Выбор рациональных технических средств и технологий бурения разведочных скважин в Зирабулакской ГРЭ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Высшего и Среднего Специального Образования Республики Узбекистан

Ташкентский государственный технический университет

им. Абу Райхана Беруни

Факультет геологии и горного дела

Кафедра «Геология полезных ископаемых и разведочные работы»

ЭРКАЕВ НАБИЖОН

«Выбор рациональных технических средств и технологий бурения разведочных скважин в Зирабулакской ГРЭ»

Диссертация на соискание академической степени магистра по специальности 5А541801 - «Техника и технология геологоразведочных работ»

Ташкент-2011 г.



Введение

Расширение и укрепление минерально-сырьевой базы экономики Республики Узбекистан является основной и важной задачей, поставленной президентом И.А. Каримовым перед геологоразведочной службой страны. Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых связаны с проведением комплекса геологоразведочных работ, в том числе с бурением разведочных скважин. Для укрепления и расширения минерально-сырьевой базы необходимо наращивать объемы поисковых и разведочных работ. В экономики Узбекистана важную роль играет добыча урана. Поиски, разведка и добыча урана отличается от других полезных ископаемых.

В магистерской диссертации рассматривается комплекс вопросов, связанных с применением высокоскоростной технологии бурения разведочных скважин при поисках и разведке уранового месторождения Кизилкума.

Актуальность темы исследований

Урановое месторождение Кизилкума, как и другие месторождения урана, сложено в основном мягкими горными породами I-IV категории и частично VII категории горных пород по буримости. Разведка таких месторождений, как установлено практикой, производится с помощью буровых скважин с применением комбинированного способа бурения. Сущность комбинированного бурения состоит в том, что до рудного горизонта бурение производится пикобурами без отбора керна, а по рудным зонам колонковым способом твёрдосплавными коронками (типа М-5). Такая технология бурения позволяет бурить разведочные скважины с относительно высокой производительностью с точки зрения затрат времени и капитала по сравнению с бурением на другие твердые полезные ископаемые. Однако, если подходить к достигнутым результатам, с точки зрения мировой практики бурения скважин в таких геолого-технических условиях они довольно посредственны. И это, предопределяет необходимость и целесообразность использования современных высокопроизводительных зарубежных буровых установок и прогрессивных технологий для разведки урана на различных объектах Госкомгеологии РУз.

Цель и задачи исследований

Целью настоящей работы является разработка рекомендаций по применению современных технических средств и технологий бурения разведочных скважин на месторождении Кизилкума.

Задачами работы являются:

1. Оценка геолого-технических условий разведочного бурения скважин на месторождении Кизилкума.

2. Анализ современного состояния разведочного бурения скважин.

3. Сравнительный анализ и оценка технических средств и технологи бурения скважин в данном направлении.

4. Разработка рекомендаций по выбору рациональных способов и средств разведочного бурения на месторождении Кизилкума.

5. Оценка добавок к промывочным жидкостям, способствующих повышению эффективностью буровых работ.

Объект исследований

Объектом изучения является выбор рациональных технических средств и технологий бурения разведочных скважин на месторождении Кизилкума.

Научная и практическая значимость исследований

В результате изучения геолого-технических условий Кизилкумаского месторождения, оценки и выбора современных технических средств и технологий будут даны рекомендации по внедрению рациональных технических средств и технологии разведочного бурения скважин на конкретном объекте работ.

Структура магистерской диссертации

Магистерская диссертация состоит из введения, оглавления, основной части, основных выводов и списка использованной литературы.

В основной части диссертационной работы приводятся материалы обобщений, проведенных автором и полученные вовремя учебы при решении задач указанных во введении.

Итоги проведенных исследований приводятся в основных выводах.

Список литературы содержит перечень учебной, научной и производственной литературы, а также информационные источники из Интернета по магистерской диссертации.

Магистерская диссертация составлена по материалам научно- исследовательских и научно-педагогических работ, фондовым материалам НПЦ «Геология урана и редкоземельных элементов», научно производственным источникам в фондах библиотеки ТашГТУ и по информации из сайтов Интернета.

В процессе подготовки и написании магистерской диссертации автор пользовался консультациями д.т.н. Абдумажитова А.А. (ГП «НИИМР» Госкомгеологии РУз), доц. Думаревского Л.А., Рахимова М.И., Авазмухамедова Р.А. (ТашГТУ).



Глава 1. Геолого-технические условия бурения месторождения Кизилкума

1.1 Геологические особенности месторождения

В геологическом строении Кизилкумаской площади принимают участие осадочно-метаморфические и интрузивные образования до мезозойского фундамента и слабо летифицированные мезозойско-кайнозойские отложения осадочного чехла, образующие соответственно нижний и верхний структурные этажи.

Наиболее древними образованиями фундамента в пределах площади являются отложения ордовика, выделенные здесь алтыаульскую свету (O2-3al) и представленные глинистыми, серицито-глинистыми сланцами, алевролитами с прослоями песчаников, гравелитов, туфов, пелитоморфных известняков.

Силурская система представлена в северо-восточной части Зирабулакских гор отложениями ландоверийского и венлонского ярусов. Осадки ландоверийского яруса выделены в районе в дарантутскую свиту (S1ld) и представлены углисто-глинистыми и филлитовидными сланцами с прослоями песчаников, гравелитов, известняков и кремнистых сланцев. Отложения венлонского яруса выделены в катаджарскую (S1v1kt) и терикбабинскую светы (S1v2tr) и представлены известняками, доломитами с прослоями и линзами кремнистых пород. Карбонатно-терригенные отложения, выделенные в рязанскую свиту (S2 ld-p pz) обнажаются за пределами площади в западной, южной и юго-восточной частях Зирабулакской антиклинали. В основании разреза выделяется толща нерасчлененных нижнедевонских отложений-джалныр-аймахальская (D1l-pdz) и хозретдавутская свиту (D1hz), представленные известняками, доломитами и доломитовыми известняками.

Вышезалегающие нижнедевонские отложения выделяются в районе в саппенскую свиту (D1-2Sp) с глинисто- серицитовыми сланцами, песчаниками и алевролитами с прослоями известняков, доломитов, кремнистых сланцев и гравелитов. Известняки и доломиты ливийского яруса среднего девона, выделенные в районе в казанбулакскую свету (D2zv kz) выходят на дневную поверхность на южных и юго-восточных склонах Зирабулакских гор. В Рабиджанской антиклинали и представлены эффузивно-терригенными образованиями, выделенными в тымсайскую (C1tm) и Рабиджанскую свиты (S2p-C1Srb), возрасту верхнего силура-нижнего карбона и тепаликскую свиту (C2-3tp), отнесенную к нерасчлененному среднему-верхнему карбону. Суммарная мощность осадочного комплекса пород ордовика-карбона в Зирабулакских горах составляет около 4500 м (Корсанов,1972; Бухарин, 1980). Среди интрузивных образований района максимальное развитие получил позднекаменноугольный раннепермский (Каратюбе-Зирабулакский) комплекс пород. Гранитами и гранодиоритами этого комплекса (д-гC3-P1) представлен Зирабулакский штокообразный интрузив, образующий ядро Зирабулакской горстантиклинали, в эрозионном срезе выходящий на дневную поверхность в юго-западной части площади, а так же интрузив, обнаженный в ядре Рабиджанской антиклинали.

Отложения мела и палеогена, в основном, перекрытые неоген-четвертичными аккумуляциями, обнажаются в виде небольших выходов в юго-западной части площади и в купольной части Рабиджанской антиклинали. Меловые отложения, развитые в пределах площади, сформированы вблизи области фациального выклинивания и имеют минимальную мощность, изменяющуюся в направлении с севера-востока на юг от первых до 70-85 метров, грубообломочные отложения сеномана (К2S), заполняя, в основном, области понижения на древней поверхности палеозойского фундамента.

Первично красноцветная окраска отложений сеномана, претерпевших внесло по стадии преобразований окислительно-восстановительного характера от диагенеза до пластового эпигенеза (Скляренко 1991 г) сохранилось лишь в виде реликтов в слабо проницаемой части разреза. Мощность отложений изменяется от 0 до 10 м.

В нижней части они представлены волноприбойными осадками учкудукского горизонта (K2t1e) мощностью от 0 до 10м, состоящими из разнозернистых гравийных песков, песчаников и гравелитов на карбонатном целлите с линзовидными прослоями за песоченных глин и алевролитов с пиритом и обугленной органикой.

Цвет песчано-гравийных пород от светло-серого до черного, алевритоглинистых-серый, зеленовато-серый.

Выше по разрезу залегают глины и алевролиты джейрантауского горизонта нижнего турона (K2t12) с включением гравийных зерен кварца, пирита, обугленной растительной органики, мощностью 0-6м.

Завершается разрез нижнего турона морскими отложениями кендынтюбинского горизонта (K2t3). Разрез отложений, сформированных в условиях морского бассейна с повышенной соленосно и краевые части авандельты, условно можно разделить на две части - нижнюю, представленную доломитами, карбонатными песчаниками и алевролитами и верхнюю, рудовмещающую часть, представленную подводно-дельтовыми песками и песчаниками мощностью 10-15м.

Вышезалегающие с размывом отложения верхнего турона в нижней части представлены подгорноверными осадками сабырсайского горизонта (K2t21). Восстановленные породы сабырсайского горизонта, в основном серые. Лимонитизированные имеют пятнистую зеленовато-желтую, светло-желтую, буро-желтую окраску. В восстановленных породах отличаются пирит, примазки битумов. Мощность сабырсайского горизонта 10-14м.

В северо-восточном направлении вблизи границы фациального выклинивания количество обломочного материала в разрезе увеличивается до преобладания в разрезе гравийных карбонатно-глинистых песчаников (скв. 4284, 4275 и др.). Мощность улусского горизонта верхнего турона от 0 до 8-10м.

С размывом и перерывом в осадконакоплении на отложениях верхнего мела залегают карбонатные осадки палеоцена и глинисто-алевролитовые породы эоцена. Палеоценовые осадки, сформированные в условиях мелководного морского бассейна с повышенной соленостью, представлены за песоченными светло-серыми известняками с отпечатками раковин пелеципод, с подчиненными маломощными прослоями (0,4-1,0м) карбонатных алевролитов и песчаников с фосфоритом, глауконитом и обугленной растительной органикой. В восточной части площади, в подошве отличается прослой ангидрита мощностью 3-5 м. Мощность палеоценовых отложений от 5 до 30 метров. Мощность отложений нижнего эоцена 5-10 м. Вышезалегающие отложения среднего эоцена представлены светло- серыми карбонатными глинами и алевролитами с прослоями мергелей, на западе мергелями с прослоями имен с включениями чешуй рыб и фосфоритом мощностью от 5 до 18м. Мощность верхнеэоценовых отложения составляет 35-85м и зависит от величины неоген-четвертичного среза. На крайнем юго-востоке площади на эоценовых глинах залегают пестроцветтные песчано-глинистые образования сарбатырской свиты олигоцен-нижнего миоцена (P3-N11). Мощность сарыбатырской свиты 10-15м на остальной части мела и палеогена залегают делювиально-пролювиальные и аллювиальные образования среднемиоцен-четвертичного возраста. Суммарная мощность неоген- четвертичных образований колеблется в широких пределах, от первых до 500 и более метров.

Отбор керна по скважинам осуществляется по пересечениям продуктивного горизонта. Требования к выходу керна стандартные: по опорному интервалу 60%, по зоне оруденения -75%.

Разрез представлен породами осадочного комплекса, которые в целом характеризуются как слабые. Доля относительно крепких пород в разрезе не превышает 5%.

Бурение скважин по над продуктивной толще осуществляется сплошным забоем без отбора керна. По рудовмещающим отложениям- колонковым способам с полным отборам керна.

Диаметры бурения поисковых скважин - 112,118 мм при бескерновом бурении и 93-112 мм - при колонковом бурении.

При колонковом бурении предусматривается выделение рудной зоны с повышенными требованиями по выходу керна - не менее 75%. Бурение рудной зоны рассматривается как бурение в сложных условиях подъема керна.

Руды гидрогенных месторождений представлены слабыми, легко размываемыми и истираемыми породами. Многолетняя практика разведочного бурения показывает, что требуемый выход керна обеспечивается применением одинарных колонковых труб при определенных ограничениях параметров технологии бурения:

- ограничение проходки за рейс;

- ограничение подачи промывочной жидкости;

- ограничение частоты вращения снаряда.

Перечисленные меры способствуют получению представительного керна, но в значительной мере снижают производительность бурения.

В геологическом строении Кизилкумаской площади принимают участие осадочно-метаморфические и интрузивные образования.

Горные породы разреза представлены глинисто- серицитовыми сланцами, песчаниками и алевролитами с прослоями известняков, доломитов, кремнистых сланцев и гравелитов.

В интервале 0-15м замечают супеси дресва IV категории по буримости.

В интервале 15,0-56,0 м породы представлены за песоченными глинистыми алевролитами V категории по буримости. Известняки трещиноватые V категории по буримости залегают в интервале 100,0-160,0 м и является причиной геологических осложнений, где возможны поглощение промывочной жидкости.

За песоченные глинистые алевролиты V категории по буримости залегают в интервале 169,0-200,0 м.

1.2. Физико-механические свойства горных пород геологического разреза объекта

Геологический разрез объекта работ в основном слагают малоабразивные горные породы, которые по степени абразивности относятся в первую группу. Только кварцевые песчаники VII категории по буримости относятся к абразивным породам (Кабр=1,5-2,0).

В процессе разрушения горные породы VI-XI категории по буримости серьёзную трудность не представляют.

Трудность возникает при отборе образцов-керна, за счет низких прочностных свойств разбуриваемых пород. (см.табл.1).

Таблица 1 - Физико-механические свойства горных пород геологического разреза объекта

№	Наименование горной породы	Краткое описание горной породы	Физико-меанические свойства горных пород
			Категория по буримости	сM	Fg	Kабр	Ky
1	2	3	4	5	6	7	8
1	Супеси	Рыхлая песчано-глинистая осадочная горная порода, содержащая 3,0-10,0% (по массе) глинистых частиц (размер менее, 0,005 мм).	III	-	-	-	-
2	Алевролиты	Сцементированная осадочная, сложенная более чем на 50% частицами алевролитовой разности (0,01-0,1мм или 0,005-0,05 мм)	V	7,0-10,0	8,0-16,0	1,0-1,5	10-15
3	Глины	Осадочные горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов; с водой образуют пластичное тесто. По размеру частниц к глинном принадлежат породы, состоящие по массе более чем на 50% из частиц до 0,01 мм.	III	-	-	-	-
4	Мергель	Осадочная горная порода слизанного именитого карбонатного состава; содержит 30-90% карбонатов и соответственно от 70 до 10% глинистых частиц.	IV	3,0-4,5	8,0-10,0	0,4-0,5	-
5	Известняк	Осадочная карбонатная горная порода, состоящая в основном из кальцита. Известняк в ряде случаев включает примеси глинистых минералов, доломита, кварца, реже гипса, пирита.	V	4,5-6,8	24-32	1,0-1,5	10-20
6	Песчаник	Осадочная горная порода, состоящая из зёрен песка, сцементированных глинистым, карбонатным, кремнистым или др. материалом. Песчаники подразделяются на тонко-мелко, средне-крупно и грубозернист.	VII	6,8-10,0	32-40	1,5-2,0	6-10
7	Пески кварцевые	Мелкообломочные рыхлые осадочные горные породы. Состоят из окатанных и угловатых зёрен (песчаник) различных минералов и обломков горной породы. По размеру зёрен пески разделяются на тонкозернистые (0,05-0,1мм), мелкозернистые (0,1-0,25мм), среднезернистые(0,25-0,5мм), крупнозернистые (0,5-1,0мм), грубозернистые (1,0-2,0 мм).	III	-	-	-	-

Выводы:

1. Геологическое строение уранового месторождения Кизилкума довольно сложно и в процессе бурения наблюдаются геологические осложнения, как-то: осыпание, обвалы, набухание и поглощения промывочной жидкости.

2. В рудных зонах проявляется вымывания керновых материала из колонковой трубы.



Глава 2. Краткий обзор применяемой техники и технологий бурения на месторождении Кизилкума

2.1 Буровые установки

Для бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые применяется широкая номенклатура буровых станков, бурового инструмента и другого оборудования, имеющие довольно ограниченные технико-технологические возможности, которые позволяют получать желаемые результаты только при определенных условиях, в противных случаях приводят к нежелательным последствиям.

Бурение скважин несоответствующей конкретным горно-геологическим условиям техническими и технологическими системами не обеспечивает получение полной и надежной информации о геологическом строении рудных тел, их мощности и содержании в них полезных компонентов. Это, в свою очередь, приводит к ограничению применения результатов разведочного бурения для подсчета запасов.

Рациональное использование существующих технических средств, применение технологии бурения, соответствующей конкретным геолого-техническим условиям, а также организации труда, обеспечивающей более полное использование рабочего времени, создают вполне реальные предпосылки для достижения высоких показателей, соответствующих современным возможностям прогрессивных методов бурения, новых технических средств и передовых форм организации труда. Реализация этих резервов позволит обеспечить необходимый рост скорости бурения, снижения стоимости и повышения и качества буровых работ.

Дальнейшее расширение объемов использования прогрессивных методов бурения и повышение их эффективности возможно на основе совершенствования и внедрения новых технических средств и технологий, обеспечивающих достижения технико-экономических показателей бурения мирового уровня.

В настоящее время выпускается большое количество (более 500 модификаций) новых универсальных буровых установок для бурения скважин следующими методами:

- высокооборотное алмазное;

- пневмоударное с отбором керна и опробованием по шламу;

- непрерывное бурение концентрическими двойными колоннами с гидротранспортом или пневмотранспортом керна и шлама по внутренней колонне бурильных труб;

- непрерывно-циклическое бурение со съемными керноприемниками;

- непрерывное бурение без отбора керна;

- шнековое бурение;

- телескопное бурение (метод ODEX).

Эффективное использование технико-технологических возможностей вышеперечисленных методов бурения позволяют только гидрофицированные буровые установки. Одним из преимуществ этого оборудования является:

- возможность бесступенчатого регулирования частоты вращения с учетом особенностей породоразрушающего инструмента и свойств разбуриваемых пород;

- изменение диапазона частоты вращения и крутящих моментов путем применения различных гидромоторов;

- снижение числа деталей в механической трансмиссии и повышение надежности;

- модульный принцип их конструкций, что облегчает их транспортировку;

- соединение отдельных модулей в рабочее положение при помощи гидравлических шлангов;

- расположение приводного двигателя на расстоянии от рабочей площадки, что улучшает условия работы обслуживающего персонала;

- использование механизмов подачи со значительно большим ходом, что способствует уменьшению числа остановок и пусков станка, подклинивания керна, снижению степени искривления скважин, повышению времени чистого бурения;

- гидравлический бесступенчатый привод способствует повышению ресурса породоразрушающего инструмента и выхода керна;

- увеличивается возможность оснащения установок контрольно-измерительными приборами и средствами автоматизации;

- механизация перекрепления патронов, свинчивания и развинчивания резьбовых соединений за счет использования гидравлического привода, что снижает затраты времени на вспомогательные и спуско-подъемные операции.

Вместе с тем капитальные затраты на гидрофицированное оборудование в 3-5 раз выше, чем на станки с механической трансмиссией. По данным фирмы IKS - Boyles для компенсации данных затрат требуется увеличение производительности на 25-50%. На основании полевых испытаний, проведенных фирмой Boart Longyear, установлено, что гидрофицированные станки по сравнению со шпиндельными станками того же класса обеспечивают повышение производительности при использовании снарядов со съемными керноприемниками на 30 %. А десятилетний опыт эксплуатации гидрофицированных буровых станков в Финляндии показал их высокую надежность: потери рабочего времени на ремонт составляют 2-3% от общего баланса времени.

Применяемые в настоящее время на объектах геологоразведочных работ Госкомгеологии Руз буровые станки и установки типа СКБ, ЗИФ и СКТО имеют ограниченные мощности и крутящие моменты для высокооборотного и высокопроизводительного бурения. Кроме того, из-за несовершенства их трансмиссий, систем подачи бурового снаряда и коробок передач не обеспечивают:

- эффективное использование имеющихся колонковых наборов и породоразрушающего инструмента;

- плавно-регулируемого вращения снаряда, без резких рывков последнего после включения необходимой скорости станка;

-бурения без частых остановок для перекрепления патронов вращателя, что приводит к нарушению установленного процесса разрушения забоя и режима циркуляции очистного агента, и, что, в свою очередь, приводит к нежелательным последствиям, как самозаклинивание керна, образование желобов в скважине и повышение интенсивности отклонения трассы скважины от заданного направления.

Станки ЗИФ, СКТО и СКБ по своим техническим параметрам (в статике), как бы имеют возможности обеспечить максимальную частоту вращения снаряда до 600-800 об/мин, а СКБ - 1500 об/мин. Однако при по технологическим возможностям (в динамике) пригодны для бурения не глубоких скважин. Как показала практика при рабочем замере на ведущей штанге более 1 м невозможно поддерживать скорость вращения более 400 об/мин. Это приводит к не рациональной отработке алмазного породоразрушающего инструмента, выражающегося в низких скоростях бурения, снижении ресурса коронок и перерасходе истирающих материалов.

Для расширения возможностей вышеуказанных типов станков использованы РЭПы. В состав комплекта РЭП-5 входят: шкаф управления (1200х460х1800 мм), пульт управления (1000х460х840 мм), шкаф токоограничивающих реакторов (650х550х1150 мм), двигатель постоянного тока Д-808У2 мощностью 37 кВт бурового станка, двигатель постоянного тока Д-41У2 мощностью 15 кВт бурового насоса, два тахогенератора ТМГ-30П, два вентилятора Ц4-70 №2,5. Комплект РЭП-5 работает от линий электропередач и от передвижных электростанций соизмеримой мощности как с глухозаземленной, так и с изолированной нейтралью.

За счет плавного регулирования частоты вращения вала двигателей, повышения их мощности, а также возможности увеличения частоты вращения снаряда при оснащении буровых агрегатов ЗИФ-650 М и СКБ-5 комплектами РЭП-5 достигается повышение коммерческой скорости бурения, соответственно, на 62% и 39%,а механической скорости - на 59 и 50%; снижение расхода алмазов, соответственно, на 20 и 17,7%, а удельного расхода электроэнергии - в 3,1 и 2,7 раза.

При использовании комплектов РЭП-5 для буровых агрегатов требуется:

- специально разработанные приводы (попытки скомпоновать приводы на базе серийно выпускаемых для других целей преобразователей или выпрямителей приводят к целому ряду существенных недостатков: несоответствию механических характеристик привода технологии бурения, нарушению техники безопасности по условиям эксплуатации, увеличению мощности, габаритов, массы, повышению трудоемкости монтажа и обслуживания, загромождению буровой аппаратурой, увеличению расхода кабельной продукции и электроэнергии на проведение буровых работ);

Работоспособность комплекса РЭП-5 обеспечивается при предельном значении относительной влажности воздуха 98%(при температуре 25єС), высоте над уровнем моря не более 1000 м, невзрывоопасной окружающей среде, не содержащей токопроводящую пыль и агрессивные газы и пары в концентрациях, разрушающих изоляцию.

Таблица 2

Страна	Марка установки	Глубина бурения, м	Диаметр бурения, мм	Частота вращения снаряда, мин-1	Мощность привода, кВт
Россия США Швеция	УКБ-3 Лонгир-24 Д-500	200/300 -/205 -/375	132/59 48/38 99/48	160-1500 224-2173 2901590	15 7,5 15
Россия США Швеция	УКБ-4 Лонгир-34 Д-750	300/500 -/500 -/600	151/59 99/38 99/48	160-1500 211-1850 140-1590	22 26 16
Россия США Швеция Канада	УКБ-5 Лонгир-38 Д-1000 ВВS-37	500/800 -/700 -/600 825/1035	151/59 99/38 99/48 99/38	120-1500 211-1850 300-1200 200-1300	30 41 26 62
Россия Канада Бельгия	УКБ-7 ВВS-56 ДВ-1200	1200/2000 -/1250 -/975	214/59 99/38 99/48	80-1500 120-756 188-1220	66 75 66

2.2 Бурильные трубы и их соединения

В комплексе технических средств для геологоразведочного бурения на твердые полезные ископаемые базовыми технологиями бурильная колонна по-прежнему остается недостаточно надежным звеном, сдерживающем рост производительности и эффективности бурения.

Применение бурильных труб ЛБТН-54 в сочетании с высокими частотами вращения позволяет существенно повысить технико-экономические показатели бурения по сравнению с использованием гладкоствольных труб (СБТ-50). При этом стоимость бурения снижается до 3 раз, механическая скорость бурения увеличивается на 20-25%, углубка за рейс на 15-20% и стойкость коронок на 25-30%.

Тенденцией совершенствования бурильных колонн за рубежом является увеличение разнообразия их конструкций и эксплуатационных качеств.

Наряду со стандартными бурильными колоннами ниппельного соединения получили распространение бурильные трубы с приваренными фрикционной сваркой соединениями, которые изготавливаются из материала более высокого качества, чем сама труба. В результате труба стала более легкой, и благодаря материалу приварных концов достигнуты повышенная износостойкость и прочность резьбовых соединений.

Выпускаются также тонкостенные бурильные трубы с усиленными соединениями для работы в осложненных геологических условиях, стальные тонкостенные облегченные бурильные трубы для высокооборотного алмазного бурения по обычной технологии и снарядами со съемными керноприемниками на высокооборотных станках, легкосплавные бурильные трубы, специальные бурильные трубы для глубокого бурения с резьбовыми соединениями повышенной прочности и герметичности. При изготовлении всех приваренных соединений используется только технология фрикционной сварки.

Каждый тип бурильных труб имеет определенную область применения. Принято считать, что трубы с ниппельными соединениями предназначены для бурения скважин алмазными и твердосплавными коронками малого диаметра и шарошечными долотами лишь незначительно отличающимися от диаметра самих труб. Области применения специальных бурильных труб определяются их целевым назначением.

При бурении геологоразведочных скважин на урановых месторождениях проблема надежности бурильной колонны приобрела весьма важное значение в связи с увеличением аварий при их использовании и необходимости повышения частоты вращения бурового снаряда.

К современным бурильным трубам (около 30-ти типов) в большинстве случаев не могут быть отнесены прежние определения, так как каждый тип бурильных труб имеет строго определенную область применения.

Характерная особенность технических средств для бурения с отбором керна колонковыми снарядами - определенное соотношение диаметров породоразрушающего инструмента, колонкового снаряда и бурильных труб (наружные диаметры, мм):

Коронки… 37,3 47,6 59,6 75,3 98,8 119,9 145,3 173,9 199,3

Кол.трубы 36,5 46,0 57,9 73,8 95,2 114,3 139,7 168,3 193,7

Бур.трубы 34,9 43,7 54,0 66,7 88,9

Для вращательного бурения с подъемом керна обычными колонковыми снарядами характерно увеличение номенклатуры двойных колонковых труб, уменьшение ширины торца алмазных коронок, расширение выпуска и применения легкосплавных бурильных труб, выпуск бурильных труб для сложных условий, имеющих соединения с коническими резьбами, соответствующими стандарту АНИ.

Тенденцией совершенствования бурильных колонн в Швеции является увеличение разнообразия их конструкций и эксплуатационных качеств. Наряду со стандартными бурильными колоннами ниппельного соединения получили распространение бурильные трубы с приваренными соединениями. Выпускаются также тонкостенные бурильные трубы с усиленными соединениями для работы в осложненных геологических условиях, стальные тонкостенные облегченные бурильные трубы для высокооборотного алмазного бурения по обычной технологии и снарядами со съемными керноприемниками на высокооборотных станках, легкосплавные бурильные трубы, специальные бурильные трубы для глубокого бурения с резьбовыми соединениями повышенной прочности и герметичности. При изготовлении всех приваренных соединений используется только технология фрикционной сварки.

Преобладающий тип соединений бурильных труб для снарядов со съемным керноприемником - труба в трубу, без высадки, со слабоконической резьбой. Фирма " Боарт Лонгиер" выпускает бурильные колонны с приварными замками из более прочной стали, чем тело бурильной трубы. Замковое соединение приваривается к трубе без высадки ее по наружному и внутреннему диаметрам с помощью плазменной сварки на специально созданном по заказу фирмы "Боарт Лонгиер" сварочном агрегате. Корпус замкового соединения подвергается закалке токами высокой частоты на глубину около 1 мм с доведением твердости поверхности до 40-50 HRC, тогда как твердость поверхности трубы равна 26-28 HRC. Поверхность наружной резьбы закаливают токами высокой частоты во избежание задиров и износа. Наружная поверхность замкового соединения на участке расположения внутренней резьбы длиной 100 мм хромируется (толщина покрытия составляет около 0,01 мм) для дополнительного повышения износостойкости поверхности твердостью 65-72 HRC.

Среди продукции фирм, в том числе "Боарт Лонгиер" и "Крелиус", только снаряды N и Н являются телескопическими. Преимущество телескопических буровых снарядов - совмещение обсадки скважины с процессом бурения; исключение затрат на приобретение и транспортировку обсадных труб.

По результатам испытаний средняя проходка на трубу серии NQ равна 2660 м, а серии NCQ - 2741 м.

Имеющийся за рубежом ряд бурильных труб имеет следующие преимущества:

-обеспечивает большой выбор типоразмеров труб для бурения в различных геолого-технических условиях, так как диаметры бурильных труб подбираются по принципу - каждому размеру породоразрушающего инструмента - свой рациональный размер;

-увеличение диаметров гладких бурильных труб позволяет при средней глубине скважины увеличить скорость вращения бурового снаряда в 1,3ч2 раза и тем самым повысить скорость алмазного бурения;

- уменьшение толщины стенок бурильных труб позволяет уменьшить вес бурильных колонн, снизить гидравлические сопротивления при прокачивании через них промывочной жидкости, уменьшить центробежные силы, возникающие при вращении бурильной колонны в скважине, что в сочетании с рациональным соотношением диаметров бурильных труб и скважин повышает прочность самой бурильной колонны и уменьшает интенсивность её износа за счет снижения силы прижатия колонны к стенке скважины;

-уменьшение допускаемых отклонений в новых бурильных трубах позволяет улучшить соосность резьбовых соединений и сбалансированность всей бурильной колонны, что снижает возможность возникновения её вибраций.

Старым стандартом американской и канадской ассоциаций алмазного бурения предписывалось соотношение диаметра бурильных труб к диаметру скважин Dбт/Dс равное величинам 0,925-0,880. В дальнейшем при разработке бурильных труб серии “Q” для бурения скважин снарядами со съемными керноприемниками в основу приняты бурильные трубы, для которых Dбт/Dскв = 0,925.

В Швеции отношение Dбт/Dс = 0,915-0,893, при бурении комплексами ССК Dбт/Dс = 0,930-0,958.

В Канаде для бурения комплексами ССК созданы специальные бурильные трубы серии “WL”, для которых отношение Dбт/Dс принято равным 0,960.

Наилучшие результаты бурения получены при использовании бурильных труб серий “Q” и “W”, для которых Dбт/Dс=0,925. При этом соотношении резко уменьшается вибрация бурильной колонны и увеличивается работоспособность всей системы.

При вращении искривленной трубы в скважине возникают центробежные силы, которые ещё более искривляют трубу и прижимают её к стенкам скважины. Это также является одним из основных причин возникновения вибраций. Технико-технологическая закономерность такова:

-центробежные силы резко увеличиваются с ростом скорости вращения бурового снаряда;

-центробежные силы будут тем больше, чем больше зазор между стенками скважины и стенками трубы (Dс-Dбт);

-центробежные силы будут тем больше, чем больше масса 1 м бурильной трубы.

Применение бурильных труб, не отвечающих требованиям высокооборотного бурения, уменьшает предельную глубину бурения на 30-40%.

Основными направлениями по снижению энергозатрат на вращение колонны бурильных труб являются:

-применение легкосплавных бурильных труб вместо стальных или использование комбинированной бурильной колонны: в сильно растянутой и сжатой частях - из стальных труб, а в средней - из легкосплавных;

-при сложной конструкции скважины и бурении снарядами ССК использование двух типоразмеров бурильных труб, например, ССК-59 и ССК-46;

-предупреждение резких локальных искривлений скважин, особенно на участках вблизи от устья;

-недопущение большой разработки ствола скважины, так как это может служить очагами возбуждения высокоэнергоемких видов движения бурильной колонны;

-в условиях малых зазоров между трубами и стенками скважины использование бурильных труб с малыми допусками на кривизну и высокой соосностью их соединений;

-своевременное проведение геофизических работ по инклинометрии скважин;

-в случае выявления локальных искривлений проведение тщательной проработки этих интервалов специальными компоновками или их разбуривание породоразрушающим инструментом большого диаметра, а в отдельных случаях цементирование искривленных и сильно разработанных участков с последующим их разбуриванием.

Применение бурильных труб, не отвечающих требованиям высокочастотного бурения, уменьшает предельную глубину использования рациональных частот вращения на 30-40%.

Наиболее полная реализация преимуществ нового бурового оборудования, породоразрушающих инструментов, прогрессивной технологии бурения требуют надежности бурильных колонн. Для чего осуществляется:

-упрочнение поверхности и повышение надежности резьб бурильных труб и замков;

-применение комбинированных колонн бурильных труб для высокооборотного алмазного бурения;

- разработка и внедрение легкосплавных бурильных труб, утяжеленных бурильных труб и бурильных труб для комплексов ССК и КГК.

При использовании стальных труб допускается применение коронок и долот ближайшего к трубам и следующего диаметра.

Легкосплавные трубы должны использоваться только при бурении алмазными коронками ближайшего к ним диаметра. И ошибочно считается, что наиболее универсальны трубы с муфтово-замковыми соединениями, так как их можно использовать при бурении алмазными и твердосплавными коронками и долотами, диаметр которых на три-четыре размера может превосходить диаметр соединений.

Для российских бурильных труб и их соединений предъявляются следующие требования:

-возможность использования при высоких оборотах бурового снаряда;

-возможность использования при больших осевых нагрузках на породоразрушающий инструмент;

-возможность сочетания с различными типами колонковых наборов;

-возможность использования с различными вращателями;

-бурильная колонна со стенками скважин должна иметь минимально возможно зазор;

-бурильные трубы должны обладать повышенной прочностью и

надежностью;

-бурильные трубы должны обладать минимально возможными допусками по кривизне (кривизна труб не должна превышать 1 мм на 1 м), соосности (у ниппельных труб отклонения от соосности не должно превышать 0,25 мм в плоскости лобового торца ниппеля, а также 0,4 мм на длине 4 м; у муфтово-замковых труб и муфт отклонение соосности резьб обоих концов муфт не должно превышать 0,5 мм в плоскости любого торца и 1,5 на длине 1м) и отношению размеров по толщине стенок и диаметру.

Тонкостенные трубы со слабоконическими резьбами имеют высокий ресурс только при условии их затяжки с заданным моментом и применении в устойчивом стволе скважины. Конические резьбы должны иметь жесткие допуски и точно контролируемый натяг, так как в противном случае не обеспечивает их уплотнение.

Нарушение требований к эксплуатации легкосплавных бурильных труб приводит к увеличению расхода в 1,5-2 раза, а иногда и в 3-6 раз по сравнению с нормальным значением, составляющим 0,3-0,5 кг на 1 м бурения.

2.3 Способы бурения

В мировой практике применяется более 80 видов очистных агентов, 3о видов тампонажных смесей, более 1500 типов породоразрушающих инструментов. Из всех разновидностей способов более широкое применение находит способ бурения с обратной циркуляцией очистного агента по двойной колонне труб, при котором получается керно-шламовая проба. Он позволяет осуществлять непрерывный отбор проб в процессе бурения, повысить скорости бурения и значительно снизить стоимость буровых работ. В настоящее время этот способ применяется для разведки практически всех видов полезных ископаемых.

Бурение с непрерывным выносом кернового материала или шлама является одним из основных высоких технологий научно-технического прогресса при проведении геологоразведочных работ.

Преимуществом метода бурения с двойной колонной труб является:

-непрерывность отбора проб, вынос всей разрушенной породы с забоя на поверхность;

-высокая механическая скорость (в отдельных случаях в 10-15 раз выше скорости колонкового бурения);

-сравнительно низкая стоимость бурения, что объясняется высокой скоростью бурения и снижением затрат на породоразрушающий инструмент;

-значительное снижение искривления скважин в связи с уменьшением зазора между стенками скважины и бурильной колонной;

-исключение необходимости применения кондуктора для закрепления устья скважины, так как промывочная жидкость циркулирует внутри бурильной колонны и размыва стенок скважины не происходит;

-снижение потерь промывочной жидкости при бурении в трещиноватых и кавернозных породах за счет исключения ее циркуляции в затрубном пространстве;

-повышение качества отбираемых проб за счет применения в качестве очистного агента воды, воздуха или водо-воздушной смеси.

Областью применения российских (бывших советских) КГК является проходка скважин глубиной до 100-300 м в мягких породах П-1У категорий буримости с пропластками пород до УП категории. КГК может быть использован при выполнении следующих видов геологоразведочных работ:

-поиски и разведка месторождений всех видов твердых полезных ископаемых;

-глубинные геохимические поиски по первичным и вторичным ореолам рассеяния полиметаллов, рудного и россыпного золота, ред-кометальных элементов;

-геологическое картирование в масштабах 1:50 000; 1:25 000; 1: 10 000;

-картирование и разведка выходов углей;

-геологическая, гидрогеологическая и инженерно-геологическая съемка;

-отбор малых лабораторных и технологических проб угля и глины, шлиховых проб золота;

- эксплуатационная разведка при добыче углей открытым способом.

Отбор проб керна или шлама является наиболее важным этапом всего процесса бурения с двойной колонной труб. Подъем проб на поверхность при использовании воды в качестве очистного агента осуществляется со скоростью 2-5 м/с и 15-30 м/с при использовании воздуха или водо-воздушной смеси.

В отличие от обычной технологии, бурение с гидротранспортом керно-шламовых проб позволяет беспрепятственно проходить скважины в зонах поглощения промывочной жидкости, в водонапорных песках и набухающих разновидностях глин.

В зависимости от физико-механических свойств пород материал пересечения интервала скважины обычно представлен тремя разновидностями:

-“столбики” образуются при бурении плотных глин, плотного мела и других пластичных пород; длина столбика 3-5 см, а его диаметр 34-38 мм;

-“пульпа” характерна для почвенного слоя, суглинков, песков, коры выветрелых кристаллических пород, контактов мела, отдельных разновидностей глин, угля; пульпа представлена различными по величине кусочками породы;

- “лепестки” образуются при расхаживании бурового снаряда в ходе проработки ствола скважины, а также при бурении слабопластичных пород; они представляют собой вытянутые полоски длиной 30-70 мм с толщиной 5-10 мм.

Качество керно-шламового материала обеспечивает:

-эффективное изучение рыхлых пород мезозойского и кайнозойского возрастов с целью построения стратиграфических схем их залегания;

-изучение рыхлых отложений и геологических тел сложного пространственного размещения с пестрым литолого-фациальным составом;

-четкое отбивание контактов горных пород и руд;

-литологическое расчленение разрезов и изучение тектонического строения;

-оценку запасов и других параметров оруденений.

При бурении по полезному ископаемому обеспечивается точная привязка отобранного керно-шламового материала к глубине скважины и максимально сохраняется структура и объемный выход материала. Эти два основных требования обеспечиваются специальными технологическими приемами. Для отбора образца с любого заданного интервала с точностью до ± 0,1 м прекращают вращение, потоком жидкости выносят оставшийся материал из керноотводящей системы, после чего проводят углубление на заданный интервал и повторяют перечисленные операции.

Преимущества бурения с гидротранспортом керна при четкой организации работ позволяет получить высокие технико-экономические показатели. Скорость бурения составляет в среднем 4000-6000 м/ст.- мес и достигает 12000-18000 м/ст.-мес.

Особый интерес представляет высокая технология, основанная на использовании двойной колонны бурильных труб и опробовании по шламу, при которой повышается производительность и снижается стоимость бурения в сочетании с высоким качеством опробования.

На практике бурения двойными колоннами бурильных труб за рубежом, в Узбекистане и Кыргызстане установлено, что пробы шлама дают сопоставимые результаты с керном при определении большинства наиболее важных химических и физических свойств минералов. В некоторых случаях опробование по шламу является даже более точным, чем по керну, что повышает качество буровых работ.

При бурении двойной колонны бурильных труб механическая скорость бурения достигает 30 м/ч, что в 6 раз превышает скорость обычного алмазного бурения. Уменьшаются затраты на породоразрушающий инструмент по сравнению с алмазным бурением с использованием ССК.

Зарубежные специалисты полагают, что при разведке рудных месторождений с низким содержанием полезного компонента, где требуется высокая точность опробования, метод бурения с двойной колонной труб и опробованием по дробленным в процессе бурения фракциям породы имеет особенно большие перспективы.

Показатели опробования, полученные по дробленым фракциям породы, практически всегда выше, чем при опробовании по керну, и очень близки к результатам анализа проб, взятых непосредственно из горных выработок. В частности, зарубежные специалисты считают, что один из важнейших показателей качества углей - зольность - более достоверен при определении по дробленым фракциям породы, чем по керну.

В мировой практике получили промышленное распространение три технологические разновидности этого метода бурения индивидуальными техническими средствами: вращательный, виброударно-вращательный, вибрационный.

Неблагоприятными условиями для применения советских комплексов КГК являются наличие в толще мягких пород пропластков УШ-1Х категории и необходимость заглубления в породы кристаллического фундамента на глубины более 3,0 м.

Расширение области применения российских комплексов КГК требует:

-создания специализированной буровой установки с повышенной грузоподъемностью и крутящим моментом, увеличенным ходом подачи и более высоким уровнем механизации;

-новых типов породоразрушающих инструментов для бурения в твердых и крепких породах;

-упрочненной новой колонны с более совершенными соединениями.

Правильность ведения технологического процесса при бурении с гидротранспортом керно-шлама имеет особенно большое значение в связи с тем, что часто определяет не только технико-экономические показатели, но и в целом возможность его применения.

При отработке технологии и режимов бурения требуется эффективное разрушение породы, своевременное отделение и подъем керна, вынос шлама из-под торца коронки, стабилизации стенок скважины и предотвращения образования сальников на колонне и подклинок в ее внутреннем канале.

Метод требует постепенное наращивание мощности станка по мере углубки скважины, что обусловливает необходимость частого расхаживания снаряда в целях предупреждения прихвата его. Нормальному процессу углубления соответствуют крутящие моменты, изменяющиеся в интервале 300-700Н·м в зависимости от физико-механических свойств пород и глубины бурения. Важным средством повышения эффективности бурения с гидротранспортом керна является выбор соответствующей промывочной жидкости.

Расширению объемов бурения комплексами ССК способствуют применение полимерных и малоглинистых растворов на основе ГПАА и реагента К-9, силикатно-гуминовых растворов на основе реагента МГР и жидкого стекла, а также электрохимической заточки алмазных коронок и обработка их жидким азотом.

Для предупреждения искажений в опробовании особое требование предъявляется требование своевременной и качественной очистке емкости для промывочной жидкости.

Ежегодное проведение целевых отраслевых школ передового опыта по проблемам бурения геологоразведочных скважин будет содействовать изысканию конкретных и перспективных путей значительного роста скоростей и качества бурения скважин при поисках и разведке различных месторождений твердых полезных ископаемых.

2.4 Основные технико-технологические проблемы при разведочном бурении на объекте

Основными технико-технологическими проблемами геологоразведочного бурения на объекте работ являются:

- предупреждение и борьба с обвалами стенок скважины;

-рациональное использование техники и технологии бурения, обеспечивающей кондиционный выход керна;

-освоение техники и технологии, обеспечивающей сохранение заданной трассы скважины;

-освоение техники и технологии предупреждения и борьбы с поглощениями промывочной жидкости;

-освоение техники и технологии предупреждения и борьбы с осложнениями, обусловленными водопроявлениями в скважинах;

-освоение техники и технологии бурения и опробования скважин в крепких породах;

-освоение техники и технологии бурения и опробования скважин двойными колоннами бурильных труб;

-освоение техники и технологии комбинированного бурения разными технологиями;

-освоение технологий приготовления, очистки, и регенерации безглинистых и глинистых промывочных жидкостей;

-освоение техники и технологии тампонажа интервалов скважин быстросхватывающими смесями;

-освоение техники и технологии сухого тампонажа интервалов скважин;

-внедрение методов контроля за кривизной, соосностью и техническим состоянием бурильных труб и колонковых наборов.

2.5 Колонковые наборы

Технические средства для отбора буровых проб представлены многочисленными (более 200 типов) конструкциями колонковых снарядов. В них используются различные схемы циркуляции промывочной жидкости и способы ее создания, а также средства для защиты керна от воздействия прямого потока промывочной жидкости и вибраций, возникающих при бурении. Колонковые снаряды различаются по способам заклинивания керна, по типам и внутренним диаметрам применяемого породоразрушающего инструмента.

Для получения образцов и проб пород колонковым способом создано большое количество снарядов (ПКС, ДКС, ПКСЭ, ДКСЭ, СЭП, БКЗ, БКВ, БКР, БПР, БКС, БКТ, ДТ, ТДВ, ТДН, AV, BV, NV, HV, ССК, КССК, AQ, BQ, NQ, HQ, SQ и др.), однако, не все они отвечают основным требованиям c точки зрения получения представительных буровых проб.

Двойные колонковые снаряды - основной тип инструмента для отбора керна за рубежом, одинарные колонковые трубы применяют для отбора керна в очень ограниченных масштабах. Они используются при забуривании скважин, а также при бескерновом бурении в качестве центрирующей компоновки при соединении бурильной колонны с долотом.

Для отбора керна в породах УП-Х категорий по буримости, трещиноватых, склонных к обрушению и поглощению жидкостей ВИТРом были разработаны параметрические ряды ДКН ТДН-59-2/0, ТДН-76-2/0, ТДН-93-2/0, ТДН-46-ССК, ТДН-59-ССК и ТДН-76-ССК, позволяющие осуществлять бурение скважин с промывкой глинистыми и эмульсионными растворами.

Двойные колонковые наборы ТДН-2/0 могут обеспечивать прямую и частичную обратную циркуляцию промывочной жидкости в призабойной зоне скважины. Применение каждой из указанных схем промывки расширяет возможности эксплуатации ДКН в зависимости от геолого-технических условий бурения и способствует получению более качественного керна.

Двойные колонковые наборы ТДН-ССК унифицированы с наборами ССК по применяемому алмазному породоразрушающему инструменту, сортаменту труб, резьбам и конструктивной схеме. Наборы снабжены верхним и нижним центраторами, что обеспечивает жесткость конструкции, центрирование в скважине при бурении и создает более благоприятные условия эксплуатации. Их применение целесообразно:

-когда затруднено использование съемных керноприемников из-за наличия каверн в скважине;

-постановки нескольких клиньев на коротком интервале;

-необходимости в более прочной бурильной колонне.

Для использования советских двойных колонковых труб (исключая снаряды со съемными керноприемниками в благоприятных условиях), а также эжекторных снарядов, которые характеризуются, как правило, снижением производительности бурения из-за снижения параметров режима бурения (осевой нагрузки, частоты вращения снаряда, интенсивности промывки) и уменьшения величины проходки за рейс, что обуславливается самозаклиниванием керна или прекращением циркуляции промывочной жидкости в призабойной зоне (при бурении эжекторными снарядами), обязательно необходимо применять специальные технические средства (гидроударники, вибраторы и т.п.) специальные промывочные жидкости, снижающие коэффициент трения керна о колонковую трубу. Фирма Diamant Boart выпускает новые двойные колонковые снаряды, внутренние трубы которых изготовлены из стекловолокна. Внутренний слой представляет собой тонкую трубу из полимерной смолы, на которую наматывают нити стекловолокна. Наружный слой также состоит из полимерной смолы. Керноприемная поверхность внутреннего слоя обладает свойствами полированной поверхности и низким коэффициентом трения.