Бурение двойными колонковыми наборами и эжекторными снарядами
Двойные колонковые наборы и эжекторные снаряды различных конструкций применяют для получения представительного выхода керна (линейного, весового, объёмного) и сохранения в керне в ненарушенном и неизменном виде структуры, текстуры, трещиноватости и других геологических и физико-механических характеристик пробуренных пород.
При бурении двойными колонковыми наборами рекомендуется выполнять следующие требования:
Ø перед спуском труб в скважину тщательно регулировать зазор между торцом внутренней трубы и матрицей коронки. Неправильная регулировка приводит к заклиниванию керноподъёмной трубы и снижению количества выхода керна, нарушению его качества;
Ø не допускать отрыва снаряда от забоя в процессе бурения во избежание заклинивания керна в кернорвателе, перетирания его и прекращения дальнейшей углубки скважины;
Ø при регулировке трубы особо обращать внимание на подбор кернорвательного кольца по диаметру и жесткости. В противном случае неизбежно самозаклинивание керна, нарушение нормального процесса бурения.
Основные положения, требования и условия технологии при бурении алмазным породоразрушающим инструментом.
Перед началом бурения машинист буровой установки обязан ознакомиться с геолого-техническим нарядом. Особое внимание рекомендуется уделить выбору алмазного породоразрушающего инструмента и оптимальным режимам бурения в конкретных горных породах, а также методам бурения предполагаемых зон осложнений, мероприятий по ликвидации возможных нарушений целостности стенок скважины и обеспечению кондиционного выхода керна.
При вводе бурового снаряда в скважину следует направлять его руками, чтобы не допускать удара коронки. Спускать снаряд в скважину нужно плавно и с особой осторожностью. На участках ствола скважины с возможными препятствиями скорость спуска снаряда должна снижаться до минимума, чтобы не повредить алмазный инструмент. Перед спуском бурового снаряда машинист буровой установки должен знать глубину забоя скважины, количество буровых штанг и общую их длину. Особенно точно рекомендуется представлять место возможных раскрытий естественных и образования новых трещин, образование каверн и желобов, зоны набухающих пород и сужений ствола, участки вытекания, осыпания и обвалов пород из стенок скважины, глубину возможных препятствий для спуска снаряда.
На зауженных интервалах ствола скважины спускать снаряд с новой алмазной коронкой или калибровочным расширителем необходимо на малой частоте вращения, ограниченной подаче и с интенсивной промывкой. Свободный спуск бурового снаряда с алмазной коронкой рекомендуется прекратить на расстоянии 25-30 см от забоя и включить насос.
При скоплении на забое большого количества шлама снаряд следует остановить на таком расстоянии от забоя, чтобы коронка находилась выше уровня осевшего шлама, и очистить скважину до забоя.
При расширении зауженной части скважины новой коронкой необходимо применять средние частоты вращения и минимальные осевые нагрузки, так как при расширении работают только подрезные алмазы. Осевую нагрузку при этом следует регулировать так, чтобы скорость углубки при расширении зауженного интервала была примерно в 3 раза больше, чем скорость обычного бурения новой коронкой в той же породе.
Если на забое имеется столбик керна высотой не более 5см, то снаряд нужно опускать на забой осторожно, с промывкой и вращением. Прежде чем начать углубку скважины на нормальном режиме, необходимо убедиться, что столбик керна вошёл в коронку и она беспрепятсвенно доходит до забоя.
Если на забое имеется керн, выпавший из колонковой трубы во время предыдущего рейса, то рекомендуется поступать следующим образом:
А) при бурении в мягких породах необходимо попытаться накрыть керн, проворачивая буровой снаряд вручную с помощью ключей. Если обломок керна находится в вертикальном положении, то он может войти в коронку. В случаях, когда керн лежит на боку, его можно обуривать, но с осторожностью (при малой частоте вращения и небольшой осевой нагрузке);
Б) при бурении в твёрдых породах разбуривать керн алмазной коронкой запрещается; его следует поднять с помощью керноподъёмника или разрушить с помощью кернолома.
В случае падения бурового снаряда в скважину или удара коронки на забой при неосторожном спуске снаряда приступать к бурению не разрешается. Необходимо поднять снаряд на поверхность, проверить состояние коронки, целостность алмазов и убедиться, что колонковая и бурильные трубы не прогнуты и не имеют видимых трещин.
Забуривание скважин и приработка алмазных коронок.
Способы забуривания скважины следует выбирать с учётом горно-геологических условий и требований по отбору керна. Бурение новой однослойной коронкой с объёмными выступающими алмазами следует начинать с пониженной частотой вращения при минимальной осевой нагрузке и достаточной подаче промывочной жидкости на забой скважины, пока коронка не углубится в породу на несколько сантиметров. При диаметре коронки 46мм осевую нагрузку следует подавать на забой в пределах 0,8-1,3кН, при диаметре коронки 59мм – 1,1-1,4кН. Рабочие (оптимальные) значения частоты вращения и осевой нагрузки нужно устанавливать только после окончания приработки алмазов. При использовании импрегнированных алмазных коронок для забуривания скважины первичную приработку их, как правило, производить не следует, а нагрузку на коронку в процессе бурения надо изменять в зависимости от характера разбуриваемой породы.
Бурение скважин.
1.Численные значения параметров режима бурения должны соответствовать нормативно-технической документации на соответствующий алмазный породоразрушающий инструмент и требованиям геолого-технического наряда.
2. В начале каждого рейса коронку разрешается опускать на забой только с вращением и промывкой и при минимальной осевой нагрузке. После того как коронка начинает углубляться в породу, осевую нагрузку необходимо увеличивать до оптимальной величины. Категорически запрещается прилагать осевую нагрузку к неподвижной алмазной коронке, находящейся на забое, а затем включать вращение. Это может привести к сколу алмазов.
3. В начале каждого рейса следует особо внимательно следить за процессом углубки в момент, когда керн начинает входить в рвательное кольцо. При этом рекомендуется плавно снижать осевую нагрузку и частоту вращения до минимальных значений, соответствующих режиму приработки новой коронки.
4. В процессе бурения рекомендуется уточнять параметры бурения, установленные ГТН, в соответствии с геолого-техническими условиями.
5. При уточнении параметров режима бурения необходимо руководствоваться следующими правилами частота вращения бурового снаряда должна быть по возможности максимальной.
Ограничительными факторами могут служить:
Ø глубина и интенсивность искривления скважины;
Ø трещиноватость пород;
Ø проведение специальных работ при отбуривании от клина или выведении скважины на расчётный профиль;
Ø перебуривание пласта полезного ископаемого, если породы этого пласта характеризуются сложными структурно-текстурными особенностями;
Ø бурение с целью отбора технологических проб и другие местные условия;
Осевая нагрузка на коронку должна обеспечивать постоянство заданной механической скорости в пределах рейса. Запрещается установка осевой нагрузки сверх установленных ГТН верхних пределов для получения высоких механических скоростей бурения, что приведёт к интенсивному раскалыванию и повышенному расходу алмазов. Верхним пределом считается нагрузка, которая для однослойных коронок составляет 1400-1600 Н на алмаз и 1200-1300 Н на 1 см2 рабочей нагрузки (400-600 Н на алмаз для однослойных, 300-500 Н на 1 см2 рабочей площади торца импрегнированных коронок) также недопустимы (особенно при бурении монолитных пород VIII-XII категории по буримости), так как это приводит к прогрессивному заполированию алмазов в коронке и полному прекращению углубки скважины;количество жидкости, подаваемой на забой скважины, регулируется таким образом, чтобы шлам своевременно выносился с забоя и от же время предотвращался повышенный износ матрицы и алмазов потоком жидкости, насыщенной абразивными частицами.
6. В процессе бурения необходимо следить за чистотой промывочной жидкости, подаваемой в скважину. В промывочной жидкости не должно содержаться шлама и песка, так как это приводит к повышенному износу корпуса и матрицы коронки, её «размыву», излишнему обнажению алмазов, а также при накоплении большого количества шлама к прихвату бурового снаряда.
7. В процессе углубки скважины не следует приподнимать буровой снаряд над забоем во избежании скола алмазов и срыва керна кернорвателем.
8. При возникновении вибрации бурового снаряда следует изменить частоту вращения, чтобы вывести бурильную колонну из состояния резонанса.
9. Соблюдать систему рациональной отработки алмазного инструмента.
Заклинивание керна и подъёма снаряда.
1. Перед заклиниванием керна осевую нагрузку следует снизить до 1-2 кН, прекратить подачу шпинделя бурового станка и при низкой частоте вращения 100-200 об/мин интенсивно промыть скважину от шлама. Время промывки скважин в зависимости от их глубины составляет: Конкретное время промывки необходимо устанавливать с учётом приведённых рекомендаций, а также состояния скважины и необходимости сохранения керна.
2. Для отрыва керна нужно остановить вращение и, не прекращая промывки скважины, приподнять снаряд с забоя на 5-10см. Если при последующем осторожном спуске снаряда, предварительно приподнятого на 0,5-1,0м, он точно станет на забой, то это значит керн сорван и заклинен.
При бурении в монолитных (нетрещиноватых) породах рекомендуется после срыва керна осторожно опустить снаряд на забой. Если коронка при этом свободно доходит до забоя, то, значит, керн правильно сорван и можно производить подъём инструмента. Эту операцию не следует проводить, если бурение ведётся в трещиноватых породах.
3. При отсутствии кернорвателя (только при бурении с одинарными колонковыми трубами) для заклинки керна и удержания его при подъёме в колонковой трубе разрешается использовать колотый фарфор или толстое бутылочное стекло, а при бурении очень твёрдых пород – дроблённый кварц. Все работы по заклиниванию керна следует выполнять быстро, чтобы предотвратить зашламование бурового снаряда.
4. Поднимать снаряд необходимо осторожно, плавно, без ударов и резких толчков.
5.При бурении с промывкой глинистым раствором скорость подъёма (спуска) снаряда должна быть меньше, чем при промывке водой, в противном случае глинистая корка на стенках скважины будет разрушена, что может вызвать осыпи, обвалы и поглащение промывочной жидкости.
Рациональная эксплуатация алмазных коронок и расширителей
Под рациональным уровнем отработки алмазного породоразрушающего инструмента понимается такое состояние в нём алмазов, при котором дальнейшее их применение для бурения становится неэффективным с точки зрения удельного расхода и механической скорости. Рациональная отработка коронок (расширителей) предусматривает: выбор и применение коронок в соответствии с геолого-структурными и механическими свойствами горных пород с учётом их твердости (динамической прочности и абразивности) и трещиноватости; строгое соблюдение технических приемов работы с алмазным породоразрушающим инструментом; применение (соблюдение) оптимальных (рациональных) режимов бурения, обеспечивающих высокую производительность бурения и расход алмазов, не превышающий его нормативных значений для данных конкретных геолого-технических условий; своевременное снятие коронок (расширителей) с эксплуатации при достижении ими оптимального (рационального) допустимого уровня отработки.
Основные правила эксплуатации алмазного инструмент.
Породоразрушающий инструмент выбирается для конкретных геологических условий. Одновременно с алмазными коронками подбираются расширители. Бурение без расширителей допускается при условии, что путем подбора и чередования коронок будет исключено разбуривание скважины.
Запрещается спуск новой коронки в зауженную скважину. При законусованности скважины более чем на 0,1-0,15мм ее следует расширить снарядом, состоящим из импрегнированной коронки и расширителя.
Особое внимание рекомендуется обращать на выпуск алмазов из матрицы коронки и состояние поверхности износа алмазов. Грубошероховатая (матовая) поверхность говорит о нормальных условиях бурения, правильном сочетании твердости матрицы, абразивности пород и параметров режима бурения. Заполированная поверхность свидетельствует о применении коронок или режимов бурения, не соответствующих данным геолого-техническим условиям.
Технологические приемы работы с бурильной колонной.
При эксплуатации алмазного породоразрушающего инструмента рекомендуется соблюдать особую аккуратность и осторожность, обусловленные повышенной крупностью алмазов. Перевозить, хранить, укладывать и использовать алмазные коронки следует так, чтобы предупредить возникновение на них коррозии, ударов о металлические и твердые предметы и поверхности. Алмазные коронки и расширители, подготовленные к эксплуатации или отвинченные от колонковой трубы, должны устанавливаться матрицей вверх на поверхность из древесины либо аналогичную ей по твердости.
Все предназначенные для бурения алмазные коронки необходимо замерять по наружному и внутреннему диаметрам и высоте матрицы, а расширители – по наружному диаметру и длине работоспособной части штабиков. Наружный и внутренний диаметры коронок нужно измерять по двум взаимно перпендикулярным направлениям с помощью штангенциркуля с погрешностью до 0,05мм по алмазам матрицы и штабиков, алмазных расширителей – по двум диаметрально противоположным штабикам. Наружный диаметр коронок можно измерять с помощью калибров-колец, а внутренний – с помощью калибров-пробок. Бурильные и колонковые трубы надо проверять на прямолинейность, отсутствие вмятин, заусенцев, трещин, слоев коррозии и других видимых дефектов, имеющих неисправные или чрезмерно изношенные резьбовые соединения. Все элементы собранного бурового снаряда должны быть соосными и герметичными, а резьбовые соединения смазаны специальной смазкой. При навинчивании и развинчивании инструмента рекомендуется применять только специальные ключи.
Причины снятия алмазного породоразрушающего инструмента с эксплуатации
Алмазные коронки и расширители снимаются с эксплуатации:
Ø вследствии нормального (естественного) износа алмазов и матрицы коронки, корпуса или резьбового соединения;
Ø преждевременно – при заполировании алмазов, в результате аномального износа алмазов, механического повреждения элементов коронки (расширителя) из-за нарушения правил технической эксплуатации или ликвидации аварий. При эксплуатации алмазных коронок должна быть обеспечена нормальная проходка, получаемая как частное от деления количества алмазов, содержащихся в коронке (согласно паспорту), на величину производственной нормы, установленной для инструмента данного типа и диаметра и категории пород по буримости.
Алмазный породоразрушающий инструмент (коронки, расширители) должен сниматься с эксплуатации по достижении рационального уровня отработки. Критерии, определяющие рациональный уровень отработки, следующие: 1) визуальные признаки; 2) изменение линейных размеров инструмента; 3) постоянное уменьшение механической скорости бурения.
Визуальные признак: полный износ алмазосодержащего слоя по высоте; износ матрицы по диаметру; появление фасок и канавок на глубину алмазосодержащего слоя; изменение профиля матрицы, чрезмерное обнажение алмазов, сильная эрозия (размыв) и механические повреждения матриц или корпуса.
Изменение линейных размеров матрицы: величины предельного износа матрицы по высоте, по внутренней и внешней поверхностям.
Устойчивое падение механической скорости бурения: минимальное значение механической скорости бурения, при котором эксплуатация алмазной коронки становится экономически не целесообразной и она должна быть заменена, устанавливается в каждом конкретном случае исходя из действующих норм выработки, типу коронок, характера горных пород.
Расширители снимаются с эксплуатации при обнаружении разницы между диаметром расширителя измеренным по секторам, и наружным диаметром коронки, составляющей менее 0,2мм, при износе или механическом повреждении корпуса или резьбовых соединений, при появлении уступов на секторах.
Особенности технологии бурения комплексами ССК (снаряд со съёмным керноприёмником)
При бурении скважин комплексами ССК необходимо руководствоваться существующими инструкциями по алмазному бурению и рекомендациями по технологии алмазного бурения. Кроме того, следует учитывать специфические особенности и правила технологии бурения скважин со съёмными керноприёмниками, основные из которых приведены ниже.
1. Для забуривания скважины рекомендуется применять серийные шарошечные долота, твёрдосплавные или алмазные коронки с обычными бурильными трубами. Использовать для этих целей бурильные трубы, предназначенные для ССК, не разрешается.
2. Свободный спуск бурового снаряда следует прекращать в 30-50 см от забоя, а затем забросить или отпустить на канате съёмный керноприёмник, надеть его на опорное кольцо колонкового набора. При неглубокой скважине момент посадки фиксируется щелчком по бурильной колонне. При бурении скважины глубиной более 200 м следует досылать керноприёмник потоком промывочной жидкости (момент посадки в этом случае определяют по увеличению давления на манометре насоса).
Если в скважине находится большое количество шлама, то промывку необходимо начинать на большом расстоянии снаряда от забоя, чем при бурении обычными колонковыми наборами (на расстоянии, равном общей длине колонкового набора соответствующего типоразмера:2,5-2,7).
3. Постановку снаряда на забой нужно начинать только после надёжной посадки съёмного керноприёмника на опорное кольцо колонкового набора и на пониженной частоте вращения снаряда (120-150 об/мин) с достаточной промывкой. Новые алмазные коронки рекомендуется прирабатывать на интервале 20-30 см при пониженных параметрах режима бурения: осевая нагрузка до 3-4 кН, частота вращения 150-250 об/мин; расход промывочной жидкости 20-30 л/мин при диаметре коронки 59 мм.
4. В начале каждого цикла первые 3-5 см следует бурить при пониженной осевой нагрузке на коронку (25-30 % ниже рекомендуемой для обеспечения нормального входа керна в кернорвательное устройство).
5. Режим бурение необходимо регулировать для достижения максимальной механической скорости и проходки в конкретных геолого-технических условиях в течение рейса.
Частоту вращения рекомендуется снижать при бурении очень твердых кварцевых, ожелезненных (яшмы, роговики, джеспилиты), сильнотрещиноватых, неоднородных (мягкие с наличием твердых включений), кавернозных и малоустойчивых пород. Осевую нагрузку нужно подбирать в зависимости от свойств пород, состояния коронки и глубины скважины, а именно снижать при бурении трещиноватых, переслаивающихся, косослоистых, разбуриваемых под острым углом к их напластованию кавернозных малоустойчивых, мягких и пластичных пород. При бурении скважин в интервале свыше 800 м и отсутствии ограничений, связанных с состоянием целостности стенок скважины и техническим состоянием бурильной колонны и станка, разрешается повышать осевую нагрузку до максимально допустимых пределов (18-20кН).
6. В качестве промывочной жидкости надо применять техническую воду, безглинистые и эмульсионные растворы. Использовать глинистые растворы не рекомендуются во избежании засорении промывочных каналов в колонковом снаряде.
7. Подачу промывочной жидкости на забой скважины следует увеличивать при росте механической скорости бурения, а также при бурении мягких пород, склонных к слипанию, и в зонах интенсивной трещиноватости. При разборке стенок скважины по диаметру на 10-20 мм расход жидкости рекомендуется увеличивать до 30-35 л/мин.
8. В процессе бурения следует особенно внимательно следить за показаниями контрольно-измерительной аппаратуры и своевременно распознавать ситуации на забое скважины и оперативно принимать меры по устранению нарушений режимных параметров. В таблице приведены технологическая карта распознавания основных ситуаций на забое скважины и рекомендации по управлению процессом бурения [16].
9.Усиление срабатывания сигнализатора самозаклинивания керна необходимо устанавливать в соответствии с разбуриваемыми горными породами: в мягких породах-до 2,5 кН; в твёрдых и средней твёрдости монолитных породах-3,2-3,4 кН; в твёрдых трещиноватых породах-4-4,2 кН. Регулировать это усилие можно, изменяя положение резиновых манжет и шайбы в сигнализаторе самозаклинования керна. Запрещается Использовать съёмный керноприёмник без манжет сигнализатора во избежание повреждения тонкостенной керноприёмной трубы.
10. Срывать кёрн надо медленно, без вращения, приподняв бурильную колонну на 10-15см от забоя с помощью гидравлического устройства станка. Момент срыва керна в крепких породах можно установить по индикатору веса бурового станка.
11. Поднимать съёмный керноприёмник и бурильную колонну рекомендуется на пониженных скоростях с периодическими остановками и доливом промывочной жидкости в скважину во избежании нарушения устойчивости стенок скважины вследствии эффекта поршневания и свабирования.
Подготовка к бурению.
Перед началом бурения необходимо собрать и отрегулировать колонковый набор, проверить состояние и работоспособность отдельных узлови деталей:
O вращение подшипников должно быть плавным без заедания;
O стопоры должны свободно перемещаться в пазах и не иметь износа упорных торцов;
O манжеты не должны иметь механических повреждений и остаточных деформаций. При бурении твердых пород манжеты следует устанавливать через разделительную шайбу, при бурении мягких – совместно, во втором случае усилие срабатывания сигнализатора будет на 15-20% меньше, чем в первом, что обеспечит лучшую сохранность керна. изъятие из подшипникового узла манжет или замена их металлическими шайбами не допускается;
O головка подшипникового узла не должна иметь следов завальцевания захватной кромки.
Порядок сборки наружной части колонкового набора:
Ø навинтить расширитель на алмазную коронку;
Ø установить стабилизатор в цилиндрическую проточку расширителя;
Ø навинтить алмазную коронку с расширителем на наружную колонковую трубу;
Ø навинтить на верхнюю часть наружной колонковой трубы переходник с предварительно установленным опорным кольцом, в который ввернуть переходник на бурильные трубы.
Порядок сборки внутренней (керноприемной) части колонкового набора:
Ø вложить пружинное кернорвательное кольцо и упорное кольцо в корпус кернорвателя;
Ø навинтить собранный кернорватель на внутреннею (керноприемную) колонковую трубу;
Ø навинтить подшипниковый узел (в сборе) на верхнюю часть керноприемной трубы.
После этих операций, приподняв верхний край наружной части колонкового набора, осторожно вводят внутрь керноприемную часть колонкового набора до соприкосновения с опорным кольцом.
Регулировку колонкового набора осуществляют в такой последовательности:
Ø проверяют зазор между кернорвателем и алмазной коронкой (оптимальное значение 3-5мм);
Ø при несоответствии зазора этим значениям керноприемную трубу извлекают с помощью овершота из наружной части и, ввинчивая или вывинчивая шпиндель, устанавливают необходимый зазор;
Ø фиксируют заданное заданное положение керноприемной части контрогайкой;
Собранный колонковый набор проверяют на наличие осевого люфта (2-3мм) керноприемной части в зоне стопоров подшипникового узла, отсутствие люфта недопустимо. По собранной наружной части колонкового набора следует отрегулировать два керноприемника, так как при бурении необходимо чередовать их работу.
При сборке удлиненных (составных) труб перед навинчиванием центратора, соединяющего наружные части колонкового набора, в его цилиндрическую проточку должен устанавливаться стабилизатор.
Необходимо проверить износ (по специальным проточкам на концах) и кривизну бурильных труб, осмотреть состояние резьбовых соединений. Не допускается завальцевание ниппельной части резьбы, приводящее к застреванию съемного керноприемника в трубах. Тщательно проверить чистоту внутренней поверхности бурильных труб, на которой может быть стружка от нарезания резьбы, остатки шлама и промывочного раствора.
При осмотре овершота обратить внимание на состояние захватных кромок защелок, завальцевание их не допустимо.