Буровые скважины

В геологии под термином «скважина» подразумевается горная выработка цилиндрического сечения. Сооружение скважины осуществляются с помощью специального оборудования — буровой установки. А вот угол наклона к забою может быть любым. Именно поэтому скважины, в зависимости от их предназначения, делятся на вертикальные, направленные, горизонтально-направленные, горизонтальные.

Схема скважины

Начало скважины называется устьем. Это то место, с которого начинается ее бурение, независимо от предназначения. Ее конечная точка — забой. Задачи скважин могут быть различными, например, вскрытие водоносного горизонта или вскрытие пласта с полезным ископаемым.

Также скважины могут иметь ответвления — так называемые боковые и горизонтальные «стволы». Это конструкция скважины, которая применяется при сооружении геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые, для эксплуатационных скважин на нефть и газ и т.д.

Диаметр скважины варьируется в диапазоне от 25 миллиметров до 3 метров. Диаметр скважины зависит от ее назначения. Самый маленький диаметр бурения применим в геологоразведке, а самый большой при сооружении скважин в строительстве – сваи, шпунты и прочее.

Стенки скважин обязательно укрепляются, чаще всего с помощью глинистого раствора. Если речь о водоносных скважинах, то их преимущественно укрепляют с помощью металлических обсадных труб (одинарная, двойная обсадка).

Разновидности скважин

Самые распространенные их вариации:

1. Добывающие. То есть для добычи полезных ископаемых, преимущественно руды и ее производных элементов.
2. Газовые. Отличительная особенность — это формирование такого устья скважины и забоя, которые позволяют осуществлять забор газа.
3. Нефтяные.
4. Нагнетательные. Через них осуществляется нагнетание давления в бассейне. Через другую скважину при этом осуществляется забор ископаемых.
5. Водяные. Те, которые бурят для получения доступа к водоносному слою.
6. Вспомогательные.
7. Геологоразведочные. Их делают для составления картографии, для разведки местности, поиска оптимальной точки входа в бассейн с полезными ископаемыми.
8. Специальные.

Перечисленные разновидности скважин — условные. Существуют еще артезианские (скважины на воду), гидрогеологические (для искусственного снижения уровня грунтовых вод на участке).

Конструктивно между собой они тоже во многом одинаковые. Ключевое отличие — в цели, для которой осуществляется бурение. При разработке обязательно учитывается тип породы и давление, которое они будут оказывать на стенки. Исходя из этих данных, определяется оптимальная конструкция: с металлическими или пластиковыми трубами.

Конструкция скважины

Скважина состоит:

- направляющая труба. Состоит из одной трубы или нескольких. Предназначена для перекрытия верхнего участка горных пород.

- кондуктор - колонна, спускаемая в скважину после направляющей трубы. Служит для  укрепления стенок ствола в неустойчивых породах, для перекрытия зон осложнения, для изоляции артезианских вод. Кондуктор служит также основанием для оборудования устья скважины противофонтанным оборудованием. Глубина спуска 150 – 400 м.

- эксплуатационная колонна – внутренняя колонна труб – служит не только для изоляции и укрепления соответствующих горизонтов, но и каналом для доставки жидкости или газа из пласта (при добычи) или же в пласт (при нагнетании).

 

Методы (технологии) бурения

Сейчас практикуют следующие методики бурения скважин:

1. С помощью вращательного бурения. В данном случае, используется долото, которое при вращении разбуривает породу на забое. Такое бурение может выполняться с промывкой, продувкой воздухом, в зависимости от крепости пород.
2. Колонковое. Этот метод бурения используется для разработки скважин IV-XII категории по буримости. Бурение выполняется твердосплавной или алмазной коронками. Центральная часть породы остается нетронутой. Этот же метод применяется для разработки ледников с последующем забором льда для лабораторного изучения.
3. Ударно-канатный. В этом случае вместо долота используется забивные стаканы. Данная технология бурения используется в грунтах I по V категорию по буримости.
4. Вибрационный. При данной технологии буровой инструмент движется вверх/вниз 150 раз в секунду благодаря этому порода не приливает к инструменту. Благодаря вертикальному высоко-частотному движению бурильной колонны, скважина создается идеально ровной со смещением не более чем несколько сантиметров по всей длине бурильной колонны. В аллювиальных породах, вертикальных вибраций достаточно для того чтобы отбирать пробы длиной в несколько метров без промывки водой/продувки воздухом. Скорость сооружения скважин вибрационным способом в 2,5 раза выше, чем при колонковом бурении.
5. Шнековый.
6. Пневмоударный.

 

Этапы бурения

Когда обнаруживается месторождение полезных ископаемых, дальнейшая разработка делится на следующие этапы:

• разведка;
• бурение;
• монтаж насосного оборудования;
• обустройство и герметизация устья (после демонтажа оборудования).

Разведка

Разведка включает в себя проведение тестового бурения, создание нескольких разведочных скважин. По полученной в дальнейшем информации формируется текстурная карта разрабатываемой породы, а также определяется оптимальное местоположения для будущего устья основной добывающей скважины.

Разведка также может в себя включать:

• ультразвуковое сканирование породы;
• сейсмологическую разведку (для чего создаются дополнительные скважины);
• радиолокационное сканирование (для определения плотности пород, через которые в дальнейшем осуществляется бурение).

Нередко именно разведка перед бурением оказывается самым дорогостоящим этапом разработки месторождения.

Бурение

Подбирается оптимальная методика бурения, далее осуществляется непосредственно разработка скважины, чаще всего комбинированным методом. В процессе сооружения скважины может меняться технология бурения. Это зависит от осложнений, которые возникают при бурении.

Подъем грунта и извлекаемой породы осуществляется разными способами:

1. При помощи одинарной колонковой трубы.
2. При помощи двойных колонковых труб.
3. При помощи снарядов со съемным керноприемником (ССК).
4. Технология «Эрлифт».
5. Технология RC

Бурение — это многоэтапный технический процесс. Точный алгоритм подбирается исходя из данных, полученных при разведке участка.

Монтаж насосного оборудования

Насосное оборудование выполняет следующие задачи:

• промывка скважины;
• охлаждение породоразрушающего инструмента;

 

Обустройство и герметизация устья

Обустройство устья осуществляется в тех случаях, если планируется осуществлять дальнейшую разработку скважины. В противном случае выполняется «консервация», чтобы предотвратить движение пород, минимизировать все негативные последствия разработки.

Оборудование для бурения скважин

Для формирования и разработки скважины используются буровые установки. Они бывают следующих разновидностей:

1. Малогабаритные. Чаще применяются для бурения скважин в труднопроходимой местности. Диаметр скважины, как правило, до 180 мм, глубина — от 10 до 40 метров.
2. Самоходные. Бурильная установка размещается на самоходном шасси, являющегося частью оборудования..
3. На гусеничном ходу. То же самое, что и самоходные, но шасси — на гусеничном приводе. Гусеницы могут быть как металлические, так и резиновые.
4. Для геологоразведочных работ. Отличительная особенность таких буровых установок — это наличие технической возможности осуществлять бурение под разными углами, с уклоном глубиной вплоть до 250-350 метров.

Самыми распространенными являются малогабаритные, самоходные и на гусеничном ходу буровые установки. Преимущественно применяются для разработки скважин в инженерной геологии, в строительстве, геологоразведке, при бурении скважин на воду и т.д.

Популярные модели буровых установок

К популярным моделям буровых установок, которые применяются в РФ, являются:

• УРБ 2Д3;
• ПБУ-2
• УГБ серии 587

Необходимо уточнить, что в нефтегазодобывающей, горной промышленности часто используют специализированные буровые установки. Они выпускаются индивидуально под требуемые параметры скважины и разрабатываемых пород.

УРБ 2Д3

Установка монтируется на шасси УРАЛ, КАМАЗ, гусеничные вездеходы, трелевочные трактора и на гусеничную тележку. Она является универсальной, реализует вращательное бурение и пневмоударное. Все агрегаты установки смонтированы на одной платформе. Этригодностью за счеа буровая установка с подвижным вращателем известна своей безотказной работой, стойкостью в любую погоду, высокой ремонтопт своего широкого распространения на территории Российской Федерации.

 ПБУ-2

Буровая установка с подвижным вращателем с механическим приводом работает в различных климатических условиях с температурным режимом от -40 до +40 градусов. Возможность выполнять статическое и динамическое зондирование грунтов как через вращатель, так и с установкой отдельного КУНГА по центру платформы буровой установки.

УГБ серии 587

Буровая установка с гидравлическим приводом подвижного вращателя позволяет нам достигать высокой скорости работ при СПО с бурильными и обсадными трубами. Все агрегаты имеют гидравлический привод что позволяет плавно регулировать частоты вращения, усилия и скорости подачи. Данная установка позволяет осуществлять бурение наклонных скважин. Также нашим конструкторским бюро разработаны дополнительные приспособления, позволяющие облегчить труд буровой бригады, такие как стол обсадные, трубодержатели и др.

Основные требования к конструкциям скважин на воду

Выбор конструкции будущей скважины зависит от следующих факторов: целевое предназначение, глубина, гидрогеологические свойства, конечный диаметр. Исходя из этих параметров, подбирается оборудование и методика укрепления стенок. Рассмотрим основные требования к конструкциям уже сформированных скважин:

1. Качественное вскрытие с минимальным сопротивлением прифильтровых зон.
2. Обеспечение надежной изоляции водоносных горизонтов друг от друга. Это актуально для тех скважин, глубина которых превышает 25-30 метров. То есть забор воды планируется осуществлять со 2-3 водоносных горизонтов.
3. Самая простая из возможных конструкций. Это прямо влияет на стоимость бурильных работ, последующие затраты на обслуживание скважины.
4. Надежность конструкции, доступ к проведению обслуживания скважины.

Выбор и обоснование конкретной конструкции должно базироваться на данных предварительных геологоразведочных работ. Именно поэтому, если участок и местность плохо изучены, то сперва требуется формировать разведывательные скважины для определения точной глубины каждого водоносного слоя.

Для каждой скважины на воду обязательно устанавливается фильтровальное оборудование. К нему предусмотрены дополнительные требования:

• обеспечивает должный объем водозабора (исходя из целевого предназначения скважины);
• минимальное гидравлическое сопротивление, что позволяет снизить нагрузку на водозаборное оборудование, продлить его эксплуатационный ресурс;
• обладает достаточной механической прочностью, которая определяется как по внутреннему давлению скважины, так и внешнему;
• в тех скважинах, которые рассчитаны на длительную эксплуатацию, устанавливаются фильтрующие станции, устойчивые к коррозии, зарастанию, образованию накипи.

Самый распространенный вариант фильтрования водозабора из скважины — это комбинация фильтров грубой и тонкой очистки. Первый очищает воду от крупных фракций песка, мусора, второй — от остаточных включений. Установка фильтровального оборудования не является гарантией, что водозабор можно будет использовать для пищевых целей. Воду обязательно нужно отправить на анализ для определения уровня нитратных включений, железа, и уже после этого подбирается фильтр окончательной очистки.

Техника безопасности при бурении скважины

Основные нормы безопасности, которые требуется соблюдать при бурении всех типов скважин любым оборудованием:

• для обустройства места бурения формируется свободный заезд для техники и рабочая площадка — в среднем 4 на 12 метров;
• к буровому оборудованию допускаются только те лица, которые выполняют бурильные работы, все остальные находятся за пределами площадки;
• весь рабочий персонал обязан быть экипирован индивидуальными средствами защиты, а именно жилетка, каска, перчатки, очки.

При разработке определенных скважин (например, артезианских) обязательно нужно получить разрешение от уполномоченного административного органа.

Итого, бурение скважины — это сложный многоэтапный процесс, но современные буровые установки его существенно упрощают, позволяют выполнять разработку даже на сложной местности в течение 1 рабочего дня. Причем такая техника активно производится в РФ, в том числе и экспортные варианты. Главное — это качественная разведка, подготовка и использование совместимого оборудование под текущие гидрогеологические условия.