Физико-механические свойства горных пород

БУРЕНИЕ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН

Пособие по специальности

011100 геология

080100 геологическая съемка, поиски и разведка

месторождений полезных ископаемых

Воронеж

Утверждено научно-методическим советом геологического факультета ВГУ

18 марта 2004г, протокол №

Составители: Стрик Ю.Н; Ильяш В.В

Пособие подготовлено на кафедре полезных ископаемых и недропользования геологического факультета Воронежского государственного университета

Рекомендуется для студентов 2 курса специальности 0111 00 «геология» дневного отделения и 3 курса специальности 080100 «геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых» заочного отделения изучающих дисциплину «техника разведки».

ОГЛАВЛЕНИЕ

	ВВЕДЕНИЕ
1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БУРЕНИИ СКВАЖИН
1.1.	Основные технические понятия, целевое назначение скважин
1.2.	Производственные операции бурения
1.3.	Основные технологические понятия и показатели бурения
2.	ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕСС БУРЕНИЯ
2.1.	Классификация горных пород по степени связности
2.2.	Буримость и классификация горных пород по буримости
3.	КОЛОНКОВОЕ БУРЕНИЕ
3.1.	Общие сведения
3.2.	Общая схема колонкового бурения
3.3.	Инструмент колонкового бурения
4.	КОНСТРУКЦИЯ КОЛОНКОВЫХ СКВАЖИН
5.	БУРОВЫЕ УСТАНОВКИ КОЛОНКОВОГО БУРЕНИЯ
6.	ПРОМЫВКА БУРОВЫХ СКВАЖИН
6.1.	Промывка скважин
6.2.	Основные типы промывочной жидкости и условия применения
6.3.	Назначение глинистых растворов и их свойства
6.4.	Методы измерения свойств промывочных растворов
7.	ТЕХНОЛОГИЯ КОЛОНКОВОГО БУРЕНИЯ
8.	ТАМПОНИРОВАНИЕ СКВАЖИН
8.1.	Производство работ по цементированию скважины при помощи двух пробок
8.2.	Расчет цементирования скважин способом двух пробок
8.3.	Ликвидационный тампонаж скважины

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее пособие имеет цель помочь студентам, обучающимся по специальности освоить один из двух разделов дисциплины «Техника разведки», который называется «Бурение разведочных скважин». Бурение скважин является одним из важнейших технических способов решения многих геологических задач на самых различных стадиях и этапах изучения и освоения недр. Выпускник геологического факультета ВГУ не буровик, но о скважинах и технологии бурения должен знать не меньше, а в некоторых случаях и больше технических исполнителей сложного производственного процесса, каковым является бурение скважин, особенно глубоких. Именно геолог ставит задачи, которые должны быть решены бурением, геолог проектирует конструкцию скважины, выбирает наиболее рациональный комплекс технических средств и технологических способов, которые позволят получить искомый результат с наименьшими затратами. В геологоразведочном деле бурение скважин чаще всего преследует цель вскрыть рудное тело, залегающее на глубине. Поэтому, геолог, задавая с поверхности земли все начальные параметры бурения скважины, должен учитывать всю совокупность геологических, технических и технологических факторов, влияющих на процесс бурения, чтобы скважина выполнила свое предназначение.

В настоящее время бурение скважин, многоцелевое производство и современная промышленность предлагает большой выбор технических средств и технологий, в которых требуется разбираться, чтобы принять правильное решение. В условиях рыночной экономики и жесткой конкуренции между недропользователями к специалистам геологам предъявляются соответствующие требования, так как от его квалификации и знаний, порой на уровне интуиции, может зависеть успех всего предприятия.

Данное пособие будет полезным студентам и при изучении лекционного материала, и при выполнении заданий лабораторного практикума, и в процессе прохождения учебной буровой практике.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БУРЕНИИ СКВАЖИН

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 по сравнению с длиной скважины это первые сантиметры, реже десятки сантиметров при глубине бурения в сотни метров и даже несколько километров.

Бурение, особенно глубокое - достаточно сложное производство, требующее применения специальных технических средств, которые в комплексе именуют буровой установкой. В нее входят следующие главные узлы: буровая вышка (или мачта), энергетическое оборудование или силовой привод – двигатель, буровой станок и буровой насос. В зависимости от способа бурения и конструкции установки подразделяются на вращательные, ударные, вибрационные, турбинные и др. По способу транспортировки они также подразделяются на стационарные, передвижные, самоходные и переносные.

1.1. Основные технические понятия, целевое назначение скважин

Диаметр скважины определяется диаметром породоразрушающего инструмента и изменяется в пределах от 16 до 1500 мм.

Длина ствола скважины - это расстояние от устья до забоя скважины, измеренное по ее осевой линии. Глубина скважины это разница между отметками устья и забоя по шкале глубин (ось z). Достигает 12500 м.

Элементы скважины:

Устье скважины – начало скважины, то есть место пересечения ее с земной поверхностью или с поверхностью горной выработки.

Забой скважины – дно скважины

Стенки скважины – боковые поверхности скважины.

Ствол скважины – пространство в недрах, занимаемое скважиной.

По способу разработки забоя бурение разделяется на бескерновое и колонковое (рис. 1.1.).

Бескерновое бурение – бурение, при котором горная порода разрушается на всей площади забоя. Колонковое бурение – бурение, при котором горная порода разрушается по кольцевому забою с сохранением керна. Керн – колонка горной породы, образующаяся в результате кольцевого разрушения забоя скважины.

Основные размеры скважины – диаметры интервалов бурения в мм; диаметры наружные и внутренние колонн обсадных труб в мм; глубина интервалов скважины от устья до забоя в м; общая глубина и длина скважины от устья до забоя в м.

Пространственное расположение буровой скважины определяется: 1) координатами устья x, y, z; 2) направлением скважины; 3) углом наклона скважины; 4) азимутом скважины; 5) глубиной (рис. 1.2.).

По направлению бурения скважины, форме ствола и их количеству скважины делятся на следующие группы: 1- вертикальные; 2- наклонные; 3- горизонтальные; 4- восстающие; 5- искривленные; 6- многоствольные.

Буровой установкой называется комплекс, состоящий из буро­вой вышки (или мачты), бурового и энергетического оборудования, необходимых при бурении скважин. В зависимости от способа бурения буровые установки подразделяются на вращательные, ударные, вибрационные и др. В зависимости от транспортных средств подразделяются на стационарные, передвижные, само­ходные и переносные:

По целевому назначению буровые скважины делятся на три основные группы: геологоразведочные, эксплуатационные и технические.

1 – Геологоразведочные скважины:

· Картировочные

· Поисковые

· Разведочные

· Гидрогеологические

· Инженерно-геологические

· Сейсмические

· Структурные

· Опорные

· Параметрические

2 – Эксплуатационные скважины:

· Водозаборные

· Нефтяные и газовые

· Скважины подземной газификации углей

· Скважины для добычи рассолов

· Геотехнологические скважины

3 – Технические скважины:

· Взрывные скважины

· Стволы шурфов и шахт

· Другие

1.2. Производственные операции бурения

Бурение как производственный процесс состоит из ряда последовательных операций,

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 разрушение горной породы породоразрушающим инструментом на забое скважины;

б) очистка забоя от разрушенной породы и транспортирование ее от забоя до устья скважины. При бурении с промывкой или продувкой, а также при бурении шнеками эта операция совмещается с основной — чистым бурением;

в) спуско-подъемные операции осуществляются для замены износившегося породоразрушающего инструмента и для подъема керна (образцов пород).

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 гидрогеологической скважине и производство гидрогеологических исследований (замеры уровня воды в скважине, отборы проб воды, определение дебита скважины с помощью пробных откачек).

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.

1.3 Основные технологические понятия и показатели бурения

Показателями бурения называются параметры, характеризующие количество и качество результатов проходки скважин. Главнейшими из них являются: скорость, стоимость 1 м пробуренной скважины, процент выхода керна, направление ствола скважины и др.

Режимом бурения называется сочетание параметров, которые могут изменяться бурильщиком.

Так, например, при вращательном бурении основными параметрами режима бурения являются: 1) осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент; 2) частота вращения бурового снаряда;

3) качество очистного агента (воды, бурового раствора или сжа­того воздуха); 4) объемный расход, т. е. объем в единицу времени очистного агента.

Различают следующие разновидности режимов бурения: оптимальный и специальный.

Оптимальным режимом бурения называется сочетание параметров режима бурения, обеспечивающих максимальную ско­рость бурения в данных геолого-технических условиях при данном типоразмере породоразрушающего инструмента и при обеспе­чении требуемых качественных показателей: надлежащего на­правления ствола скважины и высокого выхода керна.

Специальным режимом бурения называется сочетание специальных технологических задач. Например, взятие керна полезного ископаемого с помощью специальных технических средств, вы­прямление ствола скважины, искусственное искривление сква­жины в заданном направлении и др. В этом случае величина ско­рости бурения имеет подчиненное значение.

Рейсом бурения называется комплекс работ, затраченных на выполнение следующих рабочих операций: 1) спуск бурового снаряда в скважину; 2) чистое бурение, т. е. углубление сква­жины (основная операция); 3) подъем бурового снаряда из сква­жины.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД