В геологии под термином «скважина» подразумевается горная выработка цилиндрического сечения. Сооружение скважины осуществляются с помощью специального оборудования — буровой установки. А вот угол наклона к забою может быть любым. Именно поэтому скважины, в зависимости от их предназначения, делятся на вертикальные, направленные, горизонтально-направленные, горизонтальные.
Схема скважины
Начало скважины называется устьем. Это то место, с которого начинается ее бурение, независимо от предназначения. Ее конечная точка — забой. Задачи скважин могут быть различными, например, вскрытие водоносного горизонта или вскрытие пласта с полезным ископаемым.
Также скважины могут иметь ответвления — так называемые боковые и горизонтальные «стволы». Это конструкция скважины, которая применяется при сооружении геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые, для эксплуатационных скважин на нефть и газ и т.д.
Диаметр скважины варьируется в диапазоне от 25 миллиметров до 3 метров. Диаметр скважины зависит от ее назначения. Самый маленький диаметр бурения применим в геологоразведке, а самый большой при сооружении скважин в строительстве – сваи, шпунты и прочее.
Стенки скважин обязательно укрепляются, чаще всего с помощью глинистого раствора. Если речь о водоносных скважинах, то их преимущественно укрепляют с помощью металлических обсадных труб (одинарная, двойная обсадка).
Разновидности скважин
Самые распространенные их вариации:
- Добывающие. То есть для добычи полезных ископаемых, преимущественно руды и ее производных элементов.
- Газовые. Отличительная особенность — это формирование такого устья скважины и забоя, которые позволяют осуществлять забор газа.
- Нефтяные.
- Нагнетательные. Через них осуществляется нагнетание давления в бассейне. Через другую скважину при этом осуществляется забор ископаемых.
- Водяные. Те, которые бурят для получения доступа к водоносному слою.
- Вспомогательные.
- Геологоразведочные. Их делают для составления картографии, для разведки местности, поиска оптимальной точки входа в бассейн с полезными ископаемыми.
- Специальные.
Перечисленные разновидности скважин — условные. Существуют еще артезианские (скважины на воду), гидрогеологические (для искусственного снижения уровня грунтовых вод на участке).
Конструктивно между собой они тоже во многом одинаковые. Ключевое отличие — в цели, для которой осуществляется бурение. При разработке обязательно учитывается тип породы и давление, которое они будут оказывать на стенки. Исходя из этих данных, определяется оптимальная конструкция: с металлическими или пластиковыми трубами.
Конструкция скважины
Скважина состоит:
- направляющая труба. Состоит из одной трубы или нескольких. Предназначена для перекрытия верхнего участка горных пород.
- кондуктор - колонна, спускаемая в скважину после направляющей трубы. Служит для укрепления стенок ствола в неустойчивых породах, для перекрытия зон осложнения, для изоляции артезианских вод. Кондуктор служит также основанием для оборудования устья скважины противофонтанным оборудованием. Глубина спуска 150 – 400 м.
- эксплуатационная колонна – внутренняя колонна труб – служит не только для изоляции и укрепления соответствующих горизонтов, но и каналом для доставки жидкости или газа из пласта (при добычи) или же в пласт (при нагнетании).
Методы (технологии) бурения
Сейчас практикуют следующие методики бурения скважин:
- С помощью вращательного бурения. В данном случае, используется долото, которое при вращении разбуривает породу на забое. Такое бурение может выполняться с промывкой, продувкой воздухом, в зависимости от крепости пород.
- Колонковое. Этот метод бурения используется для разработки скважин IV-XII категории по буримости. Бурение выполняется твердосплавной или алмазной коронками. Центральная часть породы остается нетронутой. Этот же метод применяется для разработки ледников с последующем забором льда для лабораторного изучения.
- Ударно-канатный. В этом случае вместо долота используется забивные стаканы. Данная технология бурения используется в грунтах I по V категорию по буримости.
- Вибрационный. При данной технологии буровой инструмент движется вверх/вниз 150 раз в секунду благодаря этому порода не приливает к инструменту. Благодаря вертикальному высоко-частотному движению бурильной колонны, скважина создается идеально ровной со смещением не более чем несколько сантиметров по всей длине бурильной колонны. В аллювиальных породах, вертикальных вибраций достаточно для того чтобы отбирать пробы длиной в несколько метров без промывки водой/продувки воздухом. Скорость сооружения скважин вибрационным способом в 2,5 раза выше, чем при колонковом бурении.
- Шнековый.
- Пневмоударный.
Этапы бурения
Когда обнаруживается месторождение полезных ископаемых, дальнейшая разработка делится на следующие этапы:
- разведка;
- бурение;
- монтаж насосного оборудования;
- обустройство и герметизация устья (после демонтажа оборудования).
Разведка
Разведка включает в себя проведение тестового бурения, создание нескольких разведочных скважин. По полученной в дальнейшем информации формируется текстурная карта разрабатываемой породы, а также определяется оптимальное местоположения для будущего устья основной добывающей скважины.
Разведка также может в себя включать:
- ультразвуковое сканирование породы;
- сейсмологическую разведку (для чего создаются дополнительные скважины);
- радиолокационное сканирование (для определения плотности пород, через которые в дальнейшем осуществляется бурение).
Нередко именно разведка перед бурением оказывается самым дорогостоящим этапом разработки месторождения.
Бурение
Подбирается оптимальная методика бурения, далее осуществляется непосредственно разработка скважины, чаще всего комбинированным методом. В процессе сооружения скважины может меняться технология бурения. Это зависит от осложнений, которые возникают при бурении.
Подъем грунта и извлекаемой породы осуществляется разными способами:
- При помощи одинарной колонковой трубы.
- При помощи двойных колонковых труб.
- При помощи снарядов со съемным керноприемником (ССК).
- Технология «Эрлифт».
- Технология RC
Бурение — это многоэтапный технический процесс. Точный алгоритм подбирается исходя из данных, полученных при разведке участка.
Монтаж насосного оборудования
Насосное оборудование выполняет следующие задачи:
- промывка скважины;
- охлаждение породоразрушающего инструмента;
Обустройство и герметизация устья
Обустройство устья осуществляется в тех случаях, если планируется осуществлять дальнейшую разработку скважины. В противном случае выполняется «консервация», чтобы предотвратить движение пород, минимизировать все негативные последствия разработки.
Оборудование для бурения скважин
Для формирования и разработки скважины используются буровые установки. Они бывают следующих разновидностей:
- Малогабаритные. Чаще применяются для бурения скважин в труднопроходимой местности. Диаметр скважины, как правило, до 180 мм, глубина — от 10 до 40 метров.
- Самоходные. Бурильная установка размещается на самоходном шасси, являющегося частью оборудования..
- На гусеничном ходу. То же самое, что и самоходные, но шасси — на гусеничном приводе. Гусеницы могут быть как металлические, так и резиновые.
- Для геологоразведочных работ. Отличительная особенность таких буровых установок — это наличие технической возможности осуществлять бурение под разными углами, с уклоном глубиной вплоть до 250-350 метров.
Самыми распространенными являются малогабаритные, самоходные и на гусеничном ходу буровые установки. Преимущественно применяются для разработки скважин в инженерной геологии, в строительстве, геологоразведке, при бурении скважин на воду и т.д.
Популярные модели буровых установок
К популярным моделям буровых установок, которые применяются в РФ, являются:
- УРБ 2Д3;
- ПБУ-2
- УГБ серии 587
Необходимо уточнить, что в нефтегазодобывающей, горной промышленности часто используют специализированные буровые установки. Они выпускаются индивидуально под требуемые параметры скважины и разрабатываемых пород.
УРБ 2Д3
Установка монтируется на шасси УРАЛ, КАМАЗ, гусеничные вездеходы, трелевочные трактора и на гусеничную тележку. Она является универсальной, реализует вращательное бурение и пневмоударное. Все агрегаты установки смонтированы на одной платформе. Этригодностью за счеа буровая установка с подвижным вращателем известна своей безотказной работой, стойкостью в любую погоду, высокой ремонтопт своего широкого распространения на территории Российской Федерации.
ПБУ-2
Буровая установка с подвижным вращателем с механическим приводом работает в различных климатических условиях с температурным режимом от -40 до +40 градусов. Возможность выполнять статическое и динамическое зондирование грунтов как через вращатель, так и с установкой отдельного КУНГА по центру платформы буровой установки.
УГБ серии 587
Буровая установка с гидравлическим приводом подвижного вращателя позволяет нам достигать высокой скорости работ при СПО с бурильными и обсадными трубами. Все агрегаты имеют гидравлический привод что позволяет плавно регулировать частоты вращения, усилия и скорости подачи. Данная установка позволяет осуществлять бурение наклонных скважин. Также нашим конструкторским бюро разработаны дополнительные приспособления, позволяющие облегчить труд буровой бригады, такие как стол обсадные, трубодержатели и др.
Основные требования к конструкциям скважин на воду
Выбор конструкции будущей скважины зависит от следующих факторов: целевое предназначение, глубина, гидрогеологические свойства, конечный диаметр. Исходя из этих параметров, подбирается оборудование и методика укрепления стенок. Рассмотрим основные требования к конструкциям уже сформированных скважин:
- Качественное вскрытие с минимальным сопротивлением прифильтровых зон.
- Обеспечение надежной изоляции водоносных горизонтов друг от друга. Это актуально для тех скважин, глубина которых превышает 25-30 метров. То есть забор воды планируется осуществлять со 2-3 водоносных горизонтов.
- Самая простая из возможных конструкций. Это прямо влияет на стоимость бурильных работ, последующие затраты на обслуживание скважины.
- Надежность конструкции, доступ к проведению обслуживания скважины.
Выбор и обоснование конкретной конструкции должно базироваться на данных предварительных геологоразведочных работ. Именно поэтому, если участок и местность плохо изучены, то сперва требуется формировать разведывательные скважины для определения точной глубины каждого водоносного слоя.
Для каждой скважины на воду обязательно устанавливается фильтровальное оборудование. К нему предусмотрены дополнительные требования:
- обеспечивает должный объем водозабора (исходя из целевого предназначения скважины);
- минимальное гидравлическое сопротивление, что позволяет снизить нагрузку на водозаборное оборудование, продлить его эксплуатационный ресурс;
- обладает достаточной механической прочностью, которая определяется как по внутреннему давлению скважины, так и внешнему;
- в тех скважинах, которые рассчитаны на длительную эксплуатацию, устанавливаются фильтрующие станции, устойчивые к коррозии, зарастанию, образованию накипи.
Самый распространенный вариант фильтрования водозабора из скважины — это комбинация фильтров грубой и тонкой очистки. Первый очищает воду от крупных фракций песка, мусора, второй — от остаточных включений. Установка фильтровального оборудования не является гарантией, что водозабор можно будет использовать для пищевых целей. Воду обязательно нужно отправить на анализ для определения уровня нитратных включений, железа, и уже после этого подбирается фильтр окончательной очистки.
Техника безопасности при бурении скважины
Основные нормы безопасности, которые требуется соблюдать при бурении всех типов скважин любым оборудованием:
- для обустройства места бурения формируется свободный заезд для техники и рабочая площадка — в среднем 4 на 12 метров;
- к буровому оборудованию допускаются только те лица, которые выполняют бурильные работы, все остальные находятся за пределами площадки;
- весь рабочий персонал обязан быть экипирован индивидуальными средствами защиты, а именно жилетка, каска, перчатки, очки.
При разработке определенных скважин (например, артезианских) обязательно нужно получить разрешение от уполномоченного административного органа.
Итого, бурение скважины — это сложный многоэтапный процесс, но современные буровые установки его существенно упрощают, позволяют выполнять разработку даже на сложной местности в течение 1 рабочего дня. Причем такая техника активно производится в РФ, в том числе и экспортные варианты. Главное — это качественная разведка, подготовка и использование совместимого оборудование под текущие гидрогеологические условия.