В зависимости от категории пород можно задавать разные режимы бурения, параметрами которого является:частота вращения бурового снаряда, осевая нагрузка и объем подачи промывочной жидкости в единицу времени. Режимы бурения разные для победитового и алмазного бурения. Коронки также изготовляются разными по конструкции для разных категорий пород.

Нагрузка на коронку задается, исходя из количества основных (объемных) резцов, их размеров и твердости пород. Общая нагрузка на коронку должна быть равна

где m-- число объемных (основных) резцов; q -- рекомендуемое давление на 1 резец, З.

Частота вращения коронки должно быть

n=60V / з Dср

где V - окружная скорость коронки 0,6-1,6 м/с, Dср - средний диаметр коронки, м

Подача промывочной жидкости определяется, исходя из скорости восходящего потока Vn и диаметра скважины; Vр = 0,25-- 0,6 м/с. Чем больше скорость бурения, тем больше и Vр. При бурении в трещиноватых и абразивных породах необходимо снижать окружную скорость и осевую нагрузку.

Промывка при алмазном бурении должна обеспечивать хорошее охлаждение алмазов, так как они при сильном нагреве они графитизируются. Скорость восходящего потока между бурильной колонной и стенками скважины должна быть в пределах 0,4-- 0,8 м/с.

При наполнении колонковой трубы керном буровой инструмент поднимают на поверхность. Для этого над коронкой помещают кернорватель, который срывает керн от забоя. Поднятая коронка отвертывается и осматривается. Керн из колонковой трубы осторожно и последовательно извлекается, документируется и укладывается в керновые ящики.

Однослойную алмазную коронку следует заменить в случае: а) механического повреждения коронки; б) появления на торце коронки круговых борозд, вследствие отсутствия полного перекрытия рабочего торца алмазами; в) сильного оголения алмазов; г) износа коронки по диаметру. Износившиеся алмазные коронки отправляют на завод, где матрицу растворяют в соответствующих кислотах и отбирают алмазы, которые можно вторично использовать в коронках (рекуперация алмазов).

При бурении алмазными коронками частота вращения часто принимается в пределах 500--1500 об/мин. Осевая нагрузка подбирается из расчета 500--1200Н на 1 см 2 рабочего торца коронки в зависимости от насыщенности торца алмазной коронки алмазами и крепости пород.

Параметры режима алмазного бурения применительно к коронкам различного диаметра и породам разной крепости (по данным ВИТРа). Производительность алмазного бурения при правильно выбранной коронке зависит от параметров режима бурения: осевой нагрузки на коронку, частоты ее вращения, количества и качества промывочной жидкости. Это положение, общее для вращательного бурения, приобретает при алмазном бурении особое значение вследствие чувствительности алмазной коронки на нарушение правильного соотношения между указанными режимными параметрами.

На процесс алмазного бурения сказывается влияние многочисленных переменных факторов, и поэтому вопрос о режимах бурения должен рассматриваться раздельно по группам пород со сходными физико-механическими свойствами. В общем случае при алмазном бурении рекомендуется применять высокую частоту вращения, причем по мере ее увеличения необходимо одновременно повышать осевую нагрузку на коронку. Нормальной частотой считается 750--1500 об/мин, пониженной 400--750 об/мин для алмазных коронок диаметром 46 и 59 мм.

Величина осевой нагрузки определяется с учетом следующих основных факторов: а) с увеличением твердости породы осевые нагрузки должны повышаться; б) в трещиноватых, а также в тонкослоистых породах с чередованием твердых и более мягких прослоев осевые нагрузки должны быть меньше, чем в монолитных однородных породах; в) слоистые породы с тенденцией к искривлению ствола скважины бурят при пониженных осевых нагрузках; г) для коронок с алмазами меньшей величины осевая нагрузка уменьшается; д) при увеличенной подаче промывочной жидкости коронка меньше забивается шламом и поэтому осевые нагрузки можно увеличить. Одно из основных правил алмазного бурения заключается в том, что осевая нагрузка на коронку должна быть всегда равномерной и достаточной для объемного разрушения породы.

Колонковое бурение скважин представляет собой весьма популярный способ проделывания скважинных отверстий. В отличие от стандартных полнопроходных долот (чаще всего используют долот PDC), коронками пользуются более точечно. Они не разрушают породу по всему периметру, а вырезают ее с помощью давления по радиусу рабочего инструмента.

Такая технология дает бурильщикам много интересных преимуществ, о которых сейчас и пойдет речь в данной статье.

1 Область применения и особенности

Данный способ характеризуется тем, что грунт разрушается по кругу, очерчивая контуры диаметра будущей скважины. Когда осуществляется бурение колонками, внутренняя часть отверстия остаётся целой. Этот керн в последующем извлекается на поверхность.

Давление на грунт идет с помощью специальных коронок — пустотелых цилиндров со специальными резцами на одной из сторон. Эти резцы и выполняют основную работу по бурению. Они вгрызаются в породу, в то время как пустотелая часть попросту заполняется грунтом, что отсекается от общей матрицы.

Стоит заметить, что с помощью колонкового бурения можно разрабатывать не только горные породы, но и выполнять бурение на строительстве. Например, алмазные способы бурения коронками применяются для создания отверстий в монолитных железобетонных конструкциях. Более того, этот способ на стройке считается самым приоритетным.

Станок колонкового бурения устанавливается там, где необходимо проведение разведывательных работ. Он предназначен для получения цельных пород.

Такой способ идеален для проведения анализа структуры и свойства почвы, так как исследователям необходимо всего лишь извлечь грунтовый цилиндр из рабочей колонки.

Рассматриваемый способ обладает следующими особенностями:

• Колонки для скважины способны извлекать из отверстия керны – целую часть грунта.
• Буровые установки колонкового бурения рассчитаны на работу под различными углами к поверхности.
• Коронки колонкового бурения способны обрабатывать грунты различной степени твердости.
• Буровые станки колонкового бурения проделывают глубокие скважины, которые отличаются относительно небольшим диаметром.
• Станки колонкового бурения имеют относительно небольшой вес, что обусловливает их маневренность.

1.1 Принцип и технология работы

Технология колонкового бурения применяется для исследовательских работ. Для этих целей подойдёт классические автомобильные шасси на которое устанавливают бурильную установку, но на сложных рельефах могут использоваться и специальные машины. Например, устройства на гусеничном приводе или даже специальные системы, которые используют исключительно для бурения.

Станок колонкового бурения работает на высоких оборотах с момента запуска и до завершения технологического процесса. Это обусловливает тот факт, что колонки для скважины быстро изнашиваются под воздействием высоких нагрузок. Впрочем, скорость вращения можно регулировать, например, если надо пройти участок с мягкими породами, что склонны к осыпанию.

Читайте также: про бурение скважин под сваи фундамента — описание технологии.

Для продления её жизнеспособности применяются специальные устройства, которые снижают вибрационные действия. Колонковый способ предполагает обязательную процедуру промывки. Буровой станок колонкового бурения использует для этих целей воду или специальные растворы, которые способствуют защите скважины от разрушений и обвалов.

Алмазное устройство осуществляет бурение только по краю. Внутренняя порода заполняет ствол шнека и поднимается на поверхность. Колонковый способ предполагает, что все используемые в работе инструменты соответствуют соосности формируемой скважины.

Буровой станок колонкового бурения способен работать с высокопрочными породами. Более того, в таких условиях он даже производительнее стандартных матричных или шарошечных долот, так как прилагает меньше усилий для разработки аккуратных отверстий в грунте.

Для этих целей необходим специальный твердосплавный инструмент. Алмазное породоразрушающее устройство подлежит замене или восстановлению в случае потери своих физических кондиций. Новую коронку перед использованием следует обработать бурильным долотом. В некоторых случаях достаточно просто заменить кольцо с резцами на коронке.

После того, как механизмы бурового станка колонкового бурения выполнили свою миссию, в работу включаются шнековые машины, которые завершают процесс бурения скважины.
к меню

1.2 Оборудование для колонкового бурения

Как вы сами понимаете, в работе придется применять различного рода оборудование. Для данного вида работ применяют следующий инструмент:

• Колонковые снаряды, которые бывают стандартными и тонкостенными. Первые рассчитаны на вертикальные работы вниз и вверх по горизонту, а также для горизонтального бурения до 45 градусов. Вторые используются исключительно для горизонтального бурения.
• Алмазные коронки представляют собой породоразрушающий инструмент, которым оборудуется буровая установка для колонкового бурения. Эти устройства с одинаковым успехом справляются и с твердыми, и с рыхлыми породами.
• Штанги и стальные обсадные трубы, которые необходимы для формирования прочной внутренней поверхности скважины.
• Переходники применяются для стыкования резьбовых соединений, в том числе на буровых штангах, комплектующих, промывочных сальниках, вращателях.
• Промывочные сальники пробки, которые обеспечивают подъём керна из скважины.
• Колонковые долота служат для углубления скважинного отверстия.

2 Этапы и нюансы колонкового бурения

Теперь рассмотрим непосредственно технологию бурения, так как в ней тоже есть свои нюансы. На них стоит обратить внимание в обязательном порядке.

Буровая установка для колонкового бурения в ходе работы выполняет следующие этапы:

• Подготовка поверхности, где будет производиться монтаж установки.
• Формирование ям в грунте в непосредственной близости от площадки для закачки промывочного раствора. После этих работ начинается процесс бурения скважин.
• Бурение, когда буровой снаряд вращается и проникает в почву. Параллельно с этим процессом в отверстие подаётся промывочная жидкость: вода или специальный раствор.
• Наполнение трубы керном. Периодически шнек необходимо извлекать на поверхность, по керну можно без труда определить глубину сформированного отверстия.

Первые два этапа выполняются скорее рабочим персоналом. Последние же два — это уже использование непосредственно бурильной системы колонковой разработки.

При работе необходимо обращать внимание на следующие нюансы:

• Бурение скважин для воды следует производить с промывкой. Воду применяют там, где присутствует устойчивый грунт. Когда обрабатывается песчаная порода, то для промывки применяется специальный раствор, который укрепляет скважину. Для этих целей подходит жидкое стекло или глинистая масса.


• Вместо промывочного раствора может применяться воздух, который поступает в скважину по колонковой трубе.
• Когда работа ведётся на неустойчивом грунте, то применение промывочных жидкостей неэффективно. Укрепление скважин производят обсадными трубами.
• Частота вращения бурового снаряда регулируется в зависимости от прочности грунта.
• Если работы ведутся в слоях твердых пород, то установка обсадных труб производится на заключительном этапе бурения.

byreniepro.ru

Виды буровых способов

Ранее бурение водоносных скважин для личного пользования осуществлялось в основном ручным способом. Это было трудоёмкий и длительный процесс, поэтому не каждый владелец участка или дачи мог похвастаться наличием собственного источника водоснабжения. Постепенно механизированное бурение вытеснило ручные методы благодаря значительному облегчению и ускорению процесса.

Сегодня практически все водоносные скважины бурятся механизированным способом, который основан на разрушении грунта, подаче его на поверхность одним из двух способов: сухим, когда отработанный грунт убирается из скважины при помощи механизмов и гидравлическим, когда он вымывается водой, поданной под напором или самотёком.

Различают три основных способа механического бурения:

• Вращательный (грунт разрабатывается вращением).
• Ударный (бурснаряд разрушает грунт ударами).
• Вибрационный (грунт разрабатывается высокочастотными колебаниями).

Вращательный способ считается самым высокопроизводительным, в 3-5 раз превышающий по эффективности ударный и в 5-10 вибрационный. Кроме этого вращательный способ самый недорогой и доступный, его нередко применяют в качестве основного метода ручного бурения.

В свою очередь вращательный способ бурения, широко применяемый для сооружения скважин на воду, подразделяется на три основных вида бурения:

• колонковое;
• шнековое;
• роторное.

Каждый вид вращательного бурения имеет свои особенности и выполняется специально предназначенным для этого оборудованием. Рассмотрим эти виды бурения более подробно, определим, в чём их различия и какой метод необходимо применять в каждом конкретном случае.

Специфика колонкового бурения

Колонковое бурение — механический вращательный метод, при осуществлении которого глинистый или плотный песчаный грунт извлекается в виде керна цилиндрической формы. Буровой снаряд для колонкового бурения представляет собой толстостенную металлическую трубу.

Вверху колонкового бурового снаряда расположено приспособление для присоединения штанг, необходимых для наращивания буровой колонны. Внизу — коронка, вид которой подбирается в зависимости от категории подлежащего бурению грунта.

При проходке колонковым методом грунт разрушается кольцеобразной коронкой. Внутренняя часть керна при этом сохраняется в не разрушенном виде. Для облегчения процесса бурения по твердым и полутвердым суглинкам, глинам, скальным породам на забой подается промывочная жидкость.

Шлам с забоя иногда удаляют промывкой — нагнетанием в ствол выработки большого количества воды. Чаще всего промывку заменяют продувкой сжатым воздухом, поставляемым компрессором внутрь трубы. Данный тип бурения позволяет бурить скважины глубиной до 1000 метров и диаметром от 8 до 20 см.

Механическое колонковое бурение производится буровыми установками типа ЗИФ, УГБ, УКБ, монтированных на автомобили типа КАМАЗ, КРаЗ, трелевочные тракторы и т.д. В варианте для ручного бурения колонковую трубу укорачивают, называют колоколом или стаканом. С последним, перевернутым вверх дном предметом обихода, конструктивно схожа колонковая труба.

Бурение колонковым способом используется в следующих случаях:

• геологоразведка полезных ископаемых;
• бурение разведочных скважин;
• устройство водоносных скважин любой глубины, в том числе безфильтровых скважин в скальных породах.

Для устройства частных скважин на воду в некоторых случаях колонковый способ используется перед тем, как начать шнековое или роторное бурение, выполняя одновременно разведывательную и подготовительную роль.

В устройстве частных скважин колонковое бурение используется в комплексе с ударно-канатным. Глинистые слои проходят колонковой трубой. Пески неплотного сложения, гравий и галечник с песчаным заполнителем, которые не задерживаются в колонковой трубе, извлекают из ствола желонированием.

По эффективности колонковый метод несколько уступает шнековому способу бурения водозаборных скважин. Шнеком бурят быстрее, но он не позволяет полностью освободить ствол от пробуренной породы. Их редко используют в паре. А уж если приведется, то шнеком проходят первые несколько метров.

Используемое оборудование и инструменты

Для колонкового бурения используются следующие инструменты:

• буровые коронки из алмазного или другого твёрдосплавного материала (сталь, вольфрам, победит);
• колонковая труба;
• труба для отвода шлама;
• штанги, требующиеся для наращивания буровой колонны;
• муфтовые соединения, переходники между трубами, промывочный сальник.

При бурении в скальных породах буровая коронка быстро изнашивается и подлежит замене. Материал коронки — дорогостоящий, выдерживающий колоссальные нагрузки, наибольшее распространение получили алмазные буровые варианты. Все используемые в процессе бурения инструменты должны соответствовать соосности, т.е. располагаться ровно относительно оси бурения.

Технология колонкового бурения

Главная особенность колонкового бурения — прохождение породы с полным её сохранением в колонковой колонне. Т.е., при работе бурильного оборудования коронка по кольцу разрушает грунт, который по мере заглубления проталкивается в колонковую трубу и удерживается в ней за счет собственной плотности. При извлечении наполненной трубы из ствола выработки, ее освобождают от керна путем простукивания кувалдой.

Поэтапный процесс колонкового бурения выглядит следующим образом:

• бурильную коронку соединяют с колонковой трубой;
• колонковая труба соединяется со штангами, которые наращиваются по мере углубления;
• верхняя штанга закрепляется в буровом станке;
• бурильный станок вращает буровую колонну и постепенно «ввинчивает» ее в грунт;
• колонковая труба постепенно наполняется керном — заклинившим в ее полости грунтом;
• после проходки 50 — 70 см буровая колонна извлекается на поверхность, штанги по очереди отсоединяются до тех пор, пока не извлечется колонковая труба;
• трубу освобождают от выбуренной породы;
• опорожненный снаряд снова опускают на забой, наращивая буровую колонну штангами.

Действия производятся в описанном порядке до тех пор, пока скважина не вскроет водоносный горизонт и не заглубится на 50 см в нижележащую водонепроницаемую породу.

Если фиксация верхнего водоносного горизонта не является целью проходки, то верхние слои можно бурить с промывкой. В этом случае насос продаёт промывочный раствор через шланг внутрь труб. Затем раствор выносит выработанный грунт на поверхность.

Веские достоинства и недостатки

В сравнении с ударно-канатным и роторным способом механического бурения колонковое производится довольно быстро, значительно сокращая время проведения работ. Главный его недостаток — невозможность подъема рыхлых грунтов и насыщенных водой галечников. Медленно продвигается по скальным породам, для проходки валунов требуется долото.

К достоинствам колонкового бурения относят:

• высокую производительность и возможность бурить скважины глубиной свыше 100 м;
• сокращение нагрузок на бурильное оборудование за счёт разрушения глинистой породы, сравнимым с ее вырезанием;
• возможность применения мобильной буровой установки компактных габаритов.

Колонковое бурение — один из самых скоростных методов устройства водозаборных выработок. Скважину на песок с его применением можно пройти за один рабочий день.

Особенности шнекового бурения

Этот тип бурения сегодня наиболее часто используется при устройстве водоносных скважин в частных хозяйствах. Особенностью шнекового бурения является то, что разрабатываемая порода полностью удаляется из створа скважины без привлечения дополнительного оборудования. Метод напоминает ввинчивание, позволяет бурить на глубину и одновременно удалять ненужный грунт.

Используемый для бурения инструмент называется шнек. Представляет собой металлический стержень с лопастями. Завинчиваясь в грунт, шнек разрушает породу, которая задерживается на его лопастях. Из-за специфики конструкции шнеком невозможно полностью освободить забой от отвала. Поэтому его в основном применяют для проходки верхних слоев.

Бурение с использованием шнека не требует больших усилий и финансовых затрат, поэтому сфера применения данного способа достаточна широка: геологоразведочные скважины, прокладка коммуникаций, устройство буронабивных скважин и частично бурение на воду. Его сейчас активно применяют для устройства абиссинских колодцев, чтобы не забивать полностью скважину-иглу в плотный грунт, а слегка облегчить процесс погружения ствола в заранее разрушенную породу.

Метод подходит для разработки водоносных скважин глубиной до 30 м на мягких и рыхлых грунтах и до 20 м на средне-плотных. После проходки шнеком и установки обсадки, ствол скважины обязательно очищается желонкой от неизвлеченной породы.

Шнек категорически не подходит для работы в скальных породах! Его используют для частичной проходки скважин до 120 м, при этом данный метод комбинируется с другими: роторным, ударно-канатным, колонковым.

Задействованное оборудование и инструменты

Шнековое бурение производится буровой установкой, главным элементом которой является бурильный инструмент винтового типа, выполненный из высокопрочного металла. Буровую колонну по мере заглубления наращивают шнеками равного размера. В комплекте иногда применяются лопастные долота, необходимые для прохождения рыхлых пород, а также долота с круглыми или конусообразными головками, используемые для разработки твёрдых пород.

Большинство современных бурильных установок оборудованы полыми снарядами, оснащёнными реверсивными замками, которые не допускают движение инструмента в обратную сторону. Режущие части шнека в процессе бурения охлаждаются за счёт разрабатываемого грунта, а разработанная порода поднимается вверх по спиралям. Это позволяет проводить бурения без остановок, значительно уменьшая временные и энергетические затраты на создание водоносной скважины.

Технология шнекового бурения

После выполнения проходки, глубина которой составляет 1,5 — 2,0 м, шнек извлекается, и в скважину устанавливаются обсадные трубы. Диаметр водозаборной скважины, пробуренной при помощи шнека, составляет 50 — 200 мм и зависит от размера используемого инструмента.

Обрушение стенок скважины предотвращают обсадные трубы. Особенно это важно для рыхлых несвязных грунтов, поэтому у бурильщиков существует правило: использовать при проходке супесей и суглинков шнеки с расположением лопастей под углом 30 — 60º, а при бурении песков плотного сложения инструмент с лопастями под углом 90º. При меньшем наклоне витков шнековой спирали больше несвязного отвала выносит на поверхность шнек.

Плюсы и минусы применения шнека

Шнековый метод бурения позволяет произвести устройство скважины максимально быстро, при условии, что размер шнека и угол наклона долота были подобраны правильно. К достоинствам шнекового бурения относят:

• грунт поднимается на поверхность сразу в процессе бурения;
• высокая скорость углубления в грунт без технологических остановок;
• нет необходимости делать промывку ствола скважины;
• компактной шнековой установкой или ручным шнеком можно бурить внутри дома (в подвале);
• нет необходимости поднимать на поверхность первое звено и разбирать/собирать буровую колонну как при колонковом методе.

Главным недостатком шнекового бурения можно считать невозможность работы на сыпучих и очень твёрдых грунтах, но в то же время шнек — идеальный инструмент для бурения в суглинистых, смешанных (глина и супесь) и мягких глинистых грунтах. Ещё один недостаток, ограничивающий применение шнека для устройства водоносных скважин — необходимость применять ударно-канатный способ для очистки ствола от отваленной породы.

Характеристика роторного бурения

Роторное бурение — метод вращательного бурения, при котором разрушение грунта осуществляется при помощи долота, приводимого в движение в забое скважины от ротора буровой установки. Ротор вращается от двигателя автомобиля или отдельно установленного электродвигателя посредством приводного вала. Разработанный грунт вымывается из шахты скважины методом прямой или обратной промывки. Промывочный раствор может подаваться как самотёком, так и насосной станцией.

Роторное бурение применяется для разработки скальных и полускальных грунтов при устройстве глубоких скважин до 150 м. Роторная буровая установка с правильно подобранным долотом и утяжеленными бурильными трубами отлично справляется со скальными породами.

1. Гидрогеологический разрез участка изучен достаточно хорошо. Известно, что бурить предстоит скальные породы. Известен уровень залегания водоносной зоны в коренных породах.
2. Подземная вода обладает характерным для артезианских скважин напором
3. Имеется возможность бесперебойной доставки технической воды для промывки скважины.

В южных районах роторное бурение можно производить круглый год, а в северном климате применение этого способа ограничено из-за возможности замерзания промывочной жидкости.

Применяемое оборудование и инструменты

Роторное бурение водоносных скважин осуществляется с применением рамной или решётчатой вышки, на которой расположено подъёмное оборудование и остальные элементы буровой установки. Вышка даёт возможность поднимать и опускать в скважину бурильные колонны.

В состав буровой установки роторного типа входит:

• рамная или решётчатая вышка;
• двигатель с приводом;
• ротор и бурильная колонна;
• насосное оборудование и система очистки промывочной жидкости;
• подъёмное оборудование, напорная магистраль, вертлюг, сальники и т.д.

В самоходных установках в качестве двигателя используется ДВС автомобиля, на базе которого размещен буровой комплекс. В данном случае мощностью двигателя регулируются обороты бурового инструмента.

Ротор при помощи зубчатого устройства передаёт вращение на ведущую трубу, которая в свою очередь сообщает его на основной бурильный инструмент — долото. Долото может иметь различную форму и изготавливается из высокопрочных материалов: композиты, сталь с алмазным напылением и др. Для каждого типа грунта подбирается особый размер и форма долота, обеспечивая тем самым высокую эффективность и скорость проходки.

Своеобразие роторной технологии

Роторное бурение скважин на воду осуществляется в три этапа:

1. Разрушение породы при помощи долота.
2. Вынос разрушенной породы на поверхность потоком нагнетаемой воды.
3. Укрепление стенок скважины обсадными трубами.

Вынос разрушенного грунта производится путём обратной или прямой промывки. Выбор способа промывки зависит от конкретных условий: глубины скважины, типа грунтов, наличия необходимого объёма промывочной воды. Как правило, в частных хозяйствах используется технология бурения с прямой промывкой, которая включает в себя следующие этапы:

• заглубление в грунт долота большого диаметра;
• вращение долота под воздействием ротора;
• установка бурильных труб и монтаж утяжелённых труб между ними и долотом;
• удаление отработанного грунта напором жидкости при помощи насоса;
• монтаж обсадной трубы, чтобы предотвратить обсыпание грунта внутри скважины;
• бурение долотом меньшего диаметра и повторение всего цикла.

При обратной промывке грунт выносится из скважины по трубам бурильной колонны, а промывочная жидкость заливается между стенками скважины и трубами.

Вода самотёком поступает в предварительно подготовленный резервуар, где происходит её очистка от грунта и шлама, и возвращается в бурильную колонну за новой порцией отработанной породы.

Достоинства и недостатки роторного бурения

Главным достоинством роторного способа является возможность бурить глубокие скважины с забором воды в трещиноватом известняке. Кроме этого данный метод бурения имеет следующие преимущества:

• высокое качество вскрытия водоноса в коренных скальных породах;
• возможность устройства скважины большого диаметра до 200 см;
• высокая скорость бурения, небольшие затраты энергоресурсов.

Существенным недостатком роторного бурения можно назвать необходимость организации промывки скважины.

Какой способ бурения выбрать?

Все рассмотренные способы механического бурения широко применяются для устройства водоносных скважин. Подводя итоги, можно сказать, что:

1. Колонковое бурение целесообразно использовать для проходки в пластичных глинистых грунтах. Колонковый способ подходит для устройства большинства водозаборных выработок, при необходимости используется в паре с ударно-канатным.
2. Шнековое бурение по сфере применения схоже с колонковым методом. От него отличается некачественной очисткой ствола, требует обязательного использования желонки или долгосрочной промывки скважины перед эксплуатацией.
3. Роторное бурение — оптимальный вариант для пробивки стволов скважин в скальных грунтах.

Стоимость обустройства скважины с использованием того или иного метода бурения во многом зависит от того, какое оборудование применяется, а также от категорий пройденных пород по буримости.

Полезное видео по теме

Ролик с демонстрацией принципа классического колонкового бурения с извлечением керна напором воды:

Особенности бурения скважины шнеком:

Колонковое бурение скважины с промывкой забоя и установкой двойной обсадки, наружная часть которой выполнена стальными трубами, внутренняя полимерными:

Бурение водоносной скважины — трудоёмкий процесс. От правильности выбранного метода бурения зависит не только скорость устройства автономного источника воды, но и финансовые затраты. Первое, на что стоит обратить внимание при выборе метода бурения, это тип грунта и глубина залегания водоносного слоя.

Исходя из этих параметров, вы сможете выбрать оптимальный вариант, который позволит вам пробурить скважину быстро и недорого.

sovet-ingenera.com

Бурильный инструмент при колонковом способе

В качестве грунторазрушающего устройства применяется специальный инструмент с твердосплавными режущими частями или алмазными вставками.

На кольцеобразном корпусе из легированной стали крепятся специальные замки для установки режущих пластин из твердого сплава. Пластины крепятся винтами и, по мере износа или притупления, заменяются на новые. На корпусе выполняется трапецеидальная многозаходная резьба для установки на бурильную колонковую трубу.

Конструкция коронки и технология способа бурения позволяет проходить самые твердые скальные породы при сохранении достаточной производительности. Этому способствует также применение воды или глинистого раствора в процессе проходки ствола. Кроме назначения выноса продуктов бурения из скважины, эти среды работают и как смазывающе-охлаждающие жидкости.

Трубы колонковые (обсадные)

Эти изделия производятся по специально разработанному ГОСТу 51682-2000. Их назначение – колонковое бурение при разведке на твердые полезные ископаемые, для добычи воды, разведочно – геологических изыскательских работах и в строительстве для получения лидерных скважин.

Одной из распространенных исполнений изделия колонковые трубы являются изделия с соединениями в виде ниппелей. Оба конца таких деталей имеют наружную резьбу, а сами трубы – внутреннюю.

Материалом для изготовления обоих изделий является сталь по группе прочности «К», по согласованию с потребителем применяется сталь марки 45.

Чтобы повысить устойчивость поверхности к износу, колонковые трубы по их концам на расстоянии порядка 500 мм подвергаются закалке с применением ТВЧ. Для таких изделий твердость поверхности должна быть не менее 40 единиц по Роквеллу. А чтобы исключить «заедание» резьбы, ниппеля обрабатываются способом карбонитрации. Твердость поверхности по резьбе не менее 50 Роквелла. Длина ниппелей стандартная и составляет 170 мм.

Колонковые трубы допускается использовать по прямому назначению повторно.

Длины изделий варьируются в пределах 0.4 – 6 метров в зависимости от применяемых технологий бурения и особенностей применяемого для этого оборудования. Длина труб оговаривается в договоре на их поставку

Технологические особенности колонкового способа

Колонковое бурение скважин производится следующим образом:

1. В задании на выполнение работ указывают географические координаты скважины ее назначение и параметры.
2. Бурящая организация самостоятельно добирается до места назначения, применяя для этого самоходные бурильные установки на базе различных средств грузового автотранспорта или на гусеничном ходу.
3. Производится подготовка площадки под установку буровой установки, которая должна быть строго горизонтальной.
4. Изготавливаются емкости для воды или глинистого раствора, применяемого при бурении скважины.
5. Обычно для промывки скважины применяется чистая вода. Но при прохождении водно-песчаного слоя необходимо использовать глинистый раствор, в процессе бурения укрепляющий стенки шурфа от обрушения. В специальных случаях вместо глины применяется жидкое стекло.
6. Применение промывки при прохождении рыхлых гравийно – каменистых горизонтов неэффективно, ввиду того, что промывочная жидкость активно уходит внутрь грунта. В таких условиях единственным вариантом продолжения бурения является обсадка стенок скважины металлической трубой.
7. При необходимости исследования геологического разреза местности в месте бурения, керноприемник периодически извлекают для исследования образцов кернов.
8. В определенных условиях колонковое бурение становится более эффективным при продувке скважины сжатым воздухом от компрессора.
9. Колонковое бурение скважины по твердым грунтам возможно с обсаживанием ее стенок только при достижении проектной глубины.
10. Способ позволяет осуществлять бурение под углом, а также для проходки горизонтальных «проколов». В таком случае обсадка применяется с самого начала процесса.

Оборудование для колонкового бурения

Чем бурить скважину при использовании технологии колонкового процесса, зависит от ее размеров и назначения. Спектр машин и приспособлений весьма разнообразен и широк.

Буровые станки и установки производятся по всему миру, что говорит о популярности способа водообеспечения из скважин. Для промышленного и разведочного бурения производятся агрегаты на базе тяжелых грузовиков, тракторов или вездеходов. А вот для водоснабжения предлагается целая гамма легкого оборудования, пригодного как для предприятий малого бизнеса, так и для использования при самостоятельном исполнения скважин на воду. Оборудование производится практически во всех странах мира.

Достоинства и недостатки колонкового бурения

К несомненным положительным сторонам процесса следует отнести такие, как:

• относительно высокую скорость проходки на любых грунтах, снижающую себестоимость объекта в целом;
• возможность подробного изучения геофизических данных на участке бурения по кернам;
• пониженную энергоемкость процесса.

В то же время имеется существенный недостаток, характерный для всех процессов, при которых применяется глинистый раствор – возможное заиливание водоносного слоя продуктами промывки при вскрытии пласта.

oburenie.ru

4.1.Промывка скважин

Колонковое бурение производится с промывкой скважины. Основным назначением промывки является:

1. Очистка забоя скважины от разбуренной породы и вынос ее на поверхность.
2. Охлаждение породоразрушающего инструмента.
3. Укрепление стенок скважины от обрушения

Существует три способа промывки скважин: с выходом промывочной жидкости на поверхность земли: прямая, обратная и комбинированная.

Прямая промывка (рис. 3.2.), когда промывочная жидкость, нагнетаемая насосом, проходит по колонне бурильных труб, затем (при бурении кольцевым забоем) между керном и колонковой трубой омывает забой, охлаждает породоразрушающий инструмент, захватывает с забоя частицы разрушенной породы, поднимается вверх по кольцевому пространству между бурильными трубами и стенками скважины и, наконец, выходит на поверхность.

Достоинства прямой промывки: 1) буровой раствор, выходя из суженных промывочных отверстий коронки приобретает большую скорость и с силой ударяет о забой, размывая разбуриваемую породу, что способствует увеличению скорости бурения; 2) применяя специальные промывочные жидкости при бурении в сыпучих, рыхлых и трещиноватых породах обеспечивает закрепление стенок скважины путем скрепления частиц неустойчивой породы.

Недостатки прямой промывки: 1) возможен размыв стенок скважины при бурении в мягких породах вследствие большой скорости восходящего потока; 2) пониженный процент выхода керна в результате динамического воздействия струи на верхний торец керна, что приводит к его размыву; 3) при бурении скважин большого диаметра повышенный расход промывочной жидкости, необходимый для создания такой скорости восходящего потока, при которой все разбуренные частицы породы будут выноситься на поверхность. Прямая промывка имеет преимущественное применение в практике разведочного бурения.

Обратная промывка, когда промывочная жидкость движется к забою по кольцевому пространству между бурильными трубами и стенками скважины, омывает забой, входит в отверстия породоразрушающего инструмента, при наличии керна проходит пo кольцевому зазору между керном и колонковой трубой, проходит по внутреннему каналу бурильной колонны и, обогащенная шламом, выходит на поверхность земли.

Достоинства обратной промывки: интенсивная очистка забоя от частиц разрушенной породы и возможность гидравлического транспорта кернов через бурильные трубы на поверхность. Основной недостаток обратной промывки — невозможность обеспечения нормального процесса бурения при наличии в разрезе поглощающих горизонтов, в которых теряется полностью или частично промывочная жидкость. В связи с более сложной организацией обратной промывки она имеет ограниченное применение.

Комбинированная промывка, когда движение промывочной жидкости над колонковой трубой осуществляется по схеме прямой промывки, а ниже с помощью специальных устройств по схеме обратной промывки. Техническое исполнение комбинированной промывки связано с применением устройств, преобразующих прямую промывку в обратную в призабойной зоне. Комбинированная промывка применяется с целью повышения выхода керна.

4.2.Основные типы промывочной жидкости и условия применения

1. Техническая вода (пресная, морская, рассолы) применяется при бурении в устойчивых породах.

2. Глинистые растворы применяются в трещиноватых, рыхлых сыпучих, плывучих и других слабоустойчивых породах для предотвращения обвалов, а также в трещиноватых скальных породах для борьбы с потерей циркуляции.

Кроме того, при бурении в особо сложных и специфических условиях применяют более сложные растворы с специальными добавками.:

1. Для приготовления легких химически аэрированных буровых растворов применяют глинопорошки, поверхностно-активные вещества (0,1—0,2%), реагенты-структурообразователи (каустическая сода 0,1—0,2%) или кальцинированная сода (0,5—2,5%).

2. Утяжеленные глинистые растворы применяются при вскрытии пластов с большим пластовым давлением для предупреждения выбросов из устья скважины фонтанной воды, нефти или газа. Для изготовления утяжеленного глинистого раствора к нему добавляют инертный порошкообразный материал — утяжелитель, изготовленный из тяжелых минералов: — барита (BaSO 4); гематита (Fe 2 O 3) и др.. После задавливания фонтана под действием гидростатического давления утяжеленного раствора, над устьем скважины устанавливают противовыбросную арматуру, промывают скважину облегченным аэрированным глинистым раствором или технической водой, удаляют утяжеленный раствор и фонтанирование скважины восстанавливается.

3. Эмульсионные буровые растворы. Эмульсией называется система, состоящая из двух (или нескольких) взаимно нерастворимых жидких фаз, одна из которых диспергирована в другой. Различают два типа эмульсии. Эмульсии первого рода — «масло в воде» (М/В), когда масло в водной среде находится в виде мельчайших шариков.

Эмульсии второго рода, называемые инвертными или обратными, — «вода в масле» (В/М), когда вода в виде мельчайших шариков распределена в масле. Для придания эмульсии устойчивости применяют специальные реагенты — эмульгаторы. Эмульсионные растворы первого рода нашли широкое применение при алмазном высокоскоростном бурении с целью гашения вибрации и снижения мощности на вращение бурильной колонны.

4. Растворы на нефтяной основе (РНО), применяют для вскрытия нефтяных и газовых пластов для сохранения их естественной проницаемости. Эти растворы сложны по своему составу, более дорогие, чем буровые растворы на водной основе.

5. Термостойкие промывочные жидкости

4.3.Назначение глинистых растворов и их свойства

Глинистые растворы имеют следующие назначения: 1) глинизация стенок скважин; 2) удержание выбуренной породы во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции; 3) создание повышенного противодавления на пласт; 4) облегчение транспортирования по стволу; 5) предохранение бурового инструмента от коррозии благодаря тонкой глинистой корке, покрывающей поверхность инструмента.

По размерам диспергированных (раздробленных) частиц различают два вида жидких дисперсных систем: 1) коллоидные растворы и 2) суспензии.

Коллоидные частицы в жидком растворителе (например, воде) под действием силы тяжести практически не оседают. Суспензией называется взвесь, т. е. дисперсная система, состоящая из двух фаз — жидкой и твердой, в которой мелкие твердые частицы размером от 0,1 до 10 мкм и более взвешены в жидкости. С течением времени, под действием силы тяжести, взвешенные частицы осаждаются на дно сосуда.

Глина это дисперсная система, состоящая из воды и взвешенных в них частичек размером от коллоидных до частиц суспензий. Количество коллоидных частиц в глинистом растворе зависит от сорта глины и от способа его приготовления. Чем больше коллоидных частиц в растворе, тем лучше его качество. В нормальном глинистом растворе суммарная поверхность коллоидных частиц вследствие малых размеров и большого их количества превосходит суммарную поверхность частиц суспензий. Поэтому глинистый раствор есть коллоидно-суспензионная система, которая имеет свойства коллоидного раствора.

В глинистом растворе коллоидные частицы заряжены отрицательными электрическими зарядами, а ионы воды, положительными зарядами. Частицы глины как заряженные одноименным электричеством отталкиваются друг от друга. Вследствие весьма малых размеров и массы коллоидных частиц превалирующее значение для них имеет действие сил электрических зарядов, а не сила тяжести. Отталкивание коллоидных частиц, заряженных одноименным электричеством, способствует нахождению частиц во взвешенном состоянии.

Глинистые растворы являются гидрофильными коллоидными растворами, в которых частицы глины смачиваются водой. Явление смачиваемости частиц глины водой объясняется тем, что силы притяжения между молекулами глины и воды значительно больше, чем между молекулами воды, Воду, входящую в состав глинистого раствора, можно разделить на адсорбированную и свободную.

Адсорбированная вода связана с частицами глины силами притяжения, образует вокруг них гидратные оболочки и по своим свойствам значительно отличается от обычной воды (например, имеет большую плотность, большую вязкость и пр.).

Свободная вода в глинистом растворе является дисперсионной средой, в которой находятся глинистые частицы с адсорбированной водной оболочкой. Практическое значение смачиваемости состоит в том, что при столкновении частиц с гидратными оболочками они не слипаются. Между частицами остается прослойка молекул свободной воды. Смачиваемость частиц обеспечивает устойчивость глинистых растворов, состоящих из хорошо смачивающихся коллоидных частиц.

Стабильностью называют свойство коллоидных частиц, находящихся в коллоидном растворе во взвешенном состоянии. Стабильность обеспечивается: 1) высокой степенью дисперсности частиц и, следовательно, их весьма малой массой; 2) наличием у коллоидных частиц одноименных электрических зарядов, вызывающих взаимное отталкивание; 3) гидрофильностью коллоидов, т. е. наличием вокруг коллоидных частиц уплотненных гидратных оболочек, которые предохраняют частицы от слипания и последующего оседания. Поэтому глинистый раствор в течение долгого времени сохраняется в жидком состоянии и способен перекачиваться насосом.

Структурообразованием называется способность глинистых растворов, находящихся в покое, образовывать внутри себя структуру. Причина образования структуры и ее последующего роста в глинистом растворе состоит в том, что глинистые частицы имеют форму тонких пластинок, которые несут электрический заряд по своей широкой боковой поверхности и поэтому поверхность хорошо смачивается водой. По толщине контура эти пластинки имеют слабый электрический заряд или он отсутствует. Поэтому по тонким контурным поверхностям частицы плохо смачиваются водой. Столкновение отдельных коллоидных частиц с плохо смоченными поверхностями приводит к их слипанию. С течением времени число слипшихся частиц увеличивается и в растворе образуется пространственный решетчатый каркас из коллоидных частиц, слипшихся тонкими боковыми поверхностями. Вода остается в ячейках этой сетки и не может свободно перемещаться. Раствор становится густым, похожим на студень или гель.

При встряхивании или перемешивании загустевшего глинистого раствора структура его разрушается и глинистый раствор приобретает свойства жидкого раствора.

Тиксотропией называется свойство глинистого раствора загустевать при стоянии и разжижаться при встряхивании или перемешивании. Тиксотропией обладают не все коллоидные растворы, а только некоторые, в том числе глинистые растворы Тиксотропностью называется быстрота образования структуры, а после перемешивания — быстрота восстановления структуры.

Удерживающей способностью глинистого раствора называется способность глинистого раствора удерживать частицы породы при структурообразовании. Это свойство глинистого раствора предотвращает осаждение частиц породы на забой при прекращении циркуляции.

Коагуляцией , или свертыванием, коллоидов называется процесс слипания коллоидных частиц в агрегатные группы с последующим осаждением этих частиц под влиянием силы тяжести. Коагуляция коллоидов происходит, если коллоидные частицы сделать нейтральными, они при столкновении будут соединяться, а группы, агрегаты оседать под влиянием силы тяжести. Коагуляция глинистого коллоида происходит от прибавления к воде коагулянтов, например некоторого количества поваренной соли NaCl, которая распадается под действием молекул воды с образованием положительных ионов натрия, нейтрализующих глинистые частицы, заряженные отрицательным электричеством. Если скважиной пересечены соленосные породы или водоносный горизонт с соленой водой, глинистый раствор, протекающий по стволу скважины, может подвергаться коагуляции. Обратимыми коллоидами называются такие коллоиды, которые при надлежащем электрическом состоянии среды способны восстанавливаться из скоагулированного состояния.

Пептизацией называется процесс превращения скоагулированного коллоида, свернувшегося в виде комочков, в коллоидный раствор. Для использования свойств обратимости коллоидов к глинистому раствору в качестве пептизаторов добавляют вещества, восстанавливающие отрицательные электрические заряды у глинистых частиц. К числу пептизаторов относятся: щелочи (каустическая сода, едкий натр NaOH, кальцинированная сода Na2CO3 и др.) или коллоиды, имеющие отрицательные электрические заряды, например гуминовая кислота.

Содержание в глине окислов и солей . Глины могут содержать примеси окиси железа (Fe2O3), окиси натрия (Na2O), окиси кальция (СаО), окиси магния (MgO), окиси калия (К2О) и др. Наличием преобладающей примеси часто определяются свойства глины. Чем больше в глине содержится натрия, тем лучше ее качество. Наличие солей (NaCl, СаС12, CaSO4 и др.) ухудшает качество глины. Сильно засоленные глины можно применять для приготовления глинистых растворов, но при этом необходима дополнительная их химическая обработка.

Набухание глин . Набуханием называется свойство глин увеличиваться в объеме при поглощении воды. Натриевые бентонитовые глины могут при замачивании увеличиваться в объеме в 8—10 раз и легко распадаются в воде на отдельные частицы. В кислых щелочных и солевых растворах бентонит не набухает. Гидрослюдистые и палыгорскитовые глины обладают меньшей способностью набухать. Каолиновые глины не набухают, расщепляются в воде плохо, растворы, приготовленные из них, неустойчивы и быстро разделяются на твердую фазу и жидкость. Глинизация стенок скважины используется при бурении с промывкой глинистым раствором в неустойчивых породах для укрепления стенок скважины и для изоляции пластов. После внедрения глинистого раствора в пустоты пород и его загустевания в них кольцевая зона породы вокруг ствола скважины укрепляется. После образования глинистой корки на стенках скважины прекращается поступление свободной воды из бурового раствора в пустоты пород. Кроме того, если пласты пород содержат воду, нефть газ и если величина пластового давления не превышает величину гидростатического давления промывочной жидкости на стенки скважины, то вода, нефть и газ не поступят из пласта в скважину. Происходит изоляция пластов и прекращение движения жидкости или газа в системе скважина-пласт. Для успешной глинизации в глинистом растворе должны преобладать мелкие коллоидные частицы, над крупными частицами суспензий. Наиболее коллоидальными являются бентонитовые глины, которые обеспечивают пониженную водоотдачу, повышенную вязкость и повышенные тиксотропные свойства глинистых растворов.

Глинистый раствор с недостаточным количеством коллоидных частиц не обладает способностью закупоривать все отверстия между частицами породы. Толстая корка пропускает воду, плохо связывается с породами и легко обваливается. Вода, проникшая в пласт, уменьшает силу трения между частицами и поэтому снижает устойчивость стенок скважины. При подъеме и спуске бурильных труб толстая корка набирается на замковые соединения труб, образуя сальники, что способствует прихватам инструмента. Толстая корка затрудняет спуск обсадной колонны и нередко приводит к прихвату последней.

Глинизация стенок скважины является крупным недостатоком при вскрытии водоносного или нефтегазоносного пласта, так как предотвращает или уменьшает приток воды или нефти и газа из пласта в ствол скважины. Поэтому вскрытие водоносного горизонта должно производиться с промывкой водой, безглинистым самораспадающимся (водогипановым или крахмальным) раствором.

4.4.Методы измерения свойств промывочных растворов

Во избежание зашламования скважины разность удельного веса жидкости, выходящей из скважины, и удельного веса промывочной жидкости, нагнетаемой в скважину, должна быть в пределах 0,01 — 0,03; поэтому необходимо периодически замерять эти параметры

Плотность тела - это отношение массы тела к его объему промывочной жидкости необходимо: 1) для суждения о степени насыщенности глинистого раствора глиной; 2) для суждения о степени насыщенности промывочной жидкости шламом разбуренных пород 3) для определения гидростатического давления..

Плотность нормального глинистого раствора в зависимости от требуемого гидростатического давления должна быть в пределах 1,08—1,45 г/см3; аэрированного (насыщенного воздухом) 0,7— 0,9 г/см3; утяжеленного (с добавкой порошка барита или гематита) до 2,30 г/см3.

Плотность промывочной жидкости измеряют ареометрами постоянного объема

Вязкость глинистых растворов. Под вязкостью понимается внутреннее трение, существующее между слоями жидкости, движущимися друг относительно друга с различной скоростью. Условная вязкость определяется при помощи стандартного полевого визкозиметра (СПВ-5). Чаще применяются растворы, 500 см3 которых вытекают за 18—24 с (вязкость 18— 24 с). Для борьбы с поглощением применяются растворы повышенной вязкости (40—80 с и более).

Содержание песка в глинистом растворе. При значительном содержании песка в растворе происходит быстрый износ деталей насоса, бурового сальника (вертлюга) и другого оборудования. Во время остановки циркуляции песок оседает на забой скважины и может прихватить колонковый снаряд. Под песком понимается содержание твердых частиц разбуренных пород и комочков глины. Содержание песка определяется разбавлением раствора водой в отношении 1: 9 и отстоем в течение 1 мин. За это время в осадок выпадают фракции песка крупнее 0,1 мм. Для более полного осаждения всех фракций песка, оставляют раствор в покое в течение 3 мин. Для определения содержания песка применяется отстойник ОМ-2. В нормальном глинистом растворе содержание песка должно быть менее 4%.

Суточный отстой характеризует стабильность глинистого раствора, т. е. способность в течение длительного времени не расслаиваться на твердую и жидкую фазы.. Нормальные глинистые растворы должны за сутки давать отстой не более 3—4%. Стабильность глинистого раствора определяется с помощью прибора ЦС-2 . У нормальных растворов эта разница не должна превышать 0,02 г/см3.

Водоотдача характеризует способность глинистого раствора отфильтровывать воду в пористые породы. Показатель водоотдачи характеризуется объемом воды в кубических сантиметрах, отфильтровывающейся в течение 30 мин из 100 см3 глинистого раствора через бумажный фильтр диаметром 75 мм под избыточным давлением 0,1 МПа. Водоотдача имеет большое значение при бурении в пористых породах. Глинистые растворы с большой водоотдачей образуют рыхлую корку, сужающую ствол скважины и вызывающую затяжки бурового инструмента при подъеме. Проникновение воды в глинистые породы вызывает их набухание и выпучивание в ствол скважины. Снижение водоотдачи глинистого раствора способствует устранению этих явлений. Величина водоотдачи зависит: 1) от качества глины; 2) от качества воды: (жесткая и засолоненная вода повышает водоотдачу); 3) от способа приготовления раствора (недостаточное размешивание глины приводит к повышению водоотдачи); 4) надлежащая химическая обработка раствора снижает водоотдачу.

Водоотдачу глинистого раствора определяют на приборе ВМ-6

Нормальной для глинистых растворов считается водоотдача не более 25 см3 за 30 мин. Для борьбы с прихватами и обвалами снижают водоотдачу посредством химической обработки до 5— 6 реже до 2—3 см3 за 30 мин. Растворы, имеющие водоотдачу свыше 25 см3 за 30 мин, могут создавать осложнения при бурении в пористых породах.

Статическое напряжение сдвигу θ характеризует способность глинистых растворов удерживать во взвешенном состоянии частицы породы.

Так как связи между частицами глины в тиксотропном растворе устанавливаются постепенно, то величина θ зависит от времени стояния раствора в покое. Вначале θ быстро растет, а затем медленно повышается до определенного предела. Измеряется θ в приборах, называемых пластометрами.

Статическое напряжение сдвига θ характеризует способность глинистого раствора удерживать во взвешенном состоянии частицы шлама.

Выбор глины. Оценку пригодности глины лучше всего производить по качеству приготовленного из этой глины раствора. Из небольшого количества испытуемой глины приготовляют глинистый раствор с условной вязкостью i = 18—24 с. Производят измерение показателей свойств полученного глинистого раствора. Сравнивают результаты измерений с параметрами глинистого раствора для нормальных условий бурения и делают вывод о пригодности полученного раствора для целей бурения без его химической обработки.

Глинопорошки изготовляют на глинозаводах, транспортируют в бумажных мешках и применяют для приготовления глинистого раствора для ускорения распада глины на коллоидальные частицы. На заводе при изготовлении глинопорошков к ним могут быть добавлены химические реагенты, повышающие качество раствора.

4.5.Расчет потребного количества глины

Количество глины для изготовления единицы объема глинистого раствора, имеющего определенную вязкость, зависит от степени коллоидальности глины. Глины принято сравнивать по выходу получаемого из них раствора установленной вязкости.

Выходом глинистого раствора VB называется объем глинистого раствора в м3 установленной вязкости из 1 т глины.

Количественные показатели глинистого раствора для глин различной степени коллоидальности при плотности глины рг = = 2,5 т/м 3 и условной вязкости глинистого раствора 25— 30 с приведены в табл. 6.1.

Количественные показатели глинистых растворов разной коллоидальности

Степень коллоидальности глины	Плотность глинистого раствора Рр г/см	Объем глины Vr на 1м3 раствора, м3	Масса глины m на 1м3 раствора, кг	Выход глинистого раствора из 1 т глины Vв. м3/т
Высококоллоидная
Коллоидная
Среднеколлоидная
Малоколлоидная

Определение объема глины V г для приготовления V р1 м 3 глинистого раствора.

Пусть: Рг — плотность глины (природные глины в воздушно-сухом состоянии имеют плотность от 2,2 до 2,8 т/м3, в среднем» 2,5 т/м3); Рв = 1 т/м 3 — плотность воды; Рр — плотность глинистого раствора, т/м 3 (см. табл. 25); Vг — объем глины для приготовления 1 м 3 глинистого раствора, м 3 . Составим уравнение масс в объеме 1 м 3: (масса глины) + (масса воды) = (масса раствора). Заменив массы на соответствующие им произведения объема на плотность, учитывая, что объем воды можно представить как разность объема раствора и объема глины и приняв за единицу объем раствора, получим

VrPr+VвРв=VpPp;

Так как Vp=1

VrPr + (1 — Vr) Рв = Рр

VrPr + Рв — VгРв = Рр

Vr (Рг — Рв) = Рр — Pв

Vr= Рр — Pв/ Рг — Рв)

Определение массы глины m для приготовления 1 м 3 раствора m = Vr * Pr

Объем глинистого раствора V для бурения заданной скважины V = V1 + V2 + V3, м 3 где V1 = объем скважины = Дср*Н (здесь Д — средний диаметр скважины, Н - глубина скважины)

V2 — объем резервуаров для хранения глинистого раствора (2—5 м 3); V3 — потеря глинистого раствора в скважине — зависит от степени трещино-ватости пород (V3 = 2—5 Vх и более).

Масса глины М для бурения заданной скважины

где м— масса глины для приготовления 1 м 3 раствора, т; V — объем глинистого раствора для бурения заданной скважины, м 3 . Насыпная масса (глина имеет пористость с суммарным объемом пустот = 20%) будет меньше за счет пористости, поэтому M=m*V*0.8

5.ТЕХНОЛОГИЯ КОЛОНКОВОГО БУРЕНИЯ

В зависимости от категории пород можно задавать разные режимы бурения, параметрами которого является:частота вращения бурового снаряда, осевая нагрузка и объем подачи промывочной жидкости в единицу времени. Режимы бурения разные для победитового и алмазного бурения. Коронки также изготовляются разными по конструкции для разных категорий пород.

Нагрузка на коронку задается, исходя из количества основных (объемных) резцов, их размеров и твердости пород. Общая нагрузка на коронку должна быть равна С= m*q

где m— число объемных (основных) резцов; q — рекомендуемое давление на 1 резец, Η (см. табл. 7.1).

Частота вращения коронки должно быть n=60V / η Dср где V - окружная скорость коронки 0,6-1,6 м/с, Dср - средний диаметр коронки, м

Подача промывочной жидкости определяется, исходя из скорости восходящего потока Vn и диаметра скважины; Vπ = 0,25— 0,6 м/с. Чем больше скорость бурения, тем больше и Vπ. При бурении в трещиноватых и абразивных породах необходимо снижать окружную скорость и осевую нагрузку.

Промывка при алмазном бурении должна обеспечивать хорошее охлаждение алмазов, так как они при сильном нагреве они графитизируются. Скорость восходящего потока между бурильной колонной и стенками скважины должна быть в пределах 0,4— 0,8 м/с.

При наполнении колонковой трубы керном буровой инструмент поднимают на поверхность. Для этого над коронкой помещают кернорватель, который срывает керн от забоя. Поднятая коронка отвертывается и осматривается. Керн из колонковой трубы осторожно и последовательно извлекается, документируется и укладывается в керновые ящики.

Среди различных видов бурения существует способ, широко используемый в разных областях - от разведки недр до строительства. Это колонковое бурение скважин, одна из разновидностей роторного. Широта применения данного способа при создании горной цилиндрической выработки связана с уникальной особенностью. Используется полое цилиндрическое долото, в результате порода разрушается не по всему объему выработки, а только по краям окружности. Остается нетронутым цилиндрический фрагмент породы, так называемый керн.

Технология колонкового бурения

Именно эта способность делать керны, в которых сохраняется послойная геологическая структура, сделали колонковый метод бурения незаменимым при геологической разведке. Как при обычном бурении с использованием шарошечного долота установка для колонкового бурения может быть смонтирована на автомобильном шасси. Колонковый метод также использует в процессе проходки промывку глинистым раствором. Раствор не только облегчает бурение, смазывая место контакта инструмента с породой, снижая нагрузку, но и охлаждает долото, продлевая его ресурс. Кроме облегчения условий бурения использование глинистого раствора укрепляет стенки скважины от обрушения. В зависимости от условий работы вместо или вместе с промывочной жидкости могут использоваться специальные поверхностно-активные вещества, задача которых снизить сопротивление грунта и уровень вибрации.

В качестве инструмента при колонковом бурении применяют твердосплавные или алмазные коронки. Упрощенно такую коронку можно описать как цилиндрический фрагмент трубы с узким или широким кольцевым рабочим краем по торцу. Именно за счет этой «пустотелости» внутри колонкового долота остается цилиндрический кусок нетронутой породы - керн. Место, где остается цилиндрический фрагмент породы, называется керноприемником. Для достоверности результатов геологических изысканий к качеству керна, то есть к его сохранности, предъявляются особые требования.

С целью продления срока жизни колонкового долота часть скважины может быть сделана обычным шарошечным долотом. Когда это бывает нужно? Например, надо исследовать конкретный геологический слой в диапазоне глубин от 100 до 120 м, а от поверхности до глубины 100 м идет очень твердая скальная порода, керны из которой нам не нужны. Чтобы зря не изнашивалось колонковое долото, до 100 м проходим шарошкой. Затем буровая колонна поднимается и долото меняется на колонковое. Также иногда для эффективной работы колонкового долота в твердых породах используют буры-расширители для калибрования и расширения ствола с целью исключить затяжку бурового снаряда при его подъеме.

Для проведения разведочного бурения достаточно создания горной выработки небольшого диаметра. То есть колонковое долото для взятия пробы породы может быть значительно меньше диаметра проектируемой скважины. Если исследование кернов даст отрицательный результат, то Вы заплатите только за разведку, то есть потеряете гораздо меньше, чем если сразу без разведки бурили большим диаметром.

Другие аспекты колонкового бурения

Алмазная колонковая коронка очень широко используется в строительстве для сверления стен и перекрытий. Коронка легко проходит сквозь бетон, кирпич, камень - в результате остается практически идеальное отверстие.

Колонковое долото позволяет бурить не только вертикальные, но также наклонные и горизонтальные скважины. Метод является очень производительным и эффективным, керны могут подниматься на поверхность практически с любой доступной для буровиков сегодня глубины - более 10 километров (Кольская сверхглубокая). Бурение для взятие пробы производится не только с твердой поверхности, но также со специальных плавучих платформ для исследования шельфа.

Кроме геологических исследований, колонковое бурение скважин очень широко используется для взятия пробы при изучении строения горных ледников, древних покровных льдов Антарктиды, старых деревьев (в керне видно срез годовых колец) и т.д.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

1. КОЛОНКОВОЕ БУРЕНИЕ

1.1 Общие сведения

4. ПРОМЫВКА И ПРОДУВКА БУРОВЫХ СКВАЖИН

3.1 Промывка скважин

3.2 Основные типы промывочной жидкости и условия применения

3.3 Назначение глинистых растворов и их свойства

3.4 Методы измерения свойств промывочных растворов

3.5 Расчет потребного количества глины

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время бурение скважин, многоцелевое производство и современная промышленность предлагает большой выбор технических средств и технологий, в которых требуется разбираться, чтобы принять правильное решение. В условиях рыночной экономики и жесткой конкуренции между недропользователями к специалистам геологам предъявляются соответствующие требования, так как от его квалификации и знаний, порой на уровне интуиции, может зависеть успех всего предприятия.

1. КОЛОНКОВОЕ БУРЕНИЕ

1.1 Общие сведения

Колонковое бурение является основным техническим способом разведки месторождений твердых полезных ископаемых. Оно также широко применяется при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях и при структурно-картировочных изысканиях нефтяных и газовых месторождений. Кроме того, это бурение применяется для различных инженерных целей. Колонковым способом могут буриться шурфы и разведочные шахты. Колонковое бурение получило столь большое распространение по следующим причинам.

1. Оно позволяет извлекать из скважины столбики породы -- керна, по которым можно составить геологический разрез месторождения и опробовать полезное ископаемое.

2. Колонковым способом можно бурить скважины под различными углами к горизонту, различными породоразрушающими инструментами в породах любой твердости и устойчивости. Из подземных выработок можно бурить восстающие скважины. колонковый бурение скважина промывка

3. Бурить скважины малых диаметров на большую глубину, применяя относительно легкое оборудование.

1.2 Общая схема колонкового бурения

Бурение скважины начинается с подготовки подъездных путей и площадки для буровой установки. Перед началом бурения на месте заложения запроектированной скважины разравнивается площадка, выкапываются ямы под емкости для промывочной жидкости и под фундаменты и собирается буровая вышка 14 с буровым зданием 15. В вышке монтируются в требуемом направлении буровой станок 7, буровой насос 18, электродвигатели 19 для привода станка и насоса (рис.1). При отсутствии электроэнергии станок и насос приводятся в действие через соответствующую трансмиссию от двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

Рис.1 Схема бурового агрегата

После монтажа буровой установки и проверки ее работы производится забуривание скважины в заданном направлении, после чего устье скважины закрепляется направляющей трубой. Все части бурового снаряда соединяются друг с другом при помощи резьбовых (герметичных) соединений. Верхняя ведущая бурильная труба пропускается сквозь шпиндель вращателя бурового станка, закрепляется в зажимном патроне, затем.. на нее навинчивается буровой сальник.

Одновременно оборудуется система для очистки бурового раствора от частиц разбуренной породы. Для охлаждения коронки, очистки забоя от разрушенной породы и выноса на поверхность шлама скважину промывают. Бурение скважины производится в следующей последовательности. При помощи лебедки в скважину спускается буровой снаряд, собираемый из следующих частей: коронки 7, колонковой трубы 6, переходника 5, колонны бурильных труб 4, длина которой увеличивается по мере углубления скважины, вертлюг-сальника 3, нагнетательного шланга 2, соединяющего буровой снаряд с буровым насосом 1. Вращение бурового снаряда сопровождается нагнетанием под давлением промывочной жидкости буровым насосом. Раствор, насыщенный шламом разбуренной породы, поднимается вверх по стволу скважины, где поступает по системе желобов 8 в отстойник 9, где шлам опускается на дно, а осветленная вода в приемный бак 10.

Рис. 2 Схема прямой промывки скважин: 1 - буровой насос; 2 - нагнетательный шланг; 3 - вертлюг - сальник; 4 - колонна бурильных труб; 5 - трубный фрезерный переходник; 6 - колонковая труба; 7 - коронка; 8 - система желобов; 9 - отстойник; 10 - приемный бак

С промывкой и вращением снаряд осторожно доводят до забоя и начинают бурение. Скважину забуривают до коренных пород и врезаются в них на 0,5--1,5 м, после чего опускают направляющую трубу, предназначенную для предохранения устья скважины от размыва и направления изливающейся из скважины жидкости в желобную систему При глубоком бурении всю толщу верхних неустойчивых и водоносных пород перекрывают следующей колонной обсадных труб называемой кондуктором. Затрубное пространство за кондуктором на всю глубину или в нижней части должно быть зацементировано, а кольцевой зазор между направляющей трубой и кондуктором загерметизирован.

В зависимости от физико-механических свойств пород, диаметра и типа буровой коронки шпинделю и буровому снаряду сообщают ту или иную частоту вращения и при помощи регулятора подачи создают необходимую осевую нагрузку на коронку. Частота вращения инструмента подбирается в зависимости от типа коронки, ее диаметра и глубины скважины. Регулятор подачи позволяет создавать необходимое давление резцов коронки на породу забоя, независимо от веса колонны бурильных труб. Вращаясь и внедряясь в породу, коронка выбуривает кольцевой забой, формируя керн. По мере углубления скважины керн заполняет колонковую трубу

Если бурение ведется по устойчивым породам, то для промывки скважины применяется техническая вода. При проходке скважины в недостаточно устойчивых породах промывку ведут глинистым раствором. При бурении в относительно безводных скважинах может применяться продувка забоя сжатым воздухом.

После того как колонковая труба наполнится керном, приступают к подъему инструмента на поверхность. При бурении в крепких и абразивных породах иногда приходится прекращать бурение и приступать к подъему инструмента из-за значительного снижения скорости бурения вследствие затупления резцов коронки или из-за самозаклинивания керна в колонковом снаряде. Перед началом подъема керн должен быть надежно заклинен в нижней части колонкового снаряда и сорван. После заклинивания керна насос выключают и буровой снаряд при помощи лебедки поднимают на поверхность, развинчивая колонну бурильных труб на отдельные свечи. Длина свечей определяется высотой буровой вышки. Свеча свинчивается из двух или трех, а иногда и четырех бурильных труб. Длина свечи на 3--5 м меньше высоты вышки. Свечи устанавливаются на подсвечник. Вес поднимаемой колонны можно определять с помощью индикатора веса.

После извлечения колонкового снаряда на поверхность коронку отвинчивают, керн извлекают из колонковой трубы, инструмент вновь собирают, опускают в скважину и бурение продолжают. При каждом подъеме коронку осматривают и в случае износа заменяют новой. Керн промывают, очищают от глинистой корки, замеряют и укладывают в последовательном порядке в керновые ящики, отмечая интервал скважины, с которого поднят керн, и процент выхода керна.

Если скважина пересекает неустойчивые породы, которые обваливаются или выпучиваются даже при применении специальных промывочных растворов, в нее опускают колонну обсадных труб, перекрывая неустойчивые породы, после чего продолжают бурение скважины коронкой меньшего диаметра. Через 50--100 м проходки измеряют угол наклона (зенитный) и направление (азимут) скважины. После того как скважина пересечет полезное ископаемое и войдет в пустые породы лежачего бока, бурение прекращают, инструмент поднимают и разбирают.

В скважине производят геофизические исследования, (каротаж), измеряют кривизну ствола, температуру, проверяют глубину скважины, после чего приступают к ликвидации скважины. Для этого, прежде, извлекают обсадные трубы (если они не зацементированы), затем заполняют под давлением тампонажным раствором, чтобы по стволу не было перетока подземных вод. После этого буровая установка разбирается и перевозится на новую точку. На месте ликвидированной скважины устанавливают репер.

В крепких породах бурение производят алмазными коронками. В крепких хрупких породах может быть с успехом применено ударно-вращательное бурение с гидро- или пневмоударным механизмом. В породах средней твердости и мягких вращательное бурение ведется коронками, армированными твердосплавными резцами. Если скважины пересекают уже изученные породы, то на участках, где полезное ископаемое отсутствует, целесообразно перейти на бескерновое бурение, которое позволяет повысить производительность бурения за счет значительного увеличения проходки за рейс и сокращения времени на спуско-подъемные операции, а также за счет повышения режимов бурения.

Глубины колонковых скважин бывают различные - от нескольких метров до нескольких тысяч метров. Диаметры колонковых скважин зависят от целей их проходки и от типа породоразрушающего инструмента. При алмазном способе скважины бурятся в основном коронками диаметром 76, 59 и 46 мм. При твердосплавном бурении чаще применяют коронки диаметром 92, 76, 59 мм, При инженерно-геологических и гидрогеологических работах иногда проходят колонковым способом шурфо-скважины диаметром 500--1500 мм. Выпускаются установки для бурения колонковым способом круглых стволов шахт диаметром более 5 м.

1.3 Инструмент колонкового бурения

Инструмент, предназначенный для бурения скважин, называется буровым инструментом и подразделяется на технологический, вспомогательный, аварийный и специальный.

Технологический инструмент предназначен непосредственно для бурения. Набор инструмента, соединенного в определенной последовательности, называется буровым снарядом. Вспомогательный инструмент -- это буровой инструмент, предназначенный для обслуживания технологического инструмента при бурении. Аварийный инструмент предназначен для ликвидации различного рода осложнений, препятствующих нормальному процессу бурения, а специальный - для обслуживания специфических операций в скважинах.

Технологический буровой инструмент (буровой снаряд) состоит из колонкового набора (буровой коронки, кернорвательного устройства, колонковой трубы, трубного переходника, шламовой трубы) и бурильной колонны (бурильных труб и их соединений). Для каждого диаметра скважин составляется определенный буровой снаряд. В связи с этим стандартами предусмотрено по каждому типу инструмента определенное количество размеров, взаимно унифицированных по соединительным элементам и диаметрам (типоразмеры).

Вспомогательный инструмент предназначен, в основном для сборки - разборки бурового снаряда и для обсадки скважины обсадными трубами. Представлен обсадными трубами, полуавтоматическим элеватором с пробкой (грибком), элеватором, шарнирным ключом, подкладной вилкой.

Для удержания снаряда в подвешенном состоянии применяются трубные хомуты и трубодержатели. Для свинчивания и развинчивания обсадных труб применяются двух- или трехшарнирные ключи. Каждый ключ может быть использован для свинчивания и развинчивания двух размеров обсадных труб.

Для предохранения нижнего конца обсадной колонны от повреждений при спуске и во время бурения к нижнему ее концу присоединяется башмак обсадных труб

2. КОНСТРУКЦИЯ КОЛОНКОВЫХ СКВАЖИН

Прежде чем приступить к бурению скважины, надо составить ее проектную конструкцию Исходными данными для выбора конструкции скважины служат:

а) физико-механические свойства пород, пересекаемых скважиной, их крепость, устойчивость, водонасыщенность и т. д.;

б) глубина скважины, наклон скважины;

в) конечный диаметр скважины, который зависит от вида полезного ископаемого;

г) способ бурения.

Проектирование скважины начинается с выбора и обоснования глубины скважины, конечного диаметра бурения, начальных углов забуривания, технической конструкции скважины. Глубина картировочной скважины определяется установленной геологическим заданием глубиной геологического картирования. Глубина разведочной и поисковой скважин в общем случае устанавливается из необходимости пересечения скважиной тела полезного ископаемого и углубления в подстилающие породы на 2-20 м. Начальные углы забуривания зависят от угла падения и азимута падения тела полезного ископаемого или пластов горных пород, глубины скважины. Желательно, чтобы скважина пересекала пласты горных пород под углами, близкими к 70 0 -90 0 . Если углы падения пластов не превышают 30 0 , то скважины проектируются вертикальными. При больших углах падения необходимо бурение наклонных или искривленных скважин.

Конечный диаметр бурения определяется, прежде всего, видом полезного ископаемого, которое требуется вскрыть, а точнее - требованиями к объему их проб. Большинство твердых полезных ископаемых не требует специфических видов анализа. При бурении их алмазными коронками рекомендуется принимать конечный диаметр скважины 46 или 59 мм. Для твердосплавного бурения конечный диаметр скважины следует брать 59, 76 мм. Бурение некоторых полезных ископаемых, требует более объемных проб для изучения. Например, бурение при разведке угольных месторождений, минеральных солей и других твердых полезных ископаемых, залегающих в толщах осадочных пород, производится твердосплавными коронками, причем при проходке по угольному пласту конечный диаметр скважины должен быть не меньше 76 мм, а при пересечении минеральных солей -- не менее 92 мм. При разведке химического сырья и стройматериалов бурят скважины диаметром 93-200 мм. Разведка россыпных месторождений золота и платины производится скважинами диаметром 150-200 мм При инженерно-геологических исследованиях в основном бурят скважины диаметром 112-219 мм. При гидрогеологических изысканиях диаметры скважин определяются размерами существующих конструкций приборов и водоподъемного оборудования и колеблются в пределах 100-219 мм и более. Диаметры эксплуатационных скважин на воду определяются требуемой продуктивностью скважины и обычно не менее 168 - 300 мм.

Основная масса этих скважин бурится в перемежающихся породах рыхлых, мягких и средней крепости. Часто бурение производится в песчано-глинистых грунтах, содержащих гравий, гальку и валуны. Породы эти склонны к обрушению. Встречаются породы типа плывунов. Поэтому в процессе углубки необходимо закреплять скважину обсадными трубами.

После выбора конечного диаметра скважины, намечают интервалы, требующие закрепления обсадными трубами, определяют глубины установки колонн обсадных труб. Обсадные трубы необходимо предусматривать для:

1) закрепления устья скважины с целью предохранения от размывания и отвода промывочной жидкости в желоба (направляющая труба);

2) закрепления залегающих сверху неустойчивых и обводненных пород и для надлежащего направления ствола скважины (кондуктор);

3) перекрытия зон разрушенных и раздробленных пород, галечников, слабых конгломератов и брекчий, которые плохо крепятся глинистым раствором и не могут быть затампонированы быстросхватывающимися смесями;

4) производства тампонажа для изоляции водоносных горизонтов, закрепления стенок скважины перед пересечением полезного ископаемого, над которым залегают неустойчивые породы, дающие осыпи.

При проектировании буровых работ в новых районах необходимо предусматривать резервную колонну обсадных труб и соответствующий резервный диаметр коронок.

Выбирают конструкцию скважины снизу вверх. После выбора конструкции скважины выбирают буровую установку, затем составляют спецификацию необходимого бурового оборудования и инструментов, определяют режимы бурения для каждого типа породы в отдельных интервалах и разрабатывают геолого-технический наряд на строительство скважины. Он будет служить основным документом - руководством для буровой бригады. В нем в табличной форме имеется информация по геологическому разрезу, конструкция скважины и рекомендуемые параметры режима бурения.

3. БУРОВЫЕ УСТАНОВКИ КОЛОНКОВОГО БУРЕНИЯ

Буровой установкой называется комплекс бурового и энергетического оборудования, а также сооружений (вышка или мачта, буровое здание), служащий для бурения скважин. Колонковое бурение производится установками, состоящими из бурового агрегата, который размещен в буровом здании, и буровой вышки или мачты. Буровой агрегат включает буровой станок, буровой насос для промывки скважины, силовые приводы к ним, аппаратуру контроля и регулирования процесса бурения.

Установки для колонкового бурения по транспортабельности разделяются на стационарные, передвижные, самоходные, переносные.

Стационарными называются такие установки, у которых буровой агрегат и вышка монтируются в виде одного или нескольких блоков. Эти установки не имеют собственной транспортной базы. После окончания бурения установка разбирается на составные блоки, которые перевозятся на новое место бурения, где снова монтируются. Стационарные буровые установки используются при больших затратах времени на бурение скважин.

Передвижные буровые установки монтируются на одной или нескольких рамах, установленных на санях, колесных или гусеничных тележках. Такие установки применяют при небольших расстояниях между скважинами и перемещают буксировкой автомобилями или тракторами.

Самоходные установки монтируются на базе автомашин, тракторов.

Буровые станки служат для вращения колонны бурильных труб с колонковым набором, регулировки осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент с подачей бурового снаряда по мере углубления скважины, а также для осуществления спуско-подъемных операций при бурении скважины, креплении ее обсадными трубами и специальных работах.

Основные узлы станка для колонкового бурения: а) вращатель бурового снаряда; б) многоступенчатая коробка передач для регулирования частот вращения и подъема; в) лебедка для осуществления спуско-подъемных операций; г) главный фрикцион для включения и отключения станка от двигателя; д) механизм подачи бурового снаряда и регулятор нагрузки на породоразрушающий инструмент, е) пульт управления с контрольно-измерительной аппаратурой.

Конструктивная схема станка и установки в целом существенно определяется типом вращателя и механизмом подачи. Вращатели по своей конструкции подразделяются на шпиндельные, роторные и подвижные. Вращатель бурового станка является основным рабочим механизмом, выполняющим технологические операции при бурении.

Осевую нагрузку на забой скважины регулирует механизм подачи бурового станка. В зависимости от конструкции механизма подачи буровые станки бывают: с гидравлической подачей; винтовой дифференциальной подачей; рычажной подачей; комбинированной рычажно-дифференциальной подачей; подачей с барабана лебедки (роторные станки). Преимущественно применяют шпиндельные станки с гидравлической системой подачи, Вращение и подача бурильной колонны в этом случае осуществляется с помощью шпинделя.

Установки, оборудованные шпиндельным или подвижным вращателем с гидравлической подачей, обладают следующими преимуществами:

1) могут бурить вертикальные, наклонные и восстающие скважины;

2) обеспечивают возможность регулирования осевого усилия на забой (создание принудительного усилия или разгрузки забоя);

3) позволяют производить плавную подачу бурового снаряда с требуемой скоростью;

4) позволяют определять вес снаряда в скважине;

5) гидравлическая подача может быть использована как гидравлический домкрат при извлечении труб и ликвидации аварий.

Все эти преимущества предопределили распространенность шпиндельного и подвижного вращателя с гидравлической подачей на установках колонкового бурения, используемых при разведке твердых полезных ископаемых. В роторных установках ротор (вращатель) в отличие от шпинделя вращается лишь в горизонтальной плоскости и неподвижен относительно вертикальной оси, поэтому не может обеспечить дополнительную осевую нагрузку (разгрузку на буровой снаряд).

4. ПРОМЫВКА И ПРОДУВКА БУРОВЫХ СКВАЖИН

4.1 Промывка скважин

Колонковое бурение производится с промывкой скважины. Основным назначением промывки является:

1. Очистка забоя скважины от разбуренной породы и вынос ее на поверхность.

2. Охлаждение породоразрушающего инструмента.

3. Укрепление стенок скважины от обрушения

Существует три способа промывки скважин: с выходом промывочной жидкости на поверхность земли: прямая, обратная и комбинированная.

Прямая промывка когда промывочная жидкость, нагнетаемая насосом, проходит по колонне бурильных труб, затем (при бурении кольцевым забоем) между керном и колонковой трубой омывает забой, охлаждает породоразрушающий инструмент, захватывает с забоя частицы разрушенной породы, поднимается вверх по кольцевому пространству между бурильными трубами и стенками скважины и, наконец, выходит на поверхность.

Достоинства прямой промывки: 1) буровой раствор, выходя из суженных промывочных отверстий коронки приобретает большую скорость и с силой ударяет о забой, размывая разбуриваемую породу, что способствует увеличению скорости бурения; 2) применяя специальные промывочные жидкости при бурении в сыпучих, рыхлых и трещиноватых породах обеспечивает закрепление стенок скважины путем скрепления частиц неустойчивой породы.

Недостатки прямой промывки: 1) возможен размыв стенок скважины при бурении в мягких породах вследствие большой скорости восходящего потока; 2) пониженный процент выхода керна в результате динамического воздействия струи на верхний торец керна, что приводит к его размыву; 3) при бурении скважин большого диаметра повышенный расход промывочной жидкости, необходимый для создания такой скорости восходящего потока, при которой все разбуренные частицы породы будут выноситься на поверхность. Прямая промывка имеет преимущественное применение в практике разведочного бурения.

Обратная промывка, когда промывочная жидкость движется к забою по кольцевому пространству между бурильными трубами и стенками скважины, омывает забой, входит в отверстия породоразрушающего инструмента, при наличии керна проходит пo кольцевому зазору между керном и колонковой трубой, проходит по внутреннему каналу бурильной колонны и, обогащенная шламом, выходит на поверхность земли.

Достоинства обратной промывки: интенсивная очистка забоя от частиц разрушенной породы и возможность гидравлического транспорта кернов через бурильные трубы на поверхность. Основной недостаток обратной промывки -- невозможность обеспечения нормального процесса бурения при наличии в разрезе поглощающих горизонтов, в которых теряется полностью или частично промывочная жидкость. В связи с более сложной организацией обратной промывки она имеет ограниченное применение.

Комбинированная промывка, когда движение промывочной жидкости над колонковой трубой осуществляется по схеме прямой промывки, а ниже с помощью специальных устройств по схеме обратной промывки. Техническое исполнение комбинированной промывки связано с применением устройств, преобразующих прямую промывку в обратную в призабойной зоне. Комбинированная промывка применяется с целью повышения выхода керна.

4.2 Основные типы промывочной жидкости и условия применения

1. Техническая вода (пресная, морская, рассолы) применяется при бурении в устойчивых породах.

2. Глинистые растворы применяются в трещиноватых, рыхлых сыпучих, плывучих и других слабоустойчивых породах для предотвращения обвалов, а также в трещиноватых скальных породах для борьбы с потерей циркуляции.

Кроме того, при бурении в особо сложных и специфических условиях применяют более сложные растворы с специальными добавками.:

1. Для приготовления легких химически аэрированных буровых растворов применяют глинопорошки, поверхностно-активные вещества (0,1--0,2%), реагенты-структурообразователи (каустическая сода 0,1--0,2%) или кальцинированная сода (0,5--2,5%).

2. Утяжеленные глинистые растворы применяются при вскрытии пластов с большим пластовым давлением для предупреждения выбросов из устья скважины фонтанной воды, нефти или газа. Для изготовления утяжеленного глинистого раствора к нему добавляют инертный порошкообразный материал -- утяжелитель, изготовленный из тяжелых минералов: - барита (BaSO 4); гематита (Fe 2 O 3) и др.. После задавливания фонтана под действием гидростатического давления утяжеленного раствора, над устьем скважины устанавливают противовыбросную арматуру, промывают скважину облегченным аэрированным глинистым раствором или технической водой, удаляют утяжеленный раствор и фонтанирование скважины восстанавливается.

3. Эмульсионные буровые растворы. Эмульсией называется система, состоящая из двух (или нескольких) взаимно нерастворимых жидких фаз, одна из которых диспергирована в другой. Различают два типа эмульсии. Эмульсии первого рода -- «масло в воде» (М/В), когда масло в водной среде находится в виде мельчайших шариков.

Эмульсии второго рода, называемые инвертными или обратными, -- «вода в масле» (В/М), когда вода в виде мельчайших шариков распределена в масле. Для придания эмульсии устойчивости применяют специальные реагенты -- эмульгаторы. Эмульсионные растворы первого рода нашли широкое применение при алмазном высокоскоростном бурении с целью гашения вибрации и снижения мощности на вращение бурильной колонны.

4. Растворы на нефтяной основе (РНО), применяют для вскрытия нефтяных и газовых пластов для сохранения их естественной проницаемости. Эти растворы сложны по своему составу, более дорогие, чем буровые растворы на водной основе.

5. Термостойкие промывочные жидкости

4.3 Назначение глинистых растворов и их свойства

Глинистые растворы имеют следующие назначения: 1) глинизация стенок скважин; 2) удержание выбуренной породы во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции; 3) создание повышенного противодавления на пласт; 4) облегчение транспортирования по стволу; 5) предохранение бурового инструмента от коррозии благодаря тонкой глинистой корке, покрывающей поверхность инструмента.

По размерам диспергированных (раздробленных) частиц различают два вида жидких дисперсных систем: 1) коллоидные растворы и 2) суспензии.

Коллоидные частицы в жидком растворителе (например, воде) под действием силы тяжести практически не оседают. Суспензией называется взвесь, т. е. дисперсная система, состоящая из двух фаз -- жидкой и твердой, в которой мелкие твердые частицы размером от 0,1 до 10 мкм и более взвешены в жидкости. С течением времени, под действием силы тяжести, взвешенные частицы осаждаются на дно сосуда.

Глина это дисперсная система, состоящая из воды и взвешенных в них частичек размером от коллоидных до частиц суспензий. Количество коллоидных частиц в глинистом растворе зависит от сорта глины и от способа его приготовления. Чем больше коллоидных частиц в растворе, тем лучше его качество. В нормальном глинистом растворе суммарная поверхность коллоидных частиц вследствие малых размеров и большого их количества превосходит суммарную поверхность частиц суспензий. Поэтому глинистый раствор есть коллоидно-суспензионная система, которая имеет свойства коллоидного раствора.

В глинистом растворе коллоидные частицы заряжены отрицательными электрическими зарядами, а ионы воды, положительными зарядами. Частицы глины как заряженные одноименным электричеством отталкиваются друг от друга. Вследствие весьма малых размеров и массы коллоидных частиц превалирующее значение для них имеет действие сил электрических зарядов, а не сила тяжести. Отталкивание коллоидных частиц, заряженных одноименным электричеством, способствует нахождению частиц во взвешенном состоянии.

Глинистые растворы являются гидрофильными коллоидными растворами, в которых частицы глины смачиваются водой. Явление смачиваемости частиц глины водой объясняется тем, что силы притяжения между молекулами глины и воды значительно больше, чем между молекулами воды, Воду, входящую в состав глинистого раствора, можно разделить на адсорбированную и свободную.

Адсорбированная вода связана с частицами глины силами притяжения, образует вокруг них гидратные оболочки и по своим свойствам значительно отличается от обычной воды (например, имеет большую плотность, большую вязкость и пр.).

Свободная вода в глинистом растворе является дисперсионной средой, в которой находятся глинистые частицы с адсорбированной водной оболочкой. Практическое значение смачиваемости состоит в том, что при столкновении частиц с гидратными оболочками они не слипаются. Между частицами остается прослойка молекул свободной воды. Смачиваемость частиц обеспечивает устойчивость глинистых растворов, состоящих из хорошо смачивающихся коллоидных частиц.

Стабильностью называют свойство коллоидных частиц, находящихся в коллоидном растворе во взвешенном состоянии. Стабильность обеспечивается: 1) высокой степенью дисперсности частиц и, следовательно, их весьма малой массой; 2) наличием у коллоидных частиц одноименных электрических зарядов, вызывающих взаимное отталкивание; 3) гидрофильностью коллоидов, т. е. наличием вокруг коллоидных частиц уплотненных гидратных оболочек, которые предохраняют частицы от слипания и последующего оседания. Поэтому глинистый раствор в течение долгого времени сохраняется в жидком состоянии и способен перекачиваться насосом.

Структурообразованием называется способность глинистых растворов, находящихся в покое, образовывать внутри себя структуру. Причина образования структуры и ее последующего роста в глинистом растворе состоит в том, что глинистые частицы имеют форму тонких пластинок, которые несут электрический заряд по своей широкой боковой поверхности и поэтому поверхность хорошо смачивается водой. По толщине контура эти пластинки имеют слабый электрический заряд или он отсутствует. Поэтому по тонким контурным поверхностям частицы плохо смачиваются водой. Столкновение отдельных коллоидных частиц с плохо смоченными поверхностями приводит к их слипанию. С течением времени число слипшихся частиц увеличивается и в растворе образуется пространственный решетчатый каркас из коллоидных частиц, слипшихся тонкими боковыми поверхностями. Вода остается в ячейках этой сетки и не может свободно перемещаться. Раствор становится густым, похожим на студень или гель.

При встряхивании или перемешивании загустевшего глинистого раствора структура его разрушается и глинистый раствор приобретает свойства жидкого раствора.

Тиксотропией называется свойство глинистого раствора загустевать при стоянии и разжижаться при встряхивании или перемешивании. Тиксотропией обладают не все коллоидные растворы, а только некоторые, в том числе глинистые растворы Тиксотропностью называется быстрота образования структуры, а после перемешивания -- быстрота восстановления структуры.

Удерживающей способностью глинистого раствора называется способность глинистого раствора удерживать частицы породы при структурообразовании. Это свойство глинистого раствора предотвращает осаждение частиц породы на забой при прекращении циркуляции.

Коагуляцией, или свертыванием, коллоидов называется процесс слипания коллоидных частиц в агрегатные группы с последующим осаждением этих частиц под влиянием силы тяжести. Коагуляция коллоидов происходит, если коллоидные частицы сделать нейтральными, они при столкновении будут соединяться, а группы, агрегаты оседать под влиянием силы тяжести. Коагуляция глинистого коллоида происходит от прибавления к воде коагулянтов, например некоторого количества поваренной соли NaCl, которая распадается под действием молекул воды с образованием положительных ионов натрия, нейтрализующих глинистые частицы, заряженные отрицательным электричеством. Если скважиной пересечены соленосные породы или водоносный горизонт с соленой водой, глинистый раствор, протекающий по стволу скважины, может подвергаться коагуляции. Обратимыми коллоидами называются такие коллоиды, которые при надлежащем электрическом состоянии среды способны восстанавливаться из скоагулированного состояния.

Пептизацией называется процесс превращения скоагулированного коллоида, свернувшегося в виде комочков, в коллоидный раствор. Для использования свойств обратимости коллоидов к глинистому раствору в качестве пептизаторов добавляют вещества, восстанавливающие отрицательные электрические заряды у глинистых частиц. К числу пептизаторов относятся: щелочи (каустическая сода, едкий натр NaOH, кальцинированная сода Na2CO3 и др.) или коллоиды, имеющие отрицательные электрические заряды, например гуминовая кислота.

Содержание в глине окислов и солей. Глины могут содержать примеси окиси железа (Fe2O3), окиси натрия (Na2O), окиси кальция (СаО), окиси магния (MgO), окиси калия (К2О) и др. Наличием преобладающей примеси часто определяются свойства глины. Чем больше в глине содержится натрия, тем лучше ее качество. Наличие солей (NaCl, СаС12, CaSO4 и др.) ухудшает качество глины. Сильно засоленные глины можно применять для приготовления глинистых растворов, но при этом необходима дополнительная их химическая обработка.

Набухание глин. Набуханием называется свойство глин увеличиваться в объеме при поглощении воды. Натриевые бентонитовые глины могут при замачивании увеличиваться в объеме в 8--10 раз и легко распадаются в воде на отдельные частицы. В кислых щелочных и солевых растворах бентонит не набухает. Гидрослюдистые и палыгорскитовые глины обладают меньшей способностью набухать. Каолиновые глины не набухают, расщепляются в воде плохо, растворы, приготовленные из них, неустойчивы и быстро разделяются на твердую фазу и жидкость. Глинизация стенок скважины используется при бурении с промывкой глинистым раствором в неустойчивых породах для укрепления стенок скважины и для изоляции пластов. После внедрения глинистого раствора в пустоты пород и его загустевания в них кольцевая зона породы вокруг ствола скважины укрепляется. После образования глинистой корки на стенках скважины прекращается поступление свободной воды из бурового раствора в пустоты пород. Кроме того, если пласты пород содержат воду, нефть газ и если величина пластового давления не превышает величину гидростатического давления промывочной жидкости на стенки скважины, то вода, нефть и газ не поступят из пласта в скважину. Происходит изоляция пластов и прекращение движения жидкости или газа в системе скважина-пласт. Для успешной глинизации в глинистом растворе должны преобладать мелкие коллоидные частицы, над крупными частицами суспензий. Наиболее коллоидальными являются бентонитовые глины, которые обеспечивают пониженную водоотдачу, повышенную вязкость и повышенные тиксотропные свойства глинистых растворов.

Глинистый раствор с недостаточным количеством коллоидных частиц не обладает способностью закупоривать все отверстия между частицами породы. Толстая корка пропускает воду, плохо связывается с породами и легко обваливается. Вода, проникшая в пласт, уменьшает силу трения между частицами и поэтому снижает устойчивость стенок скважины. При подъеме и спуске бурильных труб толстая корка набирается на замковые соединения труб, образуя сальники, что способствует прихватам инструмента. Толстая корка затрудняет спуск обсадной колонны и нередко приводит к прихвату последней.

Глинизация стенок скважины является крупным недостатоком при вскрытии водоносного или нефтегазоносного пласта, так как предотвращает или уменьшает приток воды или нефти и газа из пласта в ствол скважины. Поэтому вскрытие водоносного горизонта должно производиться с промывкой водой, безглинистым самораспадающимся (водогипановым или крахмальным) раствором.

4.4 Методы измерения свойств промывочных растворов

Во избежание зашламования скважины разность удельного веса жидкости, выходящей из скважины, и удельного веса промывочной жидкости, нагнетаемой в скважину, должна быть в пределах 0,01 -- 0,03; поэтому необходимо периодически замерять эти параметры

Плотность тела - это отношение массы тела к его объему промывочной жидкости необходимо: 1) для суждения о степени насыщенности глинистого раствора глиной; 2) для суждения о степени насыщенности промывочной жидкости шламом разбуренных пород 3) для определения гидростатического давления..

Плотность нормального глинистого раствора в зависимости от требуемого гидростатического давления должна быть в пределах 1,08--1,45 г/см3; аэрированного (насыщенного воздухом) 0,7-- 0,9 г/см3; утяжеленного (с добавкой порошка барита или гематита) до 2,30 г/см3.

Плотность промывочной жидкости измеряют ареометрами постоянного объема

Вязкость глинистых растворов. Под вязкостью понимается внутреннее трение, существующее между слоями жидкости, движущимися друг относительно друга с различной скоростью. Условная вязкость определяется при помощи стандартного полевого визкозиметра (СПВ-5). Чаще применяются растворы, 500 см3 которых вытекают за 18--24 с (вязкость 18-- 24 с). Для борьбы с поглощением применяются растворы повышенной вязкости (40--80 с и более).

Содержание песка в глинистом растворе. При значительном содержании песка в растворе происходит быстрый износ деталей насоса, бурового сальника (вертлюга) и другого оборудования. Во время остановки циркуляции песок оседает на забой скважины и может прихватить колонковый снаряд. Под песком понимается содержание твердых частиц разбуренных пород и комочков глины. Содержание песка определяется разбавлением раствора водой в отношении 1: 9 и отстоем в течение 1 мин. За это время в осадок выпадают фракции песка крупнее 0,1 мм. Для более полного осаждения всех фракций песка, оставляют раствор в покое в течение 3 мин. Для определения содержания песка применяется отстойник ОМ-2. В нормальном глинистом растворе содержание песка должно быть менее 4%.

Суточный отстой характеризует стабильность глинистого раствора, т. е. способность в течение длительного времени не расслаиваться на твердую и жидкую фазы.. Нормальные глинистые растворы должны за сутки давать отстой не более 3--4%. Стабильность глинистого раствора определяется с помощью прибора ЦС-2 . У нормальных растворов эта разница не должна превышать 0,02 г/см3.

Водоотдача характеризует способность глинистого раствора отфильтровывать воду в пористые породы. Показатель водоотдачи характеризуется объемом воды в кубических сантиметрах, отфильтровывающейся в течение 30 мин из 100 см3 глинистого раствора через бумажный фильтр диаметром 75 мм под избыточным давлением 0,1 МПа. Водоотдача имеет большое значение при бурении в пористых породах. Глинистые растворы с большой водоотдачей образуют рыхлую корку, сужающую ствол скважины и вызывающую затяжки бурового инструмента при подъеме. Проникновение воды в глинистые породы вызывает их набухание и выпучивание в ствол скважины. Снижение водоотдачи глинистого раствора способствует устранению этих явлений. Величина водоотдачи зависит: 1) от качества глины; 2) от качества воды: (жесткая и засолоненная вода повышает водоотдачу); 3) от способа приготовления раствора (недостаточное размешивание глины приводит к повышению водоотдачи); 4) надлежащая химическая обработка раствора снижает водоотдачу.

Водоотдачу глинистого раствора определяют на приборе ВМ-6

Нормальной для глинистых растворов считается водоотдача не более 25 см3 за 30 мин. Для борьбы с прихватами и обвалами снижают водоотдачу посредством химической обработки до 5-- 6 реже до 2--3 см3 за 30 мин. Растворы, имеющие водоотдачу свыше 25 см3 за 30 мин, могут создавать осложнения при бурении в пористых породах.

Статическое напряжение сдвигу и характеризует способность глинистых растворов удерживать во взвешенном состоянии частицы породы.

Так как связи между частицами глины в тиксотропном растворе устанавливаются постепенно, то величина и зависит от времени стояния раствора в покое. Вначале и быстро растет, а затем медленно повышается до определенного предела. Измеряется и в приборах, называемых пластометрами.

Статическое напряжение сдвига и характеризует способность глинистого раствора удерживать во взвешенном состоянии частицы шлама.

Выбор глины. Оценку пригодности глины лучше всего производить по качеству приготовленного из этой глины раствора. Из небольшого количества испытуемой глины приготовляют глинистый раствор с условной вязкостью i = 18--24 с. Производят измерение показателей свойств полученного глинистого раствора. Сравнивают результаты измерений с параметрами глинистого раствора для нормальных условий бурения и делают вывод о пригодности полученного раствора для целей бурения без его химической обработки.

Глинопорошки изготовляют на глинозаводах, транспортируют в бумажных мешках и применяют для приготовления глинистого раствора для ускорения распада глины на коллоидальные частицы. На заводе при изготовлении глинопорошков к ним могут быть добавлены химические реагенты, повышающие качество раствора.

4.5 Расчет потребного количества глины

Количество глины для изготовления единицы объема глинистого раствора, имеющего определенную вязкость, зависит от степени коллоидальности глины. Глины принято сравнивать по выходу получаемого из них раствора установленной вязкости.

Выходом глинистого раствора VB называется объем глинистого раствора в м3 установленной вязкости из 1 т глины.

Количественные показатели глинистого раствора для глин различной степени коллоидальности при плотности глины рг = = 2,5 т/м 3 и условной вязкости глинистого раствора 25-- 30 с приведены в табл. 6.1.

Определение объема глины Vг для приготовления Vр1 м 3 глинистого раствора.

Пусть: Рг -- плотность глины (природные глины в воздушно-сухом состоянии имеют плотность от 2,2 до 2,8 т/м3, в среднем» 2,5 т/м3); Рв = 1 т/м 3 -- плотность воды; Рр -- плотность глинистого раствора, т/м 3 (см. табл. 25); Vг -- объем глины для приготовления 1 м 3 глинистого раствора, м 3 . Составим уравнение масс в объеме 1 м 3: (масса глины) + (масса воды) = (масса раствора). Заменив массы на соответствующие им произведения объема на плотность, учитывая, что объем воды можно представить как разность объема раствора и объема глины и приняв за единицу объем раствора, получим

VrPr+VвРв=VpPp;

VrPr + (1 - Vr) Рв = Рр

VrPr + Рв - VгРв = Рр

Vr (Рг -- Рв) = Рр - Pв

Vr= Рр - Pв/ Рг -- Рв)

Определение массы глины m для приготовления 1 м 3 раствора

Объем глинистого раствора V для бурения заданной скважины

V = V1 + V2 + V3, м 3

где V1 = объем скважины = Дср*Н (здесь Д -- средний диаметр скважины, Н - глубина скважины)

V2 -- объем резервуаров для хранения глинистого раствора (2--5 м 3); V3 -- потеря глинистого раствора в скважине -- зависит от степени трещино-ватости пород (V3 = 2--5 Vх и более).

Масса глины М для бурения заданной скважины

где м-- масса глины для приготовления 1 м 3 раствора, т; V -- объем глинистого раствора для бурения заданной скважины, м 3 . Насыпная масса (глина имеет пористость с суммарным объемом пустот = 20%) будет меньше за счет пористости, поэтому

5. ТЕХНОЛОГИЯ КОЛОНКОВОГО БУРЕНИЯ

В зависимости от категории пород можно задавать разные режимы бурения, параметрами которого является:частота вращения бурового снаряда, осевая нагрузка и объем подачи промывочной жидкости в единицу времени. Режимы бурения разные для победитового и алмазного бурения. Коронки также изготовляются разными по конструкции для разных категорий пород.

Нагрузка на коронку задается, исходя из количества основных (объемных) резцов, их размеров и твердости пород. Общая нагрузка на коронку должна быть равна

где m-- число объемных (основных) резцов; q -- рекомендуемое давление на 1 резец, З.

Частота вращения коронки должно быть

n=60V / з Dср

где V - окружная скорость коронки 0,6-1,6 м/с, Dср - средний диаметр коронки, м

Подача промывочной жидкости определяется, исходя из скорости восходящего потока Vn и диаметра скважины; Vр = 0,25-- 0,6 м/с. Чем больше скорость бурения, тем больше и Vр. При бурении в трещиноватых и абразивных породах необходимо снижать окружную скорость и осевую нагрузку.

Промывка при алмазном бурении должна обеспечивать хорошее охлаждение алмазов, так как они при сильном нагреве они графитизируются. Скорость восходящего потока между бурильной колонной и стенками скважины должна быть в пределах 0,4-- 0,8 м/с.

При наполнении колонковой трубы керном буровой инструмент поднимают на поверхность. Для этого над коронкой помещают кернорватель, который срывает керн от забоя. Поднятая коронка отвертывается и осматривается. Керн из колонковой трубы осторожно и последовательно извлекается, документируется и укладывается в керновые ящики.

Однослойную алмазную коронку следует заменить в случае: а) механического повреждения коронки; б) появления на торце коронки круговых борозд, вследствие отсутствия полного перекрытия рабочего торца алмазами; в) сильного оголения алмазов; г) износа коронки по диаметру. Износившиеся алмазные коронки отправляют на завод, где матрицу растворяют в соответствующих кислотах и отбирают алмазы, которые можно вторично использовать в коронках (рекуперация алмазов).

При бурении алмазными коронками частота вращения часто принимается в пределах 500--1500 об/мин. Осевая нагрузка подбирается из расчета 500--1200Н на 1 см 2 рабочего торца коронки в зависимости от насыщенности торца алмазной коронки алмазами и крепости пород.

Параметры режима алмазного бурения применительно к коронкам различного диаметра и породам разной крепости (по данным ВИТРа). Производительность алмазного бурения при правильно выбранной коронке зависит от параметров режима бурения: осевой нагрузки на коронку, частоты ее вращения, количества и качества промывочной жидкости. Это положение, общее для вращательного бурения, приобретает при алмазном бурении особое значение вследствие чувствительности алмазной коронки на нарушение правильного соотношения между указанными режимными параметрами.

На процесс алмазного бурения сказывается влияние многочисленных переменных факторов, и поэтому вопрос о режимах бурения должен рассматриваться раздельно по группам пород со сходными физико-механическими свойствами. В общем случае при алмазном бурении рекомендуется применять высокую частоту вращения, причем по мере ее увеличения необходимо одновременно повышать осевую нагрузку на коронку. Нормальной частотой считается 750--1500 об/мин, пониженной 400--750 об/мин для алмазных коронок диаметром 46 и 59 мм.

Величина осевой нагрузки определяется с учетом следующих основных факторов: а) с увеличением твердости породы осевые нагрузки должны повышаться; б) в трещиноватых, а также в тонкослоистых породах с чередованием твердых и более мягких прослоев осевые нагрузки должны быть меньше, чем в монолитных однородных породах; в) слоистые породы с тенденцией к искривлению ствола скважины бурят при пониженных осевых нагрузках; г) для коронок с алмазами меньшей величины осевая нагрузка уменьшается; д) при увеличенной подаче промывочной жидкости коронка меньше забивается шламом и поэтому осевые нагрузки можно увеличить. Одно из основных правил алмазного бурения заключается в том, что осевая нагрузка на коронку должна быть всегда равномерной и достаточной для объемного разрушения породы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воздвиженский Б.И. Разведочное бурение / Б.И. Воздвиженский, О.Н. Голубинцев, А.А. Новожилов. - М.: Недра, 1979. - 510 с.

2. Советов Г.А. Основы бурения и горного дела / Г.А. Советов, Н.И. Жабин. - М.: Недра, 1991. - 368 с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Геологическое строение нефтегазоконденсатного месторождения. Литологическая характеристика разреза скважины. Регулирование свойств буровых растворов. Расчет гидравлической программы бурения. Выбор породоразрушающего инструмента, промывочной жидкости.

курсовая работа , добавлен 07.04.2016


Схема колонкового бурения с применением буровой установки. Конструкция, назначение и классификация буровых вышек, буров, труб, долот. Причины аварий при различных способах бурения, способы их ликвидации. Режимы бурения нефтяных и газовых скважин.

реферат , добавлен 23.02.2009


Назначение, устройство основных узлов и агрегатов буровых установок для глубокого бурения нефтегазоносных скважин. Конструкция скважин, техника и технология бурения. Функциональная схема буровой установки. Технические характеристики буровых установок СНГ.

реферат , добавлен 17.09.2012


Задачи, объёмы, сроки проведения буровых работ на исследуемом участке, геолого-технические условия бурения. Обоснование выбора конструкции скважин. Выбор бурового снаряда и инструментов для ликвидации аварий. Технология бурения и тампонирование скважин.

курсовая работа , добавлен 20.11.2011


Проблема сезонности бурения. Специальные буровые установки для кустового строительства скважин, особенности их новых модификаций. Устройство и монтаж буровых установок и циркулирующих систем. Характеристика эшелонной установки бурового оборудования.

курсовая работа , добавлен 17.02.2015


Принципиальная схема процесса промывки скважин. Удаление выбуренной породы из забоя. Технологическая промывочная жидкость, ее основные функции. Буровой раствор для продувки газа. Требования к техническим растворам. Характеристика фаз промывки и продувки.

презентация , добавлен 03.03.2013


Качество буровых растворов, их функции при бурении скважины. Характеристика химических реагентов для приготовления буровых растворов, особенности их классификации. Использование определенных видов растворов для различных способов бурения, их параметры.

курсовая работа , добавлен 22.05.2012


История бурения нефтяных и газовых скважин, способы их бурения. Особенности вращательного бурения. Породоразрушающие инструменты (буровые, лопастные, алмазные долота). Инструмент для отбора керна. Оборудование для бурения, буровые промывочные жидкости.

курсовая работа , добавлен 27.09.2013


Технические средства направленного бурения скважин. Компоновки низа бурильной колонны для направленного бурения. Бурение горизонтальных скважин, их преимущества на поздних стадиях разработки месторождения. Основные критерии выбора профиля скважины.

презентация , добавлен 02.05.2014


Литолого-стратиграфическая характеристика разреза скважин. Данные по нефтегазоводоносности разреза с характеристикой пластовых флюидов. Определение потребного количества буровых растворов, расхода компонентов по интервалам бурения. Конструкция скважины.

Выбор месторасположения скважины на воду должен быть основан на результатах исследований, в том числе гидрогеологических. Один из самых точных методов исследования недр - бурение разведывательной скважины. Один из самых востребованных видов бурения разведывательной скважины - колонковое.

Основное отличие колонкового бурения - разрушение проходимой породы по периферии забоя с полным сохранением ее центральной части в колонковой колонне. Чтобы было понятно: если на перфоратор прикрепить круглую коронку, вгрызться ею в цемент, получим мини-модель колонкового бурения, показывающую сам принцип - в цементе будет вырезан тонкий круг, центр останется в целости и сохранности. Правда, «керн» мы не вырвем из цемента (нечем заклинивать), но не суть - именно так проходит колонковое бурение скважин.

Процесс поэтапно:

1. Коронку соединяют с колонковой трубой.
2. Колонковую трубу соединяют с бурильными трубами, наращиваемыми по мере проходки.
3. Верхнюю бурильную трубу закрепляют в шпинделе бурового станка, работающего от двигателя посредством ременной передачи.
4. Станок вращает трубы, коронка разрушает породу по периферии забоя.
5. Образующийся в центре керн наполняет колонковую трубу.
6. Насос подает промывочный раствор через шланг, сальник, бурильные трубы.
7. Выходящий на поверхность раствор выносит разрушенную породу, проходит по желобам, где оседает шлам.
8. Очищенный раствор насос вновь подает на забой.

При полном заполнении колонковой трубы керном его заклинивают, отрывают и поднимают наверх вместе со снарядом. Для этого прекращают бурение. Процесс останавливают и для смены рабочей коронки, когда она приходит в негодность (затупляется).

Режим бурения определяют по следующим параметрам:

• вид коронки,
• количество оборотов,
• объем и качественные характеристики промывочной жидкости,

Зачастую используют утяжеленные бурильные трубы, и это не прихоть - их применяют не только для повышения нагрузки на коронку и снижения износа оборудования, но и в целях предотвращения отклонения скважины от вертикали.

В зависимости от состояния забоя в качестве промывочной жидкости используют:

• аэрированный раствор,
• глинистый раствор,
• пены,
• полимерные жидкости,
• сжатый воздух,
• эмульсии.

Керн извлекают двумя способами:

1. Подъем бурильной колонны - столбик пород заклинивают и отрывают от забоя, поднимают вместе с колонной.
2. Гидротранспорт - через бурильную колонну керн непрерывно подается на поверхность под давлением промывочного состава.

Второй метод считается перспективным. Продолжают разработки по его усовершенствованию, включая плавную регулировку скорости вращения в автоматическом режиме.

Скорость колонкового бурения скважин высока:

• роторным методом - 100–3000;
• турбинным - 60–900 оборотов в минуту.

Инструментарий для колонкового бурения

В колонковом бурении используют:

• колонковую трубу;
• колонну бурильных труб;
• коронку или колонковое долото (в зависимости от абразивных свойств и твердости исследуемых пород);
• муфтово-замковые, ниппельные соединения;
• промывочный сальник;
• тройной переходник;
• шламовую трубу.

В спускоподъемных операциях используют ключи, подкладывающие вилки, элеваторы.

Коронка - кольцо, сделанное из трубной заготовки. На изготовление идут:

• вольфрам,
• победит,
• сталь.

На рабочем конце коронки находятся резцы, изготовленные из алмазов или твердых сплавов. По сути, коронка - кольцо с расточенной на конус внутренней поверхностью и правой трапецеидальной наружной резьбой в верхней части.

Преимущества колонкового бурения скважин

Впервые метод был предложен еще в 1862 году господином Лешо. Минуло полтораста лет с хвостиком, а колонковое бурение до сих пор востребовано, да еще считается перспективным. Причина длительности нахождения метода на пьедестале в его преимуществах:

• столбике керна, извлекаемом на поверхность в целости, что открывает возможность тщательного исследования недр: керн показывает пласты в разрезе, ни один другой способ не дает таких точных данных;
• использовании сравнительно легкого оборудования;
• возможности бурения с отклонением вплоть до горизонтального: с применением этого метода проходят вертикальные, восстающие, многозабойные, наклонные скважины;
• проходке любых пластов, включая базальтовые и гранитные;
• малом диаметре пробуренной скважины (при разведке месторождений нефти - до 305 мм; воды - до 151 мм) при откровенно большой ее глубине.

Кольская сверхглубокая скважина была пробурена этим способом. На 7000 м произошел обрыв колонны в нестандартных грунтах; дальше бурили с отклонением и достигли отметки в 12 262 м - беспрецедентный результат в разведывательном бурении.

Колонковое бурение скважин в гидрологической разведке

В обустройстве скважин на воду колонковое бурение - один из самых точных методов разведки. Он обеспечивает качественное вскрытие водоносного пласта, не оставляя места для предположений - поднятый на поверхность керн наглядно демонстрирует структуру пройденных грунтов и пород.

Не забываем: от качества вскрытия пласта напрямую зависят срок службы скважины и ее дебит. Они-то и составят экономию, хотя изначально кажется, что с разведывательным бурением выйдет дороже. Кроме того, пробуренную скважину можно использовать, продолжив ее обустройство после поднятия керна на поверхность (если его не подавали гидротранспортом).

Видео: колонковое бурение скважины

Колонковое бурение проводят приблизительно как показано в ролике. То есть достоверны техника и сам процесс, а вот детали требуют пристального внимания.

По всей видимости, дыру сделали исключительно для съемок. Вокруг предполагаемой скважины нет приямков. Промывочная жидкость ведет себя как ей хочется. Выбросы бесконтрольны. На деле жидкость должна поступать в специально обустроенное заглубление, где выносимая порода будет оседать. Насос перекачает оттуда раствор и заново направит его на промывку забоя. В углубление раствор поступает по специальным желобам. Эти земляные работы проводят на предварительном этапе.

Мы не зря приводим в пример именно этот ролик: знание, как не надо делать - половина успеха. Самостоятельное колонковое бурение абсолютно бессмысленно: грамотно проанализировать керн могут только специалисты, и обращение к ним - необходимость. Однако контролировать этих специалистов вполне возможно и даже нужно. Показанное в видео неприемлемо. Даже если промывочную жидкость не используют вторично, то отвести ее должны туда, куда вам надо, а не уделывать весь участок выбросами породы.