Проектирование скважин на твердые полезные ископаемые
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Горная промышленность. Металлургия
Издательство:
Сибирский федеральный университет
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 350
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7638-2920-4
Артикул: 621795.01.99
Рассмотрены вопросы проектирования буровых работ при разведке руд- ных полезных ископаемых на основании горно-геологических условий место- рождения, геологического задания и применения современных технологий и техники разведочного бурения.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ В. В. Нескоромных ПРОЕКТИРОВАНИЕ СКВАЖИН НА ТВЕРДЫЕ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ Рекомендовано Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 130200 «Технология геологической разведки» (рег. № 2499 от 09.08.2013) Красноярск СФУ 2014
УДК 622.24(07) ББК 33.131.я73 Н552 Р е ц е н з е н т: Н. В. Пашкевич, первый проректор, профессор Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (Санкт-Петербург) Нескоромных, В. В. Н552 Проектирование скважин на твердые полезные ископаемые : учеб. пособие / В. В. Нескоромных. – 2-е изд., перераб. и доп. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2014. – 350 с. ISBN 978-5-7638-2920-4 Рассмотрены вопросы проектирования буровых работ при разведке рудных полезных ископаемых на основании горно-геологических условий месторождения, геологического задания и применения современных технологий и техники разведочного бурения. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки (специальности) 130200 «Технология геологической разведки», специализация 130101.65.00.03 «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» (ФГОС ВПО-2010), а также для аспирантов, обучающихся по специальности 25.00.14 «Технология и техника геологоразведочных работ», и специалистов производственных организаций, занятых бурением геологоразведочных скважин. Электронный вариант издания см.: УДК 622.24(07) http://catalog.sfu-kras.ru ББК 33.131.я73 ISBN 978-5-7638-2920-4 © Сибирский федеральный университет, 2014
Введение 3 ВВЕДЕНИЕ Проектирование – основное назначение и вид инженерной деятельности. В результате проектных работ рождаются новые технические объекты и сооружения, суммируются знания, опыт и способности проектанта, который стремится их использовать гармонично и комплексно, формируя программу действий с учетом всех основных внешних условий и поставленных задач. Проект будет эффективен в том случае, если для его реализации использованы современная техника, передовые технологические возможности, материалы и методики в сочетании с исходными условиями производства работ (климатическими, географическими или горно-геологическими). Проект (лат. projectus – брошенный вперед) – технические документы, чертежи, расчеты, макеты создаваемых объектов. Проектировать – намечать план, составлять проект. Известен термин прожект, который является производным от англ. project и лат. projectus. Перевод этого слова тот же, и ранее оно использовалось в том же смысле, что и слово «проект», но теперь этот термин устарел и обозначает часто замысел, т. е. проект, который не имеет реальной основы. Соответственно прожектер – тот, кто составляет неосуществимые проекты. Таким образом, проектировать – это значит решать передовую задачу по совершенствованию, развитию или созданию той или иной технической системы. При этом проект будет максимально эффективен при условии, если используются самые современные объекты техники и технологии, передовые научные знания. При этом проект должен быть реальным, т. е. выполнимым с применением имеющихся средств и технологий.
Глава 1 4 Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЕКТИРОВАНИИ. ВЫБОР СПОСОБА БУРЕНИЯ Проектирование буровых работ основывается на применении стандартов, различной документации и специальной литературе, где определены значения и параметры установленных норм, регламент, и требованиях к показателям выполняемых работ. 1.1. Общие сведения о проектировании скважин Проектирование скважин – ответственный этап, который предшествует выполнению буровых работ. Учитывая, что бурение – достаточно дорогостоящее производство, призванное выполнить сложные технические задачи, следует крайне ответственно подходить к составлению проекта, стремясь максимально учесть горно-геологические условия месторождения, поставленную геологическую задачу и возможности имеющегося бурового оборудования и инструмента. Исходными данными для проектирования являются: • горно-геологические условия буровых работ; • геологическое задание на производство буровых работ; • нормы времени на производство геологоразведочных работ и, в частности, буровых работ (ЕНВ); • «Закон о недропользовании», «Правила безопасности при ГРР», требования к экологии производства работ, отраслевые (ОСТ) и государственные стандарты (ГОСТ); • справочная техническая литература (например, «Справочник инженера по бурению» в 2 т.; «Буровой инструмент для геологоразведочного бурения»; «Справочник по буровым растворам», «Справочник по физико-механическим параметрам горных пород рудных районов» и др. [10, 13, 20, 22]. Горно-геологические условия производства буровых работ изучаются и анализируются с помощью геологических карт и геологических разрезов, на которых указаны интервалы (мощность пластов) и условия залегания горных пород (угол падения и азимут простирания пластов), наличие зон дробления, тектонических нарушений, водоносных горизонтов, мерзлоты и др. Наличие достаточно информативного геологического разреза позволяет составить колонку с интервалами и характеристиками горных пород, их физико-механических свойств, с выделением интервалов и видов возможных осложнений бурения. Наличие данных об углах падения и простирания пластов горных пород дает возможность более рационально направить скважины, запроектиро
Общие сведения о проектировании. Выбор способа бурения 5 вать их траектории (угол наклона скважины, азимут скважины, углы подсечения залежей на интервале проходки, угол подсечения рудного тела) и определить глубину проектируемой скважины. Перечень горных пород, составляющих колонку, позволяет произвести оценку вероятных параметров физико-механических свойств горных пород, спрогнозировать их буримость и затраты материальных средств на бурение тех или иных горных пород. Для уточнения данных о физико-механических свойствах пород и с целью определения категории горных пород по буримости, абразивности и др. свойствам следует произвести лабораторные испытания. Для пополнения данных о свойствах горных пород применяют также справочную литературу, в которой приведены значения твердости, абразивности и категории по буримости различных типов горных пород. Геологическое задание на разведку месторождения – совокупность требований к качеству, производительности и стоимости работ и их параметрам, связанных с решением задач геологической и технико-экономической оценки перспектив месторождения в соответствии с критериями той или иной категории запасов полезного ископаемого. Целью реализации геологического задания является определение объема, содержания, физико-химических и механических характеристик полезного ископаемого, условий и параметров залегания рудных тел, исследование и уточнение детализации форм рудной залежи, оценка возможных технических и технологических параметров обогащения руды, изучение возможности извлечения полезного ископаемого методами геотехнологий и др. Категории запасов – выявленные в результате геологоразведочных работ запасы полезного ископаемого, разделенные на категории А, В, С, С1 в зависимости от достоверности их подсчета. Геотехнологии – химические, физико-химические, биохимические и микробиологические методы добычи полезных ископаемых из недр Земли. Примерами геотехнологий являются подземная газификация углей, расплавление серы, выщелачивание металлов, термическая добыча нефти и др. Геологическое задание на бурение скважины определяет требования к: • параметрам заложения скважины (угол наклона и азимут заложения); • опробованию, например керну (интервалы отбора керна и его количественный линейный и массовый выход, соблюдение требований к минимальному избирательному истиранию керна), или возможности опробования по шламу; • параметрам скважины в связи с проведением запланированных геофизических исследований; • траектории трассы скважины; • углу подсечения рудной залежи.
Глава 1 6 В ряде случаев ставится задача отбора дополнительных проб полезного ископаемого, например отбор технологической пробы для исследования руды на технологичность обогащения. Единые нормы времени (ЕНВ) – утвержденный к применению нормативно-справочный документ, на основании которого рассчитываются затраты времени и материальных средств на производство работ. Нормы указаны для всех возможных видов работ с учетом условий их выполнения, например времени года, буримости горных пород и др. Исходный материал для проектирования дает возможность оценить круг и параметры решаемых проектом задач. Многообразие горногеологических условий определяет многообразие подходов к проектированию буровых работ даже в пределах одного месторождения. Квалификация и искусство проектанта проявляются в том, чтобы, используя разнообразные исходные данные, составить максимально современный и эффективный проект, реализация которого позволит получить экономический эффект с учетом требований экологии и безопасности выполнения работ. В результате проектирования геологоразведочных работ составляются проекты на поиски и разведку месторождений полезных ископаемых, которые включают все виды предусмотренных работ, сметно-финансовую документацию, требования к техническому оснащению, экологии и безопасности работ. При проектировании бурения скважин на основе созданного проекта составляется геолого-технический наряд (ГТН) на бурение каждой скважины. Его структура включает проектные данные о заложении скважины, геологическую, техническую и технологическую части, в которых поинтервально приведены все сведения, достаточные для производства буровых работ в соответствии с горно-геологическими условиями и геологическим заданием. ГТН – информативно-нормативный документ в виде отдельного графического листа, являющийся результатом проектных работ на бурение скважины, в котором приведены основные требования геологического задания и горногеологические условия производства буровых работ, параметры конструкции скважины, технологии, основное буровое оборудование и инструмент для производства работ. 1.2. Анализ условий геологического задания, оценка основных показателей разведочного бурения При выборе способа бурения следует оценить, прежде всего, требования геологического задания, а именно то, каким образом, в каком объеме и на каких интервалах необходимо производить опробование и какая по качеству проба удовлетворит геологическую службу.
Общие сведения о проектировании. Выбор способа бурения 7 В результате анализа геологического задания могут выделиться интервалы, в которых следует получить керн, и интервалы, в которых керн не обязателен, при этом решается вопрос об отборе керновой пробы определенного размера, а возможно, и о замене керновой пробы шламовой или иной пробой, например, полученной вспомогательными средствами – пробоотборниками. Необходимость получения керна определяется тем, что выделенные для этого интервалы скважины следует бурить колонковым буровым инструментом. В интервалах, в которых отбор керна не обязателен, возможна проходка бескерновым буровым инструментом – долотами. Геологическое задание определяет горно-геологические условия бурения скважин. Выбор способа бурения порой зависит от возможных осложнений, которые целесообразно выявить на этапе анализа горно-геологических условий месторождения. Например, наличие мерзлоты определяет выбор специальных методов продувки или промывки скважины, интервалы сыпучих, неустойчивых пород задают требования к конструкции скважины, способу бурения этих интервалов и средств крепления стенок ствола и т. д. По мнению специалистов фирмы Atlas Copco, при выборе способа бурения для решения задач геологоразведки залогом успеха являются три фактора: время, стоимость и достоверность. Последний фактор предполагает достоверность результата разведочных работ, т. е. прежде всего качество извлеченных с глубин проб. АТЛАС КОПКО (ATLAS COPCO) – одна из старейших (образована в 1873 г.) и ведущих компаний мира (Швеция) по производству горного и геологоразведочного бурового оборудования и инструмента. ATLAS COPCO Craelius AB образована в составе компании в 1886 г. и занята разработкой и производством геологоразведочного инструмента и оборудования. Взаимодействие трех основных факторов логическим решением можно записать в виде формулы Стоимость Время сть Достоверно Прибыль × = . Результат равняется прибыли – движущей силе любого проекта. Главный способ получения информации о недрах – обычное колонковое бурение с отбором пробы в виде керна с ненарушенной структурой. В то же время известен и получает все большее распространение метод отбора проб в виде бурового шлама при бурении с обратной циркуляцией очистного агента (рис. 1.1). Этот способ становится все более распространенным, что объясняется его стоимостью. По данным компании Atlas Copco, такое бурение без отбора RC керна имеет себестоимость 30 долл. за метр, тогда как алмазное бурение с отбором керна стоит уже 80 долл. за метр бурения. В то же
Глава 1 8 время по качеству шламовая проба не может быть сопоставима с керном, но в настоящее время, как показывает опыт разведки месторождений, техника бурения и техническое оснащение методов оценки пробы настолько усовершенствованы, что геологическая служба все чаще готова считать буровую мелочь абсолютно достаточной для определения содержания руды. По данным компании Atlas Copco, на сегодняшний день в таких странах, как США, ЮАР, Австралия, в силу сложившихся тенденций большая часть скважин бурится с опробованием по шламу. Например, в Австралии это более 80 %, США – 80 %, ЮАР – 60 %. В России и Китае этот показатель ниже – 30 %, в странах Латинской Америки – около 40 %, а в Канаде – всего 5 %. Технология бурения с обратной циркуляцией воздуха при опробовании по шламу (технологии RC) широко применяется в США при разведочном бурении золотоносных залежей. Для решения задач опробования по шламу компанией Atlas Copco выпускаются специальные пневмоударники типа RC50 и буровые установки типа Explorac 220 RC и Explorac RD10+. Применение компрессоров высокого давления (до 7 МПа) обеспечивает высокую производительность и эффективную продувку через отверстия коронки и двустенную трубу. Скорость бурения с пневмоударником составляет 12–26 м/ч. На глубине в интервалах обильных водопритоков применяют вместо ударно-вращательного бурения пневмоударниками вращательное бурение шарошечными долотами. При этом скорость бурения шарошечными долотами достигает в среднем 7,6 м/ч. При разведке месторождений обычно применяется следующая схема: 15 скважин бурится с опробованием по шламу, а только одна с полным отбором керна. Таким образом, можно говорить о новой, но уже сложившейся системе опробования, которая определяет выбор способа бурения и основывается на комбинированном варианте: до рудной зоны бурение ведется с обратной циркуляцией очистного агента с отбором шламовой пробы, а по рудной зоне 5 1 4 2 3 Рис. 1.1. Принцип ударно-вращательного бурения с обратной циркуляцией сжатого воздуха и отбора пробы в виде шлама (технология RC): 1 – двойная бурильная колонна; 2 – прямой поток воздуха; 3 – обратный поток воздуха со шламом; 4 – пневмоударник; 5 – буровой станок с емкостью для сбора и разделения шлама
Общие сведения о проектировании. Выбор способа бурения 9 производится отбор керна. Возможен вариант бурения нескольких скважин с опробованием по шламу с последующим бурением одной заверочной скважины колонковым способом с полным отбором керна. Фактор времени во многом определяется возможностями того или иного способа бурения по реализации скорости разрушения горных пород. Известна зависимость для оценки влияния основных параметров на скорость бурения: м v N v A F = . Из данного выражения следует общая и основная формулировка зависимости скорости бурения от основных факторов: cкорость бурения vм пропорциональна количеству подведенной к забою мощности N, обратно пропорциональна энергоемкости разрушения породы Av и площади забоя F. Таким образом, для применения наиболее производительного способа бурения следует осуществлять проходку скважины минимального поперечного размера, подводить к забою максимально возможную мощность для разрушения породы при минимальных ее потерях и рациональном разрушающем воздействии на породу. Приведенная зависимость отражает некоторое противоречие между бурением «производительным» и бурением «информативным», т. к. со снижением площади забоя скважины будет снижаться возможный диаметр керна и объем пробы. Именно поэтому прогресс в бурении должен сопровождаться расширением возможностей современных приборов, позволяющих производить эффективный анализ проб в малом объеме, и геофизической аппаратуры, возможности которой должны оставаться высокими и при снижении поперечного размера скважинных датчиков. В приведенной зависимости фактор времени определяется возможностью использования высокопроизводительного бескернового бурения шарошечными долотами и погружными пневмоударниками. Особенно эффективно бурение пневмоударниками, которые способны обеспечивать более высокую скорость бурения. При этом данный параметр показывает практически прямопропорциональный рост при повышении давления, подаваемого в скважину воздуха (рис. 1.2). Рост давления сжатого воздуха, например, при бурении бесклапанными пневмоударниками высокого давления фирмы Atlas Copco типа COP, до значений 2–2,5 МПа приводит к значительному росту механической скорости, предельные значения которых пока не установлены (рис. 1.3). Пневмоударники типа СОР 32, СОР 42, СОР 52, СОР 62 предназначены для бурения скважин диаметром 85–165 мм, в том числе по технологиям OD, ODEX и DEPS.