6.5. Выбор бурового оборудования и инструмента.
Выбор бурового оборудования и инструмента (станка, мачты, насоса, силового привода, бурильных труб, аварийного, вспомогательного и технологического инструмента) для бурения скважин является многофакторной задачей, правильное решение которой во многом обусловливает качество и экономичность решения геологической задачи, поставленной перед буровыми работами.
На выбор конкретного инструмента или оборудования влияют одновременно несколько факторов, каждый из которых, в свою очередь, в той или иной мере оказывает влияние на выбор других видов технических средств. Задачу, таким образом, следует решать взаимосвязано и комплексно, что позволяет эффективно использовать всю номенклатуру выбранного оборудования и инструмента.
Для полного учета всех факторов и их взаимосвязей, влияющих на выбор оборудования и инструмента, на всех этапах проектирования и проведения буровых работ рекомендуется учитывать схему выбора оборудования и инструмента (рис. 6.2), в которой показаны основные связи различных элементов технологии бурения скважин. При этом определяющими факторами являются:
глубина скважины,
целевое назначение скважины,
вид полезного ископаемого,
характеристика горных пород.
Характеристика горных пород определяет выбор породоразрушающего инструмента и обусловливает необходимость проведения тех или иных мероприятий, способствующих нормальному (безаварийному) процессу бурения скважин. Рекомендации по выбору породоразрушающего инструмента (по областям рационального применения) были приведены выше при описании этих технических средств.
С учетом выбранного способа бурения, геолого-технических условий бурения скважины и ее конструкции выбирается породоразрушающий инструмент, вид промывочной жидкости, определяются оптимальные значения параметров режима бурения. С учетом режима бурения, а также глубины скважины и ее диаметра
выбирается тип бурильной колонны, определяется ее масса, а также необходимая для этих условий мощность привода бурового станка, а затем и тип бурового станка. Одновременно с разработкой конструкции скважины устанавливается наибольшая длина и масса обсадной колонны, оценивается возможность возникновения аварийных ситуаций, их характер и меры, необходимые для предупреждения осложнений и ликвидации аварий.
В зависимости от вида промывочной жидкости, ее расхода, необходимого для обеспечения оптимального процесса бурения, а также глубины и диаметра скважины, типа бурильной колонны определяются параметры бурового насоса и выбирается его тип.
Выбор типа буровой мачты или вышки обусловлен общей массой бурильной колонны и наибольшей массой обсадной колонны. Кроме того, при выборе следует учитывать наибольшие усилия, которые могут возникнуть в мачте от ветровых нагрузок и при ликвидации аварий в скважине.
Более подробно методики выбора бурового оборудования и инструмента изложены в работах ВИТРа и СКБ «Геотехника».
6.6. Методика выбора режима бурения.
Эффективность бурения при рационально выбранном типе породоразрушающего и технологического инструмента зависит от правильного сочетания параметров режима: частоты вращения бурового снаряда, осевой нагрузки на инструмент и расхода промывочной жидкости. Оптимальным режимом бурения является такое сочетание их значений, которое обеспечивает заданные (экономически обоснованные) механическую скорость бурения, проходку за рейс и расход материалов, не превышающий нормативного значения. Для решения особых технологических задач (повышение выхода керна, отбор технологических проб полезного ископаемого, управление трассой скважины, бурение в особо сложных геологических условиях и др.) применяют специальные режимы бурения.
При разработке режима бурения необходимо учитывать следующие факторы:
для каждого типоразмера породоразрушающего инструмента характерны свои оптимальные параметры режима бурения;
основное влияние на рациональное сочетание параметров режима оказывают твердость и трещиноватость горных пород;
при выборе значений параметров режима бурения необходимо учитывать состояние скважины;
существенное влияние на выбор режима бурения имеют такие свойства пород, как анизотропия, косослоистость, сланцеватость, перемежаемость по твердости, способствующие искривлению скважины; бурить породы с такими свойствами необходимо на специальных режимах.
Основные правила подбора значений параметров режима бурения.
Исследованиями и практикой установлено, что во всех группах пород по буримости (см. табл. 6.2) в особенности – в I-III группах; механическая скорость бурения растет с увеличением частоты вращения до 2000 мин-1 и более при алмазном бурении и до 400-450 мин-1 при твердосплавном.
Высокие частоты вращения рекомендуется выбирать при бурении алмазными импрегнированными коронками, которые менее восприимчивы к ударным нагрузкам, а также твердосплавными коронками малых диаметров. Частоту вращения рекомендуется снижать: при бурении очень твердых пород, когда невозможно обеспечить достаточно высокие осевые нагрузки на породоразрушающий инструмент; при бурении неоднородных, чередующихся по твердости пород; при бурении в условиях зашламования; при специальных режимах бурения.
Механическая скорость бурения возрастает и с увеличением осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент, но только до определенных пределов. Если она выше оптимальной, как правило, происходит резкое увеличение расхода истирающих материалов и даже разрушение коронок; скорость в данном случае может даже расти, но лишь за счет интенсивного износа инструмента. Осевые нагрузки ниже оптимальных, наоборот, приводят к зашлифовыванию резцов, что проявляется в быстром снижении механической скорости и прекращении проходки.
Оптимальное соотношение параметров режима бурения определяется для каждых конкретных горно-геологических и технических условий бурящейся скважины.
Методы поиска оптимальных сочетаний могут быть традиционными (ступенчатое изменение каждого параметра) или вероятностными (одновременное изменение двух или даже трех параметров). Последнее в известной мере свободнее от субъективизма, чем первые.
При традиционной методике разработки режима оптимальное значение осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент выбирают из нескольких последовательно увеличиваемых нагрузок. На каждой ступени нагрузка должна увеличиваться на одинаковую величину, при этом пропорциональное увеличение механической скорости бурения показывает, что оптимальная нагрузка на коронку еще не достигнута. Снижение механической скорости при переходе на следующую ступень показывает, что коронка начала работать в условиях чрезмерного шламообразования. В этом случае необходимо уменьшить осевую нагрузку на одну ступень и перейти на предыдущую нагрузку, которая в данных условиях будет оптимальной. При бурении пород пластичного и хрупкопластичного разрушения по достижении ступени нагрузки, при которой механическая скорость уменьшается, необходимо увеличить расход промывочной жидкости и искать нагрузки при увеличенных количествах очистного агента.
Количество промывочной жидкости, подаваемой на забой скважины, должно в первую очередь обеспечивать очистку забоя от разрушенной породы. Недостаток очистного агента приводит к скоплению на забое скважины шлама, который препятствует нормальному процессу разрушения горной породы и приводит к неоправданному росту мощности, затрачиваемой на бурение. Чрезвычайно большой расход промывочной жидкости вызывает наоборот быстрый вынос частиц разрушенной породы с забоя, что приводит к нежелательным явлениям размыва керна, эффекту гидравлического подпора и другим.
Во всех случаях, с повышением механической скорости бурения должен увеличиваться расход жидкости, подаваемой на забой скважины. С увеличением твердости горных пород объем промывочной жидкости уменьшается.
В породах хрупких и упруго-хрупких (кристаллические, изверженные, метаморфические) бурение ведется на максимальной частоте вращения. В породах пластичного и хрупко-пластичного разрушения (глинистые, песчано-глинистые сланцы, аргилиты и другие породы), шлам которых обладает способностью налипать на коронку и спрессовываться, бурение необходимо вести на более низких частотах вращения в зависимости от диаметра коронки.
Частота вращения снижается при увеличении трещиноватости горных пород на 20-50% по сравнению с бурением в монолитных породах. Осевую нагрузку при бурении трещиноватых горных пород необходимо снижать до 40-50% от номинальной во избежание преждевременного выхода коронки из строя.
Конкретные числовые значения параметров режима бурения для различных типоразмеров породоразрушающего инструмента приведены ниже (см. главу 7 «Технология бурения»).
Заключительным этапом разработки технологии бурения является ее постоянное совершенствование на базе новейших достижений науки и техники.
Среди методов совершенствования технологического процесса проведения скважин в первую очередь должны быть выделены те, которые существенно влияют на качество, производительность и стоимость бурения.
Ниже освещены два вопроса, связанные с совершенствованием выбранной технологии бурения геологоразведочных скважин:
1. Оценка качества буровых работ (в том числе в количественных показателях), как обоснования необходимости дальнейшего совершенствования технологии.
2. Использование компьютерных информационных технологий с целью автоматизации процесса сбора, обработки и хранения информации, получаемой при бурении скважин.
6.7. Методика оценки качества буровых работ (по Б.М.Ребрику, В.Н.Калиничеву и др.)
Оценка качества буровых работ является базой для дальнейшего совершенствования применяемой технологии бурения скважин, выявляя недостатки ее отдельных компонентов.
Качество буровых работ (бурения скважин) является комплексным понятием, включающим в себя широкий набор различных самостоятельных элементов.
Попытки разработки объективной и достаточно простой методики оценки качества геологоразведочного бурения предпринимались неоднократно [5, 6]. Наиболее пригодной к практическому использованию в настоящее время является методика, разработанная в МГГА [7, 8]. Ниже изложены основные положения этой методики.
Данная методика является системой определения обобщенного (комплексного) критерия качества бурения на основе количественных значений отдельных элементов качества. Методика разработана применительно к геологоразведочному и инженерно-геологическому бурению, но, по мнению ее авторов, может быть использована для оценки новых технологий и технических средств в части их качественных показателей применительно к скважинам любого назначения.
Качество бурения вообще, и в том числе качество геологоразведочного бурения, рассматривается в двух аспектах.
Широкий аспект включает полноту, достоверность и точность полученного с помощью бурения конечного результата: при разведочном бурении - это точность и достоверность оценки запасов полезного ископаемого разведываемого месторождения. Качество бурения в этом смысле зависит, в первую очередь, от принятой методики разведки. Но качественные показатели собственно бурения (например, выход и качество керна, точность выведения скважины в заданную точку подсечения залежи полезного ископаемого и другие) также имеют существенное значение.
Узкий аспект включает количественную (содержательную) оценку качества элементов, обеспечиваемых непосредственно в процессе бурения, на основе которых и достигается возможность оценки качества бурения в широком смысле.
Перечень качественных показателей бурения определяется, в первую очередь, назначением скважины. Качественные требования в зависимости от назначения скважины могут существенно различаться между собой. Далее, в соответствии со специализацией "Справочника", рассматриваются скважины: геологоразведочные на твердые полезные ископаемые, гидрогеологические и инженерно-геологические. Помимо получения геологической и гидрогеологической информации в скважинах указанных трех групп проводятся различные опытные работы (табл. 6.8). К каждому виду перечисленных в таблице работ предъявляются определенные требования по качеству, в том числе к качеству и параметрам ствола скважины, в котором эти исследования будут проводиться. Не допускается, например, искажения фильтрационных свойств перебуриваемых пород за счет глинизации стенок скважины при использовании в качестве промывочной жидкости глинистого раствора; непригоден для прессиометрических исследований ствол скважины со значительной овальностью и др.
Степень значимости получаемой из скважины информации также существенно различается. Так, для скважин определенного назначения одна какая-то конкретная информация очень важна и к ней предъявляются жесткие требования по качеству, тогда как для скважин другого назначения эта информация является второстепенной и жесткие требования к ее качеству могут не устанавливаться.
Таким образом, качество бурения в целом заключает в себе набор отдельных элементов качества. Как набор в целом, так и значимость каждого элемента
Таблица 6.8 - Классификация геологоразведочных, гидрогеологических и инженерно-геологических скважин по условиям бурения и видам скважинных исследований и работ
Группа скважин |
Погруппа по условиям и назначению бурения |
Скважинные исследования и опытные работы |
1. Геологоразведочные скважины на твердые полезные ископаемые |
1.1. Бурение преимущественно в твердых (скальных) породах с отбором керна |
|
1.2. Бурение преимущественно в мягких рыхлых породах с отбором керна (например: разведка бокситов, глин, песка, гравия и т.п.) |
||
2. Гидрогеологические скважины |
2.1. Бурение с целью поиска и разведки подземных вод, в т.ч. минеральных |
|
2.2. Бурение с целью изучения фильтрационных свойств горных пород при гидрогеологических изысканиях |
||
3. Инженерно-геологические скважины |
3.1. Бурение разведочных скважин преимущественно в мягких и рыхлых породах с непрерывным отбором керна (или образцов нарушенного сложения) |
|
3.2. Бурение технических скважин с поинтервальным (или точечным) отбором образцов ненарушенной структуры (монолитов) |
определяется целевым назначением скважин. В одних случаях это может быть только один элемент, в других - набор элементов, из которых одни являются приоритетными, другие - второстепенными.
Наиболее полно качество разведочного бурения выражается через систему регулируемых средствами технологии характеристик результатов буровых работ, однозначно связанных с полнотой, достоверностью и точностью конечных результатов разведки (подсчитанных запасов полезного ископаемого на месторождении).
В нашем случае: качество бурения - это комплекс (набор) элементов качества, определяемый целевым назначением скважин, в котором для каждого элемента определена его количественная (числовая) мера[7, 8].