Классификация буровых скважин по целевому назначению
По целевому назначению буровые скважины подразделяют на три основные категории: геологоразведочные, эксплуатационные и технические.
Первая категория — геологоразведочные скважины, проводимые для изучения месторождений полезных ископаемых или с целью изучения геологического строения определенного района. Геологоразведочные скважины в зависимости от целевого назначения бывают следующими:
1. Картировочные скважины бурят при проведении геологической съемки с целью обнажения коренных пород, по которым ведется геологическое картирование, в районах, где эти породы скрыты слоем наносов.
2. Поисковые — бурят с целью определения наличия или отсутствия в данном районе того или иного полезного ископаемого.
3. Разведочные — бурят с целью оконтуривания и определения запасов полезного ископаемого на данном месторождении.
4. Гидрогеологические — бурят с целью изучения подземных вод, условий их залегания, определения возможного дебита и химического состава.
5. Артезианские — являются разновидностью гидрогеологических скважин, пробуренных на напорные пластовые воды. Свое название они получили от древнеримского «Артезия» — провинции во Франции, которая теперь именуется провинцией Артуа. В 1126 г. в этой провинции была пробурена первая в Европе буровая скважина на самоизливающуюся воду. Однако подобные скважины и колодцы были известны еще в глубокой древности в Китае и Египте.
6. Инженерно-геологические — бурят для вскрытия верхних горизонтов земной коры с целью составления геологического разреза, испытаний физико-механических свойств грунтов в скважине и отбора образцов грунтов с ненарушенной структурой для определения их свойств в лабораторных условиях для нужд промышленного и гражданского строительства.
7. Сейсмические — бурят при сейсмической разведке для проведения подземных взрывов, в результате которых с помощью сейсмографов определяют глубину и углы падения пластов.
8. Параметрические — бурят с целью измерения параметров геофизических свойств горных пород и температуры в условиях естественного залегания пород и изучения глубинного строения возможных зон нефтегазонакопления.
9. Структурные — бурят с целью изучения геологических структур и элементов залегания (мощности, углов падения и простирания) пластов пород, для контроля и уточнения данных геологических и геофизических съемок.
10. Опорные — бурят в пределах площадей, геологическое строение которых не освещено бурением, для геологической съемки, поисков, регионального изучения глубинного геологического строения, изучения рудоносности или нефтегазоносности глубоких горизонтов.
Вторая категория — эксплуатационные скважины, буримые для извлечения из недр жидких (вода питьевая, минерализованная, нефть), газообразных и некоторых твердых полезных ископаемых. Сюда относятся:
1. Водозаборные скважины для водоснабжения городов, промышленных предприятий, курортов, сельского хозяйства, железнодорожного транспорта и др.
2. Нефтяные и газовые —для добычи нефти и газа.
3. Скважины подземной газификации угля для получения горючих газов путем неполного сгорания угля непосредственно в массиве угольного месторождения; получаемые газы используются как топливо или сырье в химической промышленности.
4. Скважины для добычи рассолов, залегающих в коллекторах земной коры и служащих для выщелачивания из них различных солей: брома, иода и др.
5. Геотехнологические — бурят с целью гидродинамического разрушения горных пород, содержащих полезные ископаемые, или с целью нагнетания в скважину растворов кислот, растворяющих минералы полезного ископаемого с последующим выносом его на поверхность.
Третья категория — технические скважины, проводимые для различных технических целей.
1. Взрывные скважины для размещения в них зарядов взрывчатого вещества с целью отделения полезного ископаемого или породы от массива при производстве взрыва на открытых или подземных горных работах. Шпурами называют взрывные скважины малых размеров: диаметром от 30 до 60 мм и глубиной до 5 м.
2. Стволы шурфов и шахт, пройденные в горных породах бурением.
3. Скважины для замораживания грунтов, пробуриваемые по кольцу вокруг ствола будущей шахты для замораживания водоносных пород перед проходкой шахтного ствола и устранения тем самым затопления водой шахты во время ее прохождения и возведения водоупорного крепления. Замораживание водоносных пород при этом осуществляют путем спуска труб в пробуренные скважины и циркуляции по этим трубам холодильных растворов.
4. Скважины для укрепления грунтов при строительстве путем нагнетания в трещиноватые породы цементного раствора, различных смол или жидкого стекла.
5. Водопонизительные, или дренажные, скважины предназначены для дренажа, т. е. осушения карьера, месторождения или участка под строительство путем снижения уровня подземных вод.
6. Водоспускные — для спуска воды из одного подземного горизонта в другой при осушении горных выработок, а иногда и целых водоносных пластов.
7. Нагнетательные — служат для организации нагнетания воды, воздуха или нефтяного газа в оконтуриваемую зону нефтяной залежи с целью оказать давление на нефть и улучшить приток нефти в этой залежи к эксплуатационной скважине.
8. Внутрипластовые — буримые из подземных выработок по пластам с целью их дегазации и обеспыливания угля при его выемке путем нагнетания воды через внутрипластовые скважины в угольный пласт для его увлажнения.
9. Вспомогательные — для вентиляции выработок, прокладки трубопровода с целью подачи сжатого воздуха от компрессора на земной поверхности к пневмомашинам, в горных выработках для спуска лесоматериалов, применяемых для крепления, тушения подземных пожаров и др.
Скважины специального назначения, которые бурятся для выполнения следующих задач:
— захоронение отходов вредных производств: токсичных, ядерных и т. п.;
— создание фундаментов, оснований, закрепление грунтов в котлованах и при строительстве транспортных магистралей и развязок за счет применения буровых технологий: буро-набивные и шпунтовые сваи, стена в грунте, игло-фильтры в скважинах для водопонижения и др.;
— сооружение скважин-каналов для трубопроводов и инженерных коммуникаций и т. п.;
— решение экологических проблем за счет мониторинга химического состава почв и грунтов в пределах крупнейших мегаполисов.
Целевые назначения буровых скважин могут объединяться либо изменяться во время производства буровых работ. Например, опорная скважина может объединять целевые назначения поисковой, структурной и параметрической скважин; поисковая или разведочная скважина на воду, нефть или газ может стать эксплуатационной и т. п.
В соответствии с классификацией буровых скважин по целевому назначению существуют следующие разновидности бурения скважин: разведочное, эксплуатационное и техническое.
По принципам разрушения горной породы бурение скважин может осуществляться следующими способами, принципиально отличающимися по своей физической природе.
Механическое бурение, или бурение скважин породоразрушающими инструментами, при котором разрушение горной породы осуществляется механическим воздействием породоразрушающего инструмента на породу забоя.
Достоинства механического бурения:
— возможность отбора натуральных образцов пород для составления геологического разреза и для их всестороннего изучения;
— благоприятные условия для вскрытия и исследования водоносных и нефтегазоносных горизонтов;
— возможность бурить скважины в заданном направлении.
Благодаря перечисленным достоинствам механическое бурение
породоразрушающими инструментами получило повсеместное практическое применение.
Недостатки механического бурения:
износ рабочих элементов породоразрушающих инструментов, приводящий к необходимости его замены; этот недостаток привел к поиску других физических «бездолотных» способов разрушения горных пород при бурении;
низкий коэффициент использования энергии, уменьшающийся с увеличением глубины скважины, если двигатель расположен на поверхности земли; этот недостаток привел к созданию забойных двигателей (турбобуров, электробуров), у которых двигатель установлен в скважине над породоразрушающим инструментом.
Механическое бурение породоразрушающими инструментами имеет много разновидностей. Их появление и развитие обусловлены теми задачами, которые ставились перед бурением скважин в данных гео — лого-технических условиях.
Гидродинамическое бурение, при котором разрушение горной породы осуществляется высоконапорной струей жидкости путем разрушения или растворения породы забоя. Известны две разновидности гидродинамического бурения:
а) струя полностью разрушает забой и формирует ствол скважины. При этом для разрушения пород давление струи должно быть от 20 до 200 МПа, в зависимости от твердости породы. Способность струи разрушать породу возрастает при эрозионном и гидромоторном ее разрушении, когда в водяную струю вводят абразивный материал (стальную дробь, кварцевый песок) в концентрации от 5 до 15 % по объему;
б) водяная струя частично разрушает и размягчает породу забоя, ствол скважины формируется долотом, имеющим гидромониторные насадки, увеличивающие скорость выхода струи. Эта разновидность получила практическое применение при бескерновом бурении гидромониторными долотами в мягких и рыхлых породах.
Термическое (огневое или огнеструйное) бурение, при котором разрушение горной породы происходит путем высокотемпературного теплового воздействия на породу. Высокая температура (около 2300 °С) создается при сгорании струи керосина в струе кислорода, выходящих из сопел огнеструйной горелки, опускаемой в скважину на трубах. Горелка охлаждается водой.
Свободному расширению нагретых участков породы забоя препятствует противодействие ненагретых. Поэтому в породе возникают термические напряжения, вызывающие отслаивание от массива чешуек ее, которые выносятся отработанными газами и паром из зоны действия горелки вверх. Отсос из скважины газов и пара осуществляется вентилятором. Огневое бурение применяют для бурения взрывных скважин. Станки для огневого бурения проходят скважины диаметром от 160 до 250 мм на глубину от 8 до 50 м. Производительность огневого бурения в кварцитах около 30 м/смену вместо 3—3,5 м/смену станками ударно-канатного бурения. При геологоразведочных работах термическое бурение не применяют.
Термомеханическое бурение предусматривает ослабление прочности пород местным нагревом с последующим разрушением их обычным инструментом вращательного бурения.
Электротермическое бурение применяют в условиях Антарктиды для расплавления льда электронагревателями. Электротермобур приспособлен для бурения скважины во льду глубиной до 1000 м диаметром и до 300 мм с получением выхода керна льда до 100 %; мощность нагревателя до 8 кВт. Снаряд имеет насос для откачки воды, образующейся при расплавлении льда.
Взрывное бурение разработано А. П. Островским. При взрывном бурении разрушение горной породы забоя осуществляют под действием направленного взрыва. При ампульном взрывном бурении ампулы из пластмассы, заполненные компонентами взрывчатого вещества, через равные промежутки времени подаются к забою по трубам в потоке нагнетаемой промывочной жидкости.
При ударе о забой срабатывает взрыватель и ампула взрывается. Разрушенная в результате взрыва порода выносится струей промывочной жидкости с забоя на поверхность. Взрывным бурением пробурена скважина глубиной до 2800 м в осадочных породах с подачей зарядов 300 шт./ч. Вследствие гидростатического давления, создаваемого столбом жидкости на забой скважины, эффективность единичного взрыва уменьшается с глубиной. Взрывное бурение находится в стадии экспериментов и практического применения пока не получило.
Электрофизические способы бурения объединяют группу методов, в основе которых лежит применение электрического тока для прямого разрушения горных пород. К ним относят:
электрогидравлический эффект, открытый Л. А. Юткиным,— явление, заключающееся в создании импульсного высоковольтного разряда (искры) в воде; электрическая искра имеет определенный объем;
и
она возникает мгновенно и с большой силой раздвигает жидкость, вызывая гидравлический удар, разрушающий породу;
электроимпульсный метод разработан проф. А. А. Воробьевым. При этом методе скважину заполняют жидкостью (например, трансформаторным маслом), элекрическое сопротивление которой превышает электрическое сопротивление породы. К забою плотно прижимают два электрода и подают ток высокого напряжения, который проходит через породу. Электрический пробой сопровождается эффективным разрушением породы.
Были предложены и другие физические способы разрушения горных пород для бурения скважин (ультразвуковой, плазменный, лазерный), находящиеся еще на стадии экспериментов.