Національний технічний університет
«Дніпровська політехніка»
Природничих наук та технологій
(факультет)
Кафедра нафтогазової інженерії та буріння
(повна назва)
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
кваліфікаційної роботи ступеню ____бакалавра_____
(бакалавра, магістра)
студента Шипілова Віктора Юрійовича_________________________________
(ПІБ)
академічної групи 184-17з-1 ГРФ______________________________________
(шифр)
спеціальності 184 Гірництво__________________________________________
(код і назва спеціальності)
спеціалізації _______________________________________________________
за освітньо-професійною програмою «Буріння розвідувальних та________
експлуатаційних свердловин»_________________________________________
(офіційна назва)
на тему Розробка технології спорудження розвідувальної свердловини для умов Переверзівського залізорудного родовища Запорізької області________
(назва за наказом ректора)
Керівники Прізвище, Оцінка за шкалою
Підпис ініціали рейтинговою інституційною
кваліфікаційної Ігнатов А.О.
роботи розділів:
Технологічний Ігнатов А.О.
Охорона праці та навколишнього се-
редовища Савельєв Д.В.
Рецензент Терешкова О.А.
Нормоконтролер Расцвєтаєв В.О.
Дніпро 2021
ЗАТВЕРДЖЕНО:
завідувач кафедри
нафтогазової інженерії та буріння
(повна назва)
________________ Коровяка Є.А.
(підпис) (прізвище, ініціали)
«_04_»___травня__2021 року ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу ступеня ______бакалавра_______
(бакалавра, магістра)
студенту Шипілову Віктору Юрійовичу___ академічної групи 184-17з-1 ГРФ_
(прізвище та ініціали) (шифр)
спеціальності 184 Гірництво_______________________
_________________
спеціалізації ________________________________________________________
за освітньо-професійною програмою «Буріння розвідувальних та___________
експлуатаційних свердловин»_________________________________________
на тему Розробка технології спорудження розвідувальної свердловини для умов Переверзівського залізорудного родовища Запорізької області__________
затверджену наказом ректора НТУ «Дніпровська політехніка» від 19.05.2021 р.
№ 273-с.
Розділ Зміст Термін
виконання Технологічний Коротка геолого-географічна та літологічна ха-
рактеристика ділянки проведення робіт; геолого- технічний аналіз особливостей спорудження роз- відувальних свердловин в умовах обмеженої геоло- гічної інформативності. Проектування техноло- гії буріння розвідувальної свердловини в умовах залізорудного родовища з потужним чохлом оса- дових і анізотропних магматичних порід, схиль- них до обвалів, поглинань і інтенсивного викрив- лення стовбура свердловини.
02.06.21 р.
Охорона праці та на- вколишнього середови- ща
Аналіз потенційних небезпек запроектованого об'єкта і можливостей негативного впливу його на навколишнє природне середовище.
04.06.21 р.
Завдання видано __________________ ______Ігнатов А.О._____
(підпис керівника) (прізвище, ініціали)
Дата видачі ___04.05.2021 р.__
Дата подання до екзаменаційної комісії __08.06.2021 р.______________
Прийнято до виконання ____________ ___Шипілов В.Ю._
(підпис студента) (прізвище, ініціали)
РЕФЕРАТ
Пояснювальна записка: 76 с., 14 рис., 15 табл., 2 додатки, 30 джерел.
РОДОВИЩЕ КОРИСНИХ КОПАЛИН, РОЗВІДУВАЛЬНА
СВЕРДЛОВИНА, КЕРН, ГІРСЬКА ПОРОДА, ДОЛОТО, АЛМАЗНА КОРОНКА, ПАРАМЕТР РЕЖИМУ, ЗАЛІЗИСТИЙ КВАРЦИТ.
Сфера застосування розробки – буріння свердловин на тверді залізорудні корисні копалини.
Об'єкт розроблення – технологія буріння свердловин для умов пошуку та розвідки залізистих кварцитів в товщах анізотропних магматичних порід (на прикладі Білозерського залізорудного району – перспективної ділянки Перевер- зівського залізорудного родовища, геологічної формації – Український криста- лічний щит).
Мета роботи – розробка прогресивної технології буріння свердловин для умов розвідки залізистих кварцитів (з урахуванням наявності обмеженої геоло- гічної інформативності) в товщах анізотропних магматичних порід, схильних до інтенсивного викривлення стовбура свердловини, що ґрунтуються на мето- дах відпрацювання спеціальних режимних параметрів руйнування забою.
Новизна одержаних результатів – обґрунтовано конкретні питання визна- чення складу колонкового набору та підбору прогресивного породоруйнівного інструмента з визначенням раціональних параметрів режиму буріння, що уне- можливлюють, або зводять до мінімуму вірогідність зенітного та азимутально- го викривлення стовбура свердловини.
Практичні результати – розроблено прогресивну технологію буріння све- рдловин для умов розвідки залізистих кварцитів в товщах анізотропних порід, схильних до інтенсивного викривлення стовбура свердловини, що може бути впроваджена на ділянках з однойменними геологічними умовами.
Практична значимість кваліфікаційної роботи – підвищення ефективності проведення пошуково-розвідувальних робіт для гірничо-геологічних умов Біло- зерського залізорудного району – перспективної ділянки Переверзівського залі- зорудного родовища, геологічної формації – Український кристалічний щит.
ЗМІСТ
ВСТУП... 5
Розділ 1 Геолого-технічні умови проведення бурових робіт....………... 7
1.1 Загальні відомості про район проектних робіт…... 7
1.2 Геологічна будова проектованої ділянки і родовища... 11
1.3 Гірничо-геологічні умови буріння свердловин.…………... 15
Розділ 2 Техніко-технологічна частина... 21
2.1 Вибір способу буріння та проектування конструкції свердло- вини...…... 21
2.2 Кріплення свердловин та пов’язані з ним розрахунки... 24
2.3 Вибір бурових установок та способу електропостачання... 29
2.4 Вибір бурильної колони...………. 31
2.5 Вибір технічних засобів для проведення і механізації спуско- во-підйомних операцій... 32
2.6 Монтаж бурового устаткування... 33
2.7 Технологія буріння... 35
2.7.1 Вибір типу промивальних рідин та способу приготування і очистки промивальної рідини... 35
2.7.2 Склад колонкового набору та породоруйнівний інструмент і визначення параметрів режиму буріння... 40
2.7.3 Вибір технічних засобів і технології буріння по корисній ко- палині... 47
2.7.4 Заходи щодо попередження викривлення свердловин і напра- влене буріння... 49
2.7.5 Контроль процесу буріння і його автоматизація... 51
2.7.6 Заходи щодо попередження і ліквідації аварій і ускладнень... 52
2.7.7 Ліквідація свердловин і ліквідаційне тампонування... 56
2.7.8 Перевірочні розрахунки бурового устаткування і інструменту 57 Розділ 3 Охорона праці... 61
Розділ 4 Охорона навколишнього середовища... 68
ВИСНОВКИ... 71
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ... 72
ДОДАТОК А Відомість матеріалів кваліфікаційної роботи... 75
ДОДАТОК Б Відзив на кваліфікаційну роботу... 76
ВСТУП
Відомо, що вже з давніх часів спостерігається використовування різних гірських порід та руд, перш за все для виготовлення знарядь праці. Корисні ко- палини становлять собою один з найважливіших засобів виробництва. Вчення про родовища корисних копалин тісно пов’язане з задоволенням практичних потреб і розвивалося саме на цьому підґрунті. Практика ж, у свою чергу, давала необхідний матеріал для подальшого розвитку вчення, можливість встановлен- ня закономірностей розповсюдження корисних копалин в земній корі, умов їх утворення та ін.
Стан та рівень використання мінеральної сировини багато в чому зумо- влює національну безпеку багатьох країн світу. Це стосується і України, яка має потужну і розвинену мінерально-сировинну базу, що ставить її в ряд провідних видобувних країн світу. Найважливішими корисними копалинами України є за- лізні і марганцеві руди, поклади урану, титану, циркону, різноманітні неметалі- чні корисні копалини.
Процес дослідження і освоєння родовища ставить перед геологічною розвідкою ряд задач, які і визначають характер окремих видів розвідувальних робіт. До них відносяться пошуки і розвідка корисної копалини. Пошукові ро- боти включають відшукання родовища, визначення його промислового значен- ня, з'ясування технічних і економічних умов майбутньої розвідки, вибір методу розвідки. Межею між пошуками і розвідкою прийнято вважати момент вияв- лення корисних копалин в конкретних геологічних умовах. Задачами розвідки є: визначення форми і меж промислової частини і встановлення елементів заля- гання корисних копалин, якісна і кількісна характеристика родовища, характе- ристика супутніх порід. Буріння широко використовується в народному госпо- дарстві для вирішення численних завдань; особливо широко воно застосовуєть- ся при геологопошукових, розвідувальних і експлуатаційних роботах, а також при проведенні інженерно-геологічних досліджень.
Умови залягання корисних копалини в надрах землі, їх якість і величина запасів, економічна доцільність експлуатації родовищ визначається за допомо-
гою гірничо-розвідувальних виробок і бурових свердловин. У зв'язку з більшою швидкістю проведення і меншою вартістю 1 м проходки, бурові свердловини мають більшу питому вагу.
Родовища вугілля, залізних і марганцевих руд, багато родовищ кольоро- вих металів, що мають нескладну форму залягання і поширення в земній корі, розвідуються в основному буровими роботами. Поліметалічні руди, а так само руди рідкісних, благородних металів розвідуються буровими свердловинами у поєднанні з гірничо-розвідувальними виробками. При будівництві різних спо- руд широко застосовується інженерно-геологічне буріння.
На способи проходки свердловин вирішальний вплив чинять мета бу- ріння, геологічна і фізико-механічна характеристики гірських порід і природні умови. Сукупність усіх цих чинників, зрештою, визначає швидкості проходки свердловин і їх вартість. Розвиток народного господарства спричиняє значне розширення геолого-пошукових і розвідувальних робіт, збільшення масштабів гідротехнічного, промислового і житлового будівництва, що вимагає різкого збільшення об'ємів бурових робіт і відповідно витрат на їх проведення.
При пошуках і розвідці корисних копалини буровими свердловинами одним з головних завдань є отримання керна - основного фактичного матеріалу для виявлення, вивчення і оцінки промислового потенціалу родовища. При цьому достовірність оцінки родовища тим вище, чим більше отримано керна і чим повніше він відбиває основні властивості і речовий склад пробурених порід і руд. Керн дозволяє найточніше скласти геологічний розріз, визначити умови залягання і запаси корисної копалини. Звідси видно, яку цінність для геологів і бурильників представляє керновий матеріал і геолого-технічні умови його від- бору. Максимально можливий вихід керна дозволяє з повною достовірністю вивчати гірські породи, пересічені буровою свердловиною, і визначати запаси корисної копалини.
Метою даної роботи є розробка прогресивної технології буріння розві- дувальної свердловини в умовах Переверзівського залізорудного родовища, в товщах порід, представлених осадовим чохлом та кристалічними формаціями.
Розділ 1. Геолого-технічні умови проведення бурових робіт
1.1 Загальні відомості про район проектних робіт
Район проектних робіт приурочений до південно-східної частини Серед- ньопридніпровського мегаблоку Українського кристалічного щита (УКЩ) і за металогенічним районуванням входить до Конксько-Білозерської металогеніч- ної зони в межах Середньопридніпровської провінції. УКЩ – брилове підняття кристалічного фундаменту Східноєвропейської платформи, що в межах Украї- ни простягається вздовж середньої течії Дніпра смугою довжиною понад 1000 км і шириною близько 250 км. Це найдавніша докембрійська споруда, яка сфо- рмувалася понад 3,7 млрд років тому. Обмежений Дніпровсько-Донецьким і Прип’ятським палеорифтами на заході та півночі, щит похило занурюється в південному напрямку, де перекривається платформенним чохлом палеозойсь- ких, мезозойських та кайнозойських відкладів (рис. 1.1) [1].
Рисунок 1.1. Схематична карта Конксько-Білозерської металогенічної зони
У будові щита із заходу на схід виділяється п’ять великих меридіанних блоків: Волино-Подільський, Білоцерківсько-Уманський, Кіровоградський, Придніпровський і Приазовський. Їх розділяють зони глибинних розломів – Оріхово-Павлоградська, Тальновська, Криворізька та інші, які були закладені в пізньому археї та активно розвивалися у протерозої. УКЩ на 85 - 90% утворе- ний метаморфічними гірськими породами (мігматитами, гнейсами, гранітог- нейсами, кристалічними сланцями тощо) та на 10 - 15% магматичними гірськи- ми породами (гранітоїдами, габро, діабазами й ін.) архейського і протерозойсь- кого віку [2].
У структурному відношенні ділянка робіт приурочена до Білозерського синклінорію, якому відповідає Білозерська зеленокам’яна структура. У геологі- чній будові формації беруть участь метаморфічні та інтрузивні породні ком- плекси палео- і мезоархею, що складають фундамент, та платформні утворення мезокайнозою. Палеоархей у регіоні репрезентований плагіогранітоїдами дніп- ропетровського комплексу із ксенолітами порід аульської серії, мезоархей – утвореннями конкської і білозерської серій та парагенетично зв’язаними з ними у віковому й просторовому плані гранітоїдами сурського комплексу. Породи фундаменту інтенсивно дислоковані процесами плікативної і диз’юнктивної те- ктоніки [3].
Платформні утворення представлені корою вивітрювання кристалічних порід, піщано-глинистими, вапняними й суглинистими породами, сформовани- ми в морських і континентальних умовах. Мезокайнозойські осадові породи повсюдно залягають на дислокованому фундаменті горизонтально із слабким нахилом на південь у бік занурення Причорноморської западини. Потужність їх зростає з півночі на південь, коливаючись від 180 м на півночі до 527 м на крайньому півдні Білозерської структури [4].
Білозерська серія залягає на горизонтах конкської серії з кутовим і стра- тиграфічним неузгодженням та має потужність 2,5 км. Породи серії слабо ме- таморфізовані (фація зелених сланців) і представлені осадовими теригенними пісковиково-глинистими і хемогенними залізисто-кременистими утвореннями.
Вони складають субмеридіональну, розширену на південь смугу (до 12 км) у центральній частині синклінорію. У складі білозерської серії знизу до гори ви- діляються три світи: михайлівська, запорізька, переверзівська [5].
Породи михайлівської світи утворюють нижню частину розрізу білозер- ської серії й представлені метаконгломератами, метагравелітами, метапіскови- ками, сланцями.
Відклади запорізької світи поділяють на три підсвіти (горизонти): нижню – метапісковиково-сланцеву, середню – залізорудну та верхню – кварцито- сланцеву. Середня потужність світи в межах родовища – 350 м.
Переверзівська світа (потужність до 4000 м) за літолого-фаціальним складом близька до михайлівській світи. Вона складена головним чином мета- пісковиками, сірими філлітоподібними, чорними вуглецевими сланцями, кис- лими метавулканітами. Присутні пачки конгломерато-брекчій, що перешаро- вуються з метапісковиками і сланцями [6].
В цілому родовища Білозерського залізорудного району прийняті до освоєння наприкінці 1956 року. У 1954 - 1960 рр. у його межах проведено по- шуки, попередню й детальну розвідку. Після введення 1969 року родовища в експлуатацію тривало його вивчення й поетапна геологічна дорозвідка різних горизонтів і флангів до 1993 року включно, епізодично такі роботи проводяться і в даний час [4].
Об’єкт проектних робіт розміщується на південь від м. Запоріжжя.
Найближчий великий населений пункт – м. Дніпрорудне, розкинулося на північ від нього (рис. 1.2) [7].
Клімат регіону – помірно-континентальний, характеризується чітко озна- ченою посушливістю, яка обумовлена пануванням на більшості території обла- сті сухих східних вітрів [8]. На рік у середньому припадає 225 сонячних днів, рівень опадів становить 448 мм. Середньорічні температури: літня + 220С, зи- мова - 4,50С.
Водний фонд у відношенні до ділянки робіт та в цілому до Запорізької області складають ріка Дніпро, розташовані на ній Каховське та Дніпровське
водосховища з об'ємами води в них відповідно 18,2 і 3,3 км3, 3 середніх, 62 ма- лих річки, на яких створено 28 водосховищ та 1205 ставків. Загальна довжина річок складає 2877,6 км, у т.ч. в межах області - 2648,7 км, із них середніх річок – 459 км, малих - 2189,7 км, крім того нараховується 3 151,5 км притоків та яруг. На території Запорізької області розташовані 4 лимани: Білозерський, Ут- люцький, Тубальський та Молочний, загальна площа водного дзеркала яких становить 655,5 км2. Експлуатаційні запаси підземних вод по 14 розвіданих ро- довищах складають 110,3 млн.м3/рік (302,309 тис. м3/добу).
Рисунок 1.2. Оглядова карта району проектування бурових робіт (Переверзівське залізоруд- не родовище Запорізької області)
Надзвичайно високий рівень господарського освоєння земель області обумовлений наявністю у земельному фонді угідь із родючими ґрунтами, висо- кою щільністю населення та значною концентрацією продуктивних сил [9].
Територія Запорізької області розташована в межах типового та сухого степу. Ґрунтовий покрив представлений чорноземом, темно-каштановими ґрун- тами, які характеризуються деякою солонуватістю, особливо в приморській ча- стині. Для цього району характерна значна строкатість ґрунтових умов. В зале-
жності від мікро- і мезорельєфу тут можна спостерігати велику кількість ґрун- тових різновидів: від слабосолонцюватих ґрунтів і солончакових солонців на підвищеннях до хлоридно-сульфатних солончаків у пониженнях.
Зміна зональних ґрунтів на території області відбувається з північного сходу на південний захід. У цьому напрямку збільшується вміст рухомого фос- фору, що пов’язано з більш тривалим теплим періодом і більшою сумою актив- них температур у південних районах і відповідно кращими умовами для прохо- дження мікробіологічних процесів мінералізації фосфатів. У загальних рисах в цьому напрямку змінюється ступінь забезпеченості ґрунтів обмінним калієм, у середині типів та підтипів ґрунтів залежить від механічного складу та інших особливостей. Основними чинниками антропогенного впливу на земельні ресу- рси області є сільське господарство, промисловість, енергетика, транспорт, гір- ничодобувна промисловість [10].
1.2 Геологічна будова проектованої ділянки і родовища
В геологічній історії Землі виявляється металогенічна спеціалізація голо- вних тектонічних епох та циклів. Так, родовища заліза розвинуті переважно в протерозої. Що стосується УКЩ, то тут також існує нерівномірність рудоутво- рення родовищ основних корисних копалин в різні епохи. Так, родовища заліза максимально розвинуті в палеопротерозої. Для палеопротерозою характерні та- кож родовища молібдену та графіту.
Промислові концентрації залізних руд утворювались в різноманітних ге- ологічних умовах (ендогенних, екзогенних, матаморфогенних) протягом усієї історії розвитку земної кори. Найважливішу роль в їх формуванні відігравали осадові і матаморфогенні процеси. Найбільші запаси залізних руд сконцентро- вані в цих типах родовищ. У видобутку залізних руд на матаморфогенні типи родовищ припадає 60%, екзогенні – 30%, ендогенні –10%.
Залізні руди нерівномірно поширені у головних структурах земної кори і металогенічних епохах. Головні запаси залізних руд зосереджені у межах доке-
мбрійських платформ, значно бідніші залізом палеозойські (каледонські й гер- цинські) складчасті структури, відносно багата кімерійсько-альпійська епоха.
Серед ендогенних родовищ виділяють: магматичні, в т.ч. карбонатитові, скарнові, гідротермальні, вулканогенно-осадові; серед екзогенних – осадові і залишкові (залізні шляпи і латерити). Окремий генетичний тип утворюють ма- таморфогенні родовища [1].
Рисунок 1.3. Схема геологічної будови Білозерської структури: Родовища заліза: 1) Північно- Білозерське; 2) Південно-Білозірське; 3) Переверзівське. Номери регіональних розломів: І –
Центральний; ІІ – Діагональний; ІІІ – Західний; ІV – Північно-Східний
Докембрійська залізорудна провінція в Україні охоплює Криворізький за- лізорудний басейн, Кременчуцький, Білозерський залізорудні райони та Приа- зовську залізорудну область.
За своїм промисловим значенням Білозерський залізорудний район це один з найкрупніших і найперспективніших залізорудних районів України піс- ля Криворізького [11]. На даний час розробляється лише Південно-Білозерське родовище, на базі якого працює Запорізький залізорудний комбінат, який щорі- чно видобуває біля 3 млн т багатих залізних руд, що не потребують збагачення.
Запаси багатих руд на глибині до 900 - 1500 м оцінюються в 460 млн т, а ресур- си – в 225 млн т.
Залізорудний горизонт Білозерського залізорудного району поділяють на такі підгоризонти: нижній – хлорит-магнетит-карбонатний; середній – магнети- тових кварцитів та покладів багатих залізних руд; верхній – хлорит-карбонат- магнетитових кварцитів, кварц-карбонат-хлоритових і слюдисто-хлоритових сланців. Залізисті кварцити окиснені, доволі часто переходять у багаті залізні руди. Водночас магнетит заміщується мартитом, залізисто-магнетитові карбо- нати – дисперсним гематитом, хлорит – глинистими мінералами і гематитом.
Неокиснені різновиди кварцитів збереглися здебільшого у лежачому та висячо- му боках продуктивного горизонту (рис. 1.3) [11].
Структура району робіт у тектонічному відношенні – складно побудова- ний Білозерський синклінорій субмеридіального простягання, ускладнений се- рією складок двох головних систем [12]. Найбільш представницькою є система лінійних поздовжніх антикліналей і синкліналей. Менш інтенсивно проявлена поперечна складчастість, що представлена пологими вигинами пластів. Поздо- вжня й поперечна системи складок також ускладнені розривними порушеннями субмеридіонального й субширотного простягання.
Антикліналь дуже складна в морфологічному плані. Це ізоклінальна аси- метрична складка, яка в ядерній частині представлена метапіщано-сланцевими породами та масивом ультрабазитів. Крила складки утворені залізистими квар- цитами та сланцево-піщанистими породами. Південно-Білозерська антикліналь ускладнена диз’юнктивними порушеннями північно-західного, північно- східного, субширотного і субмеридіонального напрямків.
Достатньо широко на родовищі розвинені тектонічні порушення. Крім плікативної тектоніки, на площі родовища проявилася також розривна тектоні- ка, яка виражається в порушеннях розломного типу і розвитку зон тектонічних брекчій. Більшість розривних порушень – пострудні. Вони зміщують рудні по- клади і зумовлюють явища зім’яття та брекчіювання. Найбільше ускладнюють структуру родовища і рудних покладів поперечні дислокації.
У межах родовища спостерігається будинаж пластів залізистих кварцитів, проявлений у вигляді періодичного зменшення й збільшення їхньої потужності.
Гірничо-експлуатаційними роботами встановлено широкий розвиток пологих тріщин окремості (з кутами падіння до 10 - 20° та азимутом простягання 250 - 275°), а також вертикальних (азимут простягання яких 350°). Цими тріщинами залізисті кварцити розбиті на невеликі блоки. Іноді вони контролюються квар- цовими жилами та рудними брекчіями.
Багаті залізні руди родовища за походженням і властивостями належать до саксаганського геологопромислового типу [13]; вони просторово й генетич- но пов’язані із залізистими кварцитами.
Утворення руд на родовищі відбулося завдяки гіпергенним змінам мета- морфічних порід і покладів метаморфогенних залізних руд унаслідок окиснення магнетиту і магнезіально-залізистих силікатів, а також збагачення вихідних руд через видалення з них СО2 і SiO2 без зменшення їхнього об’єму, що зумовило виникнення поруватих напівпухких залишкових гематитових руд з вмістом за- ліза 65 - 68%. Рудні поклади мають стовпо-, пласто-, гніздо- і лінзоподібну, а також пластову й лінзову форми.
Мінливість зруденіння в горизонтальному і вертикальному напрямках є неоднаковою [5]. За латераллю найбільша мінливість зруденіння є характер- ною, звісно, для напрямку, перпендикулярному простяганню родовища. Най- менша змінність параметрів рудних покладів і тіл спостерігається за падінням рудних покладів і тіл.
Для рудних покладів родовища характерними є: наявність скупчень руд- них покладів і рудних тіл, кулісоподібне залягання дрібних покладів, наявність залишків залізистих кварцитів у рудних тілах у вигляді лінз і прошарків, розви- ток відгалужень рудних тіл і залізистих кварцитів за падінням і простяганням, часте тупе виклинювання зруденіння на флангах з поділом основного рудного тіла на кілька відгалужень.
Головним рудоутворювальним мінералом є гематит, який становить 80 - 98% рудної маси [1]. Мінерал представлений трьома різновидами – дисперсним гематитом, мартитом і залізною слюдкою. Інколи в багатих гематитових рудах наявний магнетит у вигляді реліктів неправильної форми в мартитових зернах.
За мінеральним складом руди належать до гематитового типу. Руди представ- лені мартитовими (залізослюдково-мартитовими), дисперсногематит- мартитовими (дисперсногематит-залізослюдково-мартитовими), мартит- дисперсно-гематитовими і дисперсно-гематитовими різновидами. Текстура руд реліктово-шарувата, плоскопаралельна, інколи мікроскладчаста, масивна, зрід- ка сланцювата і брекчієвидна; структура суцільна, поперечно- і діагонально зросткова. Поширені пористі й цементаційні структури – результат гіпергенно- го вилуговування нерудних компонентів (переважно кварцу) і наступної цемен- тації пор гематитом, гетитом, залізистим карбонатом, кварцом або апатитом.
1.3 Гірничо-геологічні умови буріння свердловин
Розвідувальні роботи й геологічне вивчення під час розробки окремих ді- лянок Білозерського залізорудного району дали змогу істотно уточнити загаль- ні уявлення щодо геології та структури родовища, умов залягання, морфології і внутрішньої будови рудних покладів, якісних та технологічних показників ко- рисної копалини, гідрогеологічних і гірничотехнічних умов промислової розро- бки багатих залізних руд (рис. 1.4) [4].
Рисунок 1.4. Центральна група шахтних стволів ПрАТ «Запорізький залізорудний комбінат»
Загальні запаси руд Білозерського району (до глибини 1500 м) становлять близько 1,4 млрд. т. На частку багатих руд з вмістом заліза 60 - 64% припадає близько 600 млн. т. Решта запасів руд має переважно вміст заліза 46 - 48%. В перспективі у районі збільшиться використання значних запасів залізистих ква- рцитів з вмістом заліза 25 - 40%, які після збагачення перетворюються в конце- нтрат з вмістом заліза 65 - 70%. Видобуток руди в районі відкритим способом почався з 1969 р. Геологорозвідувальні роботи в басейні ще не завершені [15].
Природні умови родовища великою мірою ускладнені наявністю значної кількості водоносних горизонтів, що залягають як в осадовій товщі, так і у вер- хній частині руднокристалічного масиву [4]. Водоносні горизонти поділяють на два водоносні комплекси: верхній та нижній. До верхнього належать горизонти, що приурочені до четвертинних, понтичних, сарматських та харківських осадо- вих відкладів і залягають в інтервалі глибин від 5 до 130 м. Характерна особли- вість їх у тому, що вони надійно ізольовані від горизонтів другого комплексу потужною товщею (до 100 м) харківських та київських водонепроникних глин і глинистих мергелів, тому осушувальні роботи під час освоєння Білозерського родовища на їхньому режимі не позначаються. До другого комплексу належать водоносні горизонти приконтактної зони осадової товщі з руднокристалічним масивом у пісках бучацького регіоярусу, у відкладах крейдового віку та води в тріщинуватій зоні кристалічних порід. Ці горизонти, на відміну від водоносних горизонтів першого (верхнього) комплексу, беруть безпосередню участь в об- водненні шахтних виробок у процесі експлуатації родовища.
Водоносні горизонти другого комплексу, насамперед бучацький, є най- більш водозбагаченими та визначальними для гідрогеологічних умов спору- дження шахтного поля та розвідувальних свердловин. Перераховані водоносні горизонти гідравлічно пов’язані між собою. Це зумовлено тією обставиною, що в північній частині рудного покладу бучацькі водоносні піски, а в південній ча- стині крейдові піски залягають безпосередньо на кристалічних породах. Крім того, взаємозв’язок між цими горизонтами засвідчується близькими позначками п’єзометричних рівнів.
У межах поширення тріщинуватих рудовміщувальних порід виділяються дві обводнені зони: водоносний горизонт верхньої тріщинуватої зони і водоно- сний горизонт глибинної тріщинуватої зони. Верхній горизонт приурочений до зони тріщинуватості, що поширена здебільшого на глибину 40 - 50 м нижче по- крівлі кристалічного масиву, а на окремих ділянках до 100 м. Обводненість ма- сиву зумовлена екзогенною тріщинуватістю.
Рисунок 1.5. Схематичні геологічні розрізи Білозерської структури (Переверзівське залізору- дне родовище): 1 – залiзистi кварцити; 2 – руди: мартитовi, гематит-мартитовi, мартит- гематитовi, гематитовi, магнетитовi, сидерито-магнетитовi; сланцi: 3 – кварц-хлоритовi
і кварц-серицит-хлоритовi формації, 4 – кварц-карбонат-хлоритовi утворення, 5 – кварц- серицитовi утворення; 6 – серпентинiти; 7 – свердловини
Руди, вмісні породи та породи непродуктивних товщ Переверзівського родовища характеризуються широким діапазоном коефіцієнта міцності за Про- тод’яконовим (від 1 - 2 до 18 – категорія за буримістю від ІІ до Х). Найнижчими значеннями вирізняються поруваті і кавернозні гематит-мартитові руди та тальк-карбонатні породи, максимальними – кварцити. Переважають руди й по- роди міцні і дуже міцні, тому загалом умови родовища є сприятливими для роз-
робки корисної копалини підземним способом. Але на окремих ділянках, голо- вним чином у зонах підвищеної тріщинуватості, нестійкість стелини гірничих виробок потребує укріплення торкретбетоном, а іноді навіть металевими арка- ми, у відношенні до спорудження свердловин, це виражається в необхідності встановлення відповідних обсадних колон [15].
Складність гірничо-геологічних умов розробки Переверзівського залізо- рудного родовища пов’язана переважно зі значними водоприпливами до гірни- чих виробок та просторовим заляганням порід (рис. 1.5).
Таблиця 1.1 Проектний геологічний розріз розвідувальної свердловини Переверзівського залізорудного ро-
довища Короткий опис
порід Глибина підош-
ви пласту, м Категорія за бу-
римістю Група абразив-
ності Зони можливих усклад- нень
Суглинок 8 III 1 Обвали
Конгломерат 190 VI 3 Повне поглинання про-
мивальної рідини Сланці креме-
нисті 290 IX 4
Роговик 480 X 5
Сланці криста-
лічні 620 IX 4
Скарн 760 XI 6
Роговик 920 X 5
Габро 940 V 2 Зона тектонічних пору-
шень Сланці криста-
лічні 1020 IX 4
Руди мартитові 1080 VII 3
Магнетит 1120 XI 5
У відповідності до умов проекту, розвідку рудного поля передбачається вести шляхом буріння 6 свердловин. Оптимальна глибина свердловин визнача- ється необхідною глибиною перетину очікуваних рудоносних зон. З досвіду робіт відомо наступне: природне нарощування зенітного кута складає 2 - 40 на 100 м поглиблення, що обов’язково повинно бути враховано при проектуванні складу бурового снаряду та режимно-технологічних параметрів спорудження свердловин [16]. Проектний геологічний розріз розвідувальної свердловини, складений за результатами буріння на сусідній ділянці, наведено в табл. 1.1.
Характеристика геологічного розрізу і умови буріння приведені в табл.
1.2. Розріз здебільшого основному складний міцними породами магматичного походження, середня категорія за буримістю – IX - X.
Таблиця 1.4 Якісна характеристика геологічного розрізу проектованої свердловини Категорією за бури-
містю Найменування по-
рід Загальна потуж-
ність, м Частка у % в загальному об'ємі
III Суглинок 8 0,72
V Габро 20 1,74
VI Конгломерат 182 16,3
VII Руди мартитові 60 5,2
IX Сланці кременисті 100 9
IX Сланці кристалічні 220 19,6
X Роговик 350 31,2
XI Скарн 140 12,6
XI Магнетит 40 3,64
Всього - 1120 100%
Переверзівське залізорудне родовище характеризується складними гідро- геологічними, інженерно-геологічними й гірничотехнічними умовами, що пов’язано з вкрай складною неоднорідністю фізико-механічних властивостей залізорудної товщі і вміщувальних порід, а також наявністю потужного водона- сиченого осадового чохла перекривальних мезо-кайнозойських відкладів [1].
Потужність осадових порід збільшується з півночі на південь і в межах родо- вища становить 250 - 300 м. Коротка характеристика гірських порід за механіч- ними властивостями приведена в табл. 1.2.
Таблиця 1.2 Характеристика гірських порід геологічного розрізу за механічними властивостями Найменування по-
рід
Категорія порід за буримістю
Коефіцієнт абразивності
Твердість за штампом, МПа
Приблизна швид- кість механічного
буріння, м/год
Суглинок III 0,5 400 5,8
Габро V 1,0 - 1,5 1200 2,2
Конгломерат VI 1,5 1600 1,5
Руди мартитові VII 2,0 2300 1,2
Сланці кременисті IX 2,0 4400 0,86
Сланці кристалічні IX 2,0 4600 0,82
Роговик X 2,5 5600 0,48
Скарн, магнетит XI 2,5 6200 0,36
Попередні бурові роботи на сусідньому Білозірському родовищі передба- чали наступні конструкції свердловин. Породи осадового чохла перебурювали- ся твердосплавною коронкою діаметром 151 мм в інтервалі 0,0 - 20,0 м. Цей ін- тервал закріплювався трубами діаметром 127 мм. До глибини 130 м, перед ко- рою вивітрювання, буріння велося твердосплавною коронкою діаметром 76 мм, а в інтервалі 130 - 140 м – алмазною коронкою. Після цього проводили розши- рення стовбура до діаметру 112 мм з закріпленням свердловини в інтервалі 0,0 - 140,0 м трубами діаметром 89 мм; закріплення стовбура завершувалося цемен- тацією затрубного простору з залишком 5-метрової цементної пробки. Подаль- ше буріння виконувалося алмазною коронкою діаметром 76 мм. Вихід керну по кристалічних породах не перевищував 80%.
В цілому процес спорудження свердловини включав підготовчий, основ- ний і завершальний етапи.
Підготовчий: винесення точки закладення свердловини на місцевість, планування майданчики під бурову, влаштування циркуляційної системи для промивальної рідини, монтаж бурової будівлі і устаткування, підготовка під'їз- них шляхів та ліній електропередачі. перевірка готовності бурової.
Основний етап включав власне буріння, супроводжуючі його операції і інші необхідні види робіт. Буріння здійснювалося шляхом чергування рейсів.
Рейс складався з власне буріння і супутніх йому операцій: підготовки до рейсу (зборка колонкового снаряда, виконання необхідних вимірів), спуск бурового снаряда, доходження до забою, власне буріння із зупинками на нарощування і перекріплювання керна, підйом бурового снаряда і витягання керна.
При бурінні виконувалися додаткові роботи, пов'язані з обслуговуванням свердловини, бурового устаткування і інструменту (кріплення обсадними тру- бами, боротьба з геологічними ускладненнями, проведення свердловинних дос- ліджень, заміна елементів бурового снаряда).
Завершальний етап: проведення завершальних досліджень у свердловині і вимірів (глибини свердловини, параметрів викривлення), витягання обсадних труб, ліквідаційне тампонування, демонтажні роботи, рекультивацію площі.
Розділ 2. Техніко-технологічна частина
2.1 Вибір способу буріння та проектування конструкції свердловини
Визначальною рисою розвідувального (колонкового) буріння є спрямова- ність останнього, головним чином, на забезпечення збереження керна, витягу- ваного з великої глибини, а основним його призначенням є пошук і розвідка корисних копалин і здійснення інженерно-геологічних досліджень, що дають можливість отримувати із земних надр зразки гірських порід у вигляді кернів.
Таким чином колонкове буріння це такий спосіб, при якому руйнування породи здійснюється не за усією площею забою, а по кільцю із збереженням внутрішньої частини породи у вигляді керна (рис. 2.1). Особливості колонково- обертального буріння: витягання зі свердловини кернів, по яких складають гео- логічний розріз і випробують корисну копалину; буріння свердловин під різни- ми кутами до горизонту, різними породоруйнівними інструментами в породах будь-якої твердості і абразивності; буріння свердловин малих діаметрів на ве- ликі глибини із застосуванням відносно легкого устаткування.
Рисунок 2.1. Зразки гірських порід у вигляді кернів
Згідно із геолого-технічними умовами, розроблюваним проектом перед- бачається буріння свердловини з відбором керна, починаючи з глибини 190 ме- трів. Відповідно до завдання і геологічних умов, буде застосовано колонковий метод – обертальне буріння алмазними коронками [17].
Вибір і обґрунтування конструкції свердловини є найважливішим почат- ковим моментом при проектуванні і грає вирішальну роль в успішному прове- денні свердловини до проектної глибини з високими техніко-економічними по- казниками та забезпеченні оптимальних умов буріння і випробування. Під конструкцією свердловини розуміють характеристику бурової колонкової свер- дловини, що визначає зміну її діаметру з глибиною, а також діаметри і довжини обсадних колон. Початковими даними для побудови конструкції свердловини колонкового буріння є фізико-механічні властивостей гірських порід, наявність пористих і нестійких інтервалів, і, головне, кінцевий діаметр буріння. Констру- кція свердловини впливає на усі види робіт, що становлять процес буріння, і визначає їх вартість та можливість якісного виконання геологічного завдання.
Кінцевий діаметр свердловини визначається мінімально допустимим діа- метром керна конкретної корисної копалини (табл. 2.1) [18].
Таблиця 2.1 Вимоги до кінцевих діаметрів розвідувальних свердловин на тверді корисні копалини Найменування корисної копа-
лини
Кінцевий основний діа- метр свердловини, мм
Кінцевий резервний діаметр свердловини, мм
родовища кам’яного вугілля 76 59
залізорудні родовища 59 46
родовища поліметалів 46 - 59 36 - 46
вкраплені руди, боксити 93 76
мінеральні солі 112 93
Дані табл. 2.2 дають загальне уявлення про механічні властивості порід рудного комплексу, серед яких можна виділити поруваті і кавернозні гематито- ві руди, мартитові руди, тальк-карбонатні породи та кварцити.
Таблиця 2.2 Основні показники міцності залізних руд Білозерського залізорудного району
Тип руди за міцністю Тимчасовий опір стисканню, МПа Співвідношення, %
Украй низької міцності менше 10 4
Низької міцності 10 - 30 3
Середньої міцності 30 - 80 10
Міцні 80 - 150 60
Дуже міцні понад 150 23
