Технология бурения скважин, буровые долота
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Технология бурения скважин
1.1 Монтаж оборудования
для сооружения скважин
1.2 Проходка ствола
скважины
1.3 Тампонирование
скважин
1.4 Цементирование
скважин
1.5 Ликвидационный тампонаж скважин 15
2 Буровые долота
2.1 Лопастное долото
2.2 Шарошечное долото
2.3 Алмазное долото
2.4 Выбор долота
Заключение
Приложения
Литература
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время
бурение скважин, многоцелевое
производство и современная
Для геологического обоснования места заложения скважины привлекают все имеющиеся у геологов материалы по интересующей площади: результаты поверхностных геологических и геофизических исследованиях данной площади, геологические карты и профили аналогичных площадей, результаты картировочного бурения и сведения о так называемых опорных скважинах, данные о грунтовых и артезианских водах, сведения о поверхностных нефтегазопроявлениях, общие сведения о строении осадочного чехла Земли и др.
Геологи проводят
целый ряд буровых работ
- геологоразведочных скважин глубиной до 800 м при диаметрах бурения с отбором керна 132, 112, 93 и 76 мм;
- скважин глубиной до 300 м на рассолы, минеральные воды с проведением цементации отсадных колонн;
- эксплуатационных скважин
для водоснабжения под
- инженерно-геологических
скважин шнековым и колонковым
способом под любые виды
- скважин под опоры, столбы, фундаменты, ограждения глубиной 1-10 м и диаметром 300-600 мм и др.
Расширение области
применения буровых работ и
повышение их значимости
1 ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН
Бурение, процесс сооружения горной выработки цилиндрической формы – скважины, шпура или шахтного ствола – путём разрушения горных пород на забое. Осуществляется, как правило, в земной коре, реже в искусственных материалах (бетоне, асфальте и др.). В ряде случаев процесс включает в себя крепление стенок скважин (как правило, глубоких) обсадными трубами с закачкой цементного раствора в кольцевой зазор между трубами и стенками скважин.
Область применения
бурения многогранна: поиски и
разведка полезных ископаемых; изучение
свойств горных пород; добыча
жидких, газообразных и твёрдых
(при выщелачивании и
Буровая скважина проходит сквозь толщу горных пород, для того чтобы добраться до желаемого объекта – залежи рудного тела, нефти, газа, водоносного горизонта и т.д. Таким образом, скважина это искусственная выемка в горном массиве пород. В то же время, имеются близкие по назначению, но иной формы выемки - горные выработки (шахты, штольни, карьеры), от которых скважина существенно отличается наименьшим объемом выемки на глубину проходки. В этом смысле она наиболее экономичная и самая быстрая по достижению объекта вскрытия. В поперечном сечении скважина имеет форму круга, так как бурение осуществляется обычно способом вращения, при этом диаметр круга очень мал (75-300 мм) по сравнению с длиной скважины при глубине бурения в сотни метров и даже несколько километров (9 и более км). При бурении разведочных скважин на твёрдые полезные ископаемые их диаметр обычно 59 и 76 мм, на нефть и газ – 100-400 мм.
Бурение развивалось
и специализировалось
Как разведочные, так и эксплуатационные первые скважины закладывают в предполагаемых наивысших точках обнаруженной благоприятной структуры, чтобы наверняка вскрыть залеж полезного ископаемого. По полученным из первых скважин сведениям выбирают местоположение последующих скважин, перед которыми ставится более широкая задача – определить размеры залежи, эффективную мощность продуктивных пластов, изменение по простиранию их пористости и проницаемости, уточнить структурную карту месторождения (карту изогипс), получить данные для определения термодинамических параметров продуктивных пластов и построения карт изобар и изотерм, а в конечном итоге – подсчитать или уточнить промышленные запасы месторождения и обосновать или уточнить систему его разработки (построить карту разработки).
При этом скважины могут быть заложены как в пределах залежи так и за ее пределами.
После выбора места заложения составляют проект этой скважины, основными разделами которого являются:
- конструкция (соотношение диаметров и длин ствола, его ориентация; интервалы спуска, диаметры, толщина стенок и марки стали обсадных колонн; интервалы цементирования; тип и конструкция фильтра; другие необходимые элементы скважины);
- технология проводки ствола (типы и размеры породоразрушающего инструмента – долот; режимы бурения – интенсивность циркуляции очищающего забой и ствол от вырубленной породы агента, скорость вращения долота, усилие со стороны долота на разрушаемый им забой; тип и физические свойства очищающего скважину агента; тип, соотношение диаметров и длин секций бурильной колонны; тип и размер забойного двигателя в случае его использования);
- технология вскрытия
продуктивных слоев (тип и
- технология крепления
ствола скважины (спуск и цементирование
кондуктора, промежуточных и
- технология испытания
скважины как объекта
- наземное грузоподъемное и приводное оборудование для бурения ствола (вышка; ротор для вращения бурильной колонны; талевая система и лебедка для выполнения спускоподъемных операций; двигатели для привода лебедки и ротора; вспомогательное оборудование и приспособления);
- поверхностная циркуляционная
система для приготовления,
- буровые насосы (марка,
диаметры цилиндров,
По целевому назначению буровые скважины делятся на три основные группы: геологоразведочные, эксплуатационные и технические.
1)Геологоразведочные скважины :
-Картировочные (изучение коренных пород, скрытыми под наносами) <50м;
-Поисковые (открытие новых месторождений н/г);
-Разведочные (на открытых местностях с целью их оконтуривания и сбора
необходимого материала, для дальнейших разработок);
-Гидрогеологические
-Cейсморазведочные (для закладки взрывочного в-ва) <50м;
-Структурные (для тщательного изучения структур выбуренных из скважин и составления проекта поисково-разведочного бурения на перспективные
структуры);
-Параметрические (для более детального изучения геологического разреза);
-Инженерно-геологические;
-Опорные (для изучения геологического разреза крупных регионов).
2)Эксплуатационные скважины :
-Нефтяные и газовые
(транспортировка н/г из
поверхность);
-Водозаборные;
-Скважины подземной газификации углей;
-Скважины для добычи рассолов;
-Геотехнологические скважины.
3)Технические скважины:
-Взрывные скважины;
-Стволы шурфов и шахт;
-Другие.
По глубине и наклонности бурения:
- вертикальные (ось близка к вертикали);
- наклонные (ось наклонена от вертикали);
- сверхглубокие (>5000м);
- глубокие (1000-5000м);
- мелкие (<1000м).
Вся структура
работ по проводке ствола
По характеру разрушения породы, применяемые способы бурения делятся на: механические - буровой инструмент непосредственно воздействует на горную породу, разрушая её, и немеханические - разрушение происходит без непосредственного контакта с породой источника воздействия на неё (термическое, взрывное и др.). Механические способы бурения подразделяют на вращательные и ударные (а также вращательно-ударные и ударно-вращательные). При вращательном бурении порода разрушается за счёт вращения прижатого к забою инструмента. В зависимости от прочности породы при вращательном бурении применяют буровой породо-разрушающий инструмент режущего типа (Долото буровое и Коронка буровая); алмазный буровой инструмент; дробовые коронки, разрушающие породу при помощи дроби (Дробовое бурение). Ударные способы бурения разделяются на: ударное бурение или ударно-поворотное (бурение перфораторами, в том числе погружными, ударно-канатное, штанговое и т.п., при которых поворот инструмента производится в момент между ударами инструмента по забою); ударно-вращательное (погружными пневмо- и гидроударниками, а также бурение перфораторами с независимым вращением и т.п.), при котором удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту; вращательно-ударное, при котором породо-разрущающий буровой инструмент находится под большим осевым давлением в постоянном контакте с породой и разрушает её за счёт вращательного движения по забою и периодически наносимых по нему ударов. Разрушение пород забоя скважины производится по всей его площади (бурение сплошным забоем) или по кольцевому пространству с извлечением керна (колонковое бурение). Удаление продуктов разрушения бывает периодическое с помощью желонки и непрерывное шнеками, витыми штангами или путём подачи на забой газа, жидкости или раствора (Глинистый раствор). Иногда бурение подразделяют по типу бурового инструмента (шнековое, штанговое, алмазное, шарошечное и т.д.); по типу буровой машины (перфораторное, пневмоударное, турбинное и т.д.), по методу проведения скважин (наклонное, кустовое и т.д.). Технические средства бурения состоят в основном из буровых машин (буровых установок) и породоразрушающего инструмента. Из немеханических способов получило распространение для бурения взрывных скважин в кварцсодержащих породах термическое бурение, ведутся работы по внедрению взрывного бурения.
Бурение как производственный
процесс состоит из ряда
1. Транспортирование буровой установки на точку бурения.
2. Монтаж буровой установки.
3. Собственно бурение (проходка ствола скважины), которое включает в себя:
а) чистое бурение,
т. е. непосредственное
б) очистка забоя
от разрушенной породы и
в) спуско-подъемные
операции осуществляются для
замены износившегося
4. Крепление стенок скважины в неустойчивых породах, т.е. способных к обрушения (трещиноватые, слабосвязанные, рыхлые, сыпучие и плывуны), что может производиться двумя способами:
а) крепление спуском в скважину обсадных колонн труб, что требует остановки бурения;
б) крепление промывочными жидкостями, закрепляющими стенки скважины, производимое одновременно с бурением.
5. Испытания и исследования в скважине (измерение искривления, каротаж и др.).
6. Тампонирование скважин с целью разобщения и изоляции водоносных пластов с разным химическим составом вод или с целью изоляции водоносного пласта от нефтегазоносного.
7. Установки фильтра и
водоподъемника в
8. Предупреждение и ликвидация аварий в скважине.
9. Извлечение обсадных труб и ликвидация скважины после выполнения задачи (ликвидационный тампонаж).
10. Демонтаж буровой установки и перемещение на новую точку бурения
Перечисленные рабочие операции бурения являются последовательными, т.е. могут выполняться последовательно одной и той же бригадой.
При необходимости бурения нескольких скважин и при наличии резервных буровых установок с целью ускорения разведочных ·работ некоторые рабочие операции могут быть параллельными, т. е. выполняться двумя или несколькими специализированными бригадами. Так, например, буровая бригада выполняет собственно бурения и крепление скважины; монтажные бригады занимаются только транспортированием, монтажом, демонтажем буровых установок, ликвидационным тампонажем скважин; каротажная бригада занимается только каротажем и т.п.
1.1 МОНТАЖ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ СКВАЖИНЫ
Оборудование для сооружения скважин, особенно глубоких и сверхглубоких достаточно громоздкое и массивное, поэтому почти все его элементы устанавливают на мощные железобетонные фундаменты или сварные конструкции из толстостенных бурильных труб при блочном монтаже оборудования,
Все оборудование для сооружения скважины можно условно объединить в несколько основных блоков:
буровая вышке с талевой системой, подъемной лебедкой, элементами управления и настилом для сборки, приемки, храпения бурильных и обсадных труб;
1) буровая вышке с талевой системой, подъемной лебедкой, элементами управления и настилом для сборки, приемки, храпения бурильных и обсадных труб;
2) силовой блок, состоящий из нескольких дизельных или электрических двигателей, предназначенных для привода ротора и подъемной лебедки, включающий систему трансмиссий, редукторов, карданов и шкивов;
3) насосный блок для
промывки ствола скважины, включающий
один-два или три буровых
4) циркуляционная система,
включающая несколько емкостей
для хранения бурового
Буровая вышка либо монтируется при помощи подъемников и домкратов отдельными секциями с последующим их соединением, при этом первым монтируют верхний пояс с кронблоком, а последним - нижним пояс, либо собирается горизонтально на земле, а затем тракторами и подъемными стрелами поднимается в вертикальное положение. Если позволяет рельеф местности, то иногда вышки собирают на центральной базе, затем транспортируют к месту сооружения скважины при помощи мощных платформ и тракторов.
После установки вышки на фундаменты или платформы ее укрепляют растяжками, затем устанавливают подъемную лебедку, оборудуют направлением устье скважины.
Следующим этапом монтируют силовой блок для привода лебедки и ротора, трансмиссионную систему, систему пневматических муфт и гидротормоза, пульт управления, Лебедку оснащают талевым канатом, другой конец которого пропускают через шкивы кронблока и талевого блока (полиспаста) и прикрепляют к основанию вышки специальным приспособле-нием. Устанавливают ротор и соединяют с двигателями цепной передачей посредством пневматической муфты.
Одновременно или поочередно монтируют насосный блок и циркуляционную систему. Привод насосов от двигателей осуществляют клиновыми ремнями и шкивами. Циркуляционную систему соединяют с буровыми насосами трубопроводами и оснащают виброситами для выделения из промывочного агента сравнительно крупных частиц выбуренной породы (шлам), пескоотделителями и илоотделителями для более тонкой очистки промывочного агента, дегазатором для очистки от газа.
На емкости для хранения бурового раствора устанавливают механические и гидравлические перемешиватели, центробежные насосы, осуществляющие подачу жидкости в буровые насосы, пескоотделители, илоотделители и блок приготовления и регулирования свойств промывочного агента. Отдельно устанавливают и обнизывают манифольдами с циркуляционной системой блок приготовления промывочного агента, основными узлами которого являются силосы – хранилища сыпучих материалов, дозаторы и смеси-тельное устройство.
В зависимости от назначения скважины, ее глубины, геологических и климатических условий района, транспортного сообщения буровые установки комплектуются по-разному, при этом во всех случаях стремятся к наиболее простому набору бурового оборудования, обеспечивающему качественное, безаварийное, с минимальными затратами времени и средств, сооружение скважины.
1.2 ПРОХОДКА СТВОЛА СКВАЖИНЫ
Бурение скважин известно человечеству еще до нашей эры. Так, в Китае бурили в те времена при помощи стволов полого бамбука скважины глуби-ной сотни метров с. целью добычи пластовых флюидов (главным образом - воды).
В 20-х голах ХIХ века во Франции в провинции Артуа успешно пробурили несколько сравнительно глубоких водяных скважин. Схема бурения была такова; к трубе прикрепляли пикообразное долото, трубу подвешивали на полиспасте, и, используя силу тяжести грубы и долота, ударами, разрушали горную породу и углубляли ствол скважины. По мере накопления осколков породы их извлекали на дневную поверхность при помощи специальной желонки, спускаемой в скважину на канате.
В 1845 г. французский инженер А. Фовель предложил очищать ствол сква-жины от осколков разрушенной породы циркуляционным потоком жид-кости. Это предложение начало успешно примениться в 1859 г. в США пол-ковником Дрейком.
Скорость проводки ствола скважины ударным способом достигала нескольких метров в сутки, а глубина скважины не превышала 500 м. Поэтому продолжались поиски новых способов бурения, и в начале XX века был изобретен вращательный роторный способ бурения, при котором разрушение породы на забое осуществлялось долотом, вращающимся при помощи установленного на устье скважины ротора через посредство бурильной колонны. Скорость проходки ствола возросла более чем на порядок, а глубина скважин – до 3-4 км.
С увеличением глубины возникла другая проблема – большие затраты энергии на преодоление сил трении бурильной колонны о стенки ствола скважины. Необходимо было перенести привод долота как можно ближе к забою.
В 1972 г. инженером М. А. Капелюшниковым был изобретен новый метод бурения – турбинный, особенность которого в том, что долото вращает глубинный гидравлический двигатель (турбобур) – многоступенчатая гидравлическая турбина, рабочим телом для которой является циркули-рующий промывочный агент.
К настоящему времени в практике бурения используются и другие погруж-ные двигатели: электробур, представляющий собой специальный электро-двигатель, к которому при помощи кабеля подводят электрический ток; вибробур, движение которого осуществляется посредством вибрации; винтобур, представляющий собой винтовой двигатель (винтовой насос «наоборот»),
Несмотря на большое разнообразие погружных двигателей, основной объем бурения осуществляют роторным способом (в основном бурение нефтяных и газовых скважин).
Схематично современный способ проводки (бурения) ствола скважины можно представить следующим образом (приложение 1). Породоразру-шающее устройство – долото, оснащенное режущими лезвиями или зубьями, вращается в горизонтальной плоскости либо ротором при помощи колонны труб (бурильной колонны), либо глубинным двигателем (турбобуром, электробуром, винтовым двигателем), режущими элементами внедряется в забой под действием осевой нагрузки, создаваемой частью бурильной колонны, скалывает частицы породы за счет вращательного движения и тем самым обеспечивает углубление забоя и ствола скважины. Промывочный агент (воздух, вода, аэрированная жидкость, пена, буровой раствор, нефть, эмульсия и т.д.) буровым насосом подается под избыточным давлением из
емкостей циркуляционной системы через буровой шланг высокого давления, вертлюг с вращающимся стволом, ведущую рабочую трубу, вращаемую ротором, бурильную колонну и долото к забою, подхватывает осколки разрушенной долотом горной породы и выносит их к кольцевому каналу между бурильной колонной и стенкой ствола скважины на поверхность. Попадая в поверхностную циркуляционную систему, промывочный агент поступает на вибрирующую сетку вибросита, где из него выделяются оскол-ки выбуренной породы и выбрасываются в отвал, а просеянный промы-вочный агент либо поступает сразу в емкости и оттуда снова подается буровым насосом в скважину, либо при необходимости дополнительно очищается от мелких частиц выбуренной породы системой гидроциклонов (пескоотделитель для более грубой очистки, илоотделитель для более тонкой очистки) и от газа дегазатором, после чего поступает в приемную емкость буровых насосов.
Если требуется улучшить технологические свойства промывочного агента, изменить его параметры или даже заменить его агентом другого типа, то используют блок приготовления и химической обработки с системой гидрав-лических и механических смесителей и дозаторов, механических и гидравли-ческих перемешивателей циркуляционной системы.
1.3 ТАМПОНИРОВАНИЕ СКВАЖИН
Тампонированием скважины называется комплекс работ по изоляции отдельных ее интервалов. Тампонирование осуществляется с целью предотвращения обвалов скважины и размывания пород в пространстве за обсадными трубами, разделения водоносных или других горизонтов для их исследования, перекрытия трещин, пустот, каверн, для ликвидации водопроявлений, поглощения промывочной жидкости при бурении.
При бурении на жидкие и газообразные полезные ископаемые, а также на минеральные соли необходимо изолировать пласт полезного ископаемого от вышележащих пластов. Изоляция отдельных горизонтов в скважине необходима для предотвращения проникновения грунтовых и пластовых вод в пласт полезного ископаемого. При подходе к продуктивному пласту про-ходка скважины прекращается в водонепроницаемом вышерасположенном пласте. Затем в скважину спускают колонну обсадных труб, а кольцевое пространство между низом колонны и стенами скважины заполняют водонепроницаемым материалом.Тампонированием затрубного пространства обсадная колонна предохраняется от сжатия давлением и корродирующего воздействия минерализованных подземных вод.
Применяют постоянное и временное тампонирование. Постоянное тампо-нирование проводят на длительное время. При постоянном тампонировании околоствольное пространство изолируется от ствола скважины. Временное тампонирование предназначается для изоляции отдельных горизонтов и проводится на срок испытания скважины.
Тампонирование производят для разобщения и изоляции водоносных пластов с разным химическим составом. Например, для изоляции горько-соленой воды от питьевой, изоляции водоносных пластов от нефтегазо-носных, для производства опытных нагнетаний воды в пористый пласт, для защиты обсадных труб от коррозии минеральными водами, для устранения циркуляции подземных вод по стволу скважины при извлечении обсадных труб и ликвидации скважины.
В качестве тампонажных материалов используют глину, цемент, глино-цементные смеси с наполнителями, быстросхватывающиеся смеси (БСС), битумы и смолы.
Тампонирование глиной применяют
при бурении неглубоких разведочных
или гидрогеологических скважин. Если
в месте намечаемого