Совершенствование техники и технологии геологоразведочного бурения, повышение эффективности буровых работ и снижение их себестоимости является актуальной задачей разведки месторождений полезных ископаемых. Одним из прогрессивных и высокоэффективных способов бурения в определенных условиях является бурение скважин с продувкой воздухом и другими газообразными агентами. Бурение с продувкой воздухом является эффективным в самых неблагоприятных для жидкостной промывки условиях: при бурении в зонах значительных потерь циркуляции, при затруднениях с водоснабжением, высокогорной или труднопроходимой местности или в районах с суровым климатом.
В данной статье рассматриваются также преимущества и недостатки бурения скважин с применением воздуха.
Ключевые слова: бурение, температурный режим, давление, забой, скважина, продувка воздухом, коронка, неблагоприятные условия
Improvement of technics and technology of prospecting, improving the efficiency of drilling operations and reduce cost is an urgent task of mineral exploration. One of the most progressive and efficient ways of drilling in certain conditions, is drilling wells with scavenging air and other gaseous agents. Drilling with a purge air is effective in the most adverse conditions for liquid washing, when drilling in zones of considerable losses of circulation, in case of difficulties with water supply, a mountain or difficult terrain or in areas with severe climate.
In this article discusses the advantages and disadvantages of drilling wells using air.
Key words: drilling, conditions of temperature, pressure, bottom, borehole, purge air, cutter head, rugged environment
Совершенствование техники и технологии геологоразведочного бурения, повышение эффективности буровых работ и снижение их себестоимости является актуальной задачей разведки месторождений полезных ископаемых.
Для повышения эффективности проходки возникает необходимость внедрения высокопроизводительных технологических процессов.
В настоящее время, одним из прогрессивных и высокоэффективных способов бурения в определенных условиях является бурение скважин с продувкой воздухом и другими газообразными агентами.
В области бурения разведочных скважин, весьма важной для обеспечения минерально-сырьевой базы народного хозяйства, одно из перспективных направлений научно-технического прогресса — рациональное применение газообразных очистных агентов вместо промывочной жидкости. Сущность этого способа заключается в том, что для очистки забоя от разбуренной породы применяется газообразный агент, в частности сжатый воздух. Из компрессора воздух поступает через нагнетательный шланг в бурильные трубы. При выходе из-под торца режущего инструмента воздух, расширяясь, поднимается по затрубному пространству, увлекая за собой разбуренную породу в выкидную линию и затем в шламосборник, где шлам улавливается специальными приспособлениями, а воздух, свободный от породы, уходит в атмосферу [2, с. 9].
Практикой бурения доказано, что применение сжатого воздуха как очистного агента обеспечивает значительное повышение механических скоростей бурения и снижает затраты времени на ликвидацию геологических осложнений, благодаря чему резко возрастают производительность и экономичность буровых работ.
Наибольшая эффективность бурения с продувкой достигается в устойчивых породах при отсутствии водопритоков. Оно успешно производится в обломочных породах, которые имеют слабую связь между частицами и при бурении с промывкой дают обвалы.
Без всяких осложнений происходит бурение в сухих породах, набухающих или разрушающихся при смачивании водой: мел, глины, аргиллиты, угли, различные растворимые соли и т. д.
Бурение с продувкой воздухом является эффективным в самых неблагоприятных для жидкостной промывки условиях: при бурении в зонах значительных потерь циркуляции, при затруднениях с водоснабжением, высокогорной или труднопроходимой местности или в районах с суровым климатом.
Бурение скважин с применением воздуха в благоприятных условиях обладает рядом существенных преимуществ:
– по сравнению с бурением с промывкой, механическая скорость проходки увеличивается от 4÷5 раз в более твердых и в 2÷3 раза в мягких породах вследствие уменьшения гидростатического давления на забой скважины, отсутствие на забое фильтрационной глинистой корки или толстого ламинарного подслоя, которые препятствуют удалению продуктов разрушения породы с забоя [4, с. 9];
– исключаются расходы на приобретение и транспортировку воды, глины и реагентов для обработки глинистых растворов, что особенно важно при сильных морозах, в безводных местностях и т. д.;
– в ряде случаев можно беспрепятственно бурить интервалы полного поглощения промывочной жидкости. При этом исключаются затраты времени и средств на борьбу с поглощениями;
– улучшаются условия работы буровой бригады, особенно при низких температурах атмосферного воздуха;
– упрощаются и облегчаются монтажные работы, так как не требуется устраивать отстойники, желобную систему и т. п. Такое преимущество особенно важно при массовом бурении мелких скважин самоходными буровыми установками в мягких породах;
– устраняются выпучивания, размыв стенок скважин и обвалы в породах, естественная структура которых нарушается при смачивании водой;
– облегчаются гидрогеологические наблюдения в скважинах, легко обнаруживаются водоносные, нефтеносные и газоносные горизонты;
– устраняются загрязнения и обводнения призабойной зоны в разведочных скважинах, вследствие чего значительно облегчается освоение скважин и увеличивается их дебиты при эксплуатации;
– устраняется загрязнение, размыв и растворение керна;
– исключаются простои буровых бригад и оборудования из-за недостатка промывочной жидкости;
– облегчения производства измерений искривлений, температур в стволе скважины и т. п.
– улучшаются условия обнаружения литологических контактов по шламу при бескерновом бурении, так как частицы шлама, отделяемые от забоя, не смешиваются в скважине с частицами шлама вышележащих горизонтов и, имея большую скорость подъема, быстро выносятся на поверхность;
– вследствие подачи в скважину сжатого воздуха или водовоздушной смеси можно бурить при помощи пневматических забойных двигателей — пневмоударников, которые благодаря своей высокой эффективности получили широкое распространение в горнорудной промышленности.
Благодаря перечисленным выше преимуществам продувки стоимость 1 м проходки по сравнению с бурением с жидкостной промывкой снижается иногда до 50 % [4, с. 11].
Бурение геологоразведочных скважин с очисткой забоя воздухом, в определенных условиях имея ряд преимуществ по сравнению с жидкостной промывкой, также и имеет некоторые недостатки.
Так как воздух имеет низкую теплоёмкость по сравнению с жидкостными промывочными растворами, таким образом, возникает отрицательное действие температурного фактора, сказывающегося на работе породоразрушающего инструмента через высокие контактные температуры с необратимыми последствиями как деформации матриц, разрушение алмазов, зашлифования, снижение твердости алмазов и прижоги инструмента [2, с. 10].
При бурении с продувкой повышается энергоемкость бурения за счет применения компрессорных установок, мощность привода которых значительно больше, чем у насосов, применяемых в аналогичных условиях.
Также, не маловажным фактором, влияющим отрицательно на эффективность бурения с продувкой воздухом, является высокие температуры, возникающие на забое, за счет перехода механической энергии работающего инструмента в тепловую.
Так как воздух имеет низкую теплоёмкость по сравнению с жидкостными промывочными растворами, таким образом, возникает отрицательное действие температурного фактора, сказывающегося на работе породоразрушающего инструмента через высокие контактные температуры с необратимыми последствиями как деформации матриц, разрушение алмазов, зашлифования, снижение твердости алмазов и прижоги инструмента.
В контактах объемных алмазов с забоем при разрушении твердых пород возникают температуры 600–800°С и выше, которые вызывают снижение абразивных качеств алмазов на 30–60 % от первоначальных значений [1, с. 4].
При бурении с продувкой воздухом температурный фактор также отрицательно влияет на состояние керна, в процессе прогрева и охлаждения керн испытывает температурные напряжения, в определенный момент достигающие максимальных значений, при которых происходить разрушение его целостности [1. с33].
Также в работе [3, с. 142] приводится отрицательное влияние высоких температур на работу бурильных и обсадных труб. При глубоком бурении температурные напряжения, возникающие в колонне бурильных труб, могут привести к изгибу труб.
Все эти особенности приводит к снижению роста производительности и качества разведочного бурения с продувкой воздухом.
Предотвращение отрицательных факторов, снижающих эффективность бурения геологоразведочных скважин с продувкой воздухом, возможно решением задач, связанных со снижением энергетических затрат компрессора и нормализацией температурного режима.
Литература:
1. Горшков Л. К., Гореликов В. Г. Температурные режимы алмазного бурения. — М.: Недра, 1992.
2. Джураев Р. У. Исследование температурного режима при бурении геологоразведочных скважин с продувкой воздухом и использованием системы утилизации тепла. Диссертация кандидата технических наук. Москва, 2015.
3. Есьман Б. И. Дедусенко Г. Я. Яишиников Е. А. Влияние температуры на процесс бурения глубоких скважин. М.: Недра, 1962.
4. Филатов Б.С, Макурин Н. С., Абрамсон М. Г., Кирсанов А. И. Бурение геологоразведочных скважин с продувкой воздухом. М.: Недра, 1964.
