БТЖ и ФРГП на весну 16 года / БТЖ - лекции_2015 / СулакшинЧубик

УДК 550.822.7:622.24(075.8) ББК 33.15я73

С89

Сулакшин С.С.

С89 Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ: учебник / С.С. Сулакшин, П.С. Чубик; Томский политехнический университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 367 с.

ISBN 978-5-98298-808-9

В учебнике изложены основы теории разрушения горных пород при бурении скважин с применением традиционных механических способов с помощью породоразрушающих инструментов; рассмотрены основы механики твердого тела, поведение горных пород при внедрении инденторов различной формы, механизм, масштабы и энергоемкость их разрушения, свойства горных пород, способы удаления продуктов разрушения в процессе бурения скважин и факторы, влияющие на эффективность получаемых результатов.

Предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 130102 «Технологии геологической разведки» и 130101 «Прикладная геология».

УДК 550.822.7:622.24(075.8) ББК 33.15я73

Рецензенты

Доктор технических наук, профессор генеральный директор ОАО «Тульское НИГП»

В.И. Власюк

Кандидат технических наук, доцент ТПУ

К.И. Борисов

Предисловие

Вцелом ряде вузов страны осуществляется подготовка инженеров, занимающихся бурением скважин различного назначения: геологоразведочных при разведке твердых полезных ископаемых, эксплуатационных на воду, нефть и газ. В комплексе работ, выполняемых при сооружении скважин, главное место занимает процесс разрушения горных пород (РГП) и удаления продуктов разрушения (УПР).

Учитывая важность этих процессов, в учебные планы подготовки инженеров по специальности «Технология и техника разведки МПИ» в свое время были включены три дисциплины теоретического характера: «Свойства горных пород», «Разрушение горных пород при бурении скважин» и «Удаление продуктов разрушения». Однако на протяжении многих лет подготовки специалистов по этим дисциплинам в центральной печати не было издано ни учебника, ни учебного пособия.

ВТомском политехническом институте (ныне НИ ТПУ) в рабочие планы раньше, чем в других вузах, были введены упомянутые дисциплины и напечатаны в виде внутривузовских изданий ряд учебных пособий, где свойствам горных пород посвящены специальные разделы (Сулакшин С.С. «Основы теории разрушения горных пород и удаления продуктов разрушения при бурении скважин»; Сулакшин С.С. «Разрушение горных пород»; Сулакшин С.С., Чубик П.С. «Способы удаления продуктов разрушения и их теоретические основы»; Сулакшин С.С. «Технология бурения геологоразведочных скважин (теоретические основы)»).

Внастоящее время в учебные планы включена дисциплина «Разрушение горных пород при проведении геологических работ», в которой предусмотрено изучение трех упомянутых ранее дисциплин. Отсюда актуальность разработки и создания данного учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям 130102 «Технологии геологической разведки» и 130101 «Прикладная геология».

3

Введение

Дисциплина «Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ» входит в группу специальных (профилирующих) дисциплин учебного плана подготовки бакалавров и дипломированных инженеров по специальности 130203 «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых». Эта дисциплина относится к числу основополагающих в цикле дисциплин, посвященных бурению геологоразведочных скважин.

Дело в том, что бурение скважин – это сложный двуединый процесс, состоящий из разрушения горной породы в забое скважины (РГП) и удаления продуктов разрушения (УПР). При этом процесс происходит в весьма сложных условиях, зависящих от большого количества свойств горных пород и их поведения в процессе формирования ствола скважины: прочности (твердости) пород, их устойчивости и буримости.

Изучение данной дисциплины основывается на знании целого ряда других дисциплин геологического и общеинженерного содержания: общая геология; минералогия; петрография; сопротивление материалов; теоретическая механика; гидро- и аэродинамика; физика горных пород и их свойства.

Знание дисциплины РГП, в свою очередь, является обязательным при изучении ряда профилирующих дисциплин: технология и техника бурения скважин; буровые машины, механизмы и основы их проектирования и др.

Здесь следует отметить, что в настоящее время известно много методов и способов РГП, как и удаления продуктов разрушения. Однако практически наиболее широкое применение находят, в основном, механические способы РГП и 4 способа УПР: механический, гидравлический, пневматический и комбинированный, чему и посвящается данная дисциплина.

Для того чтобы легче было ориентироваться в содержании дисциплины РГП, рассмотрим ее структуру или план.

Дисциплина делится на 4 раздела:

Раздел 1. Основные факторы, определяющие эффективность бурения скважин. Раздел 2. Свойства горных пород, оказывающие влияние на процессы бурения

скважин.

Раздел 3. Способы разрушения горных пород при бурении скважин и их теоретические основы.

Раздел 4. Способы удаления продуктов разрушения из скважин при бурении и их теоретические основы.

Учитывая, что с терминологией в области бурения скважин в общем не все благополучно, следует дать некоторые пояснения по этому вопросу или напомнить известные сведения (из лекции по дисциплине «Введение в специальность»):

•что такое скважина;

•что такое бурение скважин;

•что такое сооружение скважин.

Скважиной называется углубление, сооружаемое в горных породах земной коры, имеющее цилиндрическую форму и значительную протяженность L (длину) при сравнительно небольшом поперечном размере – диаметре D (см. рис. 1).

4

Таким образом, собственно скважина представляет собой полость, называемую стволом, имеющим начало – устье и конец, именуемый дном или забоем скважины (в процессе углубки).

Рис. 1. Элементы ствола скважины

Таким образом, ствол скважины имеет цилиндрическую форму и характеризуется определенными параметрами: длиной L, диаметром D и некоторыми элементами: стенка, устье, дно (забой) и ось скважины.

Под бурением подразумевается процесс формирования ствола скважины путем РГП и удаления продуктов разрушения (шлама) из скважины (УПР).

Сооружение скважин – это выполнение довольно сложного комплекса различного вида работ, получивших название вспомогательных или сопутствующих бурению ствола скважин.

5

В этот комплекс работ входят:

•строительно-монтажные работы;

•бурение ствола скважины;

•выполнение вспомогательных работ, сопровождающих бурение скважины: спуско-подъемные операции и другие виды работ, не имеющие прямой связи с процессом бурения (углубки скважины).

Здесь следует отметить, что основными способами бурения разведочных скважин пока еще являются механические:

•ударное;

•вращательное;

•вращательно-ударное;

•ударно-вращательное;

•вибрационное;

•задавливанием бурового снаряда (БС).

Разрушению горных пород при этих способах бурения и их свойствам посвящаются первый и второй разделы данной дисциплины.

Раздел третий посвящается разрушению горных пород при бурении скважин и их теоретическим основам.

В разделе четвертом учебника рассматриваются способы удаления продуктов разрушения из скважин при бурении и их теоретические основы.

6

Раздел 1 ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

1.1. Показатели, отражающие эффективность процессов бурения скважин

Бурение скважин, как известно, заключается в выполнении целого ряда процессов, протекающих одновременно или в определенной последовательности. Основными из них являются: разрушение породы в забое с получением образцов пород или проб полезных ископаемых; удаление продуктов разрушения из скважины и закрепление стенок скважины при бурении по неустойчивым, легко разрушаемым породам. Выполнение этих процессов сопровождается вспомогательными операциями, такими как монтаж и демонтаж бурового оборудования, спуск и подъем бурового инструмента для извлечения образцов пород и проб полезных ископаемых, замены износившегося инструмента, чистки скважин и проведение специальных работ или исследований в скважинах.

Естественно, что на выполнение любого из перечисленных процессов затрачивается время и определенное количество материальных средств. Вполне очевидно, что эффективность работы при сооружении скважин будет определяться уровнем выполнения этих процессов, который зависит не только от свойств горных пород, но и от совершенства применяемой техники, а также совершенства выполняемых технологических процессов и организации труда.

Теоретически и практически эффективность работ, связанных с сооружением (проходкой) скважин, может быть выражена количественными, качественными и экономическими показателями.

Количественные показатели характеризуют скорость выполнения отдельных процессов или всех вместе, т. е. производительность труда.

Качественные показатели характеризуют степень выполнения при бурении скважин поставленных геологических задач. Иными словами, скважины должны удовлетворять определенным требованиям методики геологоразведочных работ. В несколько обобщенном виде качественные показатели характеризуются процентом выхода керна и степенью его сохранности, а также степенью искривления скважин.

Экономические показатели характеризуют стоимость сооружения скважины в целом или по элементам (1 м ствола).

Все перечисленные показатели имеют тесную корреляционную связь между собой, но наиболее характерными из них являются скорости выполнения отдельных операций или процессов, что в первую очередь определяет и стоимость работ. Очевидно, эти показатели в конечном итоге отражают наиболее полно уровень выполнения всех основных процессов.

7

1.2. Скорости выполнения процессов при сооружении геологоразведочных скважин

Основными технологическими процессами, на выполнение которых затрачивается рабочее время буровой бригады, являются: процесс углубки скважины или разрушение породы в забое и сопровождающие этот процесс операции; процесс спуска и подъема бурового инструмента; процесс крепления стенок скважины; специальные исследования в скважинах; строительные и монтажно-демонтажные работы.

Выполнение этих процессов может характеризоваться определенной скоростью: механической, технической рейсовой, технической общей (по всей скважине), коммерческой рейсовой, коммерческой общей (по всей скважине), цикловой (полной) и парковой [1, 2].

Механическая скорость бурения характеризует эффективность разрушения породы тем или иным способом, или скорость продвижения забоя скважины за время полезной работы породоразрушающего инструмента:

где vм – механическая скорость бурения, м/ч; l – величина углубки скважины за время чистого бурения, м; tб – время чистого бурения (полезной работы забойного инструмента), ч.

При бурении породоразрушающими инструментами механическая скорость меняется во времени вследствие износа (затупления) породоразрушающих элементов. Поэтому следует различать механическую скорость в зависимости от момента ее определения: механическая мгновенная скорость vмм, характеризующая скорость углубки или продвижения забойного инструмента в данный (любой) момент времени; механическая наибольшая скорость бурения vмн, характеризующая максимальную скорость бурения, полученную в течение рейса или по определенным типам пород данным забойным инструментом; механическая средняя скорость бурения vмс, характеризующая среднюю скорость в течение рейса или по определенным пластам пород; механическая начальная скорость vмо и т. д.

Механическая скорость бурения является основным показателем, отражающим эффективность того или иного способа бурения, качество применяемых забойных инструментов, рациональность режимов их эксплуатации, совершенство применяемой техники и т. д.

Техническая рейсовая скорость характеризует скорость продвижения забоя скважины в период одного рейса с учетом времени, затраченного на выполнение только производительных операций в течение одного рейса:

где vтр – техническая рейсовая скорость бурения скважины, м/ч; lр – величина углубки скважины за один рейс, м; tпр – суммарное время, затраченное на выполнение только производительных операций за рейс, ч:

8

где tб – время чистого бурения за рейс, ч; tсп – время, затраченное на выполнение спускоподъемных операций, ч; tво – время, затраченное на выполнение вспомогательных операций в рейсе: подготовка к спуску бурового снаряда (проверка и смазка механизмов, сборка снаряда); подготовка к бурению (промывка скважины, посадка снаряда на забой, приработка коронки); перекрепление зажимных патронов, наращивание бурильных труб, чистка скважины перед подъемом снаряда, заклинка и срыв керна на забое, извлечение керна и шлама после подъема снаряда, час. Как видно отсюда, рейсовая скорость будет тем выше, чем больше углубка за рейс (lр) и чем меньше время, затрачиваемое на чистое бурение при той же величине углубки и на выполнение всех операций в рейсе. Иными словами, рейсовая скорость зависит от механической скорости бурения, сложности выполняемых в рейсе операций и скорости их выполнения. Затраты времени на выполнение ряда операций увеличиваются с ростом глубины скважины, в особенности на спуск и подъем снаряда.

Отсюда очевидно, что повышение производительности труда при бурении скважин возможно за счет повышения механической скорости бурения, увеличения углубки за рейс и снижения времени на спускоподъемные и вспомогательные операции.

Коммерческая рейсовая скорость бурения скважин характеризуется скоростью продвижения забоя скважины в период одного рейса с учетом суммарного времени, затраченного на выполнение производительных и непроизводительных операций в течение одного рейса:

где νкр – коммерческая рейсовая скорость бурения скважины, м/ч; lp – величина углубки скважины за один рейс, м; – суммарное (общее) время, затраченное на выполнение всех операций за рейс, ч:

где tпр – суммарное время, затраченное на выполнение только производительных операций за рейс (1.3), ч; tнр – суммарное время, затраченное на выполнение непроизводительных операций в рейсе (простои, работы по ликвидации аварий и осложнений в скважине или с буровым оборудованием, в основном не зависящие от самой бригады, в связи с отсутствием электроэнергии, промывочной жидкости и т. д.), ч.

Техническая общая скорость углубки скважин характеризует скорость продвижения забоя только за период бурения от начала до конечной глубины скважины (исключая монтажно-демонтажные работы, работы, связанные с ликвидацией аварий, и все непроизводительные работы):

где νто – техническая общая скорость углубки всей скважины, м/ст.-мес; L – общая длина ствола скважины, м; Tпр – суммарное время, затраченное на выполнение производительных операций, связанных с углубкой всей скважины, ч; k – коэффициент, эквивалентный одному ст.-мес, ст.-смен:

где Тб – суммарное время чистого бурения по всей скважине, ч; Тсп – суммарное время, затраченное на выполнение спускоподъемных операций, ч; Тво – суммарное

9

время, затраченное на выполнение вспомогательных операций, связанных с бурением скважин, ч; Ткс – суммарное время, затраченное на крепление (обсадку) стенок скважин, ч; Тбис – суммарное время, затраченное на исследования и специальные работы в скважине (замеры уровня жидкости, определение мест водопритоков или утечек жидкости, испытание и опробование пластов, испытание колонны на герметичность, замеры искривления и диаметра скважин и др.), ч; Тппр – суммарное время, затраченное на проведение планово-предупредительного ремонта, ч.

Повышение технической общей скорости проходки скважины возможно за счет уменьшения времени чистого бурения (повышение механической скорости бурения) и времени на все сопутствующие бурению операции.

Коммерческая общая скорость углубки скважин характеризует скорость продвижения забоя за тот же период, что и техническая общая скорость, но с учетом затрат времени на непроизводительные работы:

где νко – коммерческая общая скорость проходки скважины, м/ст.-мес; L – полная длина ствола пройденной скважины, м; k – коэффициент, эквивалентный одному ст.-мес, ст.-смен; Тоб – общее время, затраченное на работы, связанные с бурением скважин, ч:

где Тпр – время, затраченное на выполнение производительных операций (1.7), ч; Тнпр – время, затраченное на выполнение непроизводительных операций, связанных с проходкой всей скважины (простои по организационным или техническим причинам, работы по ликвидации аварий и осложнений в скважине или связанные с буровым оборудованием, в основном не зависящих от самой бригады, в связи с отсутствием электроэнергии, раствора и т. д.), ч.

Цикловая полная скорость – это скорость выполнения всех процессов, связанных с сооружением скважины, включая строительно-монтажные и демонтажные работы, работы по ликвидации скважины или сдаче ее в эксплуатацию:

где νц – цикловая скорость сооружения скважины, ч; L – полная длина ствола скважины, м; k – коэффициент, эквивалентный одному ст.-мес, ст.-смен; Тц – полное время, затраченное на сооружение скважины, т. е. на весь цикл, ч.

где Тоб – общее время, затраченное на работы, связанные с углубкой скважины (1.9), ч; Тмд – время, затраченное на строительно-монтажные и демонтажные работы, ч; Тлс – время, затраченное на работы, связанные с ликвидацией или сдачей в эксплуатацию скважины (извлечение труб, тампонаж скважины или оборудование для эксплуатации), ч.

Таким образом, цикловая скорость характеризует уровень применяемых технических средств и технологии бурения скважин, а также выполнения строительномонтажных работ и работ по ликвидации скважин или сдаче их в эксплуатацию.

Парковая скорость является показателем средней скорости сооружения скважин каждой буровой установкой, имеющейся на вооружении той или иной про-

10