Разрушение горных пород на забое
Лекция 2. Основные рабочие операции процесса бурения скважин
Бурение скважин сопряжено с выполнением различных видов операций, таких как проведение спуско-подъемных операций, проставления промывочных жидкостей, работы, связанные с ликвидацией аварий, ремонт бурового оборудования и т.п. Практически все эти виды работ относятся к вспомогательным.
К основным же рабочим операциям, относятся те операции, которые выполняются непосредственно в скважине с целью углубки последней. К ним относятся:
— разрушение горных пород на забое скважины;
— очистка забоя скважины от продуктов разрушения и их транспортировка на поверхность;
— крепление стенок скважин.
В настоящее время, в целом, горные породы разрушаются различными способами. Все способы разрушения горных пород можно разделить на две большие группы: химические и физические.
К химическим способам разрушения горных пород относятся растворение и горение.
Некоторые горные породы при воздействии воды на гамет (каменная соль) последний растворятся в воде, или при подземном выщелачивании урана урановую руду растворяют в серной кислоте и затем эту жидкость вместе с водой откачивают из скважины.
Некоторые горные породы за счет окислительно-восстановительной реакции, к чему относится и горение, разрушаются. Так, например, такие горные породы как каменной и бурной угли, торф, горючие сланцы, и т.п. под действием огня горят и разрушаются.
Здесь необходимо отметить, что химические способы разрушения горных пород при бурении скважин не применяются.
К физическим способам разрушения горных пород относятся механический, гидравлический, вакуумный, электрический и комбинированные способы. Из всех перечисленных способов при бурении скважин с целью разрушения горных пород на забое в основном используется механический способ. Но при этом здесь уместно сказать, что при использовании в качестве очистного агента промывочной жидкости под действием нисходящей струи, вытекающей с большой скоростью и под большим давлением, может происходить разрушение поясках горных пород, т.е. здесь имеет место комбинация механического и гидравлического способов разрушения.
Механический способ разрушения горных пород в свою очередь подразделяется на вращательный, ударный, ударно-вращательный, вибрационный.
При вращательном способе разрушение горных пород происходит за счет резания. Под действием осевой нагрузки резец внедряется в горную породу и за счет вращения происходит резание.
При ударном способе породоразрущающий инструмент многократно сбрасывается с определенной высоты и за счет этого происходит смятие, скалывание, дробление горной породы.
Ударно-вращательный способ – это комбинация двух предыдущих способов разрушения. Это наиболее эффективный способ разрешения горных пород, т.к. разрушение происходит и за счет резания, дробления, скалывания и смятия горных пород.
При вибрационном способе бурения разрушение осуществляется за счет преодоления сил сцепления между частицами горной породы (пески, суглинки, супеси и т.п. горные породы).
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
Способы разрушения пород при бурении
Разрушение горных пород при бурении происходит за счет воздействия на горную породу забоя скважины физических, электрических, электрофизических, тепловых, акустических, кавитационных, плазменных, лазерных полей и др.
Передача энергии на породу забоя может осуществляться через породоразрушающий инструмент или напрямую, формируя при этом ствол скважины. Преобладающим в настоящее время при бурении является механический метод воздействия на породу забоя скважины породоразрушающими инструментами в виде коронок, буровых долот бурильных головок.
Механический метод разрушения породоразрушающими инструментами имеет мною разновидностей в зависимости от условий бурения и поставленных целей при сооружении скважины. В мягких и рыхлых горных породах производительность вращательного и ударно-вращательного бурения в значительной степени определяется интенсивностью удаления продуктов разрушения горной породы.
В случае необходимости получения качественного керна используют буровые снаряды с комбинированной (прямой и обратной) промывкой. Обратную промывку при вращательном бурении используют при сооружении высокодебитных скважин на воду. При бурении в поглощающих разрезах применяют бурильные колонны, составленные из двойных труб, в которых подача раствора газожидкостной смеси (ГЖС) осуществляется по межтрубному зазору.
При ударном бурении разрушение породы осуществляют нанесением ударов забойного породоразрушающего инструмента.
Вращательный способ разрушения – путем «резания» породы породоразрушающим инструментом при одновременном воздействии на нее осевого усилия.
Ударно-вращательное разрушение пород предусматривает наложение на вращательный способ ударных импульсов, передаваемых на породоразрушающий инструмент с поверхности или с помощью забойных машин (гидро- и пневмоударников).
Гидромеханическое бурение, основанное на разрушении горных пород высоконапорными водяными струями, применяют исключительно в мягких и рыхлых породах. Использование гидромониторных насадок, обеспечивающих скорость истечения жидкости в пределах 80-120 м/с, применяется при вращательном бурении долотами лопастного и шарошечного типа.
Вибрационное разрушение горных пород, осуществляющееся за счет периодических вертикальных перемещений породоразрушающего инструмента, используют в мягких и рыхлых горных породах.
При термическом (огневом) способе разрушение породы происходит за счет высокотемпературного теплового воздействия. Сгорание керосина с кислородом создает на забое температуру 2300°С, в результате чего происходит отслаивание чешуек и растрескивание массива породы. Огневое бурение применяют при бурении взрывных скважин на карьерах; производительность бурения в крепких породах при этом способе достигает 30 м/смену и выше.
В мягких и рыхлых породах используют также метод статического вдавливания породоразрушающего инструмента (индентора), при котором порода спрессовывается и выдавливается из-под индентора в сторону. Данный метод используют при инженерно-геологических исследованиях.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН
Механическое разрушение горных пород при бурении скважин осуществляется специальными породоразрушающими инструментами. Объем разрушенной горной породы в единицу времени V непосредственно связан с мощностью N, подводимой к забою скважины:
(VII. 1)
где Av — энергоемкость разрушения горной породы. Применительно к скважине можно записать, что
(VII. 2)
где v — скорость проходки скважины; F — площадь забоя.
Приравняв правые части уравнений (VII. 1) и (VII.2) и сделав преобразования, получим
(VII.3)
Обозначим N/F= No и назовем удельной забойной мощностью. Тогда окончательно получим, что
(VII.4)
т. е. скорость проходки прямо пропорциональна удельной забойной мощности и обратно пропорциональна энергоемкости разрушения горной породы.
Мощность N ограничена прочностью бурильного инструмента. Наиболее эффективно подведенная к забою мощность будет реализована таким породоразрушающим инструментом и при таком режиме его работы, которые обеспечат минимальную величину Av.
Непосредственно порода разрушается вооружением породораз-рушающих инструментов, которое выполнено либо в виде резцов, либо в виде инденторов. При рассмотрении разрушения горных пород динамическим вдавливанием штампа было показано, что Av тем меньше, чем больше номер достигнутого скачка разрушения породы.
Этот принцип справедлив и для других видов разрушения. Но чем больше номер скачка, который мы стремимся получить, тем выше удельные нагрузки на элементы вооружения, т. е. достижимый скачок разрушения породы объективно ограничен прочностью и износостойкостью породоразрушающего инструмента. Обозначим NB удельную мощность, которая может быть реализована вооружением. Тогда из условия N-const найдем Долю площади забоя, на которой в данный момент эффективно реализуется подведенная мощность:
где Fк — площадь контакта вооружения с забоем. Величина ξ много меньше единицы. Из изложенного выше вытекает первый основной принцип механического разрушения горной породы на забое — дискретность разрушения с целью получения минимально возможной энергоемкости процесса.
Нежелательно, чтобы в процессе бурения резко изменялась величина ξ, так как снижение удельной мощности, реализуемой вооружением, ведет к уменьшению скорости разрушения породы, а повышение — к возможным поломкам или резкому уменьшению долговечности вооружения. Следовательно, в процессе бурения Необходимо стремиться, чтобы NB=const. Это условие при механическом разрушении горных пород можно выполнить лишь при равномерном углублении скважины в результате последовательного разрушения всей площади забоя. Отсюда вытекает второй основной принцип — последовательное разрушение забоя с целью равномерного углубления скважины и обеспечения максимальной производительности породоразрушающего инструмента.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ДОЛОТ
Породоразрушающие инструменты по основным функциям делятся на три большие группы:
1) для бурения сплошным забоем — долота;
2) для бурения кольцевым забоем с образованием образцов-породы (кернов) — бурильные головки и коронки;
3) вспомогательный инструмент-пикообразные долота, фрезеры калибраторы, расширители и др.
Первую и вторую группы инструментов по характеру воздействия вооружения на горную породу делят на четыре подгруппы:
режуще-скалывающего (PC), истирающе-режущего (ИР), дробяще-скалывающего и дробящего действия.
Породоразрушающие инструменты типов PC и ИР характеризуются выполнением вооружения в виде резцов или секторов оснащенных износостойкими материалами, длительным контактом вооружения с горной породой и деформированием ее по схеме резания, скалывания или истирания.
Породоразрушающие инструменты дробяще-скалывающего действия характеризуются размещением вооружения в виде инденторов на вращающихся деталях — шарошках, кратковременным периодическим динамическим воздействием каждого индентора на горную породу по схеме вдавливания со сдвигом.
Инструменты первой, второй и третьей подгрупп широко применяются при бурении скважин на нефть и газ при вращательном способе бурения. Инструменты четвертой подгруппы предназначены для ударного бурения, которое в настоящее время при бурении нефтяных и газовых скважин практически не применяют.
Возможность применения той или иной подгруппы инструментов обусловлена механическими свойствами пород и прежде всего их твердостью. Кроме этого, в пределах каждой подгруппы инструменты имеют особенности в зависимости от того, для пород какой твердости они предназначены. Это нашло отражение в классификации инструментов по типам.
Категория твердости пород
 |
Из приведенных данных видно, что породоразрушающие инструменты, в частности долота типа М (для мягких пород), выполняются всех трех подгрупп, типа С (для средних пород) и типа Т (для твердых пород) — второй и третьей подгрупп, а типов К (для крепких пород) и типа ОК (для очень крепких пород) —только третьей подгруппы. Следует подчеркнуть, что шарошечными долотами (третьей подгруппы) осуществляется около 90% объема бурения на нефть и газ; кроме того, долота типов К и ОК по характеру воздействия на породу близки к долотам дробящего действия.
ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМА И ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ДОЛОТ
Режим работы долот для вращательного бурения скважин принято характеризовать следующими параметрами: осевой нагрузкой на долото, кН; частотой вращения долота, об/мин; количеством промывочной жидкости или воздуха, подаваемых в скважину в единицу времени для выноса разрушенной породы (шлама) и охлаждения долота, л/с.
При нагружении долота осевой нагрузкой G создается необходимое для разрушения горной породы напряженное состояние и осуществляется отбор энергии от вращающегося инструмента для обеспечения последовательного разрушения породы по всему забою.
По частоте вращения долота различают три режима работы: низкооборотный (роторное бурение) — nд
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
Основные способы разрушения горных пород
В настоящее время известны механические, физико-химические, термические, термомеханические и др. способы разрушения горных пород (способы бурения) – всего несколько десятков. При механических способах в породах создаются напряжения, превышающие предел их прочности. При термических способах разрушение пород происходит за счет возникновения в них термических напряжений и различного рода эффектов (дегидратация, диссоциация, плавление, испарение и т. д.). При термомеханических способах тепловое воздействие осуществляется целенаправленно для предварительного снижения сопротивляемости породы последующему механическому разрушению. Химические (физико-химические) способы разрушения пород предусматривают использование высокоактивного химического вещества.
При механическом способе разрушения в породе создаются очень значительные местные напряжения, приводящие к ее разрушению. При бурении породы разрушаются в основном за счет сжатия и скалывания.
Механический способ бурения представлен двумя главнейшими видами: ударным и вращательным бурением. При ударном бурении порода разрушается под действием ударов буровыми клиновыми наконечниками, называемыми долотами; при вращательном бурении порода срезается или раздавливается и истирается в забое специальными режущими и дробящими долотами или резцами коронок.
Ударное бурение, в свою очередь, разделяется на штанговое и канатное. В первом случае буровые наконечники опускаются в скважину и приводятся в действие металлическими стержнями – штангами, во втором случае – канатом.
Ударное бурение на штангах может производиться с промывкой забоя скважины или без промывки. Разрушение породы при ударном бурении осуществляется по всей площади поперечного сечения скважины; такой способ бурения называется бурением сплошным забоем.
При механическом вращательном бурении резанием к породоразрушающему инструменту (алмазные, твердосплавные коронки, долота) прикладывают крутящий момент и усилие подачи. Мощность, передаваемая породоразрушающему инструменту, возрастает с увеличением частоты вращения бурового снаряда, осевой нагрузки и сопротивления породы разрушению. Граничными условиями являются: прочность коронок, колонковых и бурильных труб, с одной стороны, и физико-механические свойства пород – с другой.
При бурении резанием с наложением ударов (ударно-вращательное бурение) к породоразрушающему инструменту приложены усилие подачи, крутящий момент и ударные импульсы определенной частоты и силы. При создании колебаний породоразрушающего инструмента породе передается дополнительная удельная энергия, а процесс разрушения породы сопровождается образованием более крупных частиц, что приводит к уменьшению энергоемкости процесса. Изменяя частоту и силу ударов, статическое усилие подачи и окружную скорость, можно в широком диапазоне менять характер воздействия резцов на породу. Для создания ударных импульсов могут быть использованы устройства, работающие в инфразвуковом ( 20 000 Гц) диапазонах частот.
Ударные нагрузки возникают при бурении шарошечными долотами (бурение дроблением и скалыванием). Генераторами инфразвуковых колебаний в настоящее время являются гидроударные и пневмоударные машины. Звуковые и ультразвуковые колебания инструмента создаются магнитострикторами и орбитальными осцилляторами, а также высокочастотными гидроударными машинами.
Бездолотные способы разрушения горных пород связаны с использованием энергии взрыва (взрывное бурение), кавитационной эрозии (имплозионное бурение), энергии удара стальных шариков о породу (шароструйное бурение), энергии струи жидкости (гидромониторное и гидроэрозионное бурение).
При взрывном бурении компоненты, образующие взрывчатую смесь, в капсулах доставляются на забой, где при ударе происходит их смешение. Они могут подаваться на забой и раздельно по трубопроводам; там они смешиваются и взрываются.
При электрогидравлическом бурении электрический разряд в жидкости образует кавитационные полости, при заполнении которых происходит гидравлический удар, или проходит непосредственно через породу благодаря заполнению скважины диэлектрической жидкостью.
При имплозионном бурении в скважину подают герметически закрытые капсулы, из которых предварительно удален воздух. В момент разбивания капсул о забой происходит интенсивное смыкание вакуумной полости. Жидкость, окружающая вакуумную полость, под воздействием гидростатического давления приобретает большую скорость, и порода разрушается под действием импульсов высоких давлений.
Гидромониторное и гидроэрозионное бурение. Энергия высоконапорных струй жидкости может использоваться для разрушения породы в комбинации с резцовыми или шарошечными долотами или самостоятельно. Добавление в рабочую жидкость абразивных частиц повышает эффективность разрушения породы при тех же давлениях. При соответствующей конструкции гидромониторных насадок можно получить эффект кавитации струи промывочной жидкости непосредственно на забое скважины.
Создан инструмент для гидравлического бурения гидрогеологических скважин в мягких породах. При диаметре труб 250–300 мм подается 58–80 м 3 /ч жидкости под давлением 1–3 МПа. Жидкость с большой скоростью истекает из сопел конусной головки и размывает грунт. Лабораторные опыты, проводившиеся со струями при давлении 70–100 МПа, показали способность воды разрушать и твердые горные породы. Эффективно также разрушение пород прерывистой импульсной струей, выбрасываемой из сопла отдельными порциями при давлениях 300–500 МПа.
При эрозионном гидромониторном бурении порода разрушается струей жидкости, вытекающей из гидромониторных насадок при перепаде давления около 35 МПа со скоростью не менее 200 м/с и содержащей абразивный материал (кварцевый песок, стальную дробь) в концентрации 5–15 % по объему.
При термическом разрушении пород их нагрев осуществляется путем передачи им непосредственно тепловой энергии (прямой нагрев) или электромагнитной и лучевой энергии (косвенный нагрев).
Методы с прямым нагревом породы: огнеструйный (воздействие на породу тепла сгорающего топлива и усилия газового потока); плазменный (передача воздействия тепла от плазмы, возникающей при прохождении электрического тока через газы); плазменно-огнеструйный (передача тепла от плазмы, возникающей при прохождении электрического тока через пары топлива); электродуговой (передача тепла от электрической дуги); электронагревательный (нагрев за счет тепла, образующегося при преобразовании в снаряде электрической энергии в тепловую); атомный (использование тепла, выделяемого в атомных реакторах); циклический (воздействие тепла и холода).
Методы с косвенным нагревом породы: электротермический (разрушение породы в результате диэлектрического нагревания с использованием токов низкой, высокой и сверхвысокой частоты); электроиндукционный (нагрев с помощью высокочастотных магнитных полей); лазерный (нагрев и разрушение породы за счет передачи ей лучевой энергии); электронно-лучевой (путем воздействия на породу потоков электронов).
Огнеструйное бурение – способ разрушения пород путем их нагрева посредством сжигания химического топлива (керосин, спирт, бензин, мазут, соляровое масло, природный газ) в среде окислителя (кислород, воздух, азотная кислота) в реактивной горелке. При этом на породу действует газовая струя, выходящая из сопла горелки со сверхзвуковой скоростью.
Термическое бурение применяется в промышленных масштабах при открытых работах. В качестве горючего используют керосин или соляровое масло, окислителем служит кислород. Горелка охлаждается водой. Ручные термобуры позволяют бурить шпуры глубиной до 1,5–2 м, а с помощью станков для термического бурения можно бурить скважины глубиной 8–50 м и диаметром 160–250 мм.
Плазменное бурение представляет собой нагрев пород с помощью плазменных генераторов. При этом получается очень высокая концентрация энергии на единицу объема породы. Плазма возникает в плазменных генераторах (плазмотронах) при прохождении электрического тока через газы (воздух, кислород, водород, аргон, гелий, неон, водяной пар, метан, пропан). При бурении используются температуры нагрева 2000–2500 °С.
При термодинамическом бурении в газовый поток добавляется твердая фаза (например кварцевый песок) через специальную насадку на срезе сопла Лаваля, что приводит к интенсификации теплообмена газового потока и породы.
Электродуговое бурение основано на локальном нагревании породы электрической дугой постоянного и переменного тока промышленной частоты за счет выделения тепла дуги и передачи его породе, а также за счет тепла, выделяющегося при прохождении тока через локальные участки породы. Электрическая дуга создает температуру от 5500 до 16 700 °С и при достаточной энергонапряженности способна расплавить любую породу.
При термодетонационном бурении горение топлива происходит с большими скоростями и сопровождается образованием детонационных волн. При этом давление фронта волны достигает очень высоких значений. Регулируя частоту импульсов, можно изменять соотношение между механической и тепловой энергией, затрачиваемой на разрушение пород. Импульсное воздействие факела на породу приводит к возникновению в ней знакопеременных нагрузок и к увеличению теплоотдачи от факела к забою.
При электронагревательном бурении тепловая энергия преобразуется из электрической в буровом снаряде или в теплоносителе, которым может быть как твердое (например буровой инструмент), так и жидкое тело (например, расплавленные породы и минералы). Разрушение породы в основном происходит за счет ее плавления.
Атомное бурение является разновидностью нагревательного способа бурения. Используется тепло, выделяемое атомным реактором.
Циклическое бурение предусматривает периодичность воздействия на забой горячих и холодных агентов.
Бурение с помощью лучевой энергии – способ разрушения породы с помощью оптических квантовых генераторов (лазеров), которые излучают электромагнитные волны определенной длины с очень слабо расходящимся пучком, что дает возможность не только термически разрушать породы, но даже расплавлять или испарять их. Электронно-лучевой способ разрушения пород основан на ускорении движения электронов между катодом и анодом при напряжениях от 5 до 150 кВ. Электроны, эмиссированные с катода, фокусируются на забое при помощи смещающего напряжения, а также электростатических и электромагнитных линз.
При термомеханическом способе бурения тепловая энергия используется для снижения сопротивляемости пород последующему механическому разрушению. Это качественно новый процесс, характеризующийся большей эффективностью показателей термического и механического способов разрушения породы в отдельности. Введенная в породу тепловая энергия распространяется в очень тонком слое, что обусловливает малые значения энергоемкости процесса разрушения, который носит объемный характер. Разрушение пород при термомеханическом бурении облегчается за счет различных величин коэффициента теплового расширения составных частей минералов, неравномерного их нагрева, давления пара в водосодержащих породах, разности температур на забое и в массиве. Релаксация термических напряжений, даже в течение небольшого времени (с момента окончания термического воздействия до приложения механической нагрузки – более 1–2 с), приводит к существенному снижению или прекращению эффекта.
Наиболее часто в практике ГРР применяется механическое вращательное бурение.
Механическое вращательное бурение разделяется на собственно вращательное (роторное, станки с подвижным вращателем) бурение, при котором бурение ведется главным образом сплошным забоем, и вращательное колонковое, при котором порода забоя разрушается по кольцу пустотелым цилиндром – коронкой, внутри которой остается неразрушенный столбик или колонка породы (керн); вот почему этот вид бурения называется колонковым.
Вращательное бурение делится на бурение с двигателем на поверхности, от которого вращение буровому инструменту (наконечнику) передается штангами – бурильными трубами, и на бурение с забойными двигателями, когда последние опускаются на трубах, непосредственно за породоразрушающим инструментом. Забойными двигателями могут быть: турбобур, электробур, гидровибратор и пр.
а – тип М; б – тип Т; в – тип С; г – тип К
При колонковом бурении для разрушения породы применяются алмазы и твердые сплавы, закрепляемые в коронки, и дробь, засыпаемая на забой под коронку. Различают бурение алмазное, твердыми сплавами и дробовое.
В колонковом бурении возможно также применение гидроперфоратора, при помощи которого разрушение породы производится частыми ударами по коронке, вооруженной резцами из твердых сплавов, с одновременным вращением коронки. Это – комбинированный способ разрушения породы на забое.
Вращательное, в том числе и колонковое бурение обычно ведется с промывкой забоя. При этом продукты разрушения породы (шлам) выносятся на поверхность восходящим потоком жидкости. При ударном канатном бурении очистка забоя производится специальным инструментом – желонкой – уже после того, как порода разрушена долотом.
Для проходки неглубоких скважин применяется вибробурение – углубление скважины путем уплотнения породы под действием осевых и вибрационных нагрузок.
Наконец, по виду применяемой энергии различают бурение ручное и бурение механическое.
Источник
