Бурение геологоразведочных скважин на поисково-оценочной стадии разведки

Целью проведения буровых работ являются бурение геологоразведочных скважин на поисково-оценочной стадии разведки. Основой для проведения работ послужил антрацит. Глубина скважины 300 метров, общее количество скважин 18, расстояние между скважинами 700 метров, общий метраж 5700 метров. Начальный зенитный угол забуривания 0. Глубина подсечения полезного ископаемого 90,175,280 метров. В интервале от 95 до 115 метров слабое поглощение промывочной жидкости. Водоснабжение — вода привозная. Энергоснабжение — дизель-генераторная станция. Глины привозные, каолинитовые. Срок проведения работ — 4 месяца.

1. Геолого-технические условия

1.1 Определение свойств горных пород

Геологический разрез представлен породами:

от 0 до 50 м — песчаник,

от 50 до 90 м — аргиллит,

от 90 до 95 м — антрацит,

от 95 до 115 м — аргиллит трещиноватый,

от 115 до 175 м — песчаник абразивный,

от 175 до 180 м — антрацит,

от 180 до 280 м — песчаник мелкозернистый,

от 280 до 283 м — антрацит,

от 283 до 300 м — алевролит.

Категорию горных пород по буримости оценивают по методу ЦНИГРИ, предварительно определяя расчетный показатель р_м, который учитывает динамическую прочность породы F_д по табл. П 1.1 [1, с. 135] и ее абразивность к_абр по табл. П 1.2 [1, с. 135]:

_м=3 Fд ^0.8 к_абр (1)

Песчаник

Коэффициент абразивности к_абр=0.5; коэффициент динамической прочности Fд=10.

_м=310^0.80.5=9.5

Категория по буримости — VI

Порода малоабразивная, среднеустойчивая, Выход керна плановый 70%, возможный 70%.

Аргиллит

Коэффициент абразивности к_абр=0.5; коэффициент динамической прочности Fд=12

_м=312^0.80.5=10.9

Категория по буримости — V

Порода малоустойчивая, легко разрушаемая. Выход керна плановый 70%, возможный 70%.

Антрацит

Коэффициент абразивности к_абр=0.5; коэффициент динамической прочности Fд=6.0

_м=36.0^0.80.5=6.4

Категория по буримости — IV-V

Порода среднеустойчивая, легко разрушаемая гидродинамическими нагрузками и вибрационными снарядами, слаботрещинноватая, Выход керна плановый 60%, возможный 85%.

Аргиллит трещиноватый

Коэффициент абразивности к_абр=0.5; коэффициент динамической прочности Fд=10.0

_м=310^0.80.5=9.5

Категория по буримости — V

Порода среднеустойчивая, разрушаемая гидродинамическими нагрузками и вибрациями снаряда. Выход керна плановый 70%, возможный 70%.

Песчаник абразивный

Коэффициент абразивности к_абр=0.9; коэффициент динамической прочности Fд=12

_м=312^0.80.9=19,7

Категория по буримости — VII

Порода среднеустойчивая, абразивная, слаботрещинноватая.

Возможный выход керна 70%, плановый 70%.

Антрацит

Коэффициент абразивности к_абр=0.5; коэффициент динамической прочности Fд=6.0

_м=36.0^0.80.5=6.4

Категория по буримости — IV-V

Порода среднеустойчивая, разрушаемая гидродинамическими нагрузками и вибрационными снарядами, слаботрещинноватая. Выход керна возможный 70%, плановый 85%.

Песчаник мелкозернистый

Коэффициент абразивности Кабр=0.7; коэффициент динамической прочности Fд=11.5.

_м=3· 11.5^0.8·0.7=1

Категория по буримости — VI

Порода среднеустойчивая, трещиноватая. Выход керна возможный 70%, плановый 70%.

Антрацит

Коэффициент абразивности к_абр=0.5; коэффициент динамической прочности Fд=6.0

_м=3*6.0^0.8*0.5=6.4

Категория по буримости — IV-V

Порода среднеустойчивая, разрушаемая гидродинамическими нагрузками и вибрационными снарядами, слаботрещинноватая.

Выход керна возможный 60%, плановый 85%.

Алевролит

Коэффициент абразивности Кабр=0.5; коэффициент динамической прочности Fд=12.

_м=3*12^0.8*0.5=11

Порода средней твердости.

Категория по буримости — V

Порода среднеустойчивая, малоабразивная, слаботрещинноватая. Выход керна плановый 70%, возможный 70%.

2. Обоснование способа бурения

Из основных способов бурения скважин, применяемых при геологоразведочных работах, самым целесообразным в данном случае является колонковое вращательное. Этот выбор обоснован тем, что скважины бурятся с отбором керна и необходимо получать представительные образцы пород с сохранением их структуры и свойств.

2.1 Выбор конструкций скважины

Конструктивно скважина состоит из ствола, пробуренного в горных породах, обсадных колонн и тампонажного камня, заполняющего целиком или частично пространство между колоннами и стенками ствола.

Конструкцию скважины характеризует число спущенных в нее колонн и их диаметры, длина ствола под каждую колонну, а также местоположение интервалов цементирования.

Проектирование конструкции начинается с анализа, минимально — допустимого диаметра керна (_кmin) по полезному ископаемому.

На основании анализа осложнений выделяются интервалы с несовместимыми условиями бурения. Обеспечение же безаварийности проводки скважины при бурении по интервалам с несовместимыми условиями бурения возможно лишь либо перекрытием данных зон обсадными колоннами, либо применением высококачественных промывочных жидкостей.

На поисково-разведочной стадии разведки полезное ископаемое — антрацит, по таблице 2.1 [1, с. 18] определяем рекомендуемый минимально-допустимый диаметр керна, _кmin=32 мм.

Для определения минимально возможного диаметра коронки _кmin используем формулу:

_кmin=_кmin, (2)

где — уменьшение диаметра керна в зависимости от категории горной породы по буримости, = 4.

Ориентировочно может быть определена по формуле:

=20−8ln, (3)

=20−8ln4=8.9 мм

_kmin328.9=40.9 мм Принимаем коронку с наружным и внутренним диаметрами 76 и 41 мм соответственно.

Для бурения по полезному ископаемому выбираем снаряд конструкции Донбасс-НИЛ-II, который специально разработан для разведки угольных месторождений. Его отличие в том, что керноприемная труба снабжена дополнительной коронкой и при бурении мягких пород опережает трубу корпуса, действуя, как штамп (без вращения).

При встрече прослоек более крепких пород керноприемная труба начинает вращаться вместе с корпусом, разбуривая эти породы. Такая конструкция позволяет получить высокий процент выхода керна.

Конструкция скважины предусматривает один переход по диаметру ПРИ, одну обсадную трубу в интервале 0 — 4 м диаметром 89 мм.

Бурение в интервале от 0 до 4 м осуществляется твердосплавной коронкой СА1 диаметром 93 мм. После отбуривания данного интервала, устанавливается обсадная труба диаметром 89 мм. Затем производится тампонирование затрубного пространства цементным раствором.

В интервале от 4 до 90 м бурение производится твердосплавной коронкой СМ3 диаметром 76 мм.

В интервале от 90 до 95 м бурение осуществляется двуколонковым снарядом Донбасс — НИЛ-II.

Бурение в интервале от 95 до115 м осуществляется твердосплавной коронкой СМ4 диаметром 76 мм.

В интервале от 115 до 175 м бурение производится твердосплавной коронкой СА2 диаметром 76 мм.

В интервале от 175 до 180 м бурение осуществляется двуколонковым снарядом Донбасс — НИЛ-II.

Бурение в интервале от 180 до 280 м осуществляется твердосплавной коронкой СА2 диаметром 76 мм.

В интервале от 280 до 283 м бурение осуществляется двуколонковым снарядом Донбасс — НИЛ-II.

Бурение в интервале от 283 до 300 м осуществляется твердосплавной коронкой СМ3 диаметром 76 мм.

2.2 Описание конструкции скважины шифрами

1. Классификация Козловского Е.А.

2. Классификация ВИТРа.

1. Классификация по Козловскому Е. А.: А II (4.5; 41) в (4; 40; 125)

2. Классификация по ВИТРу: 93 (89) Т 76Т

2.3 Построение профиля скважины

Глубина подсечения первого пласта L=90 м.

Глубина башмака обсадной трубы L₂ =4 м.

угол падения пласта полезного ископаемого г =15⁰;

Минимальный угол встречи пласта полезного ископаемого в=75⁰;

Зенитный угол скважины на глубине L-и_в определяется по формуле и_в= (г+в) — 90 (4)

и_в= (15+75) — 90=0⁰

Начальный зенитный угол скважины определяется по формуле И₀ = и_в — (L-L₂)*i/100; (5)

И₀ = 0 — (90−4)*1/100=0.86;

Угол забуривания скважины Ю=90 — И_0; (6)

Ю=90 — 0.86=89.14⁰;

угол встречи пласта полезного ископаемого на глубине 283 м в=90⁰— г +и_в = 90⁰-15⁰+75⁰ = 78⁰.

зенитный угол скважины на глубине 300 м и_в =3⁰;

Рис. 1. Построение профиля скважины при пересечении первого пласта полезного ископаемого: 1 — первый пласт полезного ископаемого; 2 — обсадная колонна; 3 — ствол скважины ниже последней обсадной колонны; 4 — касательная к оси скважины в точке встречи с кровлей пласта.

3. Буровое оборудование

3.1 Выбор буровой установки

На основе анализа характеристик установок, позволяющих бурить скважину на планируемую глубину, выбираем наиболее эффективное УКБ-4П.

В комплект установки входят: буровой станок СКБ-4, буровой насос НБ3−120/40, буровое здание ПБЗ-4, труборазворот РТ-1200М и транспортная база ТБ-15.

Таблица 2. Техническая характеристика буровой установки УКБ — 4П

3.2 Буровой станок СКБ-4

Станок СКБ — 4 предназначен для бурения геологоразведочных скважин глубиной 300 м твердосплавными и 500 м — алмазным ПРИ. Станок имеет моноблочную конструкцию. Вращатель шпиндельного типа имеет два зажимных гидравлических патрона.

Таблица 3. Техническая характеристика станка СКБ — 4

3.3 Буровой насос НБЗ-120/40

Большинство способов бурения требует промывки скважин в процессе ее углубки. Основным назначением промывки является удаление с забоя и из ствола скважины продуктов разрушения горных пород и бурового инструмента, охлаждение породоразрушающего инструмента, поддержание устойчивого состояния стенок скважины. Подача промывочной жидкости в скважину в процессе ее промывки осуществляется при помощи насосов, которые входят в состав буровой установки. Данная установка укомплектована буровым насосом НБ3−120/40. Техническая характеристика бурового насоса представлена в табл. 4.

Таблица 4. Техническая характеристика бурового насоса НБ3−120/40

3.4 Буровая мачта

Буровая мачта представляет собой одностержневую трубчатую конструкцию, шарнирно опирающуюся на портал, который расположен в карманах бурового здания и крепится к основанию мачты. Для придания мачте необходимой устойчивости применяются два подкоса — продольный и поперечный. С помощью продольного телескопического подкоса мачта выводится на требуемый угол при наклонном бурении. Подъем ее в рабочее положение и опускание для транспортирования проводятся с помощью специальных гидроцилиндров.

Таблица 5. Техническая характеристика буровой мачты БМТ-4

3.5 Буровое здание

Буровое здание представляет собой объемную металлоконструкцию, обшитую алюминиевыми панелями с теплоизоляционной прослойкой. Полезная площадь здания 21 м². Конструктивные особенности здания заключаются в использовании панелей, гнутых профилей, пенополистирольного утеплителя, цельнометаллической наружной облицовки. Здание имеет специальный выдвижной тамбур для увеличения рабочей площади при ведении буровых работ. При переводе буровой установки в транспортное положение выдвижной тамбур убирается внутрь здания. В потолке бурового здания расположен люк для пропуска талевой системы и бурильных труб при спуско-подъемных операциях. Система обогрева помещения-электрическая с помощью электрокалориферов. В холодное время года температура в здании поддерживается не ниже 15 °C. Освещение внутреннего помещения как естественное через застекленные окна, так и электрическое. Автономная система водоснабжения включает бак, насос, водоподогреватель. Электроснабжение установки осуществляется от сети переменного тока напряжением 380 В. От вводного рубильника электроэнергия подается к шкафу управления, а от него к буровому станку, промывочному насосу и распределительному пульту, затем к электропечам, водонагревателю, воздухонагревателю, светильникам и прожектору, установленному на крыше здания. Конструкция установки предусматривает возможность ее транспортирования на большие расстояния с помощью подкатной базы ТБ-15

Для соединения установки с транспортной базой ее поднимают с помощью гидравлических домкратов и крепят специальными устройствами. На близкие расстояния установка может передвигаться волоком на полозьях основания буровой мачты.

3.6 Труборазворот РТ-1200М

Механизм устанавливается на устье скважины, пропускает свечу через центральное отверстие в корпусе, имеет замкнутый контур редуктора вращателя. Конструкция его представляет собой редуктор, передающий от электродвигателя водилу вращение, которое воздействует на ведущую вилку, вставленную в прорезь замка трубы. Нижняя часть замкового соединения удерживается в корпусе механизма подкладной вилкой. Он предназначен для свинчивания и развинчивания бурильных труб в процессе спуско-подъёмных операций. Его применяют с обычным и полуавтоматическим элеваторами при бурении вертикальных и наклонных скважин

3.7 Выбор бурильных труб

При колонковом бурении через бурильную колонну передается осевое усилие на породоразрущающий инструмент, необходимое для внедрения разрушающих элементов в породу. Кроме того, колонна бурильных труб является каналом для подведения к породоразрушающему инструменту очистного агента.

С учетом конструкции скважины, технической характеристикой станка, выбирается тип бурильных труб СБТН-54.

Таблица 6. Техническая характеристика стальных бурильных труб СБТН-54

4. Разработка режимов бурения

бурение горный труборазворот насос

По всему интервалу бурения будет применяться твердосплавные коронки и глинистый раствор.

Режимы бурения твердосплавным ПРИ

К режимным параметрам твердосплавного бурения относятся:

1. осевая нагрузка на ПРИ, кг;

2. частота вращения коронки, об/мин;

3. расход промывочной жидкости, л/мин

Осевая нагрузка на коронку _о определяется, исходя из количества основных резцов и удельной нагрузки на один резец.

_о = *G_y (7)

где — число основных резцов;

G_y — удельная нагрузка на один резец;

Частота вращения коронки определяется по формуле:

(8)

где — частота вращения коронки, об/мин;

₀ — окружная скорость коронки;

_с средний диаметр коронки, м.

Средний диаметр коронки можно определить по формуле:

(9)

де D_в — внутренний диаметр коронки, м.

D_н — наружный диаметр коронки, м.

Расход промывочной жидкости Q (л/мин) определяется по формуле:

Q = q_t*D_н, (10)

где q_t — расход промывочной жидкости на 1 см диаметра коронки, л/мин;

D_н — наружный диаметр коронки, см.

I интервал 0 — 4 м.

Для бурения по данному интервалу применяется ПРИ диаметром 93 мм типа СА1.

Осевая нагрузка (в кН) определяется по формуле (7):

m=16; G_у =50 кН [1, c. 48].

G_о =16*50=800 кН.

Частота вращения коронки рассчитывается по формуле (8), а средний диаметр коронки можно определить по формуле (9), ₀ = 1,5 м/с [1, c. 48],

D_в = 0,075 м, D_н = 0,093 м.

м, об/мин.

Расход промывочной жидкости (в л/мин.) определяется по формуле (10):

q_t = 12 л/мин, D_н = 9.3 см

л/мин.

II интервал 4 -50 м.

Для бурения по данному интервалу применяется ПРИ диаметром 76 мм типа СА1.

Осевая нагрузка (в кН) определяется по формуле (7):

m=12; G_у =50 кН [1, c. 48].

G_о =12*50=600 кН.

Частота вращения коронки рассчитывается по формуле (8), а средний диаметр коронки можно определить по формуле (9), ₀ = 1,5 м/с [1, c. 48],

D_в = 0,059 м, D_н = 0,076 м.

м, об/мин.

Расход промывочной жидкости (в л/мин.) определяется по формуле (10):

q_t = 12 л/мин, D_н = 7.6 см

л/мин.

Рис. 2. Основные конструктивные элементы коронок типов СА:

1 — корпус коронки; 2 — резьбовая часть; 3 — конусная расточка; 4 — промывочный канал; 5 — шламовый паз; 6 — зубья; 8 — основные резцы; 11 — режущие вставки;

III интервал 50 — 90 м.

Для бурения по данному интервалу применяется ПРИ диаметром 76 мм типа СМ3

Осевая нагрузка (в кН) определяется по формуле (7):

m=6; G_у =60 кН [1, c. 48].

G_о =6*60=360 кН.

Частота вращения коронки рассчитывается по формуле (8), а средний диаметр коронки можно определить по формуле (9), ₀ = 1,6 м/с [1, c. 48],

D_в = 0,059 м, D_н = 0,076 м.

м, об/мин.

Расход промывочной жидкости (в л/мин.) определяется по формуле (10):

q_t = 16 л/мин, D_н = 7.6 см

л/мин.

IV интервал 90 — 95 м.

Для бурения по этому интервалу используются укороченные рейсы по 2 м. Бурение производится двухколонковым снарядом Донбасс-НИЛ-II.

_о = 300 кН, n = 300 об/мин, Q = 70 л/мин.

V интервал 95 — 115 м.

Для бурения по данному интервалу применяется коронка диаметром 76 мм типа СМ4 (рис 3.).

Осевая нагрузка (в кН) определяется по формуле (7):

m=9; G_у =50 кН [1, c. 48].

G_о =9*50=450 кН.

Частота вращения коронки рассчитывается по формуле (8), а средний диаметр коронки можно определить по формуле (9), ₀ = 1,5 м/с [1, c. 48],

D_в = 0,058 м, D_н = 0,076 м.

м, об/мин.

Расход промывочной жидкости (в л/мин.) определяется по формуле (10):

q_t = 12 л/мин, D_н = 7.6 см

л/мин.

Рис. 3. Основные конструктивные элементы коронок типов СМ:

1 — корпус коронки; 2 — резьбовая часть; 3 — конусная расточка; 4 — промывочный канал; 5 — шламовый паз; 6 — зубья; 8 — основные резцы; 9 — подрезные резцы; 10 — дополнительные подрезные резцы

VI интервал 115 — 175 м.

Для бурения по данному интервалу применяется коронка диаметром 76 мм типа СА2

Осевая нагрузка (в кН) определяется по формуле (7):

m=12; G_у =50 кН [1, c. 48].

G_о =12*50=600 кН.

Частота вращения коронки рассчитывается по формуле (8), а средний диаметр коронки можно определить по формуле (9), ₀ = 1,5 м/с [1, c. 48],

D_в = 0,059 м, D_н = 0,076 м.

м, об/мин.

Расход промывочной жидкости (в л/мин.) определяется по формуле (10):

q_t = 12 л/мин, D_н = 7.6 см

л/мин.

VII интервал 175 — 180 м.

Для бурения по этому интервалу используются укороченные рейсы по 2 м. Бурение производится двуколонковым снарядом Донбасс-НИЛ-II.

_о = 300 кН, n = 300 об/мин, Q = 70 л/мин.

VIII интервал 180 — 280 м.

Для бурения по данному интервалу применяется коронка диаметром 76 мм типа СА2

Осевая нагрузка (в кН) определяется по формуле (7):

m=12; G_у =50 кН [1, c. 48].

G_о =12*50=600 кН.

Частота вращения коронки рассчитывается по формуле (8), а средний диаметр коронки можно определить по формуле (9), ₀ = 1,5 м/с [1, c. 48],

D_в = 0,059 м, D_н = 0,076 м.

м, об/мин.

Расход промывочной жидкости (в л/мин.) определяется по формуле (10):

q_t = 12 л/мин, D_н = 7.6 см

л/мин.

IX интервал 280 — 283 м.

Для бурения по этому интервалу используются укороченные рейсы по 2 м. Бурение производится двуколонковым снарядом Донбасс-НИЛ-II.

_о = 300 кН, n = 300 об/мин, Q = 70 л/мин.

X интервал 180 — 280 м.

Для бурения по данному интервалу применяется ПРИ диаметром 76 мм типа СМ3

Осевая нагрузка (в кН) определяется по формуле (7):

m=6; G_у =60 кН [1, c. 48].

G_о =6*60=360 кН.

Частота вращения коронки рассчитывается по формуле (8), а средний диаметр коронки можно определить по формуле (9), ₀ = 1,6 м/с [1, c. 48],

D_в = 0,059 м, D_н = 0,076 м.

м, об/мин.

Расход промывочной жидкости (в л/мин.) определяется по формуле (10):

q_t = 16 л/мин, D_н = 7.6 см

л/мин.

Таблица 7. Сводные сведения по расчету режимных параметров твердосплавными коронками

5. Расчет и выбор схемы талевой системы, определение нагрузки на вышку

5.1 Расчет и выбор схемы талевой системы

Схема талевой системы определяется числом рабочих ветвей и местом закрепления второго конца каната. Число рабочих ветвей талевой системы

(11)

где G_кр — нагрузка на крюк при подъеме колонны с конечной глубины в период разгона с учетом прихвата и сил трения о стенки скважины, кгс;

Р_лн — номинальное тяговое усилие лебедки при минимальной скорости навивки каната на барабан, кгс; Р_лн = 2500 кг [см. табл. 3];

з — КПД талевой системы, зависящий от числа рабочих ветвей m, принимается по табл. 6.8 [1, с. 88].

Для расчета нагрузки на крюк (в кгс) используется формула

(12)

где q — усредненная масса 1 м бурильных труб с учетом высадки концов и соединений в свечи (в кгс), q = 5,49 кгс [см. табл. 6];

б₁ — коэффициент, учитывающий увеличение массы трубы за счет соединений, б₁ = 1,05 [1, с. 88];

Q_ср — средний зенитный угол скважины, град.

(13)

f_тр — коэффициент трения, f_тр = 0,3 [1, с. 82];

б₂ — коэффициент, учитывающий дополнительные сопротивления при подъеме, обусловленные искривлением скважины, прихватами в отдельных участках скважины, б₂ = 1,2 по табл. 6.9 [1, с. 89];

G — вес подвижной части талевой системы (кгс), G = 150 кгс;

g = 9,81 м/с² — ускорение свободного падения;

t = 1,5 — время разгона буровой колонны;

V_кр1 — равномерная скорость подъема крюка (в м/с), V_кр1 = 0,9 м/с по табл. 2.

= - отношение плотности глинистого раствора к плотности стали;

L_скв = 300 м — глубина скважины.

G_кр = ((1,05*1,2*5,49*300*(1−0,15)*(cos 1,5⁰ + 0,3*sin 1,5⁰) + 150)*(1+) = 2173 кгс. з = 0,966 по табл. 6.8 [1, с. 88];

Принимается талевая система TC 0×1 (рис 4.).

Рис. 4. Схема талевой системы ТС 0Ч1

5.2 Определение нагрузки на вышку

Усилия на мачту Р_м (кгс) при талевой системе ТС 0×1 может быть определенно как:

(14)

Номинальная грузоподъемность мачты 32 кН = 3200 кгс; максимальная нагрузка 8000 кгс. Так как рассчитанная нагрузка на мачту не превышает допустимую (4422<8000, кгс) значит, выбранная талевая система удовлетворяет допустимые параметры мачты.

6. Качественное опробование угольных пластов

6.1 Факторы, определяющие условия получения образцов пород или проб полезных ископаемых

При вращательном бурении скважин средством отбора проб или образцов пород являются колонковые снаряды. Сохранность, следовательно, и качество получаемых при этом образцов или проб зависят, в первую очередь, от физико-геологических и физико-технических свойств пород или полезных ископаемых.

Все основные факторы, влияющие на формирование керна, по характеру и степени влияния могут быть разделены на четыре группы или класса: геологические, технические, технологические и организационные.

Влияние геологических факторов связано с проявлением разнообразных свойств горных пород. Свойства горных пород определяются их структурой и текстурой и проявляются в способности разрушаться или разделяться на отдельные элементы при наличии определённых признаков: делимости, слоистости, сланцеватости, кливажа, трещиноватости, наличия прожилков и включений. Поведение пород зависит, в свою очередь, от целого ряда физико-технических свойств, к числу которых относятся: прочность, сыпучесть, размываемость и др.

Действие факторов технического характера связано главным образом со способом бурения, конструктивными особенностями и параметрами применяемых буровых снарядов и динамикой их работы. При этом наблюдаются: действие колебаний, вибраций и ударов снаряда или коронки, действие сил трения керна о снаряд и кусочков друг о друга, действие потока очистного агента на керн.

Действие технологических факторов связано со способом и параметрами режима бурения, продолжительностью времени чистого бурения в рейсе и величиной углубки за рейс, состоянием скважины и др.

К числу технологических факторов, прежде всего, относится режим бурения, характеризующийся частотой вращения снаряда, осевой нагрузкой, частотой и интенсивностью циркуляции очистного агента. Кроме того, к этой группе факторов относится технология подъёма колонкового снаряда из скважины.

К числу факторов организационного характера, влияющих на получение качественного керна, относятся: квалификация бурового персонала, контроль за выполнением основных требований и рекомендаций по отбору керна, наличие рациональных средств для отбора керна и их техническое состояние, наличие контрольно-измерительной аппаратуры и надёжность её работы.

Эффективность отбора керна в большой степени зависит от подготовленности буровой бригады к этому процессу, от своевременного принятия и оптимального решения других организационных процессов.

6.2 Способы и средства повышения представительности керна при колонковом бурении скважин

Повышение качества образцов пород или проб полезных ископаемых, получаемых при колонковом способе бурения, возможно различными путями в зависимости от геолого-технических условий бурения: применением рациональной технологии, устранением или уменьшением отрицательного действия ряда причин, ухудшающих условия формирования керна, и, наконец, применения специальных буровых снарядов.

К средствам получения керна в процессе бурения скважин с удалением продуктов разрушения очистными агентами относятся колонковые снаряды типов (по конструктивному признаку): с одной колонковой трубой (ОКС) и с двумя (ДКС). В последнем случае вторая (внутренняя) труба играет роль керноприёмника (КП).

При бурении обычными (одинарными) колонковыми снарядами основным средством повышения представительности керна является, прежде всего, улучшение качества используемых буровых снарядов и устранение факторов технологического и организационного характера, отрицательно влияющих на получение керна. Во избежание потери керна при подъёме БС в связи с действием гидростатического давления столба промывочной жидкости на керн применяют сливные переходники или шаровой клапан, сбрасываемый по бурильным трубам перед подъёмом снаряда.

Отрицательное действие скоростного напора потока очистного агента можно уменьшать снижением скорости его движения (циркуляции) в колонковом снаряде без снижения интенсивности очистки скважины от продуктов разрушения. Если при этом скорость восходящего потока не будет обеспечивать удаление шлама из призабойной зоны, то в состав бурового снаряда необходимо включить шламоулавливающую трубу. Наиболее эффективным является переход на обратную схему циркуляции очистного агента. При восходящем потоке жидкости в колонковом снаряде керн не только не подвергается действию скоростного напора, а наоборот, приподнимается или даже поднимается вверх, вплоть до полного удаления из колонкового снаряда, что используется с целью транспортирования его на поверхность при бурении с гидроили пневмотранспортном керна.

6.3 Колонковые снаряды для получения образцов легко разрушаемых пород или полезных ископаемых

В связи с большим многообразием условий получения образцов пород или полезных ископаемых разработано большое число конструкций колонковых снарядов, отличающихся конструктивными элементами в соответствии с условиями применения, некоторыми технологическими признаками и по назначению. По конструктивным признакам колонковые снаряды делятся на одинарные и двойные.

Одинарные колонковые снаряды применяются в нормальных геолого-технических условиях. Двойные колонковые снаряды предназначены для получения образцов легко разрушаемых под действием различных факторов пород или полезных ископаемых.

По технологическому признаку выделяют снаряды, работающие с удалением продуктов разрушения очистным агентом при полной, неполной или комбинированной схемах его циркуляции.

По конструктивным признакам ДКС можно разделить на два типа: с несъёмной и съёмной керноприёмной трубой (ДКС-НсКп, ДКС-СКп), которые, в свою очередь, делятся на три группы: ДКС с вращающимся при бурении керноприёмником (ДКС-КпВ), с невращающимся керноприёмником (ДКС-КпН) и с керноприёмником комбинированного действия (ДКС-КпК).

Наконец, по назначению ДКС могут служить для отбора только образцов пород (керна) или отбора керна и газа (ДКС-КпГн). С учётом многообразия условий получения керна и большого количества факторов, отрицательно сказывающихся при его формировании, двойные колонковые снаряды должны отвечать определённым требованиям, основными из которых являются следующие: защита керна от действия потока очистного агента, циркулирующего в призабойной зоне; защита керна от действия сил трения, поперечных колебаний вибраций и ударов; защита керна от действия избыточного давления столба промывочной жидкости; возможность бурения и сохранения керна при пересечении переслаивающихся пропластков твёрдых пород и неустойчивого полезного ископаемого (залежей сложного строения); надёжный захват и надёжное его удержание керна при его срыве и подъёме снаряда; возможность отбора керна и газа.

Основными конструктивными элементами ДКС являются: соединение керноприёмника с буровым снарядом; породоразрушающий орган; циркуляционная система и схема движения очистного агента в каналах снаряда; конструкция керноприёмника и кернозахватывающего устройства. Присоединение керноприёмника в ДКС может быть: неподвижным (жёстким), подвижным или комбинированным.

Двойные колонковые снаряда с несъёмным керноприёмником (ДКС-НсКп) служат для получения керна при бурении скважин недостаточно устойчивых, сложных по своим свойствам пород и полезных ископаемых. По конструктивному исполнению ДКС-нСкП могут быть с вращающимся при бурении керноприёмником (ДКС-В), невращаюшимся керноприёмником (ДКС-Н) и комбинированного типа (ДКС-К).

По реализуемой схеме циркуляции очистного агента ДКС могут быть без циркуляции потока в керноприёмной трубе, с обратной циркуляцией потока, создаваемой напором насоса, с разделением потока за счёт подбора гидравлических сопротивлений в циркуляционных каналах.

Известно большое количество конструкций ДКС-НсКп, созданных различными организациями: ВИТРом, КазИМСом, ТПИ, ДонбассНИЛом и многими геологическими подразделениями. Однако широкое применение в производстве находят немногие из них в связи с присущими им недостатками, главным из которых является ограниченная область применения каждой из предложенных конструкций.

Двойные колонковые снаряды с вращающимся при бурении керноприёмником (ДКС-В) предназначены для отбора керна при бурении пород или полезных ископаемых, легко размываемых промывочной жидкостью, но достаточно устойчивых по отношению к действию механических факторов. К числу снарядов этого типа относятся ТДВ-1 и ТДВ-2 (конструкции ВИТРа), ДКНТ-ВП-II (конструкции КазИМСа), ТД (конструкции ПГО «Южноказгеология»), ДОК (конструкции Киргизского ГУ, СКБ ВПО «Союзгеология»).

Двойные колонковые снаряды с невращающимся при бурении керноприёмником предназначены для отбора керна при бурении в сложных геологических условиях, когда керн разрушается практически под воздействием факторов всех видов, связанных с процессом углубки скважины. Сюда относятся ДКС, работающие без циркуляции жидкости в керноприёмнике, с обратной схемой циркуляции и комбинированной.

Двойные колонковые снаряды, работающие без циркуляции потока промывочной жидкости в керноприёмнике, предназначены главным образом для бурения сравнительно мягких пород или полезных ископаемых, таких как уголь, фосфориты и др. К этой группе снарядов относятся: ТДН-1, ТДН-2; ДКС-У (конструкции ТПИ); ДК-57, ДК-46, ДК-44, ДКТБ-2; ДКТ; Д1; ДТА-2; снаряды конструкции Донбасс НИЛ-I и др.

Двойные колонковые снаряды со съемным керноприемником

Снаряды со сменным керноприемником успешно применяются для бурения и горизонтальных скважин из подземных выработок. Доставка керноприемника пологонаклонных к забою при этом осуществляется потоком жидкости или сжатого воздуха со скоростью 50−37 м/мин, а извлечение — с еще большей скоростью. Снаряды этой группы по способу формирования керна могут быть трех типов: с вращающейся при бурении керноприемной трубой, оснащенной обуривающим ПРИ; с невращающейся при бурении керноприемной трубой, оснащенной ПРИ типа «штамп», и снаряды с невращающейся при бурении внутренней трубой, имеющие коронку обу-ривающего типа. Отечественной промышленностью выпускались комплексы технических средств для бурения геологоразведочных скважин алмазным ПРИ со съемными керноприемниками конструкции СКБ-КССК-76 и ВИТР-ССК-76 и ССК-59, разработанные в ВПО «Союзгеотехника». В комплекс входят специальные бурильные трубы, спуско-подъемный вспомогательный и аварийный инструмент, а также лебедка и ДКС-СК. Колонковый снаряд включает съемный керноприемник и детали, формирующие наружный корпус.

6.4 Определение момента встречи угольных пластов

Регистрация момента смены пластов полезных ископаемых и пород при бурении имеет большое значение и осуществляется различными способами. В основу некоторых способов положены геологические признаки или механические свойства пород и полезных ископаемых, определяющих их буримость. Возможно, использовать для этой цели и некоторые физические свойства (электрические, магнитные, радиоактивные и др.).

Контроль по глубине залегания контакта встречаемого пласта возможен в том случае, когда известен геологический разрез и положение в пространстве маркирующих горизонтов, встреча которых является сигналом. Как самостоятельный этот метод не имеет практического значения, так как он является весьма неточным. Обычно неизвестна глубина того или иного контакта или мощность маркирующего горизонта с необходимыми пределами точности.

Контроль по характеру шлама или цвету промывочной жидкости, выходящей из скважины, также является малонадёжным способом. Регистрация момента выхода жидкости со шламом изучаемого пласта из устья скважины не всегда совпадает с моментом встречи этого пласта забойным инструментом. Происходит это с запозданием. Величина запаздывания тем больше, чем глубже скважина, чем меньше скорость восходящего потока и несущая способность жидкости.

Контроль по изменению механических свойств пород основан на различной величине сопротивления пород или полезных ископаемых разрушению. Это сказывается, прежде всего, на изменении механической скорости бурения, величине затрачиваемой энергии на разрушение пород, величине крутящего момента на шпинделе станка. С изменением механической скорости бурения связано изменение давление в гидросистеме станка или в индикаторе веса. Наконец, с изменением механических свойств пород связано изменение упругих колебаний бурового снаряда и изменение звуковых эффектов (шумов).

Практически описанные выше способы могут быть использованы комплексно: фиксируется изменение механической скорости бурения и глубина скважины; прекращается бурение и скважина промывается в течении требуемого для данных условий времени и по шламу или цвету жидкости определяется характер встреченной породы или полезного ископаемого.

Сигнализатор встречи угольных пластов С-ТПИ

Сигнализатор С-ТПИ предназначен для измерения и регистрации механической скорости бурения и подачи светового и звукового сигналов о встрече пласта угля при резком возрастании скорости бурения; являясь измерителем механической скорости бурения, сигнализатор позволяет подбирать оптимальные режимы бурения.

Сигнализатор С-ТПИ построен на базе регистратора РСГ-ТПИ с добавлением узла сигнализации и сигнальных приборов.

Краткие данные сигнализатора С-ТПИ

Диапазон измерения, см/мин…0−20, 0−40

Контрольные скорости встречи, см/мин…15, 20, 25, 30, 35

Погрешность измерения, %???8

Сигнал…световой, звуковой

Источник питания…220 В?20%, 50 Гц

Методика встречи пласта угля при работе с сигнализатором заключается в следующем. При известной скорости встречи пласта угля на пульте с помощью с помощью переключателя контрольных скоростей встречи заранее устанавливается данная скорость; при известной скорости встречи на пульте устанавливается одна из минимальных скоростей. При достижении установленной скорости сигнализатором подаются сигналы.

При известном залегании в кровле угольных пластов слабо буримых аргиллитов и тонких алевролитов, имеющих буримость 3−5 см/мин, возможно распознать пласт угля за 5−10 см до встречи по плавному повышению скорости бурения до 10−15 см/мин. В этом случае переключатель контрольных скоростей сигнализатора может быть поставлен на 15 см/мин, и на встречу угольного пласта потребуется незначительный интервал — максимум 5−10 см.

При хорошо буримых породах (15−20 см/мин) следует обращать внимание на значения мгновенных скоростей бурения (на поведение стрелки прибора). Обычно угли по своему составу и строению более равномерны, чем порода, поэтому и буримость их более равномерная. При больших скоростях бурения или возрастания скорости до 20−25 см/мин необходимо проследить за поведением стрелки прибора: при значительных колебаниях мгновенных скоростей (?15 см/мин) можно утверждать, что на забое порода; плавные и незначительные изменения мгновенных скоростей (2−3 см/мин) при той же средней скорости дают основание предполагать, что на забое уголь.

6.5 Выбор снаряда

На основе проведенного анализа снарядов выбираем снаряд конструкции Донбасс-НИЛ-II (рис 5.), который специально разработан для разведки угольных месторождений. Его отличие в том, что керноприемная труба снабжена дополнительной коронкой и при бурении мягких пород опережает трубу корпуса, действуя, как штамп (без вращения).

При встрече прослоек более крепких пород керноприемная труба начинает вращаться вместе с корпусом, разбуривая эти породы. Такая конструкция позволяет получить высокий процент выхода керна.

Рис. 5. ДКС конструкции «Донбасс — Нил»

1 переходник; 2 колонковая труба; 3 упорный шариковый подшипник; 4 тарельчатые пружины; 5 шаровый клапан; 6 керноприемная труба; 7 внутренняя коронка (штамп); 8 наружная коронка; 9 фрикцион; 10 верхняя обойма вибратора; 11 нижняя невращающаяся обойма вибратора.

7. Предупреждение и ликвидация аварий

Аварии в скважине происходят из-за нарушения ее нормального состояния. Аварии приводят к временному прекращению процесса бурения, а в ряде случаев, к непредусмотренному закрытию скважины. На ликвидацию аварий затрачивается много времени и средств, что в конечном счете повышает стоимость буровых работ. Поэтому необходимо принимать все меры по предупреждению аварий.

Постоянное повышение квалификации работников геологической службы, выполнение ими всех требований рационального ведения буровых работ является одним из главных условий максимального сокращения происходящих аварий.

Необходимым условием снижения аварийности является применение контрольно — измерительных приборов по всей номенклатуре, предусмотренной ГТН.

Причины геологических осложнений, вызывающих аварии, полностью исключить не возможно. Однако предусмотреть их возникновение и принять все меры по предупреждению аварий необходимо.

Для предупреждения обрывов в скважине инструмента необходимо:

— при спуске инструмента в скважину все резьбовые соединения должны быть свинчены до упора и затянуты с оптимальным моментом;

— снаряд необходимо спускать плавно, без резких торможений и ударов об уступы ствола;

— ствол скважины в призабойной зоне необходимо прорабатывать ввиду его сужения в процессе периферийного износа ПРИ;

— строго соблюдать величины параметров технологического режима бурения;

— при твердосплавном бурении, когда образуется максимальное количество шлама, необходима специальная промывка скважины;

— если после очередного рейса керн оставлен в скважине, необходимо принять меры по его извлечению или дроблению.

Для предотвращения прихватов бурового снаряда шламом необходимо:

— применять глинистые растворы с параметрами, предусмотренными в ГТН;

— обеспечивать подачу заданного ГТН количества очистного агента в процессе бурения;

— не допускать скопления шлама на забое;

— применять все возможные средства очистки промывочной жидкости от шлама и песка;

— периодически чистить от шлама циркуляционную систему и отстойники;

— избегать применения многоступенчатой конструкции скважины.

Избежать прижог ПРИ можно только путем обеспечения заданной удельной нагрузки на него и поступления оптимального количества очистного агента.

Для предотвращения попадания в скважину посторонних предметов ее устье после подъема инструмента должно быть закрыто заглушкой.

Во избежание возникновения аварий с обсадными трубами необходимо строгое выполнение предписаний ГТН.

Для ликвидации различного вида аварий в буровых скважинах применяется специальный аварийный инструмент.

Наиболее распространенным типом ловильного инструмента является метчик.

Метчик при ликвидации аварии опускают в скважину на колонне бурильных труб для соединения с оставшимся там инструментом. Конусную часть метчика ввинчивают в проходное отверстие трубы или соединительного элемента, находящегося в скважине, и производят его извлечение на поверхность. Для подачи промывочной жидкости предусмотрен осевой канал.

8. Документация на буровой установке

Обязательная документация при производстве буровых работ:

· геолого-технический наряд;

· акт на пуск работы буровой установки для работы в полевых условиях;

· буровой журнал;

· инструкции по безопасности труда по видам работ.

9. Охрана труда и промсанитария при сооружении скважины

Машинисты буровых установок и их помощники в процессе работы контактируют с орудиями труда повышенной опасности — буровой техникой: различным оборудованием, инструментом, приборами. При этом организм работающих подвергается воздействию различных факторов, возникающих в условиях производства буровых работ. С целью обеспечения нормальных санитарно-гигиенических условий для безопасного и высокопроизводительного ведения любых работ в России систематически и целенаправленно проводится работа по охране труда. В Конституции Российской Федерации (статья 37) записано: «Каждый имеет право на труд в условиях, отвечающих требованиям безопасности и гигиены…». В статье 7 записано: «В Российской Федерации охраняются труд и здоровье людей…».

Охрана труда — система законодательных актов и соответствующих им социально-экономических, технических, санитарно-гигиенических и организационных мероприятий, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособность человека в процессе труда.

Составными частями обобщающего понятия «охрана труда» являются соответствующее законодательство, производственная санитария и техника безопасности.

Законодательством об охране труда, в первую очередь, Кодекс законов о труде — правовые и организационные мероприятия, определяющие трудовые взаимоотношения на производстве, — режим рабочего времени и отдыха, условия труда женщин и др.

Законом Российской Федерации «О недрах» предусмотрен ряд требований по обеспечению безопасного ведения работ:

— обеспечение лиц, занятых на буровых работах, специальной одеждой, средствами индивидуальной и коллективной защиты;

— применение машин, оборудования и материалов, соответствующих требованиям правил безопасности и санитарным нормам;

— допуск к работам лиц, имеющих специальную подготовку и квалификацию.

Обеспечение здоровых и безопасных условий труда возлагается на администрацию предприятий.

Техника безопасности непосредственно связана с техникой и технологией производства. Факторы, которые отрицательно влияют на условия труда и, как следствие, на здоровье людей можно разделить на три основные группы:

— связанные с нарушениями проведения производственных процессов;

— вызванные неправильной организацией труда;

— являющиеся результатом нарушений санитарно — гигиенических условий труда. К ним относятся: производственный шум и вибрация орудий труда; температура, движение, влажность и др.

Современное производство, основанное на использовании новой высокопроизводительной техники, гарантирует каждому рабочему безопасные и здоровые условия труда. Однако это достигается, если каждый рабочий строго соблюдает технологическую дисциплину, правила эксплуатации оборудования и инструкции по охране труда. Пренебрежительное отношение к вопросам охраны труда может приводить к тяжелым последствиям.

9.1 Меры безопасности при перемещении буровых установок

Буровая вышка, имеющая основание в виде салазок, Может быть передвинута в нерaзобранном виде на небольшое расстояние трактором, если позволяет местность, и на пути движения отсутствуют электролинии или другие коммуникации, создающие опасные условия. Основание буровой вышки скрепляют c ногами вышки и c полозьями основания болтами, хомутами и скобами.

Инструмент и другие предметы, которые при транспортировке вышки могут упасть, снимают с полатей и лестниц или надежно закрепляют.

Для перевозки буровых зданий c буровым оборудованием последнее надежно закрепляют, a для соединения c тракторами применяют стальные водила диаметром 50 — 60 мм.

Перед транспортировкой буровой установки (агрегата) необходимо исследовать трассу движения, разработать и утвердить проект перемещения, проверить и выровнять дорогу, убрав с неё все предметы, мешающие движению.

При передвижении вышек высотой более 14 м независимо от рельефа местности они должны поддерживаться оттяжками из стальных канатов, прикрепленными одним концом к верхней части вышки (2/3 или ¾ высоты вышки), a другим — к тракторам. Чтобы предупредить проскальзывание вышки при движении под уклон или по косогору, её основание должно иметь страховые оттяжки, соединённые c тракторами.

Во время передвижения вышек безопасное расстояние для людей, не связанных непосредственно c данной работой, равно полуторной высоте вышки.

B некоторых организациях перевозка бурового оборудования осуществляется блочным методом. Доя облегчения перевозки бурового оборудования блоками иногда применяют подкатные тележки.

Основные тяговые машины для тележек — тракторы большой мощности. При подготовке буровой вышки к транспортировке все члены буровой бригады должны: пройти инструктаж по технике безопасности; чётко знать распределённые обязанности, рабочие места, знаковую сигнализацию; строго выполнять указания машиниста буровой установки — ответственного руководителя работ.

Передвижение самоходных буровых установок должно также проводиться под руководством ответственного лица.

При передвижении самоходная буровая установка должна находиться в транспортном положении.

Запрещается перевозить инструменты, оборудование и другие грузы, не входящие в комплект установки, на ее платформе. Для этого следует пользоваться специальным автоприцепом или грузовым