Технология вращательного бурения скважин с удалением продуктов разрушения шнековым транспортом

Механическая скорость бурения зависит, как известно, от конструкции породоразрушающего инструмента и режимных параметров: частоты вращения и осевой нагрузки. При бурении с удалением продуктов разрушения шнеками существенную роль в этом процессе играет транспортная производительность шнека. Она должна обеспечивать удаление разрушаемой породы, объем, который определяется скоростью углубки и площадью забоя (при бескерновом бурении — диаметром скважины). Приближенно транспортная производительность (м3/ч) шнека может быть определена выражением

где D — диаметр шнека, м; S — шаг витка шнека, м; n — частота вращения шнека, об/мин; ф — коэффициент наполнения шнека (для сыпучих пород ф = 0,3, для вязких — 0,8).

Упрощая выражение, получаем

Отсюда видно, что объем транспортируемой массы зависит в основном от диаметра скважины, шага витков шнека и коэффициента его наполнения, а скорость транспортирования (производительность) — от частоты вращения.

Таким образом, с увеличением частоты вращения n увеличивается транспортная производительность шнека, но возрастает и механическая скорость бурения, а следовательно, и объем разрушенной в единицу времени породы. Это обстоятельство следует учитывать при подборе параметров режима бурения, в частности значения частоты вращения. Практически частоту вращения подбирают в пределах 100—300 об/мин в зависимости от условий бурения. При частоте вращения менее 100 об/мин и свободной подаче снаряда шнек будет просто ввинчиваться в массив породы без образования продуктов разрушения. Такой процесс получил не очень удачное название «винтовое бурение».

Величина осевой нагрузки играет существунную роль при бурении плотных и сравнительно твердых пород, а также при забуривании скважин. Создается осевая нагрузка за счет веса шнеков и вращателя, усилия механизма подачи, а также за счет реактивной силы, возникающей от действия веса транспортируемого материала, заполняющего шнек. Поэтому при бурении скважин, имеющих определенную глубину в рыхлых, сыпучих и мягких породах, обычно дополнительную осевую нагрузку не создают. В породах более твердых и при забуривании скважин (при их малой глубине) создается дополнительная нагрузка с помощью механизма подачи. В зависимости от твердости пород, диаметра и глубины скважин уровень осевой нагрузки на забой может колебаться в пределах от 0,8—1,2 до 15—20 кН.

Бурение неглубоких скважин с удалением продуктов разрушения шнеками можно производить по двум технологическим схемам — несколькими короткими рейсами (многорейсовое бурение) и одним рейсом (однорейсовое или «поточное» бурение) и в двух режимах: с полным разрушением породы или ввинчиванием снаряда («винтовое бурение»).

Выбор той или иной технологической схемы и режима бурения определяется геолого-техническими условиями и целью бурения скважин.

При бурении скважин в мягких и рыхлых породах (суглинках, супесях, влажных песках) применяют винтовые и двухлопастные долота (см. рис. 27.1, рис. 27.5). Учитывая, что шнековый инструмент при свободной, а тем более принудительной подаче способен ввинчиваться в массив, в результате чего появляется тяговое усилие и могут возникать осложнения, бурение в таких породах ведут при повышенной частоте вращения (до 150—200 об/мин) и без дополнительной нагрузки, а в некоторых случаях с ограниченной скоростью подачи снаряда. Дополнительную нагрузку создают только при забуривании скважины.

Бурение скважин в вязких глинах, особенно сильно увлажненных, затрудняется плохой транспортировкой липкого материала и образованием сальников-пробок. Кроме того, глина налипает на стенки скважины, образуя корку, за счет чего уменьшается диаметр ствола, увеличивается сопротивление сил трения шнеков о стенку скважины и затраты мощности. Поэтому в таких условиях следует применять долота с плавным переходом лопастей на спиральную ленту шнека — винтовые — или долота с наклонным расположением лопастей и небольшим углом резания, а шнеки с уменьшенным шагом спирали — (0,4—0,5) Dш. Бурение следует вести с большой частотой вращения (до 200—300 об/мин), с ограниченной скоростью подачи снаряда (7—9 м/с) и его расхаживанием (подрывом) и вращением приподнятого на высоту 0,5—1,0 м снаряда в течение нескольких минут.

Улучшить условия бурения в вязких породах удается подливанием воды через устье или подачей ее на забой через полые шнеки с помощью насоса. При этом уменьшается трение частиц породы о шнек и улучшаются условия их транспортирования. Рациональное количество воды, подаваемой в скважину, составляет 2—5 л/мин для шнеков диаметром 135—180 мм. При этом следует помнить, что избыток воды может ухудшить транспортирование шлама в связи с уменьшением трения частиц о стенки скважины. Воду можно подливать периодически через устье скважины в количестве 15—20 л воды на 1 м проходки. При бурении в таких условиях полезно подвергать буровой снаряд вибрации.

Если бурение в вязких породах обычным способом оказывается малоэффективным, проходку скважины можно осуществлять короткими рейсами снарядом, состоящим из одного-двух шнеков, спускаемых на обычных бурильных трубах. После углубки на 1,5—2 м шнеки поднимают на поверхность и очищают от выбуренной породы с помощью специального шнекоочистителя.

Бурение скважин в рыхлых весьма неустойчивых породах сильно обводненных осложняется обрушением стенок после извлечения колонны шнеков. В таких условиях бурение возможно вести с одновременным спуском обсадных труб, которые могут опускаться под собственным весом или принудительно — под действием вибраций или ударов. Колонна шнеков в этом случае работает внутри обсадных труб при большой частоте вращения (до 300—500 об/мин). Бурение в таких породах эффективно с применением колонны полых шнеков и ШCCК. После извлечения бурового снаряда в этом случае скважина заплывает.

Бурение в толще гравийно-галечниковых отложений рационально вести долотами с овальной формой лезвий (см. рис. 27.4) с повышенной частотой вращения (до 300 об/мин) без дополнительной нагрузки. Для устранения возникающей в этих условиях вибрации в буровой снаряд (над долотом) включают 2—3 утяжеленных шнека.

В валунно-галечниковых отложениях бурение возможно осуществлять при условии, что размер галек (обломков пород) не превышает величину шага витка шнека и зазора между стенкой скважины и трубой шнека. При этом применяют долота повышенной прочности с твердосплавным вооружением и включают в снаряд 2—3 утяжеленных шнека. Бурение осуществляют без дополнительной нагрузки при пониженной частоте вращения до 40—30 в минуту с расхаживанием снаряда. При этом крупные валуны должны раскалываться, в противном случае вынос породы и углубка прекращаются.

Бурение в плотных породах нижесредней твердости (IV —VI категорий по буримости), таких, как плотные сухие глины, аргиллиты, песчаники с глинистым цементом, мел, слабые известняки, многолетнемерзлые льдистые породы, осуществляют долотами РСД с прерывистыми лезвиями ступенчатой формы, часто со сменными лопастями или резцами (см. рис. 27.2, рис. 27.5). Режим бурения в скальных породах до V—VI категории по буримости определяется, как и вообще для долот режуще-скалывающего действия, частотой вращения n и осевой нагрузкой Gо.

При исследовании влияния этих параметров на механическую скорость бурения Н.Я. Репиным установлены зависимости вида

где k1 — опытный коэффициент, увеличивающийся с ростом осевой нагрузки (табл. 27.1); m1 — показатель степени, равный 1,8 при бурении в аргиллитах и песчаниках; k2 — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств пород и скорости вращения (см. табл. 27.1); m2 — показатель степени, имеющий значение 3,7 при бурении известняков.

В табл. 27.2 приведены значения исследуемых параметров режима бурения, рекомендуемые Н.Я. Репиным.

При бурении скальных пород рекомендуется подливать воду в режиме 15—20 л на 1 м проходки, что снижает коэффициент трения и способствует охлаждению ПРИ.

Получение образцов пород при бурении без отбора керна с применением простых шнеков может осуществляться различными способами. Разбуриваемые скальные породы выносятся шнеками в виде частиц разной крупности (до 10 мм), а мягкие пластичные породы — в виде шариков диаметром 10—60 мм. Отобранные на поверхности образцы могут служить фактическим материалом при изучении геологического разреза. Привязка образцов пород при непрерывной углубке может быть осуществлена с использованием зависимости, установленной институтом «Гидроэнергопроект»,

где H — истинная глубина залегания перебуриваемого в данный момент пласта, м; L — длина колонны шнека от устья до забоя, м; К — коэффициент, зависящий от формы ПРИ, диаметра шнека, частоты вращения снаряда и характера проходимых пород. Так, например, при диаметре шнека 150—120 мм, частоте вращения 96 об/мин для винтового долота К = 0,75, а для трехлопастного — К = 0,71. Определяют этот коэффициент опытным путем.

Отбор образцов пород можно производить при периодическом прекращении подачи инструмента поинтервально, когда вращающийся шнек выдает на поверхность выбуренную породу с самого забоя. Последние порции шлама будут характеризовать пласт перебуриваемых пород в интервале опробования.

Отбор образцов можно осуществлять поинтервально, производя бурение скважины рейсами и поднимая буровой инструмент после углубки на 0,5 —1,0 м. Бурение при этом ведут с пониженной частотой вращения — не более 18—20 об/мин. В этом случае лучше сохраняется структура и состав пород, так как образцы не смешиваются с породой вышележащих пластов. Такой способ отбора образцов возможен при бурении в достаточно пластичных, вязких породах, удерживающихся на шнеке при подъеме. Ho производительность труда при этом резко снижается.

Наконец, получение образцов пород хорошей сохранности возможно при бурении шнекоколонковыми снарядами, в особенности со съемным керноприемником (грунтоноской). Бурение в этих случаях ведут с частотой вращения 40—200 об/мин при углубке за рейс 0,4—2,0 м (в соответствии с длиной керноприемной трубы).