Выбор и расчет конструкции скважины

Конструкция скважины зависит от способа бурения, геологических условий, дебита и динамического уровня, а также от обеспечения зоны санитарной охраны.

Для каждой сооружаемой скважины на воду составляют индивидуальный проект. Стержнем проекта скважины на воду является конструкция скважины.

При составлении конструкции скважины на воду ее глубина определяется местоположением кровли и глубиной вскрытия водоносного горизонта. Если мощность водоносного горизонта небольшая, то его следует вскрыть полностью и пробурить до водоупора с целью размещения отстойника фильтра. Если мощность водоносного горизонта большая, то водоприемная часть скважины должна находиться в интервале максимальной водопроницаемости пласта. Интервал максимальной водопроницаемости пласта определяют при помощи геофизических исследований.

Если водообильность скважины большая, то нет необходимости вскрывать водоносный пласт полностью, достаточно углубиться на 5-10 м, но чем меньше водопроницаемость пород, тем на большую глубину нужно вскрывать водоносных горизонт. Однако следует иметь в виду возможность повышения минерализации воды с увеличением глубины скважины.

В соответствии с проектным дебитом рассчитывается расход (в м³/ч) воды из скважины

, (10)

где: N – норма воды на единицу потребителей, м³/сут;

n – число единиц потребителей;

k – 1,5÷2,5 – коэффициент суточной неравномерности;

t – продолжительность работы водоподъемника;

t=20-22 ч/сут - для крупный объектов;

t=8-12 ч/сут – для средних небольших объектов.

Если ожидаемый дебит меньше проектного, то определяется число скважин

.

В соответствии с характером пород водоносного горизонта выбирают тип водоприемной части скважины (фильтровая или бесфильтровая) и тип фильтра. Зная заранее установленную мощность вскрытия водоносного пласта, можно задаться длиной рабочей части фильтра и определить его минимально необходимый диаметр. В соответствии с расчетами и стандартными размерами труб подбирают диаметр фильтра и устанавливают конечный диаметр скважины. По проектному расходу Q и ожидаемому динамическому уровню воды в скважине подбирают водоподъемник, а по его габаритам – эксплуатационную колонну, в которой он будет установлен. Внутренний диаметр эксплуатационной колонны должен быть больше диаметра водоподъемника на 20-40 мм. Затем выбирают способ установки фильтра в скважине: на эксплуатационных трубах или впотай.

Рисунок 4. Конструкции фильтровых скважин:

а) сетчатый фильтр установленный впотай, б) гравийный фильтр установленный впотай, в), г) соответственно сетчатый и гравийный фильтры с надфильтровой трубой выходящей на поверхность.

1 – цементация затрубного пространства; 2 – сетчатый фильтр; 3 – гравийный фильтр; 4 – сальник

 

При вращательном бурении скважин на воду с прямой промывкой применяют практически два типа фильтрационных колонн.

При малых дебитах надфильтровая труба выходит на поверхность, рис.4 в),г).

В таких скважинах не предполагается установка водоподъемного насоса большого диаметра.

При значительных дебитах фильтровая колонна устанавливается "впотай" (рис.4 а, б) в эксплуатационной колонне. Такая конструкция скважины позволяет разместить насосы с высокой подачей, имеющие большие поперечные размеры, а также быстро произвести замену фильтра в случае его кольматации или коррозии.

Зная диаметр эксплуатационной колонны, и исходя из необходимости крепления пород геологического разреза, а также обеспечения санитарно-технической надежности скважины, определяют число промежуточных колонн, их диаметры и глубины спуска, подбирают типоразмеры долот для бурения интервалов под каждую обсадную колонну. Зазор между стенками скважины и муфтами обсадных труб в случае цементирования должен быть 20 мм для труб диаметром до 250 мм и 25-40 мм для труб большего диаметра.

При бурении вращательным способом с промывкой в зависимости от глубины скважины возможны следующие их конструкции. Если водоносный пласт залегает на глубине до 100 м, то после установки направления на глубину 2-10 м бурение до водоносного горизонта продолжают долотом одного диаметра. Далее устанавливают эксплуатационную колонну и цементируют ее от башмака до устья скважины и вскрывают водоносный горизонт. Такая конструкция называется одноколонной. При залегании водоносного горизонта на глубине более 200 м принимается двух- или трехколонная конструкция скважин и более. Кондуктор и эксплуатационную колонну, а в некоторых случаях и промежуточные колонны следует цементировать.

После того, как было определено необходимое количество обсадных колонн, приступают к определению диаметров обсадных колонн и долот. Расчет диаметров ведется снизу вверх. За исходный размер принимается диаметр эксплуатационной колонны (фильтровой) или конечный диаметр ствола скважины, если спуск обсадной (фильтровой) колонны проектом не предусмотрен.

Диаметр долота для бурения под обсадную колонну определяется по ее габаритному наружному размеру (наружный диаметр соединительной муфты) с таким расчетом, чтобы обсадная колонна свободно проходила по стволу скважины с регламентируемым радиальным зазором, табл.8

Расчетный диаметр долота определяется по формуле:

, (11)

где: - наружный диаметр соединительной муфты обсадной колонны;

- разность диаметров по табл.8.

Таблица 8

Минимальная допустимая разность диаметров ствола скважины и муфты обсадной колонны

Номинальный диаметр обсадной колонны, мм	Разность диаметров	Номинальный диаметр обсадной колонны, мм	Разность диаметров
114,3	15,0	273,1	35,0
127,0	298,5
139,7	20,0	323,9	35,0-45,0
146,1	426,0
168,3	25,0
244,5

Затем по расчетному диаметру находится ближайший нормализованный диаметр по табл. 9.

 

Таблица 9

Наружные диаметры долот

		*
		*

 

Установленный таким образом нормализованный диаметр долота позволяет рассчитать внутренний диаметр обсадной колонны, через которую это долото должно свободно пройти.

, (12)

где: Δ – радиальный зазор между долотом и стенкой обсадной трубы, обычно принимается Δ=5÷10мм (причем нижний предел для труб малого диаметра)

По известному внутреннему диаметру обсадной трубы по табл. 4 подыскивается нормализованный (условный) диаметр обсадной колонны.

 

Пример:

Исходные данные: глубина скважины равна 220 м. Пласт напорный. Фильтровая колонна установлена "впотай" диаметром 168 мм. Рассчитать двухколонную конструкцию скважины.

Решение:

1. Определим расчетный диаметр долота под фильтровую колонну диаметром 168 мм.

,

по табл. 4 находим диаметр муфты фильтровой колонны, который равен 188 мм, тогда

.

2. Выбираем по табл. 9 ближайший нормализованный диаметр долота =215 мм.

3. Внутренний расчетный диаметр эксплуатационной колонны

.

4. Определяем по табл. 4 нормализованный диаметр эксплуатационной колонны

=245мм.

5. Определяем расчетный диаметр долота под эксплуатационную колонну по табл. 4

.

6. Выбор ближайшего нормализованного диаметра долота под эксплуатационную колонну по табл. 9.

.

7. Определяем внутренний расчетный диаметр кондуктора

.

8. Нормализованный диаметр кондуктора по табл. 4

.

9. Определяем расчетный диаметр долота под кондуктор

.

10. Определяем по табл. 9 ближайший нормализованный диаметр долота под кондуктор 394 мм.

11. Определяем внутренний расчетный диаметр направления

.

12. Нормализованный диаметр направления равен 473 мм.

13. Определим расчетный диаметр долота под направление

.

Выбираем лопастной расширитель пилотный ;

в числителе – номинальный калибрующий наружный диаметр по периферийным боковым поверхностям лопастей, мм;

в знаменателе – диаметр долота, производящего бурение скважины, мм;

В настоящее время при бурении неглубоких скважин на воду применяются обсадные трубы с безмуфтовым соединением. Труба в трубу. Применяются стальные трубы диаметром 114 и 133мм с толщиной стенки 5мм. Также применяются поливинилхлоридные трубы (ПВХ) следующих типоразмеров:

 

Таблица 10

Поливинилхлоридные трубы (ПВХ)

Диаметр, мм	Толщина стенки, мм

При бурении скважин глубиной более 100 м также применяются стальные обсадные трубы, соединяемые при помощи электросварки.

При использовании безмуфтовых труб расчетный диаметр долота определяется как:

, (13)

где: - наружный диаметр обсадной колонны, мм;

- минимальная допустимая разность диаметров ствола скважины и обсадной колонны, мм.

 

Конструкция разведочных скважин

При проектировании разведочных скважин для уточнения геологического разреза и опробования водоносных горизонтов применяют обсадные трубы геологоразведочного сортамента и коронки геологоразведочного сортамента, табл.11.

 

Таблица 11

Обсадные трубы геологоразведочного сортамента

Нужный диаметр, мм	Толщина стенки, мм	Внутренний диаметр ниппеля, мм	Масса 1 м трубы, кг
			6,4
			8,4
			10,9
			13,6
			15,7

 

 

При применении для исследований комплектов испытателей пластов применяют

КИИ -95 – для скважин диаметром от 118 мм до 161 мм.

КИИ -65 – для скважин диаметром от 76 мм до 112 мм.

Если применяется опережающий метод опробования, то следует применять породоразрушающий инструмент диаметром 76 мм.

Если применяется съемный испытатель пластов СИП -3, то диаметры породоразрушающего инструмента в зависимости от диаметра резинового элемента пакера составят 76 мм, 93 мм и 112 мм.

Конечные диаметры определяются условием получения кондиционного выхода керна и спуска оборудования для испытания пластов.

Для мягких пород, исходя из условия получения кондиционного выхода керна, минимальный диаметр бурения составит 93 мм.

 

На рис.5 представлена конструкция разведочной скважины на воду, которая позволяет уточнить разрез и провести испытание, в случае необходимости, водоносного пласта.

 

Рисунок 5. Конструкция разведочной скважины на воду

Конструкция скважин при вращательном бурении с обратно-всасывающей промывкой.

Конструкции скважин с обратно-всасывающей промывкой характеризуются тем, что скважина бурится одного диаметра. Устанавливается направление и эксплуатационная колонна с оборудованием водоприемной части гравийно-обсыпным фильтром. Большой размер диаметра скважины, до 1300 мм, позволяет достигать больших дебитов, рис.6.

Рисунок 6. Конструкция скважины для вращательного бурения с обратной промывкой

Пример:

Выбрать и рассчитать конструкцию эксплуатационной скважины для вращательного способа с обратной промывкой. Проектный дебит 150 м³/ч.

0-30 – глины плотные;

30-50 – пески мелкозернистые обводненные;

50-80 – глины плотные.

Статический уровень – 10 метров ниже устья. Понижения при откачке – 10 метров.

1. Тип фильтра – гравийный.

2. Диаметр каркаса фильтра

.

3. Подбираем электропогружной насос ЭЦВ 10-160-30.

Примем, что насос размещается в трубах .

4. Диаметр гравийного фильтра при вращательном бурении определяется диаметром долота

.

5. Направляющая труба должна пропускать долота 640 мм, принимаем электросварные трубы трубы 720 мм.

6. Диаметр долота для забурки скважины

,

мм.

Выбор буровой установки

Выбор буровой установки производится с учетом ранее установленной конструкции скважины и принятого способа бурения.

Буровые установки вращательного способа бурения на воду с прямой промывкой водой должны подбираться по следующим основным требованиям:

1. Грузоподъемность должна быть больше веса наиболее тяжелой колонны.

2. Проходное отверстие ствола ротора должно обеспечивать прохождение обсадной колонны наибольшего размера.

3. Производительность буровых насосов должна обеспечивать транспортировку шлама из скважины.

4. Транспортабельность.

В настоящее время в практике сооружения скважин на воду в России применяются в основном самоходные буровые установки роторного типа и с подвижным вращателем.

 

Установка ПБУ-2

ПБУ-2 может быть установлена на различные транспортные средства: автомобили и шасси повышенной проходимости типа АМУР (ЗИЛ-131), УРАЛ, КамАЗ, транспортную гусеничную машину ТГМ-126, МТЛБу, тракторы ТТ-4 и ТЛТ-100А, на санное основание и другие шасси.

Подвижный вращатель с механическим приводом в сочетании с мощным гидравлическим механизмом подачи позволяют создавать значительную осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент с первых метров бурения.

Конструкция вращателя буровой установки обеспечивает возможность его отвода в сторону от оси скважины для выполнения спуско-подъемных операций, установки обсадных колонн и реализации технологии ударно-канатного бурения с использованием буровой лебедки.

Рисунок 7. Схема буровой установки ПБУ-2

 

Установка УБР - 12

Буровая установка УБР-12 предназначена для бурения гидрогеологических, геологических и сейсмических скважин шнеками до глубины 50 м, долотами и коронками с прямой промывкой до 200 м.

Рисунок 8. Схема буровой установки УБР-12

Установка УРБ-2А2

Одна из самых популярных установок в центральном регионе при бурении скважин на воду. Станок прост, легок и удобен. Большое количество этих станков определило развитую ремонтную базу.

Установка может быть смонтирована на шасси автомобилей повышенной проходимости, таких как УРАЛ, ЗИЛ, КАМАЗ, АМУР, а также других марок; на гусеничных шасси МТЛБУ, ТТ-4, ГАЗ-71 и других.

Данная буровая установка комплектуется как буровыми насосами для бурения с промывкой, так и компрессором для бурения с продувкой воздухом.

 

Рисунок 9. Схема буровой установки УРБ-2А2

 

Установка УРБ-3А3

Установки разведочного бурения типа УРБ-ЗАЗ монтируются на самоходное шасси типа МАЗ или самоходное шасси повышенной проходимости типа УРАЛ. Также встречаются варианты буровых установок на шасси КАМАЗ, КРАЗ и даже зарубежных производителей. Установки оснащены ротором.

Установка может бурить с промывкой при помощи грязевых буровых насосов, а также с продувкой забоя сжатым воздухом.

Так же установка оборудована устройством для свинчивания-развинчивания бурильных труб. Широкий диапазон скоростей на роторе и лебедке позволяет выбрать оптимальный режим бурения.

Рисунок 10. Схема буровой установки УРБ-3А3

 

Установка 1БА-15В

Основное оборудование агрегата смонтировано на автоприцепах, что обеспечивает высокую маневренность и сокращает затраты времени на транспортировку и монтажно-демонтажные работы. Запас мощности и возможность привода любых механизмов от каждого из двух двигателей повышает надежность ведения буровых работ и сокращает аварийные простои. Широкий диапазон скоростей на лебедке и роторе позволяет успешно вести различные работы. Конструкция агрегата позволяет без затруднений применять бурильные и обсадные трубы длиной 12 м и обсаживать скважины без снятия ротора трубами диаметром до 360 мм. Пневматическое управление основными механизмами значительно повышает оперативность и облегчает труд бурильщика, наличие также ручного управления обеспечивает надежность управления.

Мощный компрессор, входящий в состав агрегата, позволяет без потерь времени производить с помощью эрлифтов опытную откачку воды. Применение гидрораскрепителя и устройства для развинчивания бурильных труб диаметром 73 мм с помощью ротора облегчает и ускоряет выполнение спускоподъемных операций.

Рисунок 11. Схема буровой установки 1БА-15В

 

Установка УБВ-600

Самоходная буровая установка УБВ-600 состоит из следующих блоков: бурового (лебедочно-мачтового), насосного, роторного (рабочей площадки) и мостков с выдвижными стеллажами для труб. Установка предназначена для вращательного бурения скважин шарошечными долотами с промывкой.

Насосный блок включает два буровых насоса 9МГр-61, компрессор КТ-7. Роторный блок включает буровой ротор Р-410, подсвечник, приспособление для забуривания шурфа и другое оборудование. В состав блока также входит устройство для свинчивания и развинчивания долота (под ротором).

Особенности буровой установки - большая приводная и гидравлическая мощность, возможность раздельного и одновременного съема мощности с двух двигателей, механизация трудоемких процессов при вспомогательных операциях, самоходность основных блоков и их компактность, позволяющие монтировать оборудование на небольших площадках.

 

Рисунок 12. Схема буровой установки УБВ-600

 

Для вращательного бурения с обратной промывкой в России созданы буровые установки роторного типа 1БА-15К и УРБ-ЗАМОП. Кроме того, ОАО "ГЕОМАШ" совместно с компанией ВИРТ (Германия) создали современную буровую установку УБГ-00, предназначенную для бурения как разведочных, так и гидрогеологических скважин.

Установка имеет подвижный вращатель с ходом подачи 7 метров. Глубина бурения составляет 600 м при начальном диаметре 600 мм и конечном 190 мм. Установка позволяет бурить практически в любых геологических условиях. Применяют, в зависимости от поставленной цели и состава горных пород, способы бурения: вращательное колонковое и сплошным забоем с прямой, обратной промывкой и продувкой, шнековое, ударно-вращательное с применением забойных пневмо- и гидроударных машин.

 

В табл.12 приведены основные характеристики отечественных буровых установок.

 

Таблица 12

Самоходные буровые установки для вращательного бурения с прямой промывкой

Параметры	ПБУ - 2	УБР - 12	УРБ - 2А2	УРБ - 3А3	1БА - 15В	УБВ - 600
Глубина бурения шнеками			-	-	-	-
Глубина бурения, м					500-89бт; 600-73бт
Начальный диаметр бурения, мм
Конечный диаметр бурения
Диаметр бурильных труб			60,3	60,3;	89;
Частота вращения, об/мин	25-220	от 50 до	140; 225; 325;	110; 190;	65; 130;	105; 183
Производительность насоса, л/с				11,9
Грузоподъемность, кН

 

Для вращательного бурения с обратной промывкой в России созданы буровые установки роторного типа 1БА-15К и УРБ-ЗАМОП. Кроме того, ОАО "ГЕОМАШ" совместно с компанией ВИРТ (Германия) создали современную буровую установку УБГ-00, предназначенную для бурения как разведочных, так и гидрогеологических скважин. Установка имеет подвижный вращатель с ходом подачи 7 метров. Глубина бурения составляет 600 м при начальном диаметре 600 мм и конечном 190 мм. Установка позволяет бурить практически в любых геологических условиях. Применяют, в зависимости от поставленной цели и состава горных пород, способы бурения: вращательное колонковое и сплошным забоем с прямой, обратной промывкой и продувкой, шнековое, ударно-вращательное с применением забойных пневмо- и гидроударных машин.

Для бурения гидрогеологических скважин глубин до 120 м применяется современная шведская установка с подвижным вращателем "ЭКСПЛОРЕК - 40". В породах средней твердости и твердых применяют двойную бурильную колонну с наружным диаметром 89 мм с погружным пневмоударником диаметром 101,6 мм, диаметром долота 114,3 мм.

В разрезах, сложенных мягкими породами, бурение производят трехшарошечным долотом с промывкой глинистым раствором или продувкой. Вращение труб осуществляется в диапазоне от 0 до 97об/мин.

Для бурения разведочных скважин в скальных породах применяются установки колонкового бурения типа ЗИФ и УКБ ([19], с.197-204)

В зарубежной практике часто применяются станки Шведской фирмы Atlas Copco. Технические характеристики данных станков представлены в табл. 13.

 

Таблица 13

Зарубежные самоходные буровые установки для вращательного бурения

Параметры	TH5	TH10	T2W	T3W	T4W	RD20
40К	70К	50К	70К	II	III
Глубина бурения, м
Начальный диаметр бурения, мм
Конечный диаметр бурения, мм
Длина/ диаметр бурильных труб, мм	3/	3(6,1)/ 89; 102	6,1/ 89; 102; 114	6,1/ 89; 114	7,6/ 89; 114	9,1/ 89; 114; 140
Частота вращения, об/мин	0-100	0-100		105-145	105-145	105-145
Компрессор
Подача м^3/мин	*	до 35	до 20	25,4; 30,3	25,4; 30,3	35,4
Давление, бар	до 25	до 21	8,3 – 24,1	8,3 – 24,1	24,13
Буровой насос
Подача, л/мин		1135/	**			**
Давление, бар		8/
Грузо-подъемность, кН

* Внешний компрессор.

** Буровой насос выбирается в зависимости от диаметра скважины и специфики бурения.

 

Установка TH5 (Atlas Copco)

Буровой модуль TH5 с гидравлическим приводом представляет собой компактный, мобильный, сверхлёгкий бур для бурения скважин на воду, который идеально подходит для эксплуатации в условиях ограниченного пространства, при бурении скважин на воду в удаленных местах. TH5 устанавливается на лёгкие машины грузоподъёмностью от 3,5 до 3 тонн.

Рисунок 13. Буровая установка TH5

 

Установка TH10 (Atlas Copco)

TH-10 компании Atlas Copco - многоцелевой агрегат с гидравлическим приводом, спроектированный для пневматического / гидравлического вращения и бурения с погружным ударником. Этот лёгкий буровой модуль предназначен для монтажа на грузовике с подходящей грузоподъёмностью и прекрасно подходит для мобильного бурения скважин на воду.

Так же существует модификация данной установки ТН10LM (с длинной мачтой).

Буровая установка TH10LM компании Atlas Copco предоставляет удобства эксплуатации высокой буровой установки, с которой можно использовать бурильную трубу длиной 6 м. Установка идеально подходит для бурения скважин большой глубины, при бурении которых применение более длинных бурильных труб позволяет повысить эффективность работы и сэкономить время.

Рисунок 14. Буровая установка TH10

 

Установка T2W (Atlas Copco)

T2W компании Atlas Copco - легковесный бур с приводом от двигателя грузовика, спроектированный для пневматических /гидравлических работ. При проектировании T2W компания Atlas Copco реализовала в конструкции больше функциональных возможностей, чем в любом другом агрегате этого класса, предоставив пользователю преимущества более дорогих и больших буровых установок. Установку отличает открытая рабочая область, превосходное управление скоростью подачи, а также исключительные ходовые качества независимо от типа дороги.

Рисунок 15. Буровая установка T2W

Установка T3W (Atlas Copco)

Установка T3W спроектирована высокопрофессиональными специалистами по бурению на воду и оснащена эксплуатационной системой Cyclone, укомплектованной исключительно надежными компонентами, которые совершенствовались в буровом деле в течение 10 лет. T3W является буровой установкой с гидравлическим верхним приводом и эксплуатируется при бурении скважин различного назначения с использованием пневмоударника, вращательным способом с промывкой (продувкой). Буровая установка TH60 аналогична по характеристикам с T3W, но имеет привод от двигателя грузовика. T3W может поставляться в модульном исполнении и устанавливаться на шасси Российского производства.

Рисунок 16. Буровая установка T3W

 

Установка T4W (Atlas Copco)

T4W отличает традиционная конструкция для монтажа на ходовую базу и улучшенные буровые характеристики, которые повышают стандарты бурения скважин на воду. Стандартные и дополнительные функциональные возможности обеспечивают для пользователей повышенную производительность и надежность. Буровая установка T4W предназначена для бурения скважин в особо тяжелых условиях, изготовлена из очень прочных конструктивных элементов, что позволяет считать ее в отрасли буровой установкой № 1. T4W смонтирована на самоходном грузовике с колесной формулой 6x4. Установку отличает мощная мачта, которая имеет возможность удлинения для использования соответствующих обсадных труб, и износостойкая цепная подача бурового става для использования в сложных условиях.

Рисунок 17. Буровая установка T4W

 

Установка RD20 (Atlas Copco)

Буровая установка RD20 с приводом от палубного двигателя смонтирована на шасси и предназначена для бурения скважин на воду, нефть и газ. Эта мобильная буровая установка требует меньшее время подготовки на месте эксплуатации, меньший размер площадки, таким образом сокращаются затраты на переезды. Установка не требует большого количества персонала. Основой RD20 является запатентованная система подачи вращателя.

Система подачи исключает необходимость в талевом блоке и роликах кронблока, которые можно найти на сопоставимом оборудовании, что значительно упрощает конструкцию мачты, так как нагрузку воспринимает только нижняя ее часть. Подающая каретка RD20 поднимается и опускается двумя расположенными в буровой мачте цилиндрами. Система подачи каретки RD20 обеспечивает общий кпд более 90%.

Рисунок 18. Установка RD20