Буровые работы на твердые полезные ископаемые

Технология бурения геологоразведочных скважин

В данном учебном пособии дается системное изложение основ современной технологии бурения геологоразведочных скважин при разведке твердых полезных ископаемых. Оно изложено в виде текста лекций и практических занятий курса «Бурение геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые» и соответствует программе курса «Бурение на ТПИ» для специализации РТБ и являются добавлением к имеющимся учебникам по бурению разведочных скважин.

В настоящее время бурение скважин является одним из важнейших направлений развития промышленного производства во всем мире. И, хотя, основное внимание в мире уделяется бурению скважин для разведки и добычи углеводородного сырья, бурение геологоразведочных скважин также является весьма актуальным для обеспечения сырьевой независимости нашей страны.

Для оценки места и роли изучения курса бурение на ТПИ, рассмотрим для чего вообще бурятся скважины.

Существует несколько подробных классификаций назначения буровых скважин, но по существу основные применения буровых скважин можно разделить на пять групп в соответствии с их назначением, технологией и техникой их бурения. Такое деление приведено на рис. 1

Кроме приведенных в диаграмме назначений буровых скважин существует еще много случаев применения бурения скважин для решения частных задач, например, скважина для спасения чилийских горняков, скважины для тушения подземных пожаров и.т.п.

Бурение геологоразведочных скважин при разведке твердых полезных ископаемых в этом ряду занимает важное место и по объемам и по стратегической важности, практически сразу после разведки и добычи углеводородов.

В последние годы в нашей стране, наряду с отечественной, широко применяется зарубежная техника и технологии в разведочном бурении. В данном учебном пособии соответственно рассмотрены современные технологии и технические средства бурения разведочных скважин , в первую очередь, отечественные, а также ведущих зарубежных фирм .

Рис: 1

Бурение скважины может осуществляться различными способами с использованием различных технических средсв и технологий. В зависимости от назначения скважин горно-геологических и технико-технологических условий бурения применяется та или иная разновидность бурения. Применяемые в настоящее время виды и разновидности бурения скважин различного назначения приведены в табл. 1. В таблице приведены примерные величины основных параметров бурения скважин и главные области их применения.

Способы, виды и разновидности бурения Таблица 1

Способы, виды и разновидности бурения	Параметры бурения	Главные области применения
Категория пород по буримости	Глубина скважин до, м	Диаметр скважин мм
Ударно-канатное	I – XII	140 – 700	Разведка россыпей. Бурение на воду
Бурение неглубоких скважин без циркуляции очистного агента	Мелкое ударное бурение	I –III	93 – 168	Инженерная геология, Геологоразведка. Разведка россыпных месторождений Малое водоснабжение. Взрывные сейсмоскважины. Взрывные при открытой разработке в угольных карьерах. Технические скважины (в строительстве, в горных работах и другие)
Медленно-вращательное и комбинированное	I – V	30 – 50	112 – 250
Бурение задавливанием и винтобурение	I – III	24 – 40	50 – 65
Вибрационное, виброударное и виброударно-вращательное	I – IV I – V	93 – 168
Шнековое	I – IV (V)	60 -250
Механическое вращательное с циркуляцией очистного агента	Геологоразведочное	Бескерновое (со сплошным забоем)	I – XII	Не ограничена	73 – 151 (250)	Геологоразведочные скважины на интервалах, где не нужен керн (кроме пород XII категории).
Колонковое	Простые снаряды	Твердосплавное	I – VIII	» 1500	36 – 151	Целесообразно до глубин скважин до 200 – 300 м, глубже лучше применять ССК.
С резцами из СТМ	V – VIII	36 – 132
Алмазное	VI – XII	36 – 112
Простые снаряды с забойным механизмом	Гидроударное Ударно-вращательное Вращательно-ударное	VI –XI IX – XII	≈ 500 » 1500	59 – 151 59 – 76	С твердосплавными коронками. С алмазными коронками против заполирования алмазов и самозаклинивания керна.
Пневмоударное Ударно-вращательное	VI – XI	» 500 (до1000)	76 – 300	В сухих и слабообводненных скважинах.
С компрессором высокого давления.
С забойным двигателем		» 1500	59 – 76	Для отклонения интервала скважины при направленном бурении.

			Специаль-ные снаряды с подъемом керна без подъема труб	Снаряды со съемным керноприемником КССК, ССК, LJNGYEAR и подобные	V – XI (XII)	1500 – 3500	46 – 95 (47 -145)	При глубине скважин более 200 – 300 м. Современный прогрессивный вариант!
Снаряды (Комплекты) с гидро (пневмо) транспортом керна или шлама КГК, КПК	I – V	300 – 500	76- 250	Прогрессивный метод, но только в слабых породах. Прогрессивный вариант с кольцевым пневмоударником для твердых пород до 1200 м.
Механическое вращательное с циркуляцией очистного агента	Эксплуатационное	Бескерновое	Бурение эксплуатацион-ных скважин на нефть и газ	Роторное	I – XII	(с горизонтальным окончанием до 13000м)	120 – 490	Доразведка и добыча и нефти, конденсата и газа (Применялось до 2008 года)
С подвижным вращателем
Турбобуром	V – XII
Гидравлическим двигателем
Электробуром	146 – 390
Бурение водозаборных и гидротермальных скважин	I – IX	200 – 350 2000-2500	112- 350	Добыча воды, рассолов и гидротепла
Бурение геотехнологических скважин	I – IX	50 -700	70 – 500	Добыча ТПИ (уран, сера, железо и др.)
Бурение технических, научных и вспомогательных скважин	I – XII	10 – 12300	70 – 900
Физические способы разрушения горных пород	Гидромониторное бурение	I – IV	В сочетании с добычей ТПИ.
Термодинамическое бурение	VI –XII	Для бурения взрывных скважин.
Взрывное бурение	V – XII	Эффективно, но опасно.
Термостатическое плавлением	VI – XII	Опытное.
Плазменное бурение	VI – XII	Опытное.
Электроимпульсное бурение	IV – VII	Опытное.
Лазерное бурение		Опытное.
Кавитационное бурение		Опытное.
Реактивное		Опытное.
Магнитострикционное		Опытное
Ультразвуковое		Опытное

Из показанных физических способов бурения реальное применение имеет, пожалуй, только гидромониторное бурение, применяемое при разработке месторождений в песчаных толщах на глубине, главным образом урановых месторождений. В небольших объемах применяется термическое бурение при проходке взрывных скважин в наиболее твердых породах и для бурения в толщах льда в Антарктиде. Другие нетрадиционные методы бурения были разработаны, испытаны и, в принципе, показали удовлетворительные результаты, но из-за сложности техники и технологии не выдерживают конкуренции с механическими способами бурения. Подробно физические способы бурения описаны в учебнике «Бурение разведочных скважин», глава 2.9 [1]

Скважины, используемые для геологоразведки (кроме разведки нефти и газа и гидрогеологических скважин) можно разделить на две группы (с учетом их глубины и способа удаления разрушенной породы): «бурение неглубоких скважин без циркуляции очистного агента»и«геологоразведочное бурение при разведке месторождений твердых полезных ископаемых (бурение на ТПИ)». В первую группу видов бурения входят: разведка твердых полезных ископаемых на малых глубинах – россыпные месторождения, мелкие поисково-съемочные скважины, разведка стройматериалов и бурение при инженерно-геологических изысканиях.Первая группа изучается в курсе “Неглубокое бурение”, (смотри учебник « Бурение разведочных скважин», глава 8 [1]).

“Бурение на ТПИ” представляет собой механическое вращательное бурение с циркуляцией очистного, агента, применяемое при разведке месторождений твердых полезных ископаемых. Курс “Бурение на ТПИ” предусматривает изучение техники и технологии бурения разведочных скважин. При этом, учитывая наличие самостоятельных курсов по отдельным разделом техники и технологии разведочного бурения, («Основы разрушения горных пород при бурении», «Очистные агенты», «Искривление скважин и направленное бурение»), ряд вопросов в данном курсе не рассматривается или рассматривается только в общем, плане.

Источник

Буровые работы на твердые полезные ископаемые

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Буровые работы представляют собой сложный циклический процесс, состоящий из простых производственных процессов, направленных на получение достоверной геологической информации. Бурение геологоразведочных скважин осуществляется на всех стадиях геологических исследований. На геолого-съемочных работах бурят картировочные скважины; на поисках МПИ – одиночные скважины для заверки геофизических, геохимических аномалий или для прослеживания на глубину рудных тел, вскрытых канавами; на стадиях оценки и разведки применяют сеть буровых скважин для оконтуривания и детального изучения рудных тел. При разведке сложных месторождений (с сильной изменчивостью рудных тел по мощности, простиранию, форме, качеству полезного ископаемого) бурение скважин производится в комплексе с поверхностными и подземными горно-разведочными работами.

Буровая скважина – горная выработка преимущественно цилиндрического сечения, характеризующаяся относительно малым диаметром по сравнению с ее протяженностью. Условно скважины глубиной менее 50-100 м относят к мелким, глубиной до 1000 м –к средним, более 1000 м – к глубоким и к сверх глубоким – более 6000 м. Диаметр скважины определяется наружным диаметром породоразрушающего инструмента. Различают скважины малого диаметра – менее 76 мм, среднего -93-151 мм и большого – свыше 151 мм. Поверхностное оборудование для бурения разведочных скважин представлено комплексом наземных сооружений, бурового, энергетического и вспомогательного оборудования, называемым буровой установкой. К наземным сооружениям, входящим в состав буровой установки, относятся буровая вышка (мачта), буровое здание, поверхностная циркуляционная (очистная) система и вспомогательные сооружения. Буровое оборудование представлено комплексом основных машин и механизмов, необходимых для бурения скважины, образующих буровой агрегат, в который входят буровой станок, буровой насос (или компрессор), приводные двигатели с трансмиссиями и пусковыми устройствами, средства механизации спускоподъемных операций и пр. К энергетическому оборудованию относятся передвижные электростанции, силовые трансформаторы и пускозащитная аппаратура. По транспортабельности все буровые установки разделяются на разборные (не имеющие собственной транспортной базы и перемещаемые частями), переносные разборные (перемещаемые вручную), передвижные (смонтированные на собственной транспортной базе и перемещаемые буксированием) и самоходные (смонтированные на самоходной транспортной базе). В РФ разработано 3 параметрических ряда буровых установок:

1. Установки для бурения на твердые полезные ископаемые – тип УКБ и СКБ.

2. Установки для бурения гидрогеологических скважин – тип УГБ.

3. Установки для бурения геофизических и структурно-поисковых скважин – тип УРБ.

По типу вращателя разделяют установки: со шпиндельным вращателем (включающим полый шпиндель и зажимной патрон для закрепления ведущей трубы и передачи осевой нагрузки буровому снаряду), с подвижным вращателем (с индивидуальным приводом, передающим осевую нагрузку буровому снаряду и перемещающемуся вдоль оси вращения), с роторным вращателем. (не передающим осевую нагрузку буровому снаряду) Буровые установки шпиндельногоряда предназначены для механического вращательного бурения пород средней и высокой твердости с использованием твердосплавных и алмазных коронок. Для этих установок характерны высокая частота вращения, возможность бурения под любым углом к горизонту. Основной недостаток – небольшая длина хода вращателя (0,5-0,6 м), после чего необходимо перекрепление. Основные типы установок этого ряда: для бурения скважин глубиной до 100 м – БСК и его модификации; до 300 м – УКБ 200/300С; до 600-800 м – СКБ-4, СКБ-5110, СКТО-65.

Буровые установки с роторным вращателем предназначены для бурения структурно-поисковых, гидрогеологических скважин в породах мягких и средних категорий, в основном без отбора керна. Типы установок – УРБ-2,5А, УРБ-3А2 и др.

Установки с подвижным вращателем предназначены, для бурения при скоростных режимах, без подъема буровых труб для извлечения керна, в основном с комплексами ССК, КССК, бурении с гидро- и пневмотранспортом керна. Станки этого ряда на 30-40% более производительны чем шпиндельные. Типы установок – СКБ-300, УКБ-12/25, УРБ-2А2 и др.

В практике геологоразведочных работ наиболее часто используются следующие виды бурения: вращательное колонковое (с отбором керна), вращательное бескерновое (сплошным забоем), ударно-механическое (ударно-канатное) – при поисках и разведке россыпей, шнековое.

Для организации бурения необходимо рассмотрение ряда вопросов, тесно связанных с техникой и технологией процесса бурения. К ним относятся: выбор способа бурения и обоснование конструкции скважины; выбор диаметров бурения, типов породоразрушающего инструмента и обоснование оптимальных технологических режимов; обоснование выбора типа и марки буровой установки, бурового, силового и вспомогательного оборудования; разработка схем организации труда на рабочем месте; обеспечение своевременного и четкого ведения первичной производственной организационно-технологической документации (геолого-технического наряда, бурового журнала, наряд-заданий, лимитно-заборной книжки и др.)

Структура производственного процесса бурения скважин.Основной рабочий процесс – собственно бурение скважины состоит из отдельных рейсов – отрезков рабочего времени, от момента подготовки бурового снаряда к спуску в скважину до окончания подъема снаряда. Баланс рабочего времени – распределение времени бурения скважины по отдельным видам работ и технологическим операциям. Он позволяет анализировать структуру и уровень затрат времени на бурение скважины. В балансе времени по роли или значению в технологической схеме сооружения скважины различают производительные и непроизводительные затраты времени. Производительные затраты времени Тпр – это время, технически необходимое для бурения скважины, включающее время на: собственно механическое бурение скважины (времени выполнения основной операции – углубки забоя) Ту; времени спускоподъемных операций Тспо, суммы времени вспомогательных операций в каждом рейсе Твсп (перекрепление, наращивание колонны труб, заклинка и срыв керна и др.); времени на крепление, тампонаж скважины и других вспомогательных процессов Ткр; времени на проведение исследований в скважине Тис; времени перевозки, монтаж и демонтаж на каждой скважине на участке работ Тмдп

Сумма времени всех рассмотренных рабочих процессов составляет производительное время:

Тпр = Ту + Тспо + Твсп + Ткр + Тис + Тмдп

Кроме времени выполнения перечисленных процессов, в баланс рабочего времени включаются время на выполнение технического обслуживания и текущего планово-предупредительного ремонта оборудования на участке – Трем, а также не планируемые, непроизводительные затраты времени в связи с различными нарушениями производственного процесса.: время простоев по организационным причинам – Тп , время ликвидации осложнений и аварий в скважине – Тла. Суммарное выражение фактического баланса рабочего времени:

Тбрв = Тпр + Трем. + Тп + Тла

При планировании буровых работ и составлении нормального баланса рабочего времени исключают время простоев и ликвидации аварий, свидетельствующее о плохой организации работ, время планово-предупредительных ремонтов определяется по нормативам. По окончании процесса бурения появляется необходимость проведения ряда процессов, сопутствующих бурению. К сопутствующим процессам относят затраты времени на транспортировку буровой установки с базы до участка и обратно, специальное ликвидационное тампонирование, установку на скважине различного оборудования (задвижек, превенторов); геофизические, гидрогеологические испытания и др.

Затраты на эти работы объединяются в понятие забалансовое время – Тзаб Сумма балансового и забалансового времени составляет время пребывания буровой установки на учете в геологической организации (календарное время) – Туч = Тбрв + Тзаб

Продолжительность бурения обычно выражают в станко-месяцах бурения, для чего календарное время, выраженное в часах, делят на продолжительность одного станко-месяца в часах (при непрерывной работе станка это в среднем 720 ч) Составление и анализ фактических балансов рабочего времени выполняется ежемесячно по каждой буровой бригаде, участку, буровой партии. При анализе этих материалов выявляют непроизводительные затраты времени, возможности по улучшению организации работ и повышению производительности труда.

Источник

Практикум

По бурению геологоразведочных скважин

на твердые полезные ископаемые.

(Бурение на ТПИ).

Учебное пособие для студентов МГРИ-РГГРУ

Специализации 130203 Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых

Часть 1

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………………………..3

1.Буровой инструмент……………………………………………………5

1. 1. Технологический буровой инструмент……………………………5

1. 2. Вспомогательный буровой инструмент………………………….27

1. 3. Специальный буровой инструмент………………………………36

1. 4. Аварийный буровой инструмент…………………………………37

2. Буровое оборудование…………………………………………..…..44

2. 1. Буровой станок (установка)………………………………………45

2.1.1. Буровые станки (установки) с вращателем роторного типа….52

2.1.2. Буровые станки с вращателем шпиндельного типа……………53

2.1.3. Буровые станки с подвижным вращателем…………………….66

2. 2. Буровые насосы……………………………………………………85

2. 3. Буровые мачты и вышки……………………………………… . 90

Введение

Специалист инженер-буровик – инженер технолог по бурению разведочных скважин, должен изучать, знать и понимать технику и технологию бурения геологоразведочных скважин, в том числе при разведке твердых полезных ископаемых – ТПИ. Техника и технология две стороны курса «Бурение на ТПИ» – техника изучается на практических занятиях и на учебных и производственных буровых практиках, технология на лекциях, на учебной исследовательской буровой и на производственных практиках.

Практикум предназначен для помощи студентам при освоении курса в добавление к учебникам и справочникам. Поэтому в нем даются разъяснения работы технических средств и для лучшего усвоения допущены некоторые повторения. Следует иметь в виду, что освоение применения бурового инструмента и понимание работы буровых установок поможет при изучении техники бурении я гидрогеологических и нефтегазовых скважин.

Для более четкого восприятия курса вначале рассмотрим значение основных терминов, определяющих технические средства, используемые при бурении геологоразведочных скважин:

(Стр. 3, 4, далее буровой снаряд –стр.15, 16, 17, 18, 19; далее вспомогательный и аварийный инструмент – стр. 28, 31, 34, 38,39. распечатать в конспект, размеры скважин и колонковых труб, выделенных жирным шрифтом знать наизусть).

Технические средства для бурения это: буровое оборудование, включая транспортные средства, на которых оно смонтировано, средства энергообеспечения, буровой инструмент, контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации и управления (КИП и САиУ)

1 Буровое оборудование – совокупность агрегатов, механизмов и сооружений, предназначенных для сооружения буровых скважин: буровая установка плюс, специальное оборудование, например, для приготовления очистных агентов, очистки очистных агентов и.т.п., не входящее в буровую установку, а также, при необходимости, общетехническое оборудование такое, как компрессор, дизельэлектростанция и др..

2 Буровая установка – комплекс механизмов и сооружений необходимых и достаточных для бурения скважины.

Буровые установки бывают единые и сборные.

В единой буровой установке все механизмы и сооружения собраны на одном основании (чаще всего транспортном средстве или основании) и представляют единое целое, т.е. здесь нет отдельно бурового станка. Обычно это самоходные буровые установки (СБУ) или передвижные установки (ПБУ).

В сборную буровую установку входят самостоятельные единицы бурового оборудования, выпускаемые отдельно (обычно – буровой станок, буровой насос, буровая мачта или вышка).

3 Буровой агрегат –комплект оборудования для бурения скважин, включающий буровой станок,буровой насос, иногда компрессор,с приводными двигателями.

4 Буровой станок– единица оборудования, состоящая из механизмов, обеспечивающих выполнение операций по бурению и оборудованию скважин

5 Буровой насос – насос, предназначенный для подачи на забой скважины промывочной жидкости или участвующий в создании и подачи на забой газожидкостных смесей. (Неверно – «грязевый насос», «промывочный насос»).

6 Буровая мачтаиливышка –сооружение, входящее в состав буровой установки предназначенное для выполнения спуско-подъемных операций с буровым снарядом, обсадными трубами, и для других грузоподъемных работ,

а также для направления движения подвижного вращателя, (в станках с подвижным вращателем).

7 Буровой инструмент –группы инструмента, участвующие в бурении и оборудовании скважины, а также применяющиеся для выполнения вспомогательных работ, связанных с бурением, специальных и аварийных работ в скважине. Буровой инструмент подразделяется на технологический, вспомогательный, аварийный и специальный.

8. Технологический буровой инструмент –группа инструмента непосредственно участвующая в процессе бурения.

9. Вспомогательный буровой инструмент – инструмент, применяющийся для работы с технологическим инструментом (главным образом для спуско-подъемных операций, сборки и разборки технологического инструмента).

10. Аварийный буровой инструмент –инструмент,предназначенный для ликвидации аварий в скважине.

11. Специальный буровой инструмент – инструмент для выполнения специальных работ в скважине (Закрепление стенок скважины, инструмент для направленного бурения и инструмент для борьбы с осложнениями в скважине).

Геологоразведочные скважины на твердые полезные ископаемые в абсолютном большинстве проходятся с помощью механического вращательного бурения с циркуляцией очистного агента. Геологоразведочные скважины на ТПИ с диаметрами ствола скважины от 46 мм до151мм (диаметры скважин 26 и 36 мм применяются очень редко, только для очень маленьких скважин при поисково-съемочных работах), имеют глубины от первых десятков до 3500 м (в нашей стране). Самая глубокая геологоразведочная скважина на ТПИ пробурена в Ю.А.Р. в 1986 году и имеет глубину 5442 м!

Процесс бурения (углубки) скважины заключается в разрушении породы на забое скважины вращающимся породоразрушающим инструментом (ПРИ), вращение на которой при бурении на ТПИ передается от бурового станка с поверхности с помощью колонны бурильных труб. Следовательно, ПРИ и бурильные трубы играют не менее ответственную роль, чем буровой станок.

Для лучшего понимания функционирования технических средств бурения геологоразведочных скважин, изучение их целесообразнее начинать с технологического бурового инструмента, после чего более понятно устройство и функциональность бурового оборудования.

1. Буровой инструмент.

Буровой инструмент – это совокупность технических средств, (кроме оборудования и сооружений), используемых в процессе бурения скважины, при выполнении вспомогательных операций и специальных работ в скважине, а также для преодоления геологических осложнений и ликвидации аварий в скважине. В соответствии с назначением буровой инструмент делится на четыре группы: технологический, вспомогательный, специальный и аварийный.

Источник