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

выполняет' функции столбика керна. В трубу засыпался шлам

твердосплавными коронками. Для имитации рудных частиц в предварительно очищенный от металла породный шлам добав­ лялся в небольшом количестве порошкообразный чугун.

После уплотнения шлама в кольцевом зазоре между метал­ лическим цилиндром и обсадными трубами имитировалось бу­ рение снарядом с диаметром 89 мм с открытой шламовой тру­ бой при скорости подачи (углубки) 1,5—2,0 см/мин. При этом уплотненный шлам постепенно размывался потоком промывоч­ ной жидкости, не приходя в контакт с породоразрушающим ин­ струментом, что исключало дополнительное измельчение его коронкой.

Процесс «бурения» осуществлялся при следующих режи­ мах: скорость вращения снаряда 182 об/мин, количество про­ мывочной жидкости 50 л/мин. При подаче указанного количе­ ства жидкости в кольцевых зазорах между колонковым снаря­ дом и обсадными трубами, а также между бурильными и об­ садными трубами обеспечивалась скорость восходящего потока соответственно 0,53 и 0,14 м/с.

В конце опыта количество промывочной жидкости увеличи­ валось в 1,5— 2,0 раза для подъема с забоя оставшегося шлама.

Таким образом, при экспериментах были созданы условия, близкие к условиям образования и транспортировки шлама, имеющим место при бурении скважин. Опыты чередовались при промывке скважины водой и глинистым раствором со следую­ щими параметрами: плотность 1,18 г/см3, вязкость 22 с и со­ держание песка 2 %.

никами, имеющими размеры 0,8x0,8X 0,8 м.

После каждого опыта производился сбор шлама из желоб­ ной системы и из шламовой трубы. По каждой пробе опреде­ ляли общий вес уловленного шлама, фракционный состав, вес отдельных фракций и содержание металлических частиц (см.

табл. 38).

Из приведенных в таблице данных следует:

1. При промывке скважины водой, если устранить потер при транспортировке по стволу скважины, имеется возможность достаточно полного улавливания как породного (86,6 %). так и металлического или рудного (87,5%) шлама существующими конструкциями шламоуловителей. Основная часть шлама (63,0% породного и 75% металлического) улавливается в шла­ мовой трубе и только 23,6% и 12,5% соответственно в желоб­ ной системе.

Применение глинистого раствора в тех же условиях и при том же режиме бурения приводит к потере около половины

140

(51,5%) породного п одной трети (35,7%) металлического шлама.

Полученные данные говорят об отрицательном влиянии по­ вышенной плотности н структурных свойств глинистого раство­ ра на выделение шлама в улавливающих приспособлениях. Особенно плохо улавливается шлам в желобной системе. Рез­ кое снижение скорости потока в отстойниках приводит к структурообразованшо в глинистом растворе и удержанию во взве­ шенном состоянии сравнительно крупных частиц, в результате чего значительная часть шлама уходит в зумпф.

2. В процессе транспортировки шлама по стволу скважины происходит дифференциация частиц по удельным весам, т. е.

всего 63%. Шлам, уловленный в желобной системе, наоборот, оказывается разубоженным.

■При промывке скважины глинистым раствором шлам обога­ щается в обоих случаях (см. табл. 38). В желобной системе, в результате структурообразования в растворе, легкие породные частицы уносятся в слив, тогда как тяжелые рудные частицы избирательно осаждаются.

Таким образом, шламовые пробы, отобранные из желобной системы на поверхности или из шламовой трубы, располагае­ мой в призабойной части скважины, не могут быть достоверны­ ми при раздельном их опробовании из-за разубоживания пер­ вой и обогащения второй. И чем больше разница в удельных весах между рудными и нерудными частицами, тем значитель­ нее будет расхождение в содержании полезного компонента в пробах.

3. При транспортировке шлама по стволу скважины проис­ ходит значительное изменение фракционного состава шлама в результате измельчения его буровым снарядом.

При промывке скважины водой частицы шлама измель­ чаются сильнее, чем при промывке глинистым раствором (см. табл. 38). Это связано, в основном, с временем нахождения частиц в пути от забоя до шламовой трубы млн дневной по­ верхности. При одинаковой производительности насоса ско­ рость подъема частиц в глинистом растворе будет большей, чем в воде, из-за более высокой плотности первого. И, как показывают исследования, чем интенсивнее измельчается шлам при транспортировке по стволу скважины, тем хуже он улав­ ливается в шламоуловителях и больше потери за счет мелких и тонких фракций. Поэтому изучение характера и интенсивности

141

проблеме были посвящены специальные эксперименты, которые проводились по следующей методике. В обсадные трубы засы­ палась и уплотнялась порция шлама весом 1000 г с хорошо вы­ держанными размерами частиц 1,0— 1,25 мм, затем спускался колонковый снаряд диаметром 89 мм с открытой шламовой трубой и производилось постепенное размывание уплотненного

ного шлама, устанавливали степень измельчения его в процессе транспортировки.

В результате исследования выявлено, что измельчение шла­ ма при транспортировке его по стволу скважины зависит не только от вида промывочной жидкости, но и от интенсив­ ности промывки, числа оборотов снаряда и угла наклона сква­ жины.

На рис. 51 приведены кривые изменения фракционного со­ става шлама в зависимости ет количества промывочной жидко­ сти: 30, 50, 70 и 90 л/мин. Число оборотов снаряда 182 в мину­ ту, зенитный угол 0 |= О°.

Из приведенных данных видно, что с увеличением интен­ сивности промывки (скорости восходящего потока) степень из­

Все это объясняется увеличением скорости перемещения частиц между колонковым снарядом и обсадными трубами. Если в первом случае скорость восходящего потока в указанном зазо­ ре равна 0,21 м/с, то во втором она возрастает до 0,95 м/с. В результате время воздействия вращающегося колонкового снаряда на частицы шлама сокращается, и по этой причине они подвергаются менее интенсивному измельчению.

142

В условиях бурения скважины, имеющей значительную глу­ бину, когда колонна бурильных труб изгибается и контактирует со стенками скважины во многих точках, истирание шлама, транспортируемого по стволу, будет еще более интенсивным. В связи с этим соответственно снизится полнота улавливания шлама, особенно в желобнон системе.

Измельчение шлама при транспортировке по стволу сква­ жины в значительной степени зависит также от числа оборо­ тов снаряда п (см. рис. 51). Так, например, при п=102 об/мин

Большое влияние на истирание шлама при его транспорти­ ровке на поверхность оказывает угол наклона скважины. При бурении вертикальных скважин как колонковый снаряд, так и бурильные трубы соприкасаются со стенками скважины только в отдельных точках, и поэтому они истирают шлам менее ин­ тенсивно. В наклонных же скважинах буровой снаряд распо­ лагается на лежачей стенке и при быстром вращении разру­ шает частицы шлама не только ударами, но и своим весом, подобно валковому истирателю. При этом в первую очередь измельчаются наиболее крупные частицы шлама, которые из-за значительного веса перемещаются по лежачей стенке.

В лабораторных условиях, из-за ограниченности технических возможностей, удалось исследовать влияние угла наклона сква­

■оказывают значительное влияние на степень измельчения шла­ ма при его транспортировке по стволу скважины, в зависимо­ сти от которого изменяется полнота и качество улавливаемого шлама. Сильное измельчение шлама затрудняет улавливание его в шламоуловителях, в связи с чем возрастают потери за счет мелких и тонких фракций. В результате снижается не только количество, но и качество улавливаемого шлама. По­ этому для получения достоверных проб, особенно при бурении

143

Т а б л и ц а 39

Измельчение шлама в зависимости от угла наклона скважины

мо производить в призабойной части с принудительным осаж­ дением мелких и тонких фракций.

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ НА ПОЛНОТУ УЛАВЛИВАНИЯ ШЛАМА

В практике разведочного бурения количество промывочного агента, подаваемого в скважину, определяется в основном усло­ вием нормальной очистки забоя от продуктов разрушения по­ род и редко связывается с улавливанием шлама. В связи с этим влияние интенсивности промывки на полноту улавливания шлама изучено недостаточно, что потребовало постановки спе­ циальных лабораторных исследований.

Имитация бурения и улавливания шлама, имеющего опреде­ ленный фракционный состав, производилась при следующих режимах: скорость вращения снаряда 182 об/мин, скорость по­ дачи снаряда 1,5— 2,0 см/мин, количество промывочной жидко­

и глинистым раствором. После каждого опыта определялись вес и фракционный состав уловленного шлама.

144

Результаты исследовании, устанавливающие зависимость между интенсивностью промывки и количеством улавливаемого шлама, представлены в виде кривых на рис. 52.

Анализ полученных данных показывает, что с повышением интенсивности промывки скважины как водой, так и глини­ стым раствором количество шлама, улавливаемого в шламовой

дает. Это связано в основном с ростом скорости восходящего потока жидкости в кольцевом зазоре, т. е. с ростом несущей способности потока. В результате сравнительно крупные части­ цы шлама не осаждаются в шламовой трубе и выносятся на поверхность.

Если при Q = 20—30 л/мин не улавливаются в шламовой трубе и выносятся на поверхность частицы с размерами менее 0,2—0,3 мм, составляющие лишь 8— 10% исходного шлама, то при увеличении промывки до 60—70 л/мин уносятся потоком сравнительно крупные частицы (до 0,9— 1,2 мм), составляю­ щие около 50— 60% исходного шлама.

При дальнейшем росте интенсивности промывки скважины с 70 до 100 л/мин количество улавливаемого в шламовой трубе материала изменяется незначительно и составляет около 45% при промывке водой и 25% при промывке глинистым раство­ ром. Это можно объяснить следующим образом: при подаче в

•скважину повышенного количества промывочной жидкости

145

крупные частицы шлама ( d > 2 — 3 мм) поднимаются по коль­ цевому зазору между колонковым снарядом и обсадными трубами с высокой скоростью. В результате они подвергаются незначительному измельчению и потому полнее улавливаются в шламовой трубе. Возросший унос (до 50—70%) мелких и

средних фракций (менее 1,0—-1,5 мм) компенсируется в данном случае привносом и улавливанием крупных (более 2,0 мм) частиц шла­ ма.

бурения с оптимальной промывкой улавливать весь шлам, обра­ зующийсяпри бурении.

Рассмотренная выше зависимость между количеством улав­ ливаемого шлама и интенсивностью промывки достаточно хо­ рошо подтверждается данными анализа фракционного состава шлама, полученного при различной производительности насоса. Эти данные, представленные в виде кривых на рис. 53, полу­ чены следующим образом: после серии опытов устанавлива­ лись средние веса отдельных фракций шлама, уловленного при определенной производительности насоса, а затем эти данные выражались в процентах от веса фракций исходного шлама, принятого за 1 0 0 %.

146

чение крупных частиц до критических размеров, вынос их и улавливание в шламовой трубе. Потери шлама незначительны и происходят в основном за счет мелких и тонких фракций

(менее 0,25 мм).

2. При увеличении промывки до 40 л/мин содержание круп­ ных (более 2,0 мм) частиц в уловленном шламе несколько рас­ тет, но заметно снижается содержание мелких (менее 1,0 мм) фракций по сравнению с предыдущим случаем. Наиболее пол­ но (до 125%) улавливаются частицы с размерами 1,0—2,0 мм.

которые из-за высокой скорости восходящего потока не осаж­ даются в шламовой трубе и выносятся на поверхность.

Таким образом, фракционный состав улавливаемого шлама изменяется в зависимости от количества подаваемой в скважи­

мой с помощью эжекторного снаряда, характер выноса и улав­ ливания шлама в шламовой трубе, в зависимости от количест­ ва промывочной жидкости, несколько отличается от прямой промывки.

Во-первых, промывочная жидкость, подаваемая с поверхно­ сти, в данном случае не транспортирует шлам непосредственно, а приводит в действие струйный насос, который создает обрат­ ную циркуляцию жидкости в призабойной части скважины и выносит шлам в закрытую шламовую трубу. Производитель­ ность струйного насоса при постоянной производительности приводного насоса может сильно колебаться в зависимости от гидравлических сопротивлений в колонковом снаряде.

Во-вторых, пути транспортировки шлама от забоя до шламо­ вой трубы резко отличаются от прямой промывки. При прямой промывке шлам транспортируется с забоя до открытой шламо­ вой трубы по узкому кольцевому зазору между колонковым снарядом и стенками скважины, а при обратной промывке

147

шламосодержащая жидкость поднимается внутри колонкового снаряда. При этом основная часть шлама скапливается над керном, не поднимаясь в шламовую трубу, в результате рез­ кого падения скорости потока при выходе в свободную от кер­ на часть колонковой трубы.

В-третьпх, в отличие от прямой промывки крупный шлам,

мой жидкости.

%

0,25-0,6

На рис. 54 приведены кривые изменения количества улов­ ленного в шламовой трубе материала в зависимости от произ­ водительности струйного насоса, которые говорят о следующем.

с недостаточной скоростью восходящего потока в полости ко­ лонковой трубы. В результате в шламовую трубу поднимаются в основном мелкие (менее 0,2 мм) частицы, а средние и круп­ ные остаются в колонковой трубе. Это хорошо подтверждается данными анализа фракционного состава шлама, уловленного в шламовой трубе. Из рис. 55 видно, что наиболее полно улов­ лены фракции 0,1— 0,25 мм, а крупные (более 0,6— 1,0 мм) почти полностью отсутствуют из-за скопления их в колонковой трубе.

148

2. При увеличении производительности струйного насоса дй 60 л/мин количество улавливаемого шлама несколько возра­ стает, особенно при промывке скважины водой. Это происхо­ дит из-за роста скорости восходящего потока в колонковой трубе и выноса в -шламовую трубу более крупных частиц шла­

1,0 мм) из-за высокой скорости потока. Если при этом учесть, что мелкие фракции составляют основную часть исходного шлама, то общие потери весьма значительны, и потому количество улавливаемого шлама в целом падает (см.

рис. 54).

Следовательно, при бурении с обратной призабойной цирку­ ляцией промывочной жидкости также трудно подобрать рацио­ нальные режимы промывки скважины, обеспечивающие эффективную очистку забоя и улавливание шлама в шламовой трубе.

В настоящее время при бурении скважин эжекторными сна­ рядами крупный шлам улавливается в основном в колонковой трубе (концентрируется над керном). Наблюдения показы­ вают, что такой способ сбора шлама ненадежен и не всегда позволяет получить полноценный материал для опробования полезного ископаемого по следующим причинам: 1) часть шла­ ма, особенно мелкие фракции, уносятся из керноприемной тру­ бы жидкостью, вытекающей из снаряда при подъеме его на поверхность; 2) при потере кериа безвозвратно теряется весь шлам.

Кроме того, данный способ улавливания крупного шлама имеет и ряд других недостатков, таких как преждевременное

Таким образом, режим промывки скважины оказывает боль­ шое влияние на полноту улавливания шлама в шламовой тру­ бе, а также на достоверность получаемых проб.

Режимы промывки скважины, позволяющие наиболее полно улавливать шлам в шламовой трубе, часто не соответствуют режимам, обеспечивающим нормальный процесс бурения сква­ жины без зашламования и перегрева коронки.

Для отбора качественных шламовых проб без снижения производительности бурения необходимо применить специаль­ ные способы улавливания шлама и технические средства, опи­ сание которых дано ниже.

149