бурение лаба 6

ЮРГТУ(НПИ)

Кафедра

Колонковое бурение

Лабораторная работа№6

Цель работы: ознакомится с буровыми агрегатами колонкового бурения и процессом бурения.

Пояснение к работе

Колонковое бурение - это быстровращательное бурение, при котором горная порода разрушается по наружной кольцевой части забоя с сохранением столбика породы керна (рис. 1).

Главными достоинствами бурения являются: получение керна при возможности бурить скважины по любой крепости пород, под любым углом, при малом диаметре на глубины до 4500 м; большая механическая скорость; легкое и компактное оборудование; мобильность.

К недостаткам можно отнести частую смену породоразрушающего инструмента, искривление скважины, малые диаметры при бурении гидрогеологических скважин, трудности при взятии керна легкоразрушаемых пород, высокую аварийность. Колонковым способом можно проходить шахтные стволы диаметром до 6 м. Колонковое бурение - основной способ при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых.

Методы увеличения выхода керна

Все способы и средства повышения выхода керна базируются на трех подходах:

1.Устранение или ограничение разрушающих побочных воздействий в процессе бурения.

2. Сохранение разрушенного кернового материала в керноприемном устройстве.

3. Защита керна от побочных разрушающих воздействий технологиче­ского процесса бурения.

Некоторые способы повышения выхода керна сочетают в себе разные подходы. На выход керна и сохранность его структуры влияют:

1. Механические воздействия бурового снаряда, возникающие при её вибрациях и ударах, что приводит к разрушению, самозаклиниванию, истиранию и дроблению керна.

2. Гидравлическое воздействие струи промывочной жидкости, разру­шающей и размывающей керн полностью или частично

3. Растворение некоторых пород в промывочной жидкости.

4. Плохое заклинивание керна и его выпадение при подъеме бурового снаряда.

5. Нарушение технологии бурения и организационно-технических мер по обеспечению требуемого выхода керна.

Рис.1Принципиальная схема установки для колонкового бурения

I-буровая вышка;II-буровое здание;III-станок;IV-насос;V-двигатель;VI-направляющая труба;1-колонка;2-колонковая труба;3-переходник;4-бурильные трубы;5-вертлюг-сальник;6-крюк;7-талевый блок;8-шпиндель станка;9-зажимные патроны;10-лебедка; 11-регулятор подачи снаряда;12-нагнетатель шланга;13-керн;14-желоба; 15-отстойник;16-приемная емкость;17-всасывающий шланг;18-талевый канат; 18а- неподвижный конец каната;19-индикатор веса снаряда;20-манометр индикатора веса;21-манометр бурового насоса;22-кронблок;23-опоры вышки;24-пояса;25-раскосы;26-фундаментные трубы.

Основные меры по повышению выхода керна следующие:

1. Сокращать время работы коронки на забое, т.е. бурить укорочен­ными рейсами при максимальной скорости углубки скважины.

2. Ограничивать расход промывочной жидкости, снижая скорость по тока между керном и коронкой.

3. Не применять затупившиеся коронки.

4. Не использовать искривленные, деформированные, несоосные буровые снаряды.

5. Тщательно заклинивать керн и осторожно осуществлять подъем инструмента на поверхность.

6. Применять бурение «всухую» в маломощных сыпучих и рыхлых отложениях.

7. Использовать при возможности безнасосное бурение, бурение с гидротранспортом керна.

8. Применять специальные снаряды: двойные колонковые трубы, снаряды со съемными керноприемниками (ССК,КССК), использовать эжекторные снаряды.

9. Применять бурение с обратной циркуляцией (обратной промывкой).

10.Разрабатывать организационно-технологические мероприятия по встрече и перебуриванию пласта полезного ископаемого.

11. Применять грунтоносы. В зависимости от физико-механических свойств пород выбираю наиболее подходящий тип бурового снаряда (ДКС; ТДН; ТДВ; Донбасс-НИЛ-1; Донбасс-НИЛ-2; Донбасс-НИЛ-3; ОЭС; ССК; КССК; ДЭС; ДТА-2; ОЭС-57 и другие),рис.2

Рис.2 Двойной снаряд колонковой конструкции «Донбасс НИЛ»:

а) Донбасс НИЛ-II

б) Донбасс НИЛ-III:

1-переходник;

2-колонковая труба;

3-упорный шариковый подшипник;

4-тарельчатые пружины;

5-шаровый клапан;

6-керноприемная труба;

7-внутренняя коронка;

8-наружная колонка;

9-фрикцион;

10-верхняя обойма вибратора;

11-нижняя не вращающаяся обойма вибратора.

Обычно пути увеличения выхода керна применяют при колонковом бурении.

Станками колонкового бурения являются:

шпиндельные - БСК-2РП-В, УКБ-200/300, УКБ-ЗстЭ, СКБ-4, СКБ-5, СКБ-7,ЗИФ-1200МР:

станки с подвижным вращателем- УКБ-12/25, СКБ-300, УПБ, ПБУ,

УРБ-2А2, УРБ-4Т:

станки роторного типа- УБР-2М, УРБ-2.5А, УРБ-3Л3, 1БА-15Н,

УБВ-600,СКБ-8;

отдельно следует выделить станки с подвижным вращателем мар­ки УГБ-50М, УГБ-1ВС; станки ударно-канатного бурения УГБ-3УК, УГБ-4УК и станки комбинированного бурения для мелких инженерно-геологических, сейсмических и др. скважин - БУКС-ЛГТ, БУВ-1Б, БУЛИЗ-15АП, ЛБУ-50, УБСР-25 и др.

Кроме того, отдельным рядом идут установки роторного типа для бу­рения глубоких (до 15 км) скважин- БУ-50Бр1, БУ-75Бр, БУ-80БрД,

УРАЛ МАШ-15000.

В различных справочниках выбор буровой установки регламентируется несколькими параметрами, взятыми из технических характеристик бу­рового агрегата. Это- глубина бурения в метрах, начальный и конечный диаметры породоразрушающего инструмента в миллиметрах, мощность и тип приводных двигателей в кВт, грузоподъемность на крюке в кН и дру­гие параметры.

Для бурения скважин глубиной до 500 м используют станок шпин­дельного типа СКБ-4 (его модификации СКБ-4100, СКБ-4101, СКБ-4110, СКБ-4120 и самоходные установки УКБ-4КБ-4с). Буровой ста­нок СКБ-4 является станком многоблочной компоновки с продольным расположением лебедки и системой гидравлической подачи бурового ин­струмента.

На станине собраны: электродвигатель, коробка передач со сцеплени­ем, раздаточная коробка с закрепленным на ее фланце вращателем, лебед­ка, тормоза спуска и подъема, маслонасос с индивидуальным электропри­водом, пульт управления гидросистемой, маслобак, ручной маслонасос и цилиндр перемещения станка. Станина станка установлена на раме, кото­рая крепится анкерными болтами с фундаментом.

Особенностями станка являются: высокая частота вращения шпинде­ля и рациональное распределение диапазона скорости; плавность хода бу­рового инструмента с помощью новой гидросистемы; возможность буре­ния снарядом со съемным керноприемником (для чего увеличен диаметр проходного отверстия шпинделя); оснащение усовершенствованной системой автоматического перехвата ведущей трубы в процессе бурения без остановки вращения; указатель давления на забой, который обеспечивает достаточную информацию о технологическом процессе. В станке применены автомобильная коробка скоростей и муфта сцепления, имеющая высокую надежность.

Техническая характеристика СКБ-4:

мощность приводного двигателя-22кВт;

тяговое усилие максимальное-26кН;

частота вращения шпинделя-155-1600об/мин;

длина хода подачи шпинделя-400мм.

Состав снаряда для колонкового бурения

Снаряд состоит из породоразрушающего инструмента (коронки твердосплавные и алмазные), колонковой трубы (одинарной или двойной), переходника (гладкого, фрезерного или тройного), бурильных груб (ниппельного или муфтово-замкового соединения). Одна из бурильных труб будет «зажата» гидравлическими патронами в шпинделе станка (это ве­дущая труба) и вертлюга-сальника (рис. 3).

Кроме того, в состав снаряда могут также входить: кернорватель, рас­ширитель, утяжеленные бурильные трубы (УБТ), шламовая груба, гидро или пневмоударник. Колонковое бурение ведется, как правило, с извлече­нием керна.

Коронка является породоразрушаюшим инструментом; колонковая труба служит для приема выбуриваемого керна и центрирования скважи­ны, переход - для перехода одного диаметра на другой или разной резьбы с одной на другую. Бурильные трубы бывают стальными и легкосплавны­ми, соединяются между собой с помощью ниппелей, муфт и замков; служат для передачи вращения бурового снаряда и пропуска промывочной жидкости. Ведущая труба - это обыкновенная бурильная труба, верхней частью своей закрепленная во вращателе станка, она и передает вращение на всю колонну бурового снаряда.

Вертлюг-сальник навинчивается наверх ведущей бурильной трубы и через него подается промывочная жидкость в буровой снаряд. Кернорва­тель служит для отрыва керна в момент подъема (можно отрывать керн при помощи заклиночного материала и с помощью сухой «затирки»); расширитель служит для предохранения скважин т сужения, связанного с износом коронок по наружному диаметру, и для стабилизации скважин; УБТ – для создания дополнительной осевой нагрузки на забое и для вертикальности скважины; шламовая труба служит для дополнительного отбора шлама в скважине; гидро- или пневмоударники ставят для увеличения скорости проходки скважины при бурении твердых пород( гидро- вода, пневмо-воздух). При бурении одновременно происходит и вращение коронки, и ударении по ней.

Рис.3 Буровой снаряд для бурения алмазами или твердыми сплавами (колонковый набор):

1-коронка (твердосплавная или алмазная с кернорвателем);

2-колонковая труба;

3-переходник с колонковой трубы на бурильные трубы;

4-бурильные трубы;

5-промывочный сальник

Виды коронок для колонкового бурения

Коронки для колонкового бурения состоя, из короночного кольца (корпуса коронки), предназначенного для укрепления в его торцевой части твердосплавных резцов или зерен алмазов в твердосплавной матрице. Корпус с режущими элементами и называется коронкой. Корпуса изготавливают из трубных заготовок стали марок 20, 30, 35 или 40, а для гидро- или пневмоударного бурения- стали марки 45. На верхней части корпуса ко­ронки нарезается наружная правая трапецеидальная резьба (рис 4)

Коронки твердосплавные делятся на ребристые типа М (M1,М2,М5) для бурения мягких пород, резцовые типа СМ (СМ3, СМ4, СМ5, СМ6) для бурения малоабразивных средних пород и типа СТ (СТ-2) для бурения трещиноватых пород. Для средних абразивных пород применяются коронки самозатачивающиеся типа СА (СА1, СА2, СА3, СА4, СА6). Резцы всех коронок оснащены вольфрамокобальтовым сплавом типа ВК (ВК-6, ВК-8, ВК-15).

Геометрия и форма резцов как основных, так и подрезных (боковых) различна. Все коронки стандартизированы по наружному диаметру: 36, 46,59,76, 93, 112, 132, 151 мм. Кроме твердосплавных коронок, для бурения крепких пород (VIII-XII категорий по буримости) применяются алмазные коронки, которые состоят из алмазосодержащей матрицы и стального корпуса с резьбой. В зависимости от расположения алмазов и характера

Работы они подразделяются на объемные (торцевые) алмазы и подрезные (боковые).

Рис.4. Твердосплавные коронки типа:

М-ребристые для бурения мягких пород I-IV категорий по буримости;

СМ-резцовые для бурения в породах IV-VIII категории;

СА- самозатачивающиеся для бурения в абразивных породах V-IХ категорий;

СТ- для буреня трещиноватых пород V-VII категорий.

По способу распределения объемных алмазов в матрице алмазные коронки подразделяются на: однослойные, многослойные и импрегнированные. Расположение алмазов одним слоем в матрице зернистостью 10-60 штук на карат-это однослойные коронки типа 01А3,05А3 и т.д. для пород неабразивных VI-X категорий. Расположение алмазов тремя слоями в матрице примерно зернистостью 60-120 штук на карат –это многослойные коронки типа 01М3,0104 и т.д. для малоабразивных, неоднородных трещиноватых пород IX-XI категорий по буримости. Расположение алмазов по всей матрице примерно зернистостью 120-1200 штук на карат –это импрегнированные коронки типа 02И4, 08И3 и т.д.для высокоабразивных пород IX-XII категории по буримости.

Контрольно-измерительные приборы

Эффективное бурение скважин возможно только при рациональном сочетании параметров режима бурения в соответствии с физико-механическими свойствами пород и типом породоразрушаюшего инструмента. Но выбор и поддержка оптимальных параметров режима бурения только при постоянном контроле всего процесса бурения. По-этому буровые установки оснащаются контрольно-измерительными приборами.

Приборы эти следующие:

1.Магнитоупругий компенсационный измеритель нагрузки МКН-2, предназначен для визуального контроля и регистрации на суточную диаграмму массы снаряда и осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент. Измеритель МНК-2 (с датчиком ДНР) рассчитан на работу в пяти режимах

• I режим - измерение и запоминание веса бурового снаряда;

• II режим - измерение осевой нагрузки при бурении с разгрузкой;

• III режим - измерение осевой нагрузки при бурении с догрузкой;

• IV режим - измерение нагрузки на крюке при спуско-подъемных операциях и при аварийных работах;

• V режим - измерение изменения осевой нагрузки с увеличением масштаба отсчета.

2. Автоматический регулятор подачи АРП, предназначен для плавной подачи бурового снаряда на забой, непрерывного визуального контроля и регистрации на суточной диаграмме осевой нагрузки, регистрации нагрузки на крюке при спуско-подъемных операциях и для визуального контроля скорости подачи бурового снаряда.

3. Измеритель частоты вращения ИЧВ, предназначен для измерения частот вращения бурового снаряда (от 0 до 1500 об/мин).

4. Измеритель и автоматический ограничитель крутящего момента ОМ-40, обеспечивает визуальный контроль крутящего момента при бурении и сигнализацию при нарушении режима бурения, а также отключение станка при превышении установленных ограничений.

5. Электромагнитный расходомер промывочной жидкости ЭМР-2, предназначен для измерения расхода промывочной жидкости.

6. Магнитоупругие измерители давления МИД-1 и МИД-2, предназначены для непрерывного визуального контроля давления промывочной жидкости.

7. Контрольно-измерительная аппаратура (КИА) типа КУРС411, КУРС613, КУРС713 и РУМБ-1 - это аппаратура, комплексно измеряющая, показывающая и регистрирующая параметры технологического режима бурения.

Колонковые наборы

Колонковым набором называется часть бурового снаряда, предназначенная для разрушения горной породы, приема и со­хранения керна.

При твердосплавном и алмазном бурении колонковый набор состоит из породоразрушающей коронки, кернорвателя, колонковой трубы и переходника. Колонковый набор для дробового бурения состоит из дробовой коронки, колонковой трубы, тройного переходника и шламовой трубы.

Породоразрушающими инструментами при алмазном и твер­досплавном бурении являются коронки, представляющие собой короночные кольца, армированные алмазными зернами или рез­цами из твердых сплавов.

Короночные кольца изготовляются по ГОСТ 11108—70 из трубной заготовки стали марок 30, 35 или 40. Верхняя часть кольца имеет наружную трапецеидальную резьбу с шагом 4 мм для присоединения к колонковой трубе или кернорвателю. Внут­ренняя поверхность коронки в верхней части имеет конусную форму для улучшения заклинивания в ней керна.

Основные размеры короночных колецприведены в табл. 1.

Колонковые трубы служат для приема выбуриваемого керна, а также обеспечивают необходимое направление скважине. Из­готовляются они по ГОСТ 6238—77 из тех же трубных загото­вок, что и обсадные трубы. На обоих концах трубы имеют внут­реннюю трапецеидальную резьбу с шагом 4 мм для соедине­ния с коронкой или кернорвателем и переходником. Длина труб 1,5; 3; 4,5 и 6 м.

Таблица 1

При бурении глубоких скважин колонковый набор собирают длиной до 30 м. В этом случае колонковые трубы соединяют ниппелями-патрубками длиной 140 мм, имеющими на концах на­ружную трубную резьбу. Основные размеры колонковых труб приведены в табл. 1.

Шламовые трубы применяются для улавливания тяжелых частиц породного или металлического шлама. Изготовляют их из тех же заготовок, что и колонковые трубы. Нижний конец шламовой трубы соединяется с тройным переходником внутрен­ней левой резьбой. Верхний конец трубы срезан под углом 45° и несколько загнут внутрь, чтобы при подъеме снаряда из сква­жины труба не задевала за башмак колонны обсадных труб.

Шлам улавливают в результате того, что у верхней кромки шламовой трубы из-за изменения сечения резко падает ско­рость движения восходящего потока промывочной жидкости. Ча­стицы шлама, попав в шламовую трубу, оседают в ней.

При бурение скважин малого диаметра применяют закрытые шламовые трубы. Закрытая шламовая труба состоит из корпуса с узкими продольными щелями на его поверхности и внутрен­ней трубы для прохода промывочной жидкости. Щелевая шла­мовая труба на концах имеет резьбу для соединения с переход­никами на колонковую трубу и бурильную колонну. В процессе бурения шлам попадает внутрь трубы через щели в ее корпусе. Емкость шламовой трубы должна быть несколько больше объема получаемого за рейс шлама. Соответственно применяют трубы длиной 1,5—2,5 м.

Шламовую трубу нужно включать в снаряд при большой раз­ности диаметров скважины и бурильных труб, а также при ма­лой подаче насоса, когда скорость восходящего потока промы­вочной жидкости недостаточна для выноса на поверхность наи­более крупных и тяжелых частиц шлама.

Переходники служат для соединения колонны бурильных труб с колонковым набором.

Различают два вида переходников — фрезерные и тройные.

Фрезерными переходниками соеди­няют бурильные трубы с колонковыми. В нижней части они имеют наружную резьбу под колонковую трубу, а вверху — внутреннюю для соединения с бурильной колонной. Верхней ко­нусной поверхности переходника придана форма фрезера, пред­отвращающая возможность задевания башмаков обсадных труб при подъемах и обеспечивающая разбуривание кусков по­роды, попавших на колонковый набор.

Тройным переходником нижний конец бурильной колонны соединяется с колонковой и шламовой тру­бами. При колонковом бурении применяют также переходники специального назначения (стабилизирующие, конусные, клапан­ные, отсоединительные).

Кернорватели служат для закрепления, срыва и удержания керна в колонковом снаряде при извлечении его из скважины. Корпус кернорвателя помещен между колонковой трубой и коронкой и соединен с ними резьбой. Внутри корпуса, имеющего коническую расточку с расширением вверх, поме­щена рвательная кольцевая пружина высотой около 25 мм. Наружная поверхность пружины коническая, а внутри имеются выступы. При бурении рвательное кольцо, разрезанное по обра­зующей, находится в верхней части корпуса кернорвателя и не препятствует прохождению керна в колонковую трубу. Перед извлечением из скважины останавливают вращение бурового снаряда и дают ему натяжку. Рвательное кольцо за счет трения о керн опускается в узкую часть расточки корпуса кернорвателя и захватывает керн. Резко проворачивая снаряд, керн отры­вают от забоя.

Кернорватели не применяют в тех случаях, когда при буре­нии требуется расхаживать снаряд, т. е. периодически припод­нимать над забоем.

Бурение с гидротранспортом керна.

В СКВ ВПО «Союзгеотехника» разработан комплекс технически средств КГК-100 (рис. 5), при бурении которым промывочная жидкость подается в межтрубное пространство специальной двойной бурильной колонны 7. У забоя скважины она поступает в центральную внутренним колонну и, захватывая выбуренные керн и шлам, выносит их к промывочному сальнику, проходит через керноотводящий рукав 3 доставляется в лотки керноприемника 9. Комплекс применяют для бурения пород II-IV категорий по буримости с пропластками пород до VI-VII категорий.

Рис.5.Комплекс технических средств КГК-100 для бурения с гидротранспортом керна.

Применение непрерывного транспортирования выбуренного материала позволяет бурить скважину без извлечения из нее снаряда до полного износа породоразрушающего инструмента, что сокращает время проведения СПО и повышает производительность бурения. Выход керна является, как правило, 100%.

В качестве породоразрушающего инструмента применяют твердо­сплавные коронки диаметром 76 (для бурения однородных пород), 84 (неустойчивых пород) и 93 мм (мощных толщ сыпучих отложений и плывунов).

Параметры режима бурения: осевая нагрузка от 4-6 до 7-12 кН, частота вращения снаряда от 2-3 до 5-6 с ^-1 и расход промывочной жидкости (2-3)10 ^-3 м³/с.

Бурение ведут периодическим расхаживанием снаряда с высоте подъема инструмента-0,1-1,5 м. После окончания бурения скважины не обсаживают. Ниже приведены технические характеристики КГК-100:

Вывод: в ходе лабораторной работы я ознакомилася с буровыми агрегатами колонкового бурения и процессом бурения.

Работу выполнил:

Работу проверил: