Аварии при шнековом бурении

Основными видами аварий при шнековом бурении являются:

• прихваты колонны шнеков;

• образование пробок породы на нижних шнеках;

• обрывы в элементах шнековой колонны.

Причины возникновения аварий, их признаки, а также методы предотвращения (предупреждения) и ликвидации аварий приведены в табл. .

Условиями, определяющими безаварийную работу, являются следующие:

1. Буровое оборудование и инструмент должны выбираться в соответствии с назначением, конструкцией скважины и геологическими условиями бурения и содержания в исправном состоянии.

2. Бурение должно вестись на режиме, соответствующем геолого-техническим условиям и физико-механическим свойствам пород разреза.

3. Буровой персонал должен быть достаточно квалифицированным.

В случаях возникновения прихватов шнеков и образования пробок (сальников) для расходки и извлечения снаряда необходимы значительные усилия: их значения достигают 6-10 кН, а после длительного оставления без вращения в водоносных породах достигают при подъеме шнеков 20-25 кН.

При бурении вязких пород на шнеках образуются пробки, для ликвидации которых применяют:

• вращение шнеков на повышенных оборотах;

• периодическое расхаживание снаряда;

• уменьшение подачи снаряда.

Если перечисленные меры малоэффективны, применяют подлив воды через устье скважины в процессе бурения. Вода, действуя как смазка, уменьшает трение породы о шнек, увеличивает скорость подъема породы. Еще более эффективным является способ подачи воды на забой через полые шнеки и долота с отверстиями для выхода воды. Рекомендуемый расход воды: 2-5 л/мин или от 8-10 до 15-20 л на 1 м бурения для шнеков диаметром 135-180 мм. По сравнению с бурением в сухую потребляемая мощность снижается на 10-20%, расход электроэнергии – на 14-21%, скорость бурения повышается от 30% до нескольких раз. В связи с отмеченным шнековые буровые установки целесообразно оснащать специальными насосами.

7.10.3. Геологическая документация при шнековом бурении (по Д.Н.Башкатову и Ю.А.Олоновскому).

Разрушаемая при шнековом бурении порода в результате трения о лопасти шнеков и стенки скважины, а также в зависимости от физико-механических свойств породы, условий ее залегания, применяемого инструмента и режима бурения, выносится на дневную поверхность в различном виде, конфигурации и размерах. Зависимость формы и размеров керна породы от ее свойств и условий нахождения в естественном виде приведены в табл. .

Образцы пород при шнековом бурении являются достаточно представительными, чтобы получить необходимые данные о породе при геологической документации. Так, установлено, что тип породы и гранулометрический состав песчано-глинистых пород, определяемые по образцам, являются вполне достаточными; ориентировочно могут быть определены объемный вес и влажность породы.

Частота отбора и размеры образцов породы определяют в каждом случае в зависимости от поставленных геологических или инженерных задач, методики и комплекса лабораторных исследований.

При геологической документации шнековых скважин должна обеспечиваться привязка отбираемых на дневной поверхности образцов породы к определенной глубине скважины.

Учитывая сказанное, геологическая документация при бурении шнеками может производиться:

1. по керну, выносимому шнеками, при непрерывной углубке и уточнении глубины отбора образцов с введением корреляционных коэффициентов;

2. при поинтервальной проходке скважины по керну, подаваемому на поверхность холостым вращением колонны шнеков, с привязкой отбираемых образцов породы к пробуренному интервалу;

3. при поинтервальной углубке скважины с последующим подъемом бурового снаряда по образцам породы, отобранным с лопастей шнеков, поднятых на поверхность;

4. по образцам пород, отбираемых колонковыми шнеками и грунтоносами.

Следует учитывать, что комки породы в процессе транспортировки частично перемешиваются между собой, взаимодействуют со стенками скважины и покрываются тонкой оболочкой инородной породы толщиной 1-2 мм. Поэтому в первых двух случаях геологической документации, указанных выше, основное внимание необходимо уделять не внешнему виду, а изучать внутреннее строение взятого образца.

Геологическая документация при шнековом бурении с непрерывной углубкой

Метод применяется обычно при бурении пород, лежащих выше уровня грунтовых вод. Отбор образцов следует производить не из перемешанной, а из однородной породы.

Когда слои пород имеют достаточную разницу в показателях буримости, смена геолого-литологических границ слоев может обнаруживаться путем механического каротажа (фиксации момента резкого изменения механической скорости бурения, усилия подачи и крутящего момента). Геолого-литологические границы слоев могут быть уточнены путем введения корреляционных коэффициентов, учитывающих время запаздывания выдачи шнеками породы на поверхность:

Н_и = Н_ф · К,

где Н_н – "истинная" глубина залегания;

Н_ф – "фиктивная" глубина залегания;

К – корреляционный коэффициент.

Коэффициент К зависит от типа горной породы, диаметра шнеков и частоты их вращения (табл. ). С увеличением частоты вращения и диаметра шнеков наблюдается рост коэффициента К (кроме лессовидных пород и песков).

Методика геологической документации шнековых скважин при непрерывной углубке позволяет определить истинные глубины геолого-литологических границ слоев с точностью до + 0,2 …- 0,3 м. При глубинах скважин более 20 м точность установления границ слоев снижается до 0,3-0,4 м. Маломощные прослойки при глубине более 10-15 м могут быть при этом методе документации не обнаружены из-за перемешивания породы на лопастях шнеков и втирания в стенки скважины.

При бурении с непрерывной углубкой могут быть зафиксированы и гидрогеологические условия: глубина залегания уровня грунтовых вод определяется по первому появлению лент связанных пород или водонасыщенных песков (с учетом коэффициента К).

Если приведенные выше точности привязки геологического разреза к глубине бурения не отвечают целевым задачам скважины, следует перейти на бурение с поинтервальной углубкой, бурение рейсами с отбором породы с лопастей шнеков или на взятие проб с помощью грунтоносов.

Геологическая документация при шнековом бурении с поинтервальной углубкой

Точность отбивки геолого-литологических границ пород при поинтервальной углубке несколько выше, чем при непрерывной, и зависит от интервала углубки и частоты отбора проб породы.

С уменьшение интервала углубки и увеличением числа проб точность геологической документации повышается. Интервал углубки обычно равен длине шнека (1,3-1,5, реже 3 м), но не менее 0,5-0,7 м; при меньших значениях поинтервальной углубки количество выбуренной породы уменьшается и оказывается недостаточно представительным. Частота отбора проб обычно составляет одну пробу на каждые 0,5-1,0 м пробуренного интервала.

Точность привязки отбираемых образцов породы к глубине скважины (точность отбивки геолого-литологических границ) при данной методике составляет не более 0,1-0,2 м; при глубинах более 20 м точность снижается.

В целом бурение с поинтервальной углубкой менее производительно, чем при непрерывной углубке, но при этом достигается более точнее установление геолого-литологических границ слоев.

Геологическая документация при шнековом бурении по образцам пород, отбираемым с лопастей шнека.

Сущность метода заключается в том, что после проходки определенного заданного интервала производится подъем шнековой колонны и с лопастей шнеков отбираются образцы породы для геологической документации. Метод применяется в случаях, когда порода плохо транспортируется шнеками на поверхность. Бурение, как правило, ведется комбинированной колонной: внизу – шнеки с долотом, вверху - гладкие бурильные трубы. Длина шнеков должна быть при этом не менее чем в 2,5 раза больше длины интервала бурения. Интервал бурения обычно составляет 1,0-2,0 м. Процесс бурения ведется при наименьшей частоте вращения при плавной подаче инструмента с целью меньшего перемешивания породы на спиралях шнеков.

При отборе образцов породы с лопастей шнеков необходимо следить, чтобы в пробе не оказалась порода, попавшая на лопасти со стенок скважины при спуско-подъеме или оставшаяся от предыдущего рейса.

По породам I-III категории по буримости бурение заданного интервала может вестись долотом змеевикового типа или шнеком без долота. Бурение при этом ведется с периодическим отрывом инструмента от забоя во избежание заклинивания шнеков. Интервал бурения этим способом не превышает 0,5-1,0 м; на образцы породы, отобранные таким способом, имеют незначительные изменения в процессе поступления на спираль шнеков и ввиду ярко выраженного режима резания представлены в виде крупных кусков, срезанных с забоя. Такие образцы позволяют определить как тип породы, ее строение и состав включений, так и могут служить достоверным материалом для лабораторных исследований механических свойств, плотности и естественной влажности. Определение глубины отбора образцов породы при этом методе документации производится следующим образом:

• определяется длина шнеков Н_ш, заполненных породой забоя в результате бурения интервала;

• вычисляется отношение длины пробуренной интервала Н_б к длине шнеков с породой Н_ш: Н_б/Н_ш;

• замеряется длина шнеков h от нижней части (с долотом) до места отбора образца;

• определяется глубина Н_о, с которой отобран образец породы:

Н_о = Н_скв - h·Н_б/Н_ш

(Н_скв – конечная глубина скважины).

Погрешность привязки отобранных образцов пород к глубине скважины при описываемом способе составляет, как правило, не более 0,2-0,3 м.

Геологическая документация при шнековом бурении с отбором проб магазинными (колонковыми) шнеками и грунтоносами.

Метод применяется при необходимости отбора качественных образцов (керна) пород для лабораторных исследований и точной привязки их к глубине скважины. Применение этого способа отбора образцов требует дополнительных затрат времени за счет производства дополнительных СПО.

Из грунтоносов и магазинных (колонковых) шнеков порода извлекается в виде столбика керна. Геологическая документация в этом случае ведется так же, как и при колонковом способе бурения скважин.

Без промывки грунтоносами можно отбирать образцы пород I-IV категорий по буримости. Монолиты песчано-глинистых пород отбираются, если применяются грунтоносы с внутренним диаметром не менее 80-90 мм.

С помощью магазинных шнеков отбираются образцы пород I-IV категорий. Монолиты песчано-глинистых пород магазинными шнеками отбирать невозможно, так как керн при бурении, соприкасаясь с вращающимся внутренним стаканом, скручивается, при этом нарушается структура породы.

Для эффективного отбора керна с помощью магазинных шнеков (как и других грунтоносов вращательного действия) необходимо соблюдать плавную подачу бурового инструмента с низкой скоростью углубки (0,2-0,5 м/мин).

Более высокое качество отбора образцов пород (в том числе монолитов) обеспечивают грунтоносы обуривающего действия, исключающие вращение кернового стакана, т.е. предотвращающие нарушение структуры керна. При использовании обуривающих грунтоносов бурение следует вести на минимальной частоте вращения (65-70 мин^-1) с плавной подачей и осевой нагрузкой 150-200 даН.

В водонасыщенных песчаных глинистых породах монолитные образцы можно отбирать задавливаемыми тонкостенными грунтоносами с внутренним диаметром не менее 100 мм. Для облегчения изъятия образца породы из грунтоноса применяют разъемные по оси конструкции. Осевая нагрузка на такие грунтоносы обусловливается плотностью породы, но не должна превышать 300-400 даН.

Производительность шнекового бурения с использование магазинных шнеков и грунтоносов значительно ниже, чем при обычном бурении, за счет частых СПО. Для уменьшения затрат времени на спуск и подъем применяют съемные грунтоносы – керноприемники. Для отбора высококачественных образцов пород при помощи съемных керноприемников интервал бурения шнеками не должен превышать 1,0-1,5 м. После проходки этого интервала съемный керноприемник извлекается лебедкой на поверхность через полую колонну шнеков, а полученный керн документируется.