8.5. Организация буровых работ на твердые полезные ископаемые

Буровые работы представляют собой сложный циклический процесс, состоящий из простых производственных процессов, направленных на получение достоверной геологической информации. Бурение геологоразведочных скважин осуществляется на всех стадиях геологических исследований. На геолого-съемочных работах бурят картировочные скважины; на поисках МПИ – одиночные скважины для заверки геофизических, геохимических аномалий или для прослеживания на глубину рудных тел, вскрытых канавами; на стадиях оценки и разведки применяют сеть буровых скважин для оконтуривания и детального изучения рудных тел. При разведке сложных месторождений (с сильной изменчивостью рудных тел по мощности, простиранию, форме, качеству полезного ископаемого) бурение скважин производится в комплексе с поверхностными и подземными горно-разведочными работами.

Буровая скважина – горная выработка преимущественно цилиндрического сечения, характеризующаяся относительно малым диаметром по сравнению с ее протяженностью. Условно скважины глубиной менее 50-100 м относят к мелким, глубиной до 1000 м –к средним, более 1000 м – к глубоким и к сверх глубоким – более 6000 м. Диаметр скважины определяется наружным диаметром породоразрушающего инструмента. Различают скважины малого диаметра – менее 76 мм, среднего -93-151 мм и большого – свыше 151 мм. Поверхностное оборудование для бурения разведочных скважин представлено комплексом наземных сооружений, бурового, энергетического и вспомогательного оборудования, называемым буровой установкой. К наземным сооружениям, входящим в состав буровой установки, относятся буровая вышка (мачта), буровое здание, поверхностная циркуляционная (очистная) система и вспомогательные сооружения. Буровое оборудование представлено комплексом основных машин и механизмов, необходимых для бурения скважины, образующих буровой агрегат, в который входят буровой станок, буровой насос (или компрессор), приводные двигатели с трансмиссиями и пусковыми устройствами, средства механизации спускоподъемных операций и пр. К энергетическому оборудованию относятся передвижные электростанции, силовые трансформаторы и пускозащитная аппаратура. По транспортабельности все буровые установки разделяются на разборные (не имеющие собственной транспортной базы и перемещаемые частями), переносные разборные (перемещаемые вручную), передвижные (смонтированные на собственной транспортной базе и перемещаемые буксированием) и самоходные (смонтированные на самоходной транспортной базе). В РФ разработано 3 параметрических ряда буровых установок:

1. Установки для бурения на твердые полезные ископаемые – тип УКБ и СКБ.

2. Установки для бурения гидрогеологических скважин – тип УГБ.

3. Установки для бурения геофизических и структурно-поисковых скважин – тип УРБ.

По типу вращателя разделяют установки: со шпиндельным вращателем (включающим полый шпиндель и зажимной патрон для закрепления ведущей трубы и передачи осевой нагрузки буровому снаряду), с подвижным вращателем (с индивидуальным приводом, передающим осевую нагрузку буровому снаряду и перемещающемуся вдоль оси вращения), с роторным вращателем. (не передающим осевую нагрузку буровому снаряду) Буровые установки шпиндельного ряда предназначены для механического вращательного бурения пород средней и высокой твердости с использованием твердосплавных и алмазных коронок. Для этих установок характерны высокая частота вращения, возможность бурения под любым углом к горизонту. Основной недостаток – небольшая длина хода вращателя (0,5-0,6 м), после чего необходимо перекрепление. Основные типы установок этого ряда: для бурения скважин глубиной до 100 м – БСК и его модификации; до 300 м – УКБ 200/300С; до 600-800 м – СКБ-4, СКБ-5110, СКТО-65.

Буровые установки с роторным вращателем предназначены для бурения структурно-поисковых, гидрогеологических скважин в породах мягких и средних категорий, в основном без отбора керна. Типы установок – УРБ-2,5А, УРБ-3А2 и др.

Установки с подвижным вращателем предназначены, для бурения при скоростных режимах, без подъема буровых труб для извлечения керна, в основном с комплексами ССК, КССК, бурении с гидро- и пневмотранспортом керна. Станки этого ряда на 30-40% более производительны чем шпиндельные. Типы установок – СКБ-300, УКБ-12/25, УРБ-2А2 и др.

В практике геологоразведочных работ наиболее часто используются следующие виды бурения: вращательное колонковое (с отбором керна), вращательное бескерновое (сплошным забоем), ударно-механическое (ударно-канатное) – при поисках и разведке россыпей, шнековое.

Для организации бурения необходимо рассмотрение ряда вопросов, тесно связанных с техникой и технологией процесса бурения. К ним относятся: выбор способа бурения и обоснование конструкции скважины; выбор диаметров бурения, типов породоразрушающего инструмента и обоснование оптимальных технологических режимов; обоснование выбора типа и марки буровой установки, бурового, силового и вспомогательного оборудования; разработка схем организации труда на рабочем месте; обеспечение своевременного и четкого ведения первичной производственной организационно-технологической документации (геолого-технического наряда, бурового журнала, наряд-заданий, лимитно-заборной книжки и др.)

Структура производственного процесса бурения скважин. Основной рабочий процесс – собственно бурение скважины состоит из отдельных рейсов – отрезков рабочего времени, от момента подготовки бурового снаряда к спуску в скважину до окончания подъема снаряда. Баланс рабочего времени – распределение времени бурения скважины по отдельным видам работ и технологическим операциям. Он позволяет анализировать структуру и уровень затрат времени на бурение скважины. В балансе времени по роли или значению в технологической схеме сооружения скважины различают производительные и непроизводительные затраты времени. Производительные затраты времени Т_пр - это время, технически необходимое для бурения скважины, включающее время на: собственно механическое бурение скважины (времени выполнения основной операции – углубки забоя) Т_у; времени спускоподъемных операций Т_спо, суммы времени вспомогательных операций в каждом рейсе Т_всп (перекрепление, наращивание колонны труб, заклинка и срыв керна и др.); времени на крепление, тампонаж скважины и других вспомогательных процессов Т_кр; времени на проведение исследований в скважине Т_ис; времени перевозки, монтаж и демонтаж на каждой скважине на участке работ Т_мдп

Сумма времени всех рассмотренных рабочих процессов составляет производительное время:

Т_пр = Т_у + Т_спо + Т_всп + Т_кр + Т_ис + Т_мдп

Кроме времени выполнения перечисленных процессов, в баланс рабочего времени включаются время на выполнение технического обслуживания и текущего планово-предупредительного ремонта оборудования на участке – Т_рем, а также не планируемые, непроизводительные затраты времени в связи с различными нарушениями производственного процесса.: время простоев по организационным причинам – Т_п , время ликвидации осложнений и аварий в скважине – Т_ла. Суммарное выражение фактического баланса рабочего времени:

Т_брв = Т_пр + Т_рем. + Т_п + Т_ла

При планировании буровых работ и составлении нормального баланса рабочего времени исключают время простоев и ликвидации аварий, свидетельствующее о плохой организации работ, время планово-предупредительных ремонтов определяется по нормативам. По окончании процесса бурения появляется необходимость проведения ряда процессов, сопутствующих бурению. К сопутствующим процессам относят затраты времени на транспортировку буровой установки с базы до участка и обратно, специальное ликвидационное тампонирование, установку на скважине различного оборудования (задвижек, превенторов); геофизические, гидрогеологические испытания и др.

Затраты на эти работы объединяются в понятие забалансовое время – Т_заб Сумма балансового и забалансового времени составляет время пребывания буровой установки на учете в геологической организации (календарное время) – Т_уч = Т_брв + Т_заб

Продолжительность бурения обычно выражают в станко-месяцах бурения, для чего календарное время, выраженное в часах, делят на продолжительность одного станко-месяца в часах (при непрерывной работе станка это в среднем 720 ч) Составление и анализ фактических балансов рабочего времени выполняется ежемесячно по каждой буровой бригаде, участку, буровой партии. При анализе этих материалов выявляют непроизводительные затраты времени, возможности по улучшению организации работ и повышению производительности труда.

Формы организации буровых работ

Формы организации буровых работ зависят от объемов бурения на участке, расстояния от базы организации и других факторов. Для бурения картировочных и поисковых скважин на больших площадях, при небольших объемах бурения и значительных расстояниях между объектами используется комплексная буровая бригада, работающая на одной установке и перебрасываемая с одного объекта на другой. При выполнении оценочных и разведочных работ, когда на объекте выполняется большой объем бурения создают специализированный буровой отряд или партию. В этом случае одновременно работают несколько буровых бригад. Буровая партия выполняет только буровые работы, а обеспечение ее услугами и сопутствующими работами централизованно организуют службы геологической организации. Комплекс сопутствующих работ состоит из:

• материально-технического обслуживания буровых бригад;

• транспортного обслуживания;

• энергетического обслуживания;

• топографо-геодезического и геофизического обслуживания;

• ремонтного обслуживания;

• строительно-монтажного обслуживания;

• технического обслуживания.

Для успешной работы буровой партии, которая часто находится в десятках или сотнях километров от основной базы организации, необходима четко налаженная связь и координация деятельности различных служб. Такая связь осуществляется по радиостанции через производственно-диспетчерскую службу 3-4 раза в день. Эта служба контролирует выполнение планов-графиков бурения и всех сопутствующих работ, в случае возникновения непредвиденных ситуаций организует консультации специалистов производственно-технического и других отделов. Буровая бригада работает на одной буровой установке и состоит из вахт (звеньев), работающих в течение смены. В зависимости от типа буровой установки вахта состоит из машиниста и одного или двух помощников. Режим работы может быть прерывным (5 дневная рабочая неделя с 2 выходными днями) в 1, 2 или 3 смены по 8 часов. При разведке месторождений и больших объемах бурения часто работа буровых бригад организована по непрерывному графику (7 дней в неделю) в 3 смены по 8 часов (с двумя выходными днями у рабочих каждой вахты), или при вахтовом методе в 2 смены по 12 часов. Вахтовый метод используют при значительном удалении объекта работ от экспедиции и невозможности ежесменной доставки работников. В этом случае в бригаду добавляют еще одну подменную вахту и бригада состоит из 4 вахт, состоящих из 2-3 человек. Половина бригады (2 вахты) работают на объекте 15 дней с длительностью смены 12 часов, вторая половина отдыхает в поселке экспедиции, через 15 дней они меняются. Всего при непрерывном режиме работы буровая бригада состоит из 8-12 человек и возглавляется буровым мастером, который организует ее работу. В состав бригады включают также 2 машинистов трактора, 2 вспомогательных рабочих для приготовления промывочного раствора, ремонтных работ.

Документация, необходимая для выполнения буровых работ.

В основе разработки всех документов находятся проект работ на конкретном объекте на определенную стадию и план геологоразведочных работ (масштаба 1: 2000 – 1:10000 при поисках, оценке и разведке) с указанием проектных скважин, их глубины, последовательности бурения. На их основе разрабатываются:

1. Календарный план-график буровых работ на объекте.

2. План строительства буровых площадок, дорог, временных ЛЭП и др.

3. Планы материально-технического обеспечения, транспортного, геофизического и другого обслуживания.

4. График планово-предупредительных ремонтов оборудования.

5. Геолого-технические наряды на бурение скважин.

6. Акты о заложении и ликвидации скважин.

7. Наряд-задания буровым бригадам на месяц или на определенный объем работ.

8. Ежесуточную сводку и ежемесячный акт о выполненных объемах работ.

Кроме того на буровой ведется буровой журнал в котором в течение смены машинист буровой установки делает записи о времени начала и окончания каждой операции, режимных параметрах бурения, категориях пород и количестве пробуренных метров скважины, приеме-передаче смены, указывает состояние бурового снаряда и оборудования. На буровой должны быть журналы: инструктажа по технике безопасности (ТБ), замечаний по ТБ, осмотра оборудования, лимитно-заборная книжка в которой учитываются полученные и израсходованные материалы. В библиотечке бурового мастера необходимо иметь: Единые правила ТБ на буровых работах, сборники единых или местных норм времени, инструкции по уходу за оборудованием, таблицу классификации пород по буримости, типовой проект организации труда буровой бригады на данном типе буровой установки, инструкцию по предупреждению и ликвидации аварий. На буровой должны быть комплект противопожарного инструмента и аптечка.

В организации буровых работ выделяют несколько этапов: подготовительный, организационный, производственный и ликвидационный.

Подготовительный этап. На этом этапе после утверждения проекта разрабатывается геолого-техническая и технико-экономическая документация: календарные графики буровых, строительно-монтажных работ, геолого-технические наряды, наряд-задания и др., производятся расчет и подбор необходимого оборудования и инструмента, укомплектовывают персоналом буровые бригады. Согласовывают и получают разрешения на пользование земельными участками под буровые площадки и лесом на объекте работ. Выбранная буровая установка должна соответствовать условиям работ и обеспечить высокое качество и минимальные затраты на бурение 1 метра скважины.

Организационный этап. Этот этап начинается с доставки буровой установки на объект и заканчивается забуриванием первой скважины. На этом этапе сооружают подъездные пути, площадки для бурения, инженерные коммуникации (линии связи, ЛЭП и др.). Место заложения каждой скважины с геологического плана геодезист выносит и закрепляет репером на местности. Подготовка площадок и дорог производятся с учетом требований по охране окружающей среды и согласуются с землепользователем. Основные из них: соблюдение стандартов при сооружении площадок, снятие, складирование и по окончании работ возвращение на место почвенно-растительного слоя, предотвращение загрязнения почвы и рек нефтепродуктами, химическими реагентами, содержащимися в промывочной жидкости, организация замкнутой системы многократного использования промывочной жидкости. Выполняется транспортировка буровых установок и их монтаж на подготовленных площадках, доставка на место работы буровых труб, инструментов, материалов. Завершается организационный этап проведением собранием коллектива буровой партии, в котором участвуют руководители работ, буровые мастера, рабочие, геолог, экономист. Цель собрания познакомить коллектив с задачами, объемами и сроками работ, основными документами (календарным графиком, геолого-техническими нарядами, наряд-заданиями, расценками и др.), режимом труда и отдыха, бытовыми условиями, системами оплаты труда и премирования.

Производственный этап. Этот этап включает работы на объекте, непосредственно связанные с проходкой скважин, демонтажем, перевозкой на новую точку и монтажем оборудования. После окончания бурения и промывки скважины геофизики выполняют геофизические исследования скважины (ГИС) с помощью специальной каротажной станции. Продолжается сооружение временных дорог, планировка и устройство площадок под буровые. Главная задача организации собственно бурения заключается в максимально возможном увеличении скорости бурения, сокращении срока выполнения работ при условии получения качественной информации и минимальных затратах трудовых, материальных и денежных ресурсов (снижении себестоимости бурения). Этому способствует бурение на рациональных режимных параметрах (частоте вращения бурового снаряда, давлении на забой), выбор наиболее эффективного породоразрушающего инструмента (буровых коронок) и его рациональная отработка, правильная эксплуатация оборудования, контроль за расходом и качеством промывочной жидкости. Определение рациональных режимных параметров осуществляется на основе анализа таких показателей как механическая скорость, длина рейса и себестоимость бурения 1 метра скважины. Исходные данные для анализа берут из первичной документации по ранее пробуренным скважинам. Более современным является использование контрольно-измерительных приборов, компьютеров для оптимизации процесса бурения. Для определения рационального сочетания режимных параметров на новых объектах организуют экспериментальное бурение. Правильная эксплуатация технологического инструмента и соблюдение режимов бурения обеспечит безаварийную работу. Прежде всего это постоянный контроль за износом инструмента, главным образом бурильных труб. Необходимо периодически контролировать диаметр труб и в случае большого износа трубы необходимо снимать ее с эксплуатации. В случае если произошла авария в процессе бурения (оборвалась колонна, прихватило коронку и др.) необходимо составить акт, в котором указываются причины аварии, разработать план по ликвидации аварии с указанием требуемых материально-технических средств. Очень важна организация качественной промывки скважин, выбор соответствующих условиям эффективных типов очистных агентов и их параметров (эмульсий, поверхностно-активных веществ, добавок), которые позволяют снизить вибрацию, трение буровой колонны о стенки скважины, обеспечит нормальный температурный режим работы буровой коронки, что приводит к увеличению скорости бурения, снижению расхода воды и, в целом, к повышению эффективности буровых работ. Организация промывки включает: приготовление промывочной жидкости, контроль за ее качеством, сооружение циркуляционной системы, очистку от шлама. Затраты на промывку в сложных условиях могут достигать 20% от себестоимости 1 метра бурения. Приготовление промывочной жидкости может быть организовано непосредственно на буровой или при больших объемах работ централизовано на базе экспедиции. В этом случае организуется специальная глинистая станция с несколькими глиномешалками и перекачивающими насосами. Постоянный контроль обеспечивает качество приготавливаемого промывочного раствора. Доставка промывочной жидкости до скважин производится автоцистернами. Выбранный вариант надо обосновать технико-экономическим расчетом. Монтаж, демонтаж и перевозка буровой установки осуществляют разными способами в зависимости от типа установки, рельефа местности, наличия дорог. Применяют самоходные буровые установки, смонтированные на шасси автомобиля или трактора; передвижные буровые установки, смонтированные на санях единым блоком и перевозимые трактором; в случае горного рельефа и необходимости бурения глубоких скважин (1000-2000 м) транспортировку осуществляют с частичной или полной разборкой вышки, бурового здания на отдельные более мелкие блоки. В связи с этим затраты времени по нормам варьируют от нескольких часов до нескольких суток. При работе в зимних условиях предусматриваются дополнительные затраты труда и топлива для обогревания бурового здания (т. н. зимнее удорожание). Повышение эффективности буровых работ связано прежде всего с соблюдением технологических режимов бурения, повышением квалификации и трудовой дисциплины буровой бригады, снижения или полного исключения непроизводительных затрат времени на простои, ликвидации аварий, неплановый ремонт оборудования, т. е. совершенствованием организации производства.

Параллельно с процессом бурения скважин геолог документирует полученный керн, размечает интервалы для отбора проб, ведет журнал документации и составляет паспорт скважины, где указывает состав и мощность пород, номера проб и содержания полезных и вредных компонентов. В процессе бурения скважины выполняются также специальные работы и исследования (геофизические, гидрогеологические, инженерно-геологические).

Ликвидационный этап. После окончания работ на объекте необходимо извлечь обсадные трубы, выполнить ликвидационный тампонаж скважин глиной для предотвращения загрязнения подземных водоносных горизонтов, при необходимости зацементировать устье скважины и установить специальный репер с ее номером. Восстановить ранее снятый почвенно-растительный слой, ликвидировать временные сооружения (выгребные ямы, туалеты), отходы производства (буровой шлам, промывочные растворы и др.) Оборудование, инструменты, инвентарь и оставшиеся материалы перевезти на новый объект или на склад экспедиции.

Основные технико-экономические показатели буровых работ

Для планирования, оценки и анализа бурения применяют ряд показателей, совокупность которых дает характеристику технико-экономического уровня проходки скважин в данном районе. Главными из них являются себестоимость бурения, баланс рабочего времени и продолжительность бурения скважин, скорость бурения, расход истирающих материалов (породоразрушающего инструмента) и средняя проходка на долото (коронку), затраты на материалы и энергию (топливо), объем бурения и количество законченных скважин. Эти показатели используются для всесторонней оценки эффективности буровых работ. Различают четыре вида показателей:

- натуральные, характеризующие производительность буровых работ;

- количественные, характеризующие наличие и использование оборудования;

- качественные, прежде всего выполнение геологического задания и др.

- экономические.