Буровые штанги для геологических работ ломаются не просто так — они ломаются из-за неправильных решений, принятых до начала бурения.
Геологическая буровая штанга — та, что используется при горизонтально-направленном бурении, геотехнических исследованиях и прокладке инженерных коммуникаций — не подвергается таким же резким ударам, как ударная буровая штанга для горных пород. Её не бьют со скоростью пятьдесят ударов в секунду. Она вращается и тянет, иногда на тысячи метров, сквозь грунт, горные породы и всё, что между ними.
Когда геологическая штанга выходит из строя, это редко бывает внезапной металлургической неожиданностью. Это конечный результат решений, принятых за несколько дней или недель до этого — на этапе выбора оборудования, на этапе сортировки штанги, на этапе планирования расширения скважины. Вот откуда берутся эти отказы и как их предотвратить еще до того, как штанга будет установлена в землю.
Перед началом работ подготовьте буровую установку и необходимое оборудование.
Самая дорогостоящая поломка буровой штанги — это та, которая вызвана использованием неподходящего для работы оборудования. Прежде чем загрузить штангу в грузовик, кто-то должен прочитать геотехнический отчет — не бегло, а внимательно. Каков профиль грунта? Где находятся слои гальки? Есть ли коренная порода и на какой глубине? Каков уровень грунтовых вод?
Ответы на эти вопросы определяют, сможет ли запланированная буровая установка, система бурового раствора и колонна буровых штанг действительно справиться с бурением. Буровая установка, идеально подходящая для бурения в мягкой глине, повредит штанги, пытаясь пробить неожиданные валуны. Система бурового раствора, разработанная для песков, не сможет удержать отверстие открытым в гравии. Штанги подвергаются нагрузке каждый раз, когда оборудование не соответствует грунту.
Технические условия проекта и предлагаемый подрядчиком перечень оборудования необходимо сверить с геотехническими данными до начала работ. В случае несоответствия необходимо исправить план работ — не стоит надеяться, что грунт лучше, чем указано в отчете.
Выбирайте удилища, ориентируясь на характеристики, а не на каталог.
Выбор буровых штанг для геологического бурения основан на иной логике, чем выбор штанг для бурения горных пород. Основные нагрузки — это крутящий момент и растяжение при обратном ходе, а не удар. Штанга, которая хорошо показала себя на предыдущем объекте, может совершенно не подойти для этого.
Правило ограничения крутящего момента:Номинальный максимальный крутящий момент штанги должен быть как минимум вдвое больше максимального выходного крутящего момента буровой установки. Это не запас прочности для штанги — это запас прочности на случай непредвиденных обстоятельств. Подземные препятствия, кривые малого радиуса и обрушение скважины — все это приводит к скачкам крутящего момента, превышающим установившуюся нагрузку при бурении. Штанга, работающая на 90% от номинального крутящего момента в нормальных условиях, не имеет запаса прочности на такой скачок.
Стандарт классификации удилищ:Каждый буровой вал, поступающий на объект, должен быть отсортирован по стандарту СИ/T 5824 или эквивалентному — измерен, проверен и классифицирован по степени износа и истории эксплуатации. Неотсортированные в колонне валы считаются «неизвестными». «Неизвестные» валы выходят из строя.
Управленческие записи:Отслеживайте каждую буровую штангу. Учитывайте количество пробуренных метров, нагрузки при обратном ходе, результаты осмотра, изменения качества с течением времени. Штанга, прошедшая пять проходов с максимальным обратным ходом, — это не та же самая штанга, что и при первом использовании. Без записей приходится гадать.
Анализ напряжений:Для сложных скважин — длинных пересечений, больших диаметров, сложных геологических условий — конечно-элементный анализ буровой колонны под ожидаемыми нагрузками выявляет слабые места до начала бурения. Переходная зона непосредственно за расширителем обычно является местом с наибольшим напряжением. Конечно-элементный анализ точно показывает, где концентрируется напряжение и сможет ли буровая колонна его выдержать.
Переходные стержни с толстыми стенками:Разместите две-три толстостенные буровые штанги непосредственно за расширителем. Эти штанги перекрывают переход диаметра между расширителем и стандартной буровой колонной. Расширитель создает наибольший крутящий момент и наиболее нестабильную нагрузку во всей колонне — эти переходные штанги поглощают эту нагрузку и защищают стандартные штанги, расположенные за ним.
Оставьте пилотное отверстие на своем месте.
Отклонение направляющего отверстия является основной причиной удивительно большого количества отказов шатунов. Отверстие, отклоняющееся от расчетной траектории, создает кривые с малым радиусом, которые шатун не должен был проходить. Изгибное напряжение на шатунах, вращающихся по кривой, радиус которой меньше расчетного, приводит к ускоренному накоплению циклов усталости.
Правило: отклонение пилотной скважины от проектной кривой не должно превышать 1% от длины пролета. Скважина длиной 300 метров должна оставаться в пределах 3 метров от запланированной траектории. Если пилотная скважина отклоняется дальше этого значения, не следует мириться с этим и надеяться, что расширение выровняет ее. Исправьте пилотную скважину или смиритесь с тем, что штанги будут повреждены.
Приемка пилотного отверстия должна быть формальной — осмотрена, задокументирована и подписана инженером или владельцем до начала работ по развертыванию. Развертка, проделанная через некачественное пилотное отверстие, — это просто изнашивание стержня с помощью более крупной режущей головки.
Покоряйте мир постепенно, а не одним прыжком.
Когда конечный диаметр отверстия велик — более 400 миллиметров — переход от пилотного диаметра к конечному диаметру не происходит за один проход. Это приводит к резкому изменению нагрузки при резании, требуемого крутящего момента и объема шлама. Штанги в начале колонны испытывают нагрузки, значительно превышающие их расчетные параметры.
Научный подход: постепенное увеличение диаметра. Типичная последовательность начинается с развертки диаметром 200-240 мм, затем диаметр увеличивается примерно на 200 мм за проход до достижения конечного диаметра. Каждый проход удаляет приемлемое количество материала. Каждый проход позволяет системе бурового раствора очиститься от шлама до того, как пройдет следующая, более крупная развертка. Каждый проход обеспечивает работу штанг в пределах номинального диапазона нагрузок.
План поэтапного повышения давления должен учитывать возможности буровой установки по обратному перемещению, расход бурового раствора и его способность справляться с твердыми частицами, предельные значения крутящего момента и натяжения буровой колонны, а также реакцию пласта на расширение. Пропуск этапа для экономии времени окупится отказами буровых штанг.
Во время развертывания следите за показаниями манометров.
В процессе расширения скважины наиболее важны два параметра: крутящий момент и усилие обратного хода. Оба параметра следует постоянно контролировать и сравнивать с ожидаемым диапазоном для данного типа породы и диаметра расширителя.
Резкий скачок крутящего момента означает, что что-то изменилось — расширитель наткнулся на твердый слой, буровой шлам забивает скважину, происходит обрушение скважины. Скачок крутящего момента при нормальном крутящем моменте означает, что буровая колонна застревает — вероятно, происходит обрушение скважины или чрезмерное накопление бурового шлама.
Когда любой из параметров отклоняется от ожидаемого диапазона, прекратите расширение скважины. Слегка оттяните буровую штангу назад, чтобы создать кольцевое пространство. Запустите циркуляцию с высоким расходом воды для промывки скважины. Возобновите расширение скважины только тогда, когда параметры вернутся в норму. Проталкивание шипа через буровую штангу — это способ превратить буровую штангу в два более коротких и менее полезных отрезка.
Общая картина
Неудачи при бурении геологических скважин происходят из-за решений, принятых на поверхности, а не из-за условий, обнаруженных под землей. Неправильный выбор оборудования. Некачественные буровые штанги в колонне. Завершенная пилотная скважина, которая слишком сильно отклонилась от заданного направления. План расширения скважины, в котором пытались пропустить этапы. Игнорирование параметров до тех пор, пока забой не привел к обрыву.
Каждого из этих случаев можно избежать, если применять инженерные методы до и во время бурения, а не после того, как штоки разлетятся на части.
