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

В ряде случаев этот способ оказывается малоэффективным и экономически невыгодным.

Разрушение породы сжиганием может осуществляться при горении самой породы, например каменного угля. Такой способ разрушения, как самостоятельный при бурении скважин, не находит широкого практического применения из-за сложности его реализации. Используется этот способ при подземной газификации углей.

Термоциклический способ разрушения осуществляется при последовательном нагревании и охлаждении породы. Резкая смена температуры вызывает интенсивное разрушение породы, чем пользовались люди еще в глубокой древности. Возможно применение этого способа и при бурении скважин.

Группа взрывоударных способов разрушения пород

Взрывоударный способ заключается в разрушении пород действием взрывной волны. Осуществляется такой способ с помощью твердых и жидких накладных зарядов ВВ.

При использовании твердых ВВ зарядам придают определенную форму с кумулятивной выемкой, что приводит к направленному действию взрыва (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Схема действия кумулятивного заряда взрывчатого вещества:

D – детонатор (взрыватель); ВВ – взрывчатое вещество; КВ – кумулятивная выемка; КС – кумулятивная струя;

F – точка фокусирования взрывной волны

Кумулятивная выемка способствует концентрации взрывной волны в некотором фокусе F, где и реализуется наибольшая ударная сила, под действием которой

31

происходит механическое разрушение породы. Серией последовательных взрывов, с периодической уборкой продуктов разрушения, может формироваться ствол скважины цилиндрической формы.

При использовании жидких ВВ с помощью специальных погружных устройств на забой доставляется порция жидкого ВВ и впрыскивается инициирующее вещество (ИВ). Процесс этот выполняется автоматически с периодической чисткой скважины (рис. 1.16).

Заряды жидкого ВВ могут доставляться потоком жидкости и с поверхности в легко разбивающихся о забой ампулах с двумя отсеками (рис. 1.17). В одном помещается ВВ (взрывчатое вещество), а в другом – ИВ (инициирующее вещество). При раскалывании ампулы они смешиваются и происходит взрыв. К сожалению, эти взрывы могут происходить прежде, чем ампулы достигнут забоя. Это является одним из недостатков данного способа, тем более что работа с ВВ вообще небезопасна.

Группа электрических способов разрушения пород

Сюда относится электроискровой, или электроимпульсный, способ разрушения пород, основанный на явлении электрического пробоя диэлектрических материалов импульсными разрядами большой мощности, протекающими в очень короткий промежуток времени.

Рис. 1.16. Схема взрывобура с независимым приводом дозаторов, работающих с помощью сжатого воздуха:

1 − бурильная труба;

2 − трубка для подачи сжатого воздуха;

3 − цилиндр;

4 − пневматический двигатель;

5 − плунжер дозатора;

6 − отверстие для промывочной жидкости;

7 − форсунка;

8 − шток с отверстием

32

Рис. 1.17. Схема разрушения породы действием взрывной волны при взрыве ВВ в связи с раскалыванием ампулы в момент удара о забой и смешиванием ИВ с ВВ:

тым веществом (ВВ); 4 – зона разрушения породы при взрыве В

Действительно, если к поверхности образца подвести электрический ток высокого напряжения в виде короткого мощного импульса, то разряд при определенных условиях может пойти в породу (рис. 1.18, а) и образец расколется на несколько кусков. При этом происходит пробой твердого тела при наличии второго электрода. В этом случае создается токопроводящий канал или электрический мостик за счет повышения температуры, ионизации газов и других электрических изменений в твердом теле.

Рис. 1.18. Схемы разрушения породы высоковольтным импульсным пробоем электрического тока:

а− разрушение (раскалывание) образца породы:

1− электроды; 2 − образец породы; 3 − канал разряда; б −разрушение породы в забое:

1− электроимпульсный разряд; 2 − призабойная часть ствола скважины; 3 − электроды; 4 − канал разряда; 5 − отделяемый элемент породы; 6 − образец породы

33

При разряде электрического тока в породу забоя возникает ударная волна большой силы (рис. 1.18, б). Место пробоя характеризуется механическим, термическим и даже химическим разрушением породы. Преобладание того или иного вида разрушения определяется составом и свойствами пород, а также характером импульсов тока. В конечном итоге может происходить механическое разрушение образца или отрыв от его поверхности элементов довольно значительных размеров (до 1,5…2 см и более).

Группа способов разрушения пород путем их растворения, горения и плавления

Разрушение пород растворением происходит с использованием воды или высокоактивных химических веществ и определенного свойства породы − растворимости. Область применения такого способа весьма ограничена.

К химическому разрушению можно отнести также горение и плавление породы.

Комбинированные способы разрушения горных пород

Процесс разрушения пород в целом ряде рассмотренных ранее случаев носит весьма сложный характер. Наряду с физическим разрушением может происходить химическое, и наоборот. Но обычно какой-то из этих видов всегда является основным или ведущим.

В практике иногда прибегают преднамеренно к комбинации различных способов разрушения горных пород, что обычно повышает их эффективность и расширяет область применения того или иного способа. Действительно, эффективность разрушения пород породоразрушающими инструментами может быть существенно увеличена при действии высокой температуры, струи жидкости и др. Такие способы разрушения могут быть отнесены к группе комбинированных: гидромеханические, термомеханические, взрывомеханические и другие.

Группа гидромеханических способов

К этой группе относится целый ряд способов разрушения пород: гидромони- торно-вращательный, гидромониторно-эрозионный и др.

Гидромониторно-вращательный способ представляет собой комбинацию механического вращательного способа разрушения с помощью забойного инструмента и гидромониторного – с помощью струи жидкости. При этом используются специальные породоразрушающие инструменты режущего или режущескалывающего действия с гидромониторными насадками.

Гидромониторно-эрозионный способ заключается в разрушении пород высоконапорной струей жидкости, несущей твердые частицы (кварцевый песок), которые бомбардируют поверхность породы, что вызывает ее разрушение (по принципу пескоструйных аппаратов). Известны случаи практического применения этого способа разрушения пород и делаются попытки использовать его при бурении скважин.

34

Гидроударно-эрозионный (гид-

ровибрационный способ, или вибро- эрозионно-гидравлический) представляет собой комбинацию эрозионного и гидроударного способов разрушения. Разрушение пород в этом случае осуществляется под действием гидравлических ударов жидкости большой частоты и ударами твердых частиц, насыщающих эту жидкость. Формируются эти удары вследствие высокочастотных колебаний (вибраций) стержня, помещенного в жидкость вблизи забоя (рис. 1.19). Этот способ обычно называют «ультразвуковым», что не отражает его сущности. С ультразвуковой частотой колеблется только стержень, непосредственно не участвующий в разрушении породы. Последнее происходит за счет бомбардировки частицами абразивного материала поверхности породы, под действием которых разрушаются более мягкие участки (цемент), а также за счет кавитационного эффекта, возникающего в жидкости при определенной частоте и интенсивности колебаний специального инструмента.

Известно, что при формировании интенсивных ультразвуковых колебаний в жидкости возникают волны сжатия и растяжения с частотой колебаний вибратора. С этим связаны периодически возникающие импульсы повышения и снижения давления. Падение давления до критической величины может вызвать разрыв сплошно-

сти жидкости и образование в ней большого количества вакуумных полостей (пустот). При действии волны сжатия пузырьки сокращают свои размеры до полного захлопывания. В момент исчезновения пузырьков, образующихся на границе жидкости и твердого тела, возникают мощные гидравлические удары, концентрирующиеся на очень малых площадках. Частое повторение этих ударов и приводит к разрушению твердого материала. При этом вначале наблюдается разрушение более мягкой породы (цемента), затем появляются микротрещины между отдельными зернами и кристаллами, после чего они скалываются с образованием мелкодисперсных частиц. Действие на породу абразивных частиц усиливает этот эффект.

35

Группа термомеханических способов

Группа термомеханических способов включает несколько разновидностей комбинированных способов разрушения: термовращательный, вращательнотермоэлектродуговой и термоэлектромагнитно-вращательный.

Термовращательный способ разрушения пород заключается в том, что при вращении забойного инструмента порода за счет трения нагревается, в связи с чем ослабляется ее прочность. При этом существенно облегчается механическое разрушение породы коронкой или металлическим диском.

Вращательно-термоэлектродуговой способ разрушения горных пород осу-

ществляется вращением специального породоразрушающего инструмента с осевой нагрузкой и действием высокой температуры электрической дуги, образующейся между двумя электродами, встроенными в забойный инструмент.

Термоэлектромагнитно-вращательный способ разрушения пород осущест-

вляется действием забойного инструмента и электромагнитных волн, вызывающих нагревание породы. Исследованиями установлено, что при действии на породу электромагнитных волн существенно ослабляется сила сцепления между частицами, слагающими породу. Это облегчает механическое отделение значительных объемов породы от массива. Такой принцип практически используется при проходке горных выработок с помощью комбайна ВУГИ. Путем облучения породы электромагнитными волнами ослабляется ее прочность, а отбойка и выравнивание забоя осуществляются механическими органами ударного действия.

Термомеханический способ разрушения горных пород заключается в реализации термодинамического и механического процессов разрушения породы. Буровой снаряд для реализации этих процессов состоит из горелки (термобура) и шарошечного расширителя (рис. 1.20). При сжигании горючей смеси в специальной камере высокотемпературная газовая струя воздействует на породу в забое, существенно уменьшая ее прочность и частично разрушая, вызывает растрескивание, отслоение чешуек и пластинок породы. При одновременном вращении бура шарошки разрушают породу в периферийной части забоя, обеспечивая формирование ствола скважины цилиндрической формы и высокую скорость ее углубки.

Группа взрывомеханических способов

Сюда относится взрывовращательный способ, заключающийся в том, что разрушение пород осуществляется породоразрушающим инструментом и взрывами на забое ВВ. При этом по колонне бурильных труб вместе с потоком промывочной жидкости к забою подаются заряды ВВ кумулятивного действия, которые при ударе о забой взрываются, разрушая или ослабляя прочность породы. В момент взрыва забойный инструмент (долото) поднимается над забоем, а между взрывами опускается и разрушает породу с ослабленной прочностью более эффективно при вращении и действии осевой нагрузки с одновременным транспортированием продуктов разрушения потоком жидкости.

Многие из приведенных способов представляют определенный интерес с точки зрения бурения геологоразведочных скважин. Однако старые способы, главным образом относящиеся к механическим (с применением породоразрушающих инст-

36

рументов), требуют тщательного изучения с целью выявления неиспользованных резервов повышения их эффективности и совершенствования. Новые способы − бездолотные (термические, электрические и комбинированные) находятся в стадии лабораторных или промышленных испытаний. Некоторые из них, например электроимпульсный способ, могут быть использованы для бурения геологоразведочных скважин с достаточно высокой эффективностью.

Рис. 1.20. Устройство для термомеханического РГП:

1 − корпус горелки; 2 − канал для подачи топлива; 3 − канал для подачи окислителя; 4 − инжектор для подачи горючей смеси; 5 − отверстие для подачи охлаждающей жидкости (воды); 6 − полость; 7, 8 − циркуляционные каналы;

9 − корпус шарошечного расширителя; 10 − кольцевая полость; 11 − цапфа (полуось) шарошки; 12 − шарошка; 13, 14 − каналы; 15 − закрытая камера; 16 − канал для выхода продуктов сгорания (термодинамическая струя газов); 17 − наконечник горелки; 18 − камера сгорания горючей смеси

1.4.Способы удаления продуктов разрушения

изакрепления стенок скважины

Нормальное осуществление основных процессов бурения скважин практически невозможно без своевременного удаления с забоя продуктов разрушения и закрепления стенок скважин в неустойчивых породах. Наличие в скважине в большом количестве частиц разрушенной породы (шлама) приводит к снижению эффективности бурения – скорости проходки скважин и качества работ вследствие повышения абразивного износа бурового инструмента, ухудшению условий формирования

37

керна, увеличению интенсивности искривления скважин и возникновению различного рода осложнений. Кроме того, на измельчение шлама расходуется дополнительная энергия.

Образование шлама может происходить не только за счет разрушения породы на забое породоразрушающим органом, но и за счет разрушения породы в стенках скважины. Поэтому при бурении скважин необходимо осуществлять не только своевременное удаление продуктов разрушения породы на забое, но и закреплять неустойчивые породы в стенках скважины.

Вынос или удаление продуктов разрушения из скважины осуществляется различными способами, зависящими от способа бурения, типа применяемого забойного инструмента и характера проходимых пород. Основными из них являются: механический, гидравлический, пневматический и комбинированный.

Механический способ заключается в том, что порода удаляется при вращении забойного инструмента и периодическом подъеме на поверхность (змеевик, ложка) или только при вращении специального инструмента – шнековой колонны (винтовым транспортером). Механический способ используется также при ударном бурении и задавливании инструмента в породу, удаление которой из скважины происходит при подъеме инструмента.

Гидравлический и пневматический способы удаления продуктов разрушения заключаются в том, что в скважине создается циркуляция жидкости или воздуха, нагнетаемых с помощью насоса или компрессора к забою. Поток жидкости или воздуха подхватывает частицы породы и при определенных условиях выносит их на поверхность.

При комбинированных способах удаление породы происходит частично потоком жидкости или воздуха и частично механически – при подъеме снаряда на поверхность.

Закрепление стенок скважины производится при бурении по слабоустойчивым, рыхлым и разрушенным породам. Существует несколько способов закрепления стенок: глинизация, цементация, электрохимический способ, синтетическими смолами, битуминизация, силикатизация, замораживание неустойчивых пород, обсадка – крепление стенок скважины трубами.

При бурении скважин по малоустойчивым породам наиболее часто применяют качественный глинистый раствор, который обладает способностью связывать – глинизировать рыхлые породы и, обладая высоким удельным весом, создает гидростатическое противодавление на стенки скважины. Все это предупреждает обрушение пород из стенок скважины.

Цементный раствор, заполняющий при цементации ствол скважины, поры и трещины в интервале неустойчивых пород, связывает отдельные куски, обломки или зерна и придает устойчивость стенкам скважин. Цементируемый интервал вновь разбуривается. Используется способ крепления скважин цементными смесями с электропрогревом трубчатым электродом, выполняющим роль опалубки.

Электрохимический способ закрепления стенок скважины может осуществляться путем упрочнения пород за счет электролиза, обменных реакций, электроосмоса и других процессов, способствующих осушению пород и закреплению вновь образующимися веществами в глинистых породах или путем создания прочной трубы из материала рабочей смеси: цемента, битума, смол, при пропускании электрического тока.

38

Для закрепления неустойчивых пород успешно используются синтетические смолы, битумы, силикат натрия и другие вяжущие или быстротвердеющие вещества.

При обсадке скважин трубами в скважину спускается колонна обсадных труб, перекрывающих интервал неустойчивых пород. Этот способ крепления скважин отнимает много времени и замедляет бурение, но зато является наиболее надежным.

Замораживание пород для придания им устойчивости может осуществляться с помощью холодного воздуха (с отрицательной температурой) или специальной холодильной установки.

1.5.Технологические режимы бурения

Технология бурения скважин определяется соответствующими параметрами режима работы забойного инструмента или режима бурения [8].

Под режимом бурения понимается сочетание факторов или параметров, определяющих эффективность процесса разрушения пород тем или иным способом. Для различных способов и условий бурения эти факторы (или параметры) различны.

При вращательном способе бурения к таким факторам относятся: скорость вращения инструмента (w, м/с), или частота оборотов (n, об/мин); усилие подачи, или осевая нагрузка (G0, кгс), или удельная нагрузка на забой (Gy, кгс/см2, или кгс на один резец); интенсивность удаления продуктов разрушения с забоя, или объемный расход промывочной жидкости или воздуха (Q, л/мин, м3/с). Иногда этот параметр оценивается скоростью восходящего потока (v, м/с).

При бурении ударным способом показателями режима бурения являются: частота и число ударов по забою в единицу времени (ψ, т, уд/мин), сила удара (Р, кгс; Н) или энергия удара (q, Дж), интенсивность удаления продуктов разрушения или шламовый режим; навеска долота над забоем (l, см). Параметры ударновращательного способа характеризуются скоростью вращения инструмента, усилием подачи, частотой ударов и интенсивностью удаления продуктов разрушения.

При использовании способа бурения скважин задавливанием бурового снаряда имеет значение усилие подачи (нагрузка) или окружное усилие при винтовом способе погружения бурового снаряда.

В тех случаях, когда удаление продуктов разрушения осуществляется с помощью промывочной жидкости, к указанным параметрам добавляется еще один – качество жидкости: удельный вес γ, вязкость Т, статическое напряжение сдвига θ, содержание песчаных фракций П и др.

Числовые значения параметров режима бурения должны подбираться так, чтобы получался наибольший эффект – максимальная скорость бурения при минимальной стоимости 1 м проходки скважины. Подбор параметров режима бурения осуществляется в соответствии с определенными данными, характеризующими условия бурения скважин: механические свойства горных пород, параметры скважины и ее состояние, конструкция и качество забойного инструмента, технические возможности применяемых средств бурения. С учетом этих данных режим бурения может быть оптимальным, рациональным и специальным.

Оптимальный режим бурения характеризуется наиболее благоприятным сочетанием параметров, подобранных исходя из современных представлений о механизме разрушения пород и использования новейших достижений науки и техники. При бурении на оптимальных режимах должна достигаться механическая

39

скорость, имеющая максимальные значения для данного способа бурения в конкретных условиях.

Рациональный режим бурения определяется сочетанием таких значений параметров, которые можно реализовать только в данных конкретных гео- лого-технических условиях бурения с учетом возможностей имеющихся в наличии технических средств – забойных инструментов и бурового оборудования, не всегда соответствующих этим условиям. Рациональный режим бурения должен обеспечивать наиболее высокие показатели – производительность труда, качество работ и экономическую эффективность – только в данных конкретных условиях.

Специальный режим определяется необходимостью получения наиболее высоких качественных показателей, даже в ущерб количественным. В этом случае на параметры режима бурения накладываются ограничения, делающие его далеко не рациональным с точки зрения производительности труда и экономической эффективности. К таким режимам прибегают при необходимости повысить выход или качество керна, уменьшить или увеличить искривление скважин и в некоторых других случаях.

1.6.Буримость горных пород

Буримость определяется способностью горных пород разрушаться под действием тех или иных факторов при тех или иных условиях. Иными словами, понятием «буримость» характеризуют эффективность или скорость разрушения горных пород, или применительно к бурению скважин скорость продвижения забоя в период эффективной работы забойного инструмента. Оценивается этот показатель механической скоростью бурения скважин (м/ч, см/мин или мм/мин).

Буримость горных пород зависит от большого количества факторов и прежде всего от свойств самих пород, от способа разрушения, условий воздействия породоразрушающего органа или режима бурения, его конструкции и качества, количества энергии, затрачиваемой на разрушение породы, наконец, от способа и интенсивности удаления продуктов разрушения с забоя [8].

Основными свойствами горных пород, определяющими их способность разрушаться, являются: твердость (прочность), упругость, хрупкость, вязкость, пластичность и абразивность. Чем больше твердость или прочность пород, тем труднее они разрушаются или бурятся, тем ниже механическая скорость бурения или буримость. Кроме того, при разрушении пород механическими способами с помощью забойных инструментов, взаимодействующих с породой, скорость бурения или буримость будет меняться во времени. Это связано с абразивным износом породоразрушающего инструмента. Поэтому буримость породы для одних и тех же условий может быть максимальной (при бурении незатупившимся инструментом), минимальной и средней для определенного времени работы.

Буримость горных пород не всегда определяется только их твердостью и характером связи между зернами. Успех разрушения пород, а следовательно, и буримость зависят от всего комплекса свойств самих пород. Для пород, характеризующихся жесткой связью, механическая скорость бурения определяется, прежде всего, твердостью и размером зерен, слагающих породу. Буримость пород существенно уменьшается с уменьшением величины зерен. Так, например, крупнозернистые граниты характеризуются более высокой буримостью, чем мелкозернистые. Плот-

40