Влияние температурного режима скважины на эффективность бурения мёрзлых массивов

№ 2. С. 27-34.

4. Субботин А.И., Перепелицин А.И., Пьянников В.П., Сычев К.К., Антипов В.Н. Методические указания о порядке продления срока службы технических устройств, зданий и сооружений с истекшим нормативным сроком эксплуатации в горнорудной промышленности (РД 06-565-03). М.: ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2003.

5. Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров. М.: Изд-во МГГУ. 2007. 673 с.

6. Страбыкин Н.Н., Беляев А.Е. Состояние и пути совершенствования буровой техники нового поколения для карьеров Сибири и Северо-Востока России // Горные машины и автоматика. 2003. № 4. С. 5-9.

7. Мельников Н.В., Реентович Э.И., Симкин Б.А. [и др.]. Теория и практика открытых разработок. 2-е изд., перераб. и доп. М: Недра. 1979. 636 с.

8. Сулакшин С.С. Разрушение горных пород при бурении скважин: учеб. пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2009. 136 с.

9. Страбыкин Н.Н. Техника бурения взрывных скважин в мерзлых породах. М.: Недра, 1989. 172 с.

10. Страбыкин Н.Н., Пеплов Е.В. Оценка энергоемкости процесса разрушения породы на забое скважины по гранулометрическому составу буровой мелочи // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. научн. тр. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. Вып. 10. С. 58-64.

11. Дурнов Н.П., Крагель А.А., Ветков В.Н. Новое поколение мощных карьерных экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика. 2007. № 2. С. 2-4.

12. Страбыкин Н.Н. Расширение применения отечественных гидравлических экскаваторов в горнодобывающей и строительной отраслях промышленности - актуальная потребность времени // Горные машины и автоматика. 2003. № 10. С. 18-20.

УДК 622.244.46

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА СКВАЖИНЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ БУРЕНИЯ МЁРЗЛЫХ МАССИВОВ

А.Н. Шевченко1

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Высокопроизводительное бурение скважин в условиях сложноструктурных мерзлых массивов карьеров Севера возможно при соответствии типа исполнительного органа условиям бурения, при выборе оптимального режима его отработки и рациональных параметров потока очистного продувочного агента, позволяющих при высокой интенсивности образования и крупности частиц буровой мелочи обеспечить своевременную качественную очистку призабойной зоны и затрубного пространства скважины, исключив вероятность повторного измельчения продуктов разрушения и возможность нарушения очистки скважины. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: многолетняя мерзлота; бурение; тепловой режим; способ бурения; очистка скважин.

EFFECT OF THE WELL TEMPERATURE REGIME ON THE DRILLING EFFICIENCY OF FROZEN MASSIFS A.N. Shevchenko

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

High performance drilling of wells under conditions of complex structure frozen massifs of the Northern quarries is possible under the correspondence of the type of the executive tool to drilling conditions; under the selection of the optimal mode of its working-off and rational parameters of the flow of a purifying blow-off agent that under high formation intensity and particle coarseness of drillings allow to ensure well-timed qualitative cleaning of bottom-hole zone and annulus, excluding the possibility of destruction product regrinding and the possibility of well cleaning interruption. 3 sources.

Key words: permafrost; drilling; heat regime; method of drilling; cleaning of wells.

Вскрышные породы большинства угольных, россыпных и рудных месторождений Сибири, Забайкалья, Якутии по своему строению отличаются высокой неоднородностью и сложными мерзлотно-гидрогеологи-ческими условиями. Они представлены песчаниками, известняками, гравелитами, алевролитами и аргиллитами, а также рыхлыми отложениями, состоящими из обломочного материала осадочных и изверженных пород различной окатанности и размеров. Месторождения, как правило, находятся в зоне многолетней

мерзлоты, встречаются отдельные месторождения и участки, на которых мерзлота имеет островной характер. Однако петрографическая характеристика полностью не определяет физико-механические свойства той или иной породы.

Многолетнемерзлые породы весьма чувствительны к внешним воздействиям. Даже при малых колебаниях температуры значительно изменяются их физико-механические свойства. Это обусловлено возникновением переходных процессов в порах мерзлой

1 Шевченко Алексей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: 89646541034, e-mail: shan@istu.edu

Shevchenko Aleksei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: 89646541034, e-mail: shan@istu.edu

породы. При повышении отрицательной температуры часть воды переходит из твердого состояния в жидкое. Кроме того, с изменением температуры меняется состав содержащейся в мерзлой породе воды, так как при снижении отрицательной температуры количество льда в мерзлой породе увеличивается за счет присоединения к кристаллам льда молекул чистой воды. Это приводит к повышению концентрации солей в не-замерзшей воде и еще более снижает температуру ее замерзания. С понижением температуры изменяются также и физические свойства незамерзшей воды, например, увеличивается ее вязкость.

Степень разрыхления мерзлых пород в процессе разрушения не одинакова и зависит от крупности включений и плотности скелета.

Таким образом, мерзлые сложноструктурные массивы сложены породами, относящимися к упруго-вязкопластичным твердым телам, механическая прочность и энергоемкость разрушения которых в значительной степени определяются строением, дисперсным составом, температурой, влажностью и характером воздействия на них рабочих элементов буровых. Стойкость и работоспособность породоразрушающих инструментов во многом зависят от абразивной способности полиминеральной породы. Отрицательные температуры в значительной степени снижают износостойкость многих сплавов, особенно при наличии динамических нагрузок.

Успешное выполнение больших объемов горных работ в условиях мерзлых сложноструктурных массивов карьеров Севера требует использования мощного бурового и выемочно-погрузочного оборудования. Работа буровой техники в многолетнемерзлых отложениях при их весьма сложном строении характеризуется рядом особенностей:

1) высокими удельными нагрузками на рабочих инструментах исполнительных органов, необходимыми для разрушения или отделения мерзлой породы от массива на забое скважины;

2) большой динамичностью нагружения породо-разрушающего инструмента исполнительного органа, что обусловливается неоднородностью пород массива ввиду сложного строения уступов, непостоянством температурного режима на забое и по глубине скважины и изменением толщины срезаемой стружки;

3) обмерзанием исполнительных органов (буровых штанг, зажимных патронов) при бурении и разборке бурового става в районе таликовых зон;

4) возможностью осыпания стенок скважин при проходке сушенцовых зон;

5) вероятностью изменения агрегатного состояния мерзлого породного массива при нестабильности температурного режима, что сопровождается осложнениями разрушения забоя и нарушениями очистки скважины от буровой мелочи.

В процессе бурения скважин с продувкой основная проблема в условиях многолетнемерзлых пород -это решение вопроса эффективной очистки скважины от продуктов разрушения. Одной из наиболее важных задач совершенствования буровых работ при проходке взрывных скважин в многолетнемёрзлых породах

является регулирование температурного режима. Температурный режим скважины нарушается, когда интенсивность теплообменных процессов между мерзлыми породами, рабочим органом бурового инструмента, продуктами разрушения и потоком продувочного воздуха (промывочной жидкости) в скважине для очистки забоя от продуктов разрушения превышает допустимые пределы и сопровождается изменением фазового состояния породы. Также нарушение температурного режима при бурении взрывных скважин вызывает буровой инструмент, который за счет трения о породу становится источником тепла.

Основным осложнением при бурении скважин в мёрзлых породах является многофакторный процесс -интенсивное кавернообразование. Чаще всего кавер-нообразование приурочено к интервалам залегания песчаных отложений, в которых лёд является цементирующим материалом, скрепляющим отдельные частицы песка между собой. По мере таяния льда частицы песка теряют связность и удаляются продувочным воздухом, образуя при этом каверны (полости).

Нарушение теплового режима в сторону повышения температуры приводит к переходу породы в новое фазное состояние - малосвязанное, когда происходит растепление породы, что, как правило, сопровождается оттаиванием продуктов разрушения за счёт плавления частиц льда. Это приводит к коагуляции частиц породы в скважине и налипанию их на долото, образованию сальников по высоте штанги. Так как температура мёрзлых пород у устья скважины в зимнее время значительно ниже, чем у пород, лежащих за уровнем сезонного промерзания, движущиеся разогретые частицы буровой мелочи интенсивно намерзают на стенки верхней части скважины, перекрывая затрубное пространство. Всё это, в конечном счете, приводит к нарушению режима продувки и прекращению процесса бурения.

Теплообмен с окружающим пространством во многом определяет свойства мерзлой породы и сопровождается взаимосвязанными процессами (охлаждением и нагревом, фазовым переходом воды, миграцией воды, солей, ионов и минеральных частиц, пучением и осадкой, растрескиванием и т.д.). Для нормализации температурного режима в скважине необходимо, чтобы ни на одном из ее участков не происходило растепления породы. Поэтому для эффективной очистки скважины необходимо подавать охлажденный до отрицательных температур воздух, что позволит избежать растепления стенок скважины и буровой мелочи и нейтрализовать теплоту, выделяющуюся при разрушении забоя.

Характеристика строения, температурного режима и прочностных свойств мерзлых массивов определяется структурным составом, физико-механическими свойствами, гидрогеологическими и температурными свойствами пород, слагающих сложноструктурный массив. Таким образом, строение массива, содержание влаги, физико-механические свойства и температура слагающих пород в значительной степени характеризуют возможность эффективной очистки скважины от продуктов разрушения. Поэтому данная харак-

теристика может быть принята при выборе рациональных способов механического разрушения породы на забое и очистки призабойной зоны и затрубного пространства скважины. Правильный выбор способа разрушения и типа породоразрушающего бурового инструмента исполнительного органа позволяет снизить энергоемкость процесса бурения и, как следствие, обеспечить высокопроизводительную проходку скважин с минимальными затратами.

Способ разрушения твердомерзлых пород зубьями шарошечного долота достаточно универсален и широко используется в породах средней и выше средней крепости. Однако разрушение породы зубьями шарошечного долота сопровождается выходом значительного количества мелкодисперсных частиц буровой мелочи и характеризуется высокой энергоемкостью. Это связано с выделением значительного количества теплоты на забое, что сопровождается растеплением продуктов разрушения и может служить причиной нарушения режима продувки скважины в процессе бурения из-за образования сальников вокруг бурового става. Кроме того, шарошечные долота малоэффективны при разрушении вязко-пластичных пород и зон «вялой» мерзлоты. При пробуривании глиносодержащих пропластков происходит обволакивание зубьев шарошек растепленной породой и практически прекращается дальнейшее разрушение забоя.

При ударном способе воздействия рабочего инструмента на забой скважины, ввиду непродолжительности воздействия лезвия долота на породу, наблюдается меньшее растепление продуктов разрушения, хотя бурение ударными долотами не позволяет иметь высокую производительность станка.

Комбинированные долота позволяют обеспечить эффективное разрушение породы на забое с выходом крупнодисперсных частиц буровой мелочи, что предотвращает изменения агрегатного состояния продуктов разрушения и нарушение продувки скважины. Применение комбинированных долот создает возможность расширить область эффективного использования карьерного бурового оборудования и существенно улучшить технико-экономические показатели буровых работ.

Составной частью процесса бурения, помимо разрушения породы на забое, является транспортирование продуктов разрушения из скважины. От его эффективности во многом зависит возможность производительного бурения. Весьма важно при этом, чтобы разрушенная на забое порода своевременно удалялась из скважины. В различных условиях бурения могут быть использованы три способа транспортирования буровой мелочи из скважины: шнековая очистка, продувка скважины сжатым воздухом или комбинированная шнеко-пневматическая очистка, позволяющая интенсифицировать поступление продуктов разрушения в призабойной зоне на шнековый транспортер и также предотвратить нарушения очистки скважины от буровой мелочи.

Шнековая очистка используется в сочетании с режущим инструментом. При бурении пород повышенной влажности могут возникнуть осложнения транс-

портирования продуктов разрушения шнеком в приза-бойной зоне скважины, где отсутствует шнек - осуществляется пассивная подача буровой мелочи от забоя к шнеку. При этом возможно возникновение пробок, препятствующих подаче буровой мелочи на шнек. Перспективной в данном случае следует считать шнеко-пневматическую очистку, позволяющую активизировать подачу продуктов разрушения от забоя на шнек за счет придания подвижности частицам буровой мелочи путем перевода их во взвешенное состояние.

Очистка скважины продувочным агентом является наиболее эффективным способом транспортирования продуктов разрушения. При этом из наиболее важных параметров потока продувочного агента следует выделить расход, давление, температуру и влажность воздуха.

Расход воздуха должен обеспечивать необходимую скорость потока для взвешивания частиц буровой мелочи, отрываемых с забоя, и транспортировку их в затрубном пространстве скважины. При этом концентрация частиц в потоке не должна превышать его транспортирующие способности. Нарушение этого условия влечет к осложнениям очистки ввиду нарушения нормального режима продувки.

Давление продувочного потока воздуха должно быть достаточным, чтобы преодолеть сопротивления, возникающие в воздушной магистрали, включающей трубопровод от компрессора до бурового станка, внутренний канал штанги и продувочное отверстие долота, а также перепад давления в затрубном пространстве скважины.

Температура продувочного воздушного потока не должна содействовать растеплению забоя, буровой мелочи и стенок скважины. С этой целью рациональна подача охлажденного воздуха в скважину путем установки специальных теплообменников и использование долот с вихревыми трубками.

Показатель влажности воздуха оказывает существенное влияние на условия очистки скважины. Увеличение влажности потока воздуха повышает его плотность и сопротивление движению потока и требует роста давления продувочного потока. Однако чрезмерное осушение потока сопровождается увеличением пылеобразования и повышает запыленность в зоне работы станка.

Таким образом, тип применяемого породоразрушающего инструмента исполнительного органа, режим его работы и показатели потока продувочного воздуха предопределяют характеристику продуктов разрушения. Соответствие типа исполнительного органа условиям бурения в сложноструктурных мерзлых массивах, выбор оптимального режима его отработки и рациональных параметров потока очистного продувочного агента позволяют при высокой интенсивности образования и крупности частиц буровой мелочи обеспечить своевременную качественную очистку призабойной зоны и затрубного пространства скважины, исключив вероятность повторного измельчения продуктов разрушения и возможность нарушения очистки скважины. В этом случае достигается высоко-

производительное бурение скважин в условиях слож-ноструктурных мерзлых массивов карьеров Севера при минимальных затратах на выполнение буровых работ.

В различных условиях бурения могут быть использованы три способа транспортирования буровой мелочи из скважины: шнековая очистка, продувка скважины сжатым воздухом или комбинированная шнеко-пневматическая очистка, позволяющая интенсифицировать поступление продуктов разрушения в призабойной зоне на шнековый транспортер и также

предотвратить нарушения очистки скважины от буровой мелочи.

Итак, эффективное бурение взрывных скважин в мерзлых сложноструктурных массивах может быть достигнуто нормализацией температурного режима скважины за счёт правильного выбора способа бурения и типа породоразрушающего инструмента, оптимальных режимов его отработки на забое и рациональных параметров системы транспортирования буровой мелочи из скважины.

1. Страбыкин Н.Н., Горячкин В.М., Шевченко А.Н. Пути интенсификации очистки взрывных скважин при бурении мерзлых массивов // Горное оборудование и электромеханика. 2007. № 2. С. 6-11.

2. Страбыкин Н.Н., Шеметов Ю.П., Горячкин В.М., Шевченко А.Н. Оценка энергоемкости процесса разрушения породы на забое скважины различными исполнительными органами по гранулометрическому составу буровой мелочи // Горное

ский список

оборудование и электромеханика. 2008. № 1. С. 42-48. 3. Страбыкин Н.Н., Коледин Ю.М., Грячкин В.М., Красношта-нов С.Ю., Шевченко А.Н. Перспективы эффективного применения станков вращательного бурения в сложных горногеологических и суровых климатических условиях карьеров Сибири и севера // Горное оборудование и электромеханика. 2008. № 12. С. 11-16.