Оборудование для бурения скважин большого диаметра

Наиболее рациональным методом получения проб большого объема при разведке обводненных россыпных месторождении золота может быть бурение скважин большого диаметра по технологии, обеспечивающей высокое качество отбора проб. Анализ существующих способов бурения скважин большого диаметра показал, что наиболее приемлемыми для проходки скважин большого диаметра в сложных геологических условиях залегания россыпей золота могут быть ударно-захватный (грейферный) и медленновращательный (ковшовыми бурами) способы.

Ежегодно в партиях и экспедициях, выполняющих разведочные работы на золото, проходится свыше 500 тыс. м шурфов, что позволяет рассматривать создание технических средств для проходки шурфо-скважин весьма важной и актуальной задачей.

К технологии проходки скважин большого диаметра с целью получения проб высокого качества предъявляется ряд специальных требований, основными из которых являются следующие:

1) объем пробы, извлекаемой из горной выработки, должен быть близким к теоретически необходимому, а сама проба минимально нарушена и измельчена;

2) в процессе бурения должна быть исключена миграция золота вниз по скважине, обеспечено полное извлечение породы по интервалам опробования, а также падежное определение границ золотоносного пласта и тщательная зачистка плотика;

3) скорость проходки шурфо-скважин должна быть технически и экономически целесообразной.

В состав работ, проведенных институтами ЦНИГРИ, входило определение минимально допустимого диаметра скважин для получения необходимого объема пробы, исходя из данных ситового анализа золота; разработка технологии процесса бурения с целью выполнения предъявленных требований; создание макетов работоспособного инструмента для проходки скважин в талых обводненных породах; разработка и обоснование технических параметров создаваемой буровой установки, а также проведение ее промышленных испытаний с выявлением качества работ путем сравнения их с существующими методами.

Минимально необходимый диаметр буровой скважины определяется расчетным путем, исходя из данных ситового анализа по методу А.П. Божинского и рекомендациям П.Л. Каллистова. Расчет основан на обязательном попадании в каждую пробу всех частиц золота средней массы при математическом ожидании их встречи (К-5). Расчеты показали, что диаметр скважины при интервале взятия пробы 0,4 м должен быть 0,6—0,7 м, а объем получаемой при этом пробы будет составлять с учетом коэффициента разрыхления породы (К= 1,25) 120—180 л породы, что соответствует объемам проб, промываемым при проходке шурфов. Для исследования и проектирования были выбраны диаметры башмака обсадных труб 715 (наружный) и 605 мм (внутренний).

Технологические схемы проведения скважины разрабатывались исходя из требования получения чистой (незаряженной) пробы высокого качества с каждого интервала опробования.

В зависимости от литологического состава рыхлых отложений и гидрогеологических условий их залегания были выбраны три основные технологические схемы.

1. Проходка на одном уровне с башмаком обсадных труб в рыхлых отложениях, сложенных сыпучим материалом при незначительных водопритоках.

2. Проходка с отставанием забоя от башмака обсадных труб в рыхлых отложениях; стенки скважины неустойчивы, наблюдаются значительные водопритой.

3. Проходка скважины с опережающим забоем в рыхлых отложениях, стенки скважины достаточно устойчивы благодаря наличию цементирующего материала — глины.

Для получения проб высокого, качества предусматривается проведение бурения одновременно с обсадной скважины трубами. На рис. 107 показана технологическая схема бурения скважин большого диаметра установкой УБСР-25.

Применительно к выбранным схемам бурения разведочных скважин были разработаны макеты породоразрушающего инструмента трех типов для проходки скважин:

1) глинистых рыхлых отложениях, представленных породами гравийно-галечного состава;

2) в круглогалечных отложениях с размерами каменного материала до 200 мм;

3) в валунно-галечных отложениях с извлечением валунов размером до 500 мм без предварительного их разрушения.

Работоспособность макетов бурового инструмента с применением разработанных технологических схем исследовалась в лабораторных условиях на полигоне в Туле на макете машины БМН-860. В процессе исследовании были определены основные параметры технической характеристики буровой установки и выявлено, что комбинированный метод бурения скважин разработанным инструментом обеспечивает качественный пробоотбор. Ковшовые буры с приемной кассетой для медленно-вращательного бурения скважин большого диаметра (наружный диаметр ковшового бура 600 мм) полностью извлекают породу с интервала опробования, поднимают ее из скважины без потерь.

Процесс отбора пробы грейфером при ударно-захватном бурении исследовался на россыпных месторождениях золотя на макете буровой установки ПУРШ. Исследования показали, что применение ударно-захватного способа бурения в чистом виде обеспечивает проходку скважин диаметром 630 мм и получение достоверных данных разведки (сходимость данных по отношению к проходке шурфами 0,94, а по отношению к данным бурения комплектом Эмпайр 1,35). Границы золотоносного пласта соответствуют полученным при проходке шурфами, а пробы, взятые по интервалам опробования, статистически друг от друга не отличаются.

Результаты экспериментальных работ дали основание для разработки технического задания на проектирование опытного образца буровой установки для проходки скважин в талых обводненных, отложениях ударно-захватным и медленновращательным способами, причем расчетная производительность создаваемой установки на основании результатов опытных работ оценивалась от 2 до 5 м/смену в зависимости от геологических условий залегания россыпей.

По разработанной технологии создана буровая установка УБСР-25 конструкции Главнефтепроммаша. В 1967—1968 гг. закончено изготовление двух опытных образцов установки и проведены их заводские испытания, доводка и промышленные испытания.

Почти все основные и вспомогательные операции процесса бурения при использовании установки УБСР-25 механизированы.

Для приема породы из скважины при бурении грейфером на мачте стайка установлен приемный поворотный бункер, который после его заполнения за несколько рейсов грейфера опрокидывается и порода высыпается в специальную емкость для последующей обработки. Для сборки, разборки и освобождения кассеты ковшого бура на мачте имеется отклоняющая укосина.

Укосина и бункер управляются гидравликой.

Работоспособность основных узлов установки, бурового и вспомогательного инструмента, а также соответствие ее параметрам технической характеристики проверены в процессе заводских испытаний. В процессе испытаний на полигоне Щигровского завода пробурено 80,6 м скважин в плотных глинах и суглинках, т. е. в скважинах с устойчивыми стенками. Бурили грейфером и ковшовыми бурами на штангах и на канате, причем проходка буром на штангах производилась без крепления стенок скважины трубами. В процессе испытании пробурено пять скважин глубиной 18,6; 15,2; 7,6; 16,8 и 22,4 м. Грейфером пробурено всего 19,3 м, ковшовым буром на штангах 15,2 м и ковшовым буром на канате 46,1 м. Производительность бурения была равна соответственно 6,8; 5,6 и 4,9 м/смену. Заводские испытания показали возможность поинтервального отбора проб при проходке скважин по разработанной технологии и возможность се применения на россыпях. Буровой инструмент оказался работоспособным.

Промышленные испытания буровых установок проводились в Уральском и Дальневосточном геологических управлениях. При испытании буровой установки в Промысловской ГРП было пробурено 14 шурфо-скважин общей глубиной 148 м. Скважины бурились на линиях, разведанных ранее колонковым способом. Интервалы опробования соответствовали интервалам опробования колонковых скважин и составляли около 1 м, хотя проходки осуществлялись по 0,5 м. Рыхлые отложения были представлены чередованием валунно-галечных отложений, сцементированных глиной, и плывунами. Усредненный разрез на буровых участках был представлен (сверху вниз) породами, представленными в табл. 59.

Скважины обводненные, с водопритоком до 20—60 м3/ч, уровень грунтовых вод 0,2—7,0 м, в среднем около 5 м.

Глубина шурфо-скважин изменялась от 2,8 до 19,5 м. В зависимости от литологического состава пород и их гидрогеологической характеристики скважины бурили по трем разработанным технологическим схемам. Разбивка валунов производилась долотом с последующим извлечением разрушенной породы грейфером или ковшовым буром на штангах. Обводненные и сухие участки скважины проходили ковшовым буром на штангах, на канате или грейфером.

В процессе доводки и опытной эксплуатации станка УБСР-25 затраты времени на различные операции составили.

Скорость бурения установкой без учета простоев 3,2 м/смену. В отдельные смены производительность достигала 5,5—6,0 м/смену.

Данные опробования шурфо-скважинами и скважинами колонкового бурения близки между собой: коэффициенты сходимости по средним содержаниям составили 1,15. В то же время коэффициент сходимости между шурфами и скважинами (по данным Уральского геологического управления) составляет 1,27, т. е. сходимость между шурфами и шурфо-скважинами практически одинакова.

При рассмотрении данных опробования по интервалам бурения можно установить, что при колонковом способе не все полученные пробы содержат металл, в то время как в шурфо-скважинах во всех пробах обнаружено золото. Это говорит о более высоком качестве бурения скважин и отбора проб буровой установкой УБСР-25, осуществляющей бурение по разработанным технологическим схемам.

Границы золотоносного пласта при бурении установками УБСР-25 всеми способами определены на одних и тех же горизонтах, что позволяет утверждать, что растягивания золотоносного пласта не происходит. Пики содержания металла в пробе, отмеченные по данным ручной проходки шурфами, соответствуют пикам содержания металла, зафиксированным при бурении шурфо-скважин установкой УБСР-25.

Полученные в процессе проведения промышленных испытаний буровых установок УБСР-25 данные позволяют продолжать работы по опытной эксплуатации установок в производственных условиях, так как качество получаемых разведочных проб и их объем удовлетворяют требованиям, предъявляемым к геологоразведочным работам на россыпных месторождениях золота.

Буровая установка УБСР-25 работоспособна, надежна в эксплуатации, а комплект инструмента позволяет отбирать высококачественные пробы большого объема. Технология бурения скважин и технологические схемы отвечают требованиям отбора проб или разведке россыпных месторождений золота. В дальнейшем необходимо проводить работы по усовершенствованию бурового инструмента, ускорению операции по наращиванию колонны обсадных труб с целью снижения затрат времени на вспомогательные операции, что позволит повысить производительность буровой установки УБСР-25.

В настоящее время ЦНИГРИ совместно с рядом других научно-исследовательских и производственных организаций начаты работы по разработке технологии и созданию высокопроизводительной установки для проходки скважин большого диаметра глубиной до 20 м при разведке многолетнемерзлых россыпных месторождений золота. Предполагается, что пробы будут извлекаться в мерзлом состоянии. Для своевременного получения разведочных данных в комплексе с буровой установкой должна одновременно работать и обогатительная установка. В этом случае в конструкции буровой установки предусматривается генератор, обеспечивающий энергией промывочное устройство. В настоящее время нет эффективных технических средств для обработки мерзлых проб большого объема непосредственно после их получения, учитывая, что проба может быть представлена целым керном или крупнокусковой мерзлой породой. Очевидно, что одновременно с работами по созданию буровой установки необходимо разработать схему обработки таких проб и предусмотреть для этого комплекс технических средств, обеспечивающих круглогодичную работу установки.

В связи с тем, что отбор шурфовых проб в настоящее время ведется вручную, а серийно выпускаемого оборудования для этих целей нет, геологическими организациями (Уральским, Якутским и др.) ведутся работы по замене шурфов ручной проходки бурением скважин большого диаметра (700—1000 мм). Уральским геологическим управлением разработано несколько конструкций шурфобуров, которые испытывались в производственных условиях и зарекомендовали себя положительно.

Для бурения шурфо-скважин большого диаметра в управлении используются самоходные буровые установки роторного типа на автомашинах УРБ-ЗАМ, УРБ-2А и установки шнекового бурения УГБ-50. Якутским геологическим управлением аналогичные работы проводятся с применением станков ударно-канатного бурения.