Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Проектирование скважин на твердые полезные ископаемые

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 469950.04.01
К покупке доступен более свежий выпуск Перейти
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 под-готовки (специальности) 21.05.03 «Технология геологической разведки», «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых». Учебное пособие будет полезно для аспирантов, обучающихся по специальности 25.00.14 — «Технология и техника геологоразведочных работ» и специалистам производственных организаций, занятых бурением геологоразведочных скважин.
Нескоромных, В. В. Проектирование скважин на твердые полезные ископаемые : учебное пособие / В. В. Нескоромных. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : ИНФРА-М ; Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2020. - 327 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). - ISBN 978-5-16-009988-0. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1059224 (дата обращения: 15.06.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
СКВАЖИН НА ТВЕРДЫЕ 
ПОЛЕЗНЫЕ 
ИСКОПАЕМЫЕ 

 
Москва 
Красноярск
 
ИНФРА-М 
СФУ

2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано 
уполномоченным Министерством образования и науки РФ 
ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой 
университет ”Горный“» в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки 21.05.03 
«Технологии геологической разведки»

Регистрационный номер 2499 от 9 августа 2013 г.

Второе издание, переработанное и дополненное

В.В. НЕСКОРОМНЫХ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

УДК 622.24 (075.8) 
ББК 33.131.я73 
 
Н552

Нескоромных В.В.
Проектирование скважин на твердые полезные ископаемые : 
учеб. пособие / В.В. Нескоромных. — 2-е изд., перераб. и доп. — 
Москва : ИНФРА-М; Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2020. –
327 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/ 
10.12737/3625.

ISBN 978-5-16-009988-0 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-101648-0 (ИНФРА-М, online)
ISBN 978-5-8038-0568-7 (СФУ)

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) 21.05.03 «Технология геологической разведки», «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых». 
Учебное пособие будет полезно для аспирантов, обучающихся по 
специальности 25.00.14 – «Технология и техника геологоразведочных 
работ» и специалистам производственных организаций, занятых бурением геологоразведочных скважин.
УДК 622.24 (075.8) 
ББК 33.131.я73 

Н552

© Сибирский 
 
федеральный
 
университет, 2014

ISBN 978-5-16-009988-0 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-101648-0 (ИНФРА-М, online)
ISBN 978-5-8038-0568-7 (СФУ)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

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 их 
стремится 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 
(климатические, географические или горно-геологические). 
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. выполним с 
применением имеющихся средств и технологий. 
 
Глава 1. ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ  О  ПРОЕКТИРОВАНИИ. 
ВЫБОР  СПОСОБА  БУРЕНИЯ 
 
Проектирование буровых работ основывается на применении стандартов, 
различной документации и специальной литературе в которых определены 
значения и параметры установленных норм, регламенты 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; 

3

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, запроектировать 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. 
свойств 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 техникоэкономической 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 

4

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. 
 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 горно-геологических 
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. 

5

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 горно-геологические 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. 
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 задает, 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 оценке 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 

6

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 популярным, 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 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 компресссоров высокого давления (до 7 МПа) 

Рис. 1.1. Принцип ударновращательного 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

5

1

4
2
3

7

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 
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: 
 

F
A
N
v
v

м
. 

 
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 
её 
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 

8

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.  
 

OD, ODEX, DEPS – системы ударно-вращательного бурения  по валунногалечникам с одновременным  креплением ствола скважины обсадной колонной 
компании Atlas Copco: OD – погружной пневмоударник инициирует удары как по 
вращаемой обсадной колонне с породоразрушающим башмаком, так и по 
внутренней бурильной колонне; ODEX – усовершенствованная система OD, при 
реализации которой происходит расширение ствола скважины специальным 
эксцентричным долотом и опережающее крепление ствола обсадной колонной, 
способной продвигаться под действием ударов со стороны пневмоударника на 
более значительную глубину; DEPS – удары по обсадной колонне и бурильной 
колонне наносятся двумя различными пневмоударниками, что повышает ударную 
мощь системы и позволяет бурить более глубокие скважины без расширения 
ствола скважины. 
 
Забойные ударные машины СОР 32 работают при давлении воздуха      
0,6–1,2 МПа с частотой ударов 1300–1650 уд./ мин и предназначены для 
бурения скважин диаметром 85–100 мм.  

0,5      1,0      1,5    Рс, МПа
0,3     0,4     0,5   0,6     Pc, МПа

vм, м/ч

2

3

4

5
1  2

4   5

Рис.1.2. Зависимость механической 

скорости бурения от давления 

воздуха в различных породах: 1 – 5
–горные породы VIII; IX; X; IX; X

категорий по буримости

vм, м/ч

6

12

18

24

2

1

Рис. 1.3. Зависимость 
механической скорости

бурения пневмоударниками 

высокого давления типа 

СОР в известняке (2) 

и граните (1)

3

9

Пневмоударники СОР 42 работают при давлении 0,6–2,5 МПа с частотой 
ударов 1300–2 100 уд./ мин и предназначены для бурения скважин диаметром 
105–125 мм. 
Пневмоударник Secoroc COP 64 Gold - одна из последних разработок 
компании Atlas Copco. При использовании компрессора высокого давления      
(3 МПа) в случае бурения скважин диаметром 165 мм достигнута скорость 0,8 
м/мин (48 м/ч). 
В настоящее время ударно-вращательное бурение пневмоударниками 
высокого 
давления 
 
является 
наиболее 
производительным 
из 
всех 
существующих механических способов. 
Сбалансированное сочетание опробования по шламу и керну дает 
значительную экономию времени. 
 
Пример 1. По данным Atlas Copco при программе бурения 80 скважин, глубиной 400 
м и общем объеме буровых работ 32000 м при алмазном бурении, круглосуточной работе 
одного бурового станка для завершения работ потребуется 457 дней при стоимости проекта 
2 580 000 долл. США. 
Если 50 % интервала бурения  будет опробовано по шламу, который получен при 
бурении пневмоударниками высокого давления, а 50 % по керну, обеспеченного алмазным 
бурением, срок выполнения работ составит 301 день при стоимости работ 1 740 000 долл. 
США. 
Если долю опробования по шламу увеличить до 75 %, то время выполнения работ 
составит 223 дня при стоимости работ 1 320 000 долл. США. 
Сравнительный анализ показывает, что один станок, осуществляющий бурение по 
схеме 75 % опробования по шламу и 25 % по керну, способен заменить три станка алмазного 
бурения, осуществляющих полный отбор керна, при этом стоимость работ снизится 
практически в два раза. 
 
Достоверность опробования по шламу не подвергается сомнению в том 
случае, если нет необходимости в непрерывной информации о геологическом 
строении месторождения, поскольку геометрия рудного тела уже известна и 
необходимо лишь подтверждение границ залегания.  
Бурение с обратной циркуляцией и отбором шлама может применяться 
для оценки и подтверждения содержания полезного минерала. 
Качество вещества пробы – важный аспект рассматриваемого вопроса. 
Прежде образцы, извлеченные ниже уровня подземных вод, считались 
некачественными, а только керновое бурение оставалось достоверным для 
таких глубин. Эта техническая проблема в настоящее время с появлением 
компрессоров и пневмоударников высокого давления считается решенной, 
поскольку с глубины  500 м удается поднимать сухой шлам за счет 
изолирования бурового инструмента от скважины. Правильный выбор зазора и 
давления поддерживает зону высокого давления вокруг бурового инструмента, 
которое достаточно для преодоления давления воды. В этом случае получаемая 
проба может считаться вполне представительной для оценки содержания и 
технологичности руд, а керн является «поставщиком сведений» об условиях 
залегания и структурных особенностях руд. 

10

К покупке доступен более свежий выпуск Перейти