Бурение желонкой с одновременной обсадкой скважины

Бурение желонками осуществляется, как правило, с одновременной или опережающей обсадкой скважины трубами, что необходимо для предотвращении обвалов стенок скважины.

Обычно при желонировании число ударов желонки о забой составляет 20 40 в 1 мин., а высота ее подъема 250—450 мм.

При проходке гравийно-галечных отложений высоту ударов уменьшают до 50—100 мм, а частоту увеличивают до 40—60 в 1 мин. Вес желонок составляет от 25 до 100 кг. Для повышения эффективности бурения их используют с ударными штангами весом до 100 кг, а при проходке более твердых пород без применения ударных долот применяют утяжеленные желонки весом до 800 кг. Во всех случаях при бурении желонкой с одновременной обсадкой не допускают ее выхода из-под башмака обсадных труб белее чем наполовину ее длины во избежание обрушения стенок скважины от поперечных ударов инструмента и его прихвата. В плывунах желонка постоянно работает в трубах, в которых находится пробка высотой до 1,5 м.

В процессе желонирования песок переводится во взвешенное состояние и в виде пульпы поступает в желонку. Часть этого песка остается в трубах после подъема желонки и поднимается лишь при следующем рейсе. При работе желонкой происходит «поддача пробки». В безнапорных скважинах это приводит к завышению объема извлеченного грунта в 1,4—3 раза по сравнению с номинальными размерами скважины, что отрицательно сказывается на достоверности опробования.

При проходке плывунов, в результате интенсивного вычерпывания желонкой, масса песка вблизи скважины также приходит в движение. В момент выхода желонки из плывунов и при ее подъеме происходит временное понижение уровня воды в скважине и движение плывунов за трубами к забою, что объясняется возникновением разряжения под желонкой. Расходка труб в этот момент способствует их погружению в скважину. Очевидно, что при бурении желонкой без систематического подлива в скважину воды происходит искажение разреза из-за неизбежности повторного желонирования каждого интервала и перемешивания грунта; поршневого эффекта при подъеме желонки, способствующего извлечению мелких фракций; заполнения полостей, образующихся и затрубном пространстве, наиболее тяжелым материалом с вышележащих горизонтов и вторичным их перебуриванием. Кроме того, от рейса к рейсу наиболее мелкие частицы песка остаются в скважине во взвешенном состоянии.

Сопоставление разрезов по скважине и шурфу показывает значительное искажение в первом случае, когда образец по существу аналогичен бороздовой пробе, характеризующей средний состав песка определенного интервала. Различие в содержании мелких фракций составляет от 10—15 до 20—30%. Отмечается большое смещение вниз по глубине гравийно-галечного материала, приводящее к искажению мощности слоев и занижению глубины подошвы на 3—4 м. Прослои суглинков претерпевают значительные изменения и иногда выпадают из разреза.

Из изложенного ясна важность правильной и своевременной обсадки скважин. В лучшем случае путем правильного поддержания высоты пробки в трубах удается добиваться их свободного погружения в скважину под действием собственного веса. Однако в большинстве случаев необходима принудительная обсадка, которая осуществляется путем забивки труб, их задавливания, расходки или вращения. Возможно также одновременное воздействие на трубы расходки или вращения с забивкой или задавливанием.

Забивка труб требует приложения значительных ударных нагрузок, так как приходится преодолевать лобовое сопротивление башмаку колонны на забое скважин и силы статического трения труб о стенки ствола. Очевидно, что эффективность удара снижается по мере увеличения диаметра скважины и ее глубины в связи с ростом сил трения, длины и массы труб, что требует повышения ударной массы, так как возрастает одновременно и деформация колонны.

Задавливание труб менее эффективно, чем забивка, так как требует приложения больших статических усилий. Даже при глубине скважины около 10 м может понадобиться усилие в несколько топи для того, чтобы обеспечить движение обсадной колонны. Наиболее рациональным способом принудительного спуска обсадных труб является сочетание их расходки или вращения с забивкой.

Расходка труб производится посредством изменения направления их вращения с углом поворота 20—40° и частотой до 60 поворотов в 1 мин, что соответствует 3—6 полным оборотам. При таком расхаживании трубы погружаются в скважину иногда даже без дополнительной забивки или задавливания, так как вращательное движение труб приводит к уменьшению коэффициента трения их о стенки скважины. Благодаря этому как забивка, так и задавливание колонны в сочетании с вращением или расхаживанием также становится более эффективным.

Вместе с тем такой способ расходки нельзя считать экономичным, поскольку при изменении направления вращении приходится преодолевать мгновенное повышение силы трения в моменты остановки колонны в связи с переходом от трения покоя к трению движения.

Болес целесообразно осуществлять постоянное вращение обсадной колонны в одном направлении. В этом случае величина сил трения стабилизируется. Башмак обсадной колонны при вращении разрушает породу резанием, либо разрыхляет ее, задавливая твердые включения в затрубное пространство или захватывая их внутрь труб. При реверсивной расходке в связи с низкой окружной скоростью не может происходить разрушения породы башмаком колонны и небольшой угол поворота затрудняет удаление твердых включении.

Как свидетельствует опыт работы оборудования, обеспечивающего вращение обсадных труб, величина необходимого для этого крутящего момента составляет в зависимости от характера разреза от 400—600 до 2000—3000 кГ*м при глубине скважин от 15 до 30 м и диаметре труб от 120 до 250 мм, т. е. удельная величина момента находится в пределах 70—150 кГ*м на 1 м2 поверхности труб.

В СКБ МГ России Г.К. Кузенковым была осуществлена регистрация крутящего момента при вращении 250-мм обсадной колонны на станке БУУ-1М. При глубине около 20 м величина момента составляла 2000 кГ*м, а при прекращении подачи колонны снижалась до 1000 кГ*м (рис. 23).

При обсадке скважины путем забивки труб значительные трудности связаны с извлечением обсадной колонны после завершения бурения, для чего приходится прибегать к выбивке одновременно с созданием натяжения, достигающего нескольких десятков тонн. Обсадные трубы, посаженные с расходной или вращением, извлекаются значительно быстрее и легче, благодаря уплотнению породы в стенках скважины.

Вместе с тем величина крутящего момента, возникающего при извлечении труб с вращением, согласно данным СКБ MT России, может в 1,5—2 раза и более превышать момент, необходимый в процессе обсадки (1800—2700 кГ*м против 1000—2000 кГ*м), что объясняется, видимо, подклинкой породы в кольцевом зазоре или зажимом труб породой в связи с потерей устойчивости стенок скважины.

Посадка обсадной колонны с вращением не только обеспечивает возможность проходки скважины в неустойчивых породах, по и создает предпосылки для повышения качества опробования, что подтверждено, в частности, опытом эксплуатации станка УБР-1 при поисках россыпных месторождений золота.

Предполагаемый продуктивный горизонт в этом случае полностью перебуривается обсадной колонной с вращением и забивкой, после чего порода, изолированная от стенок скважины, извлекается из труб желонкой или забивным стаканом или поднимается вместе с колонной. В результате исключается разубоживание или обогащение пробы и повышается достоверность поисковых работ.

Анализ рейсовых скоростей (рис. 24.а,б), полученных при ударно-канатном бурении желонкой с одновременной обсадкой в рыхлых неустойчивых породах на станках РБУ-50АС, Мега-Банка, БУК-75 и других, показывает, что при диаметрах скважин 150—300 мм начальные скорости находятся в пределах 4,5—11,7 м/ч, а декремент затухания 0,04—0,11.

Отмечается довольно четкая зависимость скорости бурения от диаметра скважины и обсадной колонны: начальная скорость для диаметра 127, 168, 219, 273 и 450 мм составляет соответственно 16, 12, 7, 5 и 4,5 м/ч при сохранении декремента затухания примерно постоянным. Вместе с тем при уменьшении мощности в 1,5 раза декремент затухания возрастает с 0,04 до 0,07, как это видно при сравнении показателен станков БУК-75 с двигателем мощностью 13 л. с. и БУК-20 с 8-сильным двигателем. Соответственно уменьшаются средние рейсовые скорости и возрастают затраты времени на бурение (рис. 25).

Бурение желонкой с одновременной обсадкой скважины