Для вращательного механического бурения скважин

Катего­рия породы Горные породы, типичные для каждой категории
I Торф и растительный слой без корней; рыхлые: лесс, пес­ки (не плывуны), супеси без гальки и щебня; ил влажный и иловатые грунты; суглинки лессовидные; трепел: мел слабый
II Торф и растительный слой с корнями или с небольшой при­месью мелкой (до 3 см) гальки и щебня; супеси и суглин­ки с примесью до 20% мелкой (до 3 см) гальки или щебня; пески плотные; суглинок плотный; лесс; мергель рыхлый; плывун без напора; лед; глины средней плотности (лен­точные к пластичные); мел; …
диатомит; сажи; каменная соль (галит); нацело каолинизированные продукты вывет­ривания изверженных и метаморфизованных лород; железная руда охристая
III Суглинки и супеси с примесью свыше 20% мелкой (до 3 см) гальки или щебня; лесс плотный; дресва; плывун напор­ный; глины с частыми прослоями (до 5 см) слабосцементированных песчаников и мергелей, плотные, мергелистые, загипсованные, песчанистые; алевролиты глинистые слабо­сцементированные; песчаники, слабосцементированные гли­нистым и известковистым цементом; мергель; известняк-ракушечник; мел плотный; магнезит; гипс тонкокристаллический, выветренный; каменный уголь слабый; бурый уголь; сланцы тальковые, разрушенные всех разновидно­стей; марганцевая руда; железная руда окисленная, рых­лая; бокситы глинистые
IV Галечник, состоящий из мелких галек осадочных пород; мерзлые водоносные пески, ил, торф; алевролиты плотные глинистые; песчаники глинистые; мергель плотный; не-1гтот1’ыч известняки и доломиты; магнезит плотный; пористые известняки, туфы; опоки глинистые; гипс кристаллический; ангидрит; калийные соли; каменный уголь; бурый уголь крепкий; каолин (первичный); сланцы глинистые, песчано-глинистые, горючие, углистые, алевролитовые; серпентиниты (змеевики) сильно выветренные и оталькованные; неплотные скарны хлоритового и ам-фибол-слюдистого состава; апатит кристаллический; силь­но выветренные дуниты, перидотиты; кимберлиты, затрону­тые выветриванием; мартитовые и им подобные руды, силь­но выветренныеые; железная руда мягкая вязкая; бокситы
V Галечно-щебенистые грунты; галечник мерзлый, связанный глинистым или песчано-глинистым материалом с ледяными прослойками; мерзлые; песок крупнозернистый и дресва, ил плотный,, глины песчанистые, песчаники на известковистом и железистом цементе; алевролиты; аргиллите; глины аргиллитоподобные, весьма плотные, плотные сильно пес­чанистые; конгломерат осадочных пород на песчано-глинистом или другом пористом цементе; известняки; мрамор; доломиты мергелистые; ангидрит весьма плотный; опоки пористые выветренные; каменный уголь твердый; антрацит, фосфориты желваковые; сланцы глпнисто-слюдяные, слюдя­ные, тальково-хлоритовые, хлоритовые, хлорито-глинистые, серицитовые; серпентиниты (змеевики); выветренные алъбитофиры, кератофиры; туры серпентинизированные вулкани­ческие; дуниты, затронутые выветриванием; кимберлиты брекчиеведные; мартитовые и юл подобные руды, неплотные
VI Ангидриты плотные, загрязненные туфогенным материалом; глины плотные мерзлые: глины плотные с прослоями доло­мита и сидеритов; конгломерат осадочных пород на известковистом цементе; песчаники полевошпатовые, кварцево-известковистые; алевролиты с включениями кварца; извест­няки плотные доломитизированные, скарнированные; доло­миты плотные; опоки; сланцы глинистые, кварцево-серицитовые, кварцево-слюдяные, кварцево-хлоритовые, кварцево-хлорито-серицитовые, кровельные; хлоритизированные и рассланцованные альбитофиры, кератофиры, порфириты; габбро; аргиллиты слабо окремнелые; дуниты, не затро­нутые выветриванием; перидотиты, затронутые выветрива­нием; амфиболиты; пирокоениты крупнокристаллические; тальково-карбонатные породы; апатиты, скарны эпидото- кальцитовые; колчедан сыпучий; бурые железняки ноздреватые; гематито-мартитовые руды; сидериты
VII Аргиллиты окремненные; галечник изверженных и метаморфи­ческих пород (речник); щебень мелкий без валунов; конгломераты о галькой (до 50%) изверженных пород на песчано-глиниотом цементе; конгломераты осадочных пород на кремнистом цементе; песчаники кварцевые; доломиты весьма плотные; окварцованные полевошпатовые песчаники, извест­няки; опоки крепкие плотные; фосфоритовая плита; сланцы слабо окремненные; амфибол-магнетитовые, куммингтонитовые, роговообманковые, хлорито-роговообманковые; слабо рассланцованные альбитофиры, кератофиры, диабазовые туфы; затронутые выветриванием: порфиры, порфириты; крупно- и среднезернистые, затронутые выветриванием граниты, сиениты, диориты, габбро и другие изверженные породы; пироксениты, пироксениты рудные; кимберлиты базальтовидные; скарны кальцитосодержащие авгито-гранатовые; кварцы пористые (трещиноватые, ноздреватые, охристые); бурые железняки ноздреватые пористые; хромиты; сульфидные руды; мартито-сидеритовне и гематитовые руды; амфибол-магнетитовая руда
VIII Аргиллиты кремнистые; конгломераты изверженных пород на известковистом цементе; доломиты окварцованные; окремнен­ные известняки и доломиты; фосфориты плотные пластовые; сланцы окремненные: кварцево-хлоритовые, кварцево-оерицитовые, кварцево-хлорито-эпидотовые, слюдяные; гнейсы; среднезернистые альбитофиры и кератофиры; базальты выветренные; диабазы; андезиты} диориты, не затронутые выветриванием; лабрадориты; перидотиты; мелкозернистые, затронутые выветриванием граниты, сиениты, габбро; затронутые выветриванием гранито-гнейоы, пегматиты, кварцево-турмалиновые породы; скарны крупно- и среднезернистые кристаллические авгито-гранатовые, авгито-эпидотовые; эпидозиты; кварцево-карбонаткые и кварцево-баритовые породы; бурые железняки пористые; гидро-гематитовые руды плотные; кварциты гематитовые, магнетитовые; колчедан плотный; бокситы диаспоровые
IX Базальты, не затронутые выветриванием; конгломераты изверженных пород на кремнистом цементе; известняки карстовые; кремнистые песчаники, известняки; доломиты кремнистые; фосфориты плаcтовые окремненные; сланцы кремнистые; кварциты магнетитовые и гематитовые тонкополоcчатые, плотные мартито-магнетитовые; роговики амфибол-магнетитовые и серицитизированные; альбитофиры и кератофиры; трахиты; порфиры окварцованные; диабазы тонкокристалличе­ские; туфы окремненные; ороговикованные; затронутые выветриванием липариты, микрограниты; крупно- и cреднезернистые граниты, гранито-гнейcы, гранодиориты; сиениты; габбро-нориты; пегматиты; березиты; скарны мелкокристал­лические авгито-эпидото-гранатовые; датолито-гранато-геденбергитовые; скарны крупнозернистые, гранатовые; окварцоваяные амфиболит, колчедан; кварцево-турмалиновые породы, не затронутые выветриванием; бурые железняки плотные; кварцы со значительным количеством колчедана; бариты плотные
X Валунно-галечные отложения изверженных и метаморфизованных пород; песчаники кварцевые сливные; джеспилиты; за­тронутые выветриванием, фосфатно-кремнистые породы; кварциты неравномернозерниотые; роговики с вкрапленностью сульфидов; кварцевые альбитофиры и кератофиры; липариты; мелкозернистые граниты, гранито-гнейоы и гранодиориты; микрограниты; пегматиты плотные, сильно кварцевые; скарны мелкозернистые гранатовые, датолито-гранатовые; магне­титовые и мартитовые руда, плотные, с прослойками роговиков; бурые железняки окремненные; кварц жильный; порфириты сильно окварцованные и ороговикованные
XI Альбитофиры тонкозернистые, ороговикованные; джеспилиты, не затронутые выветриванием; сланцы яшмовидные кремнистые; кварциты; роговики железистые, очень твердые; кварц плотный; корундовые породы; джеспилиты гематито-мартитовыв и гематито-магнетитовые
XII Совершенно не затронутые выветриванием монолито-сливные джеспилиты, кремень, яшмы, роговики, кварциты, эгириновые и корундовые породы

 

Как видно из таблицы, для отнесения породы к той или иной категории по буримости к ее названию дополнительно даются несколько определений, уточняющих свойства и состояние пород.

 

КОЛОНКОВОЕ БУРЕНИЕ

3.1 Общие сведения

Колонковое бурение является основным техническим способом разведки месторождений твердых полезных ископаемых. Оно также широко применяется при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях и при структурно-картировочных изысканиях нефтяных и газовых месторож­дений. Кроме того, это бурение применяется для различных инженерных целей. Колонковым способом могут буриться шурфы и разведочные шахты. Колонковое бурение получило столь большое распространение по следующим причинам.

1. Оно позволяет извлекать из скважины столбики породы — керна, по которым можно составить геологический разрез месторождения и опробовать полезное ископаемое.

2. Колонковым способом можно бурить скважины под различными углами к горизонту, различными породоразрушающими инструментами в породах любой твердости и устойчивости. Из подземных выработок можно бурить восстающие скважины.

3. Бурить скважины малых диаметров на большую глубину, применяя относительно легкое оборудование.

 

3.2 . Общая схема колонкового бурения

 

Бурение скважины начинается с подготовки подъездных путей и площадки для буровой установки Перед началом бурения на месте заложения запроектированной скважины разравнивается площадка, выкапываются ямы под емкости для промывочной жидкости и под фундаменты и собирается буровая вышка 14 с буровым зданием 15. В вышке монтируются в требуемом направлении буровой станок 7, буровой насос 18, электродвигатели 19 для привода станка и насоса (рис.3.1). При отсутствии электроэнергии станок и насос приводятся в действие через соответствующую трансмиссию от двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

Рис.3.1 Схема бурового агрегата

 

После монтажа буровой установки и проверки ее работы производится забуривание скважины в заданном направлении, после чего устье скважины закрепляется направляющей трубой. Все части бурового снаряда соединяются друг с другом при помощи резьбовых (герметичных) соединений. Верхняя ведущая бурильная труба пропускается сквозь шпиндель вращателя бурового станка, закрепляется в зажимном патроне, затем.. на нее навинчивается буровой сальник.

Одновременно оборудуется система для очистки бурового раствора от частиц разбуренной породы. Для охлаждения коронки, очистки забоя от разрушенной породы и выноса на поверхность шлама скважину промывают. Бурение скважины производится в следующей последовательности. При помощи лебедки в скважину спускается буровой снаряд, собираемый из следующих частей: коронки 7, колонковой трубы 6, переходника 5, колонны бурильных труб 4, длина которой увеличивается по мере углубления скважины, вертлюг-сальника 3, нагнетательного шланга 2, соединяющего буровой снаряд с буровым насосом 1. Вращение бурового снаряда сопровождается нагнетанием под давлением промывочной жидкости буровым насосом. Раствор, насыщенный шламом разбуренной породы, поднимается вверх по стволу скважины, где поступает по системе желобов 8 в отстойник 9, где шлам опускается на дно, а осветленная вода в приемный бак 10.

 

Рис. 3.2 Схема прямой промывки скважин:

1 – буровой насос; 2 – нагнетательный шланг; 3 – вертлюг – сальник; 4 – колонна бурильных труб; 5 – трубный фрезерный переходник; 6 – колонковая труба; 7 – коронка; 8 – система желобов; 9 – отстойник; 10 – приемный бак

 

С промывкой и вращением снаряд осторожно доводят до забоя и начинают бурение. Скважину забуривают до коренных пород и врезаются в них на 0,5—1,5 м, после чего опускают направляющую трубу, предназначенную для предохранения устья скважины от размыва и направления изливающейся из скважины жидкости в желобную систему При глубоком бурении всю толщу верхних неустойчивых и водоносных пород перекрывают следующей колонной обсадных труб называемой кондуктором. Затрубное пространство за кондуктором на всю глубину или в нижней части должно быть зацементировано, а кольцевой зазор между направляющей трубой и кондуктором загерметизирован.

В зависимости от физико-механических свойств пород, диаметра и типа буровой коронки шпинделю и буровому снаряду сообщают ту или иную частоту вращения и при помощи регулятора подачи создают необходимую осевую нагрузку на коронку. Частота вращения инструмента подбирается в зависимости от типа коронки, ее диаметра и глубины скважины. Регулятор подачи позволяет создавать необходимое давление резцов коронки на породу забоя, независимо от веса колонны бурильных труб. Вращаясь и внедряясь в породу, коронка выбуривает кольцевой забой, формируя керн. По мере углубления скважины керн заполняет колонковую трубу

Если бурение ведется по устойчивым породам, то для промывки скважины применяется техническая вода. При проходке скважины в недостаточно устойчивых породах промывку ведут глинистым раствором. При бурении в относительно безводных скважинах может применяться продувка забоя сжатым воздухом.

После того как колонковая труба наполнится керном, приступают к подъему инструмента на поверхность. При бурении в крепких и абразивных породах иногда приходится прекращать бурение и приступать к подъему инструмента из-за значительного снижения скорости бурения вследствие затупления резцов коронки или из-за самозаклинивания керна в колонковом снаряде. Перед началом подъема керн должен быть надежно заклинен в нижней части колонкового снаряда и сорван. После заклинивания керна насос выключают и буровой снаряд при помощи лебедки поднимают на поверхность, развинчивая колонну бурильных труб на отдельные свечи. Длина свечей определяется высотой буровой вышки. Свеча свинчивается из двух или трех, а иногда и четырех бурильных труб. Длина свечи на 3—5 м меньше высоты вышки. Свечи устанавливаются на подсвечник. Вес поднимаемой колонны можно определять с помощью индикатора веса.

После извлечения колонкового снаряда на поверхность коронку отвинчивают, керн извлекают из колонковой трубы, инструмент вновь собирают, опускают в скважину и бурение продолжают. При каждом подъеме коронку осматривают и в случае износа заменяют новой. Керн промывают, очищают от глинистой корки, замеряют и укладывают в последовательном порядке в керновые ящики, отмечая интервал скважины, с которого поднят керн, и процент выхода керна.

Если скважина пересекает неустойчивые породы, которые обваливаются или выпучиваются даже при применении специальных промывочных растворов, в нее опускают колонну обсадных труб, перекрывая неустойчивые породы, после чего продолжают бурение скважины коронкой меньшего диаметра. Через 50—100 м проходки измеряют угол наклона (зенитный) и направление (азимут) скважины. После того как скважина пересечет полезное ископаемое и войдет в пустые породы лежачего бока, бурение прекращают, инструмент поднимают и разбирают.

В скважине производят геофизические исследования, (каротаж), измеряют кривизну ствола, температуру, проверяют глубину скважины, после чего приступают к ликвидации скважины. Для этого, прежде, извлекают обсадные трубы (если они не зацементированы), затем заполняют под давлением тампонажным раствором, чтобы по стволу не было перетока подземных вод. После этого буровая установка разбирается и перевозится на новую точку. На месте ликвидированной скважины устанавливают репер.

В крепких породах бурение производят алмазными коронками. В крепких хрупких породах может быть с успехом применено ударно-вращательное бурение с гидро- или пневмоударным механизмом. В породах средней твердости и мягких вращательное бурение ведется коронками, армированными твердосплавными резцами. Если скважины пересекают уже изученные породы, то на участках, где полезное ископаемое отсутствует, целесообразно перейти на бескерновое бурение, которое позволяет повысить производительность бурения за счет значительного увеличения проходки за рейс и сокращения времени на спуско-подъемные операции, а также за счет повышения режимов бурения.

Глубины колонковых скважин бывают различные — от нескольких метров до нескольких тысяч метров. Диаметры колонковых скважин зависят от целей их проходки и от типа породоразрушающего инструмента. При алмазном способе скважины бурятся в основном коронками диаметром 76, 59 и 46 мм. При твердосплавном бурении чаще применяют коронки диаметром 92, 76, 59 мм, При инженерно-геологических и гидрогеологических работах иногда проходят колонковым способом шурфо-скважины диаметром 500—1500 мм. Выпускаются установки для бурения колонковым способом круглых стволов шахт диаметром более 5 м.

 

3.3. Инструмент колонкового бурения

 

Инструмент, предназначенный для бурения скважин, называется буровым инструментом и подразделяется на технологический, вспомогательный, аварийный и специальный.

Технологический инструмент предназначен непосредственно для бурения. Набор инструмента, соединенного в определенной последовательности, называется буровым снарядом. Вспомогательный инструмент — это буровой инструмент, предназначенный для обслуживания технологического инструмента при бурении. Аварийный инструмент предназначен для ликвидации различного рода осложнений, препятствующих нормальному процессу бурения, а специальный — для обслуживания специфических операций в скважинах.

Технологический буровой инструмент (буровой снаряд) состоит из колонкового набора (буровой коронки, кернорвательного устройства, колонковой трубы, трубного переходника, шламовой трубы) и бурильной колонны (бурильных труб и их соединений). Для каждого диаметра скважин составляется определенный буровой снаряд. В связи с этим стандартами предусмотрено по каждому типу инструмента определенное количество размеров, взаимно унифицированных по соединительным элементам и диаметрам (типоразмеры).

Вспомогательный инструмент предназначен, в основном для сборки – разборки бурового снаряда и для обсадки скважины обсадными трубами. Представлен обсадными трубами, полуавтоматическим элеватором с пробкой (грибком), элеватором, шарнирным ключом, подкладной вилкой.

Таблица 3.1