Бурение скважин

     Механические  свойства горных пород являются внешним  проявлением физических и выражаются в способности оказывать сопротивление  деформированию и разрушению. К ним  относятся: прочность, крепость, динамическая прочность, твердость, упругость, хрупкость, пластичность, абразивность и др. В целом, изверженные породы наиболее прочные, за ними следуют метаморфические, потом осадочные, хотя и здесь не без исключений. На прочность пород оказывает существенное влияние степень их выветривания. Есть гранит, а есть выветренный гранит, прочность второго намного ниже.

     Изучение  физико-механических свойств горных пород необходимо 1) для выбора способа  бурения и наиболее производительных типов породоразрушающих инструментов; 2) для разработки рациональной технологии бурения и крепления стенок скважины; 3) для  расширения геологической изученности района работ. Особое внимание уделяют исследованию физико-механических свойств керна из опорных скважин, так как результаты этого изучения используются при составлении проектов бурения новых скважин.. 

     2.1.Классификация  горных пород по  степени связности  

     По  степени связности горные породы разделяются на четыре основные группы: скальные, связные, рыхлые (сыпучие) и плывучие. Скальные породы характеризуются различной, обычно высокой твердостью, обусловленной наличием между минеральными зернами молекулярных сил сцепления, которые после разрушения породы не восстанавливаются. Скальные породы по содержанию кварца разделяются на кварцсодержащие и бескварцевые. Первые характеризуются большей твердостью и абразивностью. Связные породы отличаются от скальных меньшей прочностью. Обычно это некоторые типы осадочных пород, в которых обломочный материал связан цементирующей массой иного состава или структуры. К ним, например, относятся  различные песчаники. Рыхлые породы (сыпучие) представляют собой механическую смесь частиц минералов или пород, не связанных между собой. Плывучие породы обладают способностью к течению, это обычно разжиженные водой пески (плывуны), но к течению способны породы и в твердом состоянии, например лед.  

     2.2.Буримость  и классификация  горных пород по  буримости 

     Буримостью  называется сопротивление горной породы проникновению в нее породоразрушающего инструмента. Буримость является комплексной функцией, зависящей, во-первых, от механических и абразивных свойств горных пород, во-вторых, от применяемой техники и технологии бурения, а именно: способа, типа и площади разрушения. Буримость является одним из основных факторов, определяющих производительность труда в процессе бурения скважин.

     Для вращательного колонкового бурения  все горные породы разделены на двенадцать категорий по возрастающей трудности  бурения. Критерием отнесения к  той или иной категории является механическая скорость бурения при стандартных условиях. Определить точно только визуально категорию породы по величине механической скорости бурения в производственных условиях не всегда представляется возможным. Тем не менее, это обычно и практикуется при документации керна. При таком визуальном и субъективном способе не исключаются неточности в отнесении породы к той или иной категории, и здесь важен опыт геолога. Буримость зависит от способа бурения. Поэтому для разных способов бурения разработаны свои классификации горных пород по буримости, в которых горные породы сгруппированы в категории в зависимости от показателя буримости. Ниже приводиться классификация пород по их буримости при колонковом способе. За критерий отнесения породы к соответствующей категории принята углубка скважины за 1 час чистого времени бурения. Скорость проходки пород I категории составляет 20-30 м/час; XII категории – 5-10 см/час.

     Таблица 2.1

     Классификация горных пород по буримости для вращательного механического бурения скважин

     Как видно из таблицы, для отнесения породы к той или иной категории по буримости к ее названию дополнительно даются несколько определений, уточняющих свойства и состояние пород.

     3. ТАМПОНИРОВАНИЕ СКВАЖИН

     Тампонированием скважины называется комплекс работ по изоляции отдельных ее интервалов. Тампонирование осуществляется с целью предотвращения обвалов скважины и размывания пород в пространстве за обсадными трубами, разделения водоносных или других горизонтов для их исследования, перекрытия трещин, пустот, каверн, для ликвидации водопроявлений, поглощения промывочной жидкости при бурении. 

     Рис. 3.1. Общая схема тампонажа:

     1 – колонна обсадных труб; 2 –  тампонажный материал; 3, 4, 5 - изолируемый,  водонепроницаемый и водоносный  пласты соответственно.

     При бурении на жидкие и газообразные полезные ископаемые, а также на минеральные соли необходимо изолировать пласт полезного ископаемого от вышележащих пластов. Изоляция отдельных горизонтов в скважине необходима для предотвращения проникновения грунтовых и пластовых вод в пласт полезного ископаемого. При подходе к продуктивному пласту проходка скважины прекращается в водонепроницаемом вышерасположенном пласте. Затем в скважину спускают колонну обсадных труб, а кольцевое пространство между низом колонны и стенами скважины заполняют водонепроницаемым материалом. Тампонированием затрубного пространства обсадная колонна предохраняется от сжатия давлением и корродирующего воздействия минерализованных подземных вод.

     Применяют постоянное и временное тампонирование. Постоянное тампонирование проводят на длительное время. При постоянном тампонировании околоствольное пространство изолируется от ствола скважины. Временное тампонирование предназначается для изоляции отдельных горизонтов и проводится на срок испытания скважины.

     Тампонирование производят для разобщения и изоляции водоносных пластов с разным химическим составом. Например, для изоляции горько-соленой воды от питьевой, изоляции водоносных пластов от нефтегазоносных, для производства опытных нагнетаний воды в пористый пласт, для защиты обсадных труб от коррозии минеральными водами, для устранения циркуляции подземных вод по стволу скважины при извлечении обсадных труб и ликвидации скважины.

     В качестве тампонажных материалов используют глину, цемент, глиноцементные смеси с наполнителями, быстросхватывающиеся смеси (БСС), битумы и смолы.

     Тампонирование  глиной применяют при бурении  неглубоких разведочных или гидрогеологических скважин. Если в месте намечаемого тампонирования залегает пласт глины мощностью 2—3 м, то тампонирование осуществляют задавливанием башмака обсадной колонны в глину, предварительно пробурив этот лласт на 0,5—0,6 м.

     При отсутствии на забое глины или  при недостаточной мощности ее пласта нижнюю часть скважины заполняют вязкой глиной, в башмак обсадной колонны вставляют конусную пробку, которой выдавливают глину в затрубное пространство. По окончании тампонирования пробки разбуривают.

     Тампонирование  с помощью цемента называется цементированием скважин. Цементирование используют при бурении скважины на воду, нефть, газ и в случаях, когда необходимо получить прочный и плотный тампон на весьма продолжительное время.

     Для цементирования скважин используют тампонажный цемент на основе портландцемента.

     После смешивания с водой тампонажный  цемент должен давать подвижный раствор, перекачиваемый насосами, который с течением времени загустевает и затем превращается в водонепроницаемый цементный камень. Цементный раствор надо изготовлять как можно быстрее, чтобы предупредить его схватывание во время нагнетания в скважину. Готовят цементный раствор в цементомешалках или в специальных цементировочных агрегатах, смонтированных на автомобиле.

     Наиболее  широко применяемый способ цементирования при разведочном бурении — погружение башмака обсадной колонны в цементный раствор, залитый на забой скважины. Забойное цементирование проводят для изоляции нижней призабойной части колонны обсадных труб. Цементный раствор заливают в скважину через заливочные трубы на высоту 2—3 м.

     После извлечения из скважины заливочных труб на забой спускают колонну обсадных труб. После затвердения цементного раствора разбуривают пробку в обсадных трубах и продолжают проходку скважины.

     Временное тампонирование скважин производится на непродолжительный период проведения раздельного исследования водоносных (нефте- и газоносных) горизонтов.

     Для разобщения отдельных участков скважины, подвергаемых исследованиям (откачки, нагнетания), используют специальные тампоны, называемые пакерами. По принципу действия различают пакеры простого и двойного действия. Пакеры простого действия разделяют скважину на два изолированных друг от друга участка, а двойного действия — на три.

     Принцип действия пакера основан на том, что  при расширении резиновой манжеты или подушки надежно уплотняется зазор между стенками скважины и колонной труб, на которой опускается тампон. Резиновая манжета (подушка) в скважине может уплотняться механически, с помощью воды или сжатого воздуха.

     Гидравлический  пакер (рис. 8.2.) с двумя резиновыми камерами 3 (двойного действия) спускают в скважину на колонне труб 1. Вода, подаваемая под давлением через трубки 2 в камеры 3, прижимает их к стенкам скважины. Таким образом скважина разделяется на три участка. Через фильтровую трубу 4 после установки пакера производят опытные откачки или наливы.

     Тампонирование  без обсадных труб. Для борьбы с поглощением промывочной жидкости без уменьшения диаметра скважины применяют БСС различного состава. Дозировка смеси, содержащей портландцемент, глинистый раствор, жидкое стекло, каустическую соду и воду, зависит от качества цемента и глины. Изменением количества жидкого стекла и каустической соды регулируют свойства смеси и сроки ее схватывания. Через 20—35 мин после приготовления БСС теряет подвижность, а через 1—1,5 ч заканчивается ее схватывание. Используют также тампонажные смеси на основе синтетических смол путем смешивания их с наполнителем и последующим введением в смесь отвердителя.

     Тампонажные смеси должны быть доставлены к месту  поглощения промывочной жидкости до потери подвижности. Смесь, доставляют одним из следующих способов: 1) заливкой через устье неглубокой скважины; 2) закачиванием через бурильную колонну, 3) в колонковом наборе, закрытом снизу глиняной пробкой, с последующим выдавливанием промывочной жидкостью; 4) с использованием специальных тампонажных устройств.

     Доставленную  в зону поглощения тампонажную смесь  после выдержки в течение времени, необходимого для ее затвердевания, разбуривают. 

     3.1.Производство работ по цементированию скважины при помощи двух пробок 

     Если  необходима большая высота подъема цемента в затрубном пространстве (на любое расстояние от забоя, вплоть до устья скважины), применяется цементирование под давлением с разделяющими пробками. При этом используют две разделяющие пробки и цементировочную головку. Разделяющие пробки снабжены уплотняющими резиновыми манжетами. Верхняя пробка сплошная, а в нижней выполнен осевой канал, перекрытый стеклянным диском или резиновой перепонкой.