1. Выбор конструкции скважин и способа бурения.
1.1. Обоснование выбора конструкции скважин.
Геологический разрез представлен осадочными, метаморфическими породами. В данном разрезе имеются два участка с осложненными зонами. Первый участок находиться на интервале от 0 до 30 метров, на данном участке происходит расцепление, обрушение стенок скважины. На интервале от 80 до 90 метров находятся кварцево-жильные образования и березиты с повышенной трещиноватостью, на этом участке происходит поглощение промывочной жидкости.
Общую глубину скважины берём равной 300 метров, вследствие того, что полезное ископаемое (кварцево-жильные образования и листвениты) залегает на глубине 260-285 метров. К этой глубине добавляем еще 15 метров, для достоверности подсечения подошвы и возможности исследования пласта геофизическими приборами.
Для конструкции данной скважины наиболее рационально выбрать 3 ступени, как минимально возможное число для исследуемого геологического разреза. Конечная ступень скважины будет в интервале 30-300 метров, диаметром 59 мм, так как на этом интервале находится осложненная зона.
Вторая ступень будет находиться в интервале от 3 до 30 метров, диаметр второй ступени возьмем, на размер больше чем диаметр предыдущей ступени, равный 76 мм. На глубине от 0 до 3 м будет находиться первая ступень, диаметром 93 мм.
В соответствии с данной конструкцией скважины потребуется две колонны обсадных труб. Использовать будем обсадные трубы ниппельного соединения. Первая колонна (направляющая) на глубине от 0 до 3м, диаметром 89 мм. Вторая колонна предназначена для закрепления неустойчивых стенок скважины на интервале от 3 до 30 м. Диаметр второй обсадной колонны 73 мм. Башмаки обсадных колон, с целью герметизации зазора между стенкам скважин и обсадными трубами, следует затампонировать цементным раствором, а сверху на трубы установить пеньковые сальники.
2.2. обоснование выбора способа бурения. В данном геологическом разрезе целесообразнее использовать вращательный способ бурения. Это обусловлено тем, что этот способ наиболее эффективен при бурении не клинящихся хрупких пород I- XII категорию по бурении при горизонтальном залегании рудных тел, что соответствует данному разрезу. Так же вращательный способ применяют и при бурении разрезов с небольшими по мощности слоями трещиноватых пород, в которых
использовать ударно-вращательный способ вследствие вы валов кусков пород под воздействием ударных импульсов невозможно. Так как данная сеть скважин предполагает поиск и предварительную разведку, то требуется взять керн по всей глубине скважины, поэтому следует применять колонковый способ бурения. Достоинствами колонкового способа
являются возможность извлекать образцы горных пород, бурить скважины с относительно небольшим искривлением, бурить скважины на значительную глубину с относительно не высоким расходом энергии. Вследствие того, что мы имеем сложный геологический разрез, применяем комбинированный способ бурения (твердосплавный и алмазный).
Твердосплавный способ следует применять на интервале 0-30 м. Этот интервал представлен мягкими, рыхлыми породами, для бурения которых более эффективно использовать твердосплавные коронки, так как алмазные коронки имеют малый
выход режущей кромки алмаза, что резко уменьшает механическую скорость бурения в рыхлых и мягких породах. В отличие от алмазных коронок, твердосплавные коронки имеют больший выход резца, что позволяет ему более глубже внедрятся в породу. Наиболее целесообразнее использовать твердосплавные коронки типа СМ 4 и СМ 5, как наиболее подходящие для бурения в данных условиях. Диаметры коронок выбираем 93 мм. для первой ступени и 76 мм. для второй ступени.
На интервале 30-300 м следует использовать алмазные коронки, как более производительные для бурения вмещающих пород этого участка. Алмазные коронки, за счет высокой износостойкости, позволят существенно повысить параметры технологических режимов бурения; повысить механическую скорость бурения и длину рейса. Для представленных пород наиболее подходят алмазные коронки типа А4ДП предназначенные для бурения абразивных, среднезернистых пород VIII-IX категории бурения.
2. Выбор бурового снаряда, оборудования и инструментов для ликвидации аварий.
2.1. Обоснование выбора бурового снаряда.
Породы, слагающие разрез в основном устойчивые, однородные, поэтому бурение скважин будем осуществлять с помощью одинарного колонкового снаряда высокооборотного алмазного бурения. Эти снаряды отличаются простотой конструкции и использование любых промывочных жидкостей. Они позволяют повышать механическую скорость бурения при высоком качестве опробования. Верхний интервал представлен дробленными и трещиноватыми породами, их следует перебуривать одинарным колонковым снарядом твердосплавного бурения, при невысоких скоростях вращения снаряда.
Забойный снаряд алмазного бурения состоит из, расширителя секторного типа РСА-59 с кернорвательным кольцом, колонковой трубы диаметром 57 мм, переходника-центратора П-1, отсоединительного переходника с бронзовым кольцом и забойного амортизатора ЗА-7. Бурильная колонна должна соответствовать выбранной конструкции скважины диаметром 59 мм. для высокооборотного бурения скважин диаметром 59 мм рекомендуется использовать легкосплавную бурильную колонну ниппельного соединения ЛБТН-54, длиной бурильных труб 4400 мм. достоинствами легкосплавных труб ниппельного соединения являются: малы коэффициент трения при вращении, малая вибрация снаряда, малая энергоёмкость.
Для подачи промывочной жидкости в бурильную колонну выбираем сальник типа СА. Предусматривается следующая контрольно-измерительная аппаратура для предупреждения аварий: детектор износа труб ДИТ, толщиномер Т-1, дефектоскоп, прибор ОМ-40. Прибор предупредительной сигнализации. Для измерения расхода промывочной жидкости в процессе бурения электромагнитный расходомер ЭМР-2.
3.2. Выбор оборудования и инструментов для ликвидации аварий.
Наиболее характерными и часто встречающимися авариями при бурении являются: обрыв и прихват снаряда, прижег коронки. Выбор аварийного инструмента производится исходя из опыта выполнения подобных ликвидационных работ.
1. Метчики ловильные Д-57;
2. Колокола ловильные А-76;
3. Гидравлический труборез труболовка ТТ-59;
4. Метчик коронка МК-59;
5. Магнитная ловушка МЛ-59;
6. Вибратор забойный ВЗ-2;
7. Домкрат гидравлический ДГ-40;
8. Ударные бабы весом 150 и 160 кг.
Большую роль в успешной ликвидации аварии играет быстрота при проведении ликвидационных работ.
3.Технология бурения.
3.1.Выбор очистных агентов.
В верхнем интервале от 0 до 30 м. Неустойчивая горная порода IV-VI категории бурения. В следствии того, что бурение происходит в условиях вечной мерзлоты, для предотвращения расщепления, и как следствие этого, обрушения стенок скважины бурение производим в сухую. В интервале от 30 до 300 метров разрез представлен крепкими породами VII-IX категории бурения. Так как в этом интервале мы используем, по проекту, высокооборотное алмазное бурение то целесообразней использовать эмульсионные растворы. Эмульсионные снижают вибрацию бурового снаряда, трение, износ бурильных труб и обладают высокой несущей способностью. В качестве контрольно-измерительных приборов, для определения качества эмульсионных растворов, применяются специальные колбы для определения содержания масла в эмульсии и для определения концентрации эмульсии. Количество промывочной жидкости при колонковом бурении рассчитывают по формуле: VP=KCVPL м3;
Где : VP=(7.4-6.3)Д2 – расход бурового раствора на 1 метр скважины, диаметром Д;
L ? общий метраж скважины с применением данного раствора;
КС ? коэффициент сложности по группам, принимаем КС=2. VP=2*5*592*300= 10443000 м3.
3.2. Выбор породоразрушающих инструментов и технологических режимов бурения.
Бурение скважины на интервале 0 — 30 м следует осуществлять шарошечным долотом. Далее, на интервале 3-30 м бурение производят коронкой СМ5 диаметром 76 мм. Осевую нагрузку на коронку определяют по формуле: C=mP, Н
Где: m- число резцов в коронке, для коронки СМ5 диаметра 76 мм. m=16, Р-удельная нагрузка на резец, принимаем 1.0 кН. С=6*1.0=6.0 кН
Частота вращения коронки рассчитывается по формуле: n=38.2v0/(D1-D2) об/мин.
Где: v0 – окружная скорость коронки, принимаем 0,8 м/с.
D1 и D2 — наружный и внутренний диаметры коронки по резцам, для коронки СМ5 – 76 мм D1= 76мм, D2=59мм=0.059м.
n=38.2*0,8/(0,076+0,059)=226 об/мин.
Расход промывочной жидкости определяется по формуле: Q=gD1 л/мин;
Где: g – удельный расход жидкости на один сантиметр диаметра коронки, принимаем 12 л/мин по таблице 3[8] для VI категории бурении. Q=12*7.6= 91,2 л/мин.
В интервале от 30 до 300 метров породы абразивные, монолитные VII-IX категории бурения. По таким породам эффективна алмазная коронка А4ДП диаметром 59 мм.
Осевую нагрузку на коронку рассчитывают по формуле: С=pS, H;
Где: р- удельная нагрузка на 1 см2 торца коронки; S- площадь торца коронки.
Удельную нагрузку, по монолитным породам, рекомендуется принимать 1 кН/см2.
Площадь торца коронки составит: S=?D2H/4- ?D2B/4 см2; D1=5.9cm, D2=4.2cm.
S=3.14(5.92-4.22)/4=13 cm2 C=1.0*13=13kH.
Частота вращения коронки рассчитывается по формуле: n=38.2v0/(D1-D2) об/мин.
Где: v0 – окружная скорость коронки, м/с. D1 и D2 — наружный и внутренний диаметры коронки по резцам, для коронки СМ5 – 76 мм D1= 59 мм, D2=42 мм = 0.042 м. Окружную скорость по этим породам следует принимать согласно рекомендациям ВИТР 4-4.5 м/с. Для высокоскоростного бурения принимаем максимальное значение 4.5 м/с. n=38.2*4,5/(0,059+0,042)=1562,7 об/мин. Расход промывочной жидкости можно рассчитать по формуле: Q=?(D2-d2)vл/4, об/мин; Где: D,d – диаметр коронки и бурильных труб, м. vл- скорость восходящего потока промывочной жидкости м/с. рекомендуется 0,35-0,6. При бурении абразивных пород с промывкой скважины промывочной жидкостью малой вязкости скорость восходящего потока принимают по максимуму 0,6 м/с. Тогда Q=3,14(0,0592-0,0542)0,6/4=26 л/мин.
Для бурения скважин диаметром 59 мм по абразивным породам ВИТР рекомендует принимать 25-35 л/мин.
На интервале 80-87 м разрез представлен породами повышенной трещиноватости IX категории бурения. На этом интервале идет интенсивное поглощение промывочной жидкости. Для бурения используем одинарный колонковый снаряд с алмазной коронкой А4ДП диаметром 59 мм Осевую нагрузку рассчитываем по формуле: С=pS, H; р=0,9 кН/см2, S=13см2 С=0,9*13=11,7 кН; Частоту вращения по абразивным трещиноватым породам понижают в зависимости от степени трещиноватости( для сильно трещиноватых до 180-200 об/мин). Вследствие того, что породы устойчивые принимаем на этом интервале частоту вращения принимаем 600 об/мин. Расход промывочной жидкости можно рассчитать по формуле: Q=?(D2-d2)vл/4, об/мин;
Где: D,d – диаметр коронки и бурильных труб, м. vл- скорость восходящего потока промывочной жидкости.
Q=3.14(0.0592-0.0542)*0.75/4=33 л/мин. По рекомендации ВИТР принимаем Q=40 л/мин.
4.Тампонирование скважин.
В геологическом разрезе имеется зона осложнений, в интервале 80-87м. В этой зоне залегают трещиноватые Кварцево-жильные образования. На этом интервале возможно поглощение промывочной жидкости. Величина раскрытия трещин ?=3мм., интенсивность поглощения частичное, подземные воды отсутствуют. При тампонировании данного интервала можно использовать цементные растворы и их разновидности: глинистые и полимерные пасты, синтетические смолы. Задачей тампонирования является кольматация трещин на данном интервале разреза. Связи с величиной раскрытия трещин ?=3мм. и с экономической точки зрения целесообразней всего использовать глинисто-цементную смесь, в качестве используем опилки как наиболее доступные и дешёвые.
Рассчитываем объем тампонажной смеси требуемой для кольматации зоны осложнения по формуле VP=K[?D2(N+h0+h1)/4] м3;
Где: К- коэффициент, зависящий от радиуса проникновения смеси(1-5) проектом предусматривается К=2;
D- диаметр скважины, м;
N- мощность трещиноватой зоны N=7м;
h0,h1- мощность заполнения раствором выше и ниже мощности трещиноватости пласта h0=h1=3м.
VP=2[3,14*0,0592(7+3+3)/4]=0,087 м3;
Состав сухой смеси: глины-60%, цемента-20%, опилок-10%, воды-10%. Количество сухой смеси для приготовления тампонажного раствора определяем по формуле: Gcc=VP/[S(ai/pi)+mS(bi/pi)] т;
Где: VP-объем тампонажной смеси; S(ai/pi)-отношение массовых долей к плотности компонентов в сухой смеси;
S(bi/pi)-отношение массовых долей компонентов жидкости к их плотности; m-водоцементное отношение;
Gcc=0,174/[(0,6/3,15)+(0,2/1,6)+(0,1/0,04)+0,6(0,1/1)]=0,06 т.
Исходя из этого количество цемента равно: Gц=0,06*20/100=0,012т;
Количество глины равно: Gг=0,6*0,06=0,036 т;
Количество опилок равно: Gо=0,06*0,1=0,06 т;
Количество воды равно: GВ=0,06*0,01=0,06 т.
Плотность тампонажного раствора находим по формуле: p=(Gcc+GB)/Vp т/м2;
Для тампонирования трещиноватых зон залегающих на глубине 150-200 м. С плохой проницаемостью поглощающих горизонтов при тампонировании одно растворочными смесями, можно применять способ тампонирования с помощью пакеров. Для тампонирования скважин диаметром 59 мм. разработало комплект тампонажного инструмента ТУ-7, состоящего из герметизатора, пакеров и смесителя. Для тампонирования данной зоны требуется только два пакера опускаемых на бурильных трубах. Два пакера на бурильных трубах устанавливают на заданной глубине выше и ниже трещиноватой
зоны. Затем через бурильную колонну прокачивают тампонажную смесь под давлением, тампонажная смесь проникает в трещины. Для тампонирования зоны закачивают рассчитанный объем тампонажной смеси. Для проведения исследований в зоне осложнений требуется контрольно-измерительная аппаратура. Для измерения диаметров скважин используют
каверномер КМ-38, его опускают в скважину на каротажном кабеле. Глубину залегания, число и мощность проницаемых зон, интенсивность поглощения промывочной жидкости используют расходомер ДАУ-3М. Уровень воды в скважине
замеряется хлопушей. Для определения гранулометрического и минерального состава используют боковые пробоотборники БП. Для определения параметров тампонажной смеси предусмотрено использовать набор приборов: Конус «АзННИ»,
прибор ВИКА, имитатора для определения закупоривающей способности и прибор Микаэлиса.
5.Выбор оборудования и контрольно-измерительных приборов «КИП».
5.1. Обоснование выбора бурового оборудования и КИП.
Площадь проектируемых работ располагается в зоне экстремальных географических и климатических условий. Бурение производится в зимний период в течении двух лет. Рельеф местности спокойный, проектом предусмотрено высокооборотное алмазное бурение, поэтому используем высокооборотные буровые установки типа УКБ-4П. Достоинства УКБ-4П: малые
затраты времени на монтажно-установочные работы, более благоприятными условиями для рабочих.
Техническая характеристика установки: Установка представляет собой комплекс бурового и электрического оборудования, сведенный в один технологический блок, перевозимый без разборки. Установка предназначена для бурения вертикальных и наклонных геологоразведочных скважин алмазными и твердосплавными коронками, с отбором керна колонковыми снарядами и снарядами ССК. В качестве привода предусмотрено использовать электродвигателя. Электроэнергия вырабатывается дизелем Д37Е-С2 с воздушным охлаждением и запуском от пускового двигателя. В состав бурового оборудования установки входят: грязевой насос НБ3 120/40, трубо разворот РЕ-1200, элеватор М3-50-80. В соответствии с уже выбранными размерами бурильных, колонковых и обсадных труб выбираем вспомогательный инструмент: ключи корончатые типа КК, ключи шарнирные трубчатые типа КШ служащие для свинчивания и развинчивания бурильных труб и забойных снарядов. Вспомогательный инструмент для осуществления спуско подъемных операций: подкладные вилки, разъемные хомуты, вертлюг-амортизатор. Выбор талевой системы начинают с выбора каната. Разрывное усилие каната определяют по формуле: P1=mI PЛ, Н; Где:mI=3-3.5-запас прочности, РЛ- грузоподъемность лебедки; P1=3,5*32=112 кН.
Таким образом, по ГОСТу 3077-69 выбираем канат 15,0-Г-1-СС-Л-Н-170
Где: 15,0- диаметр каната, Г — грузовой, 1- марка проволоки; оцинкован по группе СС; Л — левой крестовой свивки; Н — не раскручивающийся с разрывным усилием маркировочной группы по временному сопротивлению разрыву 1700 мПа.
Минимальное количество роликов в талевом блоке определяют из выражения: k?Q/2PЛ k?20/2*32=0,3 принимаем к=1 в кронблоке к1=к+1=1+1=2.
КИП для контроля параметров режимов бурения установки УКБ-4П применяют те приборы, которые установлены на станке и насосе (дрилометры, манометры, электроприборы).
5.2.Обоснование выбора для приготовления промывочных жидкостей.
В качестве промывочных жидкостей используется эмульсионный раствор на основе сульфатных мыл. Приготавливают раствор в эмульгаторе, непосредственно на буровой. Воду получают путем таяния снега. Расход промыворчной жидкости на буровую установку в сутки расчитываемпо формуле: Q=[(Y1+Y2+Y3)nC]/mC m3/сут;
Где: Y1- объем скважины;
Y2-объем резервуаров и отстойников 2-5 м3
Y3- потеря промывочной жидкости, зависит от
трещиноватости горной породы, в среднем Y3=(2-5)Y1;
nC- число одновременно бурящихся скважин.
mC –время использования промывочной жидкости.
Y1=?D2L/4 m3; Где: D- диаметр скважины L- глубина скважины; Y1=3,14*0,0592*300/4=0,82 м3; Y3=4*0,82=3,28 Q=(0,82+3+3,28)2/2=7,1 м3/сут;
5.3. Обоснование выбора средств очистки промывочной жидкости от шлама.
Для очистки промывочной жидкости от шлама применяют гидроциклонные установки, состоящие из гидроциклона и насоса с электроприводом. Гидроциклонные установки принудительно очищают структурированные промывочные жидкости как эмульсионные растворы.
5.4. Выбор бурового здания.
Буровое здание установки УКБ-4П представляет собой объемную металлоконструкцию, обшитую алюминиевыми панелями с теплоизоляционной прослойкой. Тип здания ПБЗ-4, размеры 7500 х 3160 х 2500. В светлое время суток освещение естественное, а в ночное искусственное электрическое. Система обогрева помещения – электрическая с помощью электро тэнов. В холодное время года температура в здании поддерживается не ниже +150 С. Электроснабжение
осуществляется от дизельной электростанции, напряжение в сети 380 В.
5.5. Выбор тампонажного оборудования.
Для приготовления цементного раствора применяют цементо смесительные машины СМ-4М. Она предназначена для доставки сухого цемента и приготовления раствора для тампонирования. Так для тампонирования непосредственно применяется комплект для тампонирования ТУ7 состоящий из герметизатора устья скважины, пакера для герметизации ствола скважины и смесителя для тампонирования с непосредственным смешиванием жидкого ускорителя перед тампонированием в скважине.
5.6. Составление геолого-технического наряда.
Установка УКБ-4П с приводом станка от электродвигателя АО2-71-4 мощностью 22кВт. Максимальное усилие подачи на забой 40 кН, вверх 60 кН. Максимальная производительность насоса 120 л/мин, с давлением 0,2 кПа. Все эти данные соответствуют рассчитанным режимам для твердосплавного и алмазного породоразрушающего инструмента.
Таким образом, установка УКБ-4П является наиболее рациональной для бурения геологоразведочных скважин.
Эмульсионные промывочные жидкости.
При алмазном бурении широко применяются специальные эмульсионные промывочные жидкости, которые помимо выполнения основных функций промывки (охлаждение породоразрушающего инструмента и удаление с забоя разрубленной
породы), обладают повышенными смазочными и антивибрационными свойствами и активно воздействуют на весь процесс разрушения горных пород. Такими свойствами при различной степени активности в зависимости от характера горных пород и степени минерализации вод обладает ряд жидкостей. Наибольший и практический интерес представляют жидкости, которые приготавливаются из товарных продуктов нефтеперабатывающей, химической, лесотехнической промышленности и апробированы в лабораторных и производственных условиях.
Эмульсии из кожевенной эмульгирующей пасты.
Кожевенная паста – товарный продукт, выпускаемый отечественными нефтеперерабатывающими заводами, представляет собой минеральное масло средней вязкости, загущенное натровыми мылами синтетических жирных кислот.
Пасту вводят в воду в соотношении от 1:2000 до 1:50, т.е. в концентрации 0,5-2,0?. Указанная концентрация является оптимальной для снижения коэффициента трения, повышения механической скорости бурения и стойкости алмазных коронок.
Эмульсия на основе омыленной смеси гудронов.
Омыленную смесь гудронов применяют в качестве эмульгирующей добавки к промывочным растворам при алмазном бурении. Для её приготовления могут быть использованы гудроны технических или растительных жиров или их смесей.
Смесь гудронов нетоксична, а приготовленная на ее основе эмульсия безвредна; эмульсия ОСГ снижает поверхностное натяжение воды на границе с воздухом; это свойство смеси гудрона способствует увеличению механической
скорости. Оптимальная концентрация ОСГ в промывочной жидкости находится в пределах 1,5 – 2,5 ?, зависит от состава смеси гудронов (СГ) и типа горных пород и уточняется лабораторным путем.
Мылонафтовые эмульсии
Мылонафт – это вещество, представляющее смесь натровых мыл нафтеновых кислот, собственно нафтеновых кислот, небольшого количества минерального масла и воды. Преимуществом мылонафта является содержание в нем органических кислот, обладающих наибольшей маслянистостью. Оптимальная концентрация мылонафта в эмульсии составляет 0,5 –1,0 по массе, при этом количество масляной добавки в виде свободных нафтеновых кислот колеблется в пределах 0,25 –0,5.
Эмульсии на основе сульфатных мыл.
Сульфатные мыла являются промежуточным продуктом целлюлозно-бумажного производства при изготовлении талового масла; Стабильность раствора сульфатного мыла сохраняется при жесткости воды 10·10-3 моль/л. Сульфатные мыла применяются с технической водой в концентрации 1-2%, в глинистых растворах – с концентрацией 4 % по массе.
Устранение влияния жесткости воды.
Наиболее существенное влияние на эксплуатационные свойства эмульсионной промывочной жидкости оказывают степень жесткости воды, из которой готовится эмульсия, и в меньшей степени жесткость вод, поступающих в скважину в процессе бурения. Хорошее защитное действие против разложения эмульсии в жесткой воде оказывают добавки небольшого количества (от 0,05 до 0,5 % от объема промывочной жидкости) неиогенных ПАВ типа ОП-7 и ОП-10. В этом случае
образующиеся кальциевые и магниевые соли не коагулируют, а остаются в растворе в виде микрочастиц во взвешенном состоянии в стабильной дисперсной фазе.
Эмульсия получается более стабильной и однородной, если перед разведением в жесткой воде пасту предварительно тщательно перемешать с ОП-7 или ОП-10 до получения однородного эмульсола и только потом разводить водой.
Так же жесткие воды можно смягчить введением растворов электролитов: Na2CO3; NaOH (едкий натр), Na3PO4.
Количество химикатов, необходимое для смягчения воды, рассчитывают по формуле: P=nV,
Где n- удельное количество химиката для воды данной жесткости, г/м3; V –объем промывочной жидкости, м3.