Бурение

Лекция №1 Бурение 1. Основы современной технологии бурения геологоразведочных скважин при разведке твёрдых полезных ископаемых. 2. Способы, виды и разновидности бурения. 3. Цели и задачи геологоразведочных скважин. 4. Элементы и конструкции скважин. 1. Бурением скважин называется совокупность работ по проведению в горных породах выработок круглого сечения. Эти работы выполняются специальными техническими средствами (буровыми установками и инструментами) без доступа человека внутрь этих выработок. Буровой скважиной называется цилиндрическая горная выработка, имеющая диаметр во много раз меньше ее глубины. Технология бурения включает в себя несколько последовательных или одновременных процессов: 1)Транспортирование бурового оборудования осуществляется в различных условиях (пересеченная, заболоченная местность), поэтому вопросам мобильности уделяется значительное внимание. По транспортабельности все буровые установки и комплексы разделяют на три группы: самоходные - наиболее удобны для перемещения; передвижные (смонтированные на прицепах, санях, баржах) - менее мобильны, так как требуют буксирования; стационарные - перемещаются отдельными блоками с помощью различных видов транспорта. 2)Монтаж и подготовка оборудования к работе подразумевают предварительное выравнивание площадки, необходимой для размещения оборудования, инструмента и материалов, оборудования резервуаров для хранения очистного агента (ОА) и выполнения других видов работ. 3)Разрушение породы может быть объемным, усталостным и поверхностным (поверхностное истирание). Объемное разрушение наиболее эффективно и лучше всего реализуется при бурении хрупких пород. При усталостном разрушении (твердые непластичные породы) трещины образуются после многократного воздействия на породу. Наиболее неблагоприятный режим разрушения — поверхностное истирание (твердые, непластичные породы), в процессе которого происходит отделение мельчайших частиц горной породы, что приводит к повышенному износу породоразрушающего инструмента. 4) Удаление породы с забоя и подъем ее на поверхность может производиться непрерывно (с помощью ОА или колонны шнеков) и периодически (с использованием одинарных, двойных и специальных труб). Наиболее часто удаление разрушенной породы с забоя производится при помощи промывки (продувки). Промывка (продувка) — процесс очистки забоя от шлама и охлаждение породоразрушающего инструмента (ПРИ). 5) Крепление стенок скважины может происходить непрерывно с помощью очистного агента. Для надежного или длительного крепления стенок скважины используют обсадные трубы, а затрубное пространство цементируют. 6) Спускоподъемные операции (СПО) — комплекс действий, выполняемых при опускании бурового снаряда на забой скважины и его извлечении на поверхность. Основными действиями при СПО являются свинчивание, развинчивание и укладка бурильных труб. Внедрение гибкой бурильной колонны (колтюбинг), различных специальных снарядов (снаряды со съемным керноприемником — ССК и КССК, комплекс гидровыноса керна — КГК, съемного ПРИ) позволяет минимизировать количество СПО. 7) Предупреждение и ликвидация аварий — комплекс работ, связанных с прогнозированием, профилактикой и устранением геологических (нарушение устойчивости стенок скважины, поглощение ОА, газо-, нефте- и водопроявления, самопроизвольное искривление стенок скважины) и технико-технологических (прихват, обрыв, затяжка) осложнений в скважине. 8) Изучение скважины — комплекс работ, направленный на обнаружение месторождений полезных ископаемых, исследование свойств вмещающих пород, контроль технического состояния скважины в процессе ее сооружения и эксплуатации. 9) Ликвидация скважины — комплекс работ, связанных с заполнением скважины, исчерпавшей свои информационные или эксплуатационные резервы, тампонажными материалами (цемент, глина и т.п.). 2. Способы, виды и разновидности бурения. Бурение геологоразведочных скважин на ТПИ включает несколько видов и разновидностей, различающихся применяемым оборудованием и инструментом и, главное, технологическими решениями (таблица 1) Таблица 1- Виды и разновидности бурения разведочных скважин на ТПИ По способу разработки забоя бурение скважин разделяется на бескерновое (сплошное) и колонковое. Бескерновое бурение - бурение, при котором горная порода разрушается по всей площади забоя. Колонковое бурение - бурение, при котором горная порода разрушается по кольцевому забою с сохранением керна. Керн - колонка породы, образующаяся в результате кольцевого разрушения забоя скважины. Колонковое бурение является основным техническим способом разведки месторождений твердых полезных ископаемых. Каждая из разновидностей колонкового бурения отличается не только техническими средствами, но и технологией бурения и имеет свою рациональную область применения, определяемую характером буримых пород, глубиной и диаметром скважины, требованием к геологической информации и другими условиями бурения. 3. Цели и задачи геологоразведочных скважин. Главная задача в бурении геологоразведочных скважин - получение качественной и достоверной геологической информации. По целевому назначению они подразделяются на следующие разновидности: 1. Картировочные скважины бурят при проведении геологической съемки с целью обнажения коренных пород, по которым ведется геологическое картирование, в районах, где эти породы скрыты слоем наносов. 2. Поисковые скважины бурят с целью определения наличия или отсутствия в данном районе того или иного полезного ископаемого. 3.Разведочные скважины бурят с целью оконтуривания и определения запасов полезного ископаемого на данном месторождении. 4. Гидрогеологические скважины бурят с целью изучения подземных вод, условий их залегания, определения возможного дебита и химического состава. 5. Артезианские скважины являются разновидностью гидрогеологических скважин, пробуренных на напорные пластовые воды. 6. Инженерно-геологические скважины бурят для вскрытия верхних горизонтов земной коры с целью составления геологического разреза, испытаний физико-механических свойств грунтов. 7. Сейсмические скважины бурят при сейсмической разведке. Для проведения подземных взрывов, в результате которых с помощью сейсмографов определяют глубину и углы падения пластов. 8. Параметрические скважины бурят с целью измерения параметров геофизических свойств горных пород и температуры в условиях естественного залегания пород и изучения глубинного строения возможных зон нефтегазонакопления. 9. Структурные скважины бурят с целью изучения геологических структур и элементов залегания (мощности, углов падения и простирания) пластов пород, для контроля и уточнения данных геологических и геофизических съемок. 10. Опорные скважины бурят в пределах площадей, геологическое строение которых не освещено бурением для геологической съемки, поисков, регионального изучения глубинного геологического строения изучения рудоносности или нефтегазоносности глубоких горизонтов. 4. Элементы и конструкции скважин. К элементам буровой скважины относятся (рисунок 1): устье скважины-начало скважины, т.е. место пересечения её с земной поверхностью; забой скважины – дно буровой скважины, перемещающееся в результате воздействия породоразрушающего инструмента на породу; боковые поверхности буровой скважины ; обсадные колонны– колонны соединенных между собой обсадных труб, концентрически расположенные в скважине и предназначенные для крепления её стенок. Если стенки скважины сложены из устойчивых пород, то в скважину обсадные колонны не спускаются; ствол скважины – пространство в недрах земли, занимаемое буровой скважиной; ось ствола скважины– воображаемая линия, соединяющая центры поперечных сечений буровой скважины. Рисунок 1- Элементы буровой скважины: 1 – устье; 2 – забой сплошной; 3 – стенки; 4 – обсадные колонны; 5 – ствол скважины, не обсаженный трубами; 5а – ствол скважины, обсаженный трубами; 6 – ось скважины; 7 – керн ; 8 – забой кольцевой; D1, D2, D3 – диаметры интервалов скважины; d1Н, d1В, d2H, d2B – диаметры обсадных труб, наружные (Н) и внутренние (В); dк – диаметр керна; L1, L2 - глубины обсаженных интервалов скважины; L3 - общая глубина скважины. Конструкцией скважины называется схема ее устройства, в которой указываются изменения диаметров бурения с глубиной, диаметры и глубины спуска колонн обсадных труб, а также места и способы тампонирования. Исходными данными для выбора конструкции скважины служат физико-механические свойства пород геологического разреза, цель и способ бурения скважины, ее глубина и конечный диаметр. Составляют конструкцию скважины снизу вверх. После определения глубины скважины, соответствующей цели ее сооружения, выбирают конечный диаметр бурения. Так, для колонкового бурения алмазами в устойчивых породах возможно применение коронок диаметром 59, 46 и 36 мм. При бурении твердосплавными коронками по углю и бокситам их диаметр должен быть не менее 76 мм, а при бурении по минеральным солям — не менее 93 мм. После выбора конечного диаметра намечаются интервалы, требующие закрепления стенок скважины установкой колонн обсадных труб или одним из беструбных способов, которые основываются на физико-химических процессах, протекающих при специальной обработке пород. Колонны обсадных труб устанавливаются в скважине концентрично, и обычно каждая из них выводится на поверхность. Первая с поверхности, наибольшая по диаметру, колонна называется направляющей и служит для закрепления устья скважины, предохранения его от размывания, а также для отвода промывочной жидкости к устройству, очищающему ее от шлама. При бурении глубоких скважин устанавливается колонна труб, следующая за направляющей и называемая кондуктором, которым перекрывается толща неустойчивых, водопоглощающих или водоносных пород, залегающих в верхней части геологического разреза. Кроме назначений, выполняемых направляющей колонной и кондуктором, обсадные трубы устанавливаются в скважине с целью: 1) изоляции водоносных горизонтов, закрытия стенок скважины перед пересечением полезного ископаемого, над которым залегают неустойчивые, осыпающиеся породы. 2) перекрытия водоносного горизонта для обеспечения установки в нем фильтра. 3) закрытия зон карстов или старых подземных горных выработок, а также участков разрушенных и раздробленных пород. Список литературы 1.Борисов С. С. Горное дело: Учебник для техникумов/ С.С. Борисов —М.: Недра, 1988. 320 с. 2.Бурение и опробование разведочных скважин. Учебное пособие для вузов/В.И. Власюк, А.Г.Калинин, под общей редакцией А.Г. Калинина. – М.: Изд-во ЦентрлитНефтеГаз, 2008. - с.; 3.Воздвиженский Б.И. Разведочное бурение / Б.И. Воздвиженский, О.Н. Голубинцев, А.А.Новожилов. – М.: Недра, 1979. - 510 с. 4. Калинин А.Г., Ошкордин О.В., Питерский В.М., Соловьев Н.В. Разведочное бурение: Учеб. для вузов/ А.Г. Калинин и др. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. - 748 с. 5. Шехурдин В.К., Несмотряев В.И., Федоренко П.И. Горное дело: учебник/ В.К. Шехурдин и др. - М.: Недра, 1987-441 с.