14.2. Бурение скважин с применением газожидкостных смесей

Весьма эффективным способом очистки забоя скважины от шлама является очистка с помощью газожидкостных смесей (пен). По сравнению с промывочными жидкостями пены обладают рядом дос­тоинств, способствующих повышению механической скорости бурения. Их широко используют при бурении мерзлых, трещиноватых, набу­хающих горных пород.

Буровое оборудование и инструмент

В практике бурения пены получают в основном по трем схемам. Первую схему (рис. 14.8, а) применяют при бурении неглубоких скважин, в которых давление на нагнетание пены составляет не более 0,7 МПа. Нагнетательная система представлена компрессором, емкостью 3 с крышкой 2, смесителем 10 системой трубопроводов 7 с вентилями 4, 5,8,9м 11.

В процессе бурения открывают вентили 5, 4 и 8. В смеситель 10 одновременно поступает воздух (через вентиль 8) и раствор ПАВ (из емкости 3), который выдавливается воздухом, через вентиль 4. Переме­шиваемая в смесителе газожидкостная смесь направляется через бу­рильные трубы в скважину.

Для предотвращения попадания пены в компрессор устанавлива­ют обратный клапан 6. Расход раствора ПАВ (8-10 л/мин) регулируют вентилем 9, расход пены (1,2-1,8 м³/мин), продавливаемой в скважину, -вентилем сброса 11. Давление в магистрали определяют по монометру 1.

Вторую схему (рис. 14.8, б) применяют при бурении глубоких скважин при давлении в нагнетательной линии до 6,3 МПа. Для полу­чения пены с повышенным давлением в магистраль включают пеногенератор с буровым насосом 3 и компрессорно-дожимным устройством 2 (УКД-Н-У-2), имеющим следующие технические характеристики:

Максимальное давление, МПа 6,3 Габариты:

Степень аэрации 1-300 длина 1 100

Ресурс работы, ч 3 000 ширина 690

Масса, кг 160 высота 1 000

Рис. 14.8. Схема обвязки устья скважины для бурения с пеной

В процессе бурения в дожимное устройство 2 одновременно по­ступает воздух от компрессора и раствор ПАВ, закачиваемый насосом 3 из емкости 4. Получаемая газожидкостная смесь через нагнетательный шланг 10 закачивается в скважину 11. Расход и давление регулируют вентилями 8 и 9

При бурении глубоких скважин много времени затрачивается на, нагнетание пены соответствующего давления после спускоподъемных, операций.

Для снижения этих затрат в нагнетательную магистраль включают накопитель (емкость для накопления пены необходимого давления).

При спускоподъемных операциях, когда подача пены в скважину прекращается, вентиль 8 закрывают, а вентили 6, 7 открывают и пена поступает в накопитель. После достижения нужного давления компрессор 1 насос 3 отключают до конца спускоподъемных операций. Накопитель снабжен предохранительным клапаном 5, отрегулированным на давление 1,2 МПа, и манометром.

После окончания спуска снаряда в скважину открывают вентиль; включают насос и компрессор. В скважину подается пена как из дожимного устройства, так и из накопителя. После восстановления циркуляции пены накопитель отключают.

Разрушение пены, поступающей в скважину, производят с помощью эжектора.

В Красноярском ПГО применяют усовершенствованный пеногенератор, представляющий собой трехплунжерный буровой насос, в котором два всасывающих и нагнетательных клапана заглушены, а к напорной полости гидроблока подсоединен воздушный коллектор, соединенный шлангом с компрессором. С помощью одного всасывающего одного нагнетательного клапанов насос нагнетает в напорную полость гидроблока раствор ПАВ, а компрессор через воздушный коллектор воздух. Образованная газожидкостная смесь продавливается через нагнетательный шланг в буровой снаряд и далее на забой.

Гашение поступившей из скважины пены производят с помощью специальных пеногасителей, основанных на разряжении воздуха приборе.

С целью предупреждения выброса пены в момент прекращени ее циркуляции в состав бурильной колонны длиной более 200 м включают два обратных клапана - один у устья скважины, другой над забойным снарядом. При глубине скважины свыше 1 000 м рекомендуете включать третий клапан - посередине колонны. Для сбрасывания давления на поверхности в системе манифольда встраивают регулировочный кран. Над устьем скважины устанавливают герметизатор.

Наибольший эффект с применением пен достигают при бурении комплексами со съемными керноприемниками.

Для сбрасывания пены из бурильной колонны перед подъемом снаряда и ее нагнетания в бурильную колонну после спуска снаряда требуется значительное время, особенно при большой глубине скважины.

В Норильской ГРЭ была разработана шлюзовая камера, позво­ляющая не сбрасывать пену и сохранять ее давление в бурильной колонне в процессе спускоподъемных операций.

Шлюзовая камера - это верхний небольших размеров участок бурильных труб ССK, отделенный от остальной колонны обратным клапаном, а от атмосферы герметизатором. При подъеме керноприемника герметизатор снимают и пену из шлюзовой камеры сбрасывают, но об­ратный клапан камеры предотвращает сброс давления в остальной части бурильной колонны. При спуске керноприемника последний опускают в шлюзовую камеру, на обсадную колонну устанавливают герметизатор и через специальный штуцер в шлюзовую камеру нагнетают пену до нужного давления, и после этого керноприемник спускают на забой

.

Технологические режимы бурения

Параметры режимов алмазного бурения с применением пены приведены в табл. 14.1.

Таблица 14.1

Категории	Типы коронок	Зернистость объем­ных алмазов, шт/кар	Осевая нагрузка, даН	Частота вра­щения n, об/с
VI-VII	О4АЗ	10-30	500-1 000	6,7-11,7
VIII-IX	05АЗ	20-30		8,3-20,0
	01А4	40-50 -	600-1 100
X-XI	02ИЗ	120-150	1 100-1 450	13,3 28,3
	02И4
XII	02ИЗ	150-400	1 600-2 100	10,0-16,7
	02И4
	02И5

При бурении монолитных и слаботрещиноватых пород степень аэрации пены, получаемой при расходе воздуха 0,7-1,8 м³/мин и расхо­де раствора ПАВ 12-16 л/мин, = 50-100, при бурении сильнотрещиноватых пород = 100-200 при расходе воздуха 0,8-1,0 м³/мин и расходе раствора ПАВ 5-10 л/мин. Давление пены при глубине до 600 м состав­ляет 2,0 - 2,5 МПа, при интенсивных водопритоках - до 3,5 МПа. Для снижения давления при бурении импрегнированными коронками сте­пень аэрации повышают до 60-75, увеличив расход ПАВ до 12-16 л/мин.

Для повышения устойчивости пены в раствор ПАВ добавляют стабилизаторы (КМЦ и др.). При бурении в мерзлых породах для сни­жения температуры замерзания пены в раствор добавляют антифризы (этиленгликоль, изопропиловый спирт), поваренную соль или хлори­стый кальций.

Используют пены при различных буровых снарядах и породоразрушающих инструментах, в том числе в пневмоударниках, и при бескерновом бурении.

Бескерновое бурение с применением пены осуществляю шарошечными долотами ДД-76 при частоте вращения 231-288 об/мин, осевой нагрузке 2-3 кН, расходе воздуха 0,03—0,033 м³/с, расходе ПАВ 0,13 10^-3 - 0,16 10^-3 м³/с и давлении нагнетания 0,5-2,5 МПа.

Пневмоударниками можно бурить и в обводненных скважинах глубиной до 150 м. Расход газожидкостной смеси для бурения пневмоударниками составит 0,13 • 10^-3 м³/с при давлении 2,5 МПа. п

Применение продувки сжатым воздухом в благоприятных условиях (при отсутствии водопритоков в скважину, наличии достаточна мощного компрессора и необходимого бурового оборудования) позволяет резко повышать (в 2-3 раза) механическую скорость и производительность бурения и улучшать качество опробования скважин. Поэтому при проектировании буровых работ в благоприятных условиях следуй отдавать приоритет данному способу очистки скважин.

Так как большую часть территории России занимают горные породы, насыщенные подземными водами, использование сжатого воздуха в качестве очистного агента имеет ограниченное распространение. В геологоразведочных экспедициях (в основном в северных районах страны) более широкое распространение в качестве очистного агента получили газожидкостные смеси (пены). Эффективность их использования; также высока, благодаря невысокой плотности, высокой закупоривайющей способности, повышенной несущей способности, низкой водоотдачей, низкой теплоемкости и теплопроводности, антифрикционны свойствам. Их с успехом применяют в сложных геологических условии, (при бурении трещиноватых, мерзлых, набухающих пород, в случая поглащений промывочных жидкостей). Пены можно использовать при любых способах как вращательного, так и (реже) ударно-вращательног бурения.

Однако, несмотря на высокую эффективность, вследствие более сложной технологии приготовления и использования пен они еще не получили широкого распространения. Необходимо вести дальнейшую активную работу по совершенствованию и более широкому внедрений этого способа очистки скважин.