Бурение скважин на твердые полезные ископаемые
Технология бурения геологоразведочных скважин
В данном учебном пособии дается системное изложение основ современной технологии бурения геологоразведочных скважин при разведке твердых полезных ископаемых. Оно изложено в виде текста лекций и практических занятий курса «Бурение геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые» и соответствует программе курса «Бурение на ТПИ» для специализации РТБ и являются добавлением к имеющимся учебникам по бурению разведочных скважин.
В настоящее время бурение скважин является одним из важнейших направлений развития промышленного производства во всем мире. И, хотя, основное внимание в мире уделяется бурению скважин для разведки и добычи углеводородного сырья, бурение геологоразведочных скважин также является весьма актуальным для обеспечения сырьевой независимости нашей страны.
Для оценки места и роли изучения курса бурение на ТПИ, рассмотрим для чего вообще бурятся скважины.
Существует несколько подробных классификаций назначения буровых скважин, но по существу основные применения буровых скважин можно разделить на пять групп в соответствии с их назначением, технологией и техникой их бурения. Такое деление приведено на рис. 1
Кроме приведенных в диаграмме назначений буровых скважин существует еще много случаев применения бурения скважин для решения частных задач, например, скважина для спасения чилийских горняков, скважины для тушения подземных пожаров и.т.п.
Бурение геологоразведочных скважин при разведке твердых полезных ископаемых в этом ряду занимает важное место и по объемам и по стратегической важности, практически сразу после разведки и добычи углеводородов.
В последние годы в нашей стране, наряду с отечественной, широко применяется зарубежная техника и технологии в разведочном бурении. В данном учебном пособии соответственно рассмотрены современные технологии и технические средства бурения разведочных скважин , в первую очередь, отечественные, а также ведущих зарубежных фирм .
Рис: 1
Бурение скважины может осуществляться различными способами с использованием различных технических средсв и технологий. В зависимости от назначения скважин горно-геологических и технико-технологических условий бурения применяется та или иная разновидность бурения. Применяемые в настоящее время виды и разновидности бурения скважин различного назначения приведены в табл. 1. В таблице приведены примерные величины основных параметров бурения скважин и главные области их применения.
Способы, виды и разновидности бурения Таблица 1
| Способы, виды и разновидности бурения | Параметры бурения | Главные области применения | |||||||
| Категория пород по буримости | Глубина скважин до, м | Диаметр скважин мм | |||||||
| Ударно-канатное | I — XII | 140 — 700 | Разведка россыпей. Бурение на воду | ||||||
| Бурение неглубоких скважин без циркуляции очистного агента | Мелкое ударное бурение | I –III | 93 – 168 | Инженерная геология, Геологоразведка. Разведка россыпных месторождений Малое водоснабжение. Взрывные сейсмоскважины. Взрывные при открытой разработке в угольных карьерах. Технические скважины (в строительстве, в горных работах и другие) | |||||
| Медленно-вращательное и комбинированное | I – V | 30 — 50 | 112 – 250 | ||||||
| Бурение задавливанием и винтобурение | I – III | 24 — 40 | 50 – 65 | ||||||
| Вибрационное, виброударное и виброударно-вращательное | I – IV I — V | 93 – 168 | |||||||
| Шнековое | I — IV (V) | 60 -250 | |||||||
| Механическое вращательное с циркуляцией очистного агента | Геологоразведочное | Бескерновое (со сплошным забоем) | I – XII | Не ограничена | 73 – 151 (250) | Геологоразведочные скважины на интервалах, где не нужен керн (кроме пород XII категории). | |||
| Колонковое | Простые снаряды | Твердосплавное | I – VIII | » 1500 | 36 — 151 | Целесообразно до глубин скважин до 200 – 300 м, глубже лучше применять ССК. | |||
| С резцами из СТМ | V — VIII | 36 – 132 | |||||||
| Алмазное | VI — XII | 36 – 112 | |||||||
| Простые снаряды с забойным механизмом | Гидроударное Ударно-вращательное Вращательно-ударное | VI –XI IX — XII | ≈ 500 » 1500 | 59 – 151 59 — 76 | С твердосплавными коронками. С алмазными коронками против заполирования алмазов и самозаклинивания керна. | ||||
| Пневмоударное Ударно-вращательное | VI — XI | » 500 (до1000) | 76 — 300 | В сухих и слабообводненных скважинах. | |||||
| С компрессором высокого давления. | |||||||||
| С забойным двигателем | » 1500 | 59 — 76 | Для отклонения интервала скважины при направленном бурении. | ||||||
| Специаль-ные снаряды с подъемом керна без подъема труб | Снаряды со съемным керноприемником КССК, ССК, LJNGYEAR и подобные | V – XI (XII) | 1500 – 3500 | 46 – 95 (47 -145) | При глубине скважин более 200 – 300 м. Современный прогрессивный вариант! | |||
| Снаряды (Комплекты) с гидро (пневмо) транспортом керна или шлама КГК, КПК | I — V | 300 — 500 | 76- 250 | Прогрессивный метод, но только в слабых породах. Прогрессивный вариант с кольцевым пневмоударником для твердых пород до 1200 м. | ||||
| Механическое вращательное с циркуляцией очистного агента | Эксплуатационное | Бескерновое | Бурение эксплуатацион-ных скважин на нефть и газ | Роторное | I — XII | (с горизонтальным окончанием до 13000м) | 120 — 490 | Доразведка и добыча и нефти, конденсата и газа (Применялось до 2008 года) |
| С подвижным вращателем | ||||||||
| Турбобуром | V — XII | |||||||
| Гидравлическим двигателем | ||||||||
| Электробуром | 146 — 390 | |||||||
| Бурение водозаборных и гидротермальных скважин | I — IX | 200 — 350 2000-2500 | 112- 350 | Добыча воды, рассолов и гидротепла | ||||
| Бурение геотехнологических скважин | I — IX | 50 -700 | 70 — 500 | Добыча ТПИ (уран, сера, железо и др.) | ||||
| Бурение технических, научных и вспомогательных скважин | I — XII | 10 — 12300 | 70 — 900 | |||||
| Физические способы разрушения горных пород | Гидромониторное бурение | I — IV | В сочетании с добычей ТПИ. | |||||
| Термодинамическое бурение | VI –XII | Для бурения взрывных скважин. | ||||||
| Взрывное бурение | V — XII | Эффективно, но опасно. | ||||||
| Термостатическое плавлением | VI — XII | Опытное. | ||||||
| Плазменное бурение | VI — XII | Опытное. | ||||||
| Электроимпульсное бурение | IV — VII | Опытное. | ||||||
| Лазерное бурение | Опытное. | |||||||
| Кавитационное бурение | Опытное. | |||||||
| Реактивное | Опытное. | |||||||
| Магнитострикционное | Опытное | |||||||
| Ультразвуковое | Опытное |
Из показанных физических способов бурения реальное применение имеет, пожалуй, только гидромониторное бурение, применяемое при разработке месторождений в песчаных толщах на глубине, главным образом урановых месторождений. В небольших объемах применяется термическое бурение при проходке взрывных скважин в наиболее твердых породах и для бурения в толщах льда в Антарктиде. Другие нетрадиционные методы бурения были разработаны, испытаны и, в принципе, показали удовлетворительные результаты, но из-за сложности техники и технологии не выдерживают конкуренции с механическими способами бурения. Подробно физические способы бурения описаны в учебнике «Бурение разведочных скважин», глава 2.9 [1]
Скважины, используемые для геологоразведки (кроме разведки нефти и газа и гидрогеологических скважин) можно разделить на две группы (с учетом их глубины и способа удаления разрушенной породы): «бурение неглубоких скважин без циркуляции очистного агента»и«геологоразведочное бурение при разведке месторождений твердых полезных ископаемых (бурение на ТПИ)». В первую группу видов бурения входят: разведка твердых полезных ископаемых на малых глубинах – россыпные месторождения, мелкие поисково-съемочные скважины, разведка стройматериалов и бурение при инженерно-геологических изысканиях.Первая группа изучается в курсе «Неглубокое бурение», (смотри учебник « Бурение разведочных скважин», глава 8 [1]).
«Бурение на ТПИ» представляет собой механическое вращательное бурение с циркуляцией очистного, агента, применяемое при разведке месторождений твердых полезных ископаемых. Курс «Бурение на ТПИ» предусматривает изучение техники и технологии бурения разведочных скважин. При этом, учитывая наличие самостоятельных курсов по отдельным разделом техники и технологии разведочного бурения, («Основы разрушения горных пород при бурении», «Очистные агенты», «Искривление скважин и направленное бурение»), ряд вопросов в данном курсе не рассматривается или рассматривается только в общем, плане.
Источник
ТОП 10:
Буровые работы представляют собой сложный циклический процесс, состоящий из простых производственных процессов, направленных на получение достоверной геологической информации. Бурение геологоразведочных скважин осуществляется на всех стадиях геологических исследований. На геолого-съемочных работах бурят картировочные скважины; на поисках МПИ – одиночные скважины для заверки геофизических, геохимических аномалий или для прослеживания на глубину рудных тел, вскрытых канавами; на стадиях оценки и разведки применяют сеть буровых скважин для оконтуривания и детального изучения рудных тел. При разведке сложных месторождений (с сильной изменчивостью рудных тел по мощности, простиранию, форме, качеству полезного ископаемого) бурение скважин производится в комплексе с поверхностными и подземными горно-разведочными работами.
Буровая скважина – горная выработка преимущественно цилиндрического сечения, характеризующаяся относительно малым диаметром по сравнению с ее протяженностью. Условно скважины глубиной менее 50-100 м относят к мелким, глубиной до 1000 м –к средним, более 1000 м – к глубоким и к сверх глубоким – более 6000 м. Диаметр скважины определяется наружным диаметром породоразрушающего инструмента. Различают скважины малого диаметра – менее 76 мм, среднего -93-151 мм и большого – свыше 151 мм. Поверхностное оборудование для бурения разведочных скважин представлено комплексом наземных сооружений, бурового, энергетического и вспомогательного оборудования, называемым буровой установкой. К наземным сооружениям, входящим в состав буровой установки, относятся буровая вышка (мачта), буровое здание, поверхностная циркуляционная (очистная) система и вспомогательные сооружения. Буровое оборудование представлено комплексом основных машин и механизмов, необходимых для бурения скважины, образующих буровой агрегат, в который входят буровой станок, буровой насос (или компрессор), приводные двигатели с трансмиссиями и пусковыми устройствами, средства механизации спускоподъемных операций и пр. К энергетическому оборудованию относятся передвижные электростанции, силовые трансформаторы и пускозащитная аппаратура. По транспортабельности все буровые установки разделяются на разборные (не имеющие собственной транспортной базы и перемещаемые частями), переносные разборные (перемещаемые вручную), передвижные (смонтированные на собственной транспортной базе и перемещаемые буксированием) и самоходные (смонтированные на самоходной транспортной базе). В РФ разработано 3 параметрических ряда буровых установок:
1. Установки для бурения на твердые полезные ископаемые – тип УКБ и СКБ.
2. Установки для бурения гидрогеологических скважин – тип УГБ.
3. Установки для бурения геофизических и структурно-поисковых скважин – тип УРБ.
По типу вращателя разделяют установки: со шпиндельным вращателем (включающим полый шпиндель и зажимной патрон для закрепления ведущей трубы и передачи осевой нагрузки буровому снаряду), с подвижным вращателем (с индивидуальным приводом, передающим осевую нагрузку буровому снаряду и перемещающемуся вдоль оси вращения), с роторным вращателем. (не передающим осевую нагрузку буровому снаряду) Буровые установки шпиндельногоряда предназначены для механического вращательного бурения пород средней и высокой твердости с использованием твердосплавных и алмазных коронок. Для этих установок характерны высокая частота вращения, возможность бурения под любым углом к горизонту. Основной недостаток – небольшая длина хода вращателя (0,5-0,6 м), после чего необходимо перекрепление. Основные типы установок этого ряда: для бурения скважин глубиной до 100 м – БСК и его модификации; до 300 м – УКБ 200/300С; до 600-800 м – СКБ-4, СКБ-5110, СКТО-65.
Буровые установки с роторным вращателем предназначены для бурения структурно-поисковых, гидрогеологических скважин в породах мягких и средних категорий, в основном без отбора керна. Типы установок – УРБ-2,5А, УРБ-3А2 и др.
Установки с подвижным вращателем предназначены, для бурения при скоростных режимах, без подъема буровых труб для извлечения керна, в основном с комплексами ССК, КССК, бурении с гидро- и пневмотранспортом керна. Станки этого ряда на 30-40% более производительны чем шпиндельные. Типы установок – СКБ-300, УКБ-12/25, УРБ-2А2 и др.
В практике геологоразведочных работ наиболее часто используются следующие виды бурения: вращательное колонковое (с отбором керна), вращательное бескерновое (сплошным забоем), ударно-механическое (ударно-канатное) – при поисках и разведке россыпей, шнековое.
Для организации бурения необходимо рассмотрение ряда вопросов, тесно связанных с техникой и технологией процесса бурения. К ним относятся: выбор способа бурения и обоснование конструкции скважины; выбор диаметров бурения, типов породоразрушающего инструмента и обоснование оптимальных технологических режимов; обоснование выбора типа и марки буровой установки, бурового, силового и вспомогательного оборудования; разработка схем организации труда на рабочем месте; обеспечение своевременного и четкого ведения первичной производственной организационно-технологической документации (геолого-технического наряда, бурового журнала, наряд-заданий, лимитно-заборной книжки и др.)
Структура производственного процесса бурения скважин.Основной рабочий процесс – собственно бурение скважины состоит из отдельных рейсов – отрезков рабочего времени, от момента подготовки бурового снаряда к спуску в скважину до окончания подъема снаряда. Баланс рабочего времени – распределение времени бурения скважины по отдельным видам работ и технологическим операциям. Он позволяет анализировать структуру и уровень затрат времени на бурение скважины. В балансе времени по роли или значению в технологической схеме сооружения скважины различают производительные и непроизводительные затраты времени. Производительные затраты времени Тпр — это время, технически необходимое для бурения скважины, включающее время на: собственно механическое бурение скважины (времени выполнения основной операции – углубки забоя) Ту; времени спускоподъемных операций Тспо, суммы времени вспомогательных операций в каждом рейсе Твсп (перекрепление, наращивание колонны труб, заклинка и срыв керна и др.); времени на крепление, тампонаж скважины и других вспомогательных процессов Ткр; времени на проведение исследований в скважине Тис; времени перевозки, монтаж и демонтаж на каждой скважине на участке работ Тмдп
Сумма времени всех рассмотренных рабочих процессов составляет производительное время:
Тпр = Ту + Тспо + Твсп + Ткр + Тис + Тмдп
Кроме времени выполнения перечисленных процессов, в баланс рабочего времени включаются время на выполнение технического обслуживания и текущего планово-предупредительного ремонта оборудования на участке – Трем, а также не планируемые, непроизводительные затраты времени в связи с различными нарушениями производственного процесса.: время простоев по организационным причинам – Тп , время ликвидации осложнений и аварий в скважине – Тла. Суммарное выражение фактического баланса рабочего времени:
Тбрв = Тпр + Трем. + Тп + Тла
При планировании буровых работ и составлении нормального баланса рабочего времени исключают время простоев и ликвидации аварий, свидетельствующее о плохой организации работ, время планово-предупредительных ремонтов определяется по нормативам. По окончании процесса бурения появляется необходимость проведения ряда процессов, сопутствующих бурению. К сопутствующим процессам относят затраты времени на транспортировку буровой установки с базы до участка и обратно, специальное ликвидационное тампонирование, установку на скважине различного оборудования (задвижек, превенторов); геофизические, гидрогеологические испытания и др.
Затраты на эти работы объединяются в понятие забалансовое время – Тзаб Сумма балансового и забалансового времени составляет время пребывания буровой установки на учете в геологической организации (календарное время) – Туч = Тбрв + Тзаб
Продолжительность бурения обычно выражают в станко-месяцах бурения, для чего календарное время, выраженное в часах, делят на продолжительность одного станко-месяца в часах (при непрерывной работе станка это в среднем 720 ч) Составление и анализ фактических балансов рабочего времени выполняется ежемесячно по каждой буровой бригаде, участку, буровой партии. При анализе этих материалов выявляют непроизводительные затраты времени, возможности по улучшению организации работ и повышению производительности труда.
Источник
|
Источник