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;

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

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

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)
• 1а ⁼

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 0_О +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;

0_Н, 0_К - 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:

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

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?