Полная версия

Главная arrow Строительство arrow Бурение скважин

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ И ПАРАМЕТРЫ СКВАЖИН, СПОСОБЫ ИХ БУРЕНИЯ

Поисково-разведочные скважины предназначены для обнаружения месторождений полезных ископаемых и их последующего всестороннего изучения с целью определения количества, физико-химических характеристик, условий залегания полезного ископаемого и оценки технико-экономических перспектив разработки месторождения.

Инженерно-геологические скважины бурят для отбора проб грунта и пород с целью оценки их механических свойств и определения прочностных параметров проектируемых зданий и сооружений.

Эксплуатационные скважины используются для извлечения жидких и газообразных полезных ископаемых, в том числе растворяемых водой (растворение солей) или кислотами (выщелачивание ураносодержащих руд) и превращенных в раствор твердых полезных ископаемых, на поверхность.

Технические скважины выполняют разнообразные функции при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых (вентиляция, доставка грузов в подземные выработки), при строительстве зданий и сооружений, укрепления грунтов и береговых линий, прокладки коммуникаций и трубопроводов.

Скважины для проведения научных исследований и параметрические скважины необходимы для получения информации и материала в виде керна о характеристиках и параметрах строения земной коры и донных отложений водоемов с целью выполнения научного анализа и формулировки выводов о перспективах площадей на предмет поиска и разведки полезных ископаемых.

По своим техническим характеристикам скважины подразделяются по углу забуривания (заложения), по характеру искривления, по количеству стволов и последовательности их бурения.

По углу заложения скважины можно разделить:

  • - на вертикальные (направленные вниз или вверх - угол наклона скважины Ф относительно горизонта равен 90°);
  • - на наклонные относительно горизонта (направленные вниз или вверх, угол наклона ф относительно горизонта меньше 90°);
  • - на горизонтальные.

Основные варианты заложения скважин с поверхности или из горных выработок показаны на рис. 1.1.

По характеру кривизны скважины разделяются:

- на относительно прямолинейные;

Возможные варианты забуривания (заложения) скважин с поверхности земли и из подземных горных выработок

Рис. 1.1. Возможные варианты забуривания (заложения) скважин с поверхности земли и из подземных горных выработок

  • - на плоско искривленные;
  • - на пространственно искривленные. Прямолинейная наклонная и плоско

искривленная скважины в плане (проекция на горизонтальную плоскость) имеют вид прямых линий, вытянутых в направлении заданного при заложении скважины азимута, а пространственно искривленные при проецировании их оси на горизонтальную плоскость имеют вид криволинейной линии, отклоняющейся вправо (при увеличении азимутального угла скважины) и влево (при его уменьшении).

Многозабойные скважины - бурение двух или более скважин одной буровой установкой последовательным спуском снаряда и углублением того или иного ствола. Каждый ствол скважины имеет устье и забой.

Куст скважин - две и более скважины, пробуренные последовательно с одной буровой площадки, как правило, с существенным смещением забоя по горизонтали от точки забуривания.

Многоствольная скважина - имеет основной ствол и два или более дополнительных, являющиеся продолжением основного. Многоствольная скважина имеет одно устье, а количество забоев равняется числу дополнительных стволов.

Положение устья скважины, т. е. точка её заложения, всегда может определяться координатами лг0, у0, г0, полученные путем топографической или маркшейдерской съемки. При известных значениях координат устья скважины положение оси (её координаты) прямолинейной скважины определяется

Nогсі

Графическое изображение скважины в декартовой системе координат

Рис. 1.2. Графическое изображение скважины в декартовой системе координат: 1 - инклинограмма (план скважины); 2 - ось скважины ( пространственная траектория); 3 - профиль скважины на плоскости УО4 - профиль скважины на плоскости ХОІ

начальными зенитным - 0 и азимутальным углами - а .

Зенитный угол 0 (зенит - фр. zenith - точка небесной сферы) - угол между вертикалью и осью скважины в заданной точке. При искривлении скважины возможно увеличение (выполаживание) или уменьшение (выкручивание) зенитного угла.

Азимутальный угол а (азимут - араб, as-simut - путь) - угол, определяющий направление ствола наклонной скважины относительно сторон света и замеряемый по часовой стрелке между направлением на север и осью скважины в заданной точке. При искривлении скважины азимутальный угол может уменьшаться (искривление влево) или увеличиваться (искривление вправо).

В геологической документации скважины изображаются в виде проекции её оси на вертикальные (изображение на геологическом разрезе -профиль скважины) и горизонтальную (на геологической карте инклинограмма или план скважины) плоскости (рис. 1.2).

При разведке месторождений скважины обычно забуриваются в направлении разведочных линий или по профилям, а поэтому азимут

заложения скважин в основном совпадает с азимутами разведочных профилей.

Положение траекторий скважин определяют по данным инклинометрических замеров, проводимых в стволе через интервалы

определенной длины (обычно 5, 10, 20, 40 или 50 м). В каждой точке на

определенной глубине измеряют зенитный - 0 и азимутальный углы - а.

Практика буровых работ показала, что все скважины в процессе бурения

Схема определения зенитного искривления и кривизны скважины

Рис. 1.3. Схема определения зенитного искривления и кривизны скважины.

искривляются в той или иной мере. Если искривление скважины происходит само

произвольно, то такое искривление называется

естественным, если осуществляется преднамеренно, с целью решения какой-либо технической задачи, - то

искусственным.

Если скважина при изменении азимута сохраняет свой зенитный угол, то её трасса получает вид спирали, а при постоянной интенсивности азимутального искривления -винтовой линии.

Изменение угла искривления (зенитного или азимутального) на определенном интервале / называется

Согласно схеме на рис. 1.3 интенсивность искривления на участке АВ составит следующее значение:

(1.3)

і =

приращением искривления на интервале / (Да или Д0).

Отношение приращения зенитного или азимутального искривления на интервале к длине этого интервала называется интенсивностью искривления по зенитному или азимутальному углам:

• ^

/ ’

Да8Іп0

  • (1.1)
  • =

I

(1.2)

Д0 0, - 0,

М М

Общий угол искривления скважины, определяемый в соответствии со схемой на рис. 1.3, будет равен сумме углов 0О +01 +02.

Интенсивность искривления (кривизна скважины) - /

однонаправленное изменение пространственного угла искривления скважины на определенном интервале ствола. В направленном бурении для определения интенсивности искривления используется кривизна дуги окружности, например, радиуса Я (рис. 1.3). Кривизна дуги окружности и радиус кривизны дуги окружности - взаимообразные величины:

К = ~. (1.4)

Я

Радиус кривизны скважины - величина обратная кривизне или интенсивности искривления скважины и определяемая как радиус дуги окружности, кривизна которой тождественна кривизне участка ствола скважины.

При расчете интенсивности искривления возможны следующие варианты:

  • - изменяется только зенитный угол;
  • - изменяется только азимутальный угол;
  • - изменяются одновременно и зенитный, и азимутальный углы.

В первом случае интенсивность искривления можно определить по формуле (1.1), во втором по формуле (1.2). В третьем случае для расчета интенсивности искривления первоначально определяют приращение пространственного угла искривления на интервале ствола скважины, используя формулу А.Лубинского:

Ду = 2агс8Іп

Л і-0/

8ІП2 ——-— +

і

а. , - а,-

  • 2 ——--БІТІ© 8Ш0 ,
  • 2
  • (1.5)

где 0/, 0/+/, а„ а,+1 - значения зенитных и азимутальных углов в начале и конце рассматриваемого интервала скважины, град;

0Н, 0К - зенитные углы соответственно в начале и в конце рассматриваемого интервала скважины, град.

Найдя приращение полного угла искривления, можно определить среднюю интенсивность искривления на интервале

Ду

т

а затем величину среднего радиуса кривизны, используя аналитическую связь кривизны и радиуса кривизны скважины:

  • 57,3
  • *ср _
  • (1.6)

я =

  • 1ср
  • (1.7)

Основные способы бурения скважин

Разведочное бурение осуществляется буровыми коронками с отбором керновой пробы (керна) - колонковое бурение или буровыми долотами без отбора керновой пробы (бескерновое бурение) следующими основными способами:

  • - вращательным,
  • - ударно-вращательным,
  • - вращательно-ударным,
  • - ударно-канатным,
  • - ударно-забивным.

Вращательное бурение производится под воздействием осевого усилия на инструмент - коронку или долото, что обеспечивает внедрение резцов бурового инструмента в породу, и крутящего момента, под действием которого, преодолевая сопротивление породы, осуществляется резание или скалывание породы и отделение, таким образом, разрушенной породы от массива.

Вращательное бурение в зависимости от горно-геологических условий может осуществляться с промывкой буровым раствором, продувкой воздухом или с применением газо-жидкостной смеси (ГЖС) или пены. Названные вещества имеют общее название «очистные агенты», поскольку их главной функцией является очистка забоя от разрушенной породы и удаление - подъем продуктов разрушения (шлам) на поверхность. Другая важнейшая функция очистных агентов - охлаждение бурового инструмента, который в процессе вращательного бурения нагревается до очень высокой температуры.

В ряде случаев вращательное бурение твердосплавным инструментом осуществляют всухую, т. е. без использования очистного агента в виде бурового раствора, воздуха или ГЖС.

Промывочные буровые растворы могут быть в виде технической воды, воды с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ), в виде полимерного или глинистого раствора.

При бурении по мерзлым породам чаще всего применяют продувку скважин охлаждаемым перед подачей в скважину воздухом.

Вращательный способ бурения реализуется при трех основных схемах циркуляции очистного агента:

Схемы бурения скважин с прямой {а, 6) и обратной циркуляцией

Рис. 1.4. Схемы бурения скважин с прямой {а, 6) и обратной циркуляцией

очистного агента (в, г):

  • 1 - коронка; 2 - керн; 3 - колонковая труба; 4 - переходник; 5 - прямой поток очистного агента; 6 - обратный поток очистного агента; 7 - бурильные грубы
  • - прямой (подача очистного агента через бурильную колонну к забою и выход агента со шламом из скважины по затрубному пространству через промывочные каналы коронки или долота) - рис. 1.4, а, б, где показаны варианты бурения одинарным колонковым снарядом (п) и двойным колонковым снарядом (б);
  • - обратной (агент подается в скважину по затрубному пространству или в зазоре двойной колонны бурильных труб, а выходит из скважины по внутреннему каналу бурильной колонны) - рис. 1.4,
  • - комбинированной (в призабойной части ствола может быть обратная, за счет работы насоса или эффекта эжекции специальными эжекторами, а по стволу скважины прямая).

Наиболее распространены в настоящее время две первые схемы подачи очистного агента, и прямая подача считается основной. При бурении одинарным колонковым снарядом (рис. 1.4, а) поток очистного агента может размывать поступающий в колонковую трубу керн. Для защиты керна могут

а

о

Рис. 1.5. Схема бурения скважины снарядом со съемным керноприемником:

  • 1 - коронка; 2 - керн;
  • 3 - внутренняя съемная керноприемная труба;
  • 4 - бурильная груба;
  • 5 - прямой поток очистного агента; 6 - обратный поток очистного агента; 7 - овершот (устройство для захватывания керноириемной грубы; 8 - трос для спуска и подъема овершота и керноприемной грубы

применяться двойные колонковые снаряды (рис. 1.4, б), в которых внутренняя труба защищает керн о размывания очистным агентом.

Обратную подачу агента используют при бурении с гидротранспортом керна (рис. 1.4, г), когда обратный поток очистного агента транспортирует на поверхность керн образующийся в виде столбиков ограниченной длины.

Вращательно-ударное бурение целесообразно использовать в твердых горных породах и при этом способе бурения применяют техническую воду или воду с добавками ПАВ.

и

м

и

Ударно-вращательное бурение могут осуществлять как с промывкой (бурение гидроударными забойными машинами - гидроударниками), продувкой воздухом или используя разнообразные газожидкостные системы - ГЖС (бурение пневмоударными забойными машинами - пневмоударниками).

Рис. 1.6. Колонковый набор с керноприемником

Ударно-канатное бурение осуществляют без циркуляции очистного агента путем дробления горной породы с последующим её вычерпыванием специальной

желонкой, а ударно-забивной способ бурения применяют или всухую, или с продувкой, если для нанесения ударов используют пневмоударник.

При выборе способа бурения часто применяют комбинированное бурение, например, забуривают скважину вращательным способом твердосплавной коронкой всухую,

затем переходят на бурение шарошечными долотами или пневмоударником, а заканчивают скважину бурением алмазными коронками в режиме вращательного или вращательно-ударного бурения.

Правильно сделанный выбор способа бурения определяет в конечном счете успех проводки скважины и производительность буровых работ.

Твердосплавное бурение рекомендуется в породах от I до VII—VIII

категорий буримости с различной степенью абразивности и трещиноватости.

В последнее время для бурения мягких горных пород и пород средней твердости применяют буровые коронки с резцами из поликристаллических алмазов (алмазно-твердосплавные пластины АТП или резцы PDC).

Алмазное бурение рекомендуется в породах V-XII категорий по буримости с различной степенью абразивности и трещиноватости. В алмазном бурении различают способ бурения обычным снарядом и снарядом с съемным керноприемником - ССК. Глубина бурения скважин ССК составляет до 1000 м снарядами ССК-46, до 1200 м ССК-59 и ССК-76 и до 2000 м снарядами КССК-76 (усиленный буровой снаряд).

Основные размеры этих снарядов: диаметры коронки наружный и внутренний - 46/24, колонны 43/33,4; 59/35,4, колонны 55/45,4; 76/48, 70/60,4; 76/40, колонны 70/61.

При алмазном бурении без съемных керноприемников применяют коронки следующих размеров (наружный/ внутренний) - 46/31; 59/42; 76/59; 93/73; 112/92.

В настоящее время в практике буровых работ широко используют зарубежное оборудование, в частности снаряды со съемным керноприемником - ССК. Схема бурения скважин снарядом со съемным керноприемником приведена на рис. 1.5, а на рис. 1.6 представлен снаряд ССК (показан в разрезе).

Принцип бурения ССК заключается в том, что керн поднимают на поверхность в съемной керноприемной трубе через внутреннюю полость бурильной колонны овершотом, спускаемым в скважину на тросе с помощью специальной лебедки. Таким образом, для извлечения керна поднимать на поверхность бурильную колонну нет необходимости, а подъем бурильной колонны может производиться только для замены изношенной буровой коронки. Впрочем, известны конструкции ССК, в которых производится и замена изношенной коронки через внутреннюю полость бурильной колонны.

Чаще всего применяют ССК четырех типоразмеров AQ (диаметры коронки наружный и внутренний - 47,6/27,0; колонны 44,5/34,9; вес 1 метра колонны - 3,8 кг; диаметр расширителя 48), BQ (59,6/36,4; колонны 55,6/49,5; вес - 6 кг; диаметр расширителя 59,9), NQ (75,3/47,6; колонны 70/60,3; вес 7,8 кг; диаметр расширителя 75,7), HQ (96,1/61,1; колонны 88,9/77,8; вес - 11,5 кг; диаметр расширителя 96,1), PQ (122/85; колонны 114/ 101,6; вес 17,4 кг; диаметр расширителя 122,6).

Зарубежные компании, такие как Atlas Copco (Швеция), Boart Longyear, TUFF, VersaDrill (Канада), производят также специальные ССК, в которых используются коронки с утонченными матрицами, что повлекло за собой изготовление и колонковых наборов с иными размерами в сравнении со стандартными колонковыми наборами типоразмера АС), ВС), N9. В настоящее время выпускается подобный ССК и типоразмера НС).

Как показал опыт применения ССК с утонченными матрицами, при высоких частотах вращения колонны (1100-1400 мин'1) обеспечивается повышение механической скорости бурения и снижение интенсивности искривления скважин за счет более низкой осевой нагрузки, что положительно сказывается на устойчивости колонкового набора.

Комплекты ССК с утонченной матрицей коронки рекомендуется использовать в горно-геологических условиях, вызывающих интенсивное искривление скважин, для бурения наиболее твердых горных пород. Ограничения по применению тонкоматричных коронок можно сделать в случае бурения трещиноватых твердых горных пород.

Зарубежные компании производят ССК для бурения не только вертикальных и наклонных скважин, в которых доставка керноприемника к забою происходит под действием силы тяжести, а подъем из скважины -лебедкой, но и для горизонтальных и восстающих скважин. В этих двух последних случаях доставка к забою и транспортирование керноприемника к устью скважины осуществляется за счет гидравлического давления в скважине. В этом случае керноприемник играет роль снаряда, который досылается к забою и возвращается обратно при помощи потока промывочной жидкости.

Вращательно-ударное бурение алмазными коронками и шарошечными долотами рекомендуется применять в твердых и крепких горных породах.

Практика гидроударно-алмазного бурения подтверждает чрезвычайно редкие случаи заполирования алмазов (физико-химическое притупление алмазных резцов), что позволяет рекомендовать вращательно-ударное бурение алмазным инструментом горных пород, склонных вызывать заполирование алмазов.

Наложение высокочастотной вибрации на колонковый набор и бурильную колонну способствует снижению заклинивания керна в колонковой трубе.

Немаловажным обстоятельством, определяющим повышение эффективности бурения при наложении высокочастотной вибрации на буровую компоновку, является снижение коэффициента трения между колонной и стенкой скважины, что приводит к значительному улучшению условий работы деформированной бурильной колонны.

При алмазном вращательно-ударном бурении на забой необходимо подавать пониженное количество промывочной жидкости, соответствующее требованиям бурения алмазным инструментом. В то же время для работы гидроударника требуется значительное количество промывочной жидкости, существенно превышающее нужное количество по условию эффективного разрушения породы алмазным инструментом.

Бурение скважин с непрерывным выносом керна (см. рис. 1.4, г) потоком промывочной жидкости (с гидротранспортом керна) осуществляется комплексами технических средств КГК-100 (стальная колонна бурильных труб) и КГК-300 (колонна из сплава Д16Т) и рекомендуется для бурения скважин 100 и 300 м соответственно в породах П-1У категорий по буримости с пропластками пород до У1-УП категорий. Применение данного способа бурения считается перспективным при проходке

Принцип ударно-вращательного бурения С обратной циркуляцией сжатого воздуха и отбора пробы в виде шлама (технология ЯС)

Рис. 1.7. Принцип ударно-вращательного бурения С обратной циркуляцией сжатого воздуха и отбора пробы в виде шлама (технология ЯС): 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

горизонтально ориентированных скважин.

Ударно-вращагельное бурение пневмоударниками рекомендуется при проходке скважин глубиной до 100-250 м с целью разведки коренных и россыпных месторождений благородных металлов и алмазов, месторождений полиметаллов, источников водоснабжения, в районах распространения многолетнемерзлых горных пород, а также при поглощении промывочной жидкости и при пересечении

скважинами горных выработок.

Ударно-вращательное бурение погружными пневмоударниками в настоящее время все более часто применяется для разведочных работ с отбором шламовых проб в сочетании с алмазным бурением и отбором керна (в соответствии с терминологией зарубежных компаний - технология RC). Схема, поясняющая принцип бурения по технологии RC, приведена на рис. 1.7.

Обоснованное сочетание этих способов бурения позволяет существенно снизить затраты на разведочные работы без ущерба достоверности данных о месторождении и его рудах.

Для осуществления пневмоударного бурения разработаны комплекты техники пневмоударного бурения: РП - для разведки коренных месторождений и КПР - для разведки россыпей и бурения многолстнемсрзлых пород.

Компания Atlas Copco выпускает очень эффективные бесклапанные пневмоударники высокого давления типа СОР 32, СОР 42, СОР 52, СОР 62 для бурения скважин диаметром 85-165 мм.

Компания Sandvik предлагает пневмоударники Mission и Silverdrill для бурения скважин диаметром от 90 до 508 мм.

> Контрольные вопросы и задания кгл. 1

  • 1. Дайте определение понятиям скважина и бурение.
  • 2. Каковы исторические аспекты развития буровых технологий.
  • 3. Назовите наиболее выдающиеся результаты (достигнутые глубины, протяженность и др.) буровых технологий.
  • 4. Назовите основные виды скважин, подразделяющиеся по назначению, углу заложения, характеру кривизны и др.
  • 5. Назовите основные параметры, определяющие пространственную ориентацию скважин и положение забоя, кривизну ствола.
  • 6. Назовите основные способы бурения скважин.
  • 7. Дайте общую характеристику вращательному способу бурения скважин. Назначение, область применения, разновидности способа бурения.
  • 8. Дайте общую характеристику ударно-вращательному способу бурения

скважин. Назначение, область применения, разновидности способа

бурения.

9. Дайте общую характеристику вращательно-ударному способу бурения

скважин. Назначение, область применения, разновидности способа

бурения.

  • 10. Дайте общую характеристику ударно-канатному способу бурения скважин. Назначение, область применения, разновидности способа бурения.
  • 11. Дайте общую характеристику ударно-забивному способу бурения скважин. Назначение, область применения, разновидности способа бурения.
  • 12. Назовите применяемые в бурении варианты схем циркуляции очистных агентов.
  • 13. В чём особенность бурения скважин снарядом со съемным керноприемником?
  • 14. В чём особенность бурения скважин с непрерывным выносом керна?
  • 15. В чём существо колонкового бурения, его основное назначение?
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>