Особенности применения газожидкостных систем при бурении скважин по валунно-галечным отложениям

Ряд специфических достоинств газожидкостных систем (десолюбилизация, флотация и др.) обуславливают их применение в ка­честве основного очистного агента для бурения скважин с транс­портировкой разрушенной породы по центральному каналу двойных бурильных труб в условиях россыпных месторождений.

Решающими факторами в выборе данного очистного агента являются:

Ø наличие в составе пены или тумана поверхностно-активных веществ, препятствующих агрегатированию твердых частиц и нали­панию их на шламоотводные каналы бурового инструмента, а также позволяющих снизить твердость пород (эффект Ребиндера);

Ø высокая выносная способность газожидкостных систем, возможность придания свойств ньютоновской и пластической жидкости (при КП = 0-0,54 – свойства ньютоновской жидкости, а при КП = 0,54-0,96 – свойства пластической жидкости Бингама) [9];

Ø резкое сокращение потребления воды, ликвидация осложне­ний в слабообводненных и мерзлых породах.

Нами замечено, что по способу получения и условиям приме­нения, газожидкостные смеси можно разделять на два типа: сбалан­сированные с постоянным соотношением воздуха и раствора поверхностно-активных веществ и пластовые, с изменяющимися количеством жидкой фазы в зависимости от водообильности разреза и характе­ристики скважинного насоса (динамоэрлифта).

Сбалансированные газожидкостные смеси предназначены для бурения скважин по малообводненным породам и многолетнемерзлым. Состав же постоянный и задается количеством сжатого воздуха и раствора поверхностно-активных веществ, подаваемых в скважину.

Пластовые газожидкостные смеси образуется при бурении об­водненных пород. Состав их формируется путем подачи в скважину сжатого воздуха, концентрированного раствора поверхностно-актив­ных веществ и поступающего в скважину пластового флюида. При бурении скважин с большими водопритоками количество флюида огра­ничивается производительностью скважинного насоса(динамоэрлифта).

Использование бинарных смесей, тройных композиций и слож­ных многокомпонентных поверхностно-активных материалов, обладаю­щих свойствами, отличными от свойств индивидуальных поверхност­но-активных веществ, входящих в их состав, дает возможность ра­ботать с газожидкостными смесями различной степени аэрации – ту­маны, пены, аэрированные жидкости [22-31].

Любая добавка (десолюбилизаторов) органического и неорга­нического вещества изменяет условия молекулярного взаимодействия ПАВ и свойства мицелярных структур в растворе [32]. Это позво­ляет в процессе бурения полезно влиять на качество очистного агента.

Использование газожидкостных систем в качестве очистного агента позволяет получать обратную циркуляцию без применения устьевых герметизаторов, достаточно использовать специальные эжекторные снаряды.

Наличие раствора поверхностно-активных веществ в сжатом воздухе позволяет обеспечить разжижение разрушенной горной по­роды в корпусе породоразрушающего инструмента и на входе в диафрагму эжектора, что предупреждает ее уплотнение и закупорку каналов.

Проверка работоспособности существующих схем обвязки инстру­мента и оборудования для обратной продувки (промывки) показала, что при столь сложных горно-геологических условиях такой подход к обеспечению обратной циркуляции не надежен.

С целью получения устойчивой обратной продувки (промывки) и качественного опробования, необходимо применять несколько спо­собов получения обратной циркуляции очистного агента в зависимос­ти от физико-механических свойств горных пород. Как показали эксперимен­тальные исследования, горные породы, по условиям пневмотранспор­та можно разделить на три группы:

Ø сухие, рыхлые;

Ø влажные, пластичные;

Ø водообильные.

Для первой группы целесообразно применять переточную вакуум­ную продувку с использованием забойных эжекторных устройств или воздуходувок, для второй группы закрытую продувку в сочетании с перекрывающимся по наружному кольцу породоразрушающим инстру­ментом и эжектором, для третьей группы эрлифтную промывку.

Переточная вакуумная продувка заключается в создании зоны пониженного давления внутри центрального канала бурильных труб на всей протяженности при использовании поверхностных вакуумных насосов или в создании зоны пониженного давления на породоразрушающем инструменте с помощью эжекторного устройства (рис. 2.1).

Рис. 2.1 Схема очистки забоя с использованием вакуумных насосов

1 – бурильные штанги; 2 – сальник; 3 – вакуумные штанги; 4 – циклон;

5 – вакуумный насос.

Однако экспериментальными работами доказано, что при использовании только вакуума, происходит частая закупорка раз­рушенной горной породы в породоразрушающем инструменте вследст­вие ее налипания или уплотнения, что значительно усложняет выполнение буровых работ на россыпных месторождениях.

Рис. 2.2 Схема бурения с напорновакуумной продувкой

1 – специальный породоразрушающий инструмент; 2 – эжекторное устройство; 3 – пневмоударник; 4 – шламовый канал; 5 – двойные бурильные трубы; 6 – двойной продувочный сальник; 7 – циклон.

Применение сочетания компрессора и вакуумных воздуходувок большей производительности дают хороший результат по очистке скважины от разрушенной горной породы, а использование сжатого воздуха позволяет удалять пробки путем реверсирования потока и применять забойные пневмоударники. Однако применение вакуумные воздуходувок требует тщательной очистки потока воздуха от шлама и затрудняет применение газожидкостных систем.

Для дальнейшей разработки нами выбран способ получения об­ратной продувки путем создания зоны пониженного давления над породоразрушающим инструментом с помощью эжекторных снарядов, что позволяет уменьшить энергоемкость на создание обратной про­дувки (исключаются вакуумные воздухопродувки), упрощает отбор проб и хорошо сочетается с применением газожидкостных систем в качестве очистного агента.

Рис 2.3 Типы эжекторов

1 – струйный эжектор; 2 – щелевой эжектор; 3 – вихревой эжектор.

Закрытая напорная продувка отличается от переточной, отсутст­вием продувочных (промывочных) каналов по наружной поверхности породоразрушающего инструмента выше подводящих каналов (рис. 2.2). При этом обязательным условием является наличие в компоновке скважинного снаряда пневмоударника и эжектора, расположенного в корпусе породоразрушающего инструмента, в непосредственной бли­зости от рабочих поверхностей, сконструированного так, что обес­печивается циркуляция небольшой части очистного агента под тор­цом породоразрушающего инструмента и поступление основного объе­ма в центральный канал на вихревой эжектор с созданием разрежения над режущими элементами. Применение ударно-вращательного бурения позволяет эффективно производить углубку скважины при малых оборотах бурильного вала.

Эрлифтная промывка отвечает требованиям эффективной очист­ки скважины, качественному отбору проб, применению забойных пневмоударных машин при высоте уровня воды над пневмоударником до 20 м. Но возможность ее применения ограничивается гидрогеоло­гическими физико-механическими свойствами горных пород и минимальной глубиной скважины 10 м.

Важную роль в обеспечении обратной циркуляции выполняют эжекторные устройства. Рассматривая три типа эжекторов – струй­ные, кольцевые и вихревые (рис. 2.3), получаем наиболее высо­кий коэффициент полезного действия у вихревых эжекторов, обуслов­ленный увеличением скорости рабочего потока, за счет тангенциаль­ной составляющей потока и конфигурацией расширяющего канала (эффект Коонда).

Сочетание пневмоударника и вихревого эжектора позволяет использовать эффект забивания породоразрушающего инструмента в породу и "продавливание" разрушенной горной породы во внутрь кор­пуса породоразрушающего инструмента в вихревое сопло эжектора. При этом породоразрушающий инструмент выполняется в форме кольце­вой коронки с внутренним конусом, в котором установлены армиро­ванные ребра, выполненные в виде многофазных винтовых поверхнос­тей с правым направлением спирали, винта, предназначенные для разрушения горной породы и для транспортировки породы с периферии к центру, из забоя вверх к диафрагме эжекторного устройства.

Хорошие результаты получены при бурении по валунно-галечным отложениям с различным размером валунов и гальки породоразрушающим инструментом, выполненным в форме кольцевой коронки с встав­ленными в нее шарошками.

Технология ударно-вращательного бурения пневмоударниками с обратной циркуляцией очистного агента определяется энергией и частотой ударов, числом оборотов инструмента, осевой нагрузкой и интенсивностью удаления разрушенной горной породы.

Энергия и частота ударов в имеющихся пневмоударных машинах параметры взаимосвязанные и увеличиваются или уменьшаются одно­временно, но несколько в различной степени. Поскольку уровень ударных нагрузок у погружных пневмоударников рассчитан на меньшие диаметры бурения, для породоразрушающего инструмента диа­метром 300 мм он заведомо будет ниже критических величин. Если за основную цель брать скорости бурения, то энергию удара и час­тоту ударов необходимо поддерживать на максимально возможном уровне. Скорость бурения находится в прямой зависимости от давле­ния воздуха, т.е. от энергии единичного удара и частоты ударов, что подтверждает необходимость эксплуатации пневмоударных машин на максимальных параметрах сжатого воздуха.

Наличие забойной машины-пневмоударника и эжектора предъяв­ляет ряд требований, характерных для этого вида бурения, которые необходимы в дальнейшем при разработке методики для построения расчетных схем эжекторного снаряда и процесса описывающего динамику пневмоударно- эжекторного бурения.

Рис. 2.4 Зависимость объемного выхода материала (С)

от скорости восходящего потока (V)

Особенностью эжектора, работающего в комплексе с пневмоударником, является наличие двух отличающихся между собой режимов – рабочий режим и блокировочный режим. В первом случае при выхлопе пневмоударника создается давление воздуха до 0,25 МПа (при 0,3 МПа пневмоударник не заводится). Во втором случае при очистке скважины от шлама и воды на выхлопе устанавливается дав­ление воздуха до 0,4 МПа. Второй отличительной чертой эжекторного снаряда при ударно-вращательном бурении с обратной циркуляцией очистного агента является необходимость подвода очистного аген­та к режущим элементам породоразрушающего инструмента и поступле­ния основного объема в кольцевой канал вихревого эжектора.

Скорость восходящего потока сжатого воздуха в транспортном канале бурового снаряда по условиям качественного отбора проб, должна быть не менее 30 м/с [19].

Экспериментальными исследованиями (рис. 2.4) подтверждена минимальная скорость восходящего потока воздуха в транспортном канале бурового инструмента.

Рис. 2.5 Расчетная схема эрлифта

1 – внутренние трубы; 2 – наружные трубы; 3 – смеситель;

4 – породоразрушающий инструмент; 5 – сальник-вертлюг;

6 – воздушный рукав; 7 – отводящий рукав; 8 – шламосборник.

Параметры работы эрлифта рассчитываются для условий мак­симальной подачи. При работе в режиме с максимальной подачей, эр­лифт обеспечивает наиболее устойчивую обратную промывку с наи­меньшим удельным расходом воздуха.

Расчет проводится на основе баланса напора в эрлифте при создании обратной промывки [33, 34, 35]. Расчетная схема эрлифтного насоса приведена на рис. 2.5.

При работе с пневмоударником происходит увеличение расхода воздуха до 7-10 м³/мин и более. Для определения производи­тельности эрлифта для этих расходов можно воспользоваться графи­ком зависимости производительности от расхода воздуха (рис. 2.6) по которому, зная расход воздуха, можно определить производи­тельность эрлифта [34].

Рис. 2.6 Зависимость расхода воздуха (V)от производительности эрлифта (q)

Диапазон регулирования производительности эрлифта определя­ется исходя из следующих условий:

Ø минимальная производительность q определяется исходя из минимальной скорости восходящего потока жидкости ниже смеси­теля, необходимой для подъема частиц породы и площади сечения труб F по формуле: q = V∙F

где V = 2,2 м/с для транспортировки частиц диаметром 10-20 мм в воде.

Ø номинальная производительность q определяется исходя из скорости восходящего потока жидкости 2-4 м/с, с достаточной для выноса гальки и гравия [35].

Наряду с конструктивными элементами породоразрушающего инструмента, число оборотов снаряда влияет на реализацию подводи­мой ударной мощности за счет осуществления той или иной схемы поражения забоя.

Зона максимумов скорости соответствует оптимальному соотношению параметров машины и инструмента, при котором основные удары наносится по трапециевидным выступам, образованным подгото­вительными ударами с отставанием от их средней линии на величину 0,1-0,2 м. Коронки, имеющие поперечные периферийные лезвия длиной 11-15 мм изменяют характер зависимости скорости бурения от числа оборотов, при этом исчезает их периодичность.

Частота вращения инструмента применяется на основании су­ществующих методик расчета и с учетом технических возможностей буровых агрегатов. В связи с техническими сложностями поддержания оптимального расстояния между ударами в породах включающих валуны и галечник частота вращения снаряда может быть выбрана исходяиз максимального количества полных ударов за один поворот породоразрушающего инструмента. Для разработанной нами технологии оптимальное число оборотов снаряда составляет 12-25 об/мин.

В последние годы работами отечественных и зарубежных исследователей [1,14] доказано, что статические нагрузки играют весьма важную роль в процессе разрушения горных пород ударными нагруз­ками, объясняется это формированием упругих деформаций на поверх­ности породы вследствие большой осевой нагрузки на долото и крутящего момента. Однако некоторые авторы считают целесообразным снизить осевую нагрузку, чтобы избежать чрезмерного износа инструмента.

Таблица 2.1

Результаты отработки породоразрушающего инструмента

Исследования, проведенные нами, свидетельствуют о необходимости решения вопроса исходя из параметров породоразрушающего инструмента и конкретных горно-геологических условий.

В таблице 2.1 приведены результаты отработки породоразрушающего инструмента диаметром 225 мм по валунно-галечным отложени­ям при изменении осевой нагрузки.

Бурение по валунно-галечным отложениям отличается от об­щепринятых схем разрушения горных пород при ударно-вращательном бурении. Основной составляющей дробления валунно-галечного и гравийно-галечного материала является удар. Осевая нагрузка при этом колеблется от 3000 до 10000 Н. Дальнейшее увеличе­ние нагрузки приводит к жесткой угловой вибрации и разрушению твердого сплава.