CC BY
48
© О.А. Орешкин, 2004
УДК 69.035.4 О.А. Орешкин
ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА КРЕПЛЕНИЯ И ТИПА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПРОХОДКЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ ШТАНГОВЫМИ БУРОВЫМИ УСТАНОВКАМИ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ
~П озведение крепи является важным
-Я-М этапом сооружения стволов методом бурения, так как выбор типа крепи и технологии крепления во многом определяет надежность эксплуатации и долговечность будущей выработки, а также стоимость и темпы ее сооружения.
При бурении стволов и скважин большого диаметра функцию временной крепи выполняет буровая жидкость, поддерживающая породные стенки за счет создаваемого гидростатического давления.
Обычно в качестве промывочной жидкости при бурении по породам средней крепости, а также в неустойчивых и трещиноватых породах применяются глинистые растворы, при этом в крепких устойчивых породах бурение в ряде случаев, возможно осуществлять с применением воды.
При использовании в качестве буровой жидкости глинистого раствора устойчивость стенок ствола обеспечивается как благодаря противодавлению, так и благодаря его способности создавать на стенках выработки глинистую малопроницаемую корку, что благоприятно не только с точки зрения временного крепления ствола, а также при наличии газоносных пластов препятствует поступлению газа в выработку во время его сооружения.
Постоянная крепь возводится в выработке после полного окончания бурения. И только после полного завершения работ по креплению ствола производят откачку буровой жидкости.
Сооружаемая крепь должна соответствовать следующим основным требованиям: обладать требуемой прочностью и надежностью, небольшой трудоемкостью при изготовлении и возведении, коррозионностойкостью, водонепроницаемостью, иметь допустимый коэффи-
циент аэродинамического сопротивления движению воздуха.
Рассмотрим некоторые широко применяемые и перспективные типы крепи в отечественной и зарубежной практике.
Наибольшее распространение при проходке стволов бурением получила крепь в виде металлической оболочки, с заполнением закреп-ного пространства тампонажным раствором.
Крепь собирается на поверхности из сегментов (колец) изготавливаемых из прокатной листовой стали толщиной 16—20 мм, с использованием листогибочных четырехвалковых машин типа ИБ 2426, предназначенных для гибки листов толщиной до 30 мм. Для увеличения прочности обсадной колонны на смятие при креплении в породах, склонных к вывалам, а также для увеличения допустимого объема разовой закачки цементно-песчаного раствора в закрепное пространство, формируемые кольца усиливаются шпангоутами из стали толщиной 20 мм, шириной 300 мм или швеллера № 12 или № 20, размещаемыми через 500, 800, 1000 или 1500 мм на наружной поверхности.
При сборке обсадной колонны продольные сварные швы каждого последующего кольца и бандажей смещаются по длине окружности в целях обеспечения равнопрочности цилиндрической крепи.
Обсадные трубы, изготовляемые из листовой стали, должны быть водонепроницаемыми на сварных стыках, обладать коррозионной стойкостью. Также большое внимание уделяется контролю геометрических размеров изготавливаемых колец - торцевые поверхности должны быть строго перпендикулярны к их продольной оси для обеспечения вертикальности собираемой колонны крепи.
Рис. 1. Крепь фирмы "Е. Хайтками ГмбХ" (Германия): а - предварительно изготовленные бетонные кольца; б - устройства навески; 1 - стальная муфта; 2 - отверстие для тампонажных труб; 3, 6 - бетонные кольца; 4 - направляющие ребра; 5 - буровая колонна; 7 гидроцилиндр; 8 - направляющие; 9 - цементный раствор
Сталебетонную крепь применяют в отечественной практике с 1964 г. при креплении стволов и скважин большого диаметра, пробуренных по песчаным и глинистым неустойчивым породам, где нагрузка на крепь достигает 5 МПа, а также для крепления устьев.
В конструктивном отношении сталебетонная крепь представляет собой два стальных цилиндра высотой 3—3,5 м из стальных листов толщиной 10—20 мм, зазор между которыми (200—400 мм) заполняется бетоном. Для увеличения сцепления с бетоном на внутренней обечайке наваривают бандажи. Колонна такой крепи возводится секционным способом.
Достоинством сталебетонной крепи является высокая грузонесущая способность, недостатками - большой расход металла и вес крепи, высокая трудоемкость изготовления [3].
Несмотря на то, что бетонная крепь не нашла до настоящего времени широкого применения при креплении стволов и скважин, пройденных штанговыми буровыми установками во многих странах продолжаются разработки технологий крепления стволов, пройденных эрлифтовыми буровыми установками, основанных на замене стали бетоном с использованием, в некоторых случаях, буровой мелочи для его изготовления.
Примером такого решения может служить крепь фирмы "Е. Хайткамп ГмбХ" для стволов, пройденных бурением в устойчивых породах. Крепь состоит из предварительно изготовленных бетонных колец (рис. 1). Специальным захватным устройством бетонные кольца длиной 2—4 м опускают в ствол, составленными друг на друге, на буровой колонне, и цементируют закрепное пространство. Между бетонными кольцами устанавливаются деревянные сминающиеся прокладки.
Крепь из предварительно изготовленных бетонных колец обходится дешевле, чем крепь из стальных труб. Если такая крепь нарушается под влиянием очистных работ, то она сравнительно легко поддается восстановлению.
X
1 6 и
■ №М л
Возведение крепи из цилиндрических оболочек различной конструкции, изготавливаемых и монтируемых на поверхности, производится погружным или секционным способом в зависимости от массы крепи, диаметра и глубины ствола.
При секционном способе крепь возводится снизу вверх, начиная от забоя ствола из стыкуемых между собой отдельных секций обсадной колонны, собираемых над устьем. Этот способ впервые осуществлен на практике при креплении вентиляционного ствола шахты № 6 «Красная Звезда» в Донбассе в 1950 г. ив настоящее время является основным при креплении выработок, пробуренных штанговыми буровыми установками. Секции монтируются на поверхности из обсадных труб длиной 4,5—6 м, соединяемых при помощи электросварки. Длина секции определяется типом крепи, ее весом, грузоподъемностью талевой системы буровой установки и составляет для крепи из листовой стали 50—100 м, из сталебетонных колец 20-30 м, из железобетонных не более 10—15 м. В стволах, имеющих значительное искривление или каверны, длину секции сокращают до 30—50 м.
Нижняя часть первой секции обычно выполняется в виде усеченного конуса для предотвращения возможных остановок на уступах, однако, при наличии хрупких трещиноватых пород иногда она оставляется цилиндрической, что обеспечивает срезание незначительных уступов и крепь свободно доходит до забоя через имеющиеся куски обрушенной породы в призабойной части выработки.
Первую секцию крепи устанавливают на забой ствола, удерживая на прицепном устройстве. Интервал тампонирования закрепного пространства цементно-песчаным раствором принимается равным приблизительно 2/3 высоты секции. Затем прицепное устройство отделяют, поднимают на поверхность, собирается следующая секция и опускается в ствол до соприкосновения с предыдущей. Соосное соединение секций осуществляется с применением стыковочного устройства, устанавливаемого сверху предыдущей или снизу последующей секции и закрепное пространство опущенной секции тампонируется на 2/3 высоты. Операции повторяются до тех пор, пока крепь не выйдет в устье ствола.
Данная технология крепления позволяет полностью исключить большие монтажные нагрузки, возникающие при погружном способе, и применять крепь, рассчитанную лишь на горное давление.
Недостатки этого способа: определенная сложность в стыковке секций и обеспечении герметичности колонны крепи, отсутствие возможности наблюдения за стыковкой, частая сменяемость таких технологических операций, как сваривание обсадных труб и сборка приспособлений для стыковки и спуска секций, монтаж и демонтаж цементировочных ставов, тампонаж и т. п.
Эти недостатки в значительной степени отсутствуют при применении погружного способа возведения крепи на всю глубину пробуренной выработки. Существуют два способа: спуск крепи с открытым дном и с герметичным железобетонным днищем.
В случаях, когда вес колонны крепи меньше грузоподъемности талевой системы, крепь монтируется аналогично сборке секции на всю глубину ствола.
Таким способом в основном крепят скважины диаметром до 1,72 м, глубиной до 400500 м, а также кондукторы и промежуточные колонны.
Примером спуска крепи погружным способом одной колонной весом не превышающим грузоподъемность буровой установки, являются возведение крепи скважины диаметром 1020 мм на шахте им. 17 Партсъезда глубиной 420 м (п. о. «Шахтерскантрацит»).
Если вес колонны крепи превышает грузоподъемность буровой установки, а данные геофизических исследований формы сечения ствола и его искривления относительно оси по-
зволяют возвести крепь одной секцией, может быть применен способ спуска на плаву.
В этом случае крепь в виде водонепроницаемого цилиндра с герметичным днищем опускают по мере сборки.
Такой способом применим при креплении выработок глубиной до 450-500 м. Сборка крепи начинается с сооружения герметичного железобетонного днища, на котором монтируют несколько колец крепи, а затем опускают в выработку, заполненную буровой жидкостью и производят дальнейшее наращивание плавающей колонны.
Для погружения в выработку, заполненную промывочной жидкостью, в плавающую крепь заливается балластная жидкость.
Наращивание крепи осуществляют с периодическим доливанием балластной жидкости, в качестве которой может использоваться буровой раствор или вода, на полную глубину выработки.
Когда крепь достигает забоя, ее разгружают не более чем на 1/3 собственной массы. С учетом выталкивающей силы, действующей на погруженную в жидкость крепь, это позволяет в некоторой степени уравновесить растягивающие и сжимающие вертикальные нагрузки. После этого закрепное пространство тампонируется цементным раствором ступенями, равными допустимой высоте разовой закачки, через тампонажные ставы, опущенные за крепь. Главным достоинством погружного способа является высокое качество и водонепроницаемость колонны крепи.
Недостатки: наличие больших монтажных нагрузок на крепь, возникающих в результате разности уровней промывочной жидкости в стволе и балластной жидкости внутри крепи, высокие требования к вертикальности выработки; неприменимость способа в породах, склонных к обрушениям, так как опускание крепи вызывает колебания гидростатического давления и способствует возникновению поглощений буровой жидкости; при нарушении герметичности погружаемой крепи она может затонуть [3].
Примером использования этого способа может служить крепление кондуктора глубиной 180 м экспериментальной скважины на шахте им. Румянцева ПО «Артемуголь» обсадными трубами диаметром 1420 мм с массой колонны 88 т.
Заслуживают внимания, разработанные в комбинате "Карагандашахтострой" под руко-
водством Солошенко В.И. [6] технология и оснастка подводного возведения крепи из монолитного бетона в буровом растворе без применения обсадных труб при использовании буровой установки Ь-35 (рис. 2). В пробуренный ствол, заполненный буровым раствором, с помощью бурового става опускают опалубку, а за нее телескопические ставы для подачи бетонной смеси. По мере заполнения заопалубочного пространства бетонной смесью опалубку периодически поворачивают ротором буровой установки, вертикальное перемещение опалубки производится после набора требуемой прочности нижними слоями бетона не прерывая при этом процесс заполнения заопалубочного пространства.
Одновременно с опалубкой поднимают и телескопические ставы, сохраняя постоянной величину заглубления труб в бетонную смесь, что препятствует проникновению в нее бурового раствора. Таким способом монолитная бетонная крепь формируется по глубине всего ствола.
Данный способ крепления был испытан на шахте им. 50-летия СССР ПО "Караганда-уголь" в ходе сооружения форшахты буримого ствола. Положительные результаты эксперимента позволяют предположить возможность более широкого использования этой технологии. По сравнению с традиционным способом крепления - металлической обсадной колонной для скважины глубиной 500 м и диаметром 3,6
м возможно снизить расход металла на 1040 т.
Также существуют способы крепления стволов, пройденных в крепких устойчивых породах набрызгбетоном с анкерами и сеткой с подвесного полка при опережающей откачке промывочной жидкости.
При строительстве стволов в районах распространения многолетнемерзлых пород к вопросу выбора типа крепи и технологии ее возведения следует подходить с учетом свойств мерзлых пород, а также особенностей формирования нагрузок на крепь в зависимости от их теплового состояния. Согласно опыта эксплуатации вертикальных горных выработок, изложенного, например, в работах [2, 5] необходима теплоизоляция крепи на глубину распространения ММП с целью снижения нагрузок на крепь посредством уменьшения теплового влияния эксплуатируемого ствола на окружающий массив мерзлых пород и снижения скорости формирования и сокращения размеров зоны протаивания.
Также согласно результатам исследований приведенных в работе [5] требуемая величина интервала применения теплоизолированной крепи несколько больше глубины распространения ММП и определяется необходимостью снижения величины подтока тепла снизу от соседних более теплых вмещающих пород.
Наибольшее распространение получили теплоизоляционные материалы на основе пенополиуретана и пенополистирола [10]. Однако последнее время все более широкое применение находят сферопластики представляющие собой класс легких полимерных композитов с закрытой пористостью (микроячеистой структурой), создаваемой введением в полимерную основу полых сферических наполнителей размером от десятков до сотен микрон. Наиболее
распространены и освоены в промышленности легковесные заполнители на основе стеклянных микросфер, а также на основе зольных микросфер, получаемых флотацией из шлаковых отвалов.
Производство этих материалов в России создавалось для нужд оборонной промышленности, в частности, глубоководной техники при
Рис. 2. Схема возведения монолитной бетонной крепи: 1 - опалубка; 2 - тампонажный став; 3 - буровой став; 4 - ротор установки
участии ЦНИИ КМ "Прометей".
По сравнению со сферопластиками [10] пенополиуретан и пенополистирол обладают рядом существенных недостатков таких как:
• низкие значения механической прочности и сцепления со сталью (предел прочности при сжатии 0,54 МПа, адгезионная прочность 0,046 МПа);
• водопроницаемость и наличие капиллярного подсоса влаги, достигающего 62 % по массе, даже при постановке гидрозащитного покрытия вследствие открытопористой структуры;
• потеря теплозащитных свойств при насыщении водой (коэффициент теплопроводности увеличивается в 5 раз);
• низкая индустриальность нанесения;
• высокая категория опасности производства теплоизоляции по санитарной характеристике, наличие вредных выбросов в атмосферу (полиизоцианаты);
• высокая горючесть.
Сферопластик является высокопрочным,
порозамкнутым, водонепроницаемым материалом стойким к воздействию агрессивных агентов. Его морозостойкость находится в пределах от минус 65 °С до минус 150 °С; термостойкость достигает плюс 130°С; коэффициент теплопроводности составляет порядка 0,05-0,1 Вт/м2К. Также важной характеристикой сферо-пластиков является стабильность их физикомеханических свойств на протяжении длительного времени эксплуатации.
В конце 60-х годов в БашНИПИнефть были начаты исследования по применению полимерных микросфер для облегчения тампонаж-ных и бурильных растворов (под руководством Шарипова А.У.). Испытания были проведены при бурении многочисленных скважин в Оренбургской области и показали экономическую эффективность использования микросфер.
В 1992 г. по инициативе ВНИПИмор-нефтегаза сферопластики использованы в качестве теплоизоляционного материала для труб скважин и газопроводов, прокладываемых в многолетнемерзлых грунтах. А в 1994 г. по заданию РАО «Газпром» НПП «Аквасинт» провело комплекс работ по разработке рецептур и технологии изоляции сферопластиком труб газового сортамента непрерывным способом и заводского процесса производства.
Наиболее технологичным и перспективным вариантом нанесения покрытий практически на любые поверхности является метод газопламенного напыления. Исследования по разработке данного метода успешно выполнены специалистами НПП «Аквасинт» по заданиям ракетно-космического комплекса [8].
Характеристики сферопластиков, нанесенных методом газопламенного напыления, приведены в таблице.
В настоящее время в ЦНИИ КМ «Прометей» имеются разработки позволяющие многократно снизить стоимость сферонаполненных материалов за счет применения полимерби-тумных и битумно-уретановых связующих и зольных микросфер, а также технологии изготовления напыляемых оболочек на их основе для трубопроводов и других изделий.
Сферопластики имеют перспективы широкого применения при теплоизоляции стальной крепи вертикальных горных выработок сооруженных способом бурения, поскольку являются лучшими легкими материалами по сочетанию долговременных тепло и гидроизолирующих свойств в водной среде под давлениями, и обладают высокими длительными прочностными свойствами.
Таким образом для крепления интервала ствола, представленного многолетнемерзлыми породами может быть рекомендована широко применяемая обычная стальная крепь с исполь-
Свойства теплоизоляционных покрытии, полученных напылением порошковых композиций фенольных смол с полимерными микросферами БВ-01
Наименование показателей СФР-4 СФР-ЗС СФН-01 СФН-01
Кажущаяся плотность, кг/м3 400 400 450-560 700
Предел прочности при сжатии. МПа 14-19 6,7 5,3-7,8 31-36
Относительная деформация при сжатии, % 2,1-2.4 2,0 - -
Предел прочности при растяжении, МПа 2,5-3,0 2,0 - -
Относительное удлинение при растяжении, % 1,2-1,6 1,0 - -
Модуль упругости при сжатии, МПа 250-300 467 1140 1450
Удельная ударная вязкость, Дж/м2 0,5-0.8 0,4-0,5 - -
Предел прочности при изгибе, МПа 4,2-5,0 3,9 - -
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м К) 0,093-0,104 0,093 - 0,132
зованием в качестве теплоизоляции напыляемых сферопластиков.
Крепление основной части ствола может осуществляться с применением любого из описанных выше типов крепи, подобранными для конкретных горногеологических условий. При этом наиболее перспективным для применения в устойчивых и средней устойчивости породах
1. Астрахань А.З., Леоненко Е.В. Проходка стволов бурением на угольных шахтах СССР// Глюкауф 1991 №1/2.
2. Ермилов О.М., Дегтярев Б.В., Курликов А.Р. Сооружение и эксплуатация газовых скважин в районах Крайнего Севера: Теплофизические и геохимические аспекты. - Новосибирск: изд-во СОРАН, 2003, 223 с. (ООО «Надымгазпром»).
3. Жиленко Н.П., Краснощек А.А. Справочное пособие по реактивно-турбинному бурению. - М., Недра, 1987. 309 с.
4. Качан В.Г., Купчинский ИА. Бурение шахтных стволов и скважин. - М., Недра, 1984. 287 с.
5. Медведский Р.И. Строительство и эксплуатация скважин на нефть и газ в вечномерзлых породах, -М.: Недра, 1983. - 230с.
6. Солошенко В.И. Обоснование способа возведения монолитной бетонной крепи в стволах, пройденных бурением. Автореферат диссертации на соискание-ученой степени кандидата технических наук. Тула, 1997.
7. Сыркин П.С., Ягодкин Ф.И, Мартыненко ИА., Нечаенко В.И. Технология строительства вертикальных стволов. // М.: ОАО «Издательство недра» 1997.
8. Телегина Е.В. Возможности использования сферопластиков для теплоизоляции труб диаметром до
является способ подводного возведения монолитной бетонной крепи. Однако, на практике, в силу отсутствия опыта применения данного способа на значительных по протяженности участках сооружаемых стволов, в большинстве случаев используется крепь, производимая из листовой стали, с заполнением закрепного пространства тампонажным раствором.
----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
500 мм методом напыления на объектах газовой промышленности // Материалы научно-технического совета ОАО «Газпром» Применение новейших теплоизолирующих материалов при строительстве газопроводов высокого давления труб большого диаметра в районах вечной мерзлоты и использование этих материалов при изоляции труб малых диаметров методом напыления. -М., ИРЦ Газпром (ОАО «Газпром»), 2000. С 28-39.
9. Федунец Б.И., Орешкин О.А. Проходка стволов бурением при строительстве шахт // Горный журнал №7 2001. С.- 33-37.
10. Штерн Л. М., Чугунов Л.С. основные характеристики сферопластиков серии СФИ-180, СФИ-400, СФИ-650 и их применение для теплоизоляции труб в строительстве магистральных газопроводов на больших глубинах при прохождении водных преград и в районах вечной мерзлоты непрерывным методом. // Материалы научно-технического совета ОАО «Газпром» Применение новейших теплоизолирующих материалов при строительстве газопроводов высокого давления труб большого диаметра в районах вечной мерзлоты и использование этих материалов при изоляции труб малых диаметров методом напыления. - М., ИРЦ Газпром ОАО «Газпром», 2000. С 11-28.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------
Орешкин Олег Анатольевич - аспирант, Московский государственный горный университет.
