Получить консультацию
Горячая линия: +7 (812) 922-12-43

2. БУРЕНИЕ С ПРОМЫВКОЙ

2.           БУРЕНИЕ С ПРОМЫВКОЙ

2.1.        Подача насоса в зависимости от диаметра скважины

Проходя через долото, промывочная жидкость увлекает выбуренные обломки породы и выносит их на поверхность. Этот процесс эффективен только в том случае, если скорость потока достаточна для уноса твердых частиц с забоя скважины.

Скорость восходящего потока должна находиться в диапазоне от 15 до 30 м/мин, а требуемая подача бурового насоса рассчитывается по следующей формуле:

 (D - d ) х 7,5 = литры в минуту где:

D = диаметр скважины в дюймах d = диаметр бурового снаряда в дюймах

Это дает величину минимальной требуемой подачи; максимальная подача вдвое превышает ее.

Пример:

Скважина диаметром 6 дюймов (150 мм) бурится с помощью бурового снаряда диаметром 3 дюйма (75 мм). (62 - 32) = (36 - 9) х 7,5 = 27 х 7,5 = 202,5 л/мин (минимальная подача насоса).

Табл. 2.1. Формула расчета требуемой подачи бурового насоса

Диаметр скважи­ны

Диаметр бурового снаряда

мм

дюймы

58 мм (2-1/4 д.)

75 мм (3 д.)

88 мм (3-1/2 д.)

 

 

мин.

макс.

мин.

макс.

мин.

макс.

75

3

30

60

 

 

 

 

90

3-1/2

54

108

25

50

 

 

100

4

82

164

55

110

25

50

125

5

150

300

120

240

100

200

140

5-1/2

190

380

160

320

135

270

150

6

230

460

200

400

175

350

200

8

450

900

415

830

390

780

250

10

700

1400

685

1370

650

1300

Коэффициенты перевода единиц измерения:

литры в минуту

x 0,06

= кубические метры в час

литры в минуту

x 0,22

= британские галлоны в минуту

литры в минуту

x 13,2

= британские галлоны в час

 

Табл. 2.2. Расход промывочной жидкости (л/мин), требуемый для бурения скважин разных диаметров

 

Эта скорость зависит от производительности насоса и диаметра скважины и должна находиться в установленных пределах. Если она слишком мала, буровой шлам закупорит скважину над долотом, а слишком быстрый восходящий поток вызовет размыв стенки ствола, что затруднит устойчивое удаление материала по мере углубления скважины. В табл. 2.1 и 2.2 приведены примеры скоростей подачи промывочной жидкости для скважин различных диаметров.

Это исключит возникновение высокоскоростного потока ставшей очень абразивной жидкости, вызывающего быстрый износ внутренних компонентов насоса.

Все насосы изнашиваются в результате абразивного действия перекачиваемой промывочной жидкости с большим содержанием твердых частиц (которые, впрочем, склонны к осаждению), и для поддержания требуемой подачи и давления необходимо регулярно заменять изнашиваемые части.

2.2.        Буровые насосы

На крупном оборудовании для глубокого бурения используются исключительно большие и мощные поршневые насосы с постоянным рабочим объемом. Они способны обеспечивать устойчивую подачу при данной скорости движения поршня вне зависимости от ограничений по давлению в буровом ставе и скважине. Для более легких машин применяются только центробежные лопастные насосы, которые подают большие объемы (потоки) воды с минимальной мощностью, но обладают очень ограниченной производительностью для достижения требуемого давления (напора). Любые препятствия свободному потоку воды через небольшие шланги или фитинги малого диаметра или потери на трение в длинной буровой колонне вызывают увеличение напора, что означает снижение расхода.

В качестве буровых также успешно служат винтовые насосы (рис. 2.1). При вращении спиралевидного стального ротора в резиновом статоре с таким же внутренним профилем возникает «продвигающаяся полость», формирующая поток и напор. Как и поршневые насосы, насосы винтового типа имеют постоянный рабочий объем, что обеспечивает неизменный расход при любом напоре. Выбор оптимальной модели такого насоса обуславливается способностью подавать требуемый поток при достаточно низкой скорости вращения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.1. Винтовой насос с «продвигающейся полостью»

 

Производительность насоса, требуемая для стабильного удаления выбуренного шлама из забоя скважины, обуславливает скорость проходки.

2.4.        Предотвращение обрушения стенок скважины - гидростатический напор

При постоянном заполнении скважины водой/жидкостью до уровня не менее 3 метров выше естественного уровня подземных вод на стенки скважины действует давление водяного столба (гидростатический напор).

2.3.        Поток и трение

При использовании центробежных лопастных насосов очень важно, чтобы конструкция оборудования обеспечивала беспрепятственный поток через вертлюги и буровой снаряд (за счет максимально возможного внутреннего диаметра). Кроме того, требуется точное регулирование скорости работы насоса для достижения низкого расхода в верхней части скважины, что необходимо для предупреждения эрозии ее стенок (рис. 2.2). Скорость вращения двигателя должна быть увеличена до уровня, позволяющего поддерживать надлежащую подачу промывочной жидкости на забой, где происходит снижение ее расхода из-за трения между жидкостью и буровым снарядом, через который она подается.

Рис. 2.2. Бурение с промывкой - размыв стенок скважины

Это предотвращает обрушение даже самых мягких и мелкозернистых песков в скважину (рис. 2.3). Такой уровень заполнения должен поддерживаться в течение всего процесса бурения, подъема бурового снаряда и спуска обсадной колонны. Для бурения в неконсолидированных пластах, требующих крепления, а также на участках с высоким уровнем подземных вод (не более 3 метров от поверхности) необходимы специальные решения. Давление, эквивалентное 3-метровому напору, достигается путем использования более плотных по сравнению с водой добавок: требуемая плотность зависит от точной высоты водяного столба.

Наиболее распространенной и доступной химической добавкой для утяжеления промывочной жидкости является соль.

2.5.        Очистка скважины

Достижение полной циркуляции промывочной жидкости и начала выноса бурового шлама с забоя на поверхность при скорости восходящего потока 15-30 м/мин занимает несколько минут. Время подъема шлама не определяется чистым расчетом зависимости между скоростью восходящего потока и глубиной, поскольку выбуренные обломки не покоятся относительно потока, а опускаются по столбу жидкости.

 

Проще говоря, чем глубже скважина, тем дольше длится полный цикл промывки.

Пробурив на каждую следующую буровую трубу, снаряд останавливается на забое для промывки в течение нескольких минут (не секунд) с целью удаления шлама.

Надлежащая очистка ствола легко определяется при смене или наращивании буровой трубы. Остановив буровой насос, развинтив резьбовое соединение между буровой трубой и вращателем станка и подняв вращатель от снаряда, столб жидкости в трубе должен быстро опуститься на небольшое расстояние до уровня жидкости в самой скважине.

Рис. 2.3. Гидростатический напор

Если скважина все еще заполнена шламом или в ней имеется закупоривание, то жидкость будет выходить из бурового снаряда. Почему? Это видимый признак разной плотности: если жидкость в кольцевом пространстве содержит взвешенный шлам, то ее плотность превышает плотность чистой жидкости в буровом снаряде. При развинчивании и открытии соединения более тяжелая жидкость вытесняет более легкую в центре бурового снаряда.

Чем больше различие в плотности, тем сильнее выходящий из снаряда поток, и тем больше шлама осталось в скважине. При раннем выявлении этой проблемы ее можно решить путем увеличения времени промывки, но если оставить все как есть, то выбуренные обломки могут попасть во внутреннее пространство бурового снаряда и физически закупорить его; в таком случае напора столба жидкости для их удаления будет недостаточно.

2.6.        Шламоотстойники

Для эффективной промывки скважины требуются шламоотстойники (амбары, зумпфы) надлежащего размера, предназначенные для осаждения шлама из промывочной жидкости, которая подлежит последующей закачке в буровой снаряд. Общепринятой практикой является обустройство шламоотстойников, обеспечивающих максимальное осаждение материала из промывочной жидкости и объем которых превышает полный объем бурящейся скважины в три раза (см. табл. 2.3). Шламоотстойник должен иметь такие размеры, чтобы жидкость медленно протекала через систему для достижения максимально возможного выпадения мелких частиц (рис. 2.4). В идеальном случае, ширина шламоотстойника должна быть равна глубине, но на его конструкцию могут существенно повлиять местные почвенные условия. Найти баланс между имеющимися возможностями по доставке воды для бурения и возможностями и желанием буровой бригады выкопать шламоотстойник оптимального размера всегда сложно. Качество и эффективность окончательной конструкции пробуренной скважины зависят от обеспечения достаточного объема воды.

Диаметр и глубина скважины

Объем

скважи

ны

Прибл.

объем

скважи

ны*

Требуе­мый объем шламоотстойников

Рекомендуемые размеры шламоотстойника, метры

Рекомендуемые размеры откачного зумпфа, метры

мм (дюймы) x м

м3

л

л

длина

шири­

на

глуби­

на

длина

шири­

на

глуби­

на

100 (4) x 25

0,20

200

600

0,8

0,6

0,8

0,6

0,6

0,6

100 (4) x 50

0,39

400

1200

1,2

0,8

0,8

0,8

0,8

0,6

100 (4) x 75

0,59

600

1800

1,6

0,9

0,9

0,9

0,9

0,7

100 (4) x 100

0,79

800

2400

1,6

1,0

1,0

1,0

1,0

0,8

150 (6) x 25

0,44

450

1350

1,2

0,9

0,8

0,9

0,9

0,6

150 (6) x 50

0,88

900

2700

1,6

1,1

0,9

1,1

1,1

0,7

150 (6) x 75

1,33

1300

3900

2,0

1,3

1,0

1,3

1,3

0,8

150 (6) x 100

1,77

1800

5400

2,2

1,4

1,1

1,4

1,4

0,9

200 (8) x 25

0,79

800

2400

1,6

1,0

1,0

1,0

1,0

0,8

200 (8) x 50

1,57

1500

4500

2,1

1,3

1,1

1,3

1,3

0,9

200 (8) x 75

2,36

2350

7050

2,4

1,5

1,3

1,5

1,5

1,1

200 (8) x 100

3,14

3150

9450

2,8

1,6

1,4

1,6

1,6

1,2

250 (10) x 25

1,23

1200

3600

1,9

1,1

1,2

1,1

1,1

1,0

250 (10) x 50

2,45

2500

7500

2,6

1,4

1,4

1,4

1,4

1,2

250 (10) x 75

3,68

3700

11100

2,8

1,7

1,5

1,7

1,7

1,3

250 (10) x 100

4,91

4900

14700

3,2

1,8

1,7

1,8

1,8

1,5

Все шламоотстойники требуют дозаполнения во время бурения. Необходимый для этого

объем воды зависит от пористости разбуриваемого пласта и вязкости полимера. На буровой

площадке рекомендуется иметь запас воды в объеме Окончательного объема скважины

для восполнения потерь.

Табл. 2.3. Объемы скважин и рекомендуемые размеры шламоотстойников

Рис. 2.4. Рекомендуемые компоновки поверхностных шламоотстойников

В большинстве случаев поверхностный грунтовый слой достаточно устойчив для строительства шламоотстойников (глины являются идеальным материалом для этого). Если шламоотстойники обустраиваются в мягком и проницаемом грунте, их можно эффективно гидроизолировать и укрепить с помощью смеси цемента с водой или песка с цементом (рис. 2.5). В качестве альтернативы можно использовать местные глины или пластмассовые щиты (необходимо принять меры по предотвращению проникновения воды за них).

Рис. 2.5. Амбары для бурового раствора с правильными размерами готовы к заполнению для адекватного осаждения Рис. 2.6. Действующие амбары - медленный поток 

Другими ключевыми характеристиками шламоотстойников являются обеспечение медленного потока промывочной жидкости и наличие каналов с ровным дном, идущих от скважины (рис. 2.6). Это является залогом быстрого осаждения шлама и предоставляет возможность удобного отбора образцов и легкого удаления большей части выбуренного шлама с помощью лопаты.

Приемная линия насоса подвешивается на опоре, поднимаясь со дна шламоотстойника и находясь на достаточной глубине от уровня жидкости для обеспечения подачи на насос максимально чистой жидкости.

Копайте шламоотстойник заранее, крупные работы по его строительству можно выполнить до доставки основного бурового оборудования на площадку. Для этого часто привлекается местная рабочая сила.

2.7.        Добавки для промывочной жидкости

Для повышения эффективности бурения в промывочную жидкость часто вводятся добавки двух основных типов: бентонит и полимеры.

2.7.1.    Бентонит

Бентонит является природной глиной, и при смешивании в достаточном объеме он повышает вязкость промывочной жидкости. Такая содержащая твердые глинистые частицы жидкость очень эффективна, но при ее использовании на стенках скважины образуется глинистая корка. Она водонепроницаема и требует химического или механического удаления по завершении бурения скважины. Кроме того, бентонитовый раствор требует 12-часовой выдержки после исходного смешивания для достижения достаточной вязкости. По этим двум причинам бентонит обычно не используется для бурения водозаборных скважин.

2.7.2.    Полимеры

Наилучшей добавкой для бурения водозаборных скважин являются природные полимеры. При их смешивании с водой получается вязкий раствор. Такая жидкость может переносить буровой шлам при значительно меньшей подаче насоса и укреплять стенки скважины во избежание интенсивного проникновения раствора в пласт. Таким образом, она способствует поддержанию гидростатического напора над естественным уровнем подземных вод, предотвращая обрушение стенок. Этот раствор также не загрязняет проницаемые водоносные пласты проникающими мелкодисперсными частицами. Большинство полимеров представляют собой био- разлагающиеся природные продукты, используемые в качестве стабилизаторов и загустителей в пищевой промышленности, и они естественным образом теряют свои вязкостные свойства через несколько дней. Для ускорения их разложения можно использовать хлористые растворы.

2.8.        Определение вязкости

Вязкость буровых растворов определяется с помощью вискозиметра Марша (рис. 2.7). Это простое устройство для измерения скорости прохождения данного объема раствора (1 литр) через горловину воронки диаметром 5 мм. Чем больше вязкость, тем дольше он стекает.

Рис. 2.7. Вискозиметр Марша с мерной чашкой

Другие устройства

Хотя вискозиметр Марша имеет широкое распространение в буровой отрасли и является сравнительно простым устройством для сравнения вязкостей, для проведения сравнительных измерений вязкости чистой воды и бурового раствора можно использовать любую воронку или похожее приспособление. Например, сделав небольшое отверстие в жестяной банке из-под газировки, можно получить синхронизированные по времени значения для чистой воды относительно раствора и выполнять повторные сравнения между буровыми растворами с разными пропорциями компонентов.

2.8.1.    Объемы смешивания

В начале бурения скважины согласовать объем амбара для бурового раствора с объемом используемой добавки относительно просто. Однако по мере бурения и необходимости в дозаполнении амбара очень легко потерять контроль за вязкостью бурового раствора, что приведет к возникновению некоторых весьма специфичных осложнений, обсуждаемых ниже.

2.8.2.    Правильная вязкость

Обеспечение надлежащей вязкости промывочной жидкости для конкретных условий бурения имеет огромное значение. Если она слишком вязкая («густая и тяжелая») для разбуривания данного пласта, в ней удерживается большое количество выбуренных фрагментов, которые, при последующем прохождении через насос, вертлюг, буровой став и долото, вызывают сильный износ компонентов и ограничивают способность промывочной жидкости уносить больше шлама.

При недостаточной вязкости эта жидкость может уйти в разбуриваемый пласт, что приведет к понижению уровня в амбарах. Из-за ее ухода возможно обрушение стенок скважины и повреждение водоносных слоев в результате закупоривания пор мелкими частицами, привнесенными промывочной жидкостью (табл. 2.4).

2.9.        Рекомендации по использованию полимеров

Полимеры стоят достаточно дорого, и их использование сверх потребности является пустой тратой денег.

 

Условия бурения

Вязкость, секунды (вискозиметр Марша)

Нормальное бурение

35-40

Крупнозернистые про­ницаемые пески/гравий

50-60

Высокопроницаемые

породы

60-80

Вязко-упругий состав

более 100

Примечание: слив 1 литра чистой воды через от­верстие вискозиметра Марша в мерную чашку занимает 27 секунд.

Табл. 2.4. Типичные вязкости бурового раствора

Смешивание

В общем, поставляемые полимеры имеют вид очень мелкого порошка белого или беловатого цвета. Оптимальное смешивание достигается при их вводе в струю воды, подаваемой с расходом, исключающем образование комков на поверхности (рис. 2.8). Для всех полимеров требуется время на «загустевание» - достижение необходимой вязкости (как правило, не менее 30 минут). В любом случае надо предусмотреть максимально возможное время на данный процесс и смешивать полимерную добавку в самом начале установки бурового станка, чтобы получить раствор с достаточной вязкостью к началу бурения. На смешивание и загустевание полимеров влияет качество воды, и смесь может потребовать корректировки. В редких случаях вода подвергается химической коррекции для обеспечения адекватного смешивания и загустевания полимера.

2.10.      Способность к биоразложению

Как обсуждалось выше, полимеры на основе природных ингредиентов склонны к биоразложению. В результате деятельности бактерий они со временем разрушаются, что сопровождается гнилостным запахом. Тепло и присутствие бактерий ускоряют этот процесс - природный полимер начинает разлагаться через 4 дня (а в тропическом климате - всего через 2-3 дня), поэтому не следует приготавливать полимерный буровой раствор перед длительным перерывом в работе.

Рис. 2.8. Смешивание полимерного раствора

2.11.      Диспергирование

После завершения бурения скважины необходимо удалить из нее полимер в максимальном объеме; в противном случае получаемая вода будет испорчена разлагающейся и пахучей жидкостью (по меньшей мере, на начальном этапе эксплуатации скважины). Оптимальное удаление полимера из законченной скважины обеспечивается вытеснением бурового раствора на поверхность чистой водой путем ее закачки по обсадной колонне через скважинный фильтр. Также рекомендуется выполнить откачку раствора из шламоотстойника и распределить его по ровной поверхности, что ускорит разрушение полимера и исключит неприятный запах, образующийся в случае оставления раствора в шламоотстойнике.

2.11.1.  Хлор

Большинство полимеров разрушаются при добавлении хлора, который имеется во многих формах, от простых бытовых дезинфицирующих средств и раствора гипохлорита натрия до стабилизированного порошка и гранул. Для удаления оставшегося бурового раствора из скважины с большим объемом промывки может потребоваться добавление свободного хлора в концентрации 10 млн-1, тогда как для заполненной вязкой жидкостью скважины потребуется концентрация 1000 млн-1. Добавляемый хлор устраняет вязкостные свойства полимера, способствует освоению скважины, уничтожает питающиеся полимером бактерии и стерилизует скважину. Затем весь введенный хлор откачивается, или скважина консервируется до исчезновения всех следов полимера из воды (запах и вкус) (табл. 2.5).

ЗАМЕЧАНИЕ О БЕЗОПАСНОСТИ

Хлор требует осторожного обращения. Он представляет опасность при попадании на кожу или в глаза, а также при вдыхании.

Следовать рекомендациям производителя в отношении безопасного использования.

Табл. 2.5. Безопасность

Для постоянного восполнения этих потерь должен иметься достаточный объем воды/готового бурового раствора.

Необходимо контролировать возникновение более интенсивного или полного поглощения для поддержания процесса удаления бурового шлама и сохранения «гидростатического напора» на разбуриваемом пласте.

2.12.      Поглощение бурового раствора

Процесс бурения может сопровождаться уходом небольшого объема бурового раствора в пласт на глубину нескольких сантиметров.

БУРЕНИЕ СКВАЖИН НА ВОДУ Автор: Питер Болл