Бурение по полезному ископаемому

По полезному ископаемому бурят в следующем порядке:

1. Определяют контакт пустых пород с полезным ископаемым.

2. скважину подготавливают для бурения по полезному ископаемому.

3. Бурят непосредственно по полезному ископаемому.

4. Отрывают керн и поднимают его.

Вскрытие контактов пустых пород с полезным ископаемым и полезного ископаемого с пустыми породами можно определить по изменению буримости пород и изменению цвета излившейся из скважины промывочной жидкости. Изменение буримости является надежным показателем перехода от вмещающих пород к полезному ископаемому, если они существенно отличаются по физико-механическим свойствам. Изменение цвета изливающейся из скважины промывочной жидкости не совпадает с моментом фактического перехода бурового инструмента из одной породы в другую. Время, требуемое для выноса частиц породы забоя из скважины, зависит от ее глубины, скорости восходящего потока промывочной жидкости и поглощения ее породами.

Перед бурением по полезному ископаемому выполняют следующие мероприятия по подготовке скважины: промывают скважину до полного удаления шлама; извлекают оставшийся керн пустых пород; производят контрольный замер глубины скважины; готовят специальные приспособления для удаления шлама, если опробование ведется по керну и шламу; при необходимости закрепляют стенки скважины обсадными трубами и тампонируют низ колонны; готовят нужный буровой снаряд для бурения по полезному ископаемому в зависимости от группы пород по трудности получения керна.

Бурение по монолитным и слаботрещиноватым полезным ископаемым, не разрушаемым промывочной жидкостью и вибрациями снаряда, производят одинарными колонковыми снарядами с твердосплавными или алмазными коронками при оптимальном технологическом режиме.

Легкорастворимые полезные ископаемые (минеральные соли) и многолетнемерзлые породы проходят одинарными колонковыми снарядами с твердосплавными коронками. При бурении по солям для промывки применяют насыщенные соляные растворы.

Бурение по полезным ископаемым, легко разрушающимся под действием промывочной жидкости, производят с применением специальных двойных колонковых снарядов (ДКС) и качественных глинистых растворов. Режим бурения определяется прежде всего конструкцией снаряда и физико-механическими свойствами буримых полезных ископаемых.

Подъем снаряда с керном полезного ископаемого производится без резких рывков, толчков и ударов.

Способы повышения выхода керна

Основной задачей проведения геологоразведочных скважин является получение керна, полноценного как в количественном отношении, так и в качественном. Керн является наиболее достоверным материалом для получения представления о мощности, глубине и условиях залегания, строении, составе и свойствах пересекаемых скважиной горных пород. Однако, не всегда удается сохранить структуру, а также вещественный состав керна и полностью извлечь его из скважины. Причинами плохого выхода керна являются:

1. Механическое воздействие колонкового снаряда, приводящее вследствие вибрации к разрушению и истиранию керна.

2. Действие на керн промывочной жидкости, размывающей керн или вымывающей некоторые компоненты.

3. Возможность выпадения керна из колонковой трубы во время его извлечения из скважины вследствие плохого заклинивания.

Основными задачами получения представительных керновых проб являются:

1.Защита керна от воздействия потока промывочной жидкости или создание потока, направление течения и слива которого благоприятствуют сохранности керна.

2. Защита керна от механических воздействий вращающейся колонковой трубы.

3. Надежный отрыв керна от забоя и удержание его в керновой трубе.

Наибольшее распространение для повышения выхода керна и отбора образцов породы при вращательном бурении с промывкой получили двойные колонковые трубы(снаряды) - ДКС. Они включают в себя две концентрически расположенные колонковые трубы, специальную буровую коронку, кернорвательное устройство, систему подвески труб, систему клапанов и других деталей для формирования определенных потоков жидкости. Снаряды для получения керна разделяются на две группы:

1. Работающие с прямой промывкой.

2. Создающие местную (призабойную) обратную промывку.

К первой группе относятся снаряды, при бурении которыми керн не только предохраняется от размыва, но и от истирания.

Снаряды второй группы основаны на том, что при создании в колонковой трубе обратного потока жидкости создаются более благоприятные условия для сохранения керна. Отделяющиеся от керна частицы породы не попадают в этом случае в призабойную зону, где они при прямой схеме промывки разрушаются коронкой и способствуют разрушению керна. Потоком жидкости они поднимаются в верхнюю, не заполненную керном, часть трубы и находятся там во взвешенном состоянии.

Создание призабойной обратной промывки производится при использовании принципа эрлифта и с помощью водоструйных (эжекторных) насосов.

Для извлечения керна обычно приходится поднимать из скважины длинную колонну бурильных труб, развинчивая ее на отдельные свечи и затрачивая много времени. Более целесообразно бурить коронкой с высокой износостойкостью, а керн поднимать в специальной керноприемной трубе канатом с помощью специальной лебедки через бурильные трубы увеличенного размера.

Существует несколько типов двойных колонковых труб (снарядов):

1. ДКС с вращающимися наружной и внутренней трубами.

2. ДКС с вращающейся наружной и невращающейся внутренней трубами.

3. ДКС со съемной внутренней керноприемной трубой.

4. ДКС, герметизирующий керн.

5. Колонковые снаряды эжекторного типа.

При бескерновом бурении или при неполном выходе керна для отбора дополнительных проб из стенок скважины применяют боковые грунтоносы. Грунтоносы бывают стреляющие и сверлящие. Принцип действия стреляющего грунтоноса основан на том, что полый боек выстреливается из канала под действием порохового заряда в камере. Полый боек, являющийся пробоотборником, врезается в стенку скважины на ту или иную глубину.

Принцип действия сверлящего грунтоноса заключается в том, что из боковой стенки скважины высверливается образец пород с помощью специального бура с коронкой, расположенного в корпусе грунтоноса. Для этого грунтонос закрепляется в скважине на определенной глубине посредством гидравлических распоров.

С помощью гидравлических пробоотборников скребкового типа осуществляется бороздовый отбор проб мягких полезных ископаемых из стенок скважины.

Методика отбора керна

Существуют следующие случаи получения образцов пород и полезных ископаемых:

1. Взятие образцов твердого полезного ископаемого для его количественной и качественной характеристик (определение мощности залежи, содержание полезного компонента и вредных примесей( и других технологических показателей.

2. Получение монолитов для определения физико-механических свойств пород.

3. Получение образцов жидких и газообразных полезных ископаемых.

В соответствии с характером геологических исследований определяются основные требования, предъявляемые к образцам пород или полезных ископаемых, получаемых при бурении скважины.

Для практических целей размер и масса пробы устанавливаются в зависимости от вида опробования и характера распределения полезных ископаемых.

При геологическом картировании и поисковых работах количество получаемого материала должно соответствовать пройденному интервалу, т.е. выход керна должен быть близок к 100%.

При проведении геологоразведочных работ качество керна должно обеспечивать представительность пробы: образец должен иметь ненарушенную структуру, не быть загрязненным, содержать полезные компоненты.

Поднятый на поверхность керн извлекается из колонковой трубы, обмывается от налипшей породы, после чего он укладывается в ячейки кернового ящика. При этом соблюдается последовательность расположения отдельных кусков керна в колонковой трубе. Керн из колонковой трубы должен извлекаться с соблюдением максимальной осторожности. Не допускается выбивание керна из высокоподвешенной трубы.

Во избежание травмирования при извлечении керна из подвешенной колонковой трубы нельзя поддерживать ее руками снизу. Расстояние от нижнего конца колонковой трубы до пола должно быть не более 0,2 м.

Керновые ящики изготовляются длиной 1 м и шириной 0,5 м или 0,6 м, высота ящика определяется диаметром керна. Керн укладывается в ящик параллельными рядами слева направо так, чтобы конец предыдущего интервала стыковался с началом последующего. В конце каждого интервала укладывается фанерная этикетка, на которой указывается номер скважины, дата, интервал бурения, величина углубления и величина поднятого керна. Если на каком-либо интервале керн не был получен, то нужно вложить в ящик этикетку с указанием отсутствия керна с данного интервала. Ящики закрываются крышками, и делается надпись с указанием порядкового номера ящика, скважины и интервала бурения.

При недостаточном выходе керна в качестве дополнительного материала для опробования служит буровой шлам, который улавливается специальными шламоулавливающими желобами и шламосборниками.

Если из полезного ископаемого керн получить не удалось, прибегают к повторному перебуриванию пласта путем искривления скважины. В этом случае на 10-15 м выше кровли полезного ископаемого устанавливают отклоняющее устройство и, дойдя до кровли полезного ископаемого, повторно перебуривают его, учтя все недостатки первоначального углубления.

Основными условиями получения высококачественного керна при бурении геологоразведочных скважин являются:

1. Составление проектного разреза и наличие его на буровой.

2. Наличие контрольно-измерительной аппаратуры.

3. Подбор и своевременное применение рациональных средств, обеспечивающих получение высококачественных образцов.

4. Соблюдение технологии бурения.

5. Повышение квалификации бурового персонала.

6. Постоянный контроль за выполнением основных требований и рекомендаций по отбору керна.

Большие перспективы для получения высококачественной геологической документации имеет успешно развивающаяся скважинная геофизика. Геофизические методы обеспечивают точное определение глубины смены одной породы другой и мощности полезных ископаемых.

Аварии и осложнения при бурении

Осложнением является нарушение нормального состояния скважины, в результате которого дальнейшее углубление затруднено или должно быть прекращено во избежание возникновения аварии.

К осложнениям относятся обвалы стенок скважины, большое скопление шлама, поглощение промывочной жидкости, образование сальников из глины, желобов на стенках скважины.

Последствиями обвалов являются сужения ствола скважины, сильные прихваты, повышение давления на насосах и возрастание вязкости глинистого раствора. Обвалы наблюдаются при проходке несвязныых и разбросанных пластов, а также пород, разбухающих от действия воды. Борьбу с обвалами производят путем снижения водоотдачи раствора до наименьших возможных величин, утяжеления его и сокращения времени разбуривания обваливающихся пород.

Снижение водоотдачи производят с целью уменьшения проникновения воды в обваливающиеся породы и снижения их набухания. При утяжелении промывочных растворов возрастает гидростатическое давление на стенки скважины.

Поглощение промывочной жидкости бывает частичное и полное. При частичном поглощении часть закачиваемой в скважину жидкости возвращается на поверхность, а часть уходит в проницаемые пласты. Ликвидация частичного поглощения производится путем снижения плотности раствора, повышения его вязкости и статического напряжения сдвига. Для снижения плотности раствора применяется аэрация промывочных растворов с помощью специальных смесителей. В смесителе производится перемешивание промывочной жидкости с воздухом - аэрация, вследствие чего снижается плотность раствора. Борьба с частичным поглощением промывочного раствора производится посредством применения растворов, способных в спокойном состоянии превращаться в студнеообразную массу (тиксотропных). При проникновении такого раствора в поры породы раствор загустевает и происходит закупорка трещин в породе. Для обработки растворов применяются также специальные реагенты: электролиты, защитные коллоиды и поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Полное поглощение промывочной жидкости происходит при пересечении пластов галечника, гравия, больших трещин, горных выработок и каверн.

Борьба с полным поглощением производится путем заливки зоны поглощения различными тампонирующими растворами. Для закупорки крупных трещин используют глиноцементные смеси (гельцементы), представляющие смесь тампонажного цемента с глинистым раствором. Гельцемент легко прокачивается по бурильным трубам, а находясь в состоянии покоя за 2-3 минуты образует прочный гель. Однако, время до начала схватывания гельцемента относительно велико, поэтому он не может быть использован для заливки трещин, в которых происходит интенсивное поглощение, и имеют место протоки подземных вод. В таких случаях, а также при катастрофической потере циркуляции промывочной жидкости применяют быстросхватывающие смеси, в состав которых входит тампонажный цемент, глинистый раствор, жидкое стекло, едкий натр и другие компоненты.

Для борьбы с поглощениями применяются также тампонажные смеси, приготовленные на основе синтетических смол. Такие смеси обладают наибольшей плотностью, достаточно хорошим сцеплением с породой, высокой прочностью и широким диапазоном изменения времени твердения.

Для своевременного принятия мер при бурении в осложненных условиях необходим систематический контроль за качеством раствора.

Аварией при бурении называется такое состояние скважины, при котором проходка ее прекращается из-за нарушения нормального производственного процесса.

Наиболее характерными являются аварии:

1. С бурильными трубами - отрыв и развертывание их при бурении, падение при спуско-подъемных операциях.

2. С колонковыми снарядами - развинчивание и оставление в скважине, прихваты и зятяжки.

3. С буровым инструментом - оставление в скважине, разрушение матрицы алмазной коронки, прижог коронки.

4. С обсадными трубами - развинчивание в процессе бурения, падение труб при их спуске, обрыв при извлечении.

5. Связанные с падением в скважину мелких инструментов или посторонних предметов.

Причинами возникновения аварий могут быть:

1. Обвалы стенок скважины в неустойчивых породах, встреча плывунов с большим напором, тектонические нарушения, закарстованность и трещиноватость пород.

2. Использование неисправного или чрезмерно изношенного оборудования, бурильных и обсадных труб, инструментов и принадлежностей.

3. Нарушение правил технологии бурения, работа на параметрах режима, не соответствующего характеру буримых пород.

4. Низкая квалификация буровых мастеров и рабочих, небрежное отношение к уходу за оборудованием.

Во избежание аварий с бурильными трубами необходимо:

1. Вести учет продолжительности работы труб, не включать в колонну трубы различного качества.

2. Следить за состоянием резьбовых соединений, смазывать резьбу графитовой смазкой.

3. Все принадлежности при спуско-подъемных операциях содержать в исправности.

4. Применять в нижней части бурильной колонны утяжеленные бурильные трубы для улучшения передачи нагрузки на буровой инструмент.

Для предупреждения прихватов бурового снаряда в скважине необходимо:

1. Применять промывочную жидкость, соответствующую характеру буримых пород.

2. Не оставлять буровой инструмент на забое без подачи промывочной жидкости.

3. Содержать забой скважины в чистоте, очищая его от шлама.

Для предупреждения развинчивания обсадных труб рекомендуется проверять резьбовые соединения, смазывать их разогретой смолой перед свинчиванием и свинчивать до отказа.

Падение в скважину мелких инструментов и посторонних предметов можно исключить, закрыв устье скважины во время бурения и после извлечения из скважины снаряда.

Необходимо использовать исправный инструмент, не допускать резких остановок и ударов снаряда при спуске.

Глубокие скважины необходимо бурить при исправной контрольно-измерительной аппаратуре.

На каждой буровой установке должен быть набор инструментов для захватывания и извлечения оставленных в скважине частей бурового снаряда, обсадных труб и других предметов. Такой инструмент называется ловильным.

Ловильные метчики служат для ловли бурильных, колонковых и обсадных труб. Метчик посредством резьбы соединяется с бурильными трубами, на которых его опускают в скважину. На нижней конической поверхности метчика нарезана мелкая треугольная резьба, которой метчик соединяется с оставленной в скважине трубой. Для ловли бурильных труб в скважинах большого диаметра метчики оснащаются направляющими воронками.

Колокол ловильный применяется для ловли бурильных труб. На внутренней конусной поверхности колокола нарезана треугольная резьба и профрезерованы продольные канавки. Колокол опускают в скважину на бурильных трубах и вращением навинчивают на ловимую трубу.

Трубоголовка применяется для извлечения из скважины обсадных и колонковых труб. В отличие от метчиков трубоголовка может быть освобождена от захваченной ею трубы, если она не может быть извлечена из скважины.

В случае невозможности извлечения колонковых и обсадных труб из скважины применяют гидравлические труборезы, с помощью которых трубы разрезаются на куски.

Для выбивания снаряда, прихваченного шламом, в скважинах глубиной 100-150 м применяют выбивные бабы массой 50 и 100 кг.

Прихваты бурового инструмента ликвидируются с помощью вибраторов. При неглубоких скважинах применяют поверхностные вибраторы, при глубинах более 150-200 м рекомендуется применять механические и гидравлические забойные вибраторы.

Своевременное обнаружение аварии очень важно для предупреждения ее осложнения. Обрыв бурильных труб может быть замечен по уменьшению крутящего момента, падению давления в нагнетательной линии бурового насоса, по прекращению углубления скважины. При обнаружении обрыва бурение немедленно прекращается, и поднимается верхняя часть оборвавшейся колонны. По нижнему концу поднятой части колонны устанавливают характер обрыва и подбирают ловильный инструмент. Положение и форма верхнего конца оборванного снаряда могут быть определены по отпечатку на аварийной печати. Аварийная печать представляет собой короночное кольцо с деревянной пробкой, торцовая поверхность которой покрыта воском, парафином или мастикой. Ловильный инструмент опускают на бурильных трубах. Не доходя 1-1,5 м до места обрыва, промывают ловильный инструмент и осторожно соединяют его с верхним концом оборванного снаряда. Затем подают в скважину промывочную жидкость для удаления осевшего шлама и пытаются приподнять снаряд при помощи гидравлики станка. После страгивания снаряда с места ввинчивают в него до отаза ловильный инструмент и извлекают из скважины.

При прихвате бурового снаряда первоочередными мероприятиями являются его раскачивание с помощью лебедки или гидравлической системы станка и принятие мер к восстановлению циркуляции промывочного раствора. В случае прихвата снаряда осевшим на него сверху шламом или обвалившейся породой необходимо, восстановив циркуляцию, размыть шламовую пробку. Если циркуляция полностью нарушена, и восстановить ее не удается, размывают завал сверху. Для этого используют колонну обсадных труб. Промывочные трубы по мере размывания шламовой пробки постепенно опускают. После того, как пробка будет размыта, колонковый снаряд извлекают из скважины.

При боковом прихвате или прижоге ликвидацию прихвата осуществляют выбиванием бабой, поверхностным или забойным вибратором.

Если извлечь прихваченный снаряд не удается, развинчивают и поднимают на поверхность всю бурильную колонну. Для этого применяют левый ловильный инструмент - метчик и колокола, опускают в скважину на левой колонне бурильных труб. Дальнейшее продолжение ликвидации аварии зависит от размеров оставшегося в скважине снаряда и условий его нахождения.

Если прихват снаряда произошел на небольшом удалении от места смены диаметра скважины и предыдущий интервал не был закреплен обсадными трубами, производят обуривание аварийного колонкового набора, снарядом, диаметр которого равен диаметру предыдущего интервала бурения, заклинивают его и извлекают на поверхность. Если обуривание невозможно, следует вывернуть или разбурить переходник колонковой трубы и при небольшой ее длине урезать ее в стружку с помощью торцевых фрез, а при значительной длине колонковой трубы - с помощью трубореза. Изрезанный снаряд по частям с помощью трубоголовок или метчика извлекают из скважины.

В некоторых случаях целесообразно после удаления переходника аварийной колонковой трубы продолжать бурение внутри ее снарядом меньшего диаметра. Разбурив керн и углубившись на 5-10 м ниже коронки прихваченного снаряда, спускают в скважину трубоголовку или метчик, соединяются с аварийной колонковой трубой и извлекают ее на поверхность.

Наиболее частый вид аварии с обсадными трубами – отвинчивание низа обсадной колонны. Если обсадные трубы верхней части разъединенной колонны не прихвачены, надо их соединить с помощью направляющего конуса. Опустив верхнюю часть колонны на нижнюю, ее осторожно навинчивают. Когда верхний конец нижней части колонны деформирован, поднимают верхнюю часть колонны. Если нижняя часть сильно прихвачена, ее поднимают посредством трубоголовки и забойного вибратора. Если нижняя часть колонны сильно прихвачена или зацементирована, отвинчивают испорченную трубу левым метчиком и новую верхнюю часть навинчивают на нижнюю. Смятые обсадные трубы выправляют посредством конических фрезеров.

Для извлечения прихваченных обсадных труб из скважины следует применять двойную тягу. Верхняя часть колонны захватывается сверху домкратами, а нижняя снизу трубоголовкой, опускаемой на бурильных трубах. Подъем обсадных труб производят домкратами и лебедкой станка. При вытягивании обсадных колонн эффективно применяются вибраторы.

Работы по ликвидации аварий связаны обычно с большими нагрузками на буровую вышку, подъемные механизмы и другое оборудование. поэтому при аварийных работах необходимо особо тщательное выполнение требований правил безопасности.