Кроме того, в настоящее время значительную трудность при построении конструкции создает выбор оптимального значения конечного диаметра скважины. Эта трудность заключается в том, что диаметр ствола должен допускать получение минимально необходимого диаметра керна, обеспечение полного комплекса опробования и проведения обязательного объема геофизических исследований, а соответствующими техническими средствами для работы в скважинах малых диаметров геологическая служба пока не располагает. Поэтому на сегодня основной конечный диаметр в алмазном бурении на рудных месторождениях 59 мм, а на угольных и аналогичных им месторождениях — 76 мм и при твердосплавном бурении на уголь — 93 мм (Донбасс). Однако в связи с общей тенденцией перехода на малые диаметры в колонковом бурении конечный диаметр скважин при алмазном бурении на рудные полезные ископаемые может быть 36—46 и 59 мм и на уголь — 59 и 76 мм.

При построении конструкции скважины следует учитывать типоразмеры бурильных труб и их соединений. Это необходимо для обеспечения определенных зазоров между стенками скважины и бурильными трубами с целью создания нормальных условий для работы промывочной жидкости в процессе бурения. Так, при бескерновом и твердосплавном бурении диаметр бурильных труб и замков рекомендуется выбирать таким образом, чтобы отношение М диаметра скважины D к диаметру соединения бурильных труб d было бы равно или меньше двух.

В алмазном бурении, наоборот, нужно стремиться к уменьшению просветов между бурильной колонной и стенками скважины с целью уменьшения вибрации колонны, износа труб и коронок и высокой аварийности. Минимальный зазор 2,5 мм допускается при условии применения виброгасящей эмульсии.

Следует стремиться к возможно большему упрощению конструкций скважин (уменьшению количества колонн, снижению их диаметров), увеличению длины интервала бурения без крепления трубами и экономии металла.

Излишне большой диаметр ствола создает тяжелые условия для работы бурового инструмента. Кроме того, большой диаметр скважины требует затраты большего, чем обычно, количества обсадных труб, увеличения подачи промывочной жидкости и расходов на ее приготовление и химическую обработку. При больших диаметрах буровых наконечников замедляется проходка, а следовательно, увеличиваются время проводки скважины и стоимость работ.

Чрезмерно малые диаметры скважин, создавая благоприятные условия для работы бурового инструмента, не допускают применения всех современных методов исследования скважин.

Расчет конструкций скважин должен производиться с учетом следующих основных требований:
а) обеспечения заданного конечного диаметра скважины;
б) возможности проведения необходимых изоляционных работ в стволе;
в) возможности проведения специальных исследований, обусловленных назначением скважины;
г) обеспечения определенных зазоров между стенками скважины и бурильными трубами, необходимых для нормальной работы этих труб и прохода промывочной жидкости в процессе бурения.

В процессе бурения скважин на твердые полезные ископаемые, особенно глубоких, иногда возникает необходимость проведения следующих изоляционных работ:
а) предупреждение возмояшости разрушения неустойчивых пород промывочной жидкостью в устье скваяшны путем установки направляющей трубы («направление»);
б) перекрытие пород четвертичных отложений или разрушенных пород в верхней части разреза путем опускания кондуктора;
в) спуск обсадных труб при возникновении в скважине различных осложнений в процессе бурения (водопроявления с высокими дебитом и напором воды, обвалы пород со стенок скважин, сильные поглощения промывочной жидкости в трещиноватых и закарсто-ванных породах и пр.);
г) при необходимости изоляции водоносных горизонтов, а также проведение специальных исследований, обусловленных назначением скважины.

Рациональной будет такая конструкция скважины, которая позволит решить геологические задачи при наименьшем числе промежуточных колонн (или при полном их отсутствии).

Для наглядности рассмотрим построение конструкций скважин при алмазном, дробовом и твердосплавном бурении, а также комбинированном бурении (твердыми сплавами и алмазами).

Если породы разреза характеризуются малой трещиноватостью и отсутствием значительных притоков воды, при которых практически отпадает необходимость крепления ствола трубами, то в этом случае целесообразно установить лишь одно направление из труб диаметром 73—89 мм на глубину 5—10 м, необходимое для закрепления устья скважины и организованного поступления потока промывочной жидкости, выходящей из скважины. Интервал скважины от 10 м до проектной глубины разбуривается алмазными коронками одного диаметра без крепления обсадными трубами. В нашем примере диаметр коронки должен быть 59 мм. Резервным будет диаметр 46 мм. Направление в устье скважины следует залить цементом.

В тех случаях, когда верхняя часть толщи диабазов разрушена (0—50 м), конструкция скважины несколько усложняется, а именно: направление из труб диаметром 108—89 мм на глубину 5—10 м п кондуктор из труб диаметром 89— 73 мм на глубину 35—50 мм. Далее, скважина бурится до проектной глубины коронками диаметром 59 мм.

Пример 2. Требуется пробурить скважину на месторождении каменного угля до глубины 2000 м при условии качественного опробования угольных пластов л производства геофизических исследований с заданным конечным диаметром 76 мм при алмазном бурении и 93 мм при твердосплавом бурении.

В этом случае можно пробурить всю скважину только твердосплавными долотами и коронками, либо, учитывая мощную толщу песчаников и известняков VII—VIII категории, с целью ускорения и удешевления работ — комбинированным способом (твердыми сплавами до глубины 900—1000 м и алмазами 1000—2000 м).

При бурении твердыми сплавами на всю глубину скважины могут быть следующие случаи:
1) осложненные условия работ в разрезе верхней половины скваяшны (обваливающиеся и размываемые породы, притоки воды и пр.), требующие перекрытия отдельных интервалов пород обсадными трубами с тампонажем цементом;
2) условия средней трудности бурения (разрушенные породы в интервале 100—400 м), требующие перекрытия обсадными трубами;
3) бурение в спокойном геологическом разрезе в относительно устойчивых породах, практически не требующих крепления обсадными трубами.

Достаточно сложную конструкцию имеют скважины, целевым назначением которых является разведка на различные соли (каменная, калийные и пр.). Сложность конструкции скваяшны определяется следующими условиями. ,

1. Необходимостью получения керна в нужном объеме с сохранением естественной структуры соли. Так как соли сравнительно легко разрушаются промывочной жидкостью, то для получения образца соли с ненарушенной структурой приходится разбуривать пласты коронками значительного диаметра, порядка 112 мм и более;

2. Необходимостью надежной изоляции продуктивной толщи от возможного обводнения полезного ископаемого верхними и нижними водами. Для этого приходится опускать в скважину несколько колонн обсадных труб с последующим цементированием их.

Конечный диаметр скважины при опробовании солей составляет 112—93 мм. Разработка конструкций скважин при бурении на различные соли производится на месте с учетом специфики геологических и горно-технических условий конкретного месторождения,

основные процессы при бурении скважины, сборка бурового инструмента

На рис. 1 показан состав бурового инструмента при различных видах колонкового бурения (алмазное, твердосплавное, дробовое).

Выше было указано, что состав бурового инструмента, спускаемого в скважину, включает буровой снаряд, колонны бурильных труб и утяжеленные бурильные трубы (УБТ).

Перед началом соединения коронки, колонковой трубы и переводника на бурильную трубу в один снаряд осматривают внимательно каждый из этих предметов, помня, что недоброкачественный инструмент, опущенный в скважину, может привести к аварии, на ликвидацию которой затрачивается много времени и средств.

При осмотре и проверке деталей необходимо учитывать следующие требования.
1. Наруяшый диаметр тела коронки должен соответствовать принятому стандарту. Замер диаметра коронки производят штангенциркулем.
2. Наружный диаметр расширения по выступающим наружу граням резцов твердого сплава (или алмазсодержащей матрицы в алмазных коронках и расширителях) должен быть в точности равен размерам, указанным в техническом наряде.

Рис. 1. Состав бурового снаряда при различных видах колонкового бурения.
а — снаряд для бурения твердыми сплавами. 1 — буровая коронка; 2 — колонковая труба; 3 — переходник; 4 — бурильные трубы; 5 — замок; в — сальник для промывочной жидкости. б — снаряд для бурения дробью. 1 — дробовая коронка; 2 — колонковая труба; 3 — переходник; 4 — шламовая труба; 5 — бурильные трубы; 6 — сальник для промывочной жидкости. в — снаряд для алмазного бурения. 1 — буровая коронка с кернорвателем; t — алмаз- -ный расширитель; 3 — колонковая труба; 4 — переходник; 5 — шламовая труба; 6 — бурильные трубы.

3. То же относится к замеру внутреннего диаметра коронки но выступающим граням, внутренних резцов твердого сплава.
4. Резьба на коронке, колонковой трубе и переходнике не должна иметь смятых или выкрошенных ниток.
5. Колонковая труба доляша быть совершенно прямой по всей длине. Кривая труба приведет к отклонению ствола скважины от заданного направления (искривление скважины). Проверку прямолинейности колонковой трубы производят при помощи деревянной линейки с окованной гранью. Последовательным прикладыванием окованной грани линейки к поверхности трубы в различных плоскостях устанавливают величину искривления колонковой трубы.
6. Отдельные инструменты, входящие в состав снаряда, не должны иметь вмятин, выколотых мест, глубоких раковин, трещин, глубоких следов удара и прочих нарушений.

Отдельные части снаряда соединяют при помощи резьбы. Вначале соединяют колонковую трубу и коронку с кернорвателем, затем переходник с колонковой трубой на первую бурильную трубу.

Все резьбовые соединения частей бурового инструмента должны быть плотными и завернутыми до отказа.

При правильно нарезанных концах инструменты соединяются плавно и легко с постепенно нарастающим усилием при вращении. Обычно коронку и переходник завертывают от руки на 3/4 длины нарезки. Резьбовые соединения крепят шарнирными ключами. Особенно осторожно требуется соединять коронку с колонковой трубой, чтобы не повредить резцов. Резьбовые соединения со значительной слабиной или, наоборот, очень тугие должны быть забракованы. После закрепления резьбовых соединений ставят на концах зубилом метки для проверки прочности соединения после каждого рейса.

Нарезанные концы должны быть предварительно очищены от грязи, вытерты досуха тряпкой и смазаны. Лучшей смазкой для резьбы является графитовая. При ее отсутствии можно употреблять отработанное машинное масло, предварительно очищенное от механических примесей.

Для уплотнения соединений бурильных труб, особенно при алмазном бурении, следует применять прокладки или подмотки, что предохранит от потери промывочной жидкости в результате утечек в резьбовые соединения. При алмазном бурении потери промывочной жидкости в резьбовых соединениях могут привести к «прижогу» коронки.

Спуск инструмента в скважину

На спуско-подъемные операции в разведочном бурении, особенно при бурении глубоких скважин, затрачивается 25—30% от всего времени проводки скважины. Поэтому сокращение времени спуска и подъема каждой отдельной свечи, хотя оно и выражается секундами, имеет большое практическое значение.

Выполнение и перевыполнение норм времени на спуско-подъемные операции передовыми бригадами достигается за счет высокой квалификации буровых рабочих, хорошо усвоивших последовательность выполнения отдельных операций.

Непременным условием успешного проведения спуско-подъемных операций является исправность и надежность работы основного и вспомогательного оборудования и инструмента, например, тормоза лебедки, фрикциона и муфты включения, элеватора для бурильных труб, приспособления для механического разворота инструмента, ключей и пр. Тормозное устройство должно обеспечивать полную остановку инструмента в любом интервале скважины. Вся операция по наращиванию инструмента и спуска его в скважину должна проходить в быстром, но ровном темпе, без лишней суеты и спешки. Спуск последней свечи производится с обязательной промывкой, а в призабойном участке зауженной части ствола — с промывкой и вращением снаряда.

Спуск снаряда в скважину на чрезмерно высоких скоростях может привести к возникновению аварий с наземным оборудованием, например, с буровой вышкой, талевой системой. Причиной этого может быть мгновенная задержка спуска инструмента на неровностях стенок скважин, вследствие чего образуется большая слабина талевого каната и наличие удара при последующем падении снаряда на длину свободного каната. Практически это может привести к обрыву каната, нарушению прочности копра или мачты, выпадению каната из канавок роликов кронблока и пр.

Проработка и разбуривание скважин

В процессе проходки скважины по мере углубления породораз-рушающий инструмент срабатывается как по наружному, так и по внутреннему диаметру. При чрезмерно больших длинах рейса эта потеря первоначального диаметра достигает весьма значительных величин. В результате скважина теряет диаметр, и новый наконечник того же номинального диаметра, что и предыдущий, не может быть свободно поставлен на забой. Возникает необходимость проработки определенного интервала скважины. Процесс проработки весьма сложный и занимает значительное время, иногда даже большее, чем само бурение этого интервала. Его обязательно осуществляют на пониженных оборотах снаряда при малой его подаче и обильной промывке. Увеличение числа оборотов или подачи сраряда может привести к его поломке или прихвату. Поэтому для каждого типа пород и вида породоразрушающего инструмента необходимо установить оптимальную длину рейса по интервалам глубин и строго ее придерживаться.

С целью исключения проработки ствола при спуске новых наконечников следует перед началом бурения замерить фактические диаметры всех имеющихся наконечников каждого диаметра, которые будут отработаны на данной скважине, и установить рациональный порядок их отработки. Это важно потому, что стандартами предусмотрены определенные допуски на изготовление каждого вида наконечников. Допуски по диаметру имеют как положительное, так и отрицательное значение. Поэтому наконечники с одним и тем Hie номинальным диаметром фактически могут отличаться по диаметру друг от друга на значительную величину. При рациональной отработке следует наконечники с большим фактическим диаметром отрабатывать в первую очередь.

Перед опусканием колонны обсадных труб ствол скважины следует проработать новым долотом или новой полномерной коронкой, чтобы быть уверенным в свободном проходе труб до забоя. Проработка скважины в этом случае производится на всем интервале, подлежащем креплению трубами, начиная от башмака предыдущей колонны до места предстоящей остановки башмака подлежащей спуску колонны труб.

При бурении скважины сплошным забоем проработку ствола следует производить полномерными лопастными или шарошечными долотами (в зависимости от твердости пород).

Разбуривание (расширение) скважины является весьма трудоемкой и длительной операцией, не дающей проходки, поэтому к раз-буриванию скважин прибегают в редких случаях при необходимости:
а) увеличения диаметра скважины по всему стволу вследствие изменения ее конструкции, вызванного неожиданным появлением полезного ископаемого, когда скважина имеет большую глубину;
б) увеличения диаметра скважины на отдельных интервалах, когда бурение производилось коронкой или колонковым долотом меньшего диаметра с целью разведки нижележащих горизонтов пород, например, перед спуском колонны обсадных труб и цементации скважины;
в) бурения скважины большим диаметром, чем позволяет техническая характеристика станка;
г) обуривания оставшейся в скважине аварийной колонковой трубы снарядом большего диаметра.

При расширении скважины следует работать новыми коронками и долотами нормального диаметра. Сработанные коронки и долота для расширения скважины применять нельзя. При наличии шарошечных долот лучше применять их. Бурение с расширением производится при сниженных числе оборотов шпинделя и давлении на забой.

—

Конструкцией скважины называется схема ее устройства, в которой указывается начальный, промежуточные и конечный диаметры применяемого породоразрушающего инструмента, диаметры и длины обсадных колонн, глубина скважины, места и способы тампонирования.

Конструкция скважины зависит от: физико-механических свойств горных пород, слагающих геологический разрез; конечного диаметра скважины; глубины скважины; цели и способа бурения.

При выборе конструкции скважины определяющими факторами служат геологические условия и технические средства.

Диаметры скважины выбираются из условия обеспечения эффективного решения поставленной задачи (получение качественной пробы в необходимом количестве, проведение комплекса намеченных наблюдений, исследований и пр.).

При разведке твердых полезных ископаемых минимальный диаметр керна обусловливается необходимостью обеспечения надежной массы пробы, которая устанавливается с учетом требований к опробованию в зависимости от типа месторождения и распределения в полезном ископаемом ценного компонента.

ВИТР разработаны рекомендации по минимальным диаметрам керна, обеспечивающим представительное опробование различных генетических типов месторождений руд. Однако при проектировании конструкции геологоразведочных скважин указанные рекомендации нельзя считать универсальными и стандартными для всех случаев опробования рудной зоны. В каждом конкретном случае, ориентируясь на рекомендации, необходимо учитывать специфику геологических условий месторождения, цели и задачи разведки, а также возможность использования имеющейся в наличии скважинной геофизической аппаратуры.,

Необходимо учитывать, что возможность сохранения керна и получения его в необходимом количестве в значительной мере зависит от вида полезного ископаемого и типа породоразрушающего инструмента.

Для снижения стоимости скважины бурить ее следует при возможно меньших диаметрах. Самую простую конструкцию имеет скважина с одним диаметром без закрепления стенок обсадными трубами.

Конечный диаметр гидрогеологической скважины определяется диаметром устанавливаемого в ней фильтра и габаритными размерами водоподъемника, которые в свою очередь зависят от расчетной производительности скважины.

Выбор конструкции скважины начинают с конечного диаметра, причем стараются всегда выбрать наиболее простую, но вместе с тем надежную конструкцию, которая обеспечила бы бурение до проектной глубины без каких-либо осложнений.

Приняв конечный диаметр, намечают участки скважины для закрепления обсадными трубами. После определения количества колонн обсадных труб становится ясным, какого диаметра должна быть скважина при забуривании. Обсадные трубы необходимы для:
а) закрепления устья скважины, придания ей первоначального направления и отвода выходящей из нее промывочной жидкости в желоба;
б) перекрытия неустойчивых и разрушенных пород с целью предупреждения их обвалов;
в) разобщения водоносных горизонтов, которое для большей надежности выполняется с тампонированием, т. е. заполнением затрубного пространства глиной или цементным раствором;
г) предохранения полезного ископаемого на забое от загрязнения осыпающимися породами, залегающими выше;
д) перекрытия трещиноватых пород, зон тектонических разломов, горных выработок, пустот с целью прекращения потери промывочной жидкости.

Колонны обсадных труб устанавливаются в скважине концентрично и обычно каждая из них выводится на поверхность. Первая с поверхности, наибольшая по диаметру колонна служит для закрепления устья скважины, предохранения его от размывания, а также для отвода промывочной жидкости.

После того как будут намечены количество, диаметры и глубины спуска колокн обсадных труб, выбирают типы и диаметры породоразрушающих инструментов для бурения скважины на отдельных интервалах.

Изучение фактических конструкций скважин позволило разработать их типовые проекты. Разработаны типовые конструкции инженерно-геологических скважин глубиной до 50 м, типовые конструкции скважин для разведки различных видов полезных ископаемых.

В основу классификации рациональных типовых конструкций скважин на твердые полезные ископаемые приняты следующие принципы:
1) типовые конструкции скважин должны отвечать требованиям специфики геолого-технических условий бурения для отдельных видов полезных ископаемых;
2) определяющими факторами типовых рациональных конструкций скважин являются: конечный диаметр скважин; число колонн обсадных труб; число ступеней изменения диаметра породоразрушающего инструмента после крепления ствола обсадными трубами;
3) типовые конструкции скважин должны обеспечивать возможность получения качественной геологической документации и проведения требуемого комплекса исследований в скважине с использованием для этого основных видов аппаратуры и приборов существующего стандарта..

Типовые конструкции скважин позволяют расширить область внедрения прогрессивных способов бурения и применения форсированных режимов с одновременным уменьшением аварийности, связанной с поломками бурильного вала из-за несовершенства конструкции скважин.

Типовые конструкции скважин значительно уменьшают металлоемкость буровых работ. Это весьма важно, так как ежегодный расход обсадных труб на колонковом бурении достигает 53—54 тыс. т, а расход бурильных труб на 1 м бурения составляет около 1 кг.