Буріння на воду і корисні копалини

Вибір техніки і технології буріння в заданих умовах

Внаслідок того, що на тверді корисні копалини доводиться бурити в усіх породах, що є в земній корі, їх властивості і умови буріння можуть суттєво відрізнятися. Тому правильний вибір техніки і технології буріння має великий вплив на показники бурових робіт. До факторів, що впливають на цей вибір, належать, в першу чергу, категорія буримості, яка певним чином відображає механічні властивості порід, і глибина буріння.

Спосіб буріння вибирається відповідно до категорії порід:

– від першої до сьомої (частково восьмої) – твердосплавний;

– від восьмої (частково сьомої) до дванадцятої – алмазний.

Залежно від вибраного способу буріння вибирається тип коронки. Для твердосплавного буріння в породах від першої категорії до четвертої включно – ребристі (М або КР), від п'ятої до сьомої малоабразивних – різцеві (СМ), від п'ятої до сьомої абразивних – самозагострювальні (СА).

Для алмазного буріння в монолітних малоабразивних породах сьомої – дев'ятої категорії – одношарові коронки (тип А), в абразивних тріщинуватих дев'ятої – дванадцятої категорії – імпрегновані (типу И).

При виборі конструкції бурового снаряда враховується спосіб буріння. Для твердосплавного буріння снаряд складається з трьох частин: коронка, колонкова труба, перевідник з колонкової труби на бурильну колону. В окремих випадках, коли продуктивність насоса не забезпечує винос шламу на поверхню, в конструкцію бурового снаряда включають шламову трубу відкритого типу. Для алмазного буріння, окрім названих елементів, додається ще розширювач (калібратор) з керновідривачем.

На вибір діаметра коронки впливає багато факторів, але здебільшого рекомендують застосовувати алмазні коронки діаметром 46–76 мм (рідко 93 мм), а твердосплавні – 93–132 мм. Діаметри решти складових частин підбирають, виходячи з діаметра коронки. Діаметри коронок повинні бути на 2–4 мм більшими порівняно з колонковими трубами (табл. 1). Виключення складають ребристі коронки, з якими застосовують колонкові труби наступного меншого суміжного діаметру. Наприклад, з ребристою коронкою 112 мм треба застосовувати колонкову трубу 89 мм, а не 108 мм, як з коронками СМ і СА. В такому випадку різниця діаметрів буде вже 23 мм замість 4 мм.

Діаметри колонкових труб і перевідників однакові. А діаметр калібратора (розширювача) дорівнює діаметру коронки.

Вибір бурильних труб починається з вибору типу з'єднань: для алмазного буріння ніпельно-замкове, для твердосплавного – муфтово-замкове. Діаметр труб рекомендується вибирати відповідно до діаметру коронки (табл 2,3,4).

Відбір керна залежить від категорії буримості порід і способу буріння. Для твердосплавного буріння застосовують або затирання «всуху» (для порід першої – четвертої категорій включно) або із застосуванням заклинювального матеріалу (для порід п'ятої – сьомої категорій). Для алмазного (незалежно від категорії) – керновідривачі аби запобігти руйнуванню алмазів у коронці. Діаметр обсадної колони, якщо вона потрібна, вибирається відповідно до діаметра коронки, яка має проходити крізь неї. А діаметр коронки для буріння під обсадну колону повинен забезпечувати її вільне проходження.

Режим буріння вибирається виходячи з категорії порід і способу буріння.

Для твердосплавного буріння навантаження на коронку розраховується виходячи з рекомендованого питомого навантаження на один різець (або штабік), яке залежить від категорії порід (табл. 6,7,8,9). Швидкість обертання розраховується виходячи з рекомендованої лінійної швидкості і руху різця, яка залежить від категорії порід, її тріщинуватості і абразивності. А витрати промивальної рідини – з рекомендованої швидкості висхідного потоку, або питомих витрат на 1 см (табл. 11). Розраховані витрати коректуються з характеристикою вибраного насоса (табл. 12, 13)

Для алмазного буріння навантаження розраховується за питомим навантаженням на одиницю площі торця коронки, де містяться алмази, або на один карат алмазів. Перевага надається першому варіанту. Щодо швидкості обертання і витрат промивальної рідини, підхід аналогічний як у твердосплавному, але кількісні рекомендації відмінні.

Бурова установка вибирається в залежності від глибини проектної свердловини, але з урахуванням способу буріння (табл. 10).

Розглянемо декілька прикладів.

Приклад 1. В розрізі два інтервала:

0–50 м – пластичні глини третьої категорії;

50–200 м – малоабразивні породи шостої категорії.

Згідно з категорією буримості для обох інтервалів вибираємо твердосплавне буріння. Для першого інтервалу (0–50 м) вибираємо ребристу коронку типу М, для другого – різцеву типу СМ. Колонкові снаряди для обох інтервалів будуть складатися з трьох частин: коронки, колонкової труби і фрезерного перевідника. Діаметри для першого інтервалу: коронка 112 мм, колонкова труба 89 мм (табл. 1), перевідник також 89 мм. Нагадаємо, що для ребристих колонок колонкова труба береться наступного меншого діаметру. Для другого інтервалу: коронка 93 мм, колонкова труба і перевідник залишаються 89 мм.

Бурильну колону вибираємо одну для обох інтервалів діаметром 50 мм з муфтово-замковим з'єднанням (табл. 2).

Відбір керна для першого інтервалу передбачається затиранням «всуху», для другого інтервалу – із застосуванням заклинювального матеріалу.

Оскільки перший інтервал представлений нестійкими породами, передбачається його закріплення обсадною колоною діаметром 108 мм з ніпельним з'єднанням (табл. 1).

Переходимо до режимів буріння. Навантаження визначається виходячи з питомого навантаження на один різець і категорії порід (табл. 6,7,8,9):

(1)

де – питоме навантаження на один різець, Н/різець;

– кількість різців у коронці.

Для першого інтервалу згідно з табл. 6 приймаємо . Кількість різців (табл. 7) (приймаються до уваги лише торцеві різці).

Отже

Для другого інтервалу приймаємо, . Тоді

Для визначення швидкості обертання згідно з рекомендаціями приймаємо лінійну швидкість різця 1,5 м/с.

Тоді для першого інтервалу швидкість обертання повинна дорівнювати

, (2)

де – лінійна швидкість руху різця, м/с;

- зовнішній діаметр коронки, м.

Для другого інтервалу

Отримані значення коректують з характеристикою бурового станка щодо його швидкостей обертання.

Для визначення потрібних витрат промивальної рідини скористаємося рекомендованими швидкостями висхідного потоку: 0,3.. 0,4 до 0,6 м/с. Більші значення рекомендуються для м'яких порід, менші – для твердіших. Тому для першого інтервалу приймемо , а для другого . Отже, для першого інтервалу витрати повинні складати

, (3)

де - діаметр свердловини в найбільшому перерізі, при відсутності каверн можна брати діаметр коронки, м;

– діаметр бурильної колони, м.

Якщо враховувати імовірність утворення каверн, приймемо

Тоді

Для другого інтервалу треба врахувати наявність в свердловині двох ділянок: закріпленої і незакріпленої. Це вимагає двох розрахунків. Для незакріпленої ділянки розрахунок аналогічний як для першого інтервалу. Різниця полягає лише в тому, що зменшився діаметр коронки і можна допустити відсутність кавернозності.

Для закріпленої ділянки відміна полягає в тому, що діаметром свердловини буде внутрішній діаметр обсадної колони. В нашому випадку він дорівнює згідно з табл. 1

(4)

Тоді для закріпленої ділянки

Як бачимо, в закріпленій ділянці потрібна більша продуктивність насоса, ніж в незакріпленій. Тому при бурінні другого інтервалу витрати промивальної рідини повинні бути . Враховуючи те, що для першого інтервалу потрібні значно більші витрати, по них будемо підбирати насос. По результатах розрахунків для буріння заданої свердловини достатньо насоса ПГр або НБ4–320/63 (табл. 12,13)

Заключним етапом даної задачі є вибір бурової установки. Враховується глибина свердловини і спосіб буріння. Згідно з табл. 19 для твердосплавного буріння до глибини 200 м підходить бурова установка УКБ-3.

Результати вибору зведено у таблицю.

Таблиця 14 – Техніко-технологічні показники

Приклад 2. В розрізі виділяються два інтервали:

0–35 м – малоабразивні тріщинуваті породи восьмої категорії;

35–300 м – абразивні породи одинадцятої категорії.

Категорії порід свідчать про необхідність застосування алмазного буріння в обох інтервалах. Типи коронок: в першому інтервалі – одношарові типу «А», в другому – імпрегновані типу «И». Конструкції бурових снарядів в обох інтервалах однакові і відрізняються лише діаметрами.

В інтервалі 0–35 м приймаємо діаметр коронки 76 мм, тоді діаметри колонкової труби і перевідника будуть 73 мм (Табл. 1), а розширювач з керновідривачем 76 мм, як у коронки.

В інтервалі 35–300 м діаметр коронки 59 мм, колонкової труби і перевідника 57 мм, розширювача з керновідривачем 59 мм.

Бурильні труби вибираємо, прив'язуючись до коронки другого інтервалу. Це труби діаметром 50 мм з ніпельно-замковим з'єднанням (Табл.3). Для верхнього інтервалу вони не є кращим варіантом, але, по-перше, його потужність невелика, а по-друге, мати на буровій два комплекти труб недоцільно.

Відбір керна в обох інтервалах передбачається за допомогою керновідривача, оскільки застосування заклинювального матеріалу заборонено.

Щодо закріплення верхнього інтервалу слід зазначити, що без цього можна було б обійтися, якби не тріщинуватість. Тому заради уникнення випадіння уламків породи під час буріння другого інтервалу доцільно перший інтервал перекрити обсадною колоною діаметром 73 мм з ніпельним з'єднанням (Табл. 1).

Переходимо до проектування режиму буріння. Навантаження на коронку визначаємо виходячи з питомого навантаження на одиницю площі торця коронки, де є алмази. Для одношарових воно рекомендується в межах 600–1200 Н/см², для імпрегнованих – 700–1300 Н/см². В абразивних тріщинуватих породах рекомендовані значення помножуються на коефіцієнт . Окрім того, треба враховувати наявність прорізів для промивальної рідини. При наявності коронки рахують кількість прорізів і замірюють їх ширину. Знаючи зовнішній і внутрішній діаметри коронки (Табл. 15), визначають сумарну площу усіх прорізів і віднімають від теоретичної площі торця. При відсутності коронки задаються кількістю і шириною прорізів. В коронках зі звичайною системою промивки їх кількість коливається в межах 2–10, ширина прорізі до 6 мм. В коронках з розвинутою системою промивки кількість 18–36, ширина 8–12 мм.

Для першого інтервалу приймаємо кількість прорізів , ширину – . При внутрішньому діаметрі коронки (Табл. 15) сумарна площа прорізів складає:

(5)

Теоретична площа торця :

(6)

Площа торця, де є алмази :

(7)

Навантаження на коронку:

, (8)

де – коефіцієнт, що враховує тріщинуватість; приймаємо ;

– питоме навантаження, Н/см²;

Згідно з розрахунками (табл. 16) для наближених розрахунків коефіцієнт, що враховує наявність промивальних прорізів, можна прийняти рівним .

Аналогічно визначаємо навантаження на коронку для 2-го інтервалу.

Теоретична площа торця з формули (6):

Площу, де є алмази, визначимо через коефіцієнт, що враховує наявність промивальних прорізів.

(9)

Оскільки в умовах не згадується про тріщинуватість, приймаємо . Питоме навантаження приймаємо дещо вище, ніж в першому інтервалі (більш висока категорія буримості) – .

Тоді, з (8):

Для визначення швидкості обертання треба задатися лінійною швидкістю руху алмазів. Для одношарових коронок рекомендується швидкість 1..3 м/с, для імпрегнованих – 2..4 м/с.

(10)

Для інтервалу 0–35 м, враховуючи тріщинуватість порід, приймаємо . При діаметрі коронки швидкість обертання буде дорівнювати

або

Для інтервалу 35–300 м приймаємо лінійну швидкість . При діаметрі коронки швидкість обертання має дорівнювати

або

Витрати промивальної рідини визначаємо виходячи з рекомендованих питомих витрат на одиницю діаметра коронки. Рекомендується для порід VIII–IXкатегорій на 1 см, для порід X–XII– на 1 см.

(11)

Таким чином, для інтервалу 0–35 м (VIIIкатегорія) приймаємо на 1 см. Тоді:

/с

Для інтервалу 35–300 м приймаємо на 1 см.

/с

Перевіримо витрати на швидкість висхідного потоку. При бурінні першого інтервалу зовнішній діаметр кільцевого простору приймаємо рівним 78 мм (2 мм на розробку свердловини по діаметру), внутрішній діаметр відповідає діаметру бурильних труб і складає 50 мм.

(12)

Під час буріння інтервалу 35–300 промивальна рідина буде рухатись у двох перерізах: у закріпленому і незакріпленому інтервалах. Внутрішні діаметри обох перерізів однакові (бурильні труби 50 мм), а зовнішні різні. В незакріпленому інтервалі приймаємо зовнішній діаметр 60 мм (один мм на розробку стінок свердловини), а в закріпленому це буде внутрішній діаметр обсадних труб. В трубах 73 мм внутрішній діаметр дорівнює 63 мм, тому в першу чергу перевіряємо саме цей переріз.

В незакріпленому інтервалі швидкість висхідного потоку буде відповідно

Як бачимо, в усіх випадках швидкість висхідного потоку достатня для виносу шламу. Вибрані технічні засоби і технологічні показники зведемо в таблицю 17

Таблиця 17 – Техніко-технологічні показники

Приклад 3. Розріз складається з двох інтервалів:

0–40 м – пухкі породи другої категорії;

40–400 м – абразивні породи десятої категорії.

Відмінність цього варіанту полягає в тому, що вказані категорії порід потребують застосування двох способів буріння: в першому інтервалі – твердосплавного, у другому – алмазного. Типи коронок: в першому інтервалі – ребристі, М (КР), а в другому – імпрегновані, И.

Вибір діаметрів ускладнюється тим, що в твердосплавному бурінні використовуються коронки відносно великого діаметру, а в алмазному навпаки – меншого. З цього виходить, що під час буріння нижнього інтервалу у верхньому інтервалі зазор між бурильною колоною і стінками свердловини буде великим, що не дозволить обертати бурильну колону з високою швидкістю. Так, наприклад, якщо пробурити верхній інтервал коронкою 112 мм і закріпити його обсадною колоною 108/95,5 мм, то при діаметрі бурильних труб 50 мм зазор по діаметру складе 45,5 мм. Така стріла прогину бурильних труб викличе високий рівень вібрацій. Менший зазор буде з колоною 89/78 мм – 28,8 мм. І найменший зазор – всього 12 мм – забезпечить обсадна колона 73/62 мм. Але зазор між обсадною колоною і стінкою свердловини буде досить великий (40–45 мм), внаслідок чого при обертанні бурильної колони в обсадній можуть виникати значні поперечні коливання. Тому обсадну колону доведеться зацементувати або забезпечити її фіксацію. Цього можна уникнути, якщо нижній інтервал бурити коронкою 76 мм з бурильними трубами 68, а верхній інтервал – коронкою 93 мм з наступним закріпленням трубами 89/78 мм. Остаточне рішення приймається після економічної оцінки варіантів.

За відсутності необхідної інформації зупинимось на останньому варіанті розуміючи, що він буде пов'язаний з більшою вартістю коронок і з певними незручностями роботи з бурильними трубами більшого діаметру.

Отже, конструкція колонкового снаряда для верхнього інтервалу включає: коронку ребристу діаметром 93 мм, колонкову трубу діаметром 73 мм (згадаємо, що з ребристими коронками колонкову трубу вибирають на один діаметр менше), фрезерний перевідник 73 мм.

Для нижнього інтервалу в конструкцію входять: коронка імпрегнована 76 мм, розширювач з керновідривачем також 76 мм, колонкова труба і перевідник 73 мм.

Бурильна колона для обох інтервалів ніпельно-замкового з'єднання діаметром 68 мм – СБТН-68.

Відбір керна: у верхньому інтервалі затиранням «всуху», в нижньому – за допомогою керновідривача.

Обсадна колона для верхнього інтервалу 89 мм.

Режим буріння. Для верхнього інтервалу навантаження на коронку визначаємо, як в першому прикладі за формулою (1) з використанням таблиці 6–9. Приймаємо . Кількість різців (табл. 7).

Для визначення швидкості обертання приймаємо

Витрати промивальної рідини визначаємо за умов: , коефіцієнт кавернозності

Для нижнього інтервалу навантаження на коронку визначаємо за умов, що ; ;

Для визначення швидкості обертання приймаємо . Тоді

Для визначення витрат промивальної рідини задаємось питомими витратами на одиницю діаметру, на 1 см.

Перевіримо отримане значення на швидкість висхідного потоку. Рідина у свердловині рухається по двом перерізам. У верхньому інтервалі зовнішнім діаметром є внутрішній діаметр обсадної колони, тобто 78 мм. В нижньому інтервалі діаметр свердловини визначається діаметром коронки і коефіцієнтом кавернозності. Враховуючи категорію порід (десята), можна прогнозувати розробку стінок свердловини на 1–2 мм, тобто діаметр свердловини може бути 76–77 мм. Отже, за розрахунковий приймаємо переріз у верхньому інтервалі.

Як бачимо, швидкість висхідного потоку достатня для виносу шламу по всій свердловині.

Результати зведемо в таблицю 18.

Таблиця 18 – Техніко-технологічні показники

Таблиця 1 – Характеристика обсадних та колонкових труб з ніпельним з'єднанням

Примітка. 1. Зовнішній діаметр ніпеля дорівнює зовнішньому діаметру труби. 2. Труби діаметром 44, 57, 73 і 89 мм можуть бути з безніпельним з'єднанням.

Таблиця 2 – Характеристика сталевих бурильних труб з муфтово-замковим з'єднанням СБТМ (МЗ)

Примітка. Для визначення приведеної маси труб необхідно масу, вказану в таблиці, помножити на коефіцієнт 1,14 (для двотрубної свічі).

Таблиця 3 – Характеристика сталевих бурильних труб з ніпельно-замковим з'єднанням СБТН

Примітка. Товщина стінки труб усіх діаметрів 4,5 мм.

Таблиця 4 – Характеристика легкосплавних бурильних труб з ніпельно-замковим з'єднанням ЛБТН

Примітка. Розроблено легкосплавні бурильні труби з муфтово-замковим з'єднанням діаметром 54 мм, товщина стінки 7,5 мм, зовнішній діаметр замка 65 мм, маса 1 м 4 кг.

Таблиця 5 – Характеристика ОБТ

Таблиця 6 – Питоме навантаження для твердосплавних коронок, Н/різець (штабік)

Таблиця 7 – Озброєність ребристих коронок (М)

Таблиця 8 – Озброєність різцевих коронок (СМ)

Таблиця 9 – Озброєність самозагострювальних коронок (СА)

Таблиця 10 – Параметричний ряд бурового обладнання для буріння на тверді корисні копалини

Таблиця 11 – Питомі витрати промивальної рідини в л/хв на 1 см діаметра коронки

Таблиця 12 – Технічна характеристика поршневих бурових насосів

Таблиця 13 – Технічна характеристика плунжерних бурових насосів

Таблиця 15 – Характеристика одношарових та імпрегнованих алмазних коронок