книги из ГПНТБ / Сооружение высокодебитных водозаборных и дренажных скважин

при диаметре 150 мм около 35 л/с. Увеличение скорости движения пульпы в трубах до 3 м/с увеличивает ско­ рость выноса породы из забоя и не снижает устойчиво­ сти незакрепленных стенок скважины.

Концентрация пульпы в процессе бурения может из­ меняться в широких пределах: от 2 до 45%. Ее величи­ на определяется диаметром скважины, скоростью буре­ ния и расходом промывочной жидкости. При равных скоростях и диаметрах бурения концентрация пульпы находится в обратной пропорциональной зависимости от расхода промывочной жидкости.

При откачке пульпы центробежным насосом ее объ­ емная концентрация зависит от положения забоя и должна быть не больше 8—13%.

При большой концентрации пульпы неизбежно про­ исходит срыв вакуума, что приводит к вынужденной остановке бурения и засорению шлангов в результате оседания шлама.

Показателем превышения концентрации является резкое уменьшение расхода пульпы, выбрасываемой на­ сосом (эрлифтом). Как только уменьшится расход пульпы, необходимо сразу же выключить ротор и не­ много поднять долото над забоем. После промывки труб и шлангов бурение следует продолжать с разгрузкой давления на забой (с поддержкой бурового снаряда на тормозе).

Шлам из забоя поступает с большими скоростями (от 1,2 до 1,8 м/с при скорости движения промывочной жидкости около 2,5 м/с), поэтому при остановке ротора после забуривания очередной штанги или по окончании бурения скважины нет надобности в продолжительной промывке забоя. Как правило, вода становится чистой (без включений шлама) через 10—50 с, в зависимости от глубины бурения после остановки ротора.

Продолжительная промывка скважины может при­ вести к размыву забоя с образованием каверны. Дли­ тельная промывка при вращающемся инструменте без продвижения забоя недопустима.

Всасывающий способ бурения позволяет сохранить преимущества вращательного бурения, обеспечивающего высокую механическую скорость углубления забоя. При данном способе бурения скважин диаметр не оказывает существенного влияния на скорость проходки рыхлых песчано-глинистых отложений.

71

Скорость бурения зависит от плотности проходимых пород и удельного давления на забой, что определяется конструкцией долота, весом бурового снаряда, а также способом откачки пульпы. Способ откачки пульпы су­ щественно сказывается на скорости проходки песчаных отложений, которая при бурении эрлифтом может в 2 раза превышать скорость при бурении центробежным насосом (25—30 м/ч). Забуривание шестиметровой штанги в этом случае происходит за 12—15 мин. На на­ ращивание штанг с фланцевым соединением затрачи­ вается 15—25 мин, а на ту же операцию с замковым соединением ЗШ-210 — не более 2—4 минут.

Бурение в глинах и в слабых скальных породах, как правило, зависит от удельного давления на забой.

В таблице 7 приведены значения скоростей проходки при бурении пород различной плотности двух- и трехпластиым долотом при удельном давлении на забое от

8 до 20 кг/см2.

При очистке забоя эрлифтом требуется выполнить ряд условий, обеспечивающих оптимальный режим ра­ боты. Для проходки скважин с эрлифтом буровые уста­ новки следует комплектовать компрессорами различной производительности в зависимости от внутреннего диа­ метра бурильных труб. Для труб диаметром 100 мм рас­ ход воздуха должен составлять не менее 4,5 м3/мин, для труб диаметром 150 мм — 6 м3/мин.

Смеситель, как правило, устанавливают непосредст­ венно над долотом. В связи с тем, что он начинает рабо­ тать только при определенной величине погружения (отношение глубины погружения к высоте подъема должно быть не меньше единицы), эрлифтный метод нельзя использовать для забуривания скважины.

Эрлифтную откачку пульпы целесообразно прово­ дить с глубины 6—8 м. Максимальная глубина погру­

72

жения смесителя определяется величиной максимально­ го давления воздуха, вырабатываемого компрессором. Для увеличения возможной глубины погружения смеси­ теля следует предусматривать установку дополнитель­ ных форсунок-смесителей, которые обеспечивают насы­ щение воды воздухом в трубах в начале эрлифтной откачки. Это позволяет откачивать пульпу с глубин, пре­ вышающих технические возможности компрессора при использовании одного смесителя.

С ростом глубины загрузки смесителя повышается производительность эрлифта. При нормальном уровне воды (у устья скважины) оптимальная глубина загруз­ ки должна быть не менее 24 м, что позволяет экономич­ но использовать бурение с подачей сжатого воздуха.

Рекомендации по применению эрлифта для откачки

пульпы даны в таблице 8.

Таблица 8

Характеристика работы эрлифта в зависимости от давления и глубины загрузки смесителя

Эрлифтный способ очистки забоя наиболее прост и достаточно эффективен. Он позволяет вести откачку пульпы с высокой концентрацией взвеси, что предопре­ деляет достаточно высокие скорости бурения скважин.

Изоляция водоносных горизонтов. При бурении сква­ жин роторным способом с обратной промывкой бывают случаи, когда необходимо перекрыть верхний, непродук­ тивный водоносный горизонт. Подобная задача стояла при бурении водопонизительных скважин для Киевского метро, где требовалось перекрыть водоносный горизонт и защитить ствол скважин от обвалов вспучивающих глин.

Эту задачу решали при помощи промежуточной пе­ рекрывающей колонны. В некоторых случаях изоляцию водоносных горизонтов можно проводить при помощи глинистого или цементного тампона (рис. 39).

73

Рис. 39. Схема изоляции верхнего водонос­ ного горизонта при помощи труб или тампонов:

1 — надфнльтровая колонна; 2 — перекрывающая

Колонну спускают в скважину через отверстие в ра­ ме станка при снятом роторе. Для посадки труб диамет­ ром от 600 мм и более нужно увеличить диаметр проход­ ного отверстия в раме станка путем ее реконструкции. У станка УКС-22-РПМ проходное отверстие в раме позволяеет пропускать трубы диаметром до 900 мм.

Документация разреза проходимых пород. При вса­ сывающем способе бурения создаются условия для улуч­ шения геологической документации проходимых пород по сравнению с ударным способом и роторным с прямой промывкой забоя глинистым раствором.

74

Улавливаемая на выбросе пульпа служит хорошим материалом для определения характера и литологиче­ ского состава проходимых пород, поскольку шлам под­ нимается по штангам со скоростью, достигающей 2,5 м/с. При таких скоростях песчано-гравийные и глинистые ча­ стицы, определяющие фильтрационные свойства водо­ носных пород, поднимаются наверх без расслоения; толь­ ко крупные комки и куски породы могут отслаиваться из общего потока шлама.

Истинную пробу водоносных пород можно получить при отводе пульпы в ковш. Но следует иметь в виду, что с потерей скорости пульпы на выбросе происходит фрак­ ционирование шлама в зависимости от веса отдельных

которого отбирают пробы всех фракций для выполнения ситового анализа.

Пробы, отбираемые в процессе бурения, достаточно точно привязаны к разрезу по глубине скважины. При небольших глубинах расположения забоя ошибки в оп­ ределении ординаты отбора пробы, связанные со време­ нем транспорта образца породы от забоя до отборника, ничтожно малы, поскольку это время измеряется секун­ дами, в течение которых забой продвигается всего на не­ сколько сантиметров.

По мере углубления забоя эти ошибки возрастают и, чтобы их исключить, следует к фактической глубине скважины !г иа момент отбора очередной пробы вводить поправку, вычисляемую по формуле:

где Hg — скорость бурения;

От — скорость гидротранспорта шлама; L — длина отсасывающей системы;

L= /+ /T;

I — длина шлангов; /т — длина штанг.

75

Тогдаглубина взятия образца породы в разрезе с учетом поправки на время гидротранспорта определится так:

бы к разрезу без учета поправки тем выше, чем меньше глубина отбора пробы, чем меньше скорость бурения и чем больше скорость подъема шлама.

Точность определения литологических границ геоло­ гического образца при бурении всасывающим методом/ полностью определяется частотой, с которой ведется контроль выносимой породы, II скоростью бурения. Чем реже отбирают пробы шлама и чем выше скорость бу­ рения, тем больше возможность ошибки в определении литологических границ.

При одинаковой частоте контроля в связи с различи­ ем пород возможная ошибка в определении границы между песчаными отложениями и глинами (известняки, доломиты, песчаники) меньше ошибки в определении ли­ тологических границ песчаных отложений. Граница меж­ ду песками и глиной (известняки, песчаники, доломиты) хорошо видна по заметному снижению скорости буре­ ния и нередко по изменению цвета пульпы. Происходя­ щие во время бурения изменения в разрезе скважины может обнаружить и буровой мастер (достаточно опыт­ ный).

Чем меньше скорость бурения, больше скорость подъ­ ема шлама и чаще ведется отбор проб, тем точнее мо­ жет быть составлена документация скважины.

В обязанности коллектора, помимо отбора образцов породы, входят замеры расхода пульпы и скорости буре­ ния. Эти данные требуются1 для уточнения геологиче­ ского разреза при камеральной обработке материалов бурения. Предполагается, что все необходимые замеры и отбор проб коллектор выполняет с помощью буровой бригады.

Для упрощения наблюдений за скоростью бурения и положением забоя штанга-квадрат должна быть разме­ чена через 0,1—0,2 м.

Неполадки, возникающие при бурении, и способы их устранения. При бурении скважин роторным способом с обратной промывкой могут возникнуть различные непо­ ладки, без устранений которых дальнейший процесс бу­ рения становится невозможным.

76

Наибольшие трудности возникают при вакуумной за­ рядке системы. Успешная работа системы обеспечивает­ ся плотностью соединения колонны, квадрата, вертлюгасальника, шлангов, соединяющих бурильную колонну с вакуумным и центробежными насосами. Малейшие не­ плотности соединений приводят к потере вакуума и раз­ рыву струи.

При откачке пульпы эрлифтом тоже требуется герме­ тизация системы воздухоподающих труб и шлангов, од­ нако незначительные потери воздуха через неплотные соединения не влияют в такой мере на процесс бурения, как подсос воздуха при вакуумной системе.

Для большинства установок бурильные штанги со­ бирают в колонну на фланцах с резиновыми прокладка­ ми. При разрыве прокладок герметизация водоподъем­ ной колонны нарушается, и тогда воздух выбрасывается в незакрепленный ствол скважины. Появление пузырь­ ков воздуха в воде устья скважины подтверждает раз­ рыв прокладок, замену которых проводят при подъеме бурильной колонны.

В процесс бурения бывают случаи выхода воздуха без выброса воды и породы по шлангам. Это свидетель­ ствует о засорении входного отверстия долота породой. Для ликвидации такого явления необходимо прекратить подачу воздуха, поднять колонну над забоем на высоту 1—2 м, прокрутить ее ротором при постукивании по ко­ лонне молотом. Если это не приведет к положительному результату, нужно применить другие способы.

В некоторых случаях засорение всасывающего отвер­ стия долота породой успешно ликвидируется прямой про­ мывкой бурильной колонны от установленного на агре­ гате центробежного насоса С-245.

Входное отверстие долота иногда заклинивается ва­ лунами. Для устранения их следует поднять буровую ко­ лонну на поверхность и освободить отверстие. В связи с этим часто рекомендуемая раструбная форма входного отверстия долота не рациональна. Размер входного от­ верстия должен быть равным или несколько меньше про­ ходного отверстия штанг.

Заклинивание колонны породой происходит в тех случаях, когда воздухоподающая колонна находится внутри водоподъемной, и наиболее часто наблюдается на изгибе колена вертлюга сальника. Ликвидировать закли­ нивание можно путем пульсирующей подачи воздуха от

77

Г Л А В А IV

УСТРОЙСТВО ФИЛЬТРОВ С КОНТУРОМ ГРАВИЙНОЙ ОБСЫПКИ

В настоящее время большинство скважин, соору­ жаемых роторными станками с обратной промывкой чи­ стой водой, каптирует водоносные горизонты, приурочен­ ные к рыхлым песчано-глинистым образованиям.

Методика подбора фильтров скважин в этих услови­ ях достаточно хорошо исследована. Однако специфика сооружения, освоения и оборудования скважин большо­ го диаметра потребовала проведения дополнительных проработок для получения максимальных расходов сква­ жин при незначительных гидравлических потерях на фильтрах и в прифильтровых зонах. Наилучшими пара­ метрами характеризуются фильтры гравийного типа. Поэтому в данном разделе рассмотрены основные прин­ ципы устройства гравийных фильтров в скважинах боль­ шого диаметра.

Подбор каркаса гравийного фильтра. При выборе каркасов для фильтров наряду с обеспечением незначи­ тельных сопротивлений в начальный период эксплуата­ ции следует выполнять условие сохранения устойчивой работы скважин во времени при развитии процессов хи­ мического и механического кольматажа, а также в связи с коррозией водоприемной части скважин. Этим требобованиям удовлетворяют указания по применению раз­ личных типов и конструкций фильтров, сформулирован­ ные в СН-325-65.

Однако, ввиду того что в ближайшие годы наиболь­ шее распространение получит роторное бурение с обрат­ ной промывкой, при сооружении скважин глубиной до 150—200 м конструкции каркасов фильтров для этих це­ лей должны быть унифицированы.

Однозначное решение вопроса о наиболее предпочти­

учетом контактных потерь напора, которые определя­ ются особенностями водоприемной поверхности каркаса и контактирующего слоя гравия. Детальные исследова­ ния гидравлических потерь на контакте фильтр — поро­

79