Основы Горного Производства. Калиниченко О. И., Зыбинский П. В., Хохуля А. В. Основы горного производства
 Скачать 18.24 Mb.
|
|
Литература для самоподготовки 1. Багдасаров Ш.В., Верчеба А.О., Пальмов И.И. Справочник горного инженера геологоразведочных партий. - М.: Недра, 1986. - 356 с. 2. Борисов С.С., Клоков М.П., Горновой Б.А. Горное дело. - М.: Недра, 1972. – 358 с. 3. Брылов М.Ф. Горное дело. –М.: Недра,1975. 4. Брылов С.А., Грабчак Л.Г., Комащенко В.М. Горно-разведочные и буровзрывные работы. - М.: Недра. 1989. 5. Воздвиженский Б.И., Мельничук И.П., Пешалов Ю.А. Физико- механические свойства горных пород и влияние их на эффектив- ность бурения. – М.: Недра, 1973. – 240 с. 6. Гайко Г.И. История освоения земных недр. – Донецк: Східний ви- давничий дім, 2009. – 292 с. 7. Грабчак Л.Г., Брылов С.А., Комащенко В.И. Проведение горно- разведочных выработок и основы разработки МПИ. - М.: Недра. 1988. 180 8. Егоров П.В., Бобер Е.А., Кузнецов Ю.Н., Косьминов Е.А., Решетов С.Е., Красюк Н.Н. Основы горного дела; Учебник для вузов. – М.: Издательство МГРУ, 2000. - 408 с. 9. Килячков А.П., Брайцев А.В. Горное дело: Учебник для техникумов. – М.: Недра, 1989. – 422 с. 10. Лидин Г.Д., Воронина Л.Д., Каплунов Д.Р. и др. Горное дело: Тер- минологический словарь. М.: Недра, 1990. -694 с. 11. Мельников Н.И. Проведение и крепление горных выработок: Учеб- ник для техникумов. – М.: Недра, 1988. – 336 с. 12. Проведение горно-разведочных выработок. Справочник. /под редак- цией Хорева В.А. - М.: Недра, 1990. – 410 с. 13. Смирняков В.В., Вихряев В.И., Очкуров В.И. Технология строитель- ства горных предприятий: Учебник для вузов. – М.: Недра, 1989. – 573 с. 14. Сыркин П.С., Мартыненко И.А., Данилкин М.С. Шахтное и подзем- ное строительство. Технология строительства горизонтальных и на- клонных выработок: Учебное пособие /Шахтинский институт ЮР- ГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2002. - 430 с. 15. Шехурдин В.К., Несмотряев В.И., Федоренко П.И. Горное дело. -М.: Недра, 1987. – 440 с. 181 3 БУРОВАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА В общем случае буровая технологическая система представляет со- бой комплекс скважин, необходимых для разведки и эксплуатации конкрет- ного геологического объекта. В практике разведки большинства месторождений полезных иско- паемых (за исключением рудных, которые характеризуются очень сложным геологическим строением) основной является буровая разведочная сеть. На промыслах предназначенных для добычи нефти и газа, скважины относятся к ключевым элементам соответствующих технологических комплексов. Скважина является основной структурной единицей в технологических схемах добычи полезных ископаемых путем подземного выщелачивания ряда металлов, выплавки серы, газификации углей и др. 3.1. Основные сведения о буровых скважинах Бурение скважин представляет собой процесс безлюдного образова- ния горной выработки круглого сечения, путем разрушения пород специ- альным техническими средствами (буровыми установками и инструмента- ми) с извлечение продуктов разрушения на поверхность. Скважина является горной выработкой, пройденной в массиве гор- ных пород с заранее заданным положением в пространстве, протяженность (глубина) которой значительно превышает ее диаметр. Элементы буровой скважины (рис. 3.1). Устье скважины (1) – место примыка- ния скважины к земной поверхности или к горной выработке, из которой она берет на- чало. Стенки скважины (3) – ограничиваю- щие скважину боковые поверхности горной породы. Ствол скважины (2) – пространство, занимаемое скважиной в массиве горной по- роды. Ось ствола скважины (4) – вообра- жаемая линия, соединяющая центры попе- речных сечений ствола скважины. Забой (дно) скважины (5, 7) – поверх- ность горной породы, перемещающаяся в пространстве в результате воздействия на нее Рис. 3.1. Элементы и параметры скважины 182 породоразрушающего инструмента. В зависимости от способа разработки различают сплошные забои 5 и кольцевые забои 7. При сплошном бурении разрушение породы производится по всей площади забоя. Сплошным забоем обычно бурят технические и эксплуата- ционные скважины, или интервалы разведочных скважин, геологические разрезы которых хорошо изучены на предыдущих этапах изысканий. При бурении кольцевым забоем в центре скважины остается колонка (столбик) породы диаметром d – керн (6). Этот способ бурения называется колонковым. Керн извлекается из скважины для изучения параметров и свойств пройденных пород. Колонковое бурение применяют при поисках и разведке полезных ископаемых, инженерно-геологических и других изы- сканиях. Параметры скважины (рис. 3.1 – 3.2). Протяженность (длина) скважины – это расстояние от устья до за- боя по оси ствола. Глубина скважины ( L ) или ее интервалов при ступенча- той конструкции ствола скважины ( , 2 1 L L ) – это проекция длины скважи- ны или ее интервалов на вертикальную ось. Длина и глубина численно рав- ны только для вертикальных скважин, однако они не совпадают у наклонных и искривленных сква- жин. Конечный диаметр скважины ( 3 d ) опреде- ляется целевым назначением скважины и соответ- ствует размеру породоразрушающего инструмента, применяющегося для разрушения пород на забое. Диаметры интервалов скважины ( 1 d , 2 d , 3 d ) имеют место при ступенчатой конструкции ствола и также соответствуют размеру породораз- рушающего инструмента, применяющегося для разрушения пород на заданном интервале скважи- ны. Углы, определяющие пространственное по- ложение буровой скважины: зенитный угол – угол отклонения про- екции оси скважины 1 на вертикальную плоскость 3 от вертикали 2; (на рис. 3.2 «Проекция скважины на вертикальную плоскость» показаны примеры положения ствола скважины относительно верти- кали: на глубине 1 h зенитный угол o 6 ; на глу- бине 2 h , o 12 ; на глубине 3 h , o 21 3 ); азимутальный угол (азимут скважины) Рис. 3.2. Углы про- странственного положения скважины 183 – угол, измеряемый в горизонтальной плоскости от северного направления по ходу часовой стрелки до горизонтальной проекции вертикальной плос- кости 3, в которой лежит ось искривленной скважины 1. На рис. 3.2 «Про- екция скважины на горизонтальную плоскость» показан пример азимуталь- ного отклонения скважины o 135 на глубине 3 h Типы и схемы расположения скважин. В зависимости от заданной проектной траектории, скважины подразделяются на следующие типы (рис. 3.3). Вертикальные (1)– направленные вертикально вниз. Учитывая, что ось скважины практически всегда имеет пространственное искривление, то скважину, при небольшой интенсивности искривления (обычно меньше де- сятой доли градуса на 10 м длины ствола) и малой суммарной величине от- клонения от вертикали (< 1-2 о ), также называют вертикальной. Восстающие вертикальные (5) - скважины, заданные вверх (из гор- ной выработки). Наклонные (2)– направленные наклонно вниз к вертикали; скважины (заданные вверх под углом к вертикали – восстающие наклонные (4)). Горизонтальные (3) – наклонно-направленные скважины, заканчи- вающиеся горизонтальным участком, ствол которого может достигать сотен метров или скважины, пройденные горизонтально, например, из горной вы- работки, при начальном зенитном угле 0 90 (7). По таким признакам как методика и схемы бурения, скважины могут иметь кустовое, многоствольное и многозабойное расположение (рис. 3.4). Рис. 3.3. Типы скважин в зависимости от заданной траектории Рис. 3.4. Схемы расположения скважин Кустовое расположение (рис. 3.4, а) предполагает бурение несколь- ких скважин на ограниченной площадке, в пределах которой перемещается 184 буровая установка. Метод кустового бурения предполагает наличие не- скольких устьев, при этом расстояние между устьями соседних скважин за- висит от длины и траектории ствола предыдущей скважины. Между точка- ми забуривания двух соседних скважин это расстояние составляет величину не менее 30 м, если разница в азимутах забуривания < 10 о . Если азимуты забуривания обличаются на 10 о …20 о и более, расстояние между точками заложения скважин составляет соответственно 20 и 10 м. Многоствольная скважина (рис. 3.4, б), имеет основной ствол и два или более дополнительных, являющихся продолжением основного. Такая скважина имеет одно устье, а количество забоев равняется числу дополни- тельных стволов. Любая многоствольная скважина является наклонно- направленной, так как для бурения нового ответвления требуется отклонить ствол от первоначального направления. Многозабойные скважины характеризуются бурением двух или более скважин одной буровой установкой последовательным спуском снаряда и углубкой того или иного ствола. Каждый ствол скважины имеет устье и за- бой. Например, известный еще в 60-е годы ХХ века способ двуствольного бурения предполагал оборудование установки двумя роторами, располо- женными на расстоянии 1,5 м друг от друга, и перемещающимся кронбло- ком. При этом бурение скважины ведется попеременно в обоих стволах: из одного ствола извлекается бурильная колонна и, не устанавливая на под- свечник, колонна переносится к соседней скважине, свинчивается с породо- разрушающим инструментом и опускается в скважину. Таким образом, по- переменно по мере износа долот в каждой скважине ведут спуско- подъемные операции, пока глубина скважин не достигнет проектной отмет- ки. По целевому назначению (области применения) буровые скважины условно можно разделить на три основные категории: геологоразведочные, эксплуатационные (добычные) и технические. Геологоразведочные скважины проводятся с целью изучения геоло- гического строения определенного района, поисков и разведки полезных ископаемых, проведения инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий. Глубина разведочных скважин определяется, в основном, перспек- тивными задачами или достигнутыми отметками разработки на действую- щих участках конкретных месторождений. Например, в Донбассе, где гори- зонты добычи углей на ряде шахт превышают 1500 м, глубина разведочных скважин составляет 2000 м и более. Нефтяные и газовые месторождения разведуют скважинами, глубина которых достигает 7000 – 8000 м. На современном этапе в Украине в больших объемах выполняется бурение относительно неглубоких (до 150-200 м) скважин при проведении инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий под строитель- ство жилых зданий, промышленных сооружений, мостов гидротехнических 185 сооружений, оросительных каналов и т.п. На каждой площадке строитель- ства важно получить образцы пород с ненарушенной структурой (моноли- ты), чтобы изучить свойства пород, на которых будут воздвигнуты те или иные сооружения. Эксплуатационные скважины бурятся для извлечения из недр нефти, газа, минеральных, обыкновенных и термальных вод и некоторых твердых полезных ископаемых (минеральных солей, серы, медных руд, урана цинка, золота и др. металлов). Технические скважины проводятся для различных технических целей: для размещения зарядов взрывчатых веществ; для взрывного отделения по- роды от массива при открытых и подземных разработках; для дегазации угольных пластов; для вентиляции горных выработок, прокладки коммуни- каций, лесоспуска, засыпки выработанного пространства и тушения пожа- ров в выработках; создания подземных газохранилищ и др. Конструкция скважины. Как правило, в разрезе ствола бурящейся скважины встреча- ются горизонты, сложенные из горных пород различной крепо- сти и устойчивости. Пересече- ние пород, нарушающих устой- чивость стенок скважины или трещиноватых пород, являю- щихся причиной поглощения промывочной жидкости вызы- вают осложнения, которые в ря- де случаев делают невозмож- ным дальнейшую проходку ни- жележащего интервала скважи- ны с заданными технологиче- скими режимами бурения. При бурении скважин на жидкие и газообразные полезные иско- паемые особенно важным явля- ется предотвращение перетока флюидов (нефти, газа, воды и их смеси) из одного пласта в другой. Поэтому при сооруже- нии скважин возникает необхо- димость крепить ее ствол и ра- зобщать (изолировать) пласты, содержащие различные флюиды Рис. 3.5. Обсадные колонны для крепления скважин: а – соединение обсадных труб в колонне муфтами; б – соединение обсад- ных труб в колонне методом «труба в трубу»; м D - диаметр муфты; oт D - на- ружный диаметр обсадной трубы; от S - толщина стенки обсадной трубы; - за- зор между стенкой скважины и обсадной колонной; д D - диаметр долота (скважи- ны) 186 путем спуска в нее обсадных колонн, в виде соединенных между собой спе- циальных стальных труб, называемых обсадными (рис. 3.5). Так как одно крепление стенок скважины обсадными трубами, не создает условий для полной изоляции осложняющих горизонтов и разобще- ния пластов, то затрубное пространство заполняют глиноцементным или цементным раствором при помощи специального цементировочного обору- дования и приспособлений. Таким образом, в результате механического бурения, крепления и це- ментации скважины создается подземное сооружение определенной конст- рукции. В общем случае, под конструкцией скважины (рис. 3.6) понимается совокупность данных о диаметрах бурения участков ствола ( , , , , 4 3 2 1 d d d d d ), длинах ( , , , 4 3 2 1 L L L L ) и диаметрах обсадных колонн ( , , , 4 3 2 1 k k k k d d d d ), а также, при необходимости – информация об интерва- лах цементирования обсадных колонн. По функциональному назначению типовой перечень обсадных ко- лонн геологоразведочных скважин включает направляющую колонну 1 (направление), кондуктор 2 и промежуточные (технические) колонны 3 и 4. Направляющая колонна (1) служит для защиты по- верхностных пластов от раз- мыва буровым раствором и предотвращения размыва устья скважины с дальней- шим отводом потока жидко- сти из ствола в очистную сис- тему. Кондуктор (2)является второй обсадной колонной, спускаемой в ствол скважины для крепления верхних неус- тойчивых интервалов разреза, а также для перекрытия по- глощающих пластов и изоля- ции водоносных горизонтов от загрязнения. Если наносы имеют небольшую мощность и относительно устойчивы в период бурения, то кондуктор одновременно может быть использован и как направ- ляющая колонна. После того как кондук- а) б) Рис. 3.6. Конструкции скважин 187 тор зацементирован, через него спускают долото меньшего размера и бурят новый ствол до требуемой глубины, зависящей от геологических условий бурения. Это участок ствола крепится промежуточной обсадной колонной 3, которая служит для предотвращения осложнений и аварий в скважине при бурении последующего интервала. Число промежуточных колонн мо- жет быть несколько. Их количество определяется исходя из несовместимо- сти условий бурения нижележащего интервала скважины по отношению к ранее пробуренному из-за возможных осложнений в вышележащих участ- ках ствола, если последний не закреплен обсадной колонной. Промежуточные колонны могут быть сплошными (3), перекрываю- щими весь ствол скважины от забоя до устья, независимо от крепления пре- дыдущего интервала и не сплошными (хвостовиками) (4), служащими для крепления только необсаженного интервала скважины с некоторым пере- крытием предыдущей обсадной колонны. При бурении эксплуатационных скважин, например, для добычи уг- леводородных полезных ископаемых, где предполагается необходимость соединения продуктивного пласта с дневной поверхностью, к типовому пе- речню обсадных колонн добавляется эксплуатационная колонна 5, которая служит для приема и извлечения на поверхность нефти или газа. Одновре- менно эксплуатационная колонна обеспечивает крепление и разобщение продуктивных горизонтов, и изоляцию их от других горизонтов геологиче- ского разреза скважины. Процесс бурения скважины и спуска обсадных труб продолжается до тех пор, пока не будет решена геологическая задача или достигнута глубина залегания нефти или газа. По числу обсадных колонн, спускаемых в ствол скважины, различают одно-, двух-, трех- и многоколонные конструкции скважин. При этом при подсчете колон, входящих в конструкцию скважины, направление, а для до- бычных скважин и кондуктор, не учитывают. 3.2. Бурение нефтяных и газовых скважин Руководящим документом для начала бурения скважин является гео- лого-технический проект, важную часть которого составляет конструкция скважины. Обоснованная конструкция скважины во многом определяет способ проходки тех или иных интервалов, технологию, буровое оборудо- вание и инструмент. Разработка конструкции скважины, а именно, выбор диаметров об- садных колонн и диаметров долот осуществляется снизу вверх. При разра- ботке конструкции добычной скважины, ее конечный диаметр зависит от 188 заданного диаметра эксплуатационной колонны, который является исход- ным для проектирования всей конструкции скважины. Диаметр эксплуата- ционной колонны ( э d ) зависит от условий ее эксплуатации, или задается заказчиком на буровые работы. Современные методы эксплуатации сква- жин дают возможность в большинстве случаев ограничиться спуском об- садных труб диаметром э d = 146 мм. При весьма высоких среднесуточных дебетах (более 300 т нефти и 500 тыс. м 3 газа) может потребоваться спуск обсадной колонны диаметром э d = 168 мм, а при низких дебитах нефти или газа обсадные трубы диаметром э d = 114 мм оказываются вполне достаточ- ными. Кроме функций приема и извлечения на поверхность нефти или газа эксплуатационная ко- лонна одновременно обеспечивает крепление и разобщение продук- тивных горизонтов, и изоляцию их от других горизонтов геологи- ческого разреза скважины. В нижней части колонны, находя- щейся в продуктивном пласте, перфорируют (простреливают) ряд отверстий в стенке обсадной трубы и цементной оболочке. После того, как установлен или выбран э d , определяется диаметр долота д D = 5 d (рис. 3.7), которым предстоит бурить ствол скважины под эксплуатационную колонну. Выбор д D обусловливается следующими факторами: диа- метром муфты обсадной колонны м D (см. рис. 3.5); величиной зазора между муфтой и стенками скважины ( ) для заполнения ее цементным раствором (табл. 3.1). Чтобы определить диаметр долота, которым предстоит бурить ствол под эксплуатационную колонну, используется формула 2 м 5 D d D д , мм, Рис. 3.7. Конструкция скважины 189 Таблица 3.1. Рекомендуемые зазоры для заданных диаметров об- садных колонн Наружный диаметр об- садной колонны от D , мм 114 127 140, 146 159 168 194 219 245 273 299 324 351 377 426 Диаметр муфты м D , мм 133 146 159, 166 180 188 216 245 270 299 324 351 376 402 451 Кольцевой зазор , мм 15 20 25 30 35 45 50 После того как установлен диаметр долота 5 d , определяют диаметр предыдущей колонны (промежуточной колонны или, если таковой нет – кондуктора). При этом разница между внутренним диаметром этой (преды- дущей) колонны и размером долота д D , проходящим через нее, находится в пределах 6 – 10 мм. Наружный диаметр обсадной трубы выбирается как ближайший к размеру ) 10 6 ( 2 мм S D D от д от Методика определения размеров долота д D = 2 3 4 , , d d d для бурения ствола скважины под промежуточные колонны или кондуктор аналогична предыдущему рассуждению. Нефтяная (газовая) скважина обычно начинается с бурения ствола диаметром 1 d =394—914 мм и глубиной 1 L =60—100 м. Для защиты поверх- ностных пластов от размыва буровым раствором и предотвращения размыва устья скважины с дальнейшим отводом потока жидкости из ствола в очист- ную систему, верхний участок скважины крепится направляющей колонной обсадных труб (1). В районах, где много растительности и неустойчивая почва, направ- ление (диаметром 762—1067 мм) вдавливается агрегатом для забивания свай на глубину около 1 L =30 м. Кондуктор 2 спускается в ствол скважины, пробуренный диаметром 2 d на глубину 2 L , достаточную для крепления верхних неустойчивых ин- тервалов разреза, а также для перекрытия поглощающих пластов и изоляции водоносных горизонтов от загрязнения. Если наносы имеют небольшую мощность и относительно устойчивы в период бурения, то кондуктор одно- временно может быть использован и как направляющая колонна. В зависи- мости от целевого назначения на него устанавливается противовыбросовое или другое технологическое оборудование (7). При глубине спуска кондук- тора м L 100 2 , необходимо произвести проверку соблюдения условия, а именно, после извлечения бурильной колонны из скважины жидкость должна сохраняться внутри кондуктора на уровне не менее 10 м над его башмаком. После того как кондуктор зацементирован, через него спускают доло- то меньшего размера и бурят новый ствол до требуемой глубины. Глубина 190 зависит от геологических условий и пластовых давлений. Это участок ство- ла крепится промежуточной обсадной колонной 3 При составлении конструкции необходимо ориентироваться как в сортаменте обсадных труб, так и в размерах породоразрушающего инстру- мента, используемого для бурения скважины. Наиболее часто в практике буровых работ применяются трубы, имеющие 18 номинальных наружных диаметров ( om D ) от 114 до 508 мм. Трубы каждого размера изготовляют с несколькими толщинами стенок ( от S ). Например, трубы диаметром 114 мм изготавливаются с толщиной стенки 6,4; 7,4 и 8,6 мм. Трубы диаметром 127 мм выпускаются с толщиной стенки 6,4; 7,5 и 9,2 мм. Трубы диаметром 140 и 146 мм имеют толщину 7; 7,7; 8,5; 9,2 и 10,7 мм. Толщина стенок труб диаметром 168 – 324 мм нахо- дится в диапазоне 7,3 – 14,8 мм. Трубы диаметром 351, 377 и 426 мм имеют толщину стенки 9; 10; 11 и 12 мм. При этом наружный диаметр обсадных труб остается постоянным. Диаметр бурения этой категории скважин опре- деляется размером долот, которые выпускаются диаметрами до 914 мм. При проектировании конструкции скважины необходимо также учи- тывать требования к интервалам цементирования: за кондуктором – до устья скважины; за промежуточными колоннами нефтяных скважин, проектная глу- бина которых до 3000 м, - с учетом геологических условий, но не менее 500 м от башмака колонны; за промежуточными колоннами разведочных, поисковых, парамет- рических, опорных и газовых скважин вне зависимости от глубины, и неф- тяных скважин глубиной более 3000 м – до устья скважин; за эксплуатационными колоннами нефтяных скважин с учетом пере- крытия башмака предыдущей колонны - не менее 100 м. Это же условие распространяется на газовые и разведочные скважины при осуществлении мероприятий, обеспечивающих герметичность соединений обсадных труб (сварные соединения труб, специальные высокогерметичные резьбовые со- единения и др.). Во всех остальных случаях цемент должен подниматься до устья скважины. |