CC BY
340
УДК 622.24 Р. М. Скрябин, Н. Г. Тимофеев
РАЗРАБОТКА БУРОВОГО СНАРЯДА ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА (0 500 мм и более) НА РАЗВЕДКЕ РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СЕВЕРА
Рассмотрена возможность замены шурфопроходческих работ бурением скважин большого диаметра с целью увеличения производительности, безопасности и достижения экономического эффекта при разведке россыпных месторождений полезных ископаемых на севере страны. С этой целью разработана новая конструкция бурового снаряда большого диаметра (0650 мм) с поинтервальным отбором выбуренной породы.
Ключевые слова: бурения, скважина, диаметр, буровой снаряд, россыпные месторождения, шурф, многолетняя мерзлота, ручной труд, буровая установка, шнек, колонковая труба, техника и технология бурения скважин.
R. M. Skryabin, N. G. Timofeev
Development of auger system for wells of large diameter (0 500 mm or more) in exploration of placer deposits in the North
The possibility of replacing bore pit work by bore-hole drilling of large diameter in order to increase productivity, security, and achieve economic benefits from the exploration of placer mineral deposits in the north of the country has been considered. To this end, a new construction of the drill of large diameter (0650 mm.) with interval selection of drill cuttings was developed.
Key words: drilling, borehole, diameter, drill, placer deposits, pit, permafrost, manual labor, drilling rig, auger, core barrel, the technique and technology of drilling.
Одним из основных способов проведения поисковой и детальной разведки алмазоносных россыпей Северо-Востока страны является проходка шурфов, которая осуществляется в большинстве случаев буровзрывными работами, реже методами на «пожог» и «проморозку». Эти виды работ далеко не безопасны и трудоемки, а методы на «пожог» и «проморозку», помимо этого, малопроизводительны.
Россыпные месторождения зоны многолетней мерзлоты имеют существенное отличие от аналогов, расположенных в районах с умеренным климатом и положительной температурой пород геологического разреза. Специфика их обусловлена комплексным взаимодействием горно-геологических, горнотехнических и климатических факторов. Горногеологические особенности обуславливают: сложный
СКРЯБИН Рево Миронович - к. т. н., профессор, заведующий кафедрой технологии и техники разведки месторождений полезных ископаемых геологоразведочный факультета СВФУ им. М. К. Аммосова.
E-mail: titrykt@rambler.ru
ТИМОФЕЕВ Николай Гаврильевич - аспирант кафедры технологии и техники разведки месторождений полезных ископаемых геологоразведочного факультет СВФУ им. М. К. Аммосова.
E-mail: yakutsk_09@mail.ru
рельеф местности, относительно небольшая глубина залегания полезного ископаемого, высокая изменчивость условий залегания, малая мощность продуктивного пласта, низкий уровень геологической изученности района и т. д. Весьма жесткими являются климатические условия региона, в котором мощность распространения многолетней мерзлоты составляет порядка 250-400 м.
В практике геологоразведочных работ широкое распространение получил способ проходки шурфов с помощью буровзрывных работ, с механическим и ручным бурением шпуров с подъемом породы ручным воротком.
Шурфы в зависимости от условий залегания россыпей и степени разведки проводятся сечениями 1,25 (1,0х1,25м), 1,5 м2 , реже 3,2 и 4 м2. При глубине шурфов до 5-10 м проветривание забоя после взрыва осуществляется за счет естественной тяги, при больших глубинах применяются ручные вентиляторы. Шурф крепится на глубину до 1 м сплошной деревянной крепью [1].
Как при ручном, так и при механическом подъеме проходческое звено состоит из трех человек. Цикл начинается с уборки породы и заканчивается взрыванием шпуровых зарядов. Средняя циклограмма проходки одного шурфа с сечением 4 м2 и глубиной 20 м приведена на рис. 1.
Операции Время Время работы смены
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Бурение 2 ч.
Заряжение и взрывание 30 мин ■
Проветривание 30 мин 3
Уборка 6 ч.
Крепление 2 ч
Вспомогательные работы 30 мин
Общее время 11 часов 30 мин
Рис. 1. Средняя циклограмма проходки шурфа взрывным способом
Анализ циклограммы (рис.1) показывает, что проходка осуществляется с большим объемом ручного труда, при этом половина рабочего времени уходит на уборку горной массы из выработки. А при использовании крана для подъема бадьи дополнительное время расходуется на монтаж и демонтаж оборудования. Исходя из этого, актуальной проблемой при шурфопроходческих работах является механизация основных операций, обеспечивающая более комфортные условия труда проходчиков, рост производительности и повышение скорости проведения горноразведочных выработок (шурфов).
В условиях рассредоточенности объектов на значительной территории, сезонности ведения горных работ, низкого уровня механизации тяжелых и трудоемких процессов, недостаточного уровня обеспечения горной техникой, высокой стоимости шурфопроходческих работ необходим поиск принципиально новых методов и технических средств разведки россыпных месторождений. В этом плане перспективным является применение бурового способа при проходке разведочных шурфов.
Буровой способ проходки горных выработок (шурфов, шахтных стволов) и бурение скважин большого диаметра позволяют комплексно механизировать все производственные процессы, обеспечивают минимальную трудоемкость, дают большой экономический эффект и являются безопасным способом, так как исключено нахождение рабочих в горной выработке, в которой иногда может быть наличие вредных и ядовитых газов или возможность обрушения неустойчивых пород [2].
При бурении скважин большого диаметра в основном используются ударно-канатный и вращательный способы бурения.
Ударно-канатный способ бурения является весьма эффективным и широко распространенным способом в практике бурения скважин большого диаметра. Он обеспечивает в условиях многолетнемерзлых пород вскрытие месторождений в сложных горногеологических условиях (в рыхлых обводненных и валунно-галечных отложениях), а также в породах, поглощающих промывочную жидкость. К недостаткам этого способа относятся низкое качество отбора проб в процессе бурения в результате чрезмерного измельчения и разжижения породы, неполное извлечение полезного компонента в каждой углубке рейса, в частности, золота, допускает миграцию металла, растяжку пласта и в рыхлых неустойчивых породах требуется обсадка скважины несколькими диаметрами труб, отсюда высокая металлоемкость скважины, трудоемкость операций с посадкой и извлечением обсадных труб.
Вращательный способ бурения является наиболее распространенным способом. Этот вид применяется преимущественно для бурения разведочных скважин с отбором кернового материала, а также для сооружения шурфов и др. [3].
Сложные специфические горно-геологические условия залегания россыпных месторождений золота, особенности распределения и концентрации металла и его низкое промышленное содержание предъявляют особые требования к технологии бурения и отбора проб при их поисках и разведке. Получение достоверных данных по всем этим вопросам в значительной степени зависит от количества и состояния извлекаемого при бурении проб, а также от точности определения границ пластов пород и залежей полезных ископаемых или их мощности. Требования методики разведки россыпных месторождений предопределяют следующие техничес-
кие и технологические требования к технике и технологии бурения скважин большого диаметра:
1. Минимальный диаметр скважины, при котором систематическая ошибка в подсчете средних содержаний по скважинам не превышает 5-10 %, составляет в пределах 540-600 мм.
2. Проба должна иметь минимальные нарушения структуры и измельчение. В процессе бурения скважин необходимо исключить «миграцию» золота, обеспечить полноту его извлечения по интервалам опробования. Производить тщательную зачистку плотика. Способ отбора и извлечения пробы из определенного интервала скважины должен исключать возможность ее обогащения или разубоживания породой соседнего интервала.
3. Создаваемая техника должна иметь широкие возможности бурения в зависимости от состава рыхлых отложений и устойчивости пород.
4. Техника и технология бурения должны обеспечивать поинтервальное опробование продуктивного пласта с величиной интервала от 0,2 до 1,0 м, а при бурении пустых пород (торфов) величина интервала опробования не ограничивается и может быть любой рациональной для данных геологических условий по критерию скорости бурения.
5. Буровая установка по глубине скважин должна обеспечивать целесообразный объем разведочных работ на россыпных месторождениях. Однако, учитывая сложные геологические условия залегания основной массы россыпи и неизбежное утяжеление установки при увеличении глубины бурения, максимальная глубина скважины принята 25 м, это позволяет в среднем производить разведку 95 % месторождений в основных районах страны.
6. Буровой инструмент по возможности должен обеспечивать бурение всей толщи рыхлых отложений практически любого литологического и петрографического состава с сохранением высокого качества отбираемых проб.
7. Буровая установка должна быть самоходной и автономной, а ее транспортная база обеспечивать высокую проходимость в условиях бездорожья и пересеченной местности.
8. Основные и вспомогательные операции с тяжелым оборудованием и инструментом должны быть механизированными.
9. Буровая установка должна обеспечивать повышение производительности труда и снижение себестоимости работ [4].
Удаление продуктов разрушения шнековыми транспортерами при бурении скважин диаметром свыше 500 мм широко распространено вследствие высокой производительности и простоты технологического процесса.
Эффективность работы шнекового бура зависит от его конструктивных особенностей, технологических
параметров режима бурения и физико-механических свойств горных пород. Охлаждение забурника и шнека осуществляется за счет их быстрого углубления в породы с изменяющейся температурой. Глубина шнекового бурения в зависимости от физико-механических свойств пород от 1,5 до 80 м, диаметр от 0,35 до 2,0 м [5].
Преимущество шнекового бурения - большая скорость углубления, непрерывная транспортировка породы без подъема инструмента и возможность бурения без промывки и продувки.
Изучением техники и технологии шнекового бурения занимались не многие ученые [1, 3, 4, 5]. За время исследований появилось большое количество работ, в которых описывается вертикальные шнековые транспортеры. Однако из всех этих работ по расчету вертикальных шнековых транспортеров наибольшего внимания и изучения заслуживает работа Д. Н. Башкатова, выполненная применительно к шнековому способу бурения скважин [5]. Он отмечает влияние на процесс транспортировки породы шнеком эффекта «подпора породы» и считает, что с увеличением диаметра шнека этот эффект начинает играть более заметную роль. Д. Н. Башкатовым рассмотрены важные вопросы шнекового транспортера, которые могут быть использованы при бурении скважин шнековыми бурами. К ним могут быть отнесены: исследование трех основных условий работы шнекового транспортера, определение оптимального угла подъема винтовой линии шнека, изучение распределения породы на винтовой поверхности шнека, рассмотрение шнеков с различной формой навивки, выбор нижнего и верхнего пределов числа оборотов вращения шнека.
В сооружении шурфов и скважин большого диаметра в валунно-галечниковых отложениях характерны специфические осложнения. Если проходка по пластам мелкой гальки может быть осуществлена с использованием шнеков с достаточно большим шагом, то появление валунов может существенно замедлить или даже сделать невозможным сооружение выработки. Проблему можно решить при конструировании приспособленного для таких условий породоразрушающего инструмента, либо посредством увеличения мощности двигателя и крутящего момента до таких значений, когда станет возможным задавливание валуна в стенки шурфа или до полного его разрушения [6].
Величина сопротивления буровой мелочи движению инструмента зависит от интенсивности ее образования и параметров забурника. Увеличение скорости бурения обуславливает пропорциональный рост сопротивлений подаче и вращению. С увеличением высоты забурника пропорционально возрастает сопротивление усилия подачи забурника на забой [3].
Особенности бурения скважин большого диаметра в условиях Северо-Востока России остаются практически
неизученными. Основной проблемой разведки россыпных месторождений в этом регионе является
осуществление горнопроходческих работ в зимнее время, с проведением большого объема шурфов. Существующая практика ведения шурфовочных работ основана чаще всего на устаревших технологиях с большой долей ручного труда - буровзрывной способ, проходка на «пожог» и проходка с использованием отбойных молотков [2]. В связи с этим наиболее эффективным способом бурения скважин большого диаметра при разведке россыпных месторождений является использование шнекового транспортера с возможностью рейсового (поинтервального) отбора
выбуренной породы.
Однако бурение шнековым способом имеет свои недостатки. К ним относятся плохая транспортировка породы по непрерывно набегающим лентам шнека в открытом стволе. Они особенно проявляются при бурении в сложных геологических строениях россыпных месторождений и специфических физикомеханических свойствах разведуемого полезного
ископаемого (рис.2 а), б), в)). Кроме того, может происходить смешение пробы со стенок скважины, которое приводит к соответствующему снижению представительности пробы. Если применять рейсовый (поинтервальный) метод бурения (рис.2 г), когда выбуренная порода не транспортируется шнеком на поверхность в процессе бурения, а после бурения ограниченного интервала накапливается в снаряде и только потом поднимается на поверхность, то тогда
будет обеспечена наивысшая представительность пробы по составу продуктивной толщи в данном интервале.
На основе этого разработана конструкция нового, совершенного бурового снаряда, который обеспечивает поинтервальный отбор пробы, отвечающий следующим требованиям методики разведки россыпных месторождений:
1. Буровой снаряд диаметром (0 650 мм) при подсчете среднего содержания полезного компонента в скважине отвечает минимальным требованиям систематической ошибки разведки россыпных месторождений.
2. Обеспечивает поинтервальное (рейсовое) опробование продуктивного пласта величиной интервала от 0,2 до 1,0 м.
3. Позволяет бурение всей толщи рыхлых отложений практически любого литологического и петрографического состава с сохранением высокой представительности отбираемых проб.
Разработанный нами буровой снаряд (рис.3.) для бурения скважин большого диаметра представляет собой буровой став, состоящий из породоразрушающего инструмента (забурника) и шнекового транспортера, который расположен внутри колонковой трубы. В колонковой трубе для извлечения выбуренной породы смонтированы специальные разгрузочные окна. Сама колонковая труба соединена с втулкой в подшипниковом узле бурового снаряда, благодаря чему обеспечивается при внедрении снаряда в породу неподвижность колонковой трубы. Для повышения
Рис. 2. Способы аккумулирования разрушенной породы со скважин.
а) непрерывная углубка с выносом породы на поверхность;
б) проходка интервала с полным выносом породы;
в) проходка интервала с подъемом шнека;
г) поинтервальная углубка с подъемом на поверхность пробы вместе со снарядом
Рис. 3. Буровой снаряд 0 650мм для бурения скважин большого диаметра с поинтервальным отбором пробы. 1-шпиндель снаряда; 2 - разгрузочные окна; 3 - шнековый транспортер; 4 -забурник; 5- усиленный переходник; 6 -подшипниковый узел; 7 - колонковая труба; 8 - резцы забурника; 9 - втулка соединения колонковой трубы со снарядом, 10 -скважина.
ресурса забурник шнека армирован резцами из тве-дого сплава, при этом диаметр забурника на 15-20 мм больше наружного диаметра колонковой трубы, что позволяет свободному перемещению снаряда в скважине при спуско-подъемных операциях. Буровой снаряд соединяется с квадратом буровой установки через усиленный квадрат переходник.
Буровой снаряд работает следующим образом. При вращении снаряда забурником разрушается определенный интервал породы на забое скважины. Процесс очистки скважины и транспортирование разрушенной породы при использовании шнекового транспортера идет непрерывно. При этом выбуренная порода накапливается внутри колонковой трубы. По мере бурения определенного интервала скважины снаряд поднимается на поверхность, после закрывается скважина и через разгрузочные окна извлекается выбуренная порода (проба).
В случае неполного извлечения остатков породы из снаряда предусматривается фиксация бурового снаряда к буровой установке и включение левого вращения с сопровождениями по мере необходимости ударами по снаряду.
Разработанный буровой снаряд большого диаметра с поинтервальным отбором проб имеет следующие преимущества:
- используется относительно упрощенная конструкция бурового снаряда;
- шнековый транспортер расположен внутри колонковой трубы, при этом разрушенная порода
не затирается в стенки скважины, и обеспечивается качественный отбор пробы в полном объеме;
- возможность рейсового (поинтервального) отбора проб;
- при использовании снаряда с большим диаметром (более 500 мм) возможны как технологический, так и валовый отбор проб выделенного горизонта;
- механизация основных работ, обеспечивающая безопасность и сокращение ручного труда.
Для внедрения буровых работ разработанным снарядом предлагается использование буровой установки отечественного производства БКМ-2012. Машина предназначена для бурения скважин в породах до VI категории, включая многолетнемерзлые, а также для установки свай и опор под здания и сооружения. В качестве базового автомобиля для монтажа навесного оборудования используется шасси автомобиля КамАЗ. Наличие поворотной платформы дает возможность увеличивать рабочую зону и получать несколько скважин с одной установки машины, не меняя позиции. Продольное перемещение бурильного оборудования обеспечивает максимальную точность наезда на точку бурения. Экономическая эффективность использования поворотной платформы позволяет экономить до 22 % времени на бурильных работах, что снижает себестоимость работы.
Замена части объема шурфопроходческих работ бурением скважин большого диаметра по новой технологии и техники позволит значительно ускорить разведку россыпных месторождений и получить большой экономический эффект. При этом годовой экономический эффект при бурении скважин с применением разработанного нами бурового снаряда диаметром 650 мм составит 10-34 млн руб. на 1000 п. м. в различных геолого-технических условиях россыпных месторождений Северо-Востока страны. Этот расчет сделан на основе достигнутой себестоимости проходки шурфов на 1 п. м. в ОАО «Алмазы Анабара» и ОАО «Нижне-Ленское».
Л и т е р а т у р а
1. Брылов С. А., Багдасаров Ш. Б., Грабчак Л. Г. Современная технология и механизация горно-разведочных работ / Учеб. для вузов, - М.: Недра, 1976. - 389 с.
2. Тимофеев Н. Г. Буровой способ проходки разведочных шурфов // Научный журн. «Новый университет», секция технические науки. - Изд-во. ООО «Коллоквиум», г. Йошкар-Ола, 2011. - С 40-45.
3. Брылин В. И. Бурение скважин на россыпи/ Учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2000. - 110 с.
4. Сулакшин С. С. Способы, средства и технология получения представительных образцов пород и полезных ископаемых при бурении геологоразведочных скважин / Учебное пособие. - Томск: Изд-во НТЛ, 2006. - 230 с.
5. Башкатов Д. Н. Вращательное шнековое бурение геологоразведочных скважин / Учебное пособие. - М.: Недра, 1968. - 208 с.
6. Грабчак В. Л. Обоснование оптимальных параметров процесса бурения геологоразведочных шурфов в моренных отложениях// Дисс. ... к. т. н. - М.: 2009. - 125 с.
