Перспективы применения в геологоразведке технологии шламового бурения с продувкой

России в последние годы создалось крайне тяжелое состояние сырьевой базы минеральных ресурсов. Несмотря на то, что за два последних десятилетия технология, техника и методы ведения геологоразведочных работ значительно изменились, все балансовые запасы ценного минерального сырья, включая запасы драгоценных, цветных и черных металлов, в подавляющем большинстве разведаны устаревшими по сравнению с зарубежными способами. После распада Советского Союза чрезвычайно затруднилось получение достоверной информации из разных регионов и бывших союзных республик, что резко отразилось на состоянии кондиционных запасов, соотношениях цен, сбыте, конъюнктуре, а также привело к удорожанию реагентов, энергоносителей, увеличению транспортных расходов и др.

Все эти факторы ведут к пересмотру возможностей геологоразведочных работ на современном этапе — их масштабы должны возрасти, а сроки проведения и затраты — уменьшиться.

В этой связи следует отметить то обстоятельство, что за рубежом в последнее десятилетие при отборе геологических проб в геологоразведке с особой эффективностью применяется метод шламового бурения с продувкой, стоимость которого в 3 раза ниже стоимости традиционного способа отбора проб по керну. В настоящее время технология шламового бурения является наиболее распространенным способом в США, использующимся при геологоразведочном бурении на золото.

Помимо геологоразведки минерального сырья технология бурения с обратной циркуляцией воздуха используется во всем мире и в других областях народного хозяйства: при бурении «на воду», исследовании грунтов, в строительстве и горном деле. С недавних пор с помощью этой технологии обеспечиваются успешные наблюдения за контрольными колодцами, вредными ядовитыми отходами и экологическими скважинами.

Общие сведениЯя

Широкое распространение метода шламового бурения с продувкой основан на трех его основных характеристиках:

  • способности глубоко проникать в горные породы нарушенного, трещиноватого или насыщенного пустотами массива;
  • необходимости использования минимального количества воды во время процесса бурения;
  • способности использования погружного бурового инструмента (погружного пневмоударника), наиболее подходящего для соответствующих условий.

Системы бурения с продувкой (Reverse Circulation Drilling) базируются на методе применения двойных труб, где в качестве буровой среды в основном используют сжатый воздух, хотя также могут быть использованы вода, бентонитовые илы, пены и детергенты, или водо-воздушные взвеси (туманы). Сжатый воздух закачивается под давлением в пространство между внешней и внутренней трубой по направлению к режущему краю бурового инструмента (рис.1). Буровой шлам из бурового пространства увлекается сжатым воздухом и по внутренней трубе поднимается наверх. Геологическая проба (срез) проходит сквозь устье шарнира, оголовок привода, разгрузочный рукав, и собирается в циклоне. Здесь скорость материала падает, и это позволяет разгружать порции пробы через нижнее отверстие (разгрузочный патрубок) циклона и собирать их в предусмотренные контейнеры (емкости).

Кроме того, перед упаковкой проба может быть разделена. После этого она упаковывается, маркируется и надписывается с информацией о номере скважины, глубине, номере пробы, типе формации и др.

Многочисленные примеры применения метода бурения с обратной циркуляцией, особенно в Канаде и на западе США, свидетельствуют о его высокой эффективности по сравнению с большинством привычных дорогостоящих способов. Успешное применение этого метода основано на системах, способных обеспечивать:

  • в 10-15 раз более высокую производительность, за счет чего происходит значительное снижение эксплуатационных затрат;
  • непрерывный пробоотбор — извлечение образцов происходит в непрерывном режиме и практически без потерь;
  • «чистоту» пробоотбора — отсутствие примешивания к образцам осколков разрушенных пород со стенок скважины, поскольку внутренняя и внешняя буровые трубы не соприкасаются;
  • гибкость — оборудование с системой бурения обратной циркуляцией может использоваться в ином качестве, например, для бурения взрывных скважин.

Однако, метод бурения с обратной циркуляцией имеет ряд ограничений. Одно из них то, что керн представляет больше информации о строении геологических структур, в частности о слоистости, трещиноватости, характере трещин и т.д. Тем не менее, во многих западных штатах США при бурении пород, залегающих в выветривающихся (расслоившихся) пластах, с помощью обратной циркуляции пробы из этих пород извлекаются с незначительными потерями. В России же в большинстве случаев применяется колонковое бурение, считающееся наиболее достоверным. От колонковой трубы отвинчивают коронку, извлекают керн, укладывают его в последовательном порядке в ящики и описывают.

Пневмоударное бурение (на россыпях) производится станками ЗИФ - 650А и ЗИФ - 650М с электроприводом. Если выход керна удовлетворяет требованиям геологического задания, применяют колонковый набор с одинарной колонковой трубой и коронкой. В случае, когда одинарная колонковая труба не обеспечивает требуемый выход керна, применяют колонковой набор с двойной колонковой трубой ТДП и коронкой КДП.

Двойные колонковые трубы всех диаметров и длин имеют одинаковое устройство (рис. 2). Наружная труба соединяется с пневмоударником и коронкой с помощью конической резьбы. В наружной трубе размещается внутренняя керноприемная труба. Своим нижним концом она упирается в уступ коронки, а верхним — в нажимное кольцо, амортизатор и упорную втулку в нижний переходник пневмоударника. Воздух из межтрубного пространства поступает на забой через боковые отверстия и наружные продольные пазы в корпусе коронки. Керн, попадая в керноприемную полость трубы, изолируется от воздействия пульсирующего воздуха. На наружных поверхностях одинарных и двойных колонковых труб имеются выступы твердого сплава, предназначенные для удобства свинчивания и навинчивания труб.

В случае оставления на забое керна производят повторный спуск снаряда с коронкой того же или большего внутреннего диаметра. Затем с вращением при давлении 0,25 МПа ведут «бурение по керну», после чего скважина углубляется на 10-20 см и керн «затирается» при вращении снаряда с «расхаживанием» в течение 3-5 минут. Затем поднимают снаряд и извлекают керн.

Как видно, метод не слишком надежен, а главное трудоемок и дорогостоящ. В настоящее время в России все больше возрастает тенденция к применению техники отбора шлама на основе опыта зарубежных специалистов.

Сравнение буровых    систем

При керновом бурении используется одинарная труба, а если выход керна не получается, то используется двойная труба. Во всех остальных случаях используют обсадные трубы для предотвращения осыпания скважины.

При бурении методом обратной циркуляции используют двойную бурильную трубу, сконструированную таким образом, что все вращающиеся и перемещающиеся минеральные массы, ассоциированные с вращательным бурением, выбрасываются сквозь промежуток между внутренней и внешней трубами. Внутренняя труба может заменяться в случае износа или повреждений. В большинстве случаев, срок эксплуатации трубы превышает 35000 пог. метров, хотя по наблюдениям многих производителей и горнодобывающих компаний отмечаются гораздо большие сроки.

При бурении с продувкой буровая труба держит стенку буровой скважины как стабилизатор. В результате, циркуляция продолжается в межтрубном пространстве, за счет чего отпадает необходимость в креплении скважины обсадными трубами. Эта особенность бурения может быть использована при бурении сквозь обрушения (обвалы), разрушенные или незатвердевшие горные породы, а также пустоты, трещины и заброшенные выработки.

ВЫВОДЫ

Принципиальным направлением в вопросах совершенствования опробования является повышение представительности буровых скважин для получения более надежных данных. Это связано, во-первых, с повышением достоверности получаемых результатов при бурении и, во-вторых, с обоснованной заменой горных выработок геологоразведочными скважинами. В обоих случаях может быть получен значительный экономический эффект.

Большое значение для повышения представительности скважин имеет комплексное и рациональное использование методов опробования. Здесь следует иметь в виду возможность сочетания между собой методов опробования по керну и шламу. Очевидно, что замена одного метода другим (более эффективным, экономичным) позволит сократить затраты на бурение и исследование скважин. Так, при отсутствии необходимости в дорогостоящем колонковом бурении на определенных интервалах следует использовать бурение с проведением опробования шлама. Пропорция этих методов будет зависеть от степени сложности строения месторождения. Создавая опорную сеть керновых скважин и вспомогательную сеть шламовых, степень разведанности месторождения позволяет детально оценить запасы, что и является целью разведочных работ. 


 

Журнал "Горная Промышленность" №1 1998