Скважина на воду

1. Выбор конструкции скважин и способа бурения

Выбор конструкции скважин

Геологический разрез представлен осадочными, метаморфическими породами. В данном разрезе имеются два участка с осложненными зонами. Первый участок находиться на интервале от 0 до 30 метров, на данном участке происходит расцепление, обрушение стенок скважины. На интервале от 80 до 90 метров находятся кварцево-жильные образования и березиты с повышенной трещиноватостью, на этом участке происходит поглощение промывочной жидкости.

Общую глубину скважины берём равной 300 метров, вследствие того, что полезное ископаемое (кварцево-жильные образования и листвениты) залегает на глубине 260-285 метров. К этой глубине добавляем еще 15 метров, для достоверности подсечения подошвы и возможности исследования пласта геофизическими приборами.

Для конструкции данной скважины наиболее рационально выбрать 3 ступени, как минимально возможное число для исследуемого геологического разреза. Конечная ступень скважины будет в интервале 30-300 метров, диаметром 59 мм, так как на этом интервале находится осложненная зона.

Вторая ступень будет находиться в интервале от 3 до 30 метров, диаметр второй ступени возьмем, на размер больше чем диаметр предыдущей ступени, равный 76 мм. На глубине от 0 до 3 м будет находиться первая ступень, диаметром 93 мм.

В соответствии с данной конструкцией скважины потребуется две колонны обсадных труб. Использовать будем обсадные трубы ниппельного соединения. Первая колонна (направляющая) на глубине от 0 до 3м, диаметром 89 мм. Вторая колонна предназначена для закрепления неустойчивых стенок скважины на интервале от 3 до 30 м. Диаметр второй обсадной колонны 73 мм. Башмаки обсадных колон, с целью герметизации зазора между стенкам скважин и обсадными трубами, следует затампонировать цементным раствором, а сверху на трубы установить пеньковые сальники.


Выбора способа бурения

В данном геологическом разрезе целесообразнее использовать вращательный способ бурения. Это обусловлено тем, что этот способ наиболее эффективен при бурении не клинящихся хрупких пород I- XII категорию по бурении при горизонтальном залегании рудных тел, что соответствует данному разрезу. Так же вращательный способ применяют и при бурении разрезов с небольшими по мощности слоями трещиноватых пород, в которых использовать ударно-вращательный способ вследствие вы валов кусков пород под воздействием ударных импульсов невозможно. Так как данная сеть скважин предполагает поиск и предварительную разведку, то требуется взять керн по всей глубине скважины, поэтому следует применять колонковый способ бурения. Достоинствами колонкового способа являются возможность извлекать образцы горных пород, бурить скважины с относительно небольшим искривлением, бурить скважины на значительную глубину с относительно не высоким расходом энергии. Вследствие того, что мы имеем сложный геологический разрез, применяем комбинированный способ бурения (твердосплавный и алмазный).

Твердосплавный способ следует применять на интервале 0-30 м. Этот интервал представлен мягкими, рыхлыми породами, для бурения которых более эффективно использовать твердосплавные коронки, так как алмазные коронки имеют малый выход режущей кромки алмаза, что резко уменьшает механическую скорость бурения в рыхлых и мягких породах. В отличие от алмазных коронок, твердосплавные коронки имеют больший выход резца, что позволяет ему более глубже внедрятся в породу. Наиболее целесообразнее использовать твердосплавные коронки типа СМ 4 и СМ 5, как наиболее подходящие для бурения в данных условиях. Диаметры коронок выбираем 93 мм для первой ступени и 76 мм для второй ступени.

На интервале 30-300 м следует использовать алмазные коронки, как более производительные для бурения вмещающих пород этого участка. Алмазные коронки, за счет высокой износостойкости, позволят существенно повысить параметры технологических режимов бурения; повысить механическую скорость бурения и длину рейса. Для представленных пород наиболее подходят алмазные коронки типа А4ДП предназначенные для бурения абразивных, среднезернистых пород VIII-IX категории бурения.



2. Выбор бурового снаряда, оборудования и инструментов для ликвидации аварий

Выбор бурового снаряда

Породы, слагающие разрез в основном устойчивые, однородные, поэтому бурение скважин будем осуществлять с помощью одинарного колонкового снаряда высокооборотного алмазного бурения. Эти снаряды отличаются простотой конструкции и использование любых промывочных жидкостей. Они позволяют повышать механическую скорость бурения при высоком качестве опробования. Верхний интервал представлен дробленными и трещиноватыми породами, их следует перебуривать одинарным колонковым снарядом твердосплавного бурения, при невысоких скоростях вращения снаряда.

Забойный снаряд алмазного бурения состоит из, расширителя секторного типа РСА-59 с кернорвательным кольцом, колонковой трубы диаметром 57 мм, переходника-центратора П-1, отсоединительного переходника с бронзовым кольцом и забойного амортизатора ЗА-7. Бурильная колонна должна соответствовать выбранной конструкции скважины диаметром 59 мм. для высокооборотного бурения скважин диаметром 59 мм рекомендуется использовать легкосплавную бурильную колонну ниппельного соединения ЛБТН-54, длиной бурильных труб 4400 мм. достоинствами легкосплавных труб ниппельного соединения являются: малы коэффициент трения при вращении, малая вибрация снаряда, малая энергоёмкость.

Для подачи промывочной жидкости в бурильную колонну выбираем сальник типа СА. Предусматривается следующая контрольно-измерительная аппаратура для предупреждения аварий: детектор износа труб ДИТ, толщиномер Т-1, дефектоскоп, прибор ОМ-40. Прибор предупредительной сигнализации. Для измерения расхода промывочной жидкости в процессе бурения электромагнитный расходомер ЭМР-2.


Выбор оборудования и инструментов для ликвидации аварий

Наиболее характерными и часто встречающимися авариями при бурении являются: обрыв и прихват снаряда, прижег коронки. Выбор аварийного инструмента производится исходя из опыта выполнения подобных ликвидационных работ.

  1. Метчики ловильные Д-57
  2. Колокола ловильные А-76
  3. Гидравлический труборез труболовка ТТ-59
  4. Метчик коронка МК-59
  5. Магнитная ловушка МЛ-59
  6. Вибратор забойный ВЗ-2
  7. Домкрат гидравлический ДГ-40
  8. Ударные бабы весом 150 и 160 кг

Большую роль в успешной ликвидации аварии играет быстрота при проведении ликвидационных работ.



3. Технология бурения

Выбор очистных агентов

В верхнем интервале от 0 до 30 м Неустойчивая горная порода IV-VI категории бурения. В следствии того, что бурение происходит в условиях вечной мерзлоты, для предотвращения расщепления, и как следствие этого, обрушения стенок скважины бурение производим в сухую. В интервале от 30 до 300 метров разрез представлен крепкими породами VII-IX категории бурения. Так как в этом интервале мы используем, по проекту, высокооборотное алмазное бурение то целесообразней использовать эмульсионные растворы. Эмульсионные снижают вибрацию бурового снаряда, трение, износ бурильных труб и обладают высокой несущей способностью. В качестве контрольно-измерительных приборов, для определения качества эмульсионных растворов, применяются специальные колбы для определения содержания масла в эмульсии и для определения концентрации эмульсии. Количество промывочной жидкости при колонковом бурении рассчитывают по формуле: VP=KCVPL м3

Где : VP=(7.4-6.3)Д2 — расход бурового раствора на 1 метр скважины, диаметром Д

L — общий метраж скважины с применением данного раствора

КС — коэффициент сложности по группам, принимаем КС=2. VP=2*5*592*300= 10443000 м3


Выбор породоразрушающих инструментов и технологических режимов бурения

Бурение скважины на интервале 0 — 30 м следует осуществлять шарошечным долотом. Далее, на интервале 3-30 м бурение производят коронкой СМ5 диаметром 76 мм. Осевую нагрузку на коронку определяют по формуле: C=mP, Н

Где: m- число резцов в коронке, для коронки СМ5 диаметра 76 мм. m=16, Р-удельная нагрузка на резец, принимаем 1.0 кН. С=6*1.0=6.0 кН

Частота вращения коронки рассчитывается по формуле: n=38.2v0/(D1-D2) об/мин

Где: v0 — окружная скорость коронки, принимаем 0,8 м/с

D1 и D2 — наружный и внутренний диаметры коронки по резцам, для коронки СМ5 — 76 мм D1= 76мм, D2=59мм=0.059м

n=38.2*0,8/(0,076+0,059)=226 об/мин

Расход промывочной жидкости определяется по формуле: Q=gD1 л/мин

Где: g — удельный расход жидкости на один сантиметр диаметра коронки, принимаем 12 л/мин по таблице 3[8] для VI категории бурении. Q=12*7.6= 91,2 л/мин

В интервале от 30 до 300 метров породы абразивные, монолитные VII-IX категории бурения. По таким породам эффективна алмазная коронка А4ДП диаметром 59 мм

Осевую нагрузку на коронку рассчитывают по формуле: С=pS, H

Где: р- удельная нагрузка на 1 см2 торца коронки; S — площадь торца коронки

Удельную нагрузку, по монолитным породам, рекомендуется принимать 1 кН/см2

Площадь торца коронки составит: S=D2H/4- D2B/4 см2; D1=5.9cm, D2=4.2cm

S=3.14(5.92-4.22)/4=13 cm2 C=1.0*13=13kH

Частота вращения коронки рассчитывается по формуле: n=38.2v0/(D1-D2) об/мин

Где: v0 — окружная скорость коронки, м/с. D1 и D2 — наружный и внутренний диаметры коронки по резцам, для коронки СМ5 — 76 мм D1= 59 мм, D2=42 мм = 0.042 м. Окружную скорость по этим породам следует принимать согласно рекомендациям ВИТР 4-4.5 м/с. Для высокоскоростного бурения принимаем максимальное значение 4.5 м/с. n=38.2*4,5/(0,059+0,042)=1562,7 об/мин. Расход промывочной жидкости можно рассчитать по формуле: Q=(D2-d2)vл/4, об/мин; Где: D,d — диаметр коронки и бурильных труб, м. vл- скорость восходящего потока промывочной жидкости м/с. рекомендуется 0,35-0,6. При бурении абразивных пород с промывкой скважины промывочной жидкостью малой вязкости скорость восходящего потока принимают по максимуму 0,6 м/с. Тогда Q=3,14(0,0592-0,0542)0,6/4=26 л/мин

Для бурения скважин диаметром 59 мм по абразивным породам ВИТР рекомендует принимать 25-35 л/мин

На интервале 80-87 м разрез представлен породами повышенной трещиноватости IX категории бурения. На этом интервале идет интенсивное поглощение промывочной жидкости. Для бурения используем одинарный колонковый снаряд с алмазной коронкой А4ДП диаметром 59 мм Осевую нагрузку рассчитываем по формуле: С=pS, H; р=0,9 кН/см2, S=13см2 С=0,9*13=11,7 кН; Частоту вращения по абразивным трещиноватым породам понижают в зависимости от степени трещиноватости( для сильно трещиноватых до 180-200 об/мин). Вследствие того, что породы устойчивые принимаем на этом интервале частоту вращения принимаем 600 об/мин. Расход промывочной жидкости можно рассчитать по формуле: Q=(D2-d2)vл/4, об/мин

Где: D,d — диаметр коронки и бурильных труб, м. vл- скорость восходящего потока промывочной жидкости

Q=3.14(0.0592-0.0542)*0.75/4=33 л/мин. По рекомендации ВИТР принимаем Q=40 л/мин



4. Тампонирование скважин

В геологическом разрезе имеется зона осложнений, в интервале 80-87м. В этой зоне залегают трещиноватые Кварцево-жильные образования. На этом интервале возможно поглощение промывочной жидкости. Величина раскрытия трещин = 3мм., интенсивность поглощения частичное, подземные воды отсутствуют. При тампонировании данного интервала можно использовать цементные растворы и их разновидности: глинистые и полимерные пасты, синтетические смолы. Задачей тампонирования является кольматация трещин на данном интервале разреза. Связи с величиной раскрытия трещин = 3мм. и с экономической точки зрения целесообразней всего использовать глинисто-цементную смесь, в качестве используем опилки как наиболее доступные и дешёвые.

Рассчитываем объем тампонажной смеси требуемой для кольматации зоны осложнения по формуле VP=K[D2(N+h0+h1)/4] м3

Где: К- коэффициент, зависящий от радиуса проникновения смеси(1-5) проектом предусматривается К=2

D — диаметр скважины, м

N — мощность трещиноватой зоны N=7м

h0,h1- мощность заполнения раствором выше и ниже мощности трещиноватости пласта h0=h1=3м

VP=2[3,14*0,0592(7+3+3)/4]=0,087 м3

Состав сухой смеси: глины-60%, цемента-20%, опилок-10%, воды-10%. Количество сухой смеси для приготовления тампонажного раствора определяем по формуле:

Gcc=VP/[S(ai/pi)+mS(bi/pi)] т

Где: VP-объем тампонажной смеси; S(ai/pi)-отношение массовых долей к плотности компонентов в сухой смеси

S(bi/pi) — отношение массовых долей компонентов жидкости к их плотности; m-водоцементное отношение

Gcc=0,174/[(0,6/3,15)+(0,2/1,6)+(0,1/0,04)+0,6(0,1/1)]=0,06 т

Исходя из этого количество цемента равно: Gц=0,06*20/100=0,012т

Количество глины равно: Gг=0,6*0,06=0,036 т

Количество опилок равно: Gо=0,06*0,1=0,06 т

Количество воды равно: GВ=0,06*0,01=0,06 т

Плотность тампонажного раствора находим по формуле: p=(Gcc+GB)/Vp т/м2

Для тампонирования трещиноватых зон залегающих на глубине 150-200 м. С плохой проницаемостью поглощающих горизонтов при тампонировании одно растворочными смесями, можно применять способ тампонирования с помощью пакеров. Для тампонирования скважин диаметром 59 мм. разработало комплект тампонажного инструмента ТУ-7, состоящего из герметизатора, пакеров и смесителя. Для тампонирования данной зоны требуется только два пакера опускаемых на бурильных трубах. Два пакера на бурильных трубах устанавливают на заданной глубине выше и ниже трещиноватой зоны. Затем через бурильную колонну прокачивают тампонажную смесь под давлением, тампонажная смесь проникает в трещины. Для тампонирования зоны закачивают рассчитанный объем тампонажной смеси. Для проведения исследований в зоне осложнений требуется контрольно-измерительная аппаратура. Для измерения диаметров скважин используют каверномер КМ-38, его опускают в скважину на каротажном кабеле. Глубину залегания, число и мощность проницаемых зон, интенсивность поглощения промывочной жидкости используют расходомер ДАУ-3М. Уровень воды в скважине замеряется хлопушей. Для определения гранулометрического и минерального состава используют боковые пробоотборники БП. Для определения параметров тампонажной смеси предусмотрено использовать набор приборов: Конус "АзННИ", прибор ВИКА, имитатора для определения закупоривающей способности и прибор Микаэлиса.



5.Выбор оборудования и контрольно-измерительных приборов "КИП"

Выбор бурового оборудования и КИП

Площадь проектируемых работ располагается в зоне экстремальных географических и климатических условий. Бурение производится в зимний период в течении двух лет. Рельеф местности спокойный, проектом предусмотрено высокооборотное алмазное бурение, поэтому используем высокооборотные буровые установки типа УКБ-4П. Достоинства УКБ-4П: малые затраты времени на монтажно-установочные работы, более благоприятными условиями для рабочих.

Техническая характеристика установки: Установка представляет собой комплекс бурового и электрического оборудования, сведенный в один технологический блок, перевозимый без разборки. Установка предназначена для бурения вертикальных и наклонных геологоразведочных скважин алмазными и твердосплавными коронками, с отбором керна колонковыми снарядами и снарядами ССК. В качестве привода предусмотрено использовать электродвигателя. Электроэнергия вырабатывается дизелем Д37Е-С2 с воздушным охлаждением и запуском от пускового двигателя. В состав бурового оборудования установки входят: грязевой насос НБ3 120/40, трубо разворот РЕ-1200, элеватор М3-50-80. В соответствии с уже выбранными размерами бурильных, колонковых и обсадных труб выбираем вспомогательный инструмент: ключи корончатые типа КК, ключи шарнирные трубчатые типа КШ служащие для свинчивания и развинчивания бурильных труб и забойных снарядов. Вспомогательный инструмент для осуществления спуско подъемных операций: подкладные вилки, разъемные хомуты, вертлюг-амортизатор. Выбор талевой системы начинают с выбора каната. Разрывное усилие каната определяют по формуле: P1=mI PЛ, Н; Где:mI=3-3.5-запас прочности, РЛ- грузоподъемность лебедки; P1=3,5*32=112 кН.

Таким образом, по ГОСТу 3077-69 выбираем канат 15,0-Г-1-СС-Л-Н-170

Где: 15,0- диаметр каната, Г — грузовой, 1- марка проволоки; оцинкован по группе СС; Л — левой крестовой свивки; Н — не раскручивающийся с разрывным усилием маркировочной группы по временному сопротивлению разрыву 1700 мПа

Минимальное количество роликов в талевом блоке определяют из выражения: kQ/2PЛ k20/2*32=0,3 принимаем к=1 в кронблоке к1=к+1=1+1=2

КИП для контроля параметров режимов бурения установки УКБ-4П применяют те приборы, которые установлены на станке и насосе (дрилометры, манометры, электроприборы).


Выбор для приготовления промывочных жидкостей

В качестве промывочных жидкостей используется эмульсионный раствор на основе сульфатных мыл. Приготавливают раствор в эмульгаторе, непосредственно на буровой. Воду получают путем таяния снега. Расход промыворчной жидкости на буровую установку в сутки расчитываемпо формуле: Q=[(Y1+Y2+Y3)nC]/mC m3/сут

Где: Y1- объем скважины

Y2-объем резервуаров и отстойников 2-5 м3

Y3- потеря промывочной жидкости, зависит от трещиноватости горной породы, в среднем Y3=(2-5)Y1

nC- число одновременно бурящихся скважин

mC -время использования промывочной жидкости

Y1=D2L/4 m3; Где: D- диаметр скважины L- глубина скважины; Y1=3,14*0,0592*300/4=0,82 м3; Y3=4*0,82=3,28 Q=(0,82+3+3,28)2/2=7,1 м3/сут


Выбор средств очистки промывочной жидкости от шлама

Для очистки промывочной жидкости от шлама применяют гидроциклонные установки, состоящие из гидроциклона и насоса с электроприводом. Гидроциклонные установки принудительно очищают структурированные промывочные жидкости как эмульсионные растворы.


Выбор бурового здания

Буровое здание установки УКБ-4П представляет собой объемную металлоконструкцию, обшитую алюминиевыми панелями с теплоизоляционной прослойкой. Тип здания ПБЗ-4, размеры 7500 х 3160 х 2500. В светлое время суток освещение естественное, а в ночное искусственное электрическое. Система обогрева помещения — электрическая с помощью электро тэнов. В холодное время года температура в здании поддерживается не ниже +150 С. Электроснабжение осуществляется от дизельной электростанции, напряжение в сети 380 В.


Выбор тампонажного оборудования

Для приготовления цементного раствора применяют цементо смесительные машины СМ-4М. Она предназначена для доставки сухого цемента и приготовления раствора для тампонирования. Так для тампонирования непосредственно применяется комплект для тампонирования ТУ7 состоящий из герметизатора устья скважины, пакера для герметизации ствола скважины и смесителя для тампонирования с непосредственным смешиванием жидкого ускорителя перед тампонированием в скважине.


Составление геолого-технического наряда

Установка УКБ-4П с приводом станка от электродвигателя АО2-71-4 мощностью 22кВт. Максимальное усилие подачи на забой 40 кН, вверх 60 кН. Максимальная производительность насоса 120 л/мин, с давлением 0,2 кПа. Все эти данные соответствуют рассчитанным режимам для твердосплавного и алмазного породоразрушающего инструмента.

Таким образом, установка УКБ-4П является наиболее рациональной для бурения геологоразведочных скважин.


Эмульсионные промывочные жидкости

При алмазном бурении широко применяются специальные эмульсионные промывочные жидкости, которые помимо выполнения основных функций промывки (охлаждение породоразрушающего инструмента и удаление с забоя разрубленной породы), обладают повышенными смазочными и антивибрационными свойствами и активно воздействуют на весь процесс разрушения горных пород. Такими свойствами при различной степени активности в зависимости от характера горных пород и степени минерализации вод обладает ряд жидкостей. Наибольший и практический интерес представляют жидкости, которые приготавливаются из товарных продуктов нефтеперабатывающей, химической, лесотехнической промышленности и апробированы в лабораторных и производственных условиях.


Эмульсии из кожевенной эмульгирующей пасты

Кожевенная паста — товарный продукт, выпускаемый отечественными нефтеперерабатывающими заводами, представляет собой минеральное масло средней вязкости, загущенное натровыми мылами синтетических жирных кислот.

Пасту вводят в воду в соотношении от 1:2000 до 1:50, т.е. в концентрации 0,5-2,0. Указанная концентрация является оптимальной для снижения коэффициента трения, повышения механической скорости бурения и стойкости алмазных коронок.


Эмульсия на основе омыленной смеси гудронов

Омыленную смесь гудронов применяют в качестве эмульгирующей добавки к промывочным растворам при алмазном бурении. Для её приготовления могут быть использованы гудроны технических или растительных жиров или их смесей.

Смесь гудронов нетоксична, а приготовленная на ее основе эмульсия безвредна; эмульсия ОСГ снижает поверхностное натяжение воды на границе с воздухом; это свойство смеси гудрона способствует увеличению механической скорости. Оптимальная концентрация ОСГ в промывочной жидкости находится в пределах 1,5 — 2,5 , зависит от состава смеси гудронов (СГ) и типа горных пород и уточняется лабораторным путем.


Мылонафтовые эмульсии

Мылонафт — это вещество, представляющее смесь натровых мыл нафтеновых кислот, собственно нафтеновых кислот, небольшого количества минерального масла и воды. Преимуществом мылонафта является содержание в нем органических кислот, обладающих наибольшей маслянистостью. Оптимальная концентрация мылонафта в эмульсии составляет 0,5 -1,0 по массе, при этом количество масляной добавки в виде свободных нафтеновых кислот колеблется в пределах 0,25 -0,5.


Эмульсии на основе сульфатных мыл

Сульфатные мыла являются промежуточным продуктом целлюлозно-бумажного производства при изготовлении талового масла; Стабильность раствора сульфатного мыла сохраняется при жесткости воды 10·10-3 моль/л. Сульфатные мыла применяются с технической водой в концентрации 1-2%, в глинистых растворах — с концентрацией 4 % по массе.


Устранение влияния жесткости воды

Наиболее существенное влияние на эксплуатационные свойства эмульсионной промывочной жидкости оказывают степень жесткости воды, из которой готовится эмульсия, и в меньшей степени жесткость вод, поступающих в скважину в процессе бурения. Хорошее защитное действие против разложения эмульсии в жесткой воде оказывают добавки небольшого количества (от 0,05 до 0,5 % от объема промывочной жидкости) неиогенных ПАВ типа ОП-7 и ОП-10. В этом случае образующиеся кальциевые и магниевые соли не коагулируют, а остаются в растворе в виде микрочастиц во взвешенном состоянии в стабильной дисперсной фазе.

Эмульсия получается более стабильной и однородной, если перед разведением в жесткой воде пасту предварительно тщательно перемешать с ОП-7 или ОП-10 до получения однородного эмульсола и только потом разводить водой.

Так же жесткие воды можно смягчить введением растворов электролитов: Na2CO3; NaOH (едкий натр), Na3PO4

Количество химикатов, необходимое для смягчения воды, рассчитывают по формуле: P=nV

Где n- удельное количество химиката для воды данной жесткости, г/м3; V -объем промывочной жидкости, м3