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

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО УЛАВЛИВАНИЮ БУРОВОГО ШЛАМА

НА ОДНОМ ИЗ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЗАБАЙКАЛЬЯ

Исследования по улавливанию и опробованию шлама в производственных условиях проводились на одном из золото­ рудных месторождений Забайкалья, сложенном измененными, сильно трещиноватыми гранитами IX—X категорий и рудными зонами VII—VIII категорий по буримости. Последние харак­ теризуются разнородностью состава и неравномерным распре­ делением рудных компонентов. По этой причине керн в процес­ се бурения подвергается значительному и часто избирательно­ му разрушению. Выход керна по рудным зонам не превышает при прямой промывке 40—45%.

Бурение по рудной зоне производилось коронками диамет­ ром 130 мм, что было вызвано необходимостью получения качественного керна.

Режимы бурения: осевая нагрузка 600—800 кгс, число обо­ ротов 182 в минуту и количество промывочной жидкости изме­ нялось в пределах 70— 75 л/мин.

Промывка скважины осуществлялась качественным глини­

лялось при чередовании прямого и обратного способов про­ мывки, благодаря чему условия улавливания шлама были близкими.

При прямой промывке шлам улавливался в призабойной ча­ сти скважины в открытой шламовой трубе, а па поверхности — в желобной системе с двумя отстойниками размером 0,8X X 0,8X 1,0 м.

При обратной призабойной циркуляции промывочной жид­ кости, осуществляемой с помощью струйного аппарата, шлам улавливался в закрытой шламовой трубе, а на поверхности в

желобной системе.

■При прямой промывке в скважину подавалось около 70 л/мин, что при указанных условиях бурения позволяло обес­ печить нормальный процесс бурения.

При обратной призабойной циркуляции промывочной жид­ кости с поверхности подавалось около 85 л/мин, что при ко­ эффициенте инжекции и= 0,6 позволяло струйному насосу раз­ вивать производительность около 50 л/мин. Скорость восходя­ щего потока в канале керноприемной трубы составляет 0,17 м/с и обеспечивает вынос в шламовую трубу частиц с размерами до 0,7— 1,0 мм.

Бурение производилось при устойчивой циркуляции жидко­ сти без поглощений и водопритоков в скважину. В конце рейса

150

скважина без углубки промывалась До полного выноса частиц, находящихся в пути, чтобы исключить влияние отставания шлама на результаты экспериментов.

После каждого рейса производился сбор шлама из шламо­ вой трубы, желобов и ’отстойников. Полученный материал очи­ щался от глины путем отмучивания при сильном разбавлении водой, и после сушки и очистки от металлических частиц про­ изводилось взвешивание н изучение фракционного состава проб, полученных в призабойной части скважины и на поверх­ ности.

Всего по рудной зоне с прямой промывкой было пробурено 24,5 м за 16 рейсов и с обратной призабойной циркуляцией промывочной жидкости 23,05 м за 15 рейсов при средней дли­ не рейса 1,5 м.

Усредненные результаты опытных работ по улавливанию шлама различными способами приведены в табл. 40.

Т а б л и ц а 40 Результаты улавливания шлама на одном из месторождений Забайкалья

Из приведенных в табл. 40 данных следует.

1.При обратной призабойной промывке скважины значи­ тельно (в 2,15 раза) повышается процент выхода керна по хрупким полиметаллическим рудам. Визуальное исследование полученного керна показывает, что столь значительное увели­ чение выхода керна достигается не только из-за лучшего его сохранения, но и за счет скопления в колонковой трубе круп­ ных фракций шлама, принимаемого за керн.

2.При режимах промывки скважины, обеспечивающих нор­ мальный процесс бурения, суммарное количество шлама, улов­ ленное в желобной системе и в шламовых трубах, не превы­

шает 35—40%. Основная часть шлама (60—65%) теряется в скважине или переходит в глинистый раствор.

Крайне низкая эффективность улавливания шлама стан­ дартными шламоуловителями может быть объяснена следую­ щим образом:

151

а) принятый режим прямой, промывки (70—75 л/мин) яв­ ляется оптимальным для осуществления процесса бурения сква­ жины, но он не обеспечивает нормальных условий для тран­ спортировки и улавливания шлама. ■Уменьшение промывки до 30—40 л/мин, при которой наиболее полно улавливается шлам в открытой шламовой трубе (см. рис. 52), приводит к зашламованию скважины и снижению механической скорости бу­ рения;

б) при транспортировке но стволу скважины шлам подвер­ гается измельчению буровым снарядом, значительно ухудшает выделение его из промывочной жидкости. Так, при прямой промывке скважины количество уловленного в шламовой тру­ бе материала составляет всего 15,1 %, тогда как при обратной промывке, исключающей истирание шлама при транспортиров­ ке, 39,1%. К тому же шлам, уловленный в открытой шламо­ вой трубе при прямой промывке скважины, представлен более мелкими фракциями, чем шлам, полученный в тех же условиях, но при обратной промывке (табл. 41), хотя скорость восходя­ щего потока в первом случае в три с лишним раза выше, чем во втором.

Т а б л и ц а 41

Фракционный состав шлама, уловленного при прямом и обратном способах промывки скважины

При бурении с обратной призабойной циркуляцией промы­ вочной жидкости уловить шлам в желобной системе вообще не удалось (см. табл. 40), так как частицы, не осевшие в шламо­ вой трубе, циркулируют вместе с жидкостью (в призабойной части скважины) по замкнутому кругу, подвергаются много­ кратному измельчению снарядом и полностью переходят в раствор.

152

Сравнительное опробование рудного шлама, уловленного в шламовой трубе п желобнон системе, подтверждает дифферен­ циацию частиц по удельным весам, установленную при лабо­ раторных исследованиях.

Т а б л и ц а 42 Результаты сравнительного опробования шлама,

уловленного на поверхности и в призабойной части скважины

В табл. 42 приведены результаты сравнительного опробо­ вания шлама с указанием в числителе содержания золота, в знаменателе серебра в условных единицах.

Приведенные в табл. 42 данные говорят о следующем:

1) в процессе бурения сульфиды подвергаются избиратель­ ному разрушению, вследствие чего происходит разубоживание материала керна;

2) шлам, уловленный на поверхности, в значительной с пени разубоживается из-за потери в скважине тяжелых рудных сульфидных частиц. Полученные в производственных условиях результаты также говорят о невозможности полного улавлива­ ния шлама существующими типами шламоуловптелей как при прямой, так и обратной промывке скважины. В процессе буре­ ния особенно плохо улавливаются мелкие фракции в основном из-за несоответствия режима промывки скважины условиям осаждения их в шламоуловнтелях, а также измельчения при транспортировке на поверхность. Полнота и качество улавли­ ваемого шлама сильно снижаются при промывке скважины гли­ нистым раствором.

Положительное решение данной проблемы возможно в том случае, если весь шла'м, образуемый в процессе бурения, будет улавливаться в призабойной части скважины, причем мелкие и тонкие фракции будут осаждаться в шламосборниках прину­ дительным порядком.

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ УЛАВЛИВАНИЯ ШЛАМА

В ПРИЗАБОЙНОЙ ЧАСТИ СКВАЖИНЫ

Конструкция цилиндрического погружного гидроциклона

Для принудительного осаждения мелких и тонких (более 30—50 мк) фракций шлама из промывочной жидкости был 'при­ менен погружной гидроциклон, включаемый в состав колонко­ вого снаряда (рис. 56).

Улавливание шлама производится при обратной призабой­ ной промывке скважины, осуществляемой струйным насосом, так как это дает возможность решить следующие задачи:

1)исключить измельчение бурового шлама при транспорти­ ровке до шламовой трубы;

2)предотвратить унос шлама при вскрытии каналов погло­ щения в призабойной части скважины;

3)сравнительно просто включить в состав колонкового снаряда погружной гидроциклон.

Шлам улавливается в следующей последовательности:

крупные и тяжелые частицы осаждаются в нижней части ко­ лонкового снаряда в плавающей трубе, частицы средних раз­ меров в закрытой шламовой трубе, расположенной в середине снаряда, а мелкие и тонкие частички в погружном гидроциклоне, располагаемом в верхней части колонкового снаряда.

Таким образом, на расстоянии 1,5— 3,0 м от забоя осуще­ ствляется улавливание всего шлама, образуемого при бурении. Принудительный характер осаждения частиц в гидроциклоне позволяет полностью выделить из раствора мелкие и тонкие фракции. Незначительные потери шлама могут произойти только за счет тончайших частичек (менее 25— 30 мк), не улав­ ливаемых гидроциклоном.

J 54

Гидроцнклоиы широко применяются б народном хозяйстве (в химической и нефтяной промышленности, в горном и буро­ вом деле и т. д.). По конструктивным особенностям гидроцик­ лоны подразделяются на конические и цилиндрические. Пер-

Рис. 56. Колонковый снаряд с погружным гидро­ циклоном.

вые получили наиболее широкое распространение, «хотя тех­ нологические показатели цилиндрических гидроциклонов при­ близительно такие же, как и конических» [52].

Гидроциклоны, применяемые на поверхности, обычно имеют корпус с углом конусности около 20°. Теоретические исследова­ ния и опыт эксплуатации гидроциклонов показывают, что с уменьшением угла конусности до 5— 10° повышается эффектив­ ность улавливания мелких фракций. Дальнейшее уменьшение угла конусности до 0—5° «не дает заметного улучшения техно­

6* 155

логических показателей, но приводит к резкому увеличению» высоты аппарата» [52].

Диаметр корпуса гидроциклона выбирается исходя из его производительности (производительность пропорциональна диаметру циклона во второй степени) и крупности слива (круп­

мовый насадок.

Если на поверхности шлам из гндроциклона сбрасывается в атмосферу, то в погружных гидроциклонах выгрузка произво­ дится в шламосборник, заполненный промывочной жидкостью, находящейся под давлением. Поэтому осевые п гравитацион­ ные силы, действующие на частицы, часто оказываются недо­ статочными для быстрого удаления шлама из рабочей камеры, в результате происходит скопление его в нижней части корпуса и унос мелких фракций на слив. При разработке конструкции

змеевика 8, 9, шламопроводных трубок 14, 16, шламосборника 11, закрытой шламовой трубы 15, колонкового снаряда 17 и плавающей шламовой трубы 7, изготовленной из алюминия или пластических масс. Улавливание шлама с помощью гидроцик­ лона производится следующим образом: при обратной приза­ бойной циркуляции промывочной жидкости, осуществляемой с помощью струйного насоса, крупные фракции шлама оседают в плавающей шламовой трубе 7, затем жидкость проходит че­ рез трубку 16, и частицы средних размеров улавливаются в за­

156

крытой шламовой трубе 15, а мелкие и тонкие фракции с пото­ ком промывочной жидкости проходят по кольцевому простран­ ству между трубами 15 и 13, через каналы 6 в переходнике 3 и попадают в общий поток, выходящий с большой скоростью из насадка. Затем они проходят через камеру смешения, канал 4 и попадают на винтовые лопасти 9 змеевика, плотно поса­ женного в трубу 13. Лопасти приварены к трубке 8, которая выполняет функцию сливного патрубка гидроциклона.

Угол подъема винтовой лопасти змеевика переменный: у верхнего конца равняется 50—60°, а у нижнего 10— 12°. Соот­ ветственно изменяется и шаг винта, что делается для обеспе­ чения постепенного перехода потока, движущегося в осевом направлении, во вращательное движение в камере гндроцнклона с углом, близким к горизонтальному, и постепенного умень­ шения площади сечения винтового канала с целью увеличения скорости потока, подводимого к камере гидроциклона, и давле­ ния на входе. Шламосодержащая жидкость на лопастях змее­ вика получает вращательное движение с большой окружной скоростью (до 5—8 м/с), в результате чего на частицы дейст­ вуют центробежные силы, которые отбрасывают их к стенкам трубы 13, а очищенная от шлама жидкость образует централь­ ный столб. В дальнейшем наружный шламовый слой под дей­ ствием осевых и гравитационных сил опускается вниз н через отверстие шламового насадка 12 и шламопроводную трубку 14 выходит в шламосборник И, а внутренний очищенный от шла­ ма столб жидкости через сливной насадок 10, трубку 8 и ка­ нал 5 выходит в скважину и попадает в общий поток.

Основные параметры погружного гидроциклона и их влияние на эффективность улавливания шлама

Питающий патрубок погружного гндроциклона представлен каналом, образуемым лопастями 9 змеевика, сливным патруб­ ком и трубой 13, и имеет прямоугольное сечение (см. рис. 56).

Практика эксплуатации гидроциклонов показывает, что из­ менение размеров питающего патрубка не оказывает большого влияния на режим его работы. Поэтому размеры патрубка должны быть достаточно большими для равномерного поступ­ ления шламосодержащей жидкости в гидроциклон, но и в то же время обеспечить необходимое давление на входе, так как снижение его ниже определенного предела может привести к увеличению крупности слива.

157

В. А. Олевскнй [50] установил следующее соотношение между крупностью слива н давлением в питающем патрубке

(табл. 43).

Если входное отверстие питающего патрубка имеет квадрат­ ное пли прямоугольное сечение, то эквивалентный)- диаметр определится по формуле

отверстия сливного насадка влияет на многие показатели ра­ боты гидроциклона. Так, увеличение диаметра насадка приво­

слив. Это подтверждается результатами лабораторных иссле­

различных диаметрах отверстия сливного насадка п неизмен­ ном шламовом насадке.

Результаты исследований, приведенные в табл. 44 и пред­ ставленные в виде кривых на рис. 58, показывают, что при уве­

158

ленной (оптимальной) величины потери шлама возрастают из-за увеличения крупности слива.

Нанлучшие результаты по полноте улавливания шлама по­ гружными гидроциклонами получаются при диаметре отверстия сливного насадка в пределах 0,3—0,4 от диаметра гидроцик­ лона. Так, например, при D = 73 мм dc= 22—30 мм.

Не менее важное значение для эффективной работы гидро­ циклона имеет диаметр шламового насадка. Изменение диамет­

диаметру сливного насадка или превышающем его, происходит полное нарушение работы гидроциклона, и большая часть, иног­ да и вся жидкость, подаваемая в гпдроциклон, уходит через шламовый насадок. Уменьшение диаметра шламового насадка ниже оптимальной величины приводит к сокращению пропуск­ ной способности и забиванию его. В результате в нижней части рабочей камеры образуется «шламовая постель», которая по­ степенно уносится через сливной насадок. Все это увеличивает выход слива и крупность граничного зерна, уменьшает количе­ ство улавливаемого шлама.

Большое влияние на эффективность улавливания шлама оказывает отношение диаметров отверстий шламового и слив­ ного насадков dmlclc. Обычно отношение указанных диаметров подбирается опытным путем и для поверхностных гидроцикло­ нов принимается равным 0,15—0,80 [52] или 0,37—0,40 [34].

При использовании погружных гидроциклонов, когда необхо­ димо улавливать мельчайшие (30— 50 мк) частички шлама и когда повышенный уход промывочной жидкости вместе со шламом не играет большой роли, отношение йш/с1с следует принять равным 0,50— 0,55. При данном отношении диаметров достигаются нанлучшие результаты, что отражено на рис. 59.

\