Бурение структурно-поисковых скважин

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Общие сведения о бурении структурно-поисковых скважин

Бурение - процесс сооружения горной выработки цилиндрической формы, путём разрушения горных пород на забое. Бурение осуществляется, как правило, в земной коре, реже в искусственных материалах (бетоне, асфальте и др.). В ряде случаев процесс бурения включает крепление стенок скважин (как правило, глубоких) обсадными трубами с закачкой цементного раствора в кольцевой зазор между трубами и стенками скважин.

Структурно-поисковым бурением в нефтегазовой промышленности называют бурение картировочных, сейсмических, структурных и отчасти поисковых скважин. Главная цель, стоящая перед структурно-поисковым бурением, заключается в том, чтобы самостоятельно и главным образом вместе с сейсморазведкой подготавливать структуры для ведения глубокого разведочного бурения на нефть и газ.

Наиболее распространены следующие виды структурно-поискового бурения: бурение коронкой, армированной твердыми сплавами или алмазами; дробовое бурение.

2. Классификация горных пород по трудности отбора керна. Типовые конструкции скважин

Классификация по трудности отбора керна

Группы пород по структурно-текстурным признакам на эталонной схеме обозначены буквами русского алфавита, а подгруппы пород по физико-механическим свойствам пронумерованы, что позволяет для каждой конкретной геологической обстановки выделить конкретные определенные поля, обозначенные буквенным и цифровым индексом. Для каждого поля даны эталонные значения выхода керна при бурении в стандартизованных технических условиях вращательным колонковым способом алмазными коронками диаметром 59 мм одинарной колонковой трубой на оптимальных режимах бурения.

На основе эталонной схемы построена классификация горных пород по трудности отбора керна, в которой все породы подразделены на 5 классов по линейному выходу керна, выраженному в процентах с градацией каждой группы через 20% (табл.1).

Таблица 1 - Классификация горных пород по трудности отбора керна

Группа пород	Выход керна, %	Поля эталонной схемы	Характеристика пород по структурно-текстурным признакам	Типичные представители горных пород
I	0-20	А - 1 до А - 9	Несвязные, рыхлые, размываемые	Пески, суглинки, галечники, соли, слабые охры, сильнотрещиноватые грубообломочные песчаники на глинистом цементе, сильнотрещиноватые аргиллиты и алевролиты, рыхлые, несвязные породы, сцементированные льдом; конгломераты на слабом цементе, сильнотрещиноватые известняки, мергели, доломиты, раздробленные слабые каменные угли, метаморфизованные раздробленные аргиллиты, гравелиты, брекчии, бокситы, сланцы кварц-серицит-известковые сильнотрешиноватые
		Б-8 Б-9 В-9 Г-9 Д-9	Связные, неоднородные и однородные по строению; в основном, перемежающиеся по твердости; сильнотрещиноватые; малой, как исключение средней, прочности
II	20-40	Б-6 Б-7 Г-7 Г-8 В-7 В-8 Д-8	Связные, неоднородные и однородные по строению; однородные и неоднородные по твердости; сильнотрещиноватые; средней и высокой прочности, как исключение среднетрещиноватые, малой прочности	Среднетрещиноватые конгломераты, брекчии, сидерито-глинистые породы, песчаники слабые, крепкие угли сложного строения, коры выветривания никелевых, марганцевых и железистых месторождений, скарны кавернозные, сильнотрещиноватые рудные зоны гидротермальных месторождений, грубообломочные туфы, туффиты, зоны переслаивания песчаников и аргиллитов
III	40-60	Б-3 Б-4 Б-5 В-4 В-5 В-6 Г-5 Г-6 Д-7	Связные, неоднородные и однородные по строению; однородные и неоднородные по твердости; монолитные и среднетрещиноватые различной прочности, как исключение сильнотрещиноватые, высокой прочности	Среднетрещиноватые аргиллиты и алевролиты, плотные глины, песчаники, крепкие угли, филлиты, конгломераты, трещиноватые кремнистые породы, роговики, мраморы, известняки, доломиты, туффиты, сильнотрещиноватые кварциты, диабазовые порфириты, граниты, гранодиориты, сиениты, пегматиты, базальты, серпентиниты
IV	60-80	Б-1 Б-2 В-1 В-2 В-3 Г- 2 Г-3 Г-4 Д-4 Д-5 Д- 6	Связные, неоднородные и однородные по строению; в основном, однородные по твердости; монолитные различной прочности, как исключение среднетрещиноватые, высокой прочности	Плотные песчаники, глины, мергели, известняки, доломиты, слаботрещиноватые серпентиниты, филлиты, роговики, мигматиты, гнейсы, скарны, пироксениты, граниты, гранодиориты, порфириты, липариты, базальты и диабазы
V	80-100	Г-1 Д-1 Д-2 Д-3	Связные, в основном, однородные по строению; однородные по твердости; монолитные различной прочности	Монолитные однородные толщи песчаников, аргиллитов, доломитов, известняков. Монолитные джеспилиты, кварциты, роговики, гнейсы, яшмы, мраморы. Неизменные граниты, диабазы, порфириты, андезиты, граносиениты, ланиты, базальты, перидотиты, липариты, фельзиты

Конструкция скважин структурно-поискового бурения

Типовые конструкции скважин структурно-поискового бурения показаны на рис. 1.'Начальный диаметр скважины устанавливают с учетом возможности спуска в скважину одной или двух последующих колонн малого диаметра: 146, 127, 114, 108, 89, 73 и 57 мм. Минимальный зазор между диаметром скважины и соединениями бурильных труб (штанг) должен быть ? 10 мм.



Типовые конструкции скважин.

Рис. 1 - Типовые конструкции скважин: а - картировочной; б - структуриой; в - сейсмической

Буровой снаряд (бурильная колонна) для структурно-поискового бурения

При бурении без выноса керна (сплошным забоем) схема компоновки бурового снаряда почти такая же, как и в глубоком бурении. При бурении с отбором керна (кольцевым забоем) в буровой снаряд входят коронка, кернорватель, колонковая труба, УБТ, бурильные штанги (трубы) и ведущая труба квадратного сечения. Буровые коронки и долота. В нефтяной промышленности применяются коронки с резцами из твердых сплавов и очень редко коронки для бурения дробью. Алмазные коронки применяют только при разведке твердых полезных ископаемых. В основном применяются коронки, серийно изготовляемые заводами по соответствующим ГОСТам, а также других конструкций, разработанных научно-исследовательскими и конструкторскими организациями и заводами. Кроме того, коронки весьма разнообразных конструкций изготовляются непосредственно буровыми предприятиями. Некоторые Типы коронок с резцами из твердых сплавов показаны на рис. 2.

Рис. 2 - Типы коронок с резцами из твердых сплавов: А - типа ОКВ-1 с резцами Г53; 1 - коническая расточка; 2 - ленточная резьба; 3 - цилиндрическая часть короночного кольца; 4 - вырез; 5 - холодильники; Б - конструкции Грознефтеразведки; в - конструкции Цукурова; г - типа МР-2 мелкорезцовая; д - ребристая с резцами типа Г53; е - типа ТП-3 самозатачивающаяся; 1 - резец; 2 - стальная опорная пластина (штабик); ж - типа ББ-2 со вставнымирезбами: 1 - резцы; 2 - стальной держатель; 3 - заклепка; з - типа БК-ВМ самозатачивающиеся с «графитовыми» резцами типа ЦКБ: 1 - резцы; 2 - стальнойштабик; 3 - калибрующие резцы; 4 - вырезы для выхода бурового раствора

Дробовое бурение используется при проходке крепких пород (кварциты, джеспилиты, роговики, кремнистые известняки и т. д.), в которых бурение твердосплавными коронками малоэффективно или невозможно. Конструкция бурового снаряда для бурения дробью представлена на рис. 3. Он состоит из дробовой коронки 1, колонковой трубы 2, тройного переводника 3 и шламовой трубы 4. Снаряд спускается на бурильных трубах 5.

Для бурения в скважину засыпается дробь, которая поступает под торец коронки, и дробовой коронке передается вращение при помощи бурильных труб. Дробь, катаясь под торцом коронки, разрушает забой. Выбуренные частицы породы и металлический шлам уносятся с забоя буровым раствором. Наиболее тяжелые частицы породы и металла оседают в шламовой трубе, а более легкие и мелкие выносятся на поверхность. В коронке делается прорез для непрерывного и равномерного поступления дроби под торец коронки.

В дробовом бурении применяется главным образом чугунная дробь. Используется также стальная дробь-сечка, изготавливаемая из стальной канатной проволоки.

Рис. 3 - Снаряд для бурения дробью



Рис. 4 - Элеватор-фарштуль

Различают рейсовое, порционное и непрерывное питание дробью. При рейсовом питании дробь загружают в скважину большой порцией перед спуском бурильной колонны. Вес рейсовой порции в зависимости от твердости пород и диаметра скважины принимается для чугунной дроби из расчета 0,7-1,6 кг, а для стальной дроби-сечки - 0,15-0,3 кг на 1 см диаметра коронки. При порционном питании начальную порцию дроби берут меньше, чем при рейсовой засыпке, а во время бурения периодически засыпают через бурильные трубы дополнительные порции. При непрерывном питании применяют специальные приборы - дробопитатели, из которых в струю бурового раствора, нагнетаемого насосом в бурильные трубы, постоянно подается дробь малыми порциями. Элементы бурового снаряда (колонны). Кернорватель, установленный между коронкой и колонковой трубой, предназначен для того, чтобы оторвать от забоя колонну породы (керна) и удержать ее в колонковой трубе при подъеме бурильных труб из скважины. Колонковая (керноприемная) труба, устанавливаемая между кернорвателем (или коронкой, если кернорватель отсутствует) и утяжеленными трубами, предназначена для помещения колонки выбуренной породы в процессе бурения. Используют колонковые трубы одинарные и двойные. В последних буровой раствор протекает в кольцевом пространстве между концентрически расположенными трубами, не соприкасаясь с колонкой керна. В структурно-поисковом бурении в нефтегазовой промышленности в основном применяют одинарные колонковые трубы. Длина колонковой трубы должна быть не менее 3 м. УБТ в структурно-поисковом бурении имеют те же назначения, что и в глубоком бурении. Они обычно имеют длину 6 м, наружный диаметр 68 мм и внутренний диаметр 38 мм. Бурильные трубы в структурно-поисковом бурении на нефть и газ применяют с приварками соединительными концами наружного диаметра 60 и 50 мм, длиной 3, 4, 5 и 6 м; резьба замка-6 ниток на 25,4 мм, конусность 1:5. В структурно-поисковом бурении применяют ведущие трубы квадратного сечения размером 60 х 60 мм. Спуско-подъем бурового снаряда. Для спуска и подъема бурильных труб используют следующий специальный инструмент: элеватор-фарштуль, штангодержатель и др. В качестве примера на рис. 13.4 приведен элеватор-фарштуль, применяемый для спуска и подъема бурильных труб с замковыми соединениями. Он состоит из корпуса 1 с боковым вырезом для прохода бурильных труб, предохранительною кольца 2 для предупреждения выпадания бурильных труб при спуске и подъеме и серьги 3.

3. Технология структурно-поискового бурения Режим бурения

Основная задача рациональной технологии структурно-поискового бурения - обеспечение быстрой и безаварийной проходки, а при бурении с отбором керна, кроме того, - отбор качественного керна. В качестве бурового раствора в структурно-поисковом бурении используется глинистый раствор. Количество подаваемого на забой бурового раствора устанавливают, исходя из условий обеспечения скорости в затрубном пространстве достаточной для эффективного выноса выбуренной породы. Для коронок армированных твердыми сплавами скорость движения бурового раствора в затрубном пространстве должна быть не менее 0,2-0,4 м/с. Извлечение керна. Для того чтобы керн не выпал при подъеме (до извлечения па поверхность), его заклинивают при помощи так называемого заклиночного материала затиркой всухую или кернорвателями. При подъеме бурильной колонны с керном не должно быть рывков или ударов, это может привести к потере отобранного образца породы. Керн укладывают в строгой последовательности в порядке возрастания глубины с указанием начала колонки, интервала отбора и длины извлеченной с этого интервала колонки. Крепление скважин. Процесс спуска в скважину обсадных колонн при структурно-поисковом бурении в основном такой же, как и в глубоком бурении. Особенность-свинчивание труб осуществляется вручную. Тампонажные работы проводят вручную, при этом используют насосы установленные для бурения. Применение контрольно-измерительных приборов. При структурно-поисковом бурении в качестве контрольно-измерительных приборов применяют гидравлический индикатор веса и давления и электрический дистанционный тахометр. Все приборы смонтированы на одном щите. Гидравлический индикатор веса и давления показывает и записывает вес бурильной колонны, определяемой по натяжению неподвижного конца талевого каната и давление в насосе. Электрический дистанционный тахометр показывает частоту вращения ротора.

Шнековое и вибрационное бурение

Шнековое бурение применяют для бурения сейсмических скважин, без промывки забоя. Порода, разбуренная лопастным долотом типа РХ, попадает на шнек (шнек представляет собой трубу с навитой на нее спиралью из полос тонкой стали), который транспортирует ее на поверхность. Поскольку диаметр шнека меньше диаметра долота, шлам, направляясь вверх и тесно соприкасаясь со стенками скважины, частично проскальзывает вниз. Шнеки втирают разрыхленную породу в стенки скважины, и таким образом скважина плотно «штукатурится». Основной недостаток шнекового бурения - трудность бурения твердых пород, а также скважин глубиной более 100 м. Иногда пользуются забойными вибраторами гидравлического действия. Забойные вибраторы создают вибрацию, которая передается долоту. Порода разрушается под действием ударов долота по забою. В некоторых случаях кроме вибраций долоту передают вращение. Оно осуществляется вращением штанг (бурильных труб) ротором. В этом случае получается комбинация ударного и вращательного способов бурения. Выводы Для бурения картировочных, сейсмических, структурных и отчасти поисковых скважин в нефтегазовом производстве применяют структурно-поисковое бурение. При этом бурение производят коронкой или дробью (дробовое бурение). Дробовое бурение используется при проходке крепких пород. Основная задача рациональной технологии структурно-поискового бурения - обеспечение быстрой и безаварийной проходки, а при бурении с отбором керна, крометого-отбор качественного керна. Структурно-поисковое бурение осуществляется со специальных передвижных станков.

4. Факторы, влияющие на эффективность отбора керна

Причины, приводящие к разрушению керна в процессе бурения и подъема инструмента, можно разделить на природные, технологические и технические.

1. К природным факторам относятся механические свойства пород, геолого-петро-графическая характеристика, химический состав породообразующих минералов и условия залегания пород. С ростом прочностных свойств горных пород вынос керна, как правило, повышается. Отрицательно влияет на вынос керна высокая проницаемость пород, так как это способствует проникновению бурового раствора и его фильтрата в породы, каналы и микротрещины породы, что оказывает расклинивающее действие и ослабляет породу.

Трещиноватые и слоистые породы разрушаются от вибраций, самозаклиниваются в керноприемной трубе, ухудшая условия кернообразования и работу бурильной головки. Частое чередование пород различной прочности ухудшает условия кернообразования. Происходит преимущественное разрушение менее прочныхпропластков, обычно представляющих наибольший интерес с точки зрения продуктивности. Отрицательно влияет на вынос керна и повышение абразивности пород, так как при этом увеличивается износ колонкового инструмента. Особенно неблагоприятно сказывается накернообразовании быстрый износ кернообразующих элементов бурильной головки, при котором происходит увеличение диаметра керна, что затрудняет проход его в керноприемную трубу.

Существенной с точки зрения выноса керна является глубина залегания пород, что связано с усложнением технологии бурения с ростом затрат времени на механическое бурение.

Температура является основным фактором, определяющим вынос керна при бурении в многолетнемерзлых породах, содержащих включения льда. В этих условиях получение полноценного керна возможно лишь при промывке жидкостью или продувке газом, имеющими отрицательную температуру.

В породах, содержащих растворимые в воде соли, определяющее значение для выхода керна имеет растворимость этих солей в буровых растворах.

2. К технологическим факторам относятся режим бурения, равномерность подачи инструмента и проходка за рейс, компоновка низа бурильной колонны, подготовка скважины к отбору керна.

С увеличением нагрузки на долото процент выноса керна как при роторном, так и при турбинном способе бурения долотами различных диаметров вначале возрастает, а затем имеет тенденцию к снижению. Уменьшение процента выноса керна при превышении предельной нагрузки объясняется продольным изгибом колонкового снаряда и работой забойного двигателя на режиме, характеризую-щимися вибрациями.

Максимальный вынос керна, составляющий для серийных колонковых снарядов 80 - 90 % , достигается в зависимости от диаметра бурильных головок при нагрузках 5 - 10 тонн и оборотах вала 100 - 200 об/мин.

Значительное влияние на вынос керна, особенно в слабосцементированных породах, оказывает количество и качество бурового раствора. Увеличение подачи бурового раствора Q выше определенных значений вызывает резкое снижение выноса керна как при роторном, так и при турбинном способах бурения. Для обеспечения максимального выноса керна, расход бурового раствора плотностью 1.1-1.3 г/см3 должен быть в пределах 15 - 26 л/сек, плотностью более 1.3 г/см3 - от 10 до 20 л/сек

Повышение вязкости и уменьшение водоотдачи способствуют повышению выноса керна. По данным УфHИИ, повышение вязкости бурового раствора с35 сек до 90 сек по СВП - 5 позволяет увеличить вынос керна из песчаников на 10 - 20 %. В твердых водоустойчивых породах водоотдача бурового раствора не оказывает влияния на вынос керна.

Для остальных пород увеличение водоотдачи снижает вынос керна. Поэтому для обеспечения максимального выноса керна необходимо применять буровые растворы средней вязкости с низкой водоотдачей.

3. К техническим факторам в первую очередь следует отнести конструкцию колонкового снаряда в целом, конструкцию бурильной головки, кернорвателей и качество их изготовления. Существенным недостатком применяемых колонковых снарядов и бурильных головок является выбуривание керна малого диаметра. Установлено, что прочность керна примерно пропорциональна кубу его диаметра. Диаметр керна должен быть увязан с диаметром скважины.

С увеличением диаметра скважины D1 необходимо увеличивать и диаметр керна d1.

По данным УфHИИ коэффициент кернообразования Y, являющийся главной характеристикой колонкового снаряда, должен быть не менее 0.40



1

где d1-диаметр керна

D1-диаметр скважины

Hе менее важной характеристикой является коэффициент керноприема U. Этот коэффициент должен быть не менее 0.7.

2

где d1-диаметр керна

h1-расстояние от забоя до места входа керна в корпус рвателей или в грунтоноску.

Очень важно предохранить керн от механических воздействий в керноприемной трубе. При отборе керна в породах с низким его выносом необходимо устранить вертикальные и горизонтальные колебания бурового инструмента. Это достигается большой жесткостью колонкового снаряда, хорошим центрированием его за счет применения толстостенных труб и центраторов.

Hаилучшим кернообразованием, особенно в слабоцементированных породах, обладают головки режуще-истирающего типа, армированные алмазами или твердыми сплавами. Предпочтение следует отдать головкам, рабочая часть которых имеет форму полукупола, полукупола с опережающим кольцом, и ступенчатым головкам, которые в процессе работы самоцентрируются и тем самым уменьшают вибрации в радиальном направлении. Для большей гарантии выноса керна в неизвестном разрезе в колонковом инструменте желательно иметь двойной ряд рвателей, для твердых и мягких пород, и специальный керно-держатель, чтобы гарантировать не только отрыв, но и удержание керна в керноприемной трубе. Таким образом, к колонковым снарядам предъявляются следующие требования:

- обеспечение достаточной прочности керна за счет максимально возможного увеличения его диаметра;

- предохранение керна от размывающего действия потока бурового раствора как в месте кернообразования, так и в колонковой трубе;

- устранение вращения колонковой трубы и продольного ее изгиба;

- устранение продольных и поперечных колебаний в процессе отбора керна;

- обеспечение надежности отрыва и удержание керна в колонковой трубе при подъеме инструмента;

Как показывает практика, несоблюдение хотя бы одного из этих условий резко снижает процент выноса керна.

5. Породоразрушающий инструмент для бурения структурно-поисковых скважин

В процессе бурения разведочной, а иногда и эксплуатационной скважины периодически отбираются породы в виде нетронутых целиков (кернов) для составления стратиграфического разреза, изучения литологической характеристики пройденных пород, выявления содержания нефти, газа в порах пород и т. д.

Для извлечения на поверхность керна применяют колонковые долота (рис. 5). Состоит такое долото из бурильной головки 1 и колонкового набора, присоединенного к корпусу бурильной головки с помощью резьбы.



Рис. 5 - Схема устройства колонкового долота: 1 --бурильная головка; 2 -- керн; 3 -- грунтоноска; 4 -- корпус колонкового набора; 5 -- шаровой клапан

В зависимости от свойств породы, в которой осуществляется бурение с отбором керна, применяют шарошечные, алмазные и твердосплавные бурильные головки.

Шарошки в бурильной головке смонтированы таким образом, чтобы порода в центре забоя скважины при бурении не разрушалась. Это создает условия для образования керна2. Существуют четырёх-, шести- и далее восьмишарошечные бурильные головки, предназначенные для бурения с отбором керна в различных породах. Расположение породоразрушающих элементов в алмазных и твердосплавных бурильных головках также позволяет разрушать горную породу только по периферии забоя скважины [30].

Образующаяся колонка породы поступает при углублении скважины в колонковый набор, состоящий из корпуса 4 и колонковой трубы (грунтоноски) 3. Корпус колонкового набора служит для соединения бурильной головки с бурильной колонной, размещения грунтоноски и защиты её от механических повреждений, а также для пропуска промывочной жидкости между ним и грунтоноской. Грунтоноска предназначена для приёма керна, сохранения его во время бурения и при подъеме на поверхность. Для выполнения этих функций в нижней части грунтоноски устанавливаются кернорватели и кернодержатели, а вверху -- шаровой клапан 5, пропускающий через себя вытесняемую из грунтоноски жидкость при заполнении её керном.

По способу установки грунтоноски в корпусе колонкового набора и в бурильной головке существуют колонковые долота со съемной и несъёмной грунтоноской.

Колонковые долота со съемной грунтоноской позволяют поднимать грунтоноску с керном без подъема бурильной колонны. Для этого в бурильную колонну спускают на канате ловитель, с помощью которого извлекают из колонкового набора грунтоноску и поднимают ее на поверхность. Затем, используя этот же ловитель, спускают и устанавливают в корпусе колонкового набора порожнююгрунтоноску, и бурение с отбором керна продолжается.

Колонковые долота со съемнойгрунтоноской применяют при турбинном бурении, а с несъемной -- при роторном.

6. Технические средства для отбора проб

Керноотборный снаряд - устройство для отбора керна в процессе бурения. K. c. опускают в скважину на бурильных трубах, снизу к K. c. присоединяют породоразрушающий инструмент. Корпус K. c., передающий нагрузку и вращение породоразрушаемому инструменту, обычно выполняется жёстким толстостенным co стабилизаторами для предотвращения изгиба и повышения сохранности керна. Различают K. c. co съёмными Керноприёмниками, извлекаемыми на поверхность ловителем без подъёма снаряда, и стационарными. Керноприёмники обычно присоединяются к корпусу c помощью подшипника либо опоры (седла), обеспечивающих фиксированное положение керноприёмника относительно керна. K. c. обычно состоят из неск. секций дл. 7-8 м, что позволяет за один рейс отобрать керн значит.длины. Диаметр отбираемогокерна 40-120 мм. Для улучшения продвижения керна в нек-рых K. c. создаётся местная обратная циркуляция, наносится антифрикц. покрытие на стенки керноприёмной полости и т.п.

Рис. 6 - Керноотборный снаряд: 1 - переводник; 2 - втулка; 3 - фиксатор; 4 - гайка; 5 - винт; 6 - верхний корпус; 7 - шар клапана; 8 - седло клапана; 9 - верхняя керноприёмная труба; 10 - муфта; 11 - кернодержатель; 12 - нижний корпус; 13 - нижняя керноприёмная труба; 14 - переводник на породоразрушающий наконечник; 15 - переходник кернорвателя; 16 - рычажковыйкернорватель; 17 - кожух;18 - башмак; 19 - цанговый кернорватель

Рис. 7 - Турбодолото: 1 - переходник; 2 - керноприёмник; 3 - седло керноприёмника; 4 - корпус верхней секции; 5 - статор турбины; 6 - ротор турбины; 7 - полый вал; 8 - средняя радиальная опора; 9 - пята; 10 - полый вал нижней секции; 11 - корпус нижней секции; 12 - нижняя радиальная опора; 13 - статорная гайка; 14 - наставка вала; 15 - переводник к породоразрушающемунаконечнику;16- узел секционирования

B CCCP при бурении на нефть и газ роторным способом используются в осн. K. c. типа " Недра" (рис. 5), выпускаемые для скважин диаметром 130-300 мм, при бурении забойными двигателями - турбинные K. c. (турбодолота, рис. 6) для скважин диаметром 130-220 мм, при бурении на твёрдые п. и. - диаметром 46-152 мм. Совершенствование K. c. связано c обеспечением их надёжности и увеличением выхода керна.

7. Буровое оборудование

Установки разведочного бурения

Установки разведочного бурения - установки, предназначенные для бурения структурно-поисковых и геофизических скважин на нефть, газ, воду и др.

Установки для разведочного бурения должны характеризоваться следующими элементами:

-электродвигатель

-пускорегулирующая, осветительная и сигнальная аппаратура

-двигатель внутреннего сгорания в качестве привода установки

-устройства для отвода промывной жидкости от устья скважины (бурение на воду)

-устройства для отвода пыли и шума от устья скважины

-устройства для механизированной укладки керна (установки для бурения гидротранспорта керна)

-устройства для ведения операция по перемещению, погрузке и разгрузке технологического инструмента

-ограничители или сигнализаторы переподъема, предупреждающие затаскивание фарштуля или талевого блока в кронблок

-устройства сигнализации о приближении к проводам действующих ЛЭП

-двусторонняя сигнализация

-гидроприводы

-пневмоприводы

-электроприводы

-электрокоммуникации

-пульт управления установкой

Основные типы установок для геологоразведочного бурения на нефти и газа:

УРБ-2А2

Предназначена для:

бурения геофизических и структурно-поисковых скважин на нефть и газ вращательным способом с очисткой забоя скважины промывкой, продувкой или транспортировкой разрушенной породы на поверхность шнеками.

Установка главным образом имеет:

перемещающийся вращатель с гидроприводом (используется в процессе бурения, наращивания бурильного инструмента без отрыва его от забоя и выполняет совместно с гидроподъемником работу по спуску-подъему инструмента и его подачу при бурении).

Мощность и кинематика вращателя обеспечивают также свинчивание-развинчивание бурильных труб, в результате этого отпадает необходимость в специальных механизмах.

Управление установкой полностью гидрофицировано, в том числе подъем-опускание мачты, и сконцентрировано на пульте бурильщика.

Конструкцией установки предусматривается возможность бурения скважин с очисткой забоя промывкой или продувкой, для чего монтируется буровой насос или компрессор, а также бурение шнековым способом.

Основными конструктивными элементами установки являются:

вращатель,

раздаточная коробка,

мачта,

установка бурового насоса.

Известны следующие разновидности установок разведочного бурения УРБ-2А2

УРБ-2А2У

Бурение геофизических, структурно-поисковых, гидрогеологических и инженерных скважин вращательным способом с промывкой и продувкой, шнеками, пневмоударником. Имеет механизмы статического и динамического зондирования. Установка работает с углом наклона мачты от вертикали от 0 до 15.

Буровая установка УРБ-4Т

Рис. 8

1) Бурение геофизических и структурно-поисковых скважин на нефть и газ вращательным способом с промывкой, продувкой забоя или шнеками.

Транспортной базой установки служит тралевочный трактор, на котором установлена мачта 1 и смонтированы установочная рама 3, цилиндр подъема мачты 4, раздаточная коробка 2, промежуточный вал, пульт управления 5, обвязка гидросистемы, каретка, установка опорных домкратов, патрон для шнеков, элеватор, вращатель 6, талевая система 7, герметизатор, шламозащитное устройство и сальник.



Буровая установка УРБ-2,5А

Рис. 9

1) Установка разведочного бурения смонтирована на автомобиле КамАЗ-4310 и включает мачту 3 с кронблоком 1 и вертлюгом 2, буровой насос 4, гидравлический домкрат подъема мачты 5, электрооборудование 6, пневмосистему 7, главную трансмиссию, механизм подачи, устройство для шнекового бурения, коробку передач, лебедку, устройство для развинчивания труб, ротор и систему управления.

Краткие технические данные установок приведены в таблице

Буровая установка УРБ-30

Предназначена для структурно-поискового бурения на нефть и газ роторным способом в породах мягкой и средней твердости с прямой промывкой.

Состоит из следующих составных частей:

- мачты телескопической, двухсекционной с открытой передней гранью;

- лебёдки с коробкой перемены передач с приводом от тягового двигателя автомобиля;

- трансмиссии для передачи вращательного движения от коробки отбора мощности автомобиля к раздаточному редуктору для бурового насоса и генератора, к коробке перемены передач лебёдки, гидронасосам;

- талевого блока;

- ограничителя высоты подъёма талевого блока;

- ограничителя грузоподъёмности;

- гидродомкратов для нивелировки агрегата с прибором для контроля;

- гидропневосистем и электрооборудования для обеспечения производства работ и вспомогательных операций;

- устройства для отвода выхлопных газов оснащённого искрогасителем;

- электронного индикатора веса ИВЭ-50;

- устройства для фиксации талевого блока и защиты мачты от повреждений при передвижении;

- устройства аварийного отключения двигателя;

- кронблока;

- манифольда с прибором контроля давления и соединением БРС;

- трансформатора с выпрямителем постоянного тока на 24 В;

- вертлюг 30 т;

- поста бурильщика для проведения технологических операций при бурении;

- основания (фундаментные балки) передние и задние для установки гидродомкратов;

- рабочей площадки с укрытием;

- звукового сигнала на посту бурильщика;

- гидрораскрепителя;

- пневмосистемы, оснащённой осушителем воздуха;

- ротора Р410;

- насоса буровой НБ 50;

- генератора ГС 250 (30 кВт);

- балкона верхового рабочего;

- подсвечника;

- лебедки вспомогательной гидравлической.

Буровая установка УШ-2Т4/2Т4В

Предназначена для:

бурения поисково-оценочных и сейсморазведочных скважин;

бурения скважин различного назначения при выполнении строительных работ

Установка монтируется на шасси гусеничного трактора Т10Б2121, что позволяет применять установку на грунтах с малой несущей способностью (болота, снежный покров, оттаявший мерзлый грунт).

Привод установки осуществляется от двигателя трактора. Механический привод подвижного вращателя дает возможность совместить стабильно высокие значения крутящего момента с возможностью создания высоких осевых нагрузок на породоразрушающий инструмент уже на первых метрах бурения. Конструкция вращателя установки обеспечивает возможность его отвода в сторону от оси скважины, для выполнения спуска и подъема бурильных труб.

Для удобства управления и повышения безопасности работ установка комплектуется съемной площадкой оператора бурения.

Буровая установка УГБ001

Предназначена для:

бурения геологоразведочных, поисково-оценочных и сейсморазведочных скважин;

бурения скважин различного назначения при выполнении строительных работ;

Самоходная буровая установка УГБ001 с гидравлическим приводом подвижного вращателя устанавливается на различные транспортные средства: автомобили и шасси повышенной проходимости ГАЗ-33081 «Садко», ГАЗ-33104 «Валдай» и др.

Особенности установки:

- возможность комплектации буровыми насосами и компрессором

- наличие блока трубодержателей (позволяет удерживать колонну бурильных и обсадных труб при их наращивании или извлечении)

- возможность бурения наклонных и вертикальных скважин под углом 50 - 90 градусов;

- наличествует укрытие буровой установки для комфортной работы бурильщика.

8. Режимы бурения и технология отбора керна

Режим бурения - это совокупность тех факторов, которые влияют на эффективность разрушения породы, определяют интенсивность износа долота и которыми можно управлять в процессе работы долота на забое.

Оптимальный режим бурения - обеспечивает наилучшие показатели работы долота и углубления скважины (интервала).

Специальный режим бурения - обеспечивает выполнение специальных операций (набор или стабилизация угла наклона ствола скважины; предотвращение искривления ствола скважины; отбор керна; вскрытие продуктивного пласта; аварийные работы в скважине и др.).

Факторы, определяющие режим бурения, называются параметрами режима бурения. Основные параметры режима бурения:

Расход бурового раствора Q, м3/с (л/с) - - обеспечивает полную и своевременную очистку забоя и скважины от шлама, а также работу ГЗД.

- условие очистки забоя: 

Q1=qудFз (qуд = 0,57 - 0,65 м/с)

- условие выноса шлама: 

Q2 = V Fк (V = 0,4 - 0,6 м/с)

- условие работы ГЗД;

n Осевая нагрузка на долото G, кН (тс) - создает необходимое усилие для разрушения горной породы на забое.

G = g D (g = 1,5 - 15 кН/см);

n Частота вращения долота n, с-1 (об/мин) - - оказывает влияние на скорость углубления забоя.

- низкооборотный режим n < 150 об/мин

- среднеоборотный режим n = от 150 до 450 об/мин

- высокооборотный режим n = от 450 до 750 об/мин .

Плотность с, кг/м3 (г/см3) - масса единицы объема жидкости, кг/м3 (г/см3), характеризует гидростатическое давление столба жидкости в скважине и определяет гидравлические потери при циркуляции.

n и другие свойства бурового раствора.

9. Показатели работы долота (показатели бурения скважины):

Проходка на долото, h (м) - количество метров, пробуренных данным долотом от начала разрушения породы на забое до момента окончания его работы по углублению скважины;

Время механического бурения, t (ч) - количество часов работы долота при разрушении породы на забое;

Механическая скорость проходки, Vм = h / t (м/ч) - количество метров, пройденных данным долотом за единицу времени механического бурения. Мехскорость проходки характеризует интенсивность разрушения породы на забое. Изменение текущей механической скорости связано с изнашиванием долота, чередованием пород по твердости, изменением режимных параметров в процессе отработки долота. Снижение механической скорости проходки свидетельствует о необходимости подъема долота;

Рейсовая скорость бурения,

Vр = h / t+tсп (м/ч) 

количество метров, пройденных данным долотом за единицу суммарного времени механического бурения, спуско-подъема долота и вспомогательных работ. Рейсовая скорость определяет темп углубления скважины. Долото, поднятое при достижении максимума рейсовой скорости, обеспечивает наиболее быструю проходку ствола скважины;

Эксплуатационные затраты на 1 м проходки (стоимость 1 м проходки), руб/м. - (стоимость одного метра проходки) равняются сумме стоимости долота, а также всех расходов, необходимых для углубления скважины в данном интервале бурения, отнесенных к длине этого интервала. Расходы, необходимые для углубления скважины, выражаются в величине стоимости 1 часа работы буровой установки по затратам, зависящим от времени.



Проходка за рейс долота (hр) - количество метров, пробуренных данным долотом от начала разрушения породы на забое до момента окончания его работы по углублению скважины и подъема долота на поверхность, с целью его повторного использования для бурения. Обычно для шарошечных долот h = hр. Для алмазных долот h = сумме hр.

10. Технология отбора керна в различных группах пород

Отбор керна в горных породах I группы

Горные породы I группы характеризуются наиболее низким выходом керна (0-20%). Состав и строение этих пород отличаются крайней неоднородностью. Они имеют различное генетическое происхождение и требуют использования специальных технологических методов и технических средств для обеспечения получения кондиционного выхода керна.

В рыхлых, несвязных и размываемых породах (пески, супеси, дресва, валунно-галечные и песчано-глинистые отложения) при бурении скважин глубиной до 50 м рекомендуется применять колонковые снаряды для вибробурения, шнеко-колонкового бурения и снаряды ударного действия.

При вибробурении используются виброснаряды (виброзонды) диаметрами от 40 до 219 мм, длиной от 0,5 до 4 м и установки БУВ-1Б, оборудованные вибромолотом с частотой ударов от 1000 до 1400 в 1 мин.

При шнеко-колонковом бурении применяются полые (или магазинные) шнеки или комбинация шнека с колонковым снарядом. Бурение ведется с частотой вращения до 150 мин-1 и осевой нагрузкой 200-300 даН установками УКБ-12/25, с которыми могут использоваться также грунтоносы вращательного действия конструкций ВСЕГИНГЕО и аналогичные конструкции.

Для получения керна в породах первой группы, а также при разведке силикатно-никелевых и бокситовых месторождений и при глубине скважин до 100 м рекомендуется использовать способ бурения с гидротранспортом керна на поверхность комплексом КГК-100.

В неоднородных, перемежающихся по твердости слабосвязных и сильнотрещиноватых породах III-VIII категорий по буримости, слагающих ряд гидротермальных, осадочных и инфильтрационных месторождений коры выветривания, рекомендуется применять эжекторные колонковые снаряды в комплекте с высокочастотными гидроударными машинами и безнасосное бурение. 80-100% выход керношламового материала в породах I группы обеспечивают специальные комплексы ГРЭС, причем доля шлама в пробе возрастает в рыхлых и несвязных породах, а также при увеличении степени их неоднородности и трещиноватости.

Кроме того, при бурении связных сильнотрещиноватых пород I группы рекомендуется применять двойные колонковые трубы, обеспечивающие защиту керна от разрушения в сложных геологических условиях: применение невращающихся внутренних керноприемных труб; использование схем промывки с полной изоляцией керна от потока промывочной жидкости (трубы ДТА-2, ДонбассНИЛ-1, 2, 3) или с обеспечением обратной промывки вдоль оси керна (ТДН-0, ДЭС ЦНИГРИ).

Рабочие параметры режимов бурения с двойными колонковыми трубами подбираются в каждом конкретном случае в зависимости от геолого-технических условий бурения и типа применяемой трубы. Для всех указанных двойных колонковых труб осевая нагрузка на инструмент увеличивается в 1,3-1,5 раза по сравнению с рекомендуемой для бурения одинарными колонковыми снарядами в связи с существенным увеличением площади разрушения породы под торцами утолщенных специальных твердосплавных и алмазных коронок.

При бурении пород I группы для предупреждения размыва стенок скважины и керна необходимо обеспечить рациональную скорость потока промывочной жидкости в межтрубном и затрубном зазорах. Так, предельные скорости восходящего потока промывочной жидкости при бурении пород I-III категорий с промывкой глинистым раствором составляют соответственно 1,5; 2,2 и 5,0, водой - 0,4; 1,2 и 3,4 м/с.

Легкорастворимые минеральные соли и сцементированные льдом многолетнемерзлые породы, входящие в группу I, под воздействием промывочной жидкости легко разрушаются. Для предохранения керна и стенок скважины от разрушения необходимо применять промывочные жидкости, сходные по химическому составу с полезным ископаемым. При бурении растепляемых пород следует применять охлажденные солевые растворы или охлажденный сжатый воздух.

Бурение рыхлых, обводненных пород этой группы рекомендуется осуществлять с опережающим замораживанием с промывкой скважины морозостойким реагентом, охлажденным до минусовой температуры.

Бурение пород I группы рекомендуется проводить на пониженных частотах вращения бурового снаряда (до 500 мин-1 ), заклинивание керна допускается выполнять методом затирки всухую, колонковые снаряды с керном необходимо поднимать плавно, без рывков и ударов во избежание потери последнего.

Отбор керна в горных породах II группы

Горные породы II группы характеризуются низким выходом керна (20-40%). Породы связные, в основном неоднородные по строению, средне- и сильнотрещиноватые. Генетическое происхождение самое разнообразное. Для получения кондиционного выхода керна необходимо применять специальные технические средства и технологические методы.

Ввиду большого разнообразия пород II группы рекомендуется использовать следующие специальные технические средства. Для пород с выходом керна 20-30%: гидротранспорт керна (КГК-100); эжекторные снаряды (ГРЭС, ДЭС); двойные колонковые трубы (ТДН-0, ДонбассНИЛ-2,3). Для пород с выходом керна 30-40%: двойные трубы с комбинированной промывкой (ТДН-2, ТДН-УТ); снаряды со съемными керноприемниками (ССК и КССК); специальные эжекторные снаряды (ГРЭС).

Для повышения технико-экономических показателей бурения и выхода керна в комплект колонкового набора наряду с двойными трубами и эжекторными снарядами следует вводить высокочастотные гидроударные машины типа ГВ (конструкции СКБ).

Бурение пород II группы производится на пониженных частотах вращения (до 700 мин-1 бурового снаряда. При этом обязательно применение антивибрационных средств и соосных калиброванных снарядов. Промывку можно проводить глинистыми растворами нормальной и повышенной вязкости, а также водой. При бурении растворимых и растепляемых пород применяют промывочные жидкости специального состава. Срыв керна необходимо осуществлять кернорвателями специальных конструкций, обеспечивающими надежный захват и удержание керна при подъеме из скважины.

Отбор керна в горных породах III группы

Горные породы III группы характеризуются крайним разнообразием как по геологическим характеристикам (составу, строению, генезису), так и по физико-механическим свойствам (твердости, абразивности, трещиноватости и т. д.). Разнообразное сочетание перечисленных признаков определяет выход керна в пределах 40-60% при бурении одинарными колонковыми снарядами диаметром 59 мм.

Для обеспечения получения кондиционного выхода керна пород III группы рекомендуется использовать специальные технические средства: двойные колонковые трубы (ТДН-0, ТДН-2, ТДН-УТ); снаряды со съемными керноприемниками (ССК и КССК); эжекторные снаряды (ДЭС); специальные эжекторные снаряды (ГРЭС).

При бурении пород II-VI категорий, неоднородных по строению, средне-трещиноватых рекомендуется применение двойных колонковых труб ДонбассНИЛ-1,2.

В исключительных случаях, при решении второстепенных геологических задач, в монолитных и слаботрещиноватых комплексах вмещающих пород допускается применение одинарных колонковых снарядов. При использовании одинарных колонковых снарядов внутреннюю поверхность колонковой трубы в целях снижения коэффициента трения при продвижении кернового материала рекомендуется покрывать смазывающими добавками, не влияющими на достоверность опробования полезного ископаемого. При бурении одинарными колонковыми снарядами в породах этой группы допускаются следующие минимальные диаметры бурения, мм: при алмазном способе - 59 , при твердосплавном - 76.

Существенное значение для сохранения керна имеет количество и состав промывочной жидкости, в качестве которой используются техническая вода, глинистые растворы нормальной вязкости и пониженной водоотдачи, безглинистые и специальные растворы. Обязательно применение антивибрационных средств (антивибрационной смазки, эмульсолов).

Для повышения выхода керна в комплекте с двойными и эжекторными колонковыми снарядами используют высокочастотные гидроударные машины типа ГВ, за исключением разведки на стройматериалы, инженерных изысканий и ряда других работ, когда при алмазном способе бурения запрещается вводить в комплект колонкового снаряда гидроударные машины, так как наложенные высокочастотные ударные импульсы в целом, увеличивая выход керна, резко ухудшают его качество.

Согласно инструкции при бурении двойными колонковыми снарядами и снарядами со съемными керноприемниками рекомендуется применять оптимальные частоты вращения, одинарными - пониженные (до 500 мин-1.

Керн заклинивается только специальными кернорвателями.

Отбор керна в горных породах IV группы

Горные породы IV группы хотя и отличаются разнообразием по составу и строению, но физико-механические свойства, особенно слабая степень трещиноватости, позволяют получать кондиционный выход керна (60-80%) в большинстве случаев без применения специальных технических средств.

Для бурения монолитных и слаботрещиноватых пород IV группы рекомендуется применять одинарный колонковый снаряд и снаряды со съемными керноприемниками, а неоднородных по составу и строению, слабосвязных пород средней трещиноватости (Куд = 11-30 шт/м) - специальные технические средства: двойные колонковые трубы ТДН-2, ТДН-УТ, комплексы ССК в породах VII-XII категорий (ТДН-2 при промывке глинистым раствором, ТДН-УТ, ССК - водой); комплексы КССК в породах III-IX категорий по буримости.

Частота вращения бурового снаряда выбирается оптимальной для данного технического средства.

В качестве промывочной жидкости при бурении твердых пород IV группы применяют воду, мягких - глинистые растворы нормальной вязкости, безглинистые и специальные растворы. Для повышения технико-экономических показателей бурения и снижения вибраций обязательно применение эмульсолов.

При бурении одинарными колонковыми снарядами однородных пород средней и высокой твердости необходимо принимать все меры по снижению уровня поперечных вибраций бурового снаряда (соосные снаряды, антивибрационные средства и т.д.), так как в этих породах они являются определяющим фактором разрушения керна.

При бурении перемежающихся по твердости и мягких пород необходимо следить за режимом промывки, постоянно контролировать расход промывочной жидкости по показаниям расходомера или по выходящей струе из скважины. Излишний расход промывочной жидкости приводит к повышенному износу керна, недостаток - к прижогупородоразрушающего инструмента.

Для получения высоких рейсовых скоростей при бурении монолитных и слаботрещиноватых пород длина колонковой трубы может быть 7-9 м. Допускается применять спаренные колонковые трубы. При этом внутренний диаметр соединительного ниппеля должен обеспечивать свободный проход керна.

При возникновении самозаклинивания керна допускается резко снизить частоту вращения и осевую нагрузку на инструмент без отрыва колонкового снаряда от забоя. При невозможности этого бурение следует прекратить и поднять снаряд на поверхность.

Для повышения технико-экономических показателей бурения и выхода керна допускается применение гидроударных машин типа ГВ (гидроударников высокочастотных) для алмазного бурения и унифицированных гидроударных машин типа Г.

Отбор керна в горных породах V группы

Горные породы V группы характеризуются высоким выходом керна (80-100%). В группу объединены в основном однородные по составу и строению, монолитные или среднетрещиноватые породы различного генезиса и как исключение включены монолитные неоднородные по составу мелко- и тонкозернистые породы на слабом цементе. По геологическим и физико-механическим свойствам пород V группы для их бурения не требуется применения специальных технических средств.

Для повышения технико-экономических показателей бурения в среднетрещиноватых породах, склонных к самозаклиниванию, рекомендуется применять двойные колонковые трубы типа УТ и снаряды со съемнымикерноприемниками (ССК) при максимально возможной частоте вращения бурового снаряда и оптимальной осевой нагрузке.

Одинарные колонковые снаряды обеспечивают кондиционный выход керна практически во всех породах, входящих в данную группу. При бурении твердых и весьма твердых пород основным разрушающим фактором кернообразования является вибрация бурового снаряда. В связи с этим обязательно применение антивибрационных средств и соосных компоновок снарядов. Частота вращения бурового снаряда не ограничивается. В качестве промывочной жидкости следует применять воду или специальные растворы с эмульгирующими добавками и при этом четки контролировать их расход во избежание перегрева и прижога алмазного породоразрушающего инструмента и керна. Для обеспечения высоких технико-экономических показателей при кондиционном выходе керна рекомендуется применять алмазные коронки с уменьшенной толщиной матрицы и торцом полукруглой формы.

При бурении твердых пород средней степени трещиноватости частота вращения одинарного колонкового снаряда с алмазной коронкой ограничивается в пределах 700-1000 мин-1 . Монолитные и слаботрещиноватые мягкие породы на слабом цементе рекомендуется разбуривать одинарным колонковым снарядом с твердосплавной коронкой при частоте вращения 400-500 мин-1 .

При бурении мягких пород во избежание размывания керна особоевшыание уделяется расходу промывочной жидкости, который поддерживается на минимальном уровне, обеспечивающем нормальную очистку забоя от шлама. Обязательно применение антивибрационных средств.

При возникновении самозаклинивания керна следует резко снизить частоту вращения и осевую нагрузку на инструмент без отрыва колонкового снаряда от забоя, а через 2-3 мин вернуться к исходным параметрам. Если ликвидировать само заклинивание не удалось, буровой снаряд поднимают на поверхность.

Для повышения технико-экономических показателей бурения в породах V группы можно рекомендовать введение в состав колонкового снаряда гидроударных машин типа ГВ и Г. Однако при этом следует учитывать, что применение гидроударных машин в комплекте с алмазными коронками существенно снижает качество керна, повышая степень его дробления.

Заклинивание керна, его срыв и удержание при бурении пород данной группы следует производить только специальнымикернорвателями.

Оперативный выбор технических средств и методов получения кондиционного выхода керна в породах различных групп с учетом областей применения данных средств и методов следует проводить в соответствии с рекомендациями. Эталонная схема по выходу керна и классификация пород по трудности отбора керна построены на базе данных бурения коронками диаметром 59 мм. В то же время определенные комплексы юрко-геологических условий I и II группы классификации пород требуют применения коронок диаметром 76 мм и выше, которые при прочих равных условиях увеличивают выход керна на 10-15% на каждый последующий размер. Применение технических средств диаметром 46 мм, наоборот, снижает выход керна по сравнению с эталонным (59 мм) на 10-15%; эти технические средства следует применять при бурении только в породах III-V групп классификации. Таким образом, основными критериями выбора специальных технических средств для отбора керна в различных группах горных пород являются требования, включающие физико-механические и геологические характеристики конкретных горных пород и горно-геологических условий, а также особенности конструкции данного технического средства и технико-экономические показатели его применения.