Основы экологически безопасного способа очистки забоя при бурении инженерно-геологических скважин

УДК 622.24:323 А.С. Беляев

ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОГО СПОСОБА ОЧИСТКИ ЗАБОЯ ПРИ БУРЕНИИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН

Семинар № 10

Проектированию любого сооружения предшествует проведение инженерно-геологических работ различного содержания, зависящих от сложности проектируемого сооружения, стадии проектирования, природных условий и ряда других факторов. [9] Современные строительные объекты в подавляющем большинстве реализуются путём возведения монолитных железобетонных конструкций. Требования, предъявляемые к строительным объектам, вызывают необходимость детального изучения не только территории проведения работ, но и контроля качественных показателей строительного материала на всех этапах проведения работ. Исследование свойств горных пород, на которых ведётся строительство, а также свойств возводимой или эксплуатируемой монолитной конструкции осуществляется путём изучения керна полученного бурением изыскательских скважин. Оснащенность инженерно-геологических работ новой техникой постоянно растет. Широко применяются опытные и геофизические исследования, прогрессивные методы бурения, совершенствуются техника и методика лабораторных исследований.

Основной задачей инженерногеологических изысканий является получение информации о комплексе природных (в первую очередь - геологических) условий, необходимой

для разработки конструкции строящегося объекта и методов его возведения.

Под геологической средой, по Е. М. Сергееву, понимаются любые горные породы и почвы, слагающие «верхнюю часть литосферы, которая рассматривается как многокомпонентная система, находящаяся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, в результате чего происходят изменения природных геологических процессов и возникновение новых антропогенных процессов, что, в свою очередь, вызывает изменение инженерно-геологических условий определенных территорий». Исходя из этого Е.М. Сергеев определяет инженерную геологию как науку «о геологической среде; ее рациональном использовании и охране в связи с возможностью возникновения вредных для человека геологических процессов» [8].

Постоянно развивающийся технический прогресс требует совершенствования существующих приёмов работы и разработки новых, в том числе и в области бурения скважин. Наиболее рациональным и распространённым является алмазное колонковое бурение скважин различного диаметра в естественных породах и толще железобетона.

При алмазном бурении промывочный агент должен обладать хорошими теплоотводящими свойствами вкупе с

эффективной очисткой забоя. Существующие способы очистки забоя вполне справляются со вторым требованием, однако низкотеплоёмкие очистные агенты (пена, воздух) недостаточно хорошо охлаждают породоразрушающий инструмент, что приводит к его повышенному износу. В свою очередь, применение технической воды и бурового раствора при бурении скважин оказывает негативное влияние на экологическую обстановку в районе проведения работ. Для снижения вредного воздействия на окружающую среду отработанных при бурении скважин промывочных агентов, необходимо проводить дополнительные дорогостоящие операции по утилизации значительных объёмов буровых отходов.

Количество подаваемой в скважину жидкости должно быть достаточным для эффективного выноса продуктов разрушения с забоя и достаточного охлаждения алмазного инструмента. Практически при бурении с промывкой расход жидкости следует определять из расчета 10-20 л/мин на 1 см диаметра коронки или исходя из скорости восходящего потока не менее 0,5 м/с. Чем больше плотность применяемого глинистого раствора, тем меньше может быть его расход.

При бурении инженерно-геологических скважин используют как техническую воду, так и глинистый раствор. Расход промывочного агента (воды или глинистого раствора) при твердосплавном колонковом бурении варьируется в пределах 20-240 л/мин, в зависимости от условий бурения и типа коронки <1 = 36 - 151 мм. При алмазном бурении от 10 -100 л/мин коронками 1 = 36 - 76 мм.

Рыхлые и слабосцементированные породы на изысканиях бурить с промывкой не представляется возможным, т.к. происходит размыв отби-

раемого керна. В связи с этим необходимо использовать двойные колонковые трубы с затиркой керна всухую. Однако даже применение двойных колонковых труб целостность керна не гарантирует [7].

В разведочном бурении применяются десятки различных типов очистных агентов, свойства и состав которых определяются геолого-техничес-кими условиями бурения скважин, с целью повышения эффективности бурения и требованиями к охране окружающей среды.

Вода широко применяется при бурении устойчивых кристаллических пород и бетона, она обладает хорошей подвижностью и охлаждающей способностью, понижает прочность горных пород. Использование воды требует наличия значительных её объёмов в непосредственной близости от объектов работ, что не всегда реализуемо на крупных объектах и в высотных зданиях без дополнительных устройств (транспорт для воды, насос и др.). В зимний период проведения работ возникают сложности с обледенением рабочего места, вызывающего разупрочнение бетонных конструкций (рис. 1). Кроме того, применение воды и глинистых растворов вызывает загрязнение рабочего места, оборудования, создаёт неблагоприятные условия для персонала и зачастую нерационально с экономической точки зрения. Проблему с загрязнением решают также с помощью дополнительных технических приспособлений, таких как строительный пылесос, прижимное водосборное кольцо, оклейка полиэтиленом возможного места загрязнения (рис. 2) и многое другое.

В результате для обеспечения санитарных условий на рабочем месте необходимо иметь помимо буровой установки целый ряд дополнительных

технических приспособлений, что вызывает неоправданно высокие энергозатраты и усложнение производства работ.

Глинистые растворы применяются при бурении осадочных малосвязных пород, а также при проходке раздробленных и сильно трещиноватых пород. В основном они используются при твердосплавном бурении и бурении скважин сплошным забоем [2]. Это связано с недостаточным охлаждением глинистым раствором алмазного породоразрушающего инстру-

Рис. 1. Обледенение конструкции при бурении технической скважины в железобетоне

Рис. 2. Бурение технической скважины в железобетоне для прокладки коммуникаций

мента. В настоящее время ведутся работы по созданию рецептур универсальных буровых растворов, в том числе для алмазного бурения с повышенным отводом тепла от породоразрушающего инструмента. Так в СПГГИ(ТУ) при участии автора была разработана и запатентована рецептура бурового раствора [15] позволяющего повысить эффективность охлаждения бурового инструмента и, как следствие, повысить его износостойкость, увеличивая скорость бурения и снижая затраты на буровые работы.

Использование пены при проведении инженерно-геологических изысканий сведено к минимуму в связи с высокими затратами на дополнительные оборудование. Кроме того условия работ в большинстве случаев таковы, что доставка пеноформирующего оборудования к месту работ вызывает значительные затруднения.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ), входящие в состав пены, позволяют пептизировать и дегидратировать частицы бурового шлама, тем самым снижать их поверхностную энергию и способствовать дальнейшему дроблению, а также препятствованию коагу-

ляции за счёт адсорбции на частицах бурового шлама и микротрещинах горной породы. Таким образом, ПАВ уменьшает количество частиц бурового шлама в зазоре между алмазорежущей поверхностью и породой, снижая при этом затраты на бурение.

Триботехнические свойства пены также определяются энергоемкостью взаимодействия алмазной коронки и породы. Энергоёмкость в этом случае обусловлена коэффициентом трения. Поэтому для эффективной работы алмазной коронки необходимо его снижение при условии своевременного удаления бурового шлама [10]. Следовательно, для улучшения триботехнических свойств необходимо снижение коэффициента трения путём ввода в пенные системы антифрикционных добавок.

Так применение пены, содержащей ПАВ, не только исключает запылённость рабочего места, но и даёт возможность снизить энергоёмкость на 20-25 %, интенсивность износа алмазо-режущего слоя на 12-15 % [1]. Применение пены образованной ПАВ позволило в среднем увеличить проходку на коронку на 17 %, снизить удельный расход алмазов на 13,4 % и увеличить среднюю производительность на 15 % [6]. В СПГГИ(ТУ) при участии автора была разработана и запатентована рецептура пенообразующего состава [14], позволяющего снизить коэффициент трения бурового инструмента по сравнению с известными аналогами более чем в два раза, тем самым существенно снизить энергозатраты на бурение.

Выбор расходов компонентов пены должен обеспечивать с одной стороны нормальный температурный режим работы алмазных коронок, а с другой не приводить к чрезмерно высоким давлениям нагнетания пены в скважину.

Однако, наряду с перечисленными преимуществами, данная технология имеет свой существенный недостаток, обусловленный низкой теплоёмкостью и теплопроводностью предлагаемого очистного агента. В различных источниках [3, 4, 6, 11, 12, 13] опубликованы результаты бурения алмазными коронками с использованием пены, в которых приводятся данные частых прижёгов инструмента. Применение пены при инженерно-изыскательских работах осложнено необходимостью использования не только компрессора, но и пеногенератора и пеногасителя.

Применение сжатого воздуха в бурении позволяет достичь высоких технико-экономических показателей благодаря специфическим свойствам газообразного агента.

Воздух (газ) обладает низкой плотностью, малой вязкостью и легко сжимается, что обеспечивает высокие скорости восходящего потока при сильной его турбулентности. В результате этого происходит полная очистка забоя от шлама. Хорошее охлаждение породоразрушающего инструмента, отсутствие гидростатического давления повышают эффективность разрушения горной породы. Воздух не загрязняет продуктивные горизонты, улучшается качество опробования.

Успех бурения с продувкой воздухом зависит от рабочих параметров компрессора (давления, расхода воздуха), компоновки бурового снаряда и схемы обвязки поверхностного оборудования. Для бурения скважин с продувкой используется серийное буровое оборудование: станки и установки, породоразрушающий инструмент.

Скорость бурения с продувкой в несколько раз выше, чем при бурении с промывкой. Поэтому на забое образуется много бурового шлама и его своевременно нужно удалять. Скорость бурения зависит от того, на-

сколько своевременно и эффективно осуществляется очистка скважины.

При бурении по многолетнемерзлым породам важным фактором становится температура сжатого воздуха. Принудительное охлаждение воздуха от 5 до -10 0С полностью устраняет осложнения, связанные с растеплением стенок скважин и с их обвалами в процессе бурения [2]. Однако охлаждение сжатого воздуха требует использования дополнительного оборудования.

Из проведенного анализа вопросов бурения скважин при инженерногеологических изысканиях видно, что основной проблемой является недостаточно эффективное охлаждение породоразрушающего инструмента.

При бурении скважин в скальных породах алмазным инструментом разрушение породы сопровождается значительным выделением тепла, т.к. на собственно разрушение породы расходуется около 1 % подводимой к забою механической энергии, вся же остальная часть энергии трансформируется в теплоту трения. При этом эффективность процесса бурения зависит от характера распределения его по двум направлениям: в породу и породоразрушающий инструмент, а затем к очистному агенту, циркулирующему в скважину.

Алмазы, представляют собой главный элемент коронки, определяющий эффективность разрушения горной породы. Хотя алмаз и является самым крепким минеральным образованием в природе, его прочностные свойства в значительной степени изменяются при повышении температуры. Если учесть, что контактные температуры при бурении твёрдых пород достигают 600 0С и более, то станет очевидным, что прочностные характеристики алмаза следует рассматривать как функции температуры.

Очевидно, что тепловые условия работы алмазного породоразрушаю-

щего инструмента можно считать нормальными, если температура нагрева буровых алмазов не достигает величин, при которых возможны температурные деформации алмазов: окисление, графитизация, зашлифо-вание режущих граней, сколы, растрескивание зёрен и т.п.

Обзор современных конструкций алмазного породоразрушающего инструмента показал, что используемый в настоящее время породоразрушающий инструмент не обладает необходимой износостойкостью при использовании низкотеплоёмких и низкотеплопроводных очистных агентов. Это приводит к удорожанию стоимости и увеличению сроков проведения инженерно-геологических изысканиях.

В СПГГИ(ТУ) при участии автора были разработаны и запатентованы конструкции алмазного породоразрушающего инструмента для бурения скважин с продувкой воздухом и водовоздушными смесями [16, 17] позволяющие повысить износостойкость породоразрушающего инструмента путём увеличения интенсивности его охлаждения, тем самым снизить себестоимость бурения.

Учитывая малую глубину инженерно-геологических скважин более рентабельным и целесообразным с экологической точки зрения способом очистки забоя и охлаждения породоразрушающего инструмента является применение газообразных и газовоздушных смесей. Так как использование воды и бурового раствора в качестве очистного агента требует наличия их хранилищ и значительных объёмов рядом с объектами работ и как следствие большего количества буровых отходов. Специфика работ требует высокой мобильности установки. Применение пены и сжатого воздуха в данном случае позволит использовать переносные, малогабарит-

ные установки, кроме этого, даёт ряд неоспоримых преимуществ, по сравнению с известными способами очистки забоя в связи с малым количеством буровых отходов, а значит с меньшим вредом для окружающей среды.

В связи с этим представляет несомненный интерес разработка способа очистки и поддержания оптимального теплового режима на забое скважины с использованием углекислоты в твёрдом состоянии при бурении инженерно-геологических скважин с очисткой забоя сжатым воздухом.

Сухой лёд представляет собой твёрдую фазу угольного ангидрида С02 или углекислого газа, что принято называть также углекислотой. В атмосферных условиях твёрдая углекислота переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу - сублимирует. При атмосферном давлении

Рис. 3. Принципиальная схема бурения инженерно-геологических скважин с использованием твёрдой углекислоты:

1 - бурильная штанга; 2 - переходник; 3 -колонковая труба; 4 - блок твёрдой углекислоты; 5 - буровая коронка; пустыми стрелками показан, подаваемый в скважину сжатый воздух, чёрными - уже охлаждённый

сухой лёд сублимирует при температуре -78,9 °С. Углекислый газ при нормальных условиях имеет плотность 1,877 кг/м3. Этот газ тяжелее воздуха в 1,529 раза. Холодопроизводительность сухого льда при атмосферном давлении и температуре сублимации -78,9 °С равна теплоте сублимации, т.е. 574 кдж/кг, а с учётом отепления, образовавшегося при сублимации пара до 0 °С, холодопроизводительность сухого льда, плотностью 1400 кг/м3 бу-

574 • 1400

дет в -= 2,66 , т.е. почти в

335•900

3 раза больше, чем у водного льда.

Углекислота нейтральна к металлам и является безвредным газом. Сухой лёд удобный для использования источник холода, позволяющий легко получить температуру от -60° до -70° С. Предложенный способ бурения (заявка на изобретение № 2006123172/03(025145) от 29.06.06) должен обеспечить интенсивное охлаждение породоразрушающего инструмента, тем самым увеличить его износостойкость (рис. 3).

Сублимирующаяся в газ твёрдая углекислота в процессе бурения осуществляет охлаждение сжатого воздуха и корпуса породоразрушающего инструмента. Таким образом, увеличивая интенсивность теплообмена алмазосодержащей матрицы с очистным агентом и корпусом породоразрушающего инструмента. Повышение эффективности теплообмена возможно

также за счёт применения специальной конструкции породоразрушающего инструмента [16, 17].

Такой способ бурения, с использованием специальных колонковых снарядов, в условиях малых глубин изыскательских скважин представляет значительный интерес, особенно за счёт своей экологичности. Кроме того, использование твёрдой углекислоты при бурении рыхлых и слабосцемен-тированных пород способствует повышению сохранности керна за счёт его частичного промораживания.

Для реализации предлагаемого спо-

1. Жадановский Б. В. Технология алмазной механической обработки строительных материалов и конструкций// М.: Стройиздат, 2004 г. - 175 с.

2. Калинин А.Г. Разведочное бурение / Калинин А.Г., Ошкордин О.В., Питерский В.М. - М.: Недра, 2000.

3. Кирсанов А. И. Пены и их использование в бурении / Кирсанов А. И., Крылов Г.А., Нефедов В.П. - М. ВИЭМС, 1980.

4. Коваленко В.И. Бурение скважин с промывкой пеной / Коваленко В.И., Климов В.Я., Яковлев А.А. - М.: ВИЭМС, 1986.

5. Кудряшов Б.Б., Яковлев А.М. Бурение скважин в мёрзлых породах. - М., Недра, 1983.

6. Макаров Л.Н. Применение ПАВ при алмазном бурении - М.: ВИЭМС, 1971.

7. Ребрик Б. М. Бурение инженерногеологических скважин: Справочник. - М.: Недра, 1990.

8. Сергеев Е.М. Инженерная геология

- наука о геологической среде // Инженерная геология, №1, с. 3-19, 1979.

9. Солодухин М.А. Инженерно-геологические изыскания для промышленного и гражданского строительства - М.: Недра, 1985.

10. Соловьёв Н.В. Ресурсосберегающая технология алмазного бурения в слож-

соба бурения инженерно-геологических скважин с использованием твёрдой углекислоты необходимо решить следующие задачи:

• Анализ теплофизических свойств твёрдой углекислоты, как очистного и охлаждающего агента;

• Обоснование методики применения твёрдой углекислоты при бурении инженерно-геологических скважин;

Разработка технических средств для бурения скважин с использованием твёрдой углекислоты при проведении инженерно-геологических изысканий.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ных геологических условиях/ Соловьёв Н.В., Чихоткин В.Ф., Богданов Р.К., Закора А.П.

- М.: ОАО "ВНИИОЭНГ", 1997.

11. Слюсарев Н.И. Технология и техника бурения геологоразведочных скважин с промывкой пеной / Слюсарев Н.И., Козловский А.Е., Лоскутов Ю.Н. - СПб.: Недра, 1996.

12. Яковлев А.А. Совершенствование технологии алмазного бурения с очисткой скважин пеной/, Козлов А.В. - М.: 1989.

13. Яковлев А.М. Бурение скважин с пеной на твёрдые полезные ископаемые / Яковлев А.М., Коваленко В.И. - Ё.: Недра, 1987 г.; Яковлев А.А.

14. Пенообразующий раствор для бурения: Патент РФ № 2268283 приоритет изобретения 14.09.04. / Толстунов С.А., Беляев А.С., Мозер С.П.

15. Буровой раствор: Патент РФ № 2276179 приоритет изобретения 06.12.2004 / Толстунов С.А., Мозер С.П., Беляев А.С.

16. Алмазная буровая коронка: Патент РФ № 2276248 приоритет изобретения

27.12.2004 / Толстунов С.А., Мозер С.П., Беляев А.С.

17. Алмазная буровая коронка: Патент РФ № 2276717 приоритет изобретения

11.01.2005 / Толстунов С.А., Мозер С.П., Беляев А.С.

— Коротко об авторах-------------------------------------------------------

Беляев А. С. - Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).