уменьшение толщины стенок бурильных труб позволяет уменьшить вес бурильных колонн, снизить гидравлические сопротивления при прокачивании через них промывочной жидкости, уменьшить центробежные силы, возникающие при вращении бурильной колонны в скважине, что в сочетании с рациональным соотношением диаметров бурильных труб и скважин повышает прочность самой бурильной колонны и уменьшает интенсивность её износа за счет снижения силы прижатия колонны к стенке скважины;
уменьшение допускаемых отклонений в новых бурильных трубах позволяет улучшить соосность резьбовых соединений и сбалансированность всей бурильной колонны, что снижает возможность возникновения её вибраций.
Старым стандартом американской и канадской ассоциаций алмазного бурения предписывалось соотношение диаметра бурильных труб к диаметру скважин Dбт/Dс равное величинам 0,925-0,880. В дальнейшем при разработке бурильных труб серии “Q” для бурения скважин снарядами со съемными керноприемниками в основу приняты бурильные трубы, для которых Dбт/Dскв = 0,925.
В Швеции отношение Dбт/Dс = 0,915-0,893, при бурении комплексами ССК Dбт/Dс = 0,930-0,958.
В Канаде для бурения комплексами ССК созданы специальные бурильные трубы серии “WL”, для которых отношение Dбт/Dс принято равным 0,960.
Наилучшие результаты бурения получены при использовании бурильных труб серий “Q” и “W”, для которых Dбт/Dс=0,925. При этом соотношении резко уменьшается вибрация бурильной колонны и увеличивается работоспособность всей системы.
При вращении искривленной трубы в скважине возникают центробежные силы, которые ещё более искривляют трубу и прижимают её к стенкам скважины. Это также является одним из основных причин возникновения вибраций. Технико-технологическая закономерность такова:
центробежные силы резко увеличиваются с ростом скорости вращения бурового снаряда;
центробежные силы будут тем больше, чем больше зазор между стенками скважины и стенками трубы (Dс-Dбт);
центробежные силы будут тем больше, чем больше масса 1 м бурильной трубы.
Применение бурильных труб, не отвечающих требованиям высокооборотного бурения, уменьшает предельную глубину бурения на 30-40%.
Основными направлениями по снижению энергозатрат на вращение колонны бурильных труб являются:
применение легкосплавных бурильных труб вместо стальных или использование комбинированной бурильной колонны: в сильно растянутой и сжатой частях - из стальных труб, а в средней - из легкосплавных;
при сложной конструкции скважины и бурении снарядами ССК использование двух типоразмеров бурильных труб, например, ССК-59 и ССК-46;
предупреждение резких локальных искривлений скважин, особенно на участках вблизи от устья;
недопущение большой разработки ствола скважины, так как это может служить очагами возбуждения высокоэнергоемких видов движения бурильной колонны;
в условиях малых зазоров между трубами и стенками скважины использование бурильных труб с малыми допусками на кривизну и высокой соосностью их соединений;
своевременное проведение геофизических работ по инклинометрии скважин;
в случае выявления локальных искривлений проведение тщательной проработки этих интервалов специальными компоновками или их разбуривание породоразрушающим инструментом большого диаметра, а в отдельных случаях цементирование искривленных и сильно разработанных участков с последующим их разбуриванием.
Применение бурильных труб, не отвечающих требованиям высокочастотного бурения, уменьшает предельную глубину использования рациональных частот вращения на 30-40%.
Наиболее полная реализация преимуществ нового бурового оборудования, породоразрушающих инструментов, прогрессивной технологии бурения требуют надежности бурильных колонн. Для чего осуществляется:
упрочнение поверхности и повышение надежности резьб бурильных труб и замков;
применение комбинированных колонн бурильных труб для высокооборотного алмазного бурения;
разработка и внедрение легкосплавных бурильных труб, утяжеленных бурильных труб и бурильных труб для комплексов ССК и КГК.
При использовании стальных труб допускается применение коронок и долот ближайшего к трубам и следующего диаметра.
Легкосплавные трубы должны использоваться только при бурении алмазными коронками ближайшего к ним диаметра. И ошибочно считается, что наиболее универсальны трубы с муфтово-замковыми соединениями, так как их можно использовать при бурении алмазными и твердосплавными коронками и долотами, диаметр которых на три-четыре размера может превосходить диаметр соединений.
Для российских бурильных труб и их соединений предъявляются следующие требования:
возможность использования при высоких оборотах бурового снаряда;
возможность использования при больших осевых нагрузках на породоразрушающий инструмент;
возможность сочетания с различными типами колонковых наборов;
возможность использования с различными вращателями;
бурильная колонна со стенками скважин должна иметь минимально возможно зазор;
бурильные трубы должны обладать повышенной прочностью и
надежностью;
бурильные трубы должны обладать минимально возможными допусками по кривизне (кривизна труб не должна превышать 1 мм на 1 м), соосности (у ниппельных труб отклонения от соосности не должно превышать 0,25 мм в плоскости лобового торца ниппеля, а также 0,4 мм на длине 4 м; у муфтово-замковых труб и муфт отклонение соосности резьб обоих концов муфт не должно превышать 0,5 мм в плоскости любого торца и 1,5 на длине 1м) и отношению размеров по толщине стенок и диаметру.
Тонкостенные трубы со слабоконическими резьбами имеют высокий ресурс только при условии их затяжки с заданным моментом и применении в устойчивом стволе скважины. Конические резьбы должны иметь жесткие допуски и точно контролируемый натяг, так как в противном случае не обеспечивает их уплотнение.
Нарушение требований к эксплуатации
легкосплавных бурильных труб приводит к увеличению расхода в 1,5-2 раза, а
иногда и в 3-6 раз по сравнению с нормальным значением, составляющим 0,3-0,5 кг
на 1 м бурения.
2.3 Способы бурения
В мировой практике применяется более 80 видов очистных агентов, 3о видов тампонажных смесей, более 1500 типов породоразрушающих инструментов. Из всех разновидностей способов более широкое применение находит способ бурения с обратной циркуляцией очистного агента по двойной колонне труб, при котором получается керно-шламовая проба. Он позволяет осуществлять непрерывный отбор проб в процессе бурения, повысить скорости бурения и значительно снизить стоимость буровых работ. В настоящее время этот способ применяется для разведки практически всех видов полезных ископаемых.
Бурение с непрерывным выносом кернового материала или шлама является одним из основных высоких технологий научно-технического прогресса при проведении геологоразведочных работ.
Преимуществом метода бурения с двойной колонной труб является:
непрерывность отбора проб, вынос всей разрушенной породы с забоя на поверхность;
высокая механическая скорость (в отдельных случаях в 10-15 раз выше скорости колонкового бурения);
сравнительно низкая стоимость бурения, что объясняется высокой скоростью бурения и снижением затрат на породоразрушающий инструмент;
значительное снижение искривления скважин в связи с уменьшением зазора между стенками скважины и бурильной колонной;
исключение необходимости применения кондуктора для закрепления устья скважины, так как промывочная жидкость циркулирует внутри бурильной колонны и размыва стенок скважины не происходит;
снижение потерь промывочной жидкости при бурении в трещиноватых и кавернозных породах за счет исключения ее циркуляции в затрубном пространстве;
повышение качества отбираемых проб за счет применения в качестве очистного агента воды, воздуха или водо-воздушной смеси.
Областью применения российских (бывших советских) КГК является проходка скважин глубиной до 100-300 м в мягких породах П-1У категорий буримости с пропластками пород до УП категории. КГК может быть использован при выполнении следующих видов геологоразведочных работ:
поиски и разведка месторождений всех видов твердых полезных ископаемых;
глубинные геохимические поиски по первичным и вторичным ореолам рассеяния полиметаллов, рудного и россыпного золота, ред-кометальных элементов;
геологическое картирование в масштабах 1:50 000; 1:25 000; 1: 10 000;
картирование и разведка выходов углей;
геологическая, гидрогеологическая и инженерно-геологическая съемка;
отбор малых лабораторных и технологических проб угля и глины, шлиховых проб золота;
эксплуатационная разведка при добыче углей открытым способом.
Отбор проб керна или шлама является наиболее важным этапом всего процесса бурения с двойной колонной труб. Подъем проб на поверхность при использовании воды в качестве очистного агента осуществляется со скоростью 2-5 м/с и 15-30 м/с при использовании воздуха или водо-воздушной смеси.
В отличие от обычной технологии, бурение с гидротранспортом керно-шламовых проб позволяет беспрепятственно проходить скважины в зонах поглощения промывочной жидкости, в водонапорных песках и набухающих разновидностях глин.
В зависимости от физико-механических свойств пород материал пересечения интервала скважины обычно представлен тремя разновидностями:
“столбики” образуются при бурении плотных глин, плотного мела и других пластичных пород; длина столбика 3-5 см, а его диаметр 34-38 мм;
“пульпа” характерна для почвенного слоя, суглинков, песков, коры выветрелых кристаллических пород, контактов мела, отдельных разновидностей глин, угля; пульпа представлена различными по величине кусочками породы;
“лепестки” образуются при расхаживании бурового снаряда в ходе проработки ствола скважины, а также при бурении слабопластичных пород; они представляют собой вытянутые полоски длиной 30-70 мм с толщиной 5-10 мм.
Качество керно-шламового материала обеспечивает:
эффективное изучение рыхлых пород мезозойского и кайнозойского возрастов с целью построения стратиграфических схем их залегания;
изучение рыхлых отложений и геологических тел сложного пространственного размещения с пестрым литолого-фациальным составом;
четкое отбивание контактов горных пород и руд;
литологическое расчленение разрезов и изучение тектонического строения;
оценку запасов и других параметров оруденений.
При бурении по полезному ископаемому обеспечивается точная привязка отобранного керно-шламового материала к глубине скважины и максимально сохраняется структура и объемный выход материала. Эти два основных требования обеспечиваются специальными технологическими приемами. Для отбора образца с любого заданного интервала с точностью до ± 0,1 м прекращают вращение, потоком жидкости выносят оставшийся материал из керноотводящей системы, после чего проводят углубление на заданный интервал и повторяют перечисленные операции.
Преимущества бурения с гидротранспортом керна при четкой организации работ позволяет получить высокие технико-экономические показатели. Скорость бурения составляет в среднем 4000-6000 м/ст.- мес и достигает 12000-18000 м/ст.-мес.
Особый интерес представляет высокая технология, основанная на использовании двойной колонны бурильных труб и опробовании по шламу, при которой повышается производительность и снижается стоимость бурения в сочетании с высоким качеством опробования.
На практике бурения двойными колоннами бурильных труб за рубежом, в Узбекистане и Кыргызстане установлено, что пробы шлама дают сопоставимые результаты с керном при определении большинства наиболее важных химических и физических свойств минералов. В некоторых случаях опробование по шламу является даже более точным, чем по керну, что повышает качество буровых работ.
При бурении двойной колонны бурильных труб механическая скорость бурения достигает 30 м/ч, что в 6 раз превышает скорость обычного алмазного бурения. Уменьшаются затраты на породоразрушающий инструмент по сравнению с алмазным бурением с использованием ССК.
Зарубежные специалисты полагают, что при разведке рудных месторождений с низким содержанием полезного компонента, где требуется высокая точность опробования, метод бурения с двойной колонной труб и опробованием по дробленным в процессе бурения фракциям породы имеет особенно большие перспективы.
Показатели опробования, полученные по дробленым фракциям породы, практически всегда выше, чем при опробовании по керну, и очень близки к результатам анализа проб, взятых непосредственно из горных выработок. В частности, зарубежные специалисты считают, что один из важнейших показателей качества углей - зольность - более достоверен при определении по дробленым фракциям породы, чем по керну.
В мировой практике получили промышленное распространение три технологические разновидности этого метода бурения индивидуальными техническими средствами: вращательный, виброударно-вращательный, вибрационный.
Неблагоприятными условиями для применения советских комплексов КГК являются наличие в толще мягких пород пропластков УШ-1Х категории и необходимость заглубления в породы кристаллического фундамента на глубины более 3,0 м.
Расширение области применения российских комплексов КГК требует:
создания специализированной буровой установки с повышенной грузоподъемностью и крутящим моментом, увеличенным ходом подачи и более высоким уровнем механизации;
новых типов породоразрушающих инструментов для бурения в твердых и крепких породах;
упрочненной новой колонны с более совершенными соединениями.
Правильность ведения технологического процесса при бурении с гидротранспортом керно-шлама имеет особенно большое значение в связи с тем, что часто определяет не только технико-экономические показатели, но и в целом возможность его применения.
При отработке технологии и режимов бурения требуется эффективное разрушение породы, своевременное отделение и подъем керна, вынос шлама из-под торца коронки, стабилизации стенок скважины и предотвращения образования сальников на колонне и подклинок в ее внутреннем канале.
Метод требует постепенное наращивание мощности станка по мере углубки скважины, что обусловливает необходимость частого расхаживания снаряда в целях предупреждения прихвата его. Нормальному процессу углубления соответствуют крутящие моменты, изменяющиеся в интервале 300-700Н·м в зависимости от физико-механических свойств пород и глубины бурения. Важным средством повышения эффективности бурения с гидротранспортом керна является выбор соответствующей промывочной жидкости.
Расширению объемов бурения комплексами ССК способствуют применение полимерных и малоглинистых растворов на основе ГПАА и реагента К-9, силикатно-гуминовых растворов на основе реагента МГР и жидкого стекла, а также электрохимической заточки алмазных коронок и обработка их жидким азотом.
Для предупреждения искажений в опробовании особое требование предъявляется требование своевременной и качественной очистке емкости для промывочной жидкости.
Ежегодное проведение целевых отраслевых школ
передового опыта по проблемам бурения геологоразведочных скважин будет
содействовать изысканию конкретных и перспективных путей значительного роста
скоростей и качества бурения скважин при поисках и разведке различных
месторождений твердых полезных ископаемых.