Что такое буровая скважина и что такое бурение скважин.

Лекция 1

Что такое буровая скважина и что такое бурение скважин.

Сначала определим термины:

« Буровая скважина – цилиндрическое отверстие (горная выработка) в земной коре, ледяных массивах и в искусственных сооружениях, имеющее значительно большие размеры в длину, чем ее диаметр».

Начало скважины называется – « устье скважины », дно скважины (поверхность дна скважины) и в процессе углубки (бурения) и по окончании углубки называется «забой скважины»

Ось скважины - «линия соединяющая центры поперечных сечений скважины от устья до забоя».

Стенки скважины – «боковая поверхность скважины».

Ствол скважины - «внутренняя часть скважины, ограниченная ее стенками».

Длина скважины - «расстояние между устьем и забоем скважины по ее оси ».

Глубина скважины – «расстояние между устьем и забоем скважины по вертикали».

Диаметр скважины – «номинальный диаметр скважины, равный диаметру породоразрушающего инструмента

Замечание - Фактический диаметр скважины на разных участках может быть больше за счет разбурки и разработки ствола скважины, или меньше за счет разбухания пород.

Сооружение скважины - (строительство скважины), Выполнение всего комплекса работ, начиная с подготовки площадки и монтажа буровой и кончая рекультивацией территории после бурения, в результате которых скважина пробурена, результаты получены, и скважина ликвидирована или закрыта.

Бурение скважины - выполнение комплекса работ, начиная от забуривания до окончания углубки по достижении конечной глубины и завершении всех работ в скважине.

Углубка скважины - процесс бурения, при котором происходит разрушение породы на забое скважины и поступательное перемещение забоя.

Технология бурения - « ряд последовательных выборов и решений, обеспечивающихэффективное выполнение процесса, включающих и выбор технических средств и способов выполнения процесса». В более узком смысле к технологии относят выбор методов и параметров управления процессом бурения. Этому узкому смыслу близко соответствует понятие режим бурения.

Технические средства для бурения скважин - буровое оборудование, буровой инструмент, контрольно-измерительные приборы (КИП), средства автоматизации и средства управления (СА и СУ).

Что собой представляет буровая скважина .

- скважина может буриться не только вниз, но и наклонно и горизонтально и даже вверх.

- ось скважины может быть прямолинейной и криволинейной; (рис.3)

- диаметр ствола скважины может меняться ступенчато (рис.1)

Диаметр скважин может быть от 900 мм до 26 мм.

Глубина скважин до 12260 м. (научная Кольская сверхглубокая).

Длина скважин до 13000 м. (нефтяная скважина на о. Сахалине).

Рис.1

Какая связь бурения скважин с геологами и с гидрогеологами .

- Геологам - получение полной и достоверной геологической информации;

- при разведке твердых полезных ископаемых,

- при разведке углеводородов.

- определение и подсчет запасов полезного ископаемого,

- составление геологических карт и разрезов.

- Гидрогеологам – проведение инженерно-геологических исследований,

- получение гидрогеологической информации,

- проектирование водозаборных и наблюдательных скважин,

- освоение водозаборных скважин.

- проектирование и освоение дренажных скважин.

История МГРИ - РГГРУ

В сентябре 1918 года была создана Московская Горная Академия, в которой был геологоразведочный факультет, официально считающийся родоначальником МГРИ-РГГРУ.

В 1930 году из МГА выделился единственный в своем роде Московский Геологоразведочный Институт – МГРИ, Таким образом, МГРИ-РГГРУ имеет два года рождения – 1918 год и 1930 год.

Выпускники МГРИ всегда занимали достойное место в науке и практике геологоразведки, гидрогеологии, инженерной геологии и других отраслей народного хозяйства.

С 1975 по 1989 год министром геологии СССР был выпускник МГРИ специальности «Техника разведки» - РТ-48 (второй выпуск) Евгений Александрович Козловский.

Учебно-научный полигон МГРИ

В конце ноября 1935 года МГРИ был передан от Московского электромеханического техникума участок земли около д. Рязанцы Загорского (ныне Сергиево-Посадского) района Московской области. Приказ по МГРИ гласил:

« §1. Для улучшения учебно-практических работ студентов и проведения основных полевых учебных практик студентов: геофизических, геодезических разведочных и инженерно-гидрогеологических, а также для проведения научно-исследовательских опытных работ организовать в составе НИСа опытный полигон учебных и научно-исследовательских работ.

С этого времени на полигоне постоянно проводятся учебные практики студентов всех основных специальностей: геологов, гидрогеологов, геофизиков, техники разведки, в том числе учебные буровые практики.

С 2010 года на Сергиево-Посадском полигоне создается учебно-исторический музей буровой техники.

Рис. 4. Фрагмент бурового музея

Лекция 2

Способы, виды и разновидности бурения скважин Таблица 1

Способы, виды и разновидности бурения	Параметры бурения	Главные области применения
Категория пород по буримости	Глубина скважин до, м	Диаметр скважин мм
Ударно-канатное	I - XII		140 - 700	Разведка россыпей. Бурение на воду
Бурение неглубоких скважин без циркуляции очистного агента	Мелкое ударное бурение	I –III		93 – 168	Инженерная геология, Геологоразведка (поисково-съемочная). Разведка россыпных месторождений. Малое водоснабжение. Взрывные сейсмоскважины. Взрывные при открытой разработке в угольных карьерах. Технические скважины (в строительстве, в горных работах и другие).
Медленно-вращательное и комбинированное	I – V	30 - 50	112 – 250
Бурение задавливанием и винтобурение	I – III	24 - 40	50 – 65
Вибрационное, виброударное и виброударно-вращательное	I – IV I - V		93 – 168
Шнековое	I - IV (V)		60 -250
Механическое вращательное с циркуляцией очистного агента	Геологоразведочное	Бескерновое (со сплошным забоем)	I – XII	Не ограничена	73 – 151 (250)	Геологоразведочные скважины на интервалах, где не нужен керн
Колонковое	Простые снаряды	Твердосплавное	I – VIII	» 1500	36 - 151	Целесообразно до глубин скважин до 200 – 300 м, глубже лучше применять ССК.
С резцами из СТМ	V - VIII		36 – 132
Алмазное	VI - XII		36 – 112
Простые снаряды с забойным механизмом	Гидроударное Ударно-вращательное Вращательно-ударное	VI –XI IX - XII	≈ 500 » 1500	59 – 151 59 - 76	С твердосплавными коронками. С алмазными коронками против заполирования алмазов и самозаклинивания керна.
Пневмоударное Ударно-вращательное	VI - XI	» 500 (до1000)	76 - 300	В сухих и слабообводненных скважинах.
С компрессором высокого давления.
С забойным двигателем		» 1500	59 - 76	Для отклонения интервала скважины при направленном бурении.

Механическое вращательное с циркуляцией очистного агента			Специальные снаряды с подъемом керна без подъема труб	Снаряды со съемным керноприемником КССК, ССК, LJNGYEAR и подобные	V – XI (XII)	1500 – 3500	46 – 95 (47 -145)	При глубине скважин более 200 – 300 м. Современный прогрессивный вариант!
Снаряды (Комплекты) с гидро (пневмо) транспортом керна или шлама КГК, КПК	I - V	300 - 500	76- 250	Прогрессивный метод, но только в слабых породах. Прогрессивный вариант с кольцевым пневмоударником для твердых пород до 1200 м.
Эксплуатационное	Бурение эксплуатационных скважин на нефть и газ	Роторное	I - XII	(с горизонтальным окончанием до 13000м)	120 - 490	Доразведка и добыча и нефти, конденсата и газа (Применялось до 2008 года)
С подвижным вращателем
Турбобуром	V - XII
Гидравлическим двигателем
Электробуром		146 - 390
Бурение водозаборных и гидротермальных скважин	I - IX	200 - 350 2000-2500	112- 350	Добыча воды, рассолов и гидротепла
Бурение геотехнологических скважин	I - IX	50 -700	70 - 500	Добыча ТПИ (уран, сера, железо и др.)
Бурение технических, научных и вспомогательных скважин	I - XII	10 - 12300	70 - 900
Физические способы разрушения горных пород	Гидромониторное бурение	I - IV	В сочетании с добычей ТПИ.
Термодинамическое бурение	VI –XII	Для бурения взрывных скважин.
Взрывное бурение	V - XII	Эффективно, но опасно.
Термостатическое плавлением	VI - XII	Опытное.
Плазменное бурение	VI - XII	Опытное.
Электроимпульсное бурение	IV - VII	Опытное.
Лазерное бурение		Опытное.
Кавитационное бурение		Опытное.
Реактивное		Опытное.
Магнитострикционное		Опытное
Ультразвуковое		Опытное

Лекция 3

Рис. 6

Выбор направления скважины обуславливается наиболее полным решением геологических задач. Самая точная информация о породах пласта (структура, мощность пласта) получается при пересечении скважиной пласта в крест простирания, т.е. под углом 90º.

При бурении скважины в сложных геологических разрезах на поведение её оси существенное влияние оказывают ряд факторов, прежде всего геологические (при переходе из пород одной твердости в породы с другой твердостью, слоистость, трещиноватость, анизотропные свойства пород и другие), а также технико-технологические. В результате, ствол скважины в процессе бурения искривляется, и провести в таких условиях прямолинейную скважину оказывается весьма трудно или даже невозможно. Такое искривление оси скважины называется естественным. В этих случаях целесообразно уже заранее, с учетом факторов, вызывающих искривление, проектировать, криволинейную трассу скважины. При этом криволинейные трассы часто являются не только легче осуществимыми, но и более рациональными, чем прямолинейные.

Поскольку для проведения скважины по заданной трассе необходимо применять специальные технические средства и технологические приемы, то в этом случае искривление скважины называется «искусственное искривление», а работа по исполнению такой трассы называется «направленное бурение»

Криволинейные трассы, как и прямолинейные, могут иметь любое направление и различаются 'на искривленные с постоянной кривизной, с переменной кривизной, с искривлением в двух направлениях, и комбинированные сочетающие прямолинейные и криволинейные участки. (Рис.7)

Рис. 7

Скважины, прибурении которых из одного основного ствола проходятся еще один или несколько дополнительных стволов, называются многозабойными. Трассы основного и дополнительных стволов многозабойных скважин могут быть весьма многообразны, располагаться в одной или нескольких плоскостях, количество дополнительных стволов достигает 20. (Рис. 8)

Рис.8

Наряду с многозабойными скважинами в практике разведочного бурения применяется многоствольное бурение (неправильно многоствольная скважина), когда с одной площадки (за- счет поворота вращателя станка) одним буровым станком последовательно проходятся несколько скважин под разными углами (рис. 9 а, б)

а б

Рис. 9

Такое решение дает существенный экономический эффект при бурении не очень глубоких скважин в труднодоступной местности (рис.9 б) и глубоких нефтегазовых скважин (рис.9 а), позволяя экономить на прокладке транспортных путей и оборудовании площадок, а также уменьшить экологический ущерб.

Проектирование трассы скважины осуществляется в следующей последовательности:

1. Выбор между одноствольной и многозабойной скважиной. При этом, прежде всего, играет роль экономическая целесообразность и необходимость решения геологических задач. Особо важную роль в настоящее время начинают играть вопросы охраны природы - при каждой перевозке и монтаже буровой наносится серьезный ущерб природе - это обязательно надо учитывать.

2. Если выбрана однозабойная скважина, определяется ее направление: вертикальная, наклонная, горизонтальная, восстающая. С точки зрения трудозатрат, они возрастают в том порядке, как (ранее) названы направления.

3. Следующий шаг - определение прямолинейности или криволинейности трассы скважины. В наиболее простых геологических разрезах (с монотонным залеганием пластов или в монолитных массивах) обычно выбирается прямолинейная трасса. В случае, когда в силу действия геологических и технологических причин, скважина будет искривляться, выгоднее использовать естественное искривление и спроектировать трассу скважины криволинейной. При этом надо учитывать, что с ростом интенсивности искривления скважины увеличиваются и трудности ее проведения (возрастают затраты мощности и возможность обрыва бурильных труб). Принято считать допустимой интенсивность искривления не более 0.05град/м. Криволинейная трасса проектируется и с целью решения определенных задач и может быть более эффективной, чем прямолинейная. Например, при подсечении скважиной крутопадающих пластов прямолинейная наклонная скважина должна закладываться с большим зенитным утлом, что создает технические трудности, кроме того, протяженность такой скважины будет больше чем у криволинейной (L1> L2) (Рис.10).

Рис. 10

Другой пример эффективности криволинейной скважины - необходимость попасть в точку, расположенную под недоступным местом (водоем, застройка и т.п.) Рис.11.


Рис. 11

В практике эксплуатационного бурения используются криволинейные скважины, конечная часть которых, входящая в продуктивный пласт, приближается горизонтальному положению и проходит вдоль пласта, что увеличивает возможности добычи полезного ископаемого (в нефтяном бурении такие скважины называют «горизонтальные», но правильнее когда их называют «скважина с горизонтальным окончанием - с.г.о.»). (рис.12).

Рис. 12

Рис. 13.

Снаряды ССК отличаются от простых тем, что они состоят из колонны специальных бурильных труб, имеющих такое же внутреннее сечение, как и у колонковой трубы. В колонковой трубе размещается тонкостенная керноприемная труба, в которую при бурении заходит столбик керна (рис. 13 в) После заполнения керноприемника керном с поверхности на тонком тросе в колонну бурильных труб спускается специальный ловитель, который захватывает головку керноприемной трубы и быстроходной лебедкой керноприемник с керном внутри бурильных труб поднимается на поверхность. Таким образом, вместо нескольких часов для спуско-подъемных операций при бурении глубоких скважин на излечения из скважины керна, потребуется несколько десятков минут. С учетом того, что снаряды ССК значительно дороже, чем простые снаряды, для бурения неглубоких скважин (примерно до 200 – 300 метров) выгоднее использовать простые снаряды, а для более глубоких выгоднее применять снаряды ССК.

При бурении снарядами с гидро или пневмо транспортом керна используется двойная колонна бурильных труб. Поток очистного агента подается к забою по зазору между наружными и внутренними трубами. На забое поток поворачивается и по внутренней колонне поднимается вверх, вынося на поверхность кусочки керна или керновой материал при бурении по обломочным породам. На поверхность выносится все 100% керна (или кернового материала) одновременно с процессом углубки скважины. При этом способе бурения вообще не тратится дополнительного времени на подъем керна, что позволяет резко увеличить производительность. Однако, высокая производительность возможна лишь при бурении в мягких и слабых породах, где порода легко разрушается и механически удаляется с забоя во внутреннюю трубу. Второе ограничение применения КГК, КПК сравнительно небольшая глубина скважин. Обычно принимается глубина скважин до 500 метров. Большая глубина может быть достигнута при использовании продувки в сочетании с кольцевыми пневмоударниками и компрессоров высокого давления (до 2, 5 МПа).

Третий вариант выбора разновидностей бурения в зависимости от геологических условий связан с применением буровых снарядов (простых или специальных) с дополнительным забойным механизмом или специальным колонковым набором.

В специальных случаях могут применяться:

- механизмы, создающие ударные импульсы на породоразрушающий инструмент (ПРИ): а)) при бурении с промывкой – гидроударники, б) при бурении с продувкой или бурении с пеной – пневмоударники;

- забойный винтовой гидравлический двигатель;

- специальные колонковые наборы для получения кондиционного керна в сложных геологических условиях.

Ударные импульсы на забой при вращательном бурении используются для решения ряда задач:

- возможность бурить вертикальные строго прямолинейные скважины за счет того, что при этом не нужна осевая нагрузка на ПРИ, буровой снаряд весит в скважине как отвес и не искривляется, как при вращательном бурении с осевой нагрузкой;

- увеличить скорость бурения за счет дополнительного ударного разрушения породы, особенно при пневмоударном бурении, где скорость может увеличиться в 2 – 3 раза, (при бурении с гидроударном бурении скорость повышается незначительно);

- при высокочастотным гидроударном бурении значительно уменьшается трение резцов о породу и керна в колонковой трубе. Это позволяет бороться с заполированием алмазных коронок и самозаклиниванием керна в колонковой трубе.

Забойный винтовой гидравлический двигатель малого диаметра может применяться при бурении и геологоразведочных, и разведочных нефтегазовых скважин.

Особенность применения забойных двигателей в том, что колонна бурильных труб в процессе бурения не вращается, а вращается только породоразрушающий инструмент – долото или колонковая труба с коронкой. При бурении нефтегазовых скважин забойные двигатели применяются очень широко. При бурении геологоразведочных скважин малого диаметра мощность забойного двигателя недостаточна для эффективного бурения. Однако, возможность бурить без вращении колонны труб с забойным двигателем успешно используется для направленного бурения, когда трассу скважины нужно отклонить в нужную стороны на нужный угол. Забойный двигатель, включенный в снаряд на «кривом переходнике» позволяет качественно управлять направлением трассы скважины.

- Специальные колонковые наборы для получения кондиционного керна в неблагоприятных геологических условиях (размываемые, рассыпающиеся, слоистые, трещиноватые, разрушенные, раздробленные, перемежающиеся и.т.п. породы). За счет специальных конструкций или за счет специальной технологии (обратная циркуляция промывочной жидкости) такие колонковые наборы защищают керн от разрушения за счет размывания, вращения колонковой трубы, разрушения резцами коронки. Поскольку для геологов получение полноценного керна имеет первостепенное значение, этот вопрос будет детально рассмотрен на практических занятиях.

Лекция 6

Рис. 14

6. Кроме графического изображения конструкция скважины определяется ее шифром и пояснительной запиской с обоснованием ее параметров. Из опубликованных методик составления шифра конструкции геологоразведочных скважин наиболее полной и точной является методика, предложенная Донецким ПТИ.

Пример описания конструкции скважины (на рис.15) шифром.

Рис. 15

Ц(20) 112/108цб(220), 93/89цп(440...480), 76(1000)

Основные обозначения шифра:

132 -цифра, обозначающая диаметр бурения

/ -знак, обозначающий крепление трубами

127 -цифра, стоящая за знаком /, обозначает диаметр обсадных труб,

(20) -цифра в круглых скобках после размера обсадных труб обозначает, до какой глубины обсажена скважина

(440….480) -интервал установки потайной колонны

Дополнительные обозначения шифра:

Ц - знак цементирования всей колонны. Ставится за диаметром обсадных труб.

Цб - знак цементирования только башмака (нижней части) колонны

Цп - знак цементирования башмака и верхнего конца потайной обсадной колонны

; - знак расширения скважины. Ставится перед обозначением диаметра инструмента, который расширяет скважину

+ - обозначение, применимое для ступенчатых обсадных колонн

" - обозначение извлекаемой обсадной колонны. Ставится перед обозначением диаметра обсадной колонны, после которого в скобках может быть указана длина части колонны, если она извлекается не вся.

Приведенные обозначения охватывают весь комплекс параметров, входящих в обычное понятие конструкции скважины или изображаемых на схемах конструкций. Однако при необходимости можно вводить и любые другие дополнительные буквенные индексы.

В данном примере: - скважина забурена коронкой диаметром Ø 132 мм и закреплена направляющей трубой Ø 127 мм до глубины 20 м. Здесь трубы Ø 127 мм цементируются на всю длину. Далее диаметр бурения был 112 мм до 220 м, и скважина закреплена до этой глубины кондуктором Ø 108 мм. У колонны диаметром 108 мм цементируется только башмак (нижняя часть колонны). Дальнейшее бурение осуществляется коронкой Ø 93 мм до глубины 480 м. В интервале от 440 до 480 м зона осложнений и ствол скважины закреплен потайной колонной Ø 89 мм (у потайной колонны закрепляются цементом башмак и верхняя часть). До глубины 1000 м скважина имеет Ø 76мм без закрепления.

Рис. 16

Рис. 17

Другая особенность сооружения нефтегазовых скважин это важнейшее значение изоляции горизонтов, чтобы исключить перетоки флюидов из различных горизонтов. Осуществляется изоляция цементированием затрубного пространства практически всех обсадных колонн. Поскольку при бурении нефтегазовых скважин изолировать необходимо пласты с флюидами различных составов, в том числе и агрессивными, опасными при попадании в продуктивные пласты и с различными давлениями, цементация затрубного пространства колонн обсадных труб имеет первостепенное значение. Важное значение придается составу и качеству тампонажных цементных смесей их свойствам и параметрам. Особо важное значение придается контролю качества цементирования. Поэтому геофизическим методам контроля за качеством цементирования придается первостепенное значение. В практике для изучения технического состояния скважины применяется метод радиоактивных изотопов, акустический метод, метод термометрии скважины этими методами определяется высота подъема тампонажного раствора в заколонном пространстве, выявляются места затрубной циркуляции, состояние контакта цементного камня с обсадными трубами и породой в стенках скважины.

Рис.18