Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Под технологией бурения подразумевается комплекс операций, выполнение которых в определенной по­следовательности обеспечивает высокую производительность и соответствующее качество работ. К таким технологическим операциям следует отнести выбор породоразрушающего ин­струмента, рациональных параметров режима бурения и тех­нических средств для отбора керна.

Выбор породоразрушающего инструмента должен произ­водиться с учетом анализа физико-механических свойств горных пород, конструктивных особенностей алмазных коро­нок и рекомендаций, изложенных в разделе 6.2

К параметрам режима бурения относятся осевая нагрузка на коронку, частота ее вращения и расход промывочной жидкости. Сочетание этих параметров обеспечивает эффек­тивное разрушение горных пород. Выбор параметров должен осуществляться таким образом, чтобы достигалась высокая скорость бурения и обеспечивались хорошие экономические показатели: низкий расход алмазов и стоимость 1 м бурения. В зависимости от характеристик этих параметров выделяют три режима бурения:

1) оптимальный — технологический режим, обеспечивающий получение наилучших технико-экономических показателей;

2) рациональный — технологический режим, устанавливае­мый с учетом технических возможностей бурового инстру­мента и оборудования;

3) специальный — режим бурения, который применяют для решения специальных задач.

Влияние режимных параметров на процесс алмазного бу­рения весьма неоднозначно. Исследованиями и практикой подтверждено, что скорость алмазного бурения находится в прямой зависимости от частоты вращения коронки. Единст­венными ограничителями высоких частот вращения являются мощность двигателя буровой установки и прочность буриль­ной колонны. С глубиной скважины затраты мощности и на­грузки на бурильную колонну возрастают. Поэтому с ростом глубины скважины, абразивности горных пород и их трещи­новатости частоту вращения алмазных коронок снижают. На небольших глубинах (до 500 м) при наличии плотных, моно­литных пород частоту вращения импрегнированных коронок можно доводить до 2000 об/мин.

Обычно при расчетах для выбора рациональной частоты вращения пользуются практическими рекомендациями. Реко­мендуется следующая окружная скорость V алмазной корон­ки: для импрегнированных коронок 2-4 м/с; для однослойных — 1-3 м/с. Верхний предел принимают для коронок меньшего диаметра, а нижний — для больших диаметров коронок.

Частоту вращения (об/мин) рассчитывают по формуле

п = бО^/лД (6.1)

где V — окружная скорость коронки, м/с; £> — средний диаметр коронки, м,

£> = (£>, + Р2)/2; (6.2)

1>1, 1)2 _ наружный и внутренний диаметры коронки, м.

Осевая нагрузка оказывает влияние на скорость алмазного бурения в более сложной зависимости. С увеличением осевой нагрузки механическая скорость растет до ее определенного максимального значения. Потом наблюдается снижение ме­ханической скорости бурения. При больших осевых нагруз­ках алмазы сильно внедряются в породу, и матрица плотно прижимается к забою. В этом случае зазор между матрицей и породой уменьшается, шлам плохо выносится из-под торца коронки, коронка плохо охлаждается и механическая ско­рость бурения снижается. При малой осевой нагрузке (ниже критической) алмазы слабо внедряются в породу матрицы, почти не изнашиваются, а происходит поверхностный износ алмазов и их заполирование. Разрушение породы весьма не­эффективно, механическая скорость бурения низкая. Поэто­му удельную осевую нагрузку (Я) на алмаз для объемного разрушения породы следует принимать из расчета:

TOC o "1-5" h z Р0 = аА, (6.3)

где стп — прочность горной породы, Н/см2; 5а — площадь кон­такта алмаза с породой, см2.

Общая осевая нагрузка на коронку будет равна:

Р = РоБ, (6.4)

где 5 — площадь рабочей части торца коронки, см2,

5 = я/4^Д2 — £>2) — тЬа, (6.5)

т — число промывочных каналов в коронке; Ь — ширина про­мывочного канала, см; а — толщина торца матрицы, см.

Удельная осевая нагрузка для однослойных коронок реко­мендуется в пределах 600-1200 Н/см2, для импрегнированных коронок — 700-1300 Н/см2.

При определении осевой нагрузки необходимо учитывать ее снижение за счет сил трения колонны бурильных труб о стенки скважины и подпора промывочной жидкости в корон­ке. По данным забойных датчиков, фактическая осевая на­грузка почти в 2 раза ниже расчетной, регистрируемой по­верхностными контрольными приборами. Бурение новой ал­мазной коронкой в течение первых 5-10 мин после постанов­ки на забой проводят с малой осевой нагрузкой, составляю­щей 2-3 кН и частотой вращения 150-200 об/мин. После приработки коронки к забою постепенно параметры режима бурения доводят до оптимальных значений.

Расход промывочной жидкости оказывает большое влия­ние на эффективность алмазного бурения. Быстрота очистки забоя от шлама при алмазном бурении способствует повыше­нию механической скорости бурения. Алмазы в коронке имеют небольшую величину выпуска из матрицы и поэтому небольшое скопление шлама на забое снижает глубину вне­дрения алмазов и приводит к возрастанию их удельного рас­хода и снижению скорости бурения. Однако увеличение рас­хода промывочной жидкости при алмазном бурении вызывает быстрое возрастание потерь напора в скважине вследствие малых зазоров между керном и коронкой, а также коронкой и стенками скважины. Исследованиями установлено, что при увеличении расхода жидкости в 2 раза давление повышается в 4 раза, а мощность на привод насоса — в 8 раз. Одновре­менно возрастают пульсации давления жидкости в бурильной колонне, что вызывает дополнительные вибрации. Увеличе­ние давления приводит к отрыву коронки от забоя и ее удару о забой; кроме того, это может вызвать эрозию матрицы, а также размыв керна.

Вместе с тем недостаточный расход промывочной жидко­сти может быть причиной ряда осложнений: зашламливания забоя, повышенного расхода алмазов, преждевременной под­клинки и прижога коронки.

Рациональный расход промывочной жидкости (л/мин) оп­ределяют по формуле

О = qD, (6.6)

где д — удельный расход жидкости, л/мин на 1 см диаметра коронки; £> — наружный диаметр коронки, см.

Удельный расход жидкости рекомендуется в следующих пределах: д = 4-8 л/мин на 1 см диаметра коронки. В мягких породах с увеличением механической скорости бурения ко­личество шлама увеличивается, поэтому удельный расход про­мывочной жидкости повышают, а при бурении плотных твер­дых пород — уменьшают.

Лучшая охлаждающая жидкость при алмазном бурении — вода, а также эмульсионные и полимерные растворы. Приме­нение глинистых растворов необходимо ограничивать, и ис­пользовать их только при бурении неустойчивых, выветре — лых, сильно перемятых пород.

Отрицательное влияние на алмазное бурение оказывает трещиноватость пород. С увеличением трещиноватости и твер­дости пород повышается расход алмазов, что связано с удар­ным характером процесса разрушения. Чтобы снизить энер­гию ударов алмазов о кусочки породы уменьшают частоту вращения коронки и осевую нагрузку. Для снижения расхода алмазов в трещиноватых породах рекомендуется применять алмазные коронки с повышенной прочностью матрицы при меньшей насыщенности алмазами и повышенном их качестве (овализованные и полированные). Алмазы не должны высту­пать из матрицы более чем на 10 % от среднего диаметра.

При бурении трещиноватых пород часто наблюдается са- мозаклинивание керна, которое приводит к преждевремен­ному подъему бурового снаряда. Самозаклинивание керна является результатом воздействия на керн потока промывоч­ной жидкости и вибрации бурового снаряда. Для борьбы с самозаклиниванием керна рекомендуется применять двойные колонковые снаряды с невращающейся керноприемной тру­бой или перейти на бурение с обратной промывкой.

При высоких частотах вращения в процессе алмазного бу­рения возникают вибрации бурильной колонны. Под дейст­вием крутящего момента и осевой нагрузки бурильная ко­лонна приобретает форму спирали с определенным шагом. Величина шага при вращении меняется, в связи с чем меня­ется амплитуда колебаний. Вибрация активно проявляется при резонансных явлениях, когда частота вынужденных ко­лебаний совпадает с частотой собственных колебаний бу­рильной колонны. Вибрация нарушает нормальный процесс бурения, вызывая большой расход алмазов, снижение меха­нической скорости бурения, износ бурильных труб и поверх­ностного оборудования, резкое возрастание затрат мощности на бурение.

Причины, вызывающие вибрацию, зависят от геологиче­ских, технических и технологических факторов. К геологиче­ским факторам относятся трещиноватость, кавернозность горных пород, неравномерная зернистость и перемежаемость горных пород по твердости. Технические факторы, повы­шающие вибрацию, вызваны большими зазорами между бу­рильными трубами и стенками скважины, искривлением бу­рильных труб, нарушением их соосности в соединениях, а так­же рабочей трубы и шпинделя, низкой жесткостью фунда­мента и наличием люфтов в изношенных узлах буровых стан­ков.

Вибрации могут возникнуть и по технологическим причи­нам, к которым относятся бурение на высоких частотах вра­щения при недостаточно сбалансированной бурильной ко­лонне, применение алмазных коронок без учета физико­механических свойств горных пород, бурение при самозакли — нивании керна и др.

Для борьбы с вибрациями необходимо установить и устра­нить причины их возникновения. Большое внимание нужно уделить выбору бурильной колонны, типу ее соединений. Для алмазного бурения необходимо выбирать гладкоствольную, сбалансированную колонну бурильных труб с небольшими зазорами между трубами и стенками скважины (1,5-2 мм). Рекомендуется использовать легкосплавные бурильные трубы, точно соблюдать оптимальные технологические параметры режима бурения. Перечисленные выше средства борьбы с вибрациями являются пассивными. К активным средствам борьбы с вибрациями относятся специальные смазывающие добавки: консистентные и эмульсионные.

Антивибрационные смазки, наносимые на бурильные тру­бы, снижают их трение о стенки скважины и уменьшают продольные и крутильные колебания, поглощают энергию удара колонны о стенки скважины и снижают поперечные вибрации. Смазка, попадая в трещины, заполняет их и устра­няет поглощения промывочной жидкости.

Для этих целей применяется смазка КАВС — канифольная антивибрационная смазка, состоящая из смеси канифоли, нигрола или автола и битума в определенной пропорции.

Эмульсионные промывочные жидкости обладают хороши­ми смазочными и антивибрационными свойствами. Они об­разуют тонкие адсорбционные пленки на поверхности бу­рильных, колонковых труб, керна, стенок скважин, которые снижают трение и благодаря высокой адгезии к их поверхно­сти гасят вибрации. Эмульсионные жидкости содержат по­верхностно-активные вещества (ПАВ), которые проникая в трещины горных пород, ослабляют их и облегчают разруше­ние породы. Эмульсионные жидкости готовят на основе воды с добавлением к ней серийно выпускаемых эмульсолов: ЭЛ-4, СТП-10, ленол 10, ленол 2611, ленол 32, морозол 2 и др. Кон­центрация эмульсолов в эмульсионной промывочной жидко­сти составляет 0,5-2,5 %.

Эмульсии приготовляют путем тщательного перемешива­ния водных растворов эмульсолов в специальных вихревых или ультразвуковых механизмах. Применение эмульсионных жидкостей снижает затраты мощности на бурение на 30- 40 %, повышает механическую скорость алмазного бурения до 35 %, проходку на коронку до 40 % и уменьшает расход алма­зов на 1 м бурения до 30 %.

За последние годы широкое применение при алмазном бу­рении получили полимерные жидкости на основе гидролизо­ванного полиакриламида (ГПАА). Эти жидкости также обла­дают хорошими смазочными свойствами. Благодаря свойст­вам длинноцепочных молекул ГПАА ориентироваться в пото­ке снижаются гидравлические сопротивления в скважине. Особенно эффективно их использование при бурении снаря­дами ССК и КССК.

Другое важное направление в повышении эффективности алмазного бурения — использование снарядов со съемными керноприемниками (ССК и КССК). Они представляют собой двойные колонковые снаряды со съемной керноприемной трубой, которая по мере заполнения керном поднимается на канате с помощью специальной лебедки на поверхность, что позволяет значительно сократить время на спускоподъемные операции и увеличить проходку на коронку.

Комментарии запрещены.