Конструкции скважин

1. КОНСТРУКЦИИ СКВАЖИН 
   Выбор и обоснование конструкции скважин — важнейшие мероприятия, от которых зависят качество выполняемых работ, их экономичность. Конструкции скважин в зависимости от назначения должны отвечать определенным требованиям. Так, конструкции разведочных скважин должны обеспечивать: 
   высококачественное опробование всех или в зависимости от назначения некоторых из вскрытых водоносных горизонтов; 
   экономичность (стоимость применяемых материалов, трудовые затраты и др.); 
   наименьший по возможности диаметр ствола скважины 
   повторное использование фильтра и обсадных труб; 
   простоту ликвидации скважины и высококачественный ликвидационный тампонаж. 
   Конструкции эксплуатационных скважин должны обеспечивать: 
   высококачественное вскрытие продуктивных водоносных горизонтов с целью их эксплуатации при минимальных сопротивлениях прифильтровых зон; 
   длительный срок эксплуатации и минимальный темп снижения производительности; 
   выполнение ремонтных и восстановительных работ; 
   тщательную изоляцию водоносных горизонтов друг от друга, за исключением тех, которые эксплуатируются совместно; 
   экономичность (стоимость применяемых материалов, трудовые затраты и др.); 
   минимально возможный диаметр ствола скважины 
   наименьшие сопротивления при подъеме воды насосом. 
    
   Таким образом, приведенные требования к конструкциям скважин весьма специфичны и в ряде случаев находятся в сложной зависимости между собой. Поэтому выбор и обоснование той или иной конструкции скважин должны базироваться на тщательной оценке всех факторов и в первую очередь тех, которые для конкретных условий производства работ являются главными. 
   Построение конструкции скважины начинают с при-фильтровой зоны после определения конечного диаметра скважины, типа и конструкции прифильтровой зоны. Конечный диаметр, как известно, должен обеспечивать определенную производительность и проведение необходимого комплекса гидрогеологических исследований и наблюдений. Тип и конструкция фильтра зависят от водовмещаю-щих пород, химического состава подземных вод, возможного срока службыфильтра и др. (см. главу IV). 
   Для эксплуатационных скважин проводят тщательную затрубную цементацию, что исключает, с одной стороны, связь отдельных водоносных горизонтов между собой, их загрязнение и смещение, а с другой — повышает антикоррозионные свойства обсадных труб и увеличивает срок их службы. 
   Диаметр долота в этом случае определяют из условия: 
   Е>д = Е>м + 2о, (1) 
   где Цц — диаметр долота, мм; 
   Дя — диаметр муфты обсадной трубы, мм; б — зазор, мм. При 250 мм б = 20—50 мм. Чем больше выход колонн, тем больше принимается зазор. В последние годы при бурении скважин на нефть и газ применяют уменьшенные значения зазоров — 7—15 мм. Однако это возможно только при использовании высококачественных цементных растворов и правильной технологии цементирования скважин. 
    
    
   Первая колонна — кондуктор служит для крепления верхних интервалов ствола скважины и устья. Эксплуатационная колонна обеспечивает крепление стволаскважины на больших глубинах. В эксплуатационной колонне обычно устанавливают насос для подъема воды. В скважинах глубиной более 300 м и в случае вскрытия неблагоприятных интервалов (сильное поглощение промывочной жидкости и др.) может устанавливаться промежуточная техническая колонна. Цементацию проводят при высоких значениях скоростей подъема цементных растворов в затрубном пространстве (более 1,0—1,5 м), иначе качество затрубной цементации будет неудовлетворительным. 
   Во всех случаях обсадные колонны снабжают центрирующими фонарями (рис. 3). В конструкции скважины различают следующие элементы кондуктор (направление), эксплуатационную колонну и фильтр В устойчивых водовмещающих породах фильтр не устанавливают (рис. 4, а, б, в). В неустойчивых водовмещающих породах применяют фильтры различных типов и конструкций Чаще всего фильтр устанавливают впотай (рис 4, г, д), так как в этом случае его можно при выходе из строя поднять и заменить новым. Фильтр может быть смонтирован на эксплуатационной колонне, а изоляцию вышележащих водоносных горизонтов осуществляют путем затрубной цементации через манжету (рис 4, е) Если у такой скважины при эксплуатации снижается производительность, то заменить фильтр в случае выхода его из строя практически невозможно 
     
    
   Понятно, что рекомендации по применению одноколонных конструкций скважин на воду, несмотря на их простоту и дешевизну, могут относиться только к тем районам, где срок службы составляет не менее 10—15 лет, в противном случае это может привести к неоправданному увеличению объема бурения скважин и расходу обсадных труб При установке высокопроизводительного насоса верхний интервал ствола бурят и обсаживают колонной соответствующего размера (рис 4, б) В случае каптажа высоконапорных, самоизливающихся и термальных водоносных горизонтов их герметизацию осуществляют обязательно цементацией обсадных колонн до устья с применением цемента высокого качества. При больших глубинах бурения в ряде случаев затрубную цементацию до устья можно заменить подбашмачной, если исключены гидравлическая связь водоносных горизонтов, потери напоров и загрязнение подземных вод 
   Если проводят манжетную цементацию на какой-либо интервал, но не до устья скважины, то затраты средств и времени мало отличаются от соответствующих затрат при затрубной цементации обсадных колонн до устья, но хорошее качество цементации при этом гарантировать трудно. 
    
   Манжетную цементацию проводят после работ по освоению и разглинизации, в противном случае фильтр и сам водоносный пласт будут длительное время находиться в контакте с глинистым раствором, а это усложнит работы по разглинизации. 
   Применение подбашмачной цементации обусловливает наличие в конструкции скважины участка обсадной колонны, которая непосредственно контактирует с породой. Если скважина эксплуатационная и подземные воды агрессивны к металлу, то из-за возможности коррозии и преждевременного выхода обсадной колонны из строя такую конструкцию не применяют. 
   В ряде случаев (при большой глубине скважин, частом переслаивании пород разной твердости, агрессивности подземных вод) применяют обсадные колонны, в том числе и хвостовики с затрубной цементацией и последующим прострелом перфораторами или вскрытием гидропескоструйным способом. 
   При каптаже водоносных горизонтов, представленных неустойчивыми трещиноватыми и гравелистыми породами, их крепят фильтрами дырчатого и щелистого типа. В рыхлых неустойчивых породах используют сетчатые, проволочные, блочные и гравийные фильтры. 
   Гравийно-обсыпные фильтры широко применяют в скважинах, пройденных вращательным способом с обратной промывкой (Гаврил-ко, 1974). Гравийно-обсыпные фильтры требуют установки дырчатого или щелевого каркаса, причем последний обычно является эксплуатационной колонной (рис. 5). Установку каркасов фильтров впотай проводят реже, так как это связано с определенными трудностями оборудования скважин, а замена таких каркасов практически все равно трудновыполнима. Гравий засыпают через устье (при небольшой глубине скважины) крупными порциями, чтобы не было расслоения обсыпки. При глубинах скважины более 80—100 м обсыпку ведут через питательные трубы диаметром от 70 до 100 мм. 
    
   Гравий засыпают в скважину с таким расчетом, чтобы его уровень был выше кровли водоносного горизонта. Учитывая возможное снижение уровня гравия при эксплуатации скважин, гравийную обсыпку делают с некоторым запасом. Если все же уровень гравия понизится до кровли водоносного горизонта, то проводят повторную обсыпку. В тех случаях, когда водоносные пески представлены тонкозернистыми и мелкозернистыми разностями, используют двухслойные гравийные обсыпки. Для этого применяют дополнительную колонну обсадных труб. Двухслойные гравийные обсыпки наиболее распространены при ударно-канатном способе проходки скважин. В практике водоснабжения и гидрогеологических исследований двухслойные обсыпки из-за технологической сложности используют весьма редко. 
    
    
   В рыхлых породах при устойчивой кровле с успехом применяют бесфильтровые скважины (Беляков и др., 1974). Если проводят каптаж двух водоносных горизонтов, часто гидравлически активно связанных между собой и представленных различными породами, то устанавливают два фильтра различной конструкции на одной колонне (рис. 6). Верхний фильтр сетчатого типа отделен от нижнего фильтра дырчатого типа цементной пробкой. Разглинизацию (освоение) фильтров ведут раздельно, причем вскрытие водонасыщенных известняков рекомендуется проводить с промывкой водой. Из-за технологической сложности такие конструкции скважин применяют довольно редко. 
   Наблюдательные (пьезометрические) скважины на первый (верхний) водоносный горизонт оборудуют одной колонной труб с фильтром на конце (рис. 7). В верхней части делают цементный или глинистый замок на глубину до 0,5 м для предупреждения загрязнения водоносного горизонта, а колонну оборудуют охранным оголовком. 
     
   1 — кондуктор (направление) 2— цемента ция 3 — эксплуатационная колонна 4 — сальник 5 — фильтр сетчатого типа 6 — ниппель с промывочным окном и цемент ной пробкой 7 — фильтр дырчатого типа 8—глины 9 — трещиноватые известняки 10 — водонасыщенные пески 11 — суглинок 
    
    
   Рис 7 Наблюдательная скважина 1 — оголоьок 2 — трубы 3 — це ментный замок 4 — фильтровая колонна 5 — фильтр 6 — от стойник 7 — пробка  
    
   Если наблюдательную скважину бурят на второй и более глубокие водоносные горизонты, то его необходимо изолировать от вышележащих водоносных горизонтов Это достигается спуском обсадной колонны до кровли водоупорных пород и установкой фильтра впотай Тампонаж чаще всего проводят с помощью задавливания башмака в глинистые породы или путем установки глинистой пробки 
   Установку фильтра в наблюдательные скважины рекомендуется проводить без применения глинистой промывки, в противном случае необходима тщательная разглинизация Конструкции фильтров наблюдательных скважин подбирают, так же как и в опытных скважинах, по литологическому составу водоносного слоя, но в связи с тем что фильтры наблюдательных скважин не рассчитывают на длительный отбор из них воды, можно использовать фильтры больших сопротивлений 
   После оборудования скважины проводят экспресс на лив, по результатам которого строят график зависимости превышения уровня налива над статическим от скорости снижения уровня (Шестаков и др , 1974) Этот график служит характеристикой инерционности пьезометра, так как позволяет при известной скорости изменения уровня в скважине судить о погрешности пьезометра 
   Если сопротивление фильтра оказывается слишком большим, то проводят повторную прокачку скважины или заменяют фильтр В настоящее время неглубокие пьезометрические скважины (до 50 м) бурят в основном установками комбинированного и роторного типа Способ установки пьезометра заключается в задав-ливании его в водоносные пески, на дневной поверхности делают цементный или глинистый замок После проходки шнеками водоносных песков на требуемую глубину шнеки извлекаются из скважины, и, несмотря на то, что стен ки скважины обрушаются, под принудительным давлением системы подачи вращателя буровых установок пьезометр вводится в пласт (Башкатов, Олоновский, 1968) 
   Станки комбинированного бурения типа УГБ до водо носного горизонта используют в их шнековом варианте, оборудование же скважины фильтром проводят по технологии ударного способа Оборудование скважин завинчивающимися фильтрами (Башкатов, Олоновский, Дряга-лин, 1969) позволяет повысить производительность работ в 2—3 раза 
   В изыскательских организациях Союзводпроекта и других получил распространение способ установки фильтров внутри колонны шнеков При залегании водоносного горизонта на глубине до 10—15 м скважину можно оборудовать без предварительной проходки, используя забивные пьезометры (фильтры) Рабочая часть фильтров этих пьезометров, установ ленных на бурильных трубах, состоит из перфорированной трубы длиной до 0,5 м, обтянутой сеткой с заостренным наконечником, который несколько шире фильтра 
   При вращательном бурении с глинистым раствором можно использовать также фильтры с защитным кожухом (Башкатов, Олоновский, Дрягалин, 1969) 
   Если бурение ведут в рыхлых породах и надо опробовать все встреченные при бурении водоносные горизонты, то существующие способы опробования требуют обсадки скважины трубами, установки фильтра, его разглинизации и последующей откачки. Такая схема опробования требует смены диаметра бурения, из-за чего практически более 2—3 опробований в одной скважине провести нельзя. Известны случаи, когда для проведения таких исследований закладывают не одну, а две скважины: одна скважина опробует два верхних водоносных горизонта, другая — два нижних. 
    
    
   В. И. Блажков предложил схему раздельного опробования водоносных горизонтов, которые каптируются одной колонной. Изоляция фильтров друг от друга достигается установкой цементных пробок (мостов) и специальной водоподъемной колонной с эластичным сальником (рис. 8). Опробование водоносных горизонтов проводят раздельно сверху вниз. После извлечения водоподъемных труб может быть 'проведено суммарное опробование всех водоносных горизонтов (Шестаков и др., 1974). 
   При данной конструкции скважин затрубную цементацию не проводят. Несмотря на кажущуюся неправомерность такой схемы, она между тем вполне оправдана, так как малые кольцевые зазоры и наличие в стволе скважины глинистого раствора практически исключают движение воды по кольцевому зазору от одного фильтра к другому. 
    
   Разглинизацию при этом способе опробования проводят комбинированным способом либо обратновсасываю-щей промывкой через окна в нижней части фильтра, что обеспечивает получение дебитов, близких к дебитам скважин ударного бурения. Указанная конструкция скважины имеет следующие преимущества: 
   позволяет без потери диаметра опробовать 3—5 водоносных горизонтов в одном стволе скважины; 
   высокие производительность и качество опробования; 
   малую металлоемкость конструкции скважины и отсутствие необходимости затрубной цементации; 
   бурение ствола скважины ведется одним диаметром. 
    
   Описанная конструкция скважины прошла длительную производственную проверку в Краснодарском крае и в других областях страны, где бурение разведочных скважин ведется в рыхлых породах. 
   В последние годы в практику гидрогеологических исследований для крепления скважин на воду успешно внедряются антикоррозионные трубы (Алтухов, Вакс-ман, 1974; Логинов, Шуссер, 1975). Наиболее перспективны полиэтиленовые трубы, которые можно спускать на глубину до 300 м. Наиболее рациональный тип соединения труб на сварке. Широкое распространение должны получить также каркасы из полиэтиленовых труб.
2. ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
 

3. При углублении скважины порода может разрушаться долблением, сверлением или (и) истиранием (последний случай - разновидность предыдущего). Каждому из этих видов разрушения соответствуют основные методы бурения: ударное, вращательное, ударно-вращательное (практически неприменяемое) и дробовое (применяется редко) бурение.
4. Наибольшее применение получило вращательное бурение. При этом способе цилиндрический ствол формируется непрерывно вращающимся долотом. Разбуренные частицы в процессе бурения также непрерывно выносятся на поверхность циркулирующим буровым раствором (газом, газированной жидкостью). При вращательном бурении долото внедряется в породу в результате одновременного действия осевого усилия (нагрузки), направленного перпендикулярно к плоскости забоя, и окружного усилия от вращающего момента.
5. Различают: роторное бурение, - когда двигатель, приводящий во вращение долото на забое при помощи колонны бурильных труб, находится на поверхности; турбинное бурение и бурение с использованием электробура, - когда двигатель расположен у забоя скважины, над долотом. Поток бурового раствора, кроме известных функций, выполняет функции источника энергии.
6. Роторное и турбинное бурение являются основными способами проводки скважин и используются повсеместно. Особенно широко используется турбинный способ бурения в России.
7. К гидравлическим забойным двигателям относятся турбобуры и винтовые забойные двигатели.
8. Турбобур – забойный двигатель одно-трёхсекционный, предназначенный для бурения скважин.
9. В рабочих турбинах двигателя гидравлическая энергия бурового раствора, движущегося под давлением, превращается в механическую энергию вращающегося вала. Основной частью турбобура является турбина, состоящая из более сотни одинаковых ступеней, каждая ступень состоит из статора и ротора.
11. Турбобур 
    1 – статор; 2 – ротор; 3 – долото
12. Ротор закрепляется на валу, статор – на корпусе. Между ними имеется зазор, обеспечивающий свободное вращение относительно друг друга. Пятой регулируют (или шпинделем) систему роторов и статоров относительно друг друга, т.е. регулируют зазор.
14. Ступень турбобура 
    1 – ротор; 2 – статор
15. Скорость вращения турбины пропорциональная количеству прокачиваемой жидкости. Давление повышается в квадрате пропорционально количеству прокачиваемой жидкости. Вращающий момент турбины также пропорционален квадрату количества прокачиваемой жидкости. Мощность турбины тоже пропорциональна количеству прокачиваемой жидкости.

Классификация промывочных жидкостей

Классификации облегчают выбор промывочной  жидкости при бурении. При этом определяющим моментом должны служить характерные  признаки раствора и условия его  применения. Единой приемлемой во всех отношениях классификации промывочных  жидкостей нет. Сложность заключается  в том, что некоторые промывочные  жидкости представляют собой дисперсные системы уже в исходном виде, другие можно относить к дисперсным системам лишь после циркуляции в скважине. Дисперсная фаза таких жидкостей  представлена частицами разбуриваемых  горных пород. Причем в ряде случаев  стремятся увеличить содержание этой твердой фазы и ее дисперсность для получения промывочной жидкости с другими свойствами.

В промывочных  жидкостях, которые уже в исходном виде представляют собой дисперсные системы, в процессе бурения изменяется состав дисперсной фазы. Нередко это  изменение происходит не столько  за счет увеличения количества компонентов, сколько вследствие активного физико-химического  воздействия поступающих в жидкость частиц с дисперсионной средой. Для  поддержания качества промывочной  жидкости в нее добавляют так  называемые химические реагенты, в  дисперсной системе появляются новые  компоненты.

В практике разведочного бурения в качестве исходных промывочных жидкостей  используются:

1) вода;

2) водные  растворы;

3) водные  дисперсные системы на основе:

– добываемой твердой фазы (глинистые, меловые, сапропелевые, комбинированные растворы);

– жидкой дисперсной фазы (эмульсии);

– конденсированной твердой фазы;

– выбуренных горных пород (естественные промывочные  жидкости);

4) дисперсные  системы на углеводородной основе;

5) сжатый  воздух.

В исключительных условиях для промывки скважин используются углеводородные жидкости (дизельное  топливо, нефть);

Все дисперсные системы с твердой фазой могут  быть с малым (до 7%), нормальным (до 20 – 22%) и повышенным содержанием (более 20 – 22%) твердой фазы.

Промывочные жидкости в определенных условиях искусственно насыщаются воздухом и переходят  в категорию аэрированных. В воде и водных растворах воздух в зависимости  от его Содержания может выступать  в качестве дисперсной фазы или дисперсионной  среды. В последнем случае промывочные  жидкости называют пенами.

Промывочные жидкости с водной средой делятся  по степени и составу минерализации. По степени минерализации промывочные  жидкости могут быть:

1) слабоминерализованными (менее 3%),

2) среднеминерализованными  (3 – 10%),

3) высокоминерализованными  (более 10%).

По составу  минерализации они классифицируются в соответствии с названием соли, содержание которой является наибольшим – хлорнатриевая, хлоркальциевая, силикатная и т. д. Промывочные жидкости могут быть устойчивыми к действию солей и неустойчивыми. В первом случае их называют солеустойчивыми.

По особенностям поведения в условиях повышенных забойных температур промывочные жидкости делятся на термоустойчивые и термонеустойчивые. Они могут быть термосолеустойчивыми.

Все промывочные  жидкости делятся на обработанные химическими реагентами и необработанные.

По назначению промывочные жидкости подразделяются на:

1) жидкости  для нормальных геологических  условий бурения (вода, некоторые  водные растворы, нормальные глинистые  растворы);

2) жидкости  для осложненных геологических  условий бурения.

По основному  эффекту, достигаемому химической обработкой, промывочные жидкости для осложненных  условий бурения можно подразделить на ингибированные, в которых структурообразование приостановлено на определенном уровне; солестойкие; термостойкие.

По способу  приготовления промывочные жидкости бывают:

1) естественные;

2) искусственно  приготовленные.

К первым относятся вода, углеводородные жидкости и промывочные жидкости, получаемые в процессе бурения за счет постепенного образования дисперсной фазы из разбуриваемых  пород, ко вторым – все остальные.

Наибольшее  распространение в качестве промывочных  жидкостей получили глинистые растворы. В целом их можно разделить  на две группы:

1) нормальные;

2) специальные.

К нормальным относятся растворы, не обработанные реагентами. Глинистые растворы, обработанные реагентами с целью направленного регулирования свойств применительно к конкретным геологическим и технологическим условиям, объединяются в специальные. Они получают название либо по наименованию основного активного компонента (ингибированные растворы – хлоркальциевые, ферросульфатные и т. д.), либо по технологическому названию (утяжеленные, растворы с противоморозными добавками и т. д.), либо по виду дисперсной системы (эмульсионные, аэрированные) .

Часто в промывочную жидкость вводят добавки  специального назначения (смазывающие, пластифицирующие, эмульгирующие и т. д.). Как правило, добавки имеют многофункциональное действие. Это приводит к тому, что промывочные жидкости одного и того же состава в зависимости от того, какая в данных геологических условиях функция является главной, могут по назначению относиться к различным типам, что еще более усложняет их классификацию.

Общая характеристики компонентного состава промывочных жидкостей

Наиболее  широко используемым типом промывочных  жидкостей являются суспензии, т.е. дисперсные системы, состоящие из жидкой дисперсионной среды и твердой  дисперсной фазы. При этом дисперсионная  среда чаще всего представлена водой, а дисперсная фаза глиной, существенно  реже мелом, торфом, сапропелем, асбестом и др. Дисперсная фаза суспензий  кроме преобладающих в ней  твердых веществ может в незначительных количествах содержать углеводородные жидкости и газы. Наличие в составе  суспензий углеводородных жидкостей, выполняющих функции смазочных  и противоприхватных добавок, желательно, тогда как газообразная составляющая дисперсной фазы в данном случае является посторонней примесью, которая загрязняет суспензию.

Перечисленные выше твердые вещества относятся  к активной части дисперсной фазы, качество и количество которых во многом определяет важнейшие функциональные свойства промывочных жидкостей. Кроме  активной твердой фазы в состав суспензий  может входить и инертная составляющая, включающая в себя утяжелители и  закупоривающие материалы (наполнители).

Помимо  названных активной и инертной составляющих твердой дисперсной фазы в суспензиях всегда присутствуют частицы выбуренных пород, которые в зависимости  от степени их дисперсности и минералогического  состава могут быть как активными, так и инертными. В нашей стране активные высокодисперсные частицы  выбуренных пород нередко используют в качестве основной дисперсной фазы промывочных жидкостей, приготавливаемых непосредственно в скважинах, т.е. путем так называемого самозамеса. За рубежом самозамес, т.е. целенаправленное применение выбуренных пород в качестве дисперсной фазы промывочных жидкостей, не практикуется, так как свойства таких естественных суспензий трудно поддаются управлению и их кондиционирование требует повышенного расхода химических реагентов. Таким образом, что касается грубодисперсных частиц выбуренных пород, то они, так же как и газообразная фаза, относятся к загрязняющим промывочную жидкость примесям.

Для кондиционирования, т.е. придания промывочным жидкостям  требуемых свойств на этапе их приготовления, регулирования (регенерации) свойств промывочных жидкостей в процессе бурения, а также для защиты их от возмущающих воздействий (высоких и низких температур, полиминеральной агрессии, воздействия выбуренных глинистых частиц, бактерий и др.) применяют различные химические реагенты.

Основной  объем буровых работ, как в  нашей стране, так и за рубежом, выполняется с промывкой скважин  суспензиями, в которых активной твердой фазой являются высокодисперсные разности глин. Очевидно, что функциональные свойства глинистых суспензий во многом определяются качеством исходных материалов для их приготовления, т.е. качеством глин, которые чаще всего  используют в виде порошков, и воды.