CC BY
5УДК 622.24:622.253.35:551.345 Б01 10.24412/с1-37255 -2024-1 -243 -248
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ С ОБРАТНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ОЧИСТНОГО АГЕНТА ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ СКВАЖИН В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
Харламов Ю.П., Чещин Д.О., Данилов Б.Б. Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, г. Новосибирск
Аннотация. Приведено сравнение способов сооружения скважин различного в геологических условиях Крайнего Севера, обосновано использование для этих целей технологии бурения с обратной циркуляцией очистного агента, описаны варианты реализации данного способа бурения скважин и технических устройств, используемых для этих целей, предложен вариант использования такой технологии для роботизации буровых работ, проводимых в экстремальных условиях, проанализирована проблема определения количества твердой фазы в шламо-воздушной смеси для достижения цели полной автоматизации бурового процесса с использованием технологии бурения с обратной циркуляцией очистного агента.
Ключевые слова: обратная циркуляция очистного агента, кольцевой пневмоударник, двойная буровая колонна, роботизация буровых работ.
Практика производства буровых работ в северо-восточных регионах России показывает, что при бурении скважин в мерзлых и неустойчивых породных массивах существует проблема растепления стенок и обрушения скважины. Это приводит к прихватам бурового инструмента, его заклиниванию в скважине и, в конечном итоге, к остановке процесса бурения. Решением данной проблемы производители буровых работ занимаются весьма продолжительное время.
Так, в практике бурения геологоразведочных, гидрогеологических скважин, особенно на поисково-картировочной стадии широко применяется и интенсивно развивается вращательный способ бурения с непрерывным выносом выбуренной породы по центральному каналу двойной бурильной колонны. Способ весьма производительный и сравнительно дешевый, но область применения его ограничена однородными мягкими породами до пятой категории бу-римости. Он не пригоден или мало эффективен в условиях резко перемежающихся пород и валунно-галечных отложений.
Этого недостатка лишен более широко распространенный ударно-вращательный способ бурения скважин различного назначения с применением погружных пневмоударников. Способ признан эффективным в широком диапазоне условий по крепости буримых пород, геологическому строению разреза и диаметров буримых скважин [1, 2]. Однако, одним из существенных недостатков пневмоударного способа бурения с затрубным (периферийным) выносом шлама является жесткая зависимость соотношения диаметров буримых скважин и диаметров бурильных колонн, ограничивающая предельную глубину бурения по условиям выноса выбуренной породы. Помимо этого, в связи с интенсивной циркуляцией сжатого воздуха по затрубному пространству при периферийном выносе выбуренной породы, сохраняется проблема растепления стенок скважины.
На этом фоне выгодно отличается способ ударно-вращательного бурения скважин с центральным выносом шлама по двойной бурильной колонне. Осуществление этого способа возможно двумя путями. Первый из них связан с использованием пневмоударников обычного исполнения, размещенных во внешнем кожухе с коллектором для присоединения к двойной бурильной колонне (рис. 1). Однако практика показала, что вариант компоновки снаряда с обычным пневмоударником не оправдал себя по причине зашламовывания сборника шлама и большого сопротивления коллектора.
Рисунок 1 - Переходник для направления бурового шлама из затрубного пространства в центральную трубу: а - схема бурения пневмоударником сплошного забоя с обратной циркуляцией очистногоагента, 1 - пневмоударник; 2 - кожух; 3 - переходник; 4 - двойная буровая колонна; 5 - устьевой герметизатор; б - экспериментальный образец переходника [3]
Вариант специального кольцевого пневмоударника лишен указанного недостатка и является более прогрессивным. Основное отличие кольцевых пневмоударников заключается в том, чтоони имеют сквозной осевой канал, по которому отработанный воздух выноситна поверхность разрушенную при бурении породу. Буровая колонна также состоит из двух концентрически расположенных труб. Пространство между внутренней и наружной трубой используется для подачи сжатого воздуха, а полость внутренней трубы - для транспортирования продукта бурения. Реализуется так называемая «обратная схема продувки» (рис. 2).
Рисунок 2 - Погружной пневмоударник с центральным шламотранспортом ПК132: а - схема бурения, 1 - породоразрушающий инструмент; 2 - корпус пневмоударника; 3 - центральная шламот-ранспортная труба; б - опытный образец производства ИГД СО РАН
Этот способ бурения скважин по мнению зарубежных специалистов (Германии, Швеции, США) является перспективным направлением в бурении, высоко оценен и признан наиболее прогрессивным. Стоит отметить, что приоритет на кольцевые пневмоударники принадлежит СССР (России). Данная технология обладает достоинствами как пневмоударного способа, так и достоинствами вращательного бурения с непрерывным транспортированием выбуренной породы по внутренней трубе двойной бурильной колонны. Кроме этого такая технология наделена дополнительными качествами: при одном и том же давлении энергоносителя на входе в ударную машину сплошного или кольцевого исполнения, во втором варианте исполнения пневмоударника не требуется жесткой увязки диаметра буримой скважины с диаметром бурильной колонны [4].
Кольцевые ударные машины в сочетании с двойной бурильной колонной особенно эффективны в разрезах с неоднородным составом пород, с большим содержанием валунно-га-лечных отложений, прослоек глинистых пород, при интенсивных водопритоках. Сохраняется реверс потока энергоносителя, даже если он разной природы (воздух, вода, раствор), крайне необходимый при обвалах и закреплении стенок скважины, прихвате снаряда, сильном водо-притоке и прочих возможных осложнениях. Этот способ не имеет альтернатив в условиях бурения морен в сплошных водоносах, в зонах вечной мерзлоты [1].
Как уже отмечалось, для бурения применяются двойные бурильные трубы. Такая конструкция состоит из двух концентрически расположенных труб: наружной и внутренней (рис. 3). При этом по межтрубному пространству в кольцевой пневмоударник подается энергоноситель, а полость внутренней трубы служит шламотранспортным каналом. Внутренняя труба крепится внутри наружней таким образом, чтобы обеспечить возможность ее замены в случае полного износа, вызванного абразивным эффектом, возникающим при движении шламо-воз-душной смеси. Соединяются звенья двойной буровой трубы при помощи конической замковой резьбы.
Резьба 89 р^-ч ч/к . 1 г 1 § 3 и . У
5 .......V..........?.„>,
и баз 7 Резьва 89 /
Рисунок 3 - Двойная буровая труба: 1 - труба наружняя; 2 - труба наружняя; 3 - кольцо стопорное;
4 - кольцо уплотнительное
Оценивая степень оригинальности предложенных технических решений и возможность их адаптации к существующему технологическому оборудованию можно сказать следующее. Оригинальными являются сами кольцевые пневмоударники и двойная буровая коло. Использовать их можно с уже существующими и применяемыми буровыми установками. Необходимы лишь специальные адаптеры, переходники для соединения вращателя буровой установки с двойной буровой колонной. На рис. 4, а показан монтаж подобного переходника на российскую буровую установку УБВ-318 компании «Геомаш», а на рис. 4, б - конструкция такого переходника [5, 6].
Помимо обозначенных выше проблем, возникающих при бурении скважин в условиях Крайнего Севера, существует еще один аспект, позволяющий оценивать способ бурения с обратной циркуляцией очистного агента как наиболее отвечающий требованиям обеспечения безопасности производства буровых работ в экстремальных условиях. При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом возникает необходимость бурения сетки взрывных скважин с последующим подрывом массива горных пород. В связи с наличием высоких рисков для персонала, работающего в карьере возникла потребность в создании дистанционно управляемых автономных буровых станков.
В качестве примера рассмотрим ситуацию, складывающуюся на карьерах АК «АЛРОСА». В связи с особенностью строения кимберлитовых трубок, экономически нецелесообразно проектировать широкие уступы. В таких карьерах, как правило, уступы формируются узкими площадками и высока вероятность их обрушения (рис. 5).
а б
Рисунок 4 - а) - Замена технологического переходника на установке УБВ-318 в г. Кемерово; б) - переходник плавающий для обратной циркуляции: 1 - фланец в сборе; 2 - вал; 3 - штанга в сборе; 4 - втулка шлицевая; 5 - корпус; 6 - фланец; 7 - фланец; 9 - болт специальный; 10 - ниппель; 11 - кольцо; 12 - полукольцо; 13 - переходник; 14 - шайба; 15 - кольцо 075-081-36 ГОСТ 9833-73; 16 - кольцо 090-095-30; 17 - кольцо В110 ГОСТ 13943-86; 18 - сальниковая набивка
АУКОРАСК 1201 12х12
| Щ р'Ш&т
Рисунок 5 - Алмазная трубка «Мир» в республике Саха (Якутия)
По мере углубления карьера площадки уступов еще больше сужаются. При этом экономическая эффективность разработки месторождений открытым способом остается выше, чем подземным. Однако опасность обрушения делает разработку месторождений невозможной, так как на нижних горизонтах находятся люди и рабочая техника [7].
При производстве буровзрывных работ на карьерах России буровая техника представлена в основном станками шарошечного бурения. В стоимость проходки 1 м скважины расходы на шарошечные долота составляют 60-70%. При этом более 80% случаев отказов приходится на разрушение опор качения шарошечных долот [8]. Решением проблемы увеличения устойчивости процесса бурения взрывных скважин применительно к полностью автоматизированному буровому комплексу может стать использование кольцевых пневмоударников.
Системы автоматического управления современных буровых установок представляют собой комплект электронных узлов: контроллер, дисплей, органы управления, датчики и электрические соединители. Они предназначены для: управления скоростью и направлением вращения шпинделя вращателя; контроля и ограничения потребляемого буровым инструментом момента; для предотвращения вывода из строя узлов буровой машины; отображения информации о текущем потребляемом инструментом моменте, величине ограничения момента, текущей скорости вращения инструмента, а также отображения служебных сообщений (рис. 6) [9, 10].
В настоящее время системы автоматического управления способны обеспечивать устойчивый контроль параметров бурового процесса, при необходимости изменяя частоту и момент вращения буровой колонны, а также усилие ее подачи на забой. При пневмоударном бурении
ключевым параметром, определяющим устойчивость и эффективность бурового процесса, является состав щламо-воздушной смеси, выносимой из забоя скважины на поверхность. А именно количество в ней твердой фазы. Оценивая это значение в автоматическом режиме можно изменять параметры бурового процесса, создавая оптимальные условия для выноса бурового шлама на поверхность.
режим ограниченного функционирования нет сигнала от датчика давления ■
■
Гм МОМЕНТ ГИДРОМОТОРА
ОБОРОТЫ БУРА
Рисунок 6 - Дисплей электронной системы управления SU-DRL1 российских буровых установок
УБВ-3
При периферийном выносе бурового шлама оценивать этот параметр весьма затруднительно. Однако в случае использования для движения шламо-воздушной смеси осевого канала кольцевого пневмоударника и двойной буровой колонны эта задача существенно упрощается. Замеры удобно производить непосредственно на буровой установке, в полом шпинделе вращателя. В ИГД СО РАН разработан стенд для экспериментального определения количества твердой фазы в шламо-воздушной смеси (рис. 7).
Рисунок 7 - Стенд для определения качества шламо-воздушной смеси: 1 - корпус; 2 - втулка; 3 - датчик; 4 - поджимная планка; 5 - оргстекло; 6 - воронка
Варьируя различные типы датчиков (оптические, вибрационные и т. д.) определяются наиболее эффективные способы непрерывного контроля качества шламовой смеси для подачи регулирующих сигналов на органы управления бурового станка.
Способ ударно-вращательного бурения с обратной циркуляцией очистного агента с использованием кольцевых пневмоударников наиболее полно отвечает геологическимусловиям сооружения скважин в условиях Крайнего Севера.
Решение проблем полной автоматизации буровых работ в экстремальных условиях обеспечивается путем внедрения прогрессивных технологий бурения, в т.ч. кольцевых пневмо-ударников с обратной циркуляцией очистного агента.
Список литературы
1. Липин А.А. Погружные ударные машины с центральным шламотранспортом // Проблемы комплексного освоения минерального сырья Дальнего Востока. Труды научно-практической конференции с участием иностранных ученых. Хабаровск, 2005. С. 170-175.
2. Смоляницкий Б.Н., Липин А.А. Погружные пневмоударники для бурения скважин с центральным шламотранспортом // Сборник докладов Международного горного конгресса. Краков, 2008 г.
3. Алексеев С.Е., Харламов Ю.П., Примычкин А.Ю., Кубанычбек Б. Техника ускоренного получения материала для идентификации горных пород // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2021. Т. 8, № 2. С.172-177.
4. Харламов Ю.П. Обоснование параметров циркуляционной системы кольцевого погружного пневмоударника // Автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.05.06. Новосибирск: Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, 2017. 20 с.
5. Кардыш, Г.В. Пневмоударное бурение с обратной циркуляцией // Методическое пособие. Приложение к инструкции по эксплуатации буровых установок УБВ 318/320 и их модификаций. М.: ЗАО «Геомаш-центр», 2013. 13 с.
6. Харламов Ю.П. Создание кольцевых пневмоударников для работы на высоком давлении энергоносителя // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2023. Т. 2, № 1. С.248-256.
7. Харламов Ю.П., Сапрыкин С.Н. Технология бурения с обратной циркуляцией очистного агента и роботизация буровых работ // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2023. Т. 10, № 4. С.102-111.
8. Шигин А.О., Гилев А.В., Шигина А.А. Автоматизация шарошечного бурения взрывных скважин на карьерах // Горный журнал. 2017. № 2. С. 82-86.
9. ОАО «ГЕОМАШ». Инструкция по эксплуатации буровых установок УБВ320.00.00.000 ИЭ. Курская обл., г. Щигры, 2013 г13. ОАО «ГЕОМАШ». Приложение к инструкции по эксплуатации буровых установок УБВ-318/320. Пневмоударное бурение с обратной циркуляцией / Методическое пособие // Разработано Г.В.Кардыш, 2013 г.
10. Харламов Ю.П., Сапрыкин С.Н. Использование технологии с обратной циркуляцией очистного агента при создании бурового робота // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2022. Т. 9, № 3. С.159-169.
