Часть I твердосплавное бурение

Глава 1 понятие о скважине и ее конструкции

1.1. Понятия о скважине

Буровая скважина - это горная выработка небольшого круглого сечения и значительной длины, предназначенная для изучения геологического строения, поисков, разведки, добычи полезных ископаемых и инженерно - геологических изысканий.

Боковую поверхность скважины называют стенкой, а дно - забоем скважины. Диаметры скважины колеблются от 36 до 150 мм, глубина - от 10 до 2000 м.

Бурение - это процесс сооружения скважин преимущественно с помощью буровых установок.

В зависимости от назначения скважины подразделяют на геологопоисковые, геологоразведочные, гидрогеологические, инженерно-геологические, эксплуатационные и технические. Изучение качественной характеристики строительных материалов и руд, определение их запасов осуществляют с помощью бурения геологоразведочных скважин. По расположению в пространстве разведочные скважины делят на вертикальные (восстающие и нисходящие), расположенные под углом 90⁰ к горизонту, горизонтальные под углом 0⁰ и наклонные (нисходящие и восстающие) под углом от 0⁰ до 90⁰ .

По глубине геологоразведочные скважины С. С. Сулакшин делит на неглубокие (до 100 м), глубокие (до 2000 м) и сверхглубокие (свыше 2000 м).

1.2. Понятие о конструкции скважины

Основная задача бурения геологоразведочных скважин – извлечение из исследуемых пластов полезных ископаемых и вмещающих горных пород образцов (керна) для лабораторных анализов и их визуального изучения.

Объем пробы (диаметр и длина керна) определяется специальными требованиями, разработанными геологической службой для различных типов полезных ископаемых. В соответствии с установленным минимально допустимым диаметром керна проектируют и конструируют скважину.

Под конструкцией скважины подразумевается ее форма в массиве горных пород с определенными размерами (длиной, диаметром) и размерами обсадных труб, закрепляющих стенки скважины.

Конструкция скважины влияет на все виды работ, составляющих процесс бурения, определяет их стоимость и качественное выполнение геологического задания. Для получения высокого качества геологической информации не только по полезному ископаемому, но и по всей продуктивной толще конструкция скважины должна гарантировать выполнение этого требования как за счет получения керна нужного диаметра, так и за счет возможности размещения в исследуемых интервалах скважины геофизической и другой современной исследовательской аппаратуры. От конструкции скважины зависит создание благоприятных условий для эффективного применения технологических режимов бурения. Оптимальная конструкция скважин позволяет максимально сократить металлоемкость и снизить стоимость 1 м бурения.

Конструкция скважины определяется ее целевым назначением, свойствами горных пород геологического разреза, размерами и прочностью бурильных колонн и используемого оборудования. Она характеризуется рядом параметров, к числу которых относят глубину скважины, длину интервалов неустойчивых горных пород, закрепляемых обсадными трубами, диаметр скважины этих интервалов и конечный диаметр скважины, диаметры обсадных труб различных интервалов, количество ступеней скважины.

Глубину скважины устанавливают в зависимости от глубины залегания полезного ископаемого. Скважину необходимо углублять на 10-20 м ниже пласта полезного ископаемого для определения достоверности подсечения подошвы пласта и возможности его исследования геофизическими методами.

Минимальный диаметр скважины на проектной глубине определяют в зависимости от требований геологической службы, с одной стороны, и условий эффективности бурения (длины рейса, механической скорости бурения, качества опробования и стоимости 1 м скважины) - с другой стороны.

В мировой и отечественной практике в целях повышения производительности бурения, качества опробования и снижения стоимости бурения существует тенденция к уменьшению конечного диаметра скважины и переходу к одноступенчатой конструкции.

С уменьшением диаметра скважины резко возрастает механическая скорость бурения, снижается расход коронок, повышается устойчивость стенок скважины, что в конечном счете снижает стоимость бурения. Но снижать диаметр скважин можно до разумных пределов: во-первых, полученный объем пробы должен обеспечить все виды лабораторных исследований, во-вторых, диаметр скважин должен позволять различного рода геофизические исследования. Наконец, с уменьшением диаметра скважины уменьшается диаметр применяемых бурильных труб, а значит, их прочность, что заставляет понижать параметры технологических режимов бурения.

В большинстве случаев в скважинах наблюдаются осложнённые интервалы, расположенные чаще всего, в верхних горизонтах. Здесь встречаются трещиноватые, набухающие, раздельно-зернистые породы. Такие породы легко осыпаются, обваливаются, набухают.

Нередко встречаются горизонты с низким пластовым давлением, что приводит к осложнениям. Низкое пластовое давление часто ведет к водопоглощению (при водопоглощении возможны прижег коронки и зашламовка скважин).

Верхние горизонты (до 30 % глубины скважины) таких неустойчивых пород необходимо крепить обсадными трубами, а нижние - тампонажными смесями.

Как правило, в устье скважин для крепления (обычно легкоразмываемых выветренных и разрушенных) пород и направления промывочной жидкости из скважин в желоб устанавливают направляющую трубу (3-6 м). Башмак колонны тампонируют глиной или цементным раствором.

Если верхние горизонты на глубину свыше 6 м представлены выветренными слабоустойчивыми, трещиноватыми и кавернозными породами, то их закрепляют кондуктором. Для этого скважины бурят на глубину неустойчивых пород и ниже (на 1 м в устойчивых (коренных) породах). Стенки кондуктора смазывают маслом, его башмак тампонируют цементным раствором, а в устье скважины устанавливают пеньковый сальник.

Если в верхнем интервале, составляющем 30 % от глубины скважины, встречаются еще осложненные зоны, то спускают промежуточную обсадную колонну, низ которой тампонируют, а в зазор между колонной и стенками скважины заливают глинистый раствор.

Рациональной конструкцией скважины считается скважина, у которой:

конечный диаметр выбран минимально возможным (с учетом получения достоверных проб полезных ископаемых, с учетом возможности проведения геофизических и других исследований и применения соответствующих буровых снарядов); число обсадных колонн и глубина их спуска берутся минимально возможные, обусловленные только сложностью геологического разреза.

При креплении стенок скважин в зависимости от устойчивости горных пород кондуктор скважины устанавливать не обязательно, может быть установлена только направляющая труба и промежуточная обсадная колонна или только направляющая труба.

Диаметры обсадных труб подбирают в соответствии с диаметром скважины:

Диаметр скважины, мм	В46	.59	?76	993	112	132	151
Диаметр обсадных труб, мм	*44	557	£73	<89	108	127	146