книги из ГПНТБ / Механизация вспомогательных операций в разведочном бурении

МЕХАНИЗАЦИЯ

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ

ОПЕРАЦИЙ В РАЗВЕДОЧНОМ

БУРЕНИИ

ИЗДАТЕЛЬСТВО « Н Е Д Р А » М о с к в а , 1 9 7 3

У Д К 6 2 2 . 1 4 3 : 6 2 2 . 2 3 . 0 2

Механизация вспомогательных операций в раз­

П.А. Петров.

Вкниге подробно рассмотрены различные кон­ струкции средств механизации, вышек, мачт п опыт_ пх эксплуатации. Описана механизация спуско/ подъемных операций за счет совмещения во времени выполнения других процессов. Приведены различные конструктивные решения п технолопгческие схемы комплексов механизмов, разработанных в Советском Союзе и за рубежом. На основе анализа работы от­ дельных средств механизации разработана новая классификация, даны рекомендации по наиболее перспективным направлениям конструирования этих

Книга предназначена для инженерно-технических работников производственных и проектных органи­ зации геологоразведочной службы, может быть по­ лезной для студентов геологоразведочных вузов. Таблпц 3 2 , иллюстраций 9 4 , список литературы — 108 назв.

ВВЕДЕНИЕ

Разведочное бурение было и остается одним из эффективных способов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. Затраты на разведочное бурение составляют свыше 20% от общих затрат на геологоразведочные работы. В последние годы проделана значительная работа и приняты конкретные меры по совершенство­ ванию техники, технологии и организации работ, что должно обе­ спечить дальнейшее повышение эффективности разведочного бу­ рения.

Одним из сложных вопросов разведочного бурения, над кото­ рым успешно работают конструкторские и производственные органи­ зации, является механизация вспомогательных операций. За послед­ ние годы этими организациями разработаны конструкции механизмов для свинчивания и развинчивания бурильных и обсадных труб, полуавтоматические элеваторы, свечеукладчнкн, комплексы меха­ низмов, позволяющие механизировать и автоматизировать отдель­ ные вспомогательные операции, вышки и мачты; созданы портативные буровые установки, дающие возможность механизировать ручное бурение; разработаны средства механизации для обработки кернового материала и др.

Авторы работы сделали попытку критически обобщить имеющиеся конструкторские решения механизации вспомогательных операций в разведочном бурении, систематизировать их, дать краткое описа­ ние, эффективность их практического применения и наметить даль­ нейшие пути развития рассматриваемого вопроса.

Для обмена опытом авторы приводят описания не только серийно выпускаемых механизмов и приспособлений, но и разработанных в производственных геологических организациях и с успехом при­ меняемых ими, полагая, что опыт по механизации вспомогательных операций положительно отразится на творческой деятельности

конструкторских п производственных организаций, рационализа­ торов, изобретателей и новаторов производства.

Механизация вспомогательных операций в бурении в научнопроизводственной литературе в последнее время в обобщенном виде практически не рассматривалась.

Авторы выражают искреннюю благодарность проф. Б. И. Воздви­ женскому, проф. С. А. Волкову и ряду специалистов, высказавшим свои пожелания и критические замечания в процессе подготовки книги.

сятся. Простейшие расчеты показывают, что увеличение механиче­ ской скорости в два раза при неизменной проходке за рейс вызовет аналогичный рост затрат времени на спуско-подъемные операции и значительное снижение времени чистого бурения, что позволит увеличить среднюю скорость проходки более чем на 40% .

В связи с этим наиболее перспективными направлениями техни­ ческого развития разведочного бзфения являются: внедрение съем­ ных керноприемников, разработка способа гидравлического подъема керна из скважины в процессе бурения, автоматизации и механиза­ ция спуско-подъемных операций, разработка унифицированных, более транспортабельных буровых установок, использование кото­ рых позволит сократить время на спуско-подъемиые операции, монтажно-демоытажные работы и перевозку бурового оборудо­ вания.

Затраты времени и средств на производство спуско-подъемных операций в зависимости от глубины скважины и других условий могут колебаться в широких пределах, достигая 40—45% от общего времени бурения. В отдельных случаях продолжительность спускоподъемных операций может достигать 80% от рейсового рабочего времени.

Влияние спуско-подъемных операций па продолжительность бу­ рения определяется известной зависимостью

г Д е vc..p — рейсовая скорость бурения; h — проходка за рейс; t4 б — время чистого бурения; tc „ — затраты времени на спуско-подъем инструмента и подготовительно-заключительные операции.

Факторы, влияющие на общую продолжительность спускоподъемных операций, можно разделить на две группы: первая

К первой группе относятся: глубина скважин, средняя рейсовая проходка и характер ее изменения с глубиной; ко второй — мощ­ ность привода лебедки, длина и весовая характеристика свечей бурильных труб, скорость спуска и подъема нагруженного и порож­ него элеватора, степень механизации и автоматизации спуско-подъем­ ных операций и квалификация буровой бригады.

Время на выполнение спуско-подъемных операций выражается степенной зависимостью от глубины скважины. Впервые эту зави­ симость установил М. А. Капелюшников. Формула, предложенная им для определения продолжительности спуско-подъемных опера-

ций при условии, что рейсовая проходка за время бурения скважины остается постоянной, имеет вид

тельность спуска и подъема одной свечи.

Из выражения (2) следует, что продолжительность спуско-подъем­ ных операций пропорциональна квадрату глубины скважины.

Вместе с тем эта формула не учитывает ряд факторов. При по­ стоянной мощности лебедки бурового станка по мере увеличения глубины скважины, а следовательно, и увеличения веса бурильной колонны, скорость подъема уменьшается, что влечет за собой увели­ чение времени t. Кроме того, с увеличением глубины скважины обычно растет буримость горных пород, что вызывает быстрое затуп­

рейсовой проходки, мощности привода, веса и длины свечи и ряда других факторов.

Расчеты, выполненные по этой формуле, показывают, что увели­ чение глубины скважины в два раза при прочих равных условиях вызывает рост продолжительности спуско-подъемных операций от 4 до 6 раз.

Я. М. Киршеибаум, исследуя выражение (2), пришел к выводу, что общая продолжительность спуско-подъемных операций пропор­ циональна конечной глубине скважины со степенью от 2 до 3. Эта зависимость имеет вид

Из приведенных формул видно, что с ростом глубины бурения затраты времени на производство спуско-подъемных операций воз­ растают в степенной зависимости с показателями степени от 2 до 3.

Такая большая трудоемкость спуско-подъемных операций при бурении глубоких скважин объясняется прежде всего прерывистостью

этих операций. Действительно, при подъеме инструмента из скважи­ ны бурильный вал расчленяется на относительно короткие свечи

чивается около четырех месяцев, из них примерно 0,8 стаико-месяца расходуется на операции, связанные со спуском и подъемом инстру­ мента. Если не менять технологии спуско-подъемных операций, то на проходку разведочной скважины глубиной 3000 м на спуско-

свечп большой длины и тем самым сократить время на спуско-подъем- ные операции. Однако при этом увеличиваются сроки монтажных работ, вес оборудования, стоимость бурового станка и копра. Для предохранения свечей, имеющих критическую длину, от продоль­ ного изгиба, они должны подвешиваться, что вызывает значительное усложнение конструкции верхнего пояса вышки. Работы в этом направлении не могут дать большого эффекта.

Наиболее эффективным мероприятием по сокращеиию времени на спуско-подъемные операции является увеличение проходки за рейс. По данным хронометражных наблюдений в настоящее время фактическая проходка за рейс в среднем на 30—35% выше норми­ руемой. С переходом на алмазное бурение рейсовая проходка возра­ стает. Вместе с тем увеличение проходкп за рейс ограничивается. При бурении в мягких породах увеличение рейсовой проходки вы­ зывает снижение выхода керна, а в твердых породах углубка прекра­ щается вследствие «самозаклинки» керна в колонковой трубе.

Перспективным направлением работ при внедрении алмазного бурения является применение двойных удлиненных колонковых труб, что позволяет уменьшить количество «самозаклинок» керна.

Внедрение бескернового бурения даст возможность значительно сократить затраты времени на спуско-подъемные операции, так как в этом случае проходка за рейс в основном определяется износо­ стойкостью породоразрушающего инструмента. В скважинах отно­ сительно большого диаметра бескерновое бурение можно сочетать с использованием боковых стреляющих и сверлящих грунтоносов. Однако развитие этого способа бурения сдерживается методическими факторами и невозможностью получения полной геологической характеристики проходимых пород. В дальнейшем, при отработке геофизических методов скважинных исследований, а также методов анализа проходимых пород по шламу, бескерновое бурение получит значительное развитие.

Способ бурения, при котором керн транспортируется промы­ вочной жидкостью через внутреннюю полость бурильных труб, также позволяет значительно увеличить проходку за рейс до зна­ чений, определяемых ресурсом коронки. Для применения этого способа бурения необходимо решить ряд технических задач и прежде всего — создать сдвоенную бурильную колонну для того, чтобы можно было бурить в условиях поглощения промывочной жидкости. При гидравлическом транспортировании керна с больших глубин неизбежны его нарушения и размыв. Крайне затруднительно точное фиксирование глубины, с которой поднимается керн. В случае пре­ ждевременной остановки насоса возможна расклинка керна в раз­ личных участках бурильной колонны. Эти факторы сужают область рационального применения метода.

Бездолотный метод взрывобурения, при котором порции взрыв­ чатого вещества в специальных ампулах непрерывно транспорти­ руются потоком жидкости к забою, в настоящее время не может решить проблему резкого сокращения спуско-подъемных работ из-за ряда существенных недостатков. К ним относятся: снижение объема разрушаемой породы при увеличении гидростатического давления с ростом глубины скважины, невозможность бурения в вязких поро­ дах, нестабильность диаметра ствола скважины с образованием больших каверн и связанные с этим трудности по очистке забоя от остатков ампул и крупного шлама, высокая стоимость 1 м про­ ходки.

Использование электробура, опускаемого в скважину на кабельканате, позволяет значительно сократить затраты времени на произ­ водство спуско-подъемных операций. Однако отсутствие колонны труб вызывает необходимость решения проблемы восприятия реак­ тивного момента, развиваемого на электробуре, и создания необхо­ димой нагрузки на долото. Конструктивное решение передачи реактивного момента стенкам скважины оказалось очень сложным. Гашение реактивного момента инерцией вращающейся массы эле­ ктробура за счет систематического переключения (через равные про­ межутки времени) с прямого вращения на обратное существенно ухудшает условия работы долота. Осевая нагрузка на забой осуще­ ствляется только весом самого бура, так как подвеска дополнитель­ ных утяжелителей ограничивается грузоподъемностью кабель-ка­ ната. Все это явилось следствием снижения механической скорости бурения и проходки на долото. Кроме того, проходка на долото ограничивается емкостью шламоуловителя.

Повышение мощности привода буровой лебедки и уменьшение веса колонны бурильных труб влияют на продолжительность спускоподъемных операций, так как подъем колонны бурильных труб может осуществляться на больших скоростях. Однако скорости приходится ограничивать в связи со значительными колебаниями давления промывочной жидкости в процессе спуска и подъема труб в скважине. Амплитуда колебаний давления, возникающих при спуско-подъемных операциях, зависит от многих факторов и прежде