Совершенствование техники и технологии бурения скважин большого диаметра в условиях многолетнемерзлых пород

А.В. Карху, Р.М. Скрябин, Н.Г. Тимофеев

В статье рассмотрена возможность совершенствования техники и технологии бурения скважин большого диаметра при разведке россыпных месторождений в условиях многолетнемерзлых пород, с целью повышения эффективности шурфопроходческих работ бурением скважин большого диаметра. Для достижения поставленной цели предлагается внедрение современной технологии бурения скважин новым видом бурового снаряда большого диаметра с поинтервальным отбором разрушенной породы.

Ежегодное увеличение объемов буровых разведочных работ в районах распространения многолетнемерзлых пород, производимых самым распространенным, универсальным вращательным способом, являющимся одновременно сложным многофакторным процессом, требует нового подхода к выбору современной буровой техники и технологии.

Повышение производительности труда при разведке россыпных месторождений в условиях многолетнемерзлых пород путем совершенствования и оптимизации существующей техники и технологии вращательного бурения скважин большого диаметра взамен шурфопроходческих работ представляет собой одну из актуальных задач геологоразведочных работ.

Для определения оптимального режима бурения скважин большого диаметра по многолетнемерзлым породам разработанным нами буровым снарядом исследованию подлежат те факторы, которые могут контролироваться и изменяться бурильщиком в процессе бурения. К ним относятся технические и технологические факторы: удаление шлама из забоя скважины, нагрузка на долото и частота вращения инструмента, а также спуско-подъемные операции, транспортировка и разгрузка выбуренной породы из снаряда.

Но для достижения поставленной цели необходимо разработать некоторые критерии оптимизации техники и технологии бурения скважин большого диаметра при разведке россыпных месторождений полезных ископаемых в условиях многолетнемерзлых пород, с учетом геологических, технических и технологических факторов процесса бурения.

К этим критериям относятся: максимум механической скорости бурения (Vмех), максимум рейсовой скорости бурения (Vp), максимум проходки на долото (Н), максимум сменной производительности (П), минимум стоимости одного метра бурения (См) и повышение качества отбираемой пробы из скважин.

При этом для эффективности разработки перечисленных критериев оптимизации процесса бурения скважин большого диаметра, следует усовершенствовать некоторые технологические параметры техники бурения.

В частности, для совершенствования технологических параметров, таких как – нагрузка на долото (P), частота вращения инструмента (n), проходка за рейс (Lp) и спуско-подъемные операции, рекомендуется применять в геологоразведке современную строительную буровую установку, оснащ ённую технологией келли-штанги (рис 1).

142 1

Рис 1. Конструкция келли-штанги

Келли – технология представляет собой 2 или 3 многозвенные келли-штанги, состоящие из одной внешней штанги.

Процесс бурения заключается в следующем: вращающий момент и усилие подачи передаются от внешней штанги на внутренние штанги. Диаметр и глубина бурения скважины зависят от развиваемого вращателем крутящего момента, длины используемой келли-трубы и высоты мачты буровой установки [1, 2].

При использовании келли-технологии благодаря плавным переходам внутренних штанг к внешним исключается возможность потери выбуренной породы из бурового снаряда при подъемных операциях, тогда как в обычных буровых установках разъединения буровых штанг сопровождаются ударами, вызывающими высыпание разрушенной породы из бурового снаряда и снижение качества отбираемой пробы.

Для эффективной разгрузки выбуренной породы из бурового снаряда необходимо, чтобы буровая установка была оснащена поворотной платформой. При такой конструкции обеспечивается безопасность разгрузочных и вспомогательных работ, в которых существует вероятность попадания извлеченной пробы в скважину из бурового снаряда или, при вспомогательных работах (замене породоразрушающих инструментов, устранении поломок бурового снаряда и т.д.) – попадания инструментов в скважину, и создания аварийной ситуации.

При бурении разведочных скважин большого диаметра в условиях мерзлых пород при разведке россыпных месторождений полезных ископаемых, когда основной целью и задачей является качественный отбор пробы, эффективный способ транспортирования разрушенной породы из забоя скважины обеспечивается механическим удалением шлама с помощью винтового транспортера (шнека), выполняющего одновременно функцию бурильной колонны.

В процессе бурения шнековый рабочий орган совершает вращательно-поступательное движение и разрушенная порода, отделенная долотом, попадает на спираль шнека и начинает вращаться вместе с ним (рис. 2). За счет вращательного движения на разрушенную породу действует центробежная сила, отбрасывающая ее от центра вращения шнека к стенкам скважины.

Рис. 2. Схема действия сил, приводящих к подъему частицы породы из забоя скважины при шнековом бурении

Рис. 2. Схема действия сил, приводящих к подъему частицы породы из забоя скважины при шнековом бурении

Центробежная сила прижимает породу к стенкам скважины, а со стороны стенки скважины на породу действует реакция, равная центростремительной силе Fцс=mRω2, где m – масса породы, ω – частота вращения шнека, R – радиус шнека.

На породу также будут действовать силы тяжести F =mg . При этом вращению породы вместе со шнеком будет препятствовать сила трения ее о стенки скважины Fc = ƒcFцс , где ƒc – коэффициент трения породы о стенки скважины (порода по породе), вызванная центростремительной силой Fцс [3].

Изучением процесса шнекового транспортирования разрушенной породы при бурении скважин большого диаметра занималось большое количество исследователей. Однако осветить все исследования в данной области в рамках одной работы – крайне затруднительно. Поэтому остановимся на исследованиях, наиболее соответствующих тематике нашей работы, – вертикальных шнековых транспортеров при бурении скважин большого диаметра.

Среди работ, относящихся к вертикальным шнековым транспортерам, можно выделить труды Ю.Н. Копытко [4], С.И. Бриля [5], Н.А. Лапина [6].

В работе Ю.Н. Копытко обобщён опыт бурения скважин с транспортированием разрушенной породы шнековым способом, даны описания различных конструкций шнековых буровых станков и инструментов к ним, а также рассмотрен экономический аспект шнекового способа бурения и организации этих работ. Вопросы расчёта параметров шнеков и режимов бурения в этой работе не были затронуты.

В работе С.И. Бриля выведены формулы для определения: относительной угловой скорости движения частицы породы; угла наклона траектории движения частиц породы к горизонтали; вертикальной скорости транспортировки породы по лопастям шнека.
 К сожалению, предложенные формулы не могут быть использованы в практике расчета вертикальных шнековых транспортеров, так как не приведены формулы для определения расхода мощности привода при шнековом бурении буровой установки.

 Большой интерес с точки зрения заполнения шнековых буров представляют исследования Н.А. Лапина. Автор получил ряд расчетных формул на основе рассмотрения элементарной периферийной плоской частицы, которая не может перекатываться по реборде шнека. В формулы внесены соответствующие коэффициенты, полученные по результатам лабораторных исследований.

Для количественной оценки влияния параметров шнека и режима бурения на процесс транспортирования буровой мелочи B.A. Перетолчин [7] получил на ЭВМ численные решения уравнений и произвел анализ влияния параметров системы на угол β, скорость U подъема частицы буровой мелочи и на образование пассивной зоны шнека.

 В результате B.A. Перетолчиным установлена зависимость скорости подъема частицы от коэффициентов трения, диаметра шнека и частоты вращения, скорости подачи и шага шнека. Также установлено, что материал на шнеке совершает сложное винтообразное движение, математическое описание которого при исследовании представляет значительные трудности.

 Из всех имеющихся работ по расчету вертикальных шнековых транспортеров и бурения скважин шнеками, наибольшего внимания и изучения заслуживает многоэтапная работа профессора Д.Н. Башкатова [8], который разработал основы теории шнекового транспортера, имеющей важное теоретическое и практическое значение. Автор отмечает влияние на процесс транспортировки породы шнеком эффекта «подпора породы» и считает, что с увеличением диаметра шнека этот эффект начинает играть более заметную роль. Рассмотрены важные вопросы шнекового транспортера, которые могут быть использованы при анализе процесса заполнения шнекового бура. К ним могут быть отнесены: исследование трех основных условий работы шнекового транспортера, определение оптимального угла подъема винтовой линии шнека, изучение распределения породы на винтовой поверхности шнека, рассмотрение шнеков с различной формой навивки, выбор нижнего и верхнего пределов числа оборотов вращения шнека и другие технические и технологические параметры шнека.

 Из практики бурения шнеками и выводов исследователей известно, что все силы сопротивления поступательному перемещению каждого резца породоразрушающего инструмента, силы трения реборды шнека и разрушенной породы о стенки скважины, а также при возрастании коэффициента заполнения шнека k, при котором резко увеличивается сила трения породы о поверхность шнека FшG, представляют общий суммарный момент сил M сопротивления на исполнительном органе и на валу привода вращателя буровой установки, который с увеличением диаметра бурового снаряда резко возрастает и требует дополнительной мощности и частоты вращения буровой установки, одновременно снижая механическую скорость бурения Vмех.

 Для совершенствования вышеуказанных технико-технологических факторов и повышения механической скорости Vмех , при бурении скважин большого диаметра на разведке россыпных месторождений в многолетнемерзлых породах, нами разработан специальный буровой снаряд, в котором шнек располагается внутри свободно подвешенной на подшипниковой опоре колонковой трубы (рис. 3), исключающей возможность прямого контакта реборды шнека и разрушенной породы со стенкой скважины.

Рис. 3. Схема работы шнекового транспортера в скважине при расположении шнека внутри колонковой трубы (а); в открытом стволе скважины (б)

Рис. 3. Схема работы шнекового транспортера в скважине при расположении шнека внутри колонковой трубы (а); в открытом стволе скважины (б)

 Благодаря такой конструкции бурового снаряда, намного снизится действующий на шнековый транспортёр суммарный момент сил сопротивления поступающих пород, в результате чего повысится производительность буровой установки, будет достаточной мощность, расходуемая на разрушение пород буровым снарядом. Помимо этого, будет достигнута основная цель и задача разведки россыпных месторождений полезных ископаемых, обеспечение представительности отбираемой пробы, за счет поинтервального отбора разрушенной породы в колонковой трубе бурового снаряда.

 Проведенные исследования позволяют установить следующее:

  1. Большинство исследователей отмечают, что стоимостные критерии наиболее полно характеризуют эффективность процесса бурения, поскольку кроме материальных затрат они учитывают затраты труда. Однако возможность применения этих критериев для управления процессом бурения ограничивается тем обстоятельством, что они являются интегральными и вычисляются по результатам законченного процесса, а реализация их непосредственно в процессе бурения в реальном масштабе времени невозможна. Указанные затруднения можно преодолеть, если установить взаимосвязь стоимостных оценок с теми параметрами, которые поддаются непосредственному измерению в процессе бурения скважин.
  2. В буровых установках для упрощения подбора оптимального режима бурения скважин большого диаметра применительно к физико-механическим свойствам буримых пород целесообразно внедрение гидропривода с технологией келли-штанги с поворотной платформой и их оснащение измерительными приборами для постоянного контроля над процессом бурения.
  3. Главный принцип повышения эффективности шнекового бурения заключается в соответствии условий транспортирования породы и механической скорости бурения (Vмех), т.е. объем разрушаемой породы не должен превышать транспортирующую способность шнека. Если объем поступающей породы, подаваемой на спираль шнека, Qб будет превышать производительность шнека Qш , то в результате произойдет уплотнение и слипание породы на шнеке, образуя сальник и в результате практически остановится транспортирование породы.
  4. Для достижения наивысшей эффективности бурения скважин большого диаметра в условиях многолетнемерзлых пород при разведке россыпных месторождений шнековым способом предлагается внедрение в производство новой конструкции шнеко-колонкового бурового снаряда (рис. 4), который обеспечивает поинтервальный отбор разрушенной породы с сохранением качества отбираемых пород благодаря свободно подвешенной в буровом снаряде колонковой трубе. В этом случае, полностью исключается возможность контакта реборд шнека и транспортируемой породы со стенкой скважины и вследствие этого намного снизится расход мощности буровой установки затрачиваемой на работу бурового снаряда в открытом стволе скважины.Рис. 4. Новая конструкция бурового шнеко-колонкового снаряда диаметром 750 мм с поинтервальным отбором пробы: 1 – резцы ПРИ; 2 – ПРИ; 3 – колонковая труба; 4 – шнековый транспортер; 5 – разгрузочные окна; 6 – дополнительная штанга; 7 – подшипниковая опора; 8 – усиленный переходник

Рис. 4. Новая конструкция бурового шнеко-колонкового снаряда диаметром 750 мм с поинтервальным отбором пробы:
1 – резцы ПРИ; 2 – ПРИ; 3 – колонковая труба; 4 – шнековый транспортер; 5 – разгрузочные окна; 6 – дополнительная штанга; 7 – подшипниковая опора; 8 – усиленный переходник

 Конструкция нового бурового шнеко-колонкового снаряда (Патент РФ на полезную модель 123820 от 1.06.2012 г.) включает стандартный строительный усиленный шнековый транспортер с породоразрушающим инструментом, дополнительно удлинённый усиленной штангой (около 1 м), в которой монтируется подшипниковая опора, благодаря которой колонковая труба не будет вращаться в процессе шнекового бурения. Снаряд соединяется переходником, разработанным под келли-штангу буровой установки.


 ЛИТЕРАТУРА:

 1. Грабчак В.Л. «Обоснование оптимальных параметров процесса бурения геологоразведочных шурфов в моренных отложениях: дис. … канд. техн. наук». – М., 2009. – 137 с.

2. Неплевский М.О. «Обоснование оптимальных параметров процесса бурения скважин большого диаметра в осадочных породах шнеком накопительного типа: дис. …канд. техн. наук.» – М., 2003. – 125 с.

3. Соловьев Н.В., Кривошеев В.В., Башкатов Д.Н. «Бурение разведочных скважин». Под общей редакцией Н.В. Соловьева. – М.: Высшая Школа, 2007. – 904с.

4. Копытко Ю.Н., Бубнов Е.С., Маломед Ю.А. «Шнековые буровые станки отечественного производства». Шнековое бурение: сб. – М.: Госгеолтехиздат, – 1960. – 255 с.

5. Бриль С.К. «Машины для рытья ям (конструкция, теория, расчет)». – М.: Машиностроение, 1964. – 132 с.

6. Лапин Н.А. «Теоретические и экспериментальные исследования процесса щнекового бурения скважин и методика расчета геометрических параметров и режимов работы вертикальных шнековых транспортеров: дис. … канд. техн. наук.» – М.: МГРИ, 1966. – 211 с.

7. Перетолчин В.А. «Вращательное и шарошечное бурение скважин на карьерах». – М.: Недра, 1983. – 175 с.

8. Башкатов Д.Н., Олоновский Ю.А. «Вращательное шнековое бурение геологоразведочных скважин». –М. Недра, – 1968. – 192 с.

Журнал "Горная Промышленность" №2 2013 стр.142