МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ АКАДЕМИЯ

имени С. ОРДЖОНИКИДЗЕ

Центр дистанционного образования Кафедра разведочного бурения

Н.В. Соловьёв И.Д. Бронников Е.Д. Хромин

БУРЕНИЕ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН

Учебное пособие

■

Москва - 2002

Соловьев Н.В., Бронников ИГ Хромин Е Д БУРЕНИЕ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН Учебное пособие М: ИЗД. МГГА, 2002. - с. 81. Ил. 22. Библогр.: 10 назв.

Учебное пособие содержит основные разделы, касающиеся выбора бурового оборудования и инструмента для бурения геологоразведочных скважин, разра­ботки конструкции скважин и режимов бурения.

Значительное внимание уделено выбору технических средств и технологии, обеспечивающих получение представительного кернового материала. Изложены справочные материалы, необходимые для составления курсового и дипломного проектов по бурению геологоразведочных скважин.

) Московская государственная геологоразведочная академия, 2002

Содержание

Введение4

1. Выбор способа бурения и построение конструкции скважины 5

1. Выбор способа бурения5

2. Выбор проектной конструкции скважины5

2. Выбор бурового оборудования 10

1. Выбор буровой установки, бурового станка 10

2. Выбор бурового насоса 13

3. Привод буровых установок 14

4. Выбор буровых вышек или, мачт 14

3. Выбор технологического и вспомогательного инструмента 14

3.1 .Технологический буровой инструмент 14

1. Выбор твердосплавных коронок 18

2. Выбор алмазных коронок 22

2. Колонковые, обсадные, шламовые трубы и их соединения ...26

3. Бурильные трубы и их соединения 27

4. Бескерновое бурение и применяемые долота 29

3.4.1. Выбор и расчет УБТ при бескерновом бурении 33

3.5. Вспомогательный инструмент 34

4. Промывка скважин 37

5. Расчет параметров режимов бурения для твердосплавного, алмазного и бескер- нового бурения 41

1. Бурение твердосплавными коронками ..41

2. Бурение алмазными коронками 42

5.3.Бурение лопастными и шарошечными долотами при бескерновом бурении..43

6. Тампонаж (цементация) 45

7. Способы повышения выхода керна .' 46

1. Безнасосное бурение 49

2. Двойные колонковые трубы "Донбасс НИЛ" 51

3. Бурение с гидротранспортом керна 52

4. Бурение снарядами со съемными керноприемниками 54

5. Двойные колонковые трубы ТДН-УТ 57

6. Двойные колонковые трубы ТДН-0 59

7. Эжекторные колонковые снаряды 61

8. Гидроударное и пневмоударное бурение 63

8.1. Сущность ударно-вращательного и вращательно-ударного способов бурения гидроударниками 64

8.2. Бурение пневмоударниками 68

9. Проверочный расчет буровой вышки или мачты 70

10. Рациональный режим спускоподъемных операций .72

11. Расчет профиля скважины 73

12. Ликвидация скважин. Техническая документация скважин 77

13. Список литературы 81

Введение

Задачи курсового и дипломного проектирования

Задачами курсового проектирования по разведочному бурению являются закрепление и расширение теоретических знаний, полученных студентами при изучении курса " Разведочное бурение " , приобретение навыков для самостоя­тельного реаюния задач по технике и технологии разведки месторождений мето­дом бурения скважин. На стадии дипломного проектирования студент должен самостоятельно решать комплекс задач, связанных с техникой и технологией раз­ведки конкретного месторождения и составлять техническую часть проекта.

Курсовой проект составляется по индивидуальному заданию, которое вы­дается каждому студенту руководителем курсового проектирования. В индивиду­альном задании задаются геолого-технические условия проведения скважин : геологический разрез с краткой характеристикой пород, угол наклона скважины к горизонту, глубина скважин, их общее количество, особые условия бурения (веч­ная мерзлота, поглощение промывочной жидкости, проходка скважин из подзем­ных горных выработок и др.), а также специальное задание.

При составлении технической части дипломного проекта все условия про­ведения буровых скважин должны быть взяты по месту прохождения практики и согласованы с руководителем дипломного проектирования.

Последовательность выполнения курсового проекта или технической части дипломного проекта такова:

• обоснование и выбор способа бурения;

• определение конечного диаметра бурения и составление проектной конструк­ ции скважины; " "

- выбор бурового оборудования: буровой установки, бурового станка, бурового насоса вышки или мачты, транспортной базы;

• выбор технического и вспомогательного инструмента, т.е. бурового снаряда и приспособлений для спускоподъемных и других операций бурового процесса;

• выбор промывочного агента и системы очистки его от шлама;

• расчет параметров режимов бурения для твердосплавного, алмазного и бескер- новото бурения; расчет УБТ при бескерновом бурении;

• выбор способа для повышения выхода керна на интервалах с некондиционным выходом керна;

-применение прогрессивных способов для повышения производительности и качества опробования при колонковом бурении ( гидроударное, пневмоударное, ССК, КССК, бурение с гидротранспортом керна);

-расчет профиля скважины;

-проверочный расчет вышки или мачты; расчет рационального режима спуско­подъемных операций;

- ликвидационный тампонаж, составление геолого-технического наряда.

1. Выбор способа бурения и построение конструкции скважины

1.1. Выбор способа бурения

Способ бурения выбирают в зависимости от целей буровых работ, физико-механических свойств горных.пород, глубины и угла наклона скважины.

При проведении разведочных скважин основным способом бурения являет­ся вращательный (колонковый) способ с его разновидностями: твердосплавным и алмазным. Используются также ударно-вращательное (пневмо- и гидроударника­ми), шнековое и вращательное бескерновое бурение. Колонковое бурение являет­ся основным техническим средством разведки месторождений полезных иско­паемых.

Бескерновое бурение как более производительное применяется в тех слу­чаях, когда геологический разрез хорошо изучен и отсутствует необходимость в получении керна; в основном это бывает на стадии детальной и эксплуатацион­ной разведки. Бескерновым способом обычно проходят верхние интервалы по­род, не представляющие интереса при геологическом изучении данного района, перебурка же рудных пластов осуществляется колонковым способом, с отбором керна. Интервалы бурения скважин без отбора керна устанавливают в каждом конкретном случае с учетом изученности месторождения руководством партии (экспедиции) и указывают в геолого-техническом наряде. Следует отметить, что на стадии поисков и предварительной разведки бурение без отбора керна не раз­решается.

Твердосплавное бурение целесообразно применять в породах до VIII кате­гории по буримости, в основном осадочного происхождения.

Алмазное бурение рекомендуется применять в породах средней твердости и твердых, VI-XII категорий по буримости, в изверженных и метаморфических

1.2. Выбор проектной конструкции скважины

Конструкцией скважины называется схема ее устройства, в которой указы­ваются изменения диаметров бурения с глубиной, диаметры и глубины спуска обсадных труб, а также места и способы тампонирования.

Исходными данными для выбора конструкции скважины служат физико-механические свойства пород геологического разреза, цель и способ бурения скважины, ее глубина и конечный диаметр.

Составляют конструкцию скважины снизу вверх. После определения глу­бины скважины, соответствующей цели ее сооружения, выбирают конечный диа­метр бурения. Для снижения стоимости скважины бурить ее следует, возможно, меньшими диаметрами. Вместе с тем выбор диаметра скважины должен отвечать ее назначению (получение качественной пробы в необходимом количестве, про­ведение комплекса намеченных наблюдений, исследований и пр.).

Минимально допустимые диаметры керна, установленные на основе изуче­ния представительности проб малого веса важнейших промышленных типов руд по методам сопоставления, аналогии, математической статистики, опыта развед_г ки рудных месторождений в отечественной и зарубежной практике, приведены в табл.1. .

В табл. 1 указаны минимально допустимые диаметры керна, считая, что керн не разрушается в процессе бурения. На самом же деле горные породы и по­лезные ископаемые находятся очень часто в нарушенном состоянии (различной степени трещиноватые, а зачастую раздробленные), что затрудняет получение необходимого содержания пробы при проходке данного интервала. Для повыше­ния выхода керна при бурении таких пород очень часто рекомендуется применять двойные колонковые трубы и другие технические средства, имеющие обычно минимальный диаметр 57 мм.

В практике разведочного бурения на рудные полезные ископаемые получе­ние представительных проб обеспечивается при применении следующих разме­ров породоразрушающих инструментов:

при бурении алмазными коронками 46-59 мм;

- при бурении твердосплавными коронками59-76 мм.

Коронки большого диаметра рекомендуется применять при бурении тре­щиноватых пород.

В породах вечномерзлых, растворимых и слабосвязных минимальный диа­метр твердосплавных коронок принимают равным 93 мм. При бурении по солям и фосфоритам минимальный диаметр бурения 93 мм.

При разведке угольных месторождений в зависимости от типа углей рекоменду­ют следующие диаметры бурения: по мягким углям - 93 мм, по средним - 76 мм, по плотным - 59 и 76 мм.

Таблица 1

Генетические типы	Рекомендуемые	Минимальный!
месторождений	минимально	диаметр
и главнейшие промышленные	допустимые диаметры	бурения,
типы руд	керна, мм	мм
1	2	3
Собственно магматические ме-
сторождения:
хромитовые	22	36
титаномагнетитовые	32	46
медно-никелевые	32-42	46-59
редкометальные	32	46
Пегматитовые месторождения:
редкометальные	42-60	59-76

	Продолжение табл.
1	2	3
Контактово-метасоматические
(скарновые) месторождения:
железные	32	46
молибдено-вольфрамовые	32-60	46-76
медные	32	46
руды других металлов (золото, сви-	32	46
нец, цинк)
Гидротермальные месторождения:
медно-порфировые	42	59
колчеданные	32	46
медистые песчаники	22	36
сидеритовые	22	36
вольфрамомолибденовые	32-60	46-76
оловянные	32-42	46-59
свинцово-цинковые	32-42	46-59
сурмяно-ртутные, мышьяковые	60	76
золотые	22-32	36-46
уранованадиевые	22	36
Метаморфогенные месторождения:
железистые кварциты	32	46

Кроме того, при выборе конечного диаметра бурения необходимо учиты­вать размеры скважиннои аппаратуры для проведения различных исследований (геофизические исследования, инклинометрия, кернометрия и др.).

Минимально допустимые диаметры скважин в зависимости от габаритных размеров применяемой аппаратуры приведены в табл.2.

Таблица 2

Виды исследований	Наружный диаметр скважииного прибора, мм	Номинальный диаметр скважины, им
1	2	3
Радиометрические ис­следования (ГК, ГГК, ННК, НТК и др.)	28-60	36-76
Магнитометрия	36-40	46
Термокаротаж	36	46
Резистивиметрия	60	76
Инклинометрия	28-70	36-76
Кавернометрия	60-70	76

Продолжение^габлииь! 2

1	2	3
Радиопросвечивание	36-48	46-59
Am пл иту дно-фазовые измерения	36-48	46-59
ЛС^нометрия^	57-73	59-76

После определения конечного диаметра бурения необходимо наметить участки, требующие закрепления стенок скважины обсадными трубами, выбрать их размеры и наметить глубины их спуска, а также предусмотреть необходимость тампонажа обсадных труб или отдельных участков ствола скважины цементом или глиной.

Во всех случаях необходимо стремиться к выбору наиболее простой бес­ступенчатой конструкции скважин с применением минимального количества ко­лонн обсадных труб. Это облегчает бурение скважин, сокращает набор инстру­ментов, расход обсадных труб и снижает стоимость работ. При алмазном бурении бесступенчатая конструкция скважины обеспечивает эффективность применения различных средств по борьбе с вибрациями.

Обсадные трубы применяют:

• для закрепления устья скважины, предохранения ее от размывания и от­ воде промывочной жидкости в желоба; такая обсадная труба называется направляющей;

• для закрепления залегающих сверху неустойчивых и обводненных пород и для направления ствола скважины (кондуктор);

• для перекрытия зон разрушенных и раздробленных пород, галечников, слабых конгломератов и брекчий, которые плохо крепятся глинистым раствором.

В некоторых случаях такие зоны целесообразно тампонировать быстросхва-тывающимися смесями без перекрытия их обсадными трубами.

Пример. Построить проектную конструкцию скважины для условий буре­ния, приведенных в табл.3. Рудная зона представлена радиоактивными элемента­ми. Угол падения пласта полезного ископаемого 50°. В интервале 180-500 м пре­дусматривается взятие ориентированного керна для изучения элементов залегания пород, а также проведение геофизических исследований и инклинометрии.

Решение. Бурение в интервале от 0-500 м предполагается вести с примене­нием твердосплавных коронок, а в интервале 500-600 м - алмазных коронок. В связи с тем, что угол падения пласта полезного ископаемого более 30°, скважины должны быть наклонными. Принимаем угол заложения скважин 85°; в дальней­шем за счет естественного искривления можно добиться необходимого угла встречи оси скважины с пластом полезного ископаемого.

Конечный диаметр бурения для обеспечения необходимой представитель­ности керна по данным табл.1 можно принять равным 36 мм. Однако, учитывая

то, что рудная зона представлена раздробленными породами, по которым для по­вышения выхода керна потребуется применение специальных технических средств, диаметр бурения должен быть увеличен. Необходимо также учитывать, что при бурении глубоких скважин бурильные трубы диаметром 33,5 и 42 мм, предназначенные для бурения разведочных скважин с применением коронок 36 и 46 мм, имеют недостаточную прочность и в нашем случае не могут быть реко­мендованы.

В связи с этим принимаем конечный диаметр бурения равным 59 мм, что обеспечит необходимое количество кернового материала для проведения опробо­вания. Для взятия ориентированного керна (кернометрия) применяют приборы, называемые керноскопами, диаметр которых может быть 57 мм (см. табл.2).

Таблица 3

категория

по буримости

№ слоя

Название пород

Конструкция скважины

еологическая Интервал,колонка

ОТ

0132

Суглинок

до

0127/118

Глина с примесью песка

0112

/ / / 65м

Глина плотная

/Ч/ /Ч/ /Ч/

Л/ l\j Л/ Л/ /ч/

Л/ л, А/ /V/ Л/

V-V1

Б2

Алевролиты

Л* Л/ Л/

• ■'*» Уч>.

А/ /Ч/ А/

Переслаивание аргиллитов, алевролитов и песчаников

VII - У

/Ч/ А/

Л/ /у

Зона дробления (рудная зона)

I- IX

V V V V V V

Фельзиты (трещиноватые)

X - XI

089/81

При бурении скважин с целью разведки редких и радиоактивных элементог диаметры применяемых приборов для проведения инклииометрии и других гео­физических исследований (у -каротаж, уу-каротаж, радиопросвечивание и др..) обычно не превышает 50 мм. Таким образом, в интервале 62-600 м диаметр буре­ния может быть принят равным 59 мм.

Верхние интервалы, представленные глинистыми породами, необходимо перекрывать обсадными трубами Принимаем диаметр обсадных труб (кондукто­ра) равным 89/81 мм (соответственно наружный и внутренний диаметры обсадной трубы). Диаметр бурения под кондуктор ввиду возможного выпучивания глини­стых пород должен быть не менее 112 мм. Глубина бурения под кондуктор долж­на превышать 62 м с таким расчетом, чтобы обсадные трубы были посажены в твердые монолитные породы. Принимаем ее равной 65 м. Низ кондуктора должен быть зацементирован. Диаметр направляющей трубы должен быть не менее 127/118 мм, что обеспечит дальнейшее бурение скважины диаметром 112 мм. За-бурку скважины под направляющую трубу осуществляем твердосплавной корон­кой диаметром 132 мм.

Типовая конструкция скважины для данных условий приведена в табл.3