Вариант 1

1 Исторические сведения о развитии бурового дела

Первые сведения исходят из Египта, где бурились скважины при строительстве пирамид и извлечении из недр земли соляных растворов еще 6000 лет тому назад. Китайцы получали из буровых скважин рассолы и выпаривали из них соль 2000 лет тому назад.

В ХV-ХVII веках нашей эры на Пермских соляных промыслах бурили скважины глубиной до 100 м, диаметром до 1 м. Бурение производилось вручную, ударным способом с применением деревянных штанг и креплением стенок скважины деревянными обсадными трубами.

Впервые буровые скважины были использованы при разведке месторождений угля в 1850 г. инженером Г.Я. Дорошенко.

В настоящее время преобладает вращательное бурение с твердосплавным и алмазным породоразрушающим инструментом.

11 Вращательное бурение

Наиболее распространенным является вращательное бурение, при котором породоразрушающий инструмент получает вращение от ведущего механизма через колонну бурильных труб или шнеков. Вращательное бурение может производиться с разрушением породы по всей площади забоя или по кольцу, когда в центре скважины оставляется колонка неразрушенной породы. Такой способ бурения, называемый колонковым, является основным при поисках и разведке месторождений твердых полезных ископаемых. Колонка неразрушенной породы (керн) извлекается на поверхность и используется для изучения структуры и вещественного состава породы. Колонковое бурение производится породоразрушающими резцами из твердых сплавов или алмазными зернами. Соответственно различают два основных вида колонкового бурения: твердосплавное и алмазное.

21 Пористость горных пород

Пористость обусловлена наличием в породе пространства, не заполненного твердым веществом. Такую пористость называют абсолютной или физической. Различают также эффективную пористость, определяемую наличием пор, сообщающихся между собой. Чем выше пористость пород, тем меньше их прочность. В пористых породах часто теряется промывочная жидкость. Поэтому их бурят с промывкой глинистым раствором.

31 Рейсовая скорость

Рейсовая скорость (м/час) зависит от механической скорости, углубки за рейс, глубины скважины и организации работ в течение рейса. Определяется величиной углубки скважины за время, затраченное на все работы от спуска бурового снаряда в скважину до подъема его на поверхность.

, (1)

где h₁ – величина углубки за рейс, м;

t – время чистого бурения за рейс, час;

t₁ – время на спуск бурового снаряда в скважину в час;

t₂ – время на подготовку к бурению, час;

t₃ – время на перекрепление зажимных патронов и наращивание бурильной колонны, час;

t₄ – время на подготовку к подъему снаряда, час;

t₅ – время на подъем снаряда из скважины, час;

t₆ – время на смену колонкового снаряда или породоразрушающего инструмента.

41 Количество промывочной жидкости, подаваемой на забой скважины

Количество промывочной жидкости, которое нужно подавать в скважину для ее очистки, определяется по формуле:

Q = V_n·F, л/с (2)

где V_n – скорость восходящего потока промывочной жидкости в кольцевом зазоре между стенками скважины и колонной бурильных труб, дм/с (обычно V_n = 2,5÷6 дм/с).

Практически необходимое количество закачиваемой в скважину промывочной жидкости чаще определяют из расчета на 1 мм диаметра коронки:

Q = q ·D, (3)

где q – удельный расход промывочной жидкости на 1 мм диаметра коронки, л/мин;

D – диаметр коронки, мм.

51 Водоотдача промывочного раствора

Водоотдача характеризует способность глинистого раствора отдавать свободную воду пористым породам, в результате чего происходит глинизация стенок скважины. Показателем водоотдачи является количество воды (см³), отфильтровывающейся в течение 30 мин из 120 см³ глинистого раствора через бумажный фильтр диаметром 75 мм под избыточным давлением в 1 кг с/см². Водоотдача глинистых растворов в нормальных условиях не должна превышать 20-25 см³ за 30 мин.

В осложненных условиях бурения по рыхлым, неустойчивым породам для предупреждения обвалов и прихватов снаряда водоотдачу глинистого раствора посредством химической обработки снижают до 5-6 и даже 2-3 см³ за 30 мин.

61 Рекомендуемые режимы при бескерновом бурении

Рекомендуемые режимы бурения шарошечными долотами, например, для диаметра бурения 112 мм составляют для категории буримости VШ-IХ в среднем:

1. осевая нагрузка на долото да Н – 2500-300;

2. частота вращения – 150-250 об/мин;

3. расход промывочной жидкости – 150-180 л/мин.

Рекомендуемые режимы бурения лопастными долотами, например, для

диаметра 112 мм составляют для категории буримости I-Ш в среднем:

1. осевая нагрузка на забой да Н – 800-10000;

2. частота вращения – 203-231 об/мин;

3. расход промывочной жидкости – 200-300 л/мин.

Для создания необходимой нагрузки на долото диаметром 76 мм и выше, а также для обеспечения нормальных условий работы бурильных труб и предотвращения искривлений ствола скважины необходимо применять утяжеленные бурильные трубы (УБТ). Общий вес УБТ должен быть больше осевой нагрузки на 20-30%.

В качестве промывочных жидкостей при бескерновом бурении могут применяться как глинистые растворы, обработанные соответствующими реагентами (КМЦ, УСУР и др.), так и техническая вода.

71 Забойные двигатели при бурении скважин

Применение забойных двигателей исключает необходимость вращения бурильной колонны и позволяет основную часть их мощности передать поро-доразрушающему инструменту. В результате забойная мощность в 5-7 раз превышает забойную мощность при роторном бурении. Современные турбобуры развивают мощность на валу до 300-350 л. с. при 600-700 об/мин. Бурильные трубы при этом работают в более благоприятных условиях в связи с чем увеличивается срок их службы. Число обрывов бурильной колонны сокращается в 3-4 раза. Кроме того, при работе забойными двигателями уменьшается вероятность искривления ствола и упрощается бурение наклонных и направленных скважин.

Промывочная жидкость, нагнетаемая насосами в бурильные трубы, проходит в корпус турбобура и через окна подпятников верхней опоры поступает в направляющие каналы статора первой ступени. Этими каналами поток жидкости направляется на лопатки ротора той же ступени, приводя его во вращение. Таким образом, жидкость проходит последовательно все ступени турбины, приводя во вращение вал, и через отверстия вала направляется в долото и к забою скважины.

Для бурения геологоразведочных скважин диаметром 112 мм применяется турбобур геологоразведочный ТБГ-104А, имеющий диаметр 104 мм. В отличие от описанного выше, турбобур ТБГ-104А имеет опорную пяту, установленную в нижней части корпуса.

При бурении скважин в пластичных вязких породах, а также на больших глубинах эффективно работают секционные турбобуры, представляющие собой агрегаты, состоящие из 2, 3 и 4 турбобуров, валы которых соединяются конусно-шлицевыми муфтами, а корпусы – замковой резьбой через переводники. Секционные турбобуры имеют от 200 до 370 ступеней.

81 Ликвидация аварий

Общие сведения: аварией при бурении называется непредвиденное прекращение углубления скважины, вызванное нарушением нормального состояния скважины или находящегося в ней бурового инструмента.

Наиболее характерными для вращательного бурения являются аварии:

С бурильными трубами:

1. обрыв и развертывание их при бурении;

2. падение части колонны в скважину при спускоподъемных итерациях.

С колонковым снарядом:

1. развинчивание и оставление в скважине;

2. прихват и затяжки при извлечении из скважины.

С породоразрушающимц инструментами:

1. оставление в скважине;

2. разрушение алмазосодержащей матрицы;

3. прижог коронки.

С обсадными трубами:

1. развинчивание в процессе бурения нижней части колонны;

2. падение части колонны в скважину при ее спуске;

3. обрыв колонны при извлечении из скважины (редко при пуске);

4. притертость труб в результате трения о них бурильной колонны.

Связанные с падением в скважину:

1. мелких инструментов или посторонних предметов.

Аварии, возникающие при бурении в скважинах, могут быть обусловлены:

1. геологическими причинами (обвалы стенок скважины в неустойчивых породах, закарстованность и трещиноватость пород, тектонические нарушения, встреча плывунов с большим напором и т. п.);

2. низкой квалификацией бурильщиков и рабочих, отсутствием в бригаде должной трудовой дисциплины, небрежным отношением к уходу за оборудованием и выполнению правил, предупреждающих аварии;

3. использованием неисправного или чрезмерно изношенного оборудования, бурильных и обсадных труб, инструментов и принадлежностей;

4. нарушением элементарных правил технологии бурения, работой на параметрах режима, не соответствующих характеру буримых пород и создающих недопустимые нагрузки на буровой инструмент и оборудование.

Во избежание аварий с бурильными трубами нужно:

1. осуществлять систематический, во время каждого подъема, осмотр бурильной колонны и своевременно выбраковывать ее части, имеющие дефекты или чрезмерный износ;

2. вести учет продолжительности работы труб, не включать в колонну трубы различного качества;

3. применять бурильные трубы, диаметр которых по возможности ближе к диаметру скважины, использовать резиновые кольца-протекторы, что позволяет уменьшить изгибающие колонну напряжения;

4. правильно отрабатывать бурильные трубы в процессе бурения, чтобы износ был равномерным по всей длине колонны;

5. следить за состоянием резьбовых соединений, свинчивание труб
   производить до отказа, смазывать резьбу графитовой смазкой;

6. для улучшения условий работы нижней части буровой колонны применять УБТ;

7. все принадлежности для спуско-подъемных операций содержать в
   постоянной исправности.

Для предупреждения прихватов бурового снаряда в скважине шламом, кусками породы или отделившейся от стенок глинистой корки:

1. не следует оставлять его на забое без подачи промывочной жидкости
   в скважину;

2. при внезапном прекращении циркуляции промывочной жидкости
   приподнимать снаряд над забоем на 1,5 – 3 м;

3. нужно применять промывочную жидкость, качество которой соответствует характеру буримых пород.

91 Буровое оборудование и инструмент при бурении скважин в подземных горных выработках

При выборе оборудования для буровых работ в шахте определяющими факторами являются: физико-механические свойства пород, угол наклона, диаметр и глубина скважины, способ бурения (бескерновый или с отбором керна, шнеками или с промывкой), назначение и размеры подземных горных выработок, из которых проводится бурение. Предпочтение при равных условиях отдается компактному оборудованию с меньшей массой и большей монтажеспособностыо. Во всех случаях следует стремиться к уменьшению числа находящихся в эксплуатации станков, что облегчает их эксплуатацию, ремонт, подготовку бурового персонала (обычно не более 3-4 типов станков).

Обычно при бурении по углю используются станки БС-1М, 2УГНС, БИП-2, БИК-2, по породе – СБГ-1М, СБА-500-Г, НКР-100М, БСК-2М2-100, БСК-2В, ГП, КА-2М-300Г.

Перед спуском бурового станка в шахту буровая бригада должна быть обучена, ознакомлена с особенностями конструкции, включающими в себя и места периодической смазки, режимом работы. Обычно станок доставляется к месту монтажа в разобранном виде и поэтому все разомкнутые места гидромагистралей, выходы валов, полости узлов должны быть изолированы так, чтобы полностью избавить их от повреждений, а также попадания пыли и грязи. До спуска станка в шахту он должен быть собран на поверхности и его работа должна быть проверена на холостом ходу. К признакам неисправности станка относятся шумы и стуки при работе, перегрев редуктора, двигателя, утечки смазывающих веществ. В шахте рекомендуется выполнять только мелкий ремонт. Более сложные ремонтные работы проводятся на поверхности. При выдаче станка на поверхность он должен быть надежно закреплен на транспортном средстве (вагонетка, площадка и т.д.). Особое внимание необходимо уделять состоянию подвода электрокабелей, плотностью прилегания взрывобезопасных оболочек, надежности систем блокировки и заземления. При любых неисправностях электрооборудования работа должна быть немедленно прекращена.

При недостаточном давлении в шахтном водопроводе применяют для промывки скважин буровые насосы. Чаще применяют поршневые геологоразведочные насосы типа 11ГрБ, Г-16/40, реже плунжерные НГП-1М, НБ2-63/40 РВ, НБЗ-120/40, НБ4-230/63. Обычно эти насосы требуют замены двигателей в обычном исполнении на двигатели во взрывобезопасном исполнении. Недостатком большинства из вышеуказанных насосов является наличие клино-ременной передачи.