Технология и техника бурения геологоразведочных и геотехнологических скважин [Электронный ресурс] (200,00 руб.)

Стр.2

Стр.3

Стр.4

Стр.5

Стр.6

Стр.7

УДК 550.882.7.622.24(075.8) ББК 33.1315я73 Р98 Р98 Рябчиков С.Я. Технология и техника бурения геологоразведочных и геотехно логических скважин: учебное пособие / С.Я. Рябчиков, В.Г. Хра менков, В.И. Брылин; Томский политехнический университет. – Томск: Издво Томского политехнического университета, 2010. – 514 с. ISBN 9785982986146 В учебном пособии описывается технология бурения геологоразведочных скважин, технология сооружения и оборудования геотехнологических сква жин, рассматривается принцип действия и устройство буровых машин и ме ханизмов, предназначенных для бурения вышеуказанных скважин. Пособие будет полезным при углубленном изучении технологических производ ственных процессов, выполняемых при бурении геологоразведочных и гео технологических скважин, при выполнении выпускных квалификационных работ и разработке проектов на бурение скважин в различных геологотех нических условиях, особенно при разведке и добыче урана. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 130100.62 «Геология и разведка полезных ископаемых» (бакалавр техники и техноло гии), а также для подготовки магистров направления «Урановая геология». УДК 550.882.7.622.24(075.8) ББК 33.1315я73 Рецензенты Доктор технических наук, профессор директор Федерального государственного унитарного геологического предприятия «ТулНИГП» В.И. Власюк Кандидат технических наук старший научный сотрудник НИИ ВН ТПУ А.М. Адам ISBN 9785982986146 © ГОУ ВПО НИ ТПУ, 2010 © Рябчиков С.Я., Храменков В.Г., Брылин В.И., 2010 © Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2010

Стр.2

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 1. БУРЕНИЕ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 1.1. Общие сведения о колонковом бурении скважин. Классификация скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 1.2. Способы разрушения горных пород при бурении скважин . . . . . . . . . .13 1.3. Физикомеханические свойства горных пород. Характеристика геологического разреза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 1.3.1. Основные характеристики горных пород в геологическом разрезе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 1.3.1.1. Характеристика горных пород по твердости и буримости . .16 1.3.1.2. Трещиноватость горных пород . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 1.3.1.3. Устойчивость горных пород . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 1.3.1.4. Структурнотекстурные особенности и петрографическая характеристика горных пород . . . . . . . .23 1.3.2. Характеристика геологического разреза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25 1.4. Способы бурения скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25 1.5. Основные технологические процессы и документация на буровой установке при сооружении геологоразведочных скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27 1.5.1. Геологотехническая документация на буровой установке . . . . . .27 1.5.2. Забуривание и оборудование устья скважины . . . . . . . . . . . . . . . . .28 1.5.3. Размещение бурового оборудования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 1.6. Буровой технологический и вспомогательный инструмент для бурения геологоразведочных скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 1.6.1. Буровой технологический инструмент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 1.6.1.1. Твердосплавный породоразрушающий инструмент . . . . . . .34 1.6.1.2. Алмазный породоразрушающий инструмент . . . . . . . . . . . . .38 1.6.1.3. Шарошечный породоразрушающий инструмент . . . . . . . . . .45 1.6.1.4. Расширители и калибраторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 1.6.1.5. Методы повышения ресурса породоразрушающего инструмента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50 1.6.1.6. Буровой снаряд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59 1.6.2. Буровой вспомогательный инструмент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 1.7. Удаление продуктов разрушения при бурении скважин. Промывочные жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66 1.7.1. Способы удаления продуктов разрушения при бурении скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66 3

Стр.3

1.7.2. Промывочные жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68 1.7.2.1. Глинистый раствор, его параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69 1.8. Технология бурения геологоразведочных скважин . . . . . . . . . . . . . . . . .72 1.8.1. Выбор способа бурения, типа породоразрушающего инструмента и промывочной жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72 1.8.2. Разработка конструкций скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79 1.8.2.1. Определение интервалов осложнений и выбор мероприятий по их предупреждению . . . . . . . . . . . .82 1.8.2.2. Обоснование и выбор диаметров скважины и колонн обсадных труб на различных интервалах . . . . . . . .83 1.8.2.3. Этапы разработки конструкции скважины . . . . . . . . . . . . . . .91 1.8.2.4. Типизация конструкций скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96 1.8.2.5. Построение профиля скважины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98 1.8.3. Бурение скважин твердосплавным породоразрушающим инструментом вращательным и ударновращательным способом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 1.8.3.1. Бурение твердосплавными коронками . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 1.8.3.2. Гидроударное (ударновращательное) бурение . . . . . . . . . . .105 1.8.4. Бурение скважин алмазным породоразрушающим инструментом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108 1.8.5. Бескерновое бурение скважин шарошечными и лопастными долотами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115 1.8.6. Бурение с гидротранспортом керна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117 1.9. Оптимизация процессов бурения при сооружении скважин . . . . . . .120 1.9.1. Обработка диаграмм записи параметров режима вращательного бурения скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120 1.9.2. Оптимизация рейсовой скорости бурения . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127 1.10. Буровая контрольноизмерительная аппаратура . . . . . . . . . . . . . . . . .128 1.10.1. Общие сведения о датчиках и регистраторах . . . . . . . . . . . . . . . .129 1.10.2. Классификация буровой контрольноизмерительной аппаратуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130 1.10.3. Аппаратура для контроля параметров процесса бурения . . . . .132 1.10.3.1. Измерители веса снаряда и осевой нагрузки . . . . . . . . . . . .132 1.10.3.2. Измерители расхода промывочной жидкости . . . . . . . . . . .140 1.10.3.3. Измерители давления промывочной жидкости . . . . . . . . .145 1.10.3.4. Измерение частоты оборотов породоразрушающего инструмента . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147 1.10.3.5. Измерители и ограничители крутящего момента. Ваттметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147 1.10.4. Аппаратура для контроля эффективности процесса бурения скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151 1.10.4.1. Измерители механической скорости бурения . . . . . . . . . . .151 1.10.4.2. Комплексная аппаратура для контроля технологических и техникоэкономических показателей процесса бурения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157 1.10.5. Аппаратура для проведения исследований в скважинах . . . . . .159 4

Стр.4

1.10.5.1. Аппаратура для замера дебита при откачках воды из скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159 1.10.5.2. Аппаратура для контроля статики и динамики подземных вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163 1.10.6. Неразрушающий контроль бурового оборудования и инструмента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170 1.10.6.1. Классификация основных методов неразрушающего контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170 1.10.6.2. Аппаратура для контроля технического состояния бурильных труб . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170 1.11. Буровые автоматические системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176 1.11.1. Автоматизация подачи бурового инструмента . . . . . . . . . . . . . .177 1.11.2. Регулируемый привод буровых установок и буровых автоматических регуляторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179 1.11.3. Автоматические регуляторы подачи инструмента АРП в бурении геологоразведочных скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182 1.12. Техника и технология получения кондиционных проб керна при бурении по вмещающим горным породам и полезному ископаемому . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186 1.12.1. Специальные режимы бурения для получения качественных проб пород и полезного ископаемого . . . . . . . . .190 Список литературы к разделу 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196 Приложения к разделу 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .198 2. БУРЕНИЕ И ОБОРУДОВАНИЕ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .222 2.1. Общие сведения о геотехнологических методах добычи полезных ископаемых . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .222 2.2. Системы разработки урановых месторождений методом подземного выщелачивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224 2.3. Влияние физикомеханических свойств горных пород на эффективность сооружения геотехнологических скважин . . . . . . .233 2.4. Сооружение геотехнологических скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239 2.4.1. Основные сведения о геотехнологических скважинах и их классификация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239 2.4.2. Способы бурения геотехнологических скважин . . . . . . . . . . . . . .241 2.4.3. Создание противофильтрационных завес вокруг рудного тела .245 2.5. Технология сооружения геотехнологических скважин . . . . . . . . . . . .248 2.5.1. Выбор и обоснование конструкции скважин для подземного выщелачивания урана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .248 2.5.2. Крепление геотехнологических скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256 2.5.2.1. Обсадные трубы для оборудования геотехнологических скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256 2.5.2.2. Монтаж и спуск эксплуатационных и обсадных колонн . .273 2.5.2.3. Расчет обсадных труб . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .283 2.5.3. Оборудование технологических скважин фильтрами . . . . . . . . .285 5

Стр.5

2.5.3.1. Основные требования к фильтрам технологических скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .285 2.5.3.2. Типы фильтров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .286 2.5.3.3. Оборудование технологических скважин ПВ фильтрами с гравийной обсыпкой . . . . . . . . . . . . . . . . . .293 2.5.4. Оборудование устья технологических скважин . . . . . . . . . . . . . . .308 2.5.5. Цементирование и гидроизоляция геотехнологических скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .312 2.5.5.1. Назначение цементирования и гидроизоляции . . . . . . . . . .312 2.5.5.2. Материалы для тампонажа и гидроизоляции пород . . . . . .313 2.5.5.3. Способы цементирования геотехнологических скважин . .317 2.5.5.4. Технология гидроизоляции зон движения рабочих и продуктивных растворов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .323 2.5.5.5. Технические средства для цементирования скважин . . . . .327 2.5.6. Беструбное крепление технологических скважин . . . . . . . . . . . .328 2.5.6.1. Состав тампонажных растворов и способы закрепления пород при беструбном креплении скважин .330 2.5.6.2. Технология беструбного крепления скважин. . . . . . . . . . . .334 2.5.6.3. Расчет прочности и устойчивости кольцевого тампонажного камня на стенках скважины . . . . . . . . . . . . .336 2.5.7. Вскрытие и освоение продуктивного горизонта в геотехнологических скважинах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .337 2.5.7.1. Вскрытие продуктивного горизонта . . . . . . . . . . . . . . . . . . .337 2.5.7.2. Освоение технологических скважин подземного выщелачивания металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . .350 2.6. Технология и техника для подъёма растворов из геотехнологических скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .370 2.7. Ликвидация технологических скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .380 2.7.1. Технология и техника извлечения обсадных и эксплуатационных колонн и фильтров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .380 2.7.2. Ликвидационное тампонирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .391 Список литературы к разделу 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .394 3. БУРОВЫЕ МАШИНЫ И МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ РАЗВЕДОЧНЫХ И ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .397 3.1. Состав буровой установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .397 3.2. Классификация буровых установок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .398 3.3. Буровые агрегаты для бурения геологоразведочных скважин . . . . . . .399 3.3.1. Структурная схема буровых станков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .399 3.3.2. Вращатели буровых станков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .400 3.3.3. Механизмы подачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .411 3.3.4. Буровые лебедки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .421 3.3.5. Коробки передач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .428 3.3.6. Фрикционы буровых станков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .433 3.3.7. Привод буровых агрегатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .434 6

Стр.6

3.3.8. Устройство, назначение и техническая характеристика современных буровых станков . . . . . . . . . . . . . .438 3.3.9. Буровые насосы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .448 3.4. Буровые вышки и мачты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .457 3.4.1. Классификация буровых вышек и мачт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .457 3.4.2. Устройство буровых вышек . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .458 3.4.3. Способы монтажа башенных вышек . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .460 3.4.4. Устройство и техническая характеристика буровых мачт . . . . . .463 3.5. Механизмы для свинчивания и развинчивания бурильных труб . . . .466 3.6. Буровые установки для бурения геологоразведочных и геотехнологических скважин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .469 3.6.1. Буровые установки на базе станков типа «ЗИФ» . . . . . . . . . . . . .469 3.6.2. Буровые установки нормального ряда по ГОСТ 7959–74 . . . . . .472 3.6.3. Самоходные буровые установки общего назначения . . . . . . . . . .478 3.6.4. Зарубежные буровые установки для бурения геологоразведочных и геотехнологических скважин . . . . . . . . . .488 3.7. Забойные машины и механизмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .493 3.7.1. Гидроударники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .493 3.7.2. Пневмоударники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .500 3.8. Талевые системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .506 3.8.1. Классификация талевых систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .506 3.8.2. Определение грузоподъемности талевой системы . . . . . . . . . . . .509 3.8.3. Талевые канаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .510 3.8.4. Расчет талевого каната . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .512 Список литературы к разделу 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .512 7

Стр.7