Этапы разработки технологии бурения

Решение комплекса задач по оперативной оценке горно-геологических ситуаций на разведуемом месторождении, выбору способа бурения скважины, бурового инструмента и оборудования, средств отбора керна и т.п. составляет основу при разработке технологии бурения геологоразведочных скважин в конкретных условиях. Выделяется шесть самостоятельных, но и взаимосвязанных этапов разработки технологии бурения скважин на любом месторождении:

1. Типизация горно-геологических условий бурения на объекте работ;

2. Выбор способа бурения и проектирование конструкции скважин;

3. Выбор инструмента и оборудования;

4. Разработка технологических режимов бурения;

5. Совершенствование разработанного технологического процесса и, в том числе, оптимизация процесса бурения;

6. Оценка качества и результативности разработанной технологии бурения скважин.

К разработке технологии бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые приступают на основании геологического задания, которое содержит оценку геологической ситуации, целевое назначение скважин, вид полезного ископаемого, проектируемую глубину, частоту разведочной сети и прочие сведения. Эти данные учитываются на всех стадиях разработки технологии на месторождении [1-4, 9-13].

Большое разнообразие горно-геологических и технических условий, в которых необходимо проводить буровые работы, требуют от специалиста-технолога в каждом конкретном случае индивидуального подхода к решению задач технологического характера.

Общая схема разработки технологии бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые, основанная на результатах многолетних исследований научно-исследовательских (ВИТР, СКБ) и производственных организаций, показана на рис. 6.1.

Одним из основных и важнейших элементов в представленной схеме является типизация горно-геологических условий, в которых должно проводиться бурение. Поэтому сразу после оценки геологической ситуации месторождения и

Рис.6.1. Схема разработки технологии геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые

определения целевого назначения скважин переходят к типизации горно-геологических условий бурения; при этом определяются:

1. Физико-механические свойства горных пород, слагающих месторождение (по ОСТ 41-89-74):

- твердость F_д;

- абразивность К_абр;

- объединенный показатель r_м, связывающий твердость и абразивность; по этому показателю устанавливается категория пород по буримости, а породы (или их комплексы) относятся к определенной группе (I – IV).

2. Степень трещиноватости пород по одному из показателей или по их сочетанию (удельная кусокватость керна К_уд, выход керна В_к) и устанавливается группа пород по трещиноватости (1-5).

3. Степень устойчивости пород в скважине (1-4 группы).

После типизации условий выбирается способ бурения с учетом целевого назначения скважин и установленных групп горных пород.

Конструкция скважины проектируется в соответствии с геологическим заданием, видом полезного ископаемого и требованиями к опробованию, наличием геофизической аппаратуры и учетом степени устойчивости пород по всей длине ствола скважины, определяется минимальный диаметр бурения конечных интервалов скважины, число обсадных колонн и другие параметры конструкции.

Производится выбор:

- продоразрушающего инструмента;

- колонкового набора;

- бурильной колонны;

- буровой установки;

- технологического и вспомогательного инструмента.

Разрабатывается технологический режим бурения, который совершенствуется в ходе работ путем:

- оптимизации параметров режима бурения;

- проведения технологических мероприятий по профилактике и устранению осложнений в скважине;

- выбора средств автоматизации и контроля за процессом углубки.

Производится качественная и технико-экономическая оценка применения разработанной технологии бурения в конкретных условиях.

6.2. Типизация горно-геологических условий

Оптимальные процессы бурения и достигаемые качественные экономические результаты должны быть увязаны с типизированными геолого-техническими условиями работ, что обеспечивает возможность систематизации исходных данных для оптимизации бурения.

Сопоставлением априорных сведений о новом геологическом объекте с имеющейся информацией о процессах бурения в аналогичных типизированных условиях решаются практически все задачи проектирования технологии буровых работ. При этом под термином «типизация» понимается систематизация, осуществляемая на основании сходства или различия признаков объектов исследования. Формы типизации (систематика, классификация, таксономия) отличаются целью и степенью обобщения характеризуемых признаков и объектов, наличием структурных связей между выделенными типами (классами) и применением количественных оценок для разделения типов (классов).

Логические формы типизации развиваются от описательных характеристик различных объектов к выделению из них типового объекта как представителя всего множества объектов, отражающего результат систематизации и обобщения существенных характеристик исследуемого множества объектов.

При типизации горно-геологических условий бурения скважин для обеспечения задач выбора породоразрушающих инструментов, способов и параметров режима бурения требуется уточнение границ эффективного применения различных классификаций пород по физико-механическим свойствам и совершенствование методов прогнозирования показателей бурения.

Основными объектами исследований при типизации условий бурения на геологическом объекте являются буримость горных пород, их трещиноватость и степень устойчивости пород в стенках скважины.

6.2.1. Определение физико-механических свойств горных пород

При вращательном колонковом бурении среди физико-механических свойств пород наибольшее значение имеют твердость и абразивность. Твердость характеризуется коэффициентом динамической прочности F_д, абразивность – коэффициентом абразивности К_абр. Обе величины характеризуют буримость пород объединенным показателем .

Коэффициенты динамической прочности и абразивности рекомендуется определять по ОСТ 41-89-74.

В табл. 6.1. приведена шкала категории пород по буримости для разных значений объединенного показателя.

При отсутствии приборов для определения F_д и К_абр для предварительного суждения о свойствах пород можно воспользоваться данными табл. 6.2., где приведены показатели для основных разновидностей (групп) пород, принятой в геологоразведочном бурении классификации горных пород.

6.2.2. Оценка степени трещиноватости горных пород

Совокупность трещин, разбивающих массивы пород, называют трещиноватостью горных пород. Степень трещиноватости вместе с другими тектоническими нарушениями характеризует структуру массива пород, ее пространтсвенную неоднородность и анизотропность свойств, влияет на прочность и устойчивость пород (деформируемость, водопроницаемость, влагоемкость, сейсмостойкость, твердость, буримость).

Критерием количественной оценки степени трещиноватости выбирают показатели, учитывающие размеры и густоту трещин; различают три вида показателей:

- линейные (количество и размеры трещин на единицу длины обнажения, горной выработки, скважины);

- распределенные по площади (количество, размеры и раскрытость трещин на единицу площади);

- объемные (количество, площадь стенок и объем трещин на единицу объема породы).

По исследованиям ВИТРа наиболее полно трещиноватость проявляется в степени раздробленности керна на столбики и обломки. Показателем раздробленности может служить величина удельной кусковатости К_уд (число кусков, обломков или столбиков на 1 м выхода керна). Чем выше выход керна, тем достовернее оценка трещиноватости породы по удельной кусковатости керна. Этот показатель отражает истинную трещиноватость породы в массиве и меньше зависит от технологии бурения, чем такой показатель, как выход керна В_к. Между удельной
Таблица 6.1 - Шкала для определения категории пород по буримости

Таблица 6.2 - Типизация пород по буримости

кусковатостью керна и основными показателями бурения существует корреляционная связь, коэффициенты которой находятся в пределах 0,71 - 0,96.

Приближенно трещиноватость пород можно оценивать по выходу керна, который, однако, не является показателем, характеризующим только трещиноватость породы. Поэтому за основной критерий, позволяющий оценивать степень трещиноватости пород при бурении, принята удельная кусковатость керна, в качестве косвенного - выход керна.

Для более точного определения степени трещиноватости породы (например, при экспериментальных исследованиях) используется еще один дополнительный критерий - показатель трещиноватости породы W, который вместе с величиной удельной кусковатости керна позволяет более точно оценивать нарушенность горных пород, их структурные и текстурные особенности:

ед/об.,

где W - показатель трещиноватости породы, определяющий среднее количество трещин, встречаемых коронкой за один ее оборот, ед/об; D_К - диаметр керна, м; К_уд - удельная кусковатость керна, шт/м; l - опытный коэффициент, учитывающий степень вторичного дробления породы; для расчетов среднее значение этого показателя может быть принято равным 0,7; b - угол встречи плоскости трещины с осью скважины в градусах.

Применение перечисленных критериев позволяет получить достаточно полную характеристику трещиноватости пород геологического объекта. Классификация пород по трещиноватости применительно к вращательному колонковому бурению приведена в табл. 6.3.

6.2.3. Оценка степени устойчивости горных пород в стенках скважин

Наиболее опасной зоной, где интенсивно разрушаются горные породы, является контур скважины и прилегающая к скважине часть породы. Концентрация напряжений в этой области достигает максимума, за счет чего происходят нарушения устойчивости стенок скважины в виде следующих осложнений:

- обрушения стенок скважины;

- обвалы стенок скважины;

- осыпания стенок скважины;

- выпучивания стенок скважины.

Таблица 6.3 - Классификация горных пород по трещиноватости для колонкового вращательного бурения (ВИТР)

При разработке технологии бурения, в первую очередь, при проектировании конструкции скважины и разработке мер профилактики и устранения возможных осложнений и аварий в скважине, существенное значение имеет оценка устойчивости пород в стенках скважины. Для такой оценки рекомендуется классификация горных пород по степени устойчивости их в стенках скважины в процессе бурения, исходя из принципов защиты стенок от горного давления, механического разрушения очистным агентом и вибрирующим буровым снарядом и от физико-химического изменения горных пород (табл. 6.4).

Руководствуясь этой классификацией, можно в первом приближении оценить возможные осложнения в процессе бурения скважин и число зон осложнений, определить рациональную методику и технологию по борьбе с осложнениями, а также выбрать эффективные технические средства для проведения профилактических или изоляционных работ в породах различной степени устойчивости.

Таким образом, в результате типизации геологических условий может быть выделено 5 групп пород по твердости, каждая из которых, в свою очередь, разделяется на 5 групп по трещиноватости и 4 группы по сложности.

6.3. Выбор способа бурения

Выбор способа бурения функционально зависит от ряда факторов.

Оценивая в совокупности требования геологического задания, целевое назначение скважин, учитывая установленные значения r_м и категорию пород по буримости, а также степень сложности геологического разреза будущей скважины, выбирают в соответствии с рекомендациями табл. 6.5 и 6.6 способ разрушения горных пород. Приведенные рекомендации предусматривают наиболее часто встречающиеся условия. Способ бурения и применяемые технические средства для экстремальных условий (решение специальных геологических задач, необычно сложные горно-геологические условия) могут отличаться от рекомендованных.

Весьма существенным для выполнения поставленной геологической задачи является необходимость получения представительного и кондиционного количества керна. Эта задача также является первостепенной при выборе способа бурения и решается путем применения специальных колонковых наборов - двойных (тройных) труб (ДКН), снарядов со съемными керноприемниками (ССК), эрлифтных и эжекторных комплектов и других (см. табл. 6.5).

Таблица 6.4 - Классификация горных пород по степени устойчивости в стенках скважины (ВИТР)

Таблица 6.5 - Рекомендации по выбору способа бурения и типа колонкового снаряда (ВИТР)

Таблица 6.6 - Выбор способа разведочного бурения в зависимости от показателя r_м (категории по буримости пород) и технических возможностей породоразрушающего инструмента. (по Н.И. Любимову и др.)

Способ бурения	rм (категория по буримости)
менее 6,8 (I-IV)	6,8 (V)	10,1 (VI)	15,2 (VII)	22,8 (VIII)	34,2 (IX)	51,2 (X)	76,8 (XI)	более (XII)
Вращательное
· твердосплавное
· долотами разных типов
· комплексами с гидротранспортом керна:
- твердосплавное
- алмазное
· высокообортное алмазное
· обычное алмазное
· комплексами со съемными керноприемниками:
- ССК
- КССК
Вращательно-ударное
· гидроударными высокочастотными машинами:
- твердосплавное
- алмазное
Ударно-вращательное
· гидроударными машинами
· пневмоударными машинами
Примечание. Обозначение рациональных областей применения способов бурения: - основная область применения; - дополнительная в породах I-V категорий с включениями до 10% пород VI-IX категорий по буримости; - дополнительная для пневмоударных машин.

6.4. Проектирование конструкции скважин.

Одной из наиболее важных и сложных задач является проектирование в соответствии с выбранным способом бурения рациональных конструкций скважин, которые во многом определяют конечную эффективность и затраты на их сооружение.

Конструкция скважин определяется их целевым назначением, геологическим заданием, видом полезного ископаемого, сложностью горно-геологических условий и характеризуется проектной глубиной, конечным диаметром, числом обсадных колонн, их диаметрами и глубинами спуска. Рациональной конструкцией считается конструкция, у которой:

- конечный диаметр бурения выбран минимально возможным, с учетом получения достоверной геологической информации по керну, проведения различных скважинных исследований;

- число обсадных колонн и глубины их спуска минимальны и обусловлены только сложностью геологического разреза;

- типоразмеры породоразрушающего инструмента, бурильных и обсадных труб приняты в соответствии с геолого-техническими условиями бурения и рациональным соотношением диаметров труб и скважины;

- выбранный способ бурения обеспечивает наилучшие качественные и технико-экономические показатели.

Учитывая, что наилучшие технико-экономические результаты получаются при бурении скважин малого диаметра (59-76 мм), в основу проектной конструкции положено получение керна минимально возможного диаметра, достаточного, однако, для получения достоверной геологической информации или для опробования полезного ископаемого. Установлено, что большинство месторождений черных металлов, меди, угля, горючих сланцев, цветных металлов, коренных месторождений золота, некоторых редких и благородных металлов можно разведывать инструментом малого диаметра при условии получения кондиционного выхода керна. Исключение составляют месторождения, характеризующиеся крайне неравномерным распределением компонентов полезного ископаемого.

Рекомендации по выбору минимально возможных диаметров керна для различных видов полезных ископаемых приведены в табл. 6.7. Помимо этих рекомендаций при определении конечного диаметра скважин необходимо учитывать

Таблица 6.7 - Рекомендации по выбору минимально допустимых диаметров керна и возможных размеров колонковых снарядов для различных видов полезных ископаемых