м. Дніпро, Набережна Перемоги 58/235
тел. +380676325392
Email: gidrobud@ukr.net

Буріння свердловин прямим промиванням

БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН З ПРЯМОЮ ПРОМИКОВОЮ ВОДОЮ

Зміст книги - Буріння свердловин на воду

Глава VI
ВИКРИТТЯ ТА ОСВОЄННЯ ВОДОНОСНИХ ПЛАСТІВ

БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН З ПРЯМОЮ ПРОМИКОВОЮ ВОДОЮ
Головний недолік обертального способу буріння з глинистим розчином – труднощі відновлення проникності фільтрових зон. Цей процес, як відомо, вимагає застосування спеціальних методів та засобів, які в більшості випадків дуже трудомісткі, дорогі та не завжди забезпечують позитивний результат. Тому в багатьох організаціях переходять на буріння з прямим промиванням водою. Якщо в стійких породах це не викликає будь-яких ускладнень, то при проходженні пухких відкладень спочатку досить часті випадки обвалів стін свердловини і прихватів бурового снаряда.
Д. Н. Башкатовим, Г. П. Квашніним та іншими було запропоновано розкривати пухкі водовміщуючі породи з протитиском на пласт. Суть пропозиції зводилася до того, що під час буріння підтримувалося певний протитиск на пласт за рахунок доливання води через гирло свердловини.Буріння свердловин в пухких відкладах з водою проводилося і раніше в Курській, Воронезькій та Саратовській областях, Західному Сибіру та інших районах. Дана пропозиція відрізнялася тим, що буріння проводили або у стійких пісках, або у слабонапірних водоносних горизонтах, або при використанні природних розчинів, коли розкриття пласта здійснювалося природним глинистим розчином. Напруги, що виникають у породі, з достатньою точністю визначають за уточненою формулою Кулона:де уп — ф — А — ° * = (Т-К - А) ^ - ] + А - Ар тР. (84)
густина породи, глибина залягання, кут внутрішнього тертя; пластовий тиск; висота та щільність промивного розчину.
Стійкість стінок свердловини спостерігається при 2 сгп, де [оп^ - межа міцності породи при одновісному стиску.
На підставі рішення В. Г. Березанцева, уточненого Г. М. Маріупольським, Н. Д. Безсоновим та Ю. М. Носовським, радіальний тиск, який має бути врівноважений гідростатичним тиском стовпа промивної рідини, визначають за такою формулою:
де ф1 і фг — кути внутрішнього тертя породи відповідно для двох шарів порід, С і С2 — коефіцієнти бічного розпору відповідно для двох шарів порід, Я — глибина залягання водоносного шару; т — потужність водоносного шару. Аналіз показує, що найбільша напруга виникає у слабонапірних пластах і при зниженні рівня промивної рідини в стовбурі свердловини. Остання обставина слід особливо ретельно враховувати в процесі буріння і при спуско-підйомних операціях проводити постійну долив води, не допускаючи зниження рівня нижче встановленого шачення (1,5 - 3,0 м)..
Дослідження з даної технології були виконані на досвідченому полігоні ВСЕГІНГЕО в 1970-1972 рр.. Буріння проводили буровою установкою УРБ-ЗАМ. Тиск на забій здійснювався масою бурильної колони. Кількість промивної рідини, що подається на забій, була постійною. Для доливання використовували спеціальну ємність об'ємом 1 м3, оснащену мірною рейкою. Витрата промивної рідини заміряли у відстійнику розміром 1,65X1,65X1,15 м за допомогою мірної рейки, також проводили виміри втрат промивної рідини. Спосіб обліку втрат промивної рідини, що застосовується, забезпечував точність вимірювань з помилкою до 10%..
Перед кожним нарощуванням бурового снаряда свердловину промивали до припинення винесення піску протягом 5-7 хвилин.
Спуск фільтрової колони також проводили при постійному доливі води та підтримці гідростатичного напору на позначці гирла свердловини. Усього було пробурено 15 свердловин. Після закінчення перших експериментальних робіт з метою всебічної перевірки даного способу розтину водовмещающих порід були пробурені свердловини, в яких встановили такі фільтри: сітчастий діаметром 108 мм при довжині робочої частини 4 м, тарілчастий діаметром 108 мм при довжині робочої частини 2,62 м. були обладнані фільтрами з конічними отворами (ФКО) діаметром 108 мм. Буріння свердловини пройшло без ускладнень.
Результати дослідних відкачування наведено в таблиці 28 та на малюнку 61.
Ефективність цього методу підтвердилася під час виконання робіт у Саратовській, Тамбовській, Новосибірській та інших областях. Так, за розробленою методикою у Волзькій експедиції Гіпроводгоспу було пробурено близько 100 свердловин глибиною від 50 до 135 м. Свердловини бурили трехшарошечными долотами № 10 і п'ять. До покрівлі водоносного горизонту буріння вели на природному глинистому розчині, через кожні 5 м прохідки розчин розбавляли водою і його замінювали на воду при розтині водоносного пласта. Потужність водоносного горизонту, розкрита свердловинами, різна (54,0; 38,1; 30,0 та 10,0 м). У процесі буріння по водоносним пластам проводили вимірювання витрати води на буріння всього горизонту. Витрата води склала: при потужності 54,0 м - 4,4 м3; при 38,1 м - 3,80; при 30,0 м - 2,04; при 10,0 м - 0,55 м3. У процесі буріння проводили хронометраж механічної швидкості буріння та витрати води. Витрата води на буріння всієї свердловини становила 4-10 м³
Механічна швидкість коливалася від 15 до 100 м/год. Порівняльні дані щодо свердловин наведені в таблиці 29
Таблиця 29
Порівняльні дані результатів буріння свердловин з водою та глинистим розчином
Характеристика водоносних порід
У Тамбовській ПМК тресту «Бурводсільбуд», у ПМК-П тресту «Курскмеліоводбуд» розтин водоносних горизонтів проводять із промиванням водою. Водоносні горизонти Тамбовської та Курської областей представлені різнозернистими пісками, в основному дрібно- та середньозернистими. Потужність водоносних горизонтів від 7 до 30 м зі статичним рівнем від 5 до 70 м від поверхні землі. Дебіти свердловин коливаються від 5 до 50 м3/год. Глибина залягання водоносних пластів від 30 до 150 м.
У Тамбовській області застосовують одноколонну конструкцію свердловин, у Курській — двоколонну з кондуктором, що витягується. Діаметри експлуатаційних колонок 168-325 мм. Фільтри встановлюють таємно.
8 Тамбовської області використовують фільтри з гравійним обсипанням, у Курській — сітчасті..
Витрати води для умов цих областей при розтині та обладнанні водоносного пласта фільтром становлять від 3 до 10 м³. До водоносного пласта буріння ведуть із промиванням глинистим розчином, потім встановлюють технічні (експлуатаційні) колони з цементацією до гирла. Водоносний обрій розкривають і бурять із промиванням водою.За даними Т. І. Ставінової, на Ростовській ділянці Іванівської геологорозвідувальної експедиції буріння свердловин з водою при постійному доливі води на гирлі дозволило збільшити питомі дебіти свердловин з 0,15 л/с у разі застосування глинистого розчину до 1,85 л/с за нової технології. Лабораторні дослідження показали, що стійкість стінок свердловин за інших рівних умов у крупнозернистих пісках вище, ніж у дрібнозернистих. Це, очевидно, пояснюється дещо більшим фільтраційним тиском на частинки піску з боку потоку, що фільтрується в пласт.
Дослідження показали, що при перепаді тиску на пласт М>1,5-3,0 м стійкість стінок свердловини зберігається.
При бурінні свердловин з водою спостереження за її поглинанням дозволяють отримати дані про фільтраційні властивості водоносних порід, що буває необхідно при виборі найбільш сприятливих ділянок установки фільтра.
У першому наближенні такі розрахунки виконують за формулою (Башкатов та ін., 1972):
Г=1,2 70, (86) де Т — водопровідність порід, м²/доб;
с70—водопоглинання при зниженні рівня 5=1 м, м³/доб.
де К — коефіцієнт фільтрації, m — потужність пласта, м
Розрахунки, виконані за цією методикою, показали хорошу збіжність показника коефіцієнта фільтрації з даними досвідчених відкачування. У тресті «Молдбурвод» розроблений та успішно застосовується (Башкатов, Онопрієнко, 1973) оригінальний спосіб розтину та освоєння дрібнозернистих водоносних пісків, що вимагають наявності контуру пухкої обсипки. Спроби отримати воду з цих порід приводили або до стійкого піскування свердловин, або у разі застосування фільтрів зі значними опорами до мізерно малих дебітів. Сутність даного способу полягає в тому, що до водоносного пласта свердловину бурять під колону оосад діаметром 273 або 324 мм, потім проводять обсадку свердловини і затрубну цементацію (рис. 62).
Буріння до водоносного пласта ведуть за звичайною технологією із застосуванням глинистого розчину. Водоносний пласт розкривають пілот-свердловиною діаметром 112-140 мм. Після цього у свердловині проводять стандартний геофізичний каротаж та уточнюють межі та зони підвищеної водорясності. Пласт розкривають із застосуванням гідравлічного способу руйнування та видалення продуктів руйнування гірських порід. Експлуатаційну колону з фільтром у нижній частині опускають на бурильних трубах. Бурильними трубами подається вода, яка через зворотний клапан потрапляє в затрубний простір і піднімається до гирла свердловини. Гравійну суміш засипають у висхідний потік води, і навколо фільтра сітчастого типу утворюється піщано-гравійна суміш.
Щоб запобігти зсуву експлуатаційної (фільтрової) колони в стовбурі свердловини і отримати рівномірний розподіл піщано-гравійної суміші на трубах, встановлюють центруючі ліхтарі зі смуг заліза шириною не менше 50 мм через кожні 5—10 м довжини фільтрової колони Г. Ф. Овчинников запропонував спосіб за рахунок того, що свердловина не кріпиться обсадною колоною до водоносного пласта, встановити лише кондуктор у верхній частині стовбура (рис 63).

Рис 62 Метод буріння свердловин із застосуванням гідравлічного розмиву пласта та піщано гравійного обсипання фільтра
а — буріння і обсадка свердловини до розкриття водоносного горизонту, б - розкриття водоносного горизонту і піщано гравійне обсипання фільтра, в - конструкція свердловини, підготовленої до експлуатації, / - водоносний пласт, 2-с стовбур свердловини, пробуреної малим діаметром (53Л-7 ), 3 - обсадні труби діаметром 10-12 ", 4 - цементація затрубного простору, 5 - фільтрова колона труб діаметром 6-8", 6 - фільтр сітчастий, 7 - бурильні штанги, 8 -. ліве різьбове з'єднання муфти штанг з дон фільтра, 9 - зворотний клапан, 10 - напрям циркуляції води при розглинізації водоносного пласта, // - напрям руху піщано гравійної суміші при обсипанні фільтра, 12 - зафільтровий простір, 13 - піщано гравійний фільтр, 14 - прядив'яний сальник, 15 - Після промивання в затрубний простір засипають піщано-гравійну суміш на 5-10 м вище покрівлі водоносного пласта.
Піщано-гравійна суміш відокремлюється від інтервалу стовбура свердловини, що залишився, цементним мостом. У гирлі скважтші також встановлюють цементну пробку. Перевагою цієї схеми є заощадження обсадних труб. Однак її застосування можливе, якщо стовбур свердловини не розкриває інших водоносних пластів.
Рис 63 Метод буріння свердловин із застосуванням гідравлічної мива пласта і піщано гравійної обсипки фільтра (II варіант) ловні позначення ті ж що на малюнку 62
У цьому випадку може відбуватися перетікання підземних ВОД по стволу. Дебіти свердловин, обладнаних за такою технологією, складають 7—15 м³/год. Потужність водоносних пісків коливається від 7 до 15 м, глибина статичних рівнів досягає 100—150 м. У таких умовах можуть виникнути інтенсивні поглинання промивної рідини. Дослідження (Башкатов, Онопрієнко, 1973) показали, що поглинання залежить від літології порід та виду робіт. Найбільш інтенсивне поглинання спостерігається при кут/бці, опрацюванні стовбура та спуско-підйомних операціях (рис 64). Весь об'єм поглиненої рідини за період від початку розтину пласта і до закінчення підйому бурового інструменту коливається від 18 до 38 м³, що становить 275-93% обсягу свердловини. У процесі поглиблення інтенсивність поглинання змінюється від 3,5 до 6,7 л/хв, а об'єм поглинутої рідини становить 40—70% загального обсягу поглиненої рідини за весь період робіт. Результати спостережень за поглинанням води в інтервалі свердловини 265-276 м при діаметрі буріння 450 мм та глибині статичного рівня 100 м наведено в таблиці 30
При надмірному гідростатичному тиску пласт більше 1 МПа поглинання вбирається у 1—1,5 л/мин. Питоме водопоглинання виявилося меншим за отриманий при пробній відкачуванні питомий дебіт у 400 разів. Це пояснюється тим, що в процесі буріння відбуваються поглинання розчину для промивання і кольматація пласта за рахунок наявності шламу в розчині і частинок глини. При відкачуванні ж спостерігається видалення продуктів кольматації.
При обертальному та поступальному рухах бурового інструменту поглинання збільшується більш ніж у 3 рази, а при опрацюванні стовбура, особливо за наявності сальника з породи над долотом, у кілька десятків разів. І тут створюються сприятливі умови для гідравлічного розриву пласта. Чим вищий гідродинамічний тиск на промивний розчин, тим вище поглинання. Причому інтенсивність його залежить від кількості енергії, що передається від бурового інструменту промивної рідини, і іншого ступеня досконалості гідравлічної системи пласт - свердловина, тобто від проникності пласта, що розкривається, н привибійної зони.

Рис 65 Формування структури гравійно-обсипного фільтра у висхідному потоці води
а, б — початкова і кінцева стадії, / — фільтровий каркас, 2 — стінки свердловини, 3 — зафільтровий простір, 4-напрямок руху води в процесі осадження гравію, 5 — внутрішній контур обсипання, 6 — середній контур обсипання, 7 — зовнішній контур обсипання, 8 — ділянки максимальної крупності частинок. У процесі поглиблення свердловини у водоносних пісках обидві величини динамічно змінюються. Експериментальні дослідження та теоретичні розрахунки показують, що розподіл гідродинамічного тиску в свердловині під час руху колони труб підпорядковується хвильовим законам. Коливання, що виникли, поступово згасають.
Поглинання води істотно не впливає на фільтраційні властивості привибійної зони. Однак при бурінні вода збагачується зруйнованими частинками породи та глинистим матеріалом. Розкрита частина пласта, поглинаючи воду, збагачену частинками вибуреної породи, частково кольматується останніми та зменшує поглинальну здатність пласта. Тому інтенсивність поглинання майже залежить від розкритої потужності водоносних порід. З малюнка 64 видно, наскільки істотно впливають літологія порід і характер робіт у стовбурі свердловини на поглинальну здатність пласта. При розтині водоносних пісків на свердловині № 171 у тресті «Молдбурвод» спостерігалося поглинання води 4 л/хв. Подальша поглибка свердловини в підстилаючі водоносний пласт глини призвела до кольматації та повного припинення поглинання при бурінні, промиванні та опрацюванні стовбура. При розтині (свердловина № 558 у тому ж тресті) глинистих пісків у підошві водоносного пласта інтенсивність поглинання зменшилася з 6 до 1,5 л/хв..
Таким чином, інтенсивність поглинання при розтині водоносних пластів з промиванням водою значною мірою залежить від наявності глинистих мінералів і прошарків глин в товщі порід, що розкриваються, режимів буріння і технології спуско-підйомних операцій. При проведенні гравійної обсипки у висхідному потоці води М. Г. Онопрієнко було зазначено, що потік води, що виходить з каналу в черевику, в основному рухається в затрубному просторі між бурильними трубами та внутрішніми стінками каркасу фільтра (рис. 65). Менша частина потоку води проходить через шар гравійної обсипки. В силу того, що дрібні частинки гравію вимиваються і не досягають зони пласта, кінцевий склад гравійної обсипки в зоні пласта дуже відрізняється від складу, який використовувався при її обсипанні. Облік цього фактора дозволяє обґрунтовано проектувати та проводити гравійні обсипання у свердловинах.