Построение проектной конструкции скважины

Конструкция – характеристика буровой скважины, определяющая ее глубину и направление, диаметр на различных интервалах глубины, количество, диаметр и глубину спуска обсадных колонн.

Исходными данными для построения проектной конструкции разведочной скважины являются: глубина и угол залегания полезного ископаемого, физико-механические свойства и горно-геологические условия залегания пород, выбранный способ бурения.

Глубина скважины приведена в контрольном задании, угол наклона скважины к горизонту принимается равным 90⁰ (скважины вертикальные).

Определение диаметров скважины на различных интервалах глубины производится снизу вверх, начиная с определения диаметра последнего интервала скважины (конечный диаметр бурения). При бурении разведочных скважин на твердые полезные ископаемые конечный диаметр бурения определяется представительностью керновой пробы по полезному ископаемому (полезное ископаемое – предпоследний слой) и размерами скважинного геофизического оборудования.

Минимально допустимый диаметр керна, который удовлетворяет требованиям качественного опробования пласта полезного ископаемого и соответственно диаметр скважины, при котором выполняется это условие, приведены в табл.1.

Диаметры скважин приведены в диапазоне значений. При выборе конечного диаметра скважины лучше выбирать большее значение, оставляя меньшее в качестве запасного диаметра.

При составлении таблицы исходили из предпосылки, что керн не разрушается в процессе бурения. На самом деле горные породы очень часто находятся в нарушенном состоянии, что затрудняет получение необходимого содержания пробы. Для повышения выхода керна при бурении таких пород необходимо применять специальные снаряды, имеющие больший диаметр, чем обычные снаряды (см. табл.)

Таблица 1

 

Генетические типы месторождений и главнейшие промышленные типы руд	Минимально допустимый диаметр керна, мм	Диаметр скважины, мм
Магматические месторождения
Хромитовые		36-59
Титаномагнетитовые		46-59
Медно-никелевые жилы	32-42	46-59
Редкометальные		59-76
Пегматитовые месторождения
Редкоземельные	42-60	59-76
Контактово-метасоматические (скарновые) месторождения
Железные		46-59
Молибдено-вольфрамовые	32-60	46-76
Медные		46-59
Руды других металлов (Au, Pb, Zn)		46-59
Гидротермальные месторождения
Меднопорфиритовые		46-59
Медноколчеданные		46-59
Медистые песчаники		36-46
Сидеритовые		36-59
Вольфрамо-молибденовые	32-60	46-76
Оловянные	32-42	46-59
Свинцово-цинковые	32-42	46-59
Сурьмяно-ртутные и мышьяковые		59-76
Золотые	22-32	36-59
Урано-ванадиевые		36-59
Осадочные месторождения
Силикатно-никелевые	22-42	36-59
Золотоносные «шляпы»		46-59
Бокситы	32-42	46-59
Метаморфогенные месторождения
Железистые кварциты		46-59
Золотоносные конгломераты с ураном		46-59

В практике разведочного бурения на рудные полезные ископаемые получение представительных проб обеспечивается при применении следующих минимальных размеров породоразрушающих инструментов:

при бурении алмазными коронками – 46-59 мм;

при бурении твердосплавными коронками – 59-76 мм.

Коронки большего диаметра рекомендуется применять при бурении трещиноватых пород. При бурении по нерудным полезным ископаемым минимальный диаметр бурения 93 мм.

При разведке угольных месторождений в зависимости от типа углей рекомендуют следующие диаметры бурения: по мягким углям – 93 мм, по средним – 76 мм, по плотным – 59 и 76 мм с учетом применения специальных снарядов для получения представительного керна.

При выборе конечного диаметра бурения необходимо также учитывать размеры скважинной аппаратуры для проведения различных исследований (геофизические исследования, инклинометрия, кернометрия и др.). Минимально допустимые диаметры скважин в зависимости от габаритных размеров применяемой аппаратуры приведены в табл.2.

 

Таблица 2

Виды исследований	Наружный диаметр скважинного прибора, мм	Номинальный диаметр скважины, мм
Радиометрические исследования (ГК, ГГК, ННК, НГК и др.)	28-60	36-76
Магнитометрия	36-40
Термокаротаж
Резистивиметрия
Инклинометрия	28-70	36-76
Кавернометрия	60-70
Радиопросвечивание	36-48	46-59
Амплитудно-фазовые измерения	36-48	46-59
Кернометрия	57-73	59-76

После определения конечного диаметра бурения необходимо: наметить участки, требующие закрепления стенок скважины обсадными трубами; выбрать размеры и наметить глубины спуска обсадных колонн.

Крепления требуют: верхний (первый) интервал всегда; неустойчивые породы (песок, супесь); трещиноватые и кавернозные породы.

Обсадные трубы применяют для крепления устья скважины, предохра-нения его от размывания, отвода промывочной жидкости в желоба (первая обсадная колонна называется направляющей), для разобщения водоносных горизонтов, закрепления неустойчивых пород и изоляции интервалов, где возможна утечка промывочной жидкости (вторая обсадная колонна называется кондуктором, все следующие – техническими колоннами).

Обсадные трубы в колонну могут соединяться посредством ниппелей или «труба в трубу». Безниппельное соединение труб менее прочное, поэтому применяется для соединения труб диаметром не более 89 мм. Краткая техническая характеристика обсадных труб приведена в табл.3.

 

Таблица 3

Параметры	Показатели ГОСТ 6238-77
Наружный диаметр труб, мм	33,5
Толщина стенки трубы, мм	3,0	3,5	4,5	5,0	5,0	5,0	5,0	5,0
Внутренний диаметр труб, мм	27,5
Внутренний диаметр ниппеля, мм	24,5					95,5	114,5
Длина труб, м	1,5-3,0	1,5-4,5	1,5-6,0
Масса 1 м гладкой трубы	2,26	3,5	5,83	8,38	10,4	12,7	15,0	17,4

 

Обсадная колонна выбирается таким образом, чтобы внутренний диаметр ниппелей обсадных труб был больше диаметра расположенного ниже интервала скважины.

Диаметр интервала скважины, в который опускается обсадная колонна, должен быть на 2–5 мм больше наружного диаметра обсадной колонны. В слабосвязанных, неустойчивых, склонных к вспучиванию породах разница диаметров должна составлять 10-20 мм.

Пример. Построить проектную конструкцию скважины для условий бурения, приведенных в табл.4. Рудная зона представлена радиоактивными элементами. В интервале 180-500 м предусматривается взятие ориентированного керна для изучения элементов залегания пород, а также проведение геофизических исследований и инклинометрии по всей глубине скважины.

Решение. Бурение в интервале 0-600 м предполагается вести с применением твердосплавных коронок, а в интервале 600-700 м с применением алмазных коронок, что предопределено буримостью горных пород на этих интервалах. В связи с тем, что угол падения пласта полезного ископаемого более 30⁰, скважины должны быть наклонными.

Конечный диаметр бурения для обеспечения необходимой представительности керна по данным табл.1 можно принять равным 36 мм. Так как рудная зона представлена раздробленными породами, при бурении которых для повышения выхода керна потребуется применение специальных технических средств, диаметр бурения должен быть увеличен.

Учитывая трещиноватость горных пород, слагающих рудную зону, диаметр бурения должен быть не менее 59 мм, что обеспечит необходимое количество кернового материала для проведения опробования. Для взятия ориентированного керна (кернометрия) применяем приборы, называемые керноскопами, диаметр которых равен 57 мм (см. табл. 2), что соответствует выбранному конечному диаметру.

Диаметр приборов, применяемых для проведения инклинометрии и других геофизических исследований в буровых скважинах, не превышает 50 мм (см. табл.2). Таким образом, окончательно принимаем конечный диаметр бурения равным 59 мм.

Для закрепления устья скважины, предохранения его от размыва, отвода промывочной жидкости в желоба и задания направления скважины в интервале 0-4 м необходимо установить направляющую. Пространство между направляющей и стенками скважины необходимо зацементировать.

В интервале от 0 до 62 м залегают глинистые породы, склонные к набуханию и обрушению. Их необходимо перекрыть обсадной колонной (кондуктором). Башмак кондуктора должен быть зацементирован.

Глубина бурения под кондуктор должна превышать 62 м, с таким расчетом, чтобы обсадные трубы были посажены в твердые монолитные породы. Принимаем ее равной 65 м.

Диаметры обсадных колонн и интервалов скважины определяем в направлении снизу вверх. Внутренний диаметр ниппелей кондуктора должен быть больше 59 мм (конечный диаметр скважины). Из табл.3 выбираем обсадные трубы диаметром 73 мм (внутренний диаметр ниппеля 62 мм).

Для гарантированного спуска кондуктора в набухающих породах проектируем бурение интервала скважины от 4 до 65 м породоразрушающим инструментом диаметром 93 мм (см. табл.6).

Внутренний диаметр ниппелей направляющей обсадной трубы должен быть больше 93 мм. Выбираем обсадные трубы диаметром 108 мм (табл. 3).

Бурение скважины в интервале от 0 до 4 м необходимо вести породоразрушающим инструментом диаметром не менее 132 мм (табл.6).

При бурении поисково-разведочных скважин в неизученных геологических условиях необходимо предусмотреть резервный диаметр 76 мм. Породоразрушающим инструментом этого диаметра можно разбуривать ствол в случае осложнений. Тогда размер обсадных колонн будет соответственно 89/81 мм и 146/134 мм. Диаметр бурения под эти колонны соответственно 112 и 151 мм.

Проектная конструкция скважины приведена в табл. 4.

Во всех случаях необходимо стремиться к выбору наиболее простой конструкции скважин с применением минимального количества колонн обсадных труб. Это облегчает бурение скважин, сокращает набор инструментов, расход обсадных труб и снижает стоимость работ. Простая конструкция скважины обеспечивает возможность применения высоких частот вращения бурового инструмента.

Таблица 4

 

Номер слоя	Интервал, м	Наименование пород	Категория пород по буримости	Конструкция скважины
от	до	всего
				Супесь	II	Ø132 Ø108     4 м     Ø93 Ø73     65 м   Ø59     700 м
				Глина плотная	III
				Глина пучащая	II – III
				Алевролит	V – VI
				Переслаивание аргиллитов, алевролитов и песчаников	VI – VIII
				Пегматит трещиноватый (редкометальная рудная зона)	VII – XI
				Фельзит	X – XI