Вращательное бурение с прямой промывкой алмазными коронками большого диаметра в рыхлых и мягких породах
За рубежом при специальных работах, а также при разведке ряда полезных ископаемых в целях отбора технологических проб получает псе большее распространение бурение алмазными коронками диаметром более 76 мм.
В Англии при разведке угольного месторождения на глубину до 60 м бурение велось алмазными коронками и колонковыми шарошечными долотами диаметром 160 мм. Бурение по глинам, песчаникам и сланцам осуществлялось с продувкой сжатым воздухом и с использованием двойного колонкового снаряда с невращающейся внутренней трубой. Механическая скорость алмазного бурения составила 4,8 м/ч. Для предотвращения разрушения керна во внутреннюю трубу помещали полиэфирную оболочку, которая обтягивала керн по мере его поступления.
Нa одном из месторождений асбеста и связи с необходимостью получения валовых проб осуществлялось бурение неглубоких скважин алмазными коронками диаметром 304 мм под углом 45°. Такие скважины позволили получить с каждого метра около 160 кг кернового материала для опробования. Забуривание скважин производилось обсадными трубами диаметром 355,6 мм на 89-мм бурильных трубах с промывкой чистой водой. Первой колонной перекрывали верхнюю часть разреза, представленную, разрушенными породами на глубину 6 м. После достижения кровли коренных пород выбуривали породу из обсадной колонны, применяя 1,5-м колонковый снаряд диаметром 304,8 мм. Башмак кондуктора цементировали быстросхватывающимся раствором
Дальнейшее углубление продолжалось 3-м колонковым снарядом также на бурильных трубах диаметром 89 мм. Поскольку даже при таком диаметре бурильных труб зазор между ними и стенками скважины составляет 107 мм на сторону, снаряд испытывает значительные изгибающие напряжения. Для улучшения условий работы бурильных труб использовались центраторы, закрепленные на ниx посредством стопорных колец. В процессе бурения снаряд вращается внутри центраторов, скользящих по мере углубки вдоль стенок скважины. Коронка диаметром 304,8 мм армировалась тринадцатисменными вставками размером 25,4х12,7 мм с алмазным вооружением. Башмак обсадных труб был оснащен двадцатью такими же вставками. В качестве промывочной жидкости применялась вода с добавкой хлористого кальция в количестве около 120 г на 1 л.
Такой раствор имеет точку замерзания менее —4° С и позволяет оставлять скважину в зимних условиях более чем на 8 ч. Давление промывочной жидкости при подаче ее в необходимом количестве поднималось в некоторых случаях до 20 кГ/см2. При этом на колонковый снаряд действовала выталкивающая сила, достигающая 15 T, что потребовало специального крепления буровой установки к земле посредством анкерных болтов. Тем не менее сменные мастера стремились не допускать увеличения давления на насосах свыше 7—9 кГ/см2, применяя расхаживание снаряда для борьбы с сальниками.
Серьезной проблемой являлась очистка промывочной жидкости, которая быстро зашламовывалась большим количеством асбестового волокна. Это вынуждало осуществлять замену промывочной жидкости через каждые три метра углубки во избежание снижения механической скорости и повышенного износа насосного оборудования. Для ускоренной и более качественной очистки промывочной жидкости на буровой было установлено вибросито.
Поскольку значительная часть шлама имела крупность 200 меш к менее, достаточно эффективной очистки удалось добиться только после применения реагента, вызывающего образование хлопьев шлама, которые хорошо задерживались виброситом. Крупный шлам улавливается шламовой трубой длиной около 460 мм, установленной над колонковым снарядом.
В США бурение алмазными коронками большого диаметра было использовано для оценки инженерно-геологической обстановки при проведении подземных ядерных взрывов.
Решение этой задачи на исследуемом участке осложнялось тем, что разрез был сложен рыхлыми осадочными породами со значительным содержанием обломочного материала различной крупности.
Скважина бурилась в основном долотом диаметром 248,4 мм и керн отбирался алмазной коронкой. Колонковый снаряд имел наружный диаметр 190,5 мм и внутренний 149 мм.
Первоначально при использовании обычной технологии бурения и стандартного инструмента не удалось обеспечить необходимый выход керна. Кернообразования в процессе бурения практически не происходило, поскольку удельное давление на коронку превышало несущую способность материала, цементирующего обломочные включения. Валуны и галька освобождались от связи с окружающей породой, перекатываясь по забою, окончательно разрушая образец и нанося повреждения вооружению коронки. Когда по мере углубления скважины керн входит в паукообразный кернорватель, происходила отсортировка цементирующего материала, который выносился промывочной жидкостью, а крупные обломки оставлялись в колонковой трубе. Для улучшения выхода керна пришлось полностью изменить конструкцию коронки и отказаться от применения паукообразных кернорвателей, заменив их ребристыми пружинными разрезными кольцами.
В дальнейшем вместо коронки с широким закругленным торном использовали ступенчатую коронку со сменным забурником, имеющим узкий торец, обеспечивающий самоцентрирование снаряда.
Износ сменного забурника происходит более интенсивно, чем износ основной расширяющей части коронки, которая после замены забурника используется вновь. Такая конструкция улучшает условия бурения и выхода керна, благодаря стабилизации снаряда и образования ступенчатого забоя и вместе с тем не вызывает увеличенного расхода алмазов.
Коронки были армированы алмазами крупностью 20 шт. на карат. Промывочные каналы в этих коронках удалены от забоя, что предотвращает размыв рыхлых пород.
В связи с низкой несущей способностью породы (для песка всего 2 кГ/см2) и специфической конструкцией коронки, требовалось особо точное регулирование осевой нагрузки. Было установлено, что наиболее эффективным для отбора керна является гидравлический механизм подачи, в котором скорость подачи регулируется дросселем на сливе из нижней полости цилиндров.
Основная особенность технологии бурения заключалась в ограничении осевого давления. В начале рейса нагрузка на коронку составляла всего 160 кГ, а затем постепенно доводилась до 750— 800 кГ, в то время как обычно давление на коронку такого диаметра достигает 1800 2700 кГ. Несмотря на значительный диаметр, бурение осуществлялось на сравнительно высоких скоростях вращения — 150—300 об/мин.
При таких скоростях промывочная жидкость центробежной сиплой отбрасывается к стенкам скважины и стенкам колонковой трубы и ее разрушительное воздействие на керн уменьшается.
Для предохранения керна от размыва и от искажения естественной влажности в качестве промывочной жидкости применяли специальный глинистый раствор с пониженной водоотдачей и удельным весом 1,05 кГ/см3 при вязкости 100 сек по СПВ. Этот раствор содержал до 60% дизельного топлива, а также эмульгирующие и коллоидальные реагенты.
Обязательным условием сохранения керна являлось предотвращение вибрации снаряда. Это достигалось применением утяжеленных бурильных труб диаметром 152 мм, весом 120 кг на 1 м. Общий вес тяжелого низа составлял 2700 кг, что в 3—3,5 раза превышало нагрузку на один забой. Благодаря этому эффективно сглаживались крутильные колебания, возникающие при подклинке снаряда.
Над трехметровой двойной колонковой трубой устанавливался расширитель диаметром 222,3 мм, а над УБТ — стабилизатор диаметром 212,7 мм.
Между стабилизатором и колонкой бурильных труб размещаются УБТ диаметром 119,9 мм, длиной 10 м и весом 75 кг на 1 м. Длина рейса первоначально не превышала хода подачи (800 мм), так как при перекреплении разрушался керн. Позднее было установлено, что во избежание этого явления следует подвешивать снаряд на лебедке, а перед остановкой выключать промывочный насос. Однако наиболее радикальной мерой увеличения длины рейса и выхода керна считается применение установок с подвижным вращателем и ходом подачи до 6 м.
При колонковом бурении алмазными коронками диаметром 156,0 мм рекомендуется начинать рейс с осевой нагрузкой не более 300 кГ и скоростью вращения 20 об/мин. Такой режим соблюдается на интервале в несколько сантиметров. Затем нагрузку увеличивают до 1200 кГ, а число оборотов до 40 об/мин. Дальнейшее увеличение давления и оборотов производится после того, как коронка углубится примерно на 36 см и керн, минуя кернорватель, войдет во внутреннюю колонковую трубу.
Бурение осуществляется с промывкой водой или глинистым раствором. Глинистые растворы не требуют специальной обработки, однако предпочтение отдается растворам с вязкостью порядка 21—27 сек но СПВ-5. Наилучшие результаты достигнуты при использовании эмульсионных растворов.
Двойные колонковые снаряды для бурения скважин большого диаметра алмазными коронками выпускаются фирмой «Кристенсен, Аккер Дрилл K°» и др.
Толщина наружной трубы снаряда изменяется от 9,5 до 12,7 мм, а внутренней — от 6,3 до 9,5 мм. Кольцевой зазор между наружной и внутренней трубами колеблется в пределах 14,2—17,5 мм.
Установлено, что применение двойных колонковых снарядов иногда не обеспечивает достаточного выхода керна, так как иногда труба вращается или периодически проворачивается вместе с наружной. Причиной этого обычно является изгиб наружной трубы под действием осевой нагрузки. Это подтверждается следами прикосновения трубы к стенкам скважины.
Расстояние таких следов от забоя для трубы диаметром 114,3 мм составляет 2,3 м; диаметром 127 мм — 2,6 м; диаметром 141,3 мм — 2,7 м; диаметром 196,9 мм — 3,3 м. Для предотвращения изгиба на расстоянии 2,4—3,6 м от долота устанавливают стабилизаторы. Это позволяет на 64% увеличить скорость бурения, на 216% проходку на долото и на 47% снижает стоимость 1 м.
Наряду со стабилизатором практикуется применение наружных труб с увеличенной толщиной стенки, имеющих повышенный момент инерции. Так, увеличение момента инерции трубы диаметром 174,6 мм вдвое позволяет повысить осевую нагрузку на 30%. Скорость бурения при этом возрастает на 38%, проходка на коронку на 72%, а стоимость 1 м снижается на 26%.
В последнее время получили распространение двойные колонковые снаряды, наружная труба которых в нижней части имеет диаметр всего на 1,6 мм меньше диаметра скважины и снабжена каналами спиральной формы. Дополнительный стабилизатор устанавливается над колонковым снарядом.
В этом случае выход керна возрастает вдвое, а стоимость бурения снижается на 35%.
- Love Etc.
- Вращательное бурение с обратной промывкой
- Вращательное бурение с прямой промывкой
- Особенности оборудования для шнекового бурения с транспортировкой разрушенной породы на поверхность шнековой колонной
- Вращательное бурение с транспортировкой разрушенной породы на поверхность шнековой колонной
- Галлипольский полуостров
- Вращательное рейсовое бурение скважин большого диаметра
- Вращательное бурение без транспортировки породы на поверхность в процессе углубления (бурение короткими рейсами)
- Методика оценки различных методов бурения
- Геолого-технические условия бурения и требования к неглубоким скважинам различного назначения