При бурении водозаборных скважин в твердых породах одна и та же буровая установка с DTH-пневмоударником или с прямой промывкой глинистым раствором может показывать скорость проходки, различающуюся в несколько раз, а может — незначительно. Разница обусловлена не самой установкой, а способом воздействия каждой технологии на каждом этапе бурения: какая сила разрушает породу, какая среда выносит шлам из устья скважины, сколько времени занимают наращивание бурильных труб и очистка скважины, кто поддерживает стенки скважины. Разложив проблему эффективности на эти четыре этапа, можно определить, в чем именно заключаются различия в конкретном проекте.
Сначала разберемся, какие задачи решает каждая технология
Прямая промывка глинистым раствором — это способ циркуляции при вращательном бурении: долото разрушает и истирает породу под действием осевой нагрузки и крутящего момента, глинистый раствор подается через внутренний канал бурильной трубы на забой, захватывает шлам и выносит его на устье по кольцевому пространству между бурильной колонной и стенками скважины. Здесь используется механическое разрушение породы и гидравлическое удаление шлама.
В DTH-пневмоударнике погружной пневмоударник устанавливается непосредственно за долотом, сжатый воздух приводит в возвратно-поступательное движение ударник, энергия удара передается непосредственно на породу забоя, и тот же поток воздуха выдувает шлам из кольцевого пространства на устье. Здесь используется ударное разрушение породы и пневматическое удаление шлама.
Различия этих двух способов в твердых породах проистекают из двух ключевых отличий: разный механизм разрушения породы и разная среда для удаления шлама. Остальные различия по этапам являются производными от этих двух.
Этап разрушения породы: разный характер воздействия энергии удара и вращательного резания
В относительно монолитных твердых породах с высокой прочностью на сжатие и абразивностью вращательное долото в основном разрушает породу за счет скалывания и истирания резцами, долото быстро изнашивается, удельный расход крутящего момента и осевой нагрузки велик, а скорость проходки заметно падает с ростом прочности породы.
Пневмоударник передает энергию удара непосредственно на забой, порода под ударной нагрузкой легче трескается и разрушается крупными кусками, а вращательная часть в основном отвечает за поворот долота и выравнивание забоя. Поэтому в таких относительно монолитных твердых породах, как гранит, базальт, известняк, фактическая скорость проходки DTH обычно значительно выше, чем при прямой промывке глинистым раствором, а нагрузка по осевому давлению и крутящему моменту относительно меньше.
Однако этот вывод имеет границы. В материалах на WR600S указано, что рекомендуемое рабочее давление воздуха для DTH-пневмоударного бурения составляет 1,2–3,5 МПа, расход воздуха 16–55 м³/мин. Если производительность компрессора недостаточна, энергия удара падает, очистка забоя неполная, и преимущество DTH в скорости нивелируется, а иногда он может уступать стабильности вращательного бурения с глинистым раствором. В материалах на WR500S также указаны 1,2–3,5 МПа и 16–55 м³/мин, а на WR500SE — 1,7–3,5 МПа и 17–42 м³/мин. Видно, что требования к давлению и расходу воздуха у одной серии оборудования не полностью одинаковы, их необходимо подбирать индивидуально под конкретную модель и проект.
Этап удаления шлама: различия между пневматическим и гидравлическим способом в твердых породах наиболее очевидны
При бурении в твердых породах образуется более крупный и плотный шлам, своевременность его удаления напрямую определяет, сохраняются ли на забое чистые условия для разрушения породы. Как только на забое скапливается шлам, энергия удара поглощается подушкой, сопротивление вращению растет, долото начинает повторно дробить уже разрушенную породу.
Удаление шлама в DTH relies on расход воздуха компрессора. С увеличением глубины скважины, диаметра, твердости породы и высоты над уровнем моря скорость обратного потока в кольцевом пространстве падает, требуемый расход воздуха соответственно возрастает — именно поэтому в материалах неоднократно подчеркивается, что «нельзя смотреть только на номинальное давление». Если на интервале есть трещины, зоны дробления или пустоты, сжатый воздух будет сильно утекать; в этом случае решение — определить место утечки и рассмотреть применение пены или обсадной трубы, а не просто повышать давление компрессора.
Удаление шлама при прямой промывке глинистым раствором relies on подачу насоса и свойства раствора. Глинистый раствор не только выносит шлам, но и одновременно укрепляет стенки, охлаждает долото и уравновешивает пластовое давление. В материалах указано, что WR500S, WR500SE и WR600S могут комплектоваться глинистым насосом, центробежным насосом и пенным насосом. В рыхлых покровных отложениях и песчано-гравийных слоях глинистый раствор одновременно решает задачи стабилизации скважины и удаления шлама, чего пневматическое удаление шлама не обеспечивает.
На твердопородном интервале, если верхние покровные отложения уже обработаны глинистым раствором или обсадной трубой, переход на DTH в нижней монолитной породе обычно позволяет лучше использовать преимущества каждой технологии; наоборот, если в скважине длительное время поддерживается циркуляция глинистого раствора, при встрече с зоной поглощения расход раствора и работы по ликвидации поглощения становятся дополнительной нагрузкой.
Этап вспомогательного времени: наращивание труб, очистка скважины и ликвидация осложнений
Различия в эффективности проявляются не только в чистом времени бурения. Длина бурильных труб и тип мачты буровой установки для водозаборных скважин напрямую влияют на количество наращиваний и вспомогательное время на скважину.
В материалах WR500S и WR600S поддерживают 6-метровые бурильные трубы, WR500SE имеет длину подачи 6,6 м и может напрямую использоваться с 6-метровыми трубами. Для скважин глубиной 500–600 метров количество наращиваний велико, длинные трубы и большой ход подачи позволяют сократить частоту возврата вращателя и соединения труб. Эта экономия не зависит от выбора технологии, но ее влияние на общую эффективность растет с увеличением глубины скважины.
Связанное с технологией вспомогательное время в основном приходится на очистку скважины и ликвидацию осложнений. В DTH на интервалах с утечкой воздуха, зонами дробления и водопритоками часто возникают аномалии выноса шлама, для их устранения приходится останавливать бурение и наблюдать за изменением параметров бурения; при прямой промывке глинистым раствором также приходится останавливаться при сужении ствола, обрушении породы, поглощении раствора. Обе технологии сталкиваются с остановками, разница в критериях оценки: в DTH в основном смотрят на количество выносимого шлама, колебания давления воздуха и изменение крутящего момента, при глинистой циркуляции — на содержание шлама в выходящем растворе и изменение давления насоса.
Роль грузоподъемности здесь — обеспечить запас для нормальной работы, а не быть средством решения всех аварий в скважине. WR500S имеет усилие подъема 30 т, WR600S — 35 т, WR500SE — 26 т. На больших глубинах собственный вес бурильных труб, трение о стенки и вес обсадной колонны увеличивают нагрузку при подъеме; в материалах четко рекомендуется: при аномальном сопротивлении подъему сначала очистить скважину и оценить состояние стенок, а не полагаться напрямую на максимальное усилие подъема для принудительного решения проблемы.
Этап обработки стенок скважины: твердопородный интервал и покровные отложения нельзя смешивать
На монолитных твердопородных интервалах стенки скважины обычно стабильны, а сухое удаление шлама в DTH, наоборот, уменьшает проникновение глинистого раствора в водоносный горизонт, что благоприятно для последующего обустройства и промывки скважины. Однако верхние выветрелые слои, зоны дробления и водоносные горизонты часто требуют дополнительной обработки.
Подход к таким породам в материалах сайта единообразен: WR600S, WR500S и WR500SE поддерживают вращательное бурение с глинистым раствором, для верхних грунтов, глин, песков и песчано-гравийных слоев приоритет отдается стабилизации скважины, выносу шлама и укреплению стенок, а после входа в относительно стабильные породы переходят на DTH-пневмоударное бурение; в зонах дробления и утечек воздуха рассматривается снижение скорости подачи, поддержание непрерывной очистки скважины и, в зависимости от ситуации, применение пены или обсадной трубы; после входа в основной водоносный горизонт фиксируется глубина водоносного слоя, и в зависимости от водопритока корректируются подача воздуха, очистка скважины и способ обсадки.
Поэтому, обсуждая «какая технология эффективнее», необходимо четко указывать, о каком интервале скважины идет речь. Упрощенное отнесение эффективности всей скважины к одной технологии легко приводит к игнорированию дополнительного времени, связанного с верхними покровными отложениями и водоносными горизонтами.
Различия в эффективности в конечном счете определяются комплектацией
Суммируя вышесказанное, различия в эффективности между DTH и прямой промывкой глинистым раствором в твердых породах фактически зависят от соответствия следующей комплектации:
| Этап | Условия, от которых зависит DTH-пневмоударник | Условия, от которых зависит прямая промывка глинистым раствором |
|---|---|---|
| Разрушение породы | Тип пневмоударника, давление и расход воздуха | Осевое давление, крутящий момент, тип долота |
| Удаление шлама | Производительность компрессора, скорость обратного потока в кольцевом пространстве, борьба с утечками воздуха | Подача глинистого насоса, свойства раствора, эффективность укрепления стенок |
| Вспомогательное время | Длина бурильных труб, ход мачты, критерии очистки скважины | Длина бурильных труб, ход мачты, непрерывность циркуляции раствора |
| Стенки скважины | Методы обработки зон дробления и водопритока | Стабилизация покровных отложений, конструкция фильтра и водоупорного интервала |
| Привод | Соответствие мощности компрессора и основного двигателя | Соответствие мощности глинистого насоса и основного двигателя |
В материалах крутящий момент WR500S в двух режимах составляет 11000 / 5500 Н·м, максимальная частота вращения 75 / 150 об/мин; WR600S — 12000 / 6000 Н·м, максимальная частота вращения 90 / 180 об/мин; WR500SE — крутящий момент 7500–10000 Н·м, частота вращения 45–130 об/мин. Эти значения соответствуют возможностям вращательной системы и в основном обслуживают вращательную нагрузку и изменение диаметра скважины в процессе бурения, их нельзя напрямую пересчитывать в скорость проходки. Справочная эффективность бурения в материалах составляет 10–35 м/ч, при этом четко указано, что реальная проходка зависит от твердости пород, диаметра скважины, пневмоударника, производительности компрессора и метода работы.
Что следует уточнить перед выбором
- Доля и степень монолитности твердопородного интервала: использовать преимущественно DTH, преимущественно вращательное бурение с глинистым раствором или их комбинацию.
- Соответствуют ли фактическое давление и расход воздуха компрессора диапазонам, указанным в материалах для выбранной модели, с учетом влияния глубины, диаметра скважины и высоты над уровнем моря на расход воздуха.
- Нужна ли комплектация глинистым насосом, центробежным насосом, пенным насосом и для каких целей — в основном для верхних покровных отложений, зон дробления или зон утечки воздуха.
- Диаметр и длина бурильных труб: в материалах для WR600S рекомендуются трубы 89 / 102 мм длиной 6 м, для WR500S — 89 мм длиной 6 м, WR500SE поддерживает 102 / 108 / 114 мм с длиной на выбор 1,5 / 2 / 3 / 6 м; следует уточнять с учетом диаметра и глубины скважины.
- Достаточны ли грузоподъемность и крутящий момент с запасом на максимальный диаметр и самый глубокий интервал, а не выбраны по средним условиям.
- Позволяют ли транспортные и площадочные условия завести установку целиком и развернуть мачту: WR600S около 12,5 т, WR500S около 10,6 т, WR500SE около 9,5 т.
- Уточнены ли гидрогеологические данные района и проектная конструкция скважины (обсадная труба, фильтр, водоупорный интервал).
Что нужно уточнить у производителя при недостатке данных
В открытых материалах сайта не приведены сравнительные данные по проходке двух технологий в одинаковых породах и при одинаковом диаметре скважины, а также не даны конкретные классификационные стандарты твердых пород по регионам или зависимости между компрессором и глубиной скважины. Поэтому различия в эффективности, рассмотренные в статье, носят характер анализа на уровне этапов и не заменяют оценку пород и проверку комплектации для конкретного проекта. Перед закупкой рекомендуется собрать целевую глубину, диаметр, описание пород, параметры компрессора и компоновку бурового инструмента и передать производителю для подтверждения правильности выбора комплектации.