»s«

5 ss g

°s«

Я»

S«“

і Щ я ж > 1» к Ь

Н§1

: о •§ «

4 5? *

о"« w £ V

5 К

0 ° ° У су

« * о

*н О О

и I о

в

bЈss

2? 3 ЈJ и

Ей ё

s*S

SsS S

1 <U D.

I ОH OJ

<N U Ј

-S «

-ь-Ss

ti a

« к I

* s»’

Sag

s «

*’a

о S ь

i»v CQ

g-s«

g*g

КОЙ

*5 °*g scg

H її » К в QJ Ч S

ta tj о ы<

S ь в Я о ts

Я « в Ј я в

л I § »’S

« о-r *1

S?

og« n, °5

О o «

СУ;, Cl, R»

>>в о

л, О И

s ftы

tl В s о-SS S S 5 oS™

■? S Ј■

Ю?» ti

«Sg.

Д <L) «• В В K

кь Ь» 2 R Я « К VO в OeL «■>

о ^ ex

ч

cзS uo2 ь лк

«Sg я*5 но 4

£ * S

, ,

НК® н * к

0 о о* к сх о

ЛЬЮ

о 2 в щїа лов

1 SI

•ч S<ы

и технологических приемов, повышения эффективно­сти использования в конкретных горно-геологических условиях.

В связи с необходимостью решения проблемы та — ликовых и подмерзлотных зон при бурении разведоч­ных скважин на россыпных месторождениях Севера и Северо-Востока СССР в середине 60-х годов в Ле­нинградском горном институте и в Тульском отделе экспериментальных исследований Центрального науч­но-исследовательского геологоразведочного института (ЦНИГРИ) были начаты исследования по разработ­ке способа бурения с одновременным заморажива­нием горных пород [23]. Первые результаты экспери­ментальных исследований подтвердили основные тео­ретические положения о возможности использования в качестве промывочной среды охлажденного до низ­ких отрицательных температур сжатого воздуха, оп­ределили ограниченность области его эффективного применения, а также перспективность и преимуще­ства использования жидкостных очистных агентов — хладоносителей.

Процесс твердосплавного и алмазного бурения с опережающим забой замораживанием влажных и обводненных горных пород экспериментально иссле­довался в ЛГИ на специально оборудованном для этих целей стенде, включающем в себя буровой ста­нок, промывочный насос, систему циркуляции и ох­лаждения промывочной среды, контрольно-измери — тельную аппаратуру (рис. 3.6).

В качестве промывочной среды — хладоносителя использовали сжатый воздух, водные растворы ЫаС1 и СаС12, летнее и зимнее дизельные топлива, техни­ческий керосин. Система охлаждения промывочной среды предусматривала использование как компрес­сорно-испарительного агрегата АК-2ФВ-30/15 холодо — производительностью от 17,5 до 35 кВт, с кожухо­трубным испарителем ИТР-8, так и специальной теп­лоизолированной емкости с твердой углекислотой (сухой лед). Бурение велось по блокам искусственно приготовленных пород, гранулометрический состав и основные физико-механические свойства которых при­ведены в табл. 3.2.

Температура в блоках породы измерялась на раз­ных расстояниях от забоя и оси скважины с по­мощью хромель-копелевых термопар и лабораторных жидкостных термометров с точностью до 0,5 °С.

В процессе экспериментального бурения по бло­кам искусственно приготовленных пород исследова­лись особенности применения в качестве очистных

Состав и свойства искусственных пород Наименование породы Г раиулометрнчески й состав, % Влаж­ ность, % Пори­ стость, % Плот­ ность скелета, кг/м3 Объемная масса, кг/м3 2,0 мм 2,0—0,2 мм 0,2 мм Средиезернистый _ 90 10 15 25 2650 2040 песок Разнозернистый 20 70 10 15 30 2700 2130 песок с гравием

агентов различных хладоносителей и возможности их охлаждения в процессе бурения с одновременным замораживанием, а также влияние на эффективность замораживания влажных пород раз­личного гранулометрического состава, основных технологических параметров режима бурения, теплофизических свойств и темпе­ратуры хладоносителя.

Результаты многочисленных опытов полностью подтвердили основные теоретические положения, лежащие в основе исследуе­мого способа бурения, и показали решающее влияние на эффек­тивность его технологии таких факторов, как качество, расход, температура промывочной среды — хладоносителя, влажность по­роды и механическая скорость бурения.

Так, применение сжатого воздуха, охлажденного до темпера­туры —20°С, обеспечивало опережающее промораживание влаж­ных пород на глубину до 1 мм только при весьма малых механи­ческих скоростях бурения, не превышающих 0,25 м/ч. При встрече на забое крупных включений гравия резко возрастала мощность на разрушение породы и связанное с этим выделение тепла в зоне забоя, что практически прекращало промораживание породы и часто вызывало процесс «сальникообразования». При этом, как правило, керн разрушался, но стенки скважины выше забоя про­мораживались и сохраняли устойчивость после подъема снаряда.

При использовании солевых растворов (ЫаС1, СаСЬ в воде) с температурой от —5 до —16°,С процесс замораживания пород осложнялся диффузионным обменом, в результате которого про­никновение растворимых солей во влажную породу препятство­вало замерзанию последней. С учетом этого обстоятельства, а также из-за повышенной коррозионной активности, был сделан вывод о нецелесообразности применения солевых растворов при бурении с замораживанием.

При испытании охлажденных до отрицательных температур углеводородных жидкостей было установлено, что обычное дизель­ное топливо при бурении с замораживанием можно охлаждать до температуры —10-; 15 °С, так как при более низких темпера­

турах начинают интенсивно выделяться частицы и сгустки тяже­лых парафинистых фракций углеводородов.

Наилучшие результаты были получены при экспериментах с беспарафинным дизельным топливом арктического класса и тех­ническим керосином (топливом самолетным ГС-1), которые ока­зались технически применимыми при охлаждении до —45 — Ь

Н—- 50 °С. На их основе возможно приготовление разнообразных

низкотемпературных очистных агентов — хладоносителей.

Наиболее просто и экономически эффективно достаточно глу­бокое охлаждение промывочной среды — хладоносителя в прос’ей — шем смесительном теплообменнике в результате непосредственного контакта и сублимации в жидкости «сухого льда» — твердого ди­оксида углерода С02. Сухой лед в широких масштабах произво­дится промышленностью.

Свойства сухого льда (углекислоты)

44 189 1400 -56,6 -78,5 5,74 — 105 1,9 • 105 6,41 • 105

Молекулярный вес……………………………………………………….

Газовая постоянная, Дж/(кг-°С)……………………………………..

Плотность промышленного сухого льда, кг/м3 . . .

Температура плавления, °С………………………………………….

Температура кипения (сублимации), °С………………………….

Скрытая теплота сублимации, Дж/кг……………………………..

Скрытая теплота плавления, Дж/кг………………………… . .

Общая холодопроизводительность, Дж/кг. . . .

Теплоизоляция поверхностей обвязки и бурового снаряда су­щественно улучшают процесс охлаждения промывочной среды и эффективность использования хладоносителя. Как показали ре­зультаты экспериментальных исследований, при этом примерно вдвое сокращаются сроки предварительного охлаждения промы­вочной среды, обеспечивается более низкая температура ее в зоне забоя скважины и существенно снижаются затраты, связанные с использованием искусственного холода.

Результаты экспериментального бурения с замораживанием по блокам искусственных пород с целью получения керна с ненару­шенными первоначальной структурой и физико-химическим соста­вом позволили сделать следующие выводы.

1. Минимальная температура породы в процессе бурения с за­мораживанием отмечалась на поверхности подвижного забоя сква­жины.

2. Зона изменения температуры пород в направлении пере­мещения забоя остается приблизительно постоянной и не превы­шает 10 мм.

3. При температуре промывочной среды — хладоносителя —25 °С и расходе его не менее 20 л/мин во всех опытах при ме­ханической скорости до 1 м/ч достигался полный выход, керна влагонасыщенного песка и обеспечивалось надежное закрепление стенок скважины.

4. С увеличением размеров обломочных включений резуль­таты бурения ухудшались из-за механических разрушений ледо — породной корки, связанных с повышением крутящего момента при разрушении породы забоя и соответствующим дополнительным выделением тепла на забое.

Рис. 3.7. Керн влагонасыщенного разнозерннстого песка с включением гравия и гальки, полученный прн бурении с замораживанием в лабораторных условиях.

5. Важную роль при бурении с одновременным заморажива­нием играет характер процесса разрушения пород, определяемый прежде всего механическими свойствами и геометрией резцов по­родоразрушающего инструмента, окружной скоростью их пере­мещения, удельной осевой нагрузкой и равномерностью подачи снаряда при бурении.

На рис. 3.7 представлена фотография керна, полученного при бурении с одновременным замораживанием влагонасыщенных раз­нозернистых песков с включением гравия и гальки. Извлеченный из колонковой трубы керн представлял собой монолитную твер­дую породу типа песчаника. Отдельные куски гравия и гальки были разбурены на части без выкрашивания последних из керна и из стенок скважины.

Для проведения экспериментальных исследований процесса буре­ния с одновременным замораживанием горных пород в условиях, близких к производственным, на опытном стенде была пробурена и закреплена обсадными трубами диаметром 146 мм сква­жина глубиной 13,6 м. Скважина прошла через рыхлые четвер­тичные отложения, представленные супесями и суглинками с вклю­чением гравия, гальки и валунов до 20%, и на глубине 13,6 м встретила сильнообводненные пески (плывун), мощность которых вместе с небольшими пропластками суглинков и глин по имею­щимся данным составляет 30—40 м. С целью изоляции плывуна от вышележащих пород был проведен затрубный цементный там­понаж обсадной колонны. Устье скважины было оборудовано спе­циальным патрубком с отводной трубой, по которой промывочная среда направлялась в отстойные желоба циркуляционной системы опытного стенда.

Для вытеснения и замены находившегося в скважине бурового раствора промывочная среда — хладоноситель (арктическое ди­зельное топливо) подавалась в скважину при температурах от +1 до —3°С. После заполнения циркуляционной системы скважины хладоносителем для замораживания пород в зоне забоя произво­дилась непрерывная его циркуляция в течение 1 ч с понижением температуры до —14°С. Перед началом экспериментального бу­рения в процессе холостого вращения снаряда при номинальном расходе промывочной среды — хладоносителя определялось время стабилизации температуры в циркуляционной системе.

Экспериментальное бурение велось при частоте вращения бу­рового снаряда 102 об/мин рейсами по 0,5—1,0 м с осевой на­грузкой, обеспечивающей изменение механической скорости буре­ния в пределах 0,2—1,0 м/ч. Расход промывочной среды состав­лял в среднем 25 л/мин, температура на входе в скважину

колебалась в пределах —11 н————- 20 °С. Температурный перепад в

скважине при скорости бурения 0,5 м/ч составил в среднем 70°С, что приблизительно соответствовало холодопроизводительности системы 5,8 кВт. Как правило, в начальный период бурения тем­пературный перепад был максимальным, затем он несколько сни­жался и оставался приблизительно постоянным при неизменном режиме бурения.

В процессе экспериментального бурения с одновременным за­мораживанием пород типа плывуна удалось успешно пройти сква­жину в интервале 13,6—18,3 м. Устойчивость стенок скважины со­хранялась в течение 10 ч после прекращения циркуляции хладо­носителя.

Экспериментальная оценка способа бурения с одновременным замораживанием пород в полевых условиях была проведена со­вместно с Ленинградской комплексной геологоразведочной экспе­дицией ПГО «Севзапгеология» при разведке Кингисеппского ме­сторождения фосфоритов. Методика проведения полевых исследо­ваний преследовала цель практически оценить в процессе бурения режим охлаждения промывочной среды с помощью сухого льда, выяснить характер влияния основных параметров режима буре­ния, температуры хладоносителя на механическую скорость, рей­совую проходку, выход и качество керна, состояние стенок сква­жины, полноту очистки забоя от шлама, а также оценить работо­способность специальных технических средств.

На первом этапе проводилось опытное бурение скважин ма­лого диаметра для оценки качества опробования по керну продук­тивной толщи, представленной обводненными оболовыми песками и слабосцементированными песчаниками. Для оценки достовер­ности опробования продуктивной толщи экспериментальные сква­жины бурились в непосредственной близости от борта отрабаты­ваемого карьера. Это позволяло сопоставлять результаты химана — лиза керновой пробы с бороздовой, взятой из расчистки для аналогичного интервала.

Опытное бурение велось установкой УПБ-25. Для сопоставле­ния экспериментальных данных и уточнения геологического раз­реза предварительно была пробурена скважина по обычной при

разведке данного месторождения технологии: с промывкой водой по вмещающим породам и «всухую» по продуктивной толще.

При опытном бурении вмещающие породы до продуктивной толщи в интервале 0—2,5 м, представленные четвертичными отло­жениями и известняками, бурились бескерновым способом шнеком с двухлопастным долотом диаметром 76 мм и закреплялись обсад­ной трубой диаметром 73 мм с подбашмачным тампонажем гли­ной. Устье скважины оборудовалось специальным теплоизолиро­ванным тройником, который с помощью гибкого соединительного шланга подсоединялся к теплоизолированной емкости — отстой­нику, где охлаждалась промывочная среда — хладоноситель перед подачей в бурильную колонну с помощью плунжерного насоса 1НБ-8. Схема расположения оборудования и обвязки устья сква­жины представлена на рис. 3.8.

В качестве хладоносителя использовался технический керосин,, охлаждавшийся с помощью «сухого льда». Куски льда помеща­лись на металлическую решетку в первых двух секциях теплоизо­лированной емкости, где одновременно с охлаждением керосина происходило осаждение выносимого из скважины бурового шлама. В третьей секции емкости, куда охлажденный керосин поступал че­рез многочисленные отверстия в вертикальной металлической пе­регородке, помещался конец всасывающего шланга с сетчатым фильтром и обратным клапаном.

Рис. 3.8. Схема расположения оборудования и поверхностной обвязки при не­глубоком бурении с замораживанием горных пород. 1 — отводной рукав; 2 — кондуктор; 3 — промывочный сальник; 4 — подвижный вращатель; 5 — напорный рукав; 6 — насос; 7 — теплоизолированная емкость; 8 — всасывающий шланг; 9 — отстойннк-охладитель циркуляционной среды.

Холодопотери теплоизолированной емкости при охлаждении 150 кг керосина до температуры —35 °С и наружной температуре атмосферного воздуха +10°С не превышали 17,5 Вт. Сухой лед транспортировался и хранился в теплоизолированном контейнере, вмещающем 12 блоков сухого льда размерами 0,2 X 0,2 X 1,0 м ■общей массой 500 кг. Потери льда на испарение при хранении в летний период в контейнере не превышали 5 % в сутки.

На предварительное охлаждение 150 кг технического керосина ■(около 170 л) в теплоизолированной емкости от +12 до —35 °С в среднем расходовалось 20 кг сухого льда и требовалось 25— 30 мин.

Экспериментальное бурение по продуктивной толще проводи­лось одинарным колонковым снарядом диаметром 57 мм и длиной 1,5 м с твердосплавной буровой коронкой типа СМ-2 диаметром

59 мм. Перед началом бурения вода из скважины вытеснялась хладоносителем, который затем циркулировал при номинальной от­рицательной температуре (—30 ————- 35 С на входе в скважину)

в течение 10—20 мин для надежного промораживания пород во­круг башмака обсадной трубы с целью предотвращения возмож­ных утечек хладоносителя. Надежная изоляция ствола скважины от водоносных горизонтов над продуктивной зоной необходима для успешного процесса бурения с одновременным замораживанием.

В процессе предварительной прокачки температура хладоноси­теля в циркуляционной системе быстро стабилизировалась, раз­ница между температурами поступающего в скважину и выходя­щего из скважины потоков уменьшалась до 10 15 °С.

Бурение с одновременным замораживанием пород продуктив­ной толщи велось на частотах вращения снаряда 100 и 270 об/мин. Механическая скорость регулировалась осевой нагрузкой и изме­нялась в процессе опытного бурения от 0,5 до 3,0 м/ч в зависи­мости от условий промерзания породы в зоне забоя. Последние определялись по характеру выноса шлама: резкое увеличение его количества в потоке свидетельствовало о неудовлетворительном промерзании пород в зоне забоя и размыве их циркулирующей жидкостью. В этом случае осевая нагрузка на коронку снижа­лась, скорость бурения уменьшалась до значения, при котором вынос шлама резко снижался, что свидетельствовало об увеличе­нии глубины опережающего промерзания породы забоя, обеспе­чивающей достаточную прочность цементирования льдом стенок скважины и керна.

После окончания бурения перед подъемом снаряда из сква­жины производилась циркуляция хладоносителя без углубки за­боя в течение 5—7 мин с целью большего промерзания и повы­шения монолитности керна. Керн извлекался из колонковой трубы в виде отдельных кусков длиной 0,10—0,20 м, сцементированных по наружной поверхности льдом, с неизменными структурными и текстурными особенностями. Общий выход керна из-за частых из­менений режима бурения и низкой влажности песков, частично осушенных пройденным рядом карьером, составил 75 % •

Анализ результатов химиче­ского анализа проб, отобранных из мерзлого керна и бороздовым способом из борта карьера в не­посредственной близости от про­буренной скважины (табл. 3.3), подтверждает достоверность кер- нового опробования при бурении с одновременным заморажива­нием пород продуктивной толщи.

Результаты химического анализа керновых и бороздовых проб Определяе­ мые компоненты Содержание компонентов, % в керне скважины в бороздо­вой пробе Р2О5 11,20 11,00 0,34 0,35 МцО 16,24 16,20

Сохранение естественной структуры и текстуры породы в образцах керна при бурении с одновременным замораживанием позволяет четко выделять в продуктивной толще среди обводнен­ных оболовых песков линзы и пропластки слабосцементированных песчаников, что практически не удается сделать при бурении обыч­ным способом. Расчленение продуктивной толщи по литологиче­скому составу слагающих ее пород очень важно при отработке месторождений открытым способом, и особенно при разработке нового геотехнологического способа извлечения полезного иско­паемого — гидродобычи.

Для определения эффективности разрабатываемого способа бурения скважин при разведке и оконтуривании площади для про­ведения работ по гидродобыче полезного ископаемого было про­ведено опытно-производственное бурение на южном участке Кин­гисеппского месторождения фосфоритов [23, 62]. Бурение велось самоходной установкой АВБТМ-100 с вращателем роторного типа, циркуляция промывочной среды — хладоносителя осуществлялась насосом НГР-250/50. Обвязка устья скважины, включая рабочую шестигранную бурильную трубу, теплоизолировалась. Буровой снаряд состоял из одинарного колонкового набора диаметром 89 мм с твердосплавной коронкой типа СА диаметром 93 мм и стальных бурильных труб диаметром 50 мм с муфто-замковыми соединениями.

Во всех случаях опытного бурения четвертичные отложения (пески, суглинки с галькой и гравием), перекрывающие продук­тивную толщу ордовикские песчаники и известняки закреплялись и надежно изолировались обсадными трубами диаметром 127 мм на глубину 5—7 м и 108 мм на глубину 15—20 м с обязательным подбашмачным тампонажем глиной. В башмаке обсадной колонны устанавливалась деревянная пробка.

Перед началом бурения с одновременным замораживанием пород продуктивной толщи циркуляционная система скважины за­полнялась хладоносителем (техническим керосином), температура которого в течение 15—20 мин предварительной циркуляции пони­жалась в теплоизолированной емкости — холодильнике до — 30 °С. За это время вокруг обсадной колонны в призабойной зоне сква­жины образовывалась прочная и водонепроницаемая ледопород —

ная перемычка, обеспечивающая надежную изоляцию ствола сква­жины от вышележащих водоносных пород после разбуривания пробки.

Бурение по продуктивной толще велось на скоростях I—II вращения ротора (52 и 108 об/мин), максимальная осевая на­грузка на коронку не превышала 4,0 кН, расход промывочной среды колебался от 25 до 40 л/мин, температура керосина на выходе из скважины изменялась’в пределах —10 Ч—————————— 4°С, механи­

ческая скорость бурения составляла 0,5—4,0 м/ч и регулировалась по количеству выносимого из скважины шлама (при увеличении выноса шлама скорость бурения снижалась, при уменьшении — повышалась). Во всех случаях бурение продуктивной толщи, сред­няя мощность которой составляла 3 м, старались выполнить одним рейсом. Керн в конце рейса заклинивали затиркой «всухую».

По результатам опытного бурения с учетом предварительного охлаждения хладоносителя расход сухого льда составил 28 кг, а расход технического керосина 30 кг на 1 м бурения с одновре­менным замораживанием пород продуктивной толщи.

Основные технико-экономические показатели опытного бурения с одновременным замораживанием на Кингисеппском месторож­дении фосфоритов приведены в табл. 3.4.

Типичными осложнениями при бурении с одновременным замо­раживанием горных пород явились: образование сальников выше колонковой трубы и связанные с ними прихваты и затяжки сна­ряда при извлечении; потери промывочной среды — хладоносителя из-за снижения качества изоляции обсадной колонны; частичное разрушение и заклинивание керна в колонковой трубе при повы­шении механической скорости бурения и температуры хладоноси­теля в зоне забоя; снижение выхода керна при бурении в породах с низкой влажностью и при применении для извлечения керна за­тирки «всухую».

Таблица 3.4 Основные технико-экономические показатели экспериментального бурения на Кингисеппском месторождении фосфоритов Показатели Тип буровой установки УПБ-25 АВБТМ-100 Интервал бурения, м 2,5-5,0 16,7—19,7 Диаметр бурения, мм 59 93 Проходка за рейс, м 0,62 3,0 Механическая скорость, 0,5—3,0 1,0—3,5 м/ч Расход сухого льда, кг/м 15 25 Расход керосина, кг/м 10 30

Выявилась целесообразность применения при бурении с одно­временным замораживанием теплоизолированного бурового сна­ряда и более эффек­тивной теплоизоляции поверхностной обвяз­ки, включая ведущую бурильную трубу, саль­ник-вертлюг и гидрав­лическую часть буро­вого насоса. Наиболее эффективной и эконо­мичной является теп­лоизоляция внутрен­них поверхностей бу­рового снаряда: бу­

рильных труб и соеди­нений, колонковой тру­бы и переходника. Для
этой цели в настоящее время можно использовать специальные теплоизоляционные покрытия, обладающие антикоррозионными и гидрофобными свойствами [23].

Опытное бурение с замораживанием в производственных усло­виях подтвердило справедливость теоретических положений и по­казало целесообразность продолжения дальнейших разработок в этом направлении.

Применительно к условиям месторождений фосфоритов Ленин­градской области и Эстонской ССР, а также аналогичным им по горно-геологическим условиям другим месторождениям, важней­шим преимуществом бурения с замораживанием является повы­шение достоверности кернового опробования по скважинам, воз­можность резкого уменьшения диаметра скважин при одновремен­ном повышении выхода и качества керна.

Применение холода для замораживания горных пород на раз­личных этапах сооружения скважин в связи с постоянным совер­шенствованием и разработкой новых эффективных криогенных средств является многообещающим направлением развития буро­вой техники и технологии.

Так, при использовании надежно теплоизолированной колонны возможно эффективное бурение с одновременным заморажива­нием буримых слабосвязных влажных и обводненных пород при использовании в качестве хладоносителя сжиженного газа, напри­мер жидкого воздуха или азота. В работе [23] рассматривается возможность бурения скважин самоходной установкой АГУ-8ЛК •с емкостью высокого давления, вмещающей 4,5 т жидкого азота. Емкость снабжена редукционным клапаном и оборудована систе­мой подогрева, обеспечивает получение из жидкого азота холод­ного газа с давлением до 22 МПа в количестве до 6 м3/мин. За­пас жидкого азота достаточен для бурения с замораживанием в самых неблагоприятных геологических условиях интервала в не­сколько десятков метров.

Перспективной является также разработка разнообразных по конструкции скважинных термогрунтоносов [62] для отбора высо­кокачественных проб с ненарушенными структурными и текстур­ными характеристиками из влажных и обводненных пород типа плывуна. С помощью этих устройств производится поверхностное или полное промораживание отбираемых образцов в процессе теп­лообмена с находящимся внутри термогрунтоноса хладагентом. Последним может служить жидкий азот, сухой лед. В качестве промежуточной теплообменной среды — хладоносителя можно ис­пользовать охлаждаемую в устройстве тем или иным способом не­замерзающую (низкотемпературную) жидкость типа технического керосина или дизельного топлива арктических классов.

Комментарии запрещены.