Требования к бурению разведочных скважин на море

Во избежание неоправданных затрат на проведение буро­вых работ с излишней или недостаточной детальностью бу­рение должно осуществляться с соблюдением предъявляемых к нему геолого-методических требований (ГМТ), основными общими позициями которых для скважин любого назначения являются задачи бурения, глубина и диаметр скважины, тех­нологическая схема и методика бурения, длина рейса и выход керна.

Буровое долота для бурения на больших глубинах

Из месторождений твердых полезных ископаемых на морском шельфе особенно привлекательны россыпи. В них концентрируются благородные и редкие металлы, драго­ценные минералы и руды.

Глубину скважины ниже дна моря определяют исходя из того, что в соответствии с ГМТ она должна подсечь корен­ные породы (плотик) и углубиться в них на 1-2 м для полу­чения достоверных данных. Мощности рыхлых образований на месторождениях россыпей обычно не превышают 100 м (чаще всего 15 - 20 м).

Диаметр бурения и углубление за рейс при разведке рос­сыпей устанавливают в зависимости от вида полезного иско­паемого, стадии разведки, назначения опробования, внутрен­него строения продуктивных отложений россыпи, размеров, количества и особенностей пространственного распределения зерен полезных минералов в продуктивных отложениях, возможных мощностей пустых прослоев.

B интервалы диаметров и глубин разведочных скважин на твердые полезные ископаемые вписываются параметры ин­женерно-геологических скважин. Их глубина на суше состав­ляет обычно 10—20 м. На море из-за интенсивности внешних ветровых и волновых нагрузок, подводных течений, подмы­вающих фундаменты сооружений, и обводненности донных грунтов глубины инженерно-геологических скважин во много раз больше.

Многослойные, двухслойные и однослойные эпоксидные покрытия труб

Основной задачей бурения является не только и не столько получение проб грунта (монолитов), сколько обеспечение возможно­сти проведения различных геотехнических исследований непосредственно в стволе скважины с целью определения физико-механических свойств грунтов в условиях их ес­тественного залегания. Большинство натурных способов оп­ределения свойств грунтов основано на вдавливании в них соответствующих наконечников (статическое зондирова­ние, лопастный срез и др.), что оказывает влияние на вы­бор диаметров бурового технического комплекса и сква­жины.

Гладкопроходные бурильные трубы различных диаметров

Технически и технологически наиболее оправданным явля­ется использование буровых комплексов, основанных на применении в качестве бурового инструмента гладкопроходных бурильных труб большого диаметра взамен обычных геолого-разведочных, используемых в сухопутном инженер­но-геологическом бурении. Наибольшее распространение на море получили бурильные трубы нефтяного сортамента диа­метром 0,127 м [55]. Соответственно диаметр скважины не может быть меньше 0,132 м.

Установленные геологические разрезы и глубины разведы­ваемых акваторий, геолого-методические и эксплуатационно-технические требования к бурению скважин рассмотрен­ных целевых назначений определяют следующие их пара­метры:

Максимальная глубина скважины, м:

по воде/по породам.............................................. 300/300

Диаметр скважины в рыхлых отложениях, м:

максимальный................................................... 0,325/0,351

минимальный................................................... 0,146/0,166

Диаметр скважины в коренных породах, м:;

максимальный................................................. 0,131

минимальный................................................... 0,059

Скважины рассмотренных назначений отличаются глуби­ной по воде и по породам. По этому показателю их можно разделить на две группы. Первая группа охватывает скважи­ны, основной объем бурения, которых приходится на рых­лые породы. К ней относятся скважины разведочные на стройматериалы и россыпи, геотехнологические, технические и большая часть инженерно-геологических. Обычно их глу­бины не превышают 100 м и по воде и по породам. Наиболее часто глубина скважин этой группы по породам составляет не более 30 м.

Ко второй группе можно отнести скважины структурно-картировочные разведочные на уголь и другие твердые по­лезные ископаемые и инженерно-геологические с глубинами бурения более 100 м по породам. Глубина скважин второй группы достигает 300 м по воде и 300 м по породам. Их ко­личество в практике бурения на порядок меньше, чем сква­жин первой группы. Однако на долю каждой скважины вто­рой группы приходятся значительно большие объемы буре­ния в коренных породах, чем на долю скважины первой группы.

Процессы бурения скважин первой и второй групп, даже существенно различающихся по глубинам, имеют много об­щего, так как каждую из них необходимо:

· бурить по породам различной крепости, так как почти все скважины должны внедряться в коренные породы. Даже при разведке строительных материалов приходится разбуривать чередующиеся песчаные и гравийно-галечниковые отложения, которые также существенно отличаются между собой по крепости и буримости;

· бурить по рыхлым породам с опережением забоя обсад­ными трубами из-за неустойчивости стенок скважины в об­водненных и набухающих при вскрытии в воде породах;

· забуривать сравнительно большим диаметром.

Рациональные способы бурения разведочных скважин на море

Рациональным является такой способ бурения скважины, который обеспечивает достаточно качественное выполнение поставленной задачи при минимальных трудовых и матери­альных затратах. Выбор такого способа бурения базируется на сравнительной оценке его эффективности, определяемой многими факторами, каждый из которых в зависимости от геолого-методических требований, назначения и условий бу­рения может иметь решающее значение.

При выборе рациональ­ного способа бурения оценивать следует, прежде всего, и главным образом по фактору, отражающему целевое назна­чение скважины. При выявлении двух и более способов бу­рения, обеспечивающих пусть даже различное, но достаточ­ное качество выполнения поставленной задачи, следует про­должить их оценку по другим факторам. Если сравниваемые способы не обеспечивают качественного решения геологиче­ской или технической задачи, ради которой осуществляется бурение, то оценивать их, например, по производительности и экономической эффективности не имеет практического смысла.

Факторы, влияющие на процесс и эффективность бурения на море, специфические (см. рис.1). Они ограничивают или вовсе исключают возможность применения некоторых спо­собов и технических средств, признанных эффективными для бурения скважин того же назначения на суше. Исходя из этого эффективность способов бурения разведочных сква­жин на море предложено оценивать почетырем показателям:

· геологической информативности;

· эксплуатационно-техноло­гическим возможностям;

· технической эффективности;

· эко­номической эффективности.

Геологическая информативность определяется конкретны­ми задачами бурения разведочных скважин. При разведке месторождений полезных ископаемых геологическую ин­формативность способов бурения оценивают по качеству от­бираемого керна. Керн должен обеспечивать получение гео­логического разреза и фактических параметров месторожде­ния: литологического и гранулометрического состава разбу­риваемых отложений, их обводненности, границ продуктив­ного пласта, крупности находящегося в нем металла (при разведке россыпей), содержания полезного компонента, со­держания тонкодисперсного материала и глинистых прима­зок (при разведке стройматериалов) и т.п. Для точного опре­деления этих параметров необходимо предотвратить обога­щение или обеднение отбираемых проб керна по каждому интервалу опробования.

Геологическую информативность способов бурения при инженерно-геологических изысканиях оценивают по воз­можности определения физико-механических свойств грун­тов, находящихся в естественном, природном залегании. До­стигают этого путем выбуривания проб грунтов (монолитов) и исследования их свойств в специальных лабораториях или определением свойств грунтов непосредственно в стволе скважины. Последний способ перспективнее, так как может обеспечить более быстрое и качественное получение резуль­татов исследований.

Эксплуатационно-технологические возможности способа определяются его способностью обеспечивать эффективную проходку скважины требуемых параметров в определенных условиях. Практически любым из известных способов можно бурить на море, в том числе проходить шурфы и бурить шурфоскважины. Но вряд ли можно ориентироваться на ис­пользование шурфов и шурфоскважин на море в качестве геолого-разведочных горных выработок, так как заведомо ясно, что на их сооружение потребуются большие матери­альные затраты.

Таким образом, эксплуатационно-технологические воз­можности способа бурения определяются качеством выпол­нения поставленной задачи, его технической и экономичес­кой эффективностью.

Критериями оценки технической эффективности являют­ся: мгновенная, средняя, рейсовая, техническая, парковая, цикловая скорости бурения; производительность за смену, сезон; время выполнения отдельных операций, проходки всей скважины или отдельного ее интервала; износ обору­дования, обсадных труб и инструмента; универсальность; металлоемкость; энергоемкость; мощность; транспортабель­ность бурового оборудования и др.

Все виды скоростей и производительность бурения опре­деляются затратами времени на выполнение того или иного процесса или операции. При выборе способа бурения для условий моря фактор времени является одним из важнейших критериев.

Критерии экономической эффективности включают в себя показатели, характеризующие затраты в рублях. Важнейшие из этих критериев - стоимость 1 м бурения, стоимость со­оружения всей скважины или отдельного ее интервала, в большой степени, зависящие от технической эффективности. К ним же могут быть отнесены критерии, характеризующие затраты на содержание вспомогательных плавсредств, расход различных материалов, которые быстро изнашиваются при использовании их в сложных гидрологических и агрессивных условиях моря (например, обсадных и бурильных труб, тро­совой оснастки буровых и якорных лебедок и т.д.).

Таким образом, выбор рациональных способов, техноло­гий и техники для бурения разведочных скважин на море необходимо осуществлять путем сопоставления известных и новых способов по комплексу критериев эффективности. Главенствующая роль того или иного критерия зависит от конкретного назначения скважины. Для бурения инженерно-геологических и геолого-разведочных скважин на твердые полезные ископаемые главным из этих критериев является геологическая информативность, остальные критерии имеют подчиненный характер. Поэтому для бурения таких скважин методологически правильно оценивать сравниваемые способы в первую очередь по геологической информативности. Для бурения геотехнологических и технических скважин предпо­чтение следует отдавать так называемому Т-критерию (мини­мум времени бурения скважины).

Геологическая информативность способов бурения

Чаще всего геологические разрезы представлены с по­верхности рыхлыми породами, которые на море сильно водонасыщены и характеризуются неустойчивостью при вскры­тии их скважиной. Бурение в таких породах разведочных скважин любого назначения должно осуществляться с опере­жением забоя обсадными трубами.

Анализ известных способов бурения показывает, что при­менительно к условиям работы на акваториях только удар­ный, вибрационный и вдавливающий способы обеспечивают бурение в рыхлых породах с опережающей обсадкой сква­жины трубами. Качество отбираемых проб керна рыхлых пород при бурении этими способами исследовано экспери­ментально и подтверждено практикой.

Модельные исследования выхода керна при погружении обсадных труб в породы ударным и виброударным способа­ми в пляжной зоне были выполнены с использованием буро­вой установки БУВ-1Б. В результате исследований установлено следующее:

1. При погружении трубы в породы ударами форма слоев внутри трубы и в шурфе не изменяется, дробь по контакту между трубой и керном проникает на глубину до 0,35 м. При вибропогружении слои пород на контактах с внутренней и наружной поверхностями трубы смещаются в направлении ее погружения и дробь по контакту между трубой и керном проникает на глубину до 0,70 м. Следовательно, при вибро­ударном способе элементы тяжелых фракций в большей сте­пени, чем при ударном, склонны к миграции.

2. Породы в трубе после погружения ее в них ударами как забивного снаряда, так и вибромолота уплотняются. Общее уменьшение мощности выбуренной породы при ударном способе в 2,2 раза больше, чем при виброударном. Это сви­детельствует о проявлении свайного эффекта и о том, что величина его в сухой скважине при ударном бурении боль­ше, чем при виброударном. Такой вывод согласуется с ре­зультатами исследований Д.Н. Башкатова, Б.М. Гуменского, Н.С. Комарова, Б.М. Ребрика.

Бурение с очисткой обсадной колонны от воды малоэф­фективно, так как после очистки вода заполняет колонну через резьбовые соединения и поступает с забоя. Кроме то­го, понижение уровня воды в скважине по сравнению с уровнем моря создает перепад гидростатического давления, под действием которого при бурении водоносных горизонтов в колонну выдавливаются породы, находящиеся ниже ее башмака, и искажают геологическую информацию.

При погружении труб в породы на море ударным спосо­бом установлено, что величины уплотнения и отжатия пород забоя из труб зависят не только от рейсового заглубления труб, но и от скорости их погружения. В эксперименте быс­трое погружение колонны труб в обводненные илы и алеври­ты достигалось сбрасыванием ее с высоты 3,5-4,5 м над дном моря при расторможенной лебедке, медленное - спус­ком колонны с тормоза лебедки со скоростью 0,02-0,03 м/с. При быстром погружении труб в породы скорость движения колонны массой 1400 кг уменьшалась с 8-7 до 3-2 м/с, а колонны массой 400 кг - с 7 -6 м/с до остановки.

Выполненные исследования показывают, что наименьшее искажение качества керна наблюдается при погружении труб в породы вдавливанием, несколько большее - ударами.

Ударный способ бурения в зависимости от способа отбора керна подразделяют на: ударный сплошным забоем, клюющий кольцевым забоем и ударно-забивной или просто забивной кольцевым забоем.

Ударное бурение сплошным забоем заключается в разру­шении пород забоя долотами, удалении продуктов разруше­ния желонками и получении образцов пород в виде шлама. Ударное бурение сплошным забоем на море переходят только при необходи­мости разрушения встречающихся валунов и крепких по­род.

Клюющий способ бурения заключается в том, что буровой снаряд, включающий жестко соединенные между собой керноприемный стакан и утяжеленную трубу, сбрасывают на забой с некоторой высоты; стакан углубляется в породу, за­тем снаряд поднимают на поверхность для отбора керна из стакана. Величина углубления стакана в породы в рейсе зави­сит от энергии удара снаряда о забой. При бурении этим способом на море достичь значений энергии удара, достаточ­ных для погружения стакана в породы на глубину хотя бы 0,1-0,2 м, трудно, так как буровой снаряд движется в сква­жине, заполненной водой, и испытывает большие гидравли­ческие сопротивления движению. Поэтому на море этот спо­соб бурения не применяют.

Основной разновидностью ударного бурения в рыхлых породах на море является забивной способ, обеспечивающий получение образцов пород в виде керна. Отбор керна при этом осуществляется нанесением ударов по трубчатому керноприемнику, снабженному упроченным кольцевым башма­ком, который выполняет роль породоразрушающего инстру­мента. Выход керна при отборе его из обсадной колонны забивными керноприемниками примерно такой же, как и при отборе, его вдавливаемыми грунтоносами.

Рис. 2. Последовательность выполнения операций в рейсе при погружении колонны обсадных труб в породы и отборе керна из них новыми конструкциями забивного снаряда и забивного керноприемника: а - погружение в породы обсадной колонны; б - сбрасывание керноприемного стакана на забой скважины; в - спуск в скважину ударной штанги и погружение стакана в породы; г - извлечение штанги из скважины и настройка ловителя на захват стакана; д - спуск ударной штанги с ловителем в скважину, захват стакана и подъем их на поверхность; 1 - обсадная колонна труб; 2 - забивной снаряд; 3 - стакан керноприемный; 4 - ударная штанга; 5 - заблокированный ловитель.

Таким образом, наибольший выход керна рыхлых пород на море имеет место при вдавливающем способе бурения со скоростью погружения обсадных труб и грунтоносов в породы менее 0,02 м/с и всего на 3-4% меньше при забивном способе со скоростью погружения обсадных труб и забивных керноприемных снарядов в породы более 0,16 м/с.

Однако ударно-забивной способ позволяет бурить разве­дочные скважины любых необходимых диаметров в рыхлых, крепких и перемежающейся крепости породах. Бурение вдавливанием экономически оправдано только диаметром до 0,108 м и только в рыхлых отложениях без включения гальки и валунов и поэтому не вполне отвечает обобщенным ГМТ, предъявляемым к бурению разведочных скважин.

При бурении многих видов разведочных скважин требует­ся внедрение в коренные породы (структурные, разведочные на россыпи, уголь и т.д.). Выбуривание керна из таких пород возможно только вращательным способом. Это единствен­ный способ производительного бурения, обеспечивающий получение качественного керна в твердых и крепких поро­дах. Во многих условиях вращательный способ является не­заменимым при инженерно-геологических изысканиях, так как позволяет получать колонки керна мягких и твердых по­род без существенного искажения их природных физико-механических свойств.

Дата добавления: 2014-12-29