книги из ГПНТБ / Булнаев И.Б. Техника и технология отбора проб при разведочном бурении

Экономическая эффективность метода бороздового опробования стенок скважин на месторождении Кайенское

Средняя фактическая производительность подземного бурения на месторождении Кайенское

Сравнительно низкая производительность алмазного буре­ ния связана с ограничениями режима бурения и длины рейса из-за трещиноватости пород.

Ударно-вращательное бурение на данном месторождении ха­ рактеризуется не только высокой производительностью, но и экономической эффективностью, что видно из табл. 36.

Таким образом, применение ударно-вращательного бурения сплошным забоем с отбором проб по рудоносным горизонтам со стенок скважин позволяет не только повысить точность иссле­ дования полезного ископаемого, но и получить значительный эко­ номический эффект.

При средней производительности пробоотбора (по рудонос­ ным породам VII— IX категорий) 15 м в смену (2,5 м/ч с уче­ том времени на спуско-подъем снаряда) затраты на бороздовое опробование 1,0 м скважины составили в среднем 2,0 руб. Сле­ довательно, общие затраты на проходку и опробование 1,0 м ру­ доносных пород на месторождении составят 2,0 + 5,68 = 7,68 руб.

Если теперь принять во внимание, что около 20% объема под­ земного бурения приходится на рудоносные породы, которые

130

Т а б л и ц а 36

Фактические расходы на бурение 1 м скважин из подземных горных выработок различными способами бурения

подлежат исследованию, то стоимость бурения и бороздового опробования 1 м скважины составит в среднем 6 руб. 08 коп. Тог­ да при общем объеме годового бурения подземных скважин на предприятии 5 тыс. м экономия по сравнению с вращательным

Экономия, получаемая при переходе с вращательного на ударно-вращательное бурение сплошным забоем и бороздовое опробование стенок скважин

Из приведенных данных видно, что бороздовое опробование стенок скважин в сочетании с высокопроизводительным ударно­ вращательным способом бурения сплошным забоем является одним из действенных способов повышения эффективности раз­ ведки месторождений полезных ископаемых, особенно когда вра­ щательное бурение не дает нужного результата из-за сильного разрушения керна при проходке слабых, хрупких, трещиноватых пород и полезных ископаемых,

Va 5* 131

Выводы

1. Породы или полезные ископаемые, расположенные вокруг ствола скважины, особенно в призабойной ее части (па участке работы колонкового снаряда), разрушаются при бурении намно­ го меньше, чем керн, полученный с этого же участка. Поэтому со стенок данного участка скважины можно отбирать достоверные пробы даже из мягких, хрупких, трещиноватых и переслаиваю­ щихся пород и полезных ископаемых, дающих некачественный керн при колонковом бурении.

2. Цилиндрическая форма стенок скважин позволяет отби­ вать борозды выдержанных форм и размеров независимо от фи­ зико-механических свойств опробуемых пород и руд, что при полном улавливании материала обеспечивает получение досто­ верных проб.

3. Сравнительно крупный (до 30—40 мм) кусковатый мате­ риал, получаемый со стенок скважин, может использоваться не только для опробования, но и для геологической документации

иисследований физико-механических свойств пород и руд.

4.Предложенные вибрационные пробоотборники безотказны, надежны в работе и могут успешно применяться для отбора бо­ роздовых порб со стенок скважин, пройденных в породах и ру­ дах до XI категории по буримости и с применением различных промывочных агентов (воды, глинистого раствора и сжатого воздуха).

5.Способ бороздового опробования путем отбора проб со стенок скважин позволяет повысить не только качество иссле­ дования полезного ископаемого, но и экономическую эффектив­ ность буровых работ путем широкого применения высокопроиз­ водительного бескернового ударно-вращательного бурения.

Данный способ исследования полезных ископаемых в комби­ нации с геофизическими методами найдет широкое практиче­ ское применение в ближайшем будущем.

Р А З Р А Б О Т К А М Е Т О Д И К И И Т Е Х Н И К И О Т БО РА К А Ч Е С Т В Е Н Н Ы Х П Р О Б

ИЗ Ш Л А М А П Р И Р А З В Е Д О Ч Н О М Б У Р Е Н И И

При колонковом разведочном бурении для геологической до­ кументации и опробования пород и руд используется в основ­ ном керн. Шлам, образующийся при бурении, хотя и имеет та­ кой же состав, что и керн, но представлен измельченным мате­ риалом, что затрудняет получение качественных проб. Отсутст­ вие разработанной методики, а также технических средств не позволяет улавливать полностью шлам, рбразующийся в про­ цессе бурения. Значительная часть материала, представленная

1Э2

чаще тонкой фракцией, безвозвратно теряется. При этом про­ исходит не только количественное, но часто и качественное из­ менение материала шлама, так как промывочной жидкостью уносятся обычно частицы небольшого размера и с малым удель­ ным весом. В результате шлам обогащается или разубвжива­ ется в зависимости от характера и свойств рудного и вме­ щающего материалов [19, 20].

Значительное изменение состава шлама может произойти изза осыпания в процессе бурения материала со стенок скважин, расположенных выше рудного интервала. По наблюдениям М. А. Шнбакова, на Алмалыкском медном месторождении шлам из богатой зоны окисленных руд обеднялся на 47% за счет осы­ пания вышележащих вмещающих пород, а шлам из бедных сульфидных руд, наоборот, обогащался на 44% за счет богатых халькозиновых руд.

Таким образом, шламовые пробы, отобранные по рудным те­ лам без изоляции вышележащих горизонтов, могут оказаться недостоверными и неточно характеризовать разведуемое полез­ ное ископаемое.

Ряд исследователей [36, 55] считают, что шламовые пробы вообще неполноценны, потому что по ним невозможно провести комплекс исследований для установления физических свойств и строения рудного тела. По указанным выше причинам мнения исследователей об использовании шлама для характеристики по­

росу о сборе шлама. Некоторые геологи считают, что пробы, взя­ тые из шлама, лишь вводят в заблуждение н что собирать их бесполезно». П. В. Полежаев [55] замечает, что «...шламовые пробы имеют ценность лишь как вспомогательный матепчал для

и наличии избирательного разрушения его в процессе бурения. В руководстве по методам поисков и разведки полезных иско­ паемых указывается, что опробование рудного шлама необхо­ димо производить при выходе керна менее 60—85%, но иногда рекомендуется опробование шлама и при более высоком про­ центе выхода керна, особенно когда наблюдается избирательное

И. Д. Чумаков L72], основываясь на большом фактическом материале, доказал, что для полиметаллических месторождений типа Карамазара шламовые пробы, отбираемые со стенок сква­ жин, значительно представительнее керновых, подвергнутых при бурении избирательному разрушению. Им рекомендуется для отдельных месторождений бескерновое бурение разведочных скважин с опробованием рудного тела по шламу.

М. А. Шибаков на основе исследований на Кальмыклрском медно-порфировом месторождении рекомендует устанавливать надобность в опробовании шлама в зависимости от величины процентного соотношения количества керна и шлама.

Приведенные данные говорят о том, что в вопросах опробо­ вания полезных ископаемых по буровому шламу еще нет еди­ ного мнения, хотя исследования в этом направлении прово­ дятся.

На наш взгляд, такая противоречивость взглядов на опробо­ вание шлама связана со следующими обстоятельствами.

Буровой шлам не принят в практике разведочного бурения как материал, равноценный по значению керну, и потому по ре­ зультатам исследования шлама не производится подсчет запа­ сов. Шлам используется как вспомогательный материал для ха­ рактеристики полезного ископаемого.

Так, например, в «Методических указаниях по производству геологоразведочных работ» отмечается необходимость опробо­ вания шлама при выходе керна менее 70%, но здесь же ре­ зультаты этого опробования объявляются ненадежными и реко­ мендуется исключать соответствующие интервалы скважин из подсчета запасов.

По указанным причинам исследования в данной области про­ водятся в ограниченных масштабах, из-за чего возникают труд­ ности в разработке рекомендаций применительно к различным видам полезных ископаемых и условиям бурения скважин.

В силу этого до настоящего времени не решена проблема полного улавливания шлама, образующегося при бурении сква­ жин.

Настало время' изменить взгляды на буровой шлам. Опыт опробования медно-порфировых руд на месторождениях Алма­ лыка и Коунрада еще в 30-х годах показал возможность дос­ таточно точной оценки месторождения по шламу при низком выходе керна. Об этом же говорят результаты исследований бо­ лее позднего периода.

Работы по улавливанию и опробованию рудного шлама в Северной Родезии, Канаде и США также дали положительные результаты. Так, на одном из медных рудников Аризоны [36] метод отбора шлама дал очень точные результаты опробования, несмотря на низкий (50%) выход керна. Последующая провер­ ка данных опробования при проходке горных выработок пока­ зала, что расхождения составили 0,005% для углекислых и 0,05% для сульфидных руд.

В настоящее время при разведке месторождений бурением основной упор делается на получение представительных керно­ вых проб, что является часто весьма сложной проблемой, на ре­ шение которой затрачивается много времени и средств, иногда без ощутимых результатов. Поэтому на отдельных месторожде­ ниях, особенно в стадии детальной разведки, можно перейти

134

полностью на бескериовое бурение с опробованием полезного ископаемого только по шламу. Нет сомнения, что при наличии хорошо разработанной методики и совершенного улавливающего приспособления при минимальных затратах времени и средств можно отобрать весь шлам, образующийся при бурении, и полу­ чить представительные пробы.

П. В. Полежаев [54] отмечает, что «...шламовые пробы не­ полноценны потому, что они еще в большей степени, чем керн, подвержены разубоживанню или обогащению из-за неравномер­ ности истирания отдельных минералов, попадания в шлам ма­ териала из вышележащих вмещающих пород». С этим голсженнем нельзя не согласиться для случая, когда шлам улавлива­ ется по устаревшей методике и с применением несовершенного оборудования.

Исследования показывают, что при условии улавливания шлама в призабойной части скважины с применением обратной призабойной циркуляции промывочной жидкости шлам удаля­ ется с забоя сразу же после его образования и улавливается полностью в специальных уловителях. Наоборот, керн, находя­ щийся в колонковой трубе, в течение всего рейса подвергается истиранию, размыванию и раздроблению под действием потока промывочной жидкости и бурового снаряда. Поэтому в породах или рудах, подверженных при бурении избирательному разру­ шению, проще получить достоверные шламовые пробы, чем кер­ новые.

Для получения представительных шламовых проб при раз­ ведочном бурении необходимо соблюдать следующие условия.

1 . Улавливание шлама нужно производить в призабойной ча­ сти скважины, чтобы исключить изменение его минералогиче­ ского и фракционного состава при транспортировке на поверх­ ность.

2 . Изолировать призабойную часть скважины с помощью спе­ циального устройства, предупреждающего попадание в улавли­ ваемый шлам постороннего материала из вышележащих горизон­ тов.

3.Обеспечить принудительное осаждение мельчайших части­ чек шлама (мути) с помощью специальных уловителей, вклю­ ченных в состав колонкового снаряда.

4.Не применять промывочную жидкость, обработанную реа­ гентами-пенообразователями, способными флотировать частицы рудного шлама. Наилучшие результаты могут быть получены при промывке скважины водой или продувке сжатым воздухом.

5.Не использовать антивибрационные смазки, так как ча­

стицы шлама могут теряться из пробы, прилипая к трубам.

6 . Обеспечить минимальное сечение канала, через который будет транспортироваться шлам от забоя до уловителей. При прямой промывке скважины это достигается за счет правиль­ ного подбора наружных диаметров породоразрушающего иист-

5* 135

румента и бурильных труб. Разница между ними должна быть минимальной. В противном случае для подъема шлама до шламоуловителей необходимо подавать в скважину повышенное ко­ личество промывочной жидкости, что будет способствовать раз­ мыванию керна и стенок скважины и внесению в шлам ино­ родного материала.

При обратной призабойной циркуляции жидкости необходи­ мо применить плавающую шламовую трубу, располагаемую внутри колонковой трубы.

7. Исключить уход промывочной жидкости в окружающие породы, особенно в призабойной части скважины, так как в про­ тивном случае будет уноситься часть образуемого шлама.

8 . Подавать в скважину хорошо очищенную от шлама про­ мывочную жидкость, чтобы исключить прпвпос постороннего ма­ териала.

Соблюдая указанные условия, можно уловить весь образуе­ мый при бурении шлам и отобрать представительные пробы.

Широкое применение скважинной геофизики в комбинации с опробованием шлама позволит перейти на высокопроизводитель­ ный бескерновый способ бурения разведочных скважин. Это даст возможность в 2 — 3 раза повысить производительность бу­ ровых работ при более точной оценке (по сравнению с керно­ вым бурением) разведуемых полезных ископаемых.

С П О С О Б Ы Т Р А Н С П О Р Т И Р О В К И И У Л А В Л И В А Н И Я Б У Р О В О Г О Ш Л А М А

В практике разведочного бурения применяются в основном три способа улавливания шлама.

1. На поверхности, в специальных шламоуловителях (в желобной системе, гидро- и турбоциклонах).

2. В призабойной части скважины-— в шламовых трубах. 3. Комбинацией названных методов.

Улавливание шлама на поверхности находит широкое при­ менение в бурении. Это связано с возможностью сравнительно полного осаждения поднятого из скважины бурового шлама путем использования, хотя и громоздких, но эффективных средств, таких как турбо- и гидроциклоны.

При улавливании шлама на поверхности применяются в ос­ новном прямой способ промывки скважины, который отли­ чается простотой и не требует дополнительных приспособлений и специальных технологических приемов. Но данный способ обладает и рядом крупных недостатков, которые отрицательно сказываются на количестве и качестве получаемого материала.

К числу основных недостатков следует отнести.

1 . Потери значительного количества шлама в проце транспортировки на поверхность из-за ухода его в трещины,

136

поры, налипания на стенки скважины, оседания в кавернах

ит. д.

2.Засорение шлама посторонним материалом, поступаю­ щим из окружающих скважину пород.

3.Изменение фракционного состава шлама из-за измельче­ ния его вращающимися колонковым снарядом и бурильными трубами в процессе транспортировки на поверхность.

4.Качественное изменение состава шлама из-за дифферен­ циации частиц по удельным весам и потери в скважине наи­ более тяжелых компонентов.

Т а б л и ц а 38

Влияние вида промывочного агента на количество улавливаемого шлама

Итого —

137

5. Снижение достоверности отбираемых проб в результа отставания шлама от процесса углубкп скважины при тран­ спортировке его на поверхность.

Все эти недостатки особенно сильно проявляются при бу­ рении глубоких скважин в слабых и трещиноватых породах, подверженных в процессе бурения кавернообразованню.

Имеется возможность транспортировки шлама па поверх­ ность через бурильные трубы путем применения обратной про­ мывки.

При этом устраняются недостатки прямой промывки, но данный способ транспортировки находит на практике ограни­ ченное применение.

Улавливание шлама в призабойной части скважины также находит широкое применение в практике бурения. При этом шлам осаждается в шламосборниках непосредственно на забое скважины без транспортировки на расстояние, что позволяет устранить недостатки, характерные для предыдущих способов. Но и в этом случае шлам улавливается неполностью из-за не­ эффективности существующих конструкций шламоуловителей (шламовых труб). Отсадка шлама в них происходит в основ­ ном под действием гравитационных сил, и потому избирательно улавливаются наиболее крупные и тяжелые частицы, а мелкие уносятся промывочной жидкостью и теряются в пути пли пере­ ходят в раствор.

О полноте улавливания и качестве шлама, получаемого раз­ личными способами, говорят результаты лабораторных и про­ изводственных исследований, приведенные в табл. 38. Они показывают, что существующие способы и технические средст­ ва несовершенны и потому пе позволяют получить достоверные шламовые пробы при разведке полезных ископаемых.

В Л И Я Н И Е В И Д А П Р О М Ы В О Ч Н О Г О А Г Е Н Т А И И З М Е Л Ь Ч Е Н И Я Ш Л А М А П Р И Т Р А Н С П О Р Т И Р О В К Е

НА П О Л Н О Т У У Л А В Л И В А Н И Я

В практике бурения применяется в основном три вида про­ мывочного агента: вода, глинистый раствор и воздух (газ).

Эффективность улавливания шлама при бурении в значи­ тельной степени зависит от вида применяемого промывочного агента. При продувке скважины сжатым воздухом (газом) эта проблема решается сравнительно просто из-за полноты выноса и легкости осаждения частичек шлама в улавливающих приспо­ соблениях.

Исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, показывают, что при бурении с продувкой в сухих скважинах удается поднять с забоя и уловить до 90— 100% образуемого

138

шлама [54]. Только в сильно трещиноватых породах некоторая

50 раз большей, чем при промывке. В результате время пребы­ вания частичек в скважине резко уменьшается, что позволяет: по осаждаемому в уловителях шламу следить за проходимыми породами и с достаточной точностью устанавливать литологи­ ческие контакты, получать шлам чистый, без примесей, избе­ жать сильного измельчения шлама буровым снарядом при транспортировке его на поверхность. Все это дает возможность опробовать твердые полезные ископаемые почти с такой же достоверностью, как и в горных выработках.

Об успешном опробовании марганцевых и медных руд по шламу при бескерновом бурении с продувкой скважины сжа­ тым воздухом говорят результаты, полученные на месторожде­ ниях Имини и Ирхерм1. Рудный шлам, уловленный в специаль­ ном циклонном шламоуловителе, позволил не только достаточ­ но точно установить мощность рудных тел, но и содержание полезного компонента в них. Заверка данных разведочного бурения горными выработками показала, что ошибка в опре­ делении содержания полезного компонента в руде не превы­ шает нескольких тысячных процента, а в определении мощно­ сти — нескольких сантиметров. Но подобные положительные результаты могут быть получены в необводненных, сухих сква­ жинах небольшой глубины (до 200 м). Просачивание в сква­ жину даже небольшого количества воды приводит к налипа­ нию шлама к стенкам скважины, буровому снаряду и ухудше­ нию транспортировки'его на поверхность. Поэтому бурение скважин с продувкой сжатым воздухом и с опробованием руд по шламу возможно лишь в ограниченных случаях.

Значительно труднее решить проблему получения предста­ вительных шламовых проб при бурении скважин с промывкой водой и особенно глинистым раствором. Глинистый раствор, имеющий широкое применение в практике бурения, плохо от­

проведены лабораторные исследования по следующей методике: в скважину на глубину 1 2 м была спущена колонна обсадных труб диаметром 108 мм. Низ колонны был герметично закрыт металлической пробкой. К пробке соосно с трубой приварен цилиндр диаметром 73 мм, длиной 0,8 м, который при опытах

' П е р р о К. Разведочное бурение с очисткой забоя сжатым воздухом. ОНТИ ВИМС, вып. 15, 1959.

139