ЗМІСТ
ВСТУП 8
1 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО БУДОВУ ЗЕМЛІ ТА ГІРСЬКІ ПОРОДИ 9
1.1 Будова Землі 9
1.2 Загальні відомості про гірські породи, що складають геологічний розріз 11
1.3 Насиченість гірських порід. Поровий тиск 14
2 ВЛАСТИВОСТІ ГІРСЬКИХ ПОРІД 17
2.1 Фізико-механічні властивості гірських порід 17
2.2 Визначення твердості гірських порід 23
2.3 Абразивність гірських порід і геостатична температура 25
2.4 Вплив всесторонннього стиску і температури на механічні властивості гірських порід 29
3 ГІРНИЧІ ВИРОБКИ. ЇХ РІЗНОВИДИ, ПРИЗНАЧЕННЯ 33
3.1 Гірничі виробки на тверді корисні копалини 33
3.1.1 Класифікація гірничих виробок 33
3.1.2 Застосування гірничих виробок 38
3.2 Обладнання і інструмент для спорудження гірничих виробок. Види робіт 40
3.2.1 Класифікація обладнання і інструменту 40
3.2.2 Види робіт при спорудженні гірничих виробок 41
3.3 Вентиляція і освітлення підземних виробок 44
3.3.1 Повітряне середовще в гірничих виробках 44
3.3.2 Вентиляція і ежекція повітря в гірничих виробках 47
3.3.3 Освітлення гірничих виробок 50
3.4 Прибирання і транспортування гірської породи 51
3.5 Кріплення гірничих виробок 51
3.6 Водовідлив 56
4 ПОНЯТТЯ ПРО СВЕРДЛОВИНУ ТА ЇЇ БУДІВНИЦТВО 59
4.1 Загальні відомості про будівництво свердловин і їх класифікація 59
4.2 Цикл будівництва свердловини 63
5 СПОСОБИ БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН 65
5.1 Ударне буріння 65
5.2 Обертальне буріння 69
5.3 Малопоширені способи буріння свердловин в гірничій справі 73
5.3.1 Ударно-обертальне буріння 73
5.3.2 Ручне буріння неглибоких свердловин 73
5.3.3 Ударно-канатне буріння стаканами й ґрунтоносами 74
5.3.4 Обертальне буріння з транспортуванням зруйнованої породи на поверхню шнековою колоною 75
5.3.5 Вібраційне (віброударне) буріння 75
5.3.6 Вібраційно-обертальне буріння 77
5.3.7 Ударно-забивне буріння на канатах 77
6 ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН 79
6.1 Класифікація та коротка характеристика бурових установок стаціонарного типу 79
6.1.1 Обладнання для проведення спуско-підіймальних операцій 80
6.1.2 Обладнання для обертання бурильної колони 83
6.2 Короткі відомості про установки для буріння свердловин в акваторіях 83
7 ПОРОДОРУЙНУЮЧИЙ ІНСТРУМЕНТ ДЛЯ БУРІННЯ НАФТОГАЗОВИХ СВЕРДЛОВИН 86
7.1 Призначення та класифікація породоруйнуючого інструменту 86
7.2 Бурові долота для буріння свердловин суцільним вибоєм 87
7.2.1 Лопатеві долота 87
7.2.2 Шарошкові долота 90
7.2.3 Алмазні долота 95
7.2.4 Твердосплавні долота 96
7.3 Бурові долота для буріння з відбором керну 98
7.4 Бурові долота спеціального призначення 100
8 БУРИЛЬНА КОЛОНА 101
8.1 Призначення та складові елементи бурильної колони 101
8.2 Вибійні двигуни 111
9 ВИКРИВЛЕННЯ СВЕРДЛОВИНИ 115
9.1 Поняття про викривлення свердловини 115
9.2 Види і режими буріння похило-скерованих свердловин 120
9.3 Поняття про режим буріння свердловини 122
10 УСКЛАДНЕННЯ В ПРОЦЕСІ БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН 124
10.1 Поглинання промивальних рідин або тампонажних розчинів 125
10.2 Флюїдопроявлення 125
10.3 Ускладнення, викликані проявами сірководню 127
10.4 Порушення цілісності стінок свердловини 127
10. 5 Ускладнення при бурінні вічномерзлих порід 128
10.6 Прихоплювання колони труб 129
11 ПРОМИВАННЯ СВЕРДЛОВИН І ПРОМИВАЛЬНІ РІДИНИ 131
10.1 Призначення, типи і параметри промивальних рідин 131
11.2 Хімічні реагенти для оброблення промивальних рідин на водній основі 133
11.3 Приготування промивальних рідин 135
11.4 Очищення промивальних рідин 138
12 КРІПЛЕННЯ СВЕРДЛОВИНИ І ЇЇ ЦЕНТУВАННЯ 147
12.1 Мета і способи кріплення свердловини обсадними колонами 147
12.2 Цементування свердловин 150
12.2.1 Основні властивості тампонажного порошку 154
12.2.2 Основні властивості тампонажного розчину 154
12.2.3 Основні властивості тампонажного каменю 155
13 ОСВОЄННЯ ТА ВИПРОБУВАННЯ СВЕРДЛОВИН 157
13.1 Підготовка свердловини до освоєння 157
13.2 Вторине розкриття продуктивного пласта перфорацією 159
13.3 Способи освоєння свердловин 164
ПЕРЕЛІК РЕКОМЕНДОВАНИХ ДЖЕРЕЛ 168
ВСТУП
Навчальна дисципліна «Геологорозвідувальна справа і технологія буріння» охоплює вивчення геологічних умов, технічних засобів і методичних прийомів виконання пошуково-розвідувальних робіт з використанням гірничих машин та буріння свердловин. Геологорозвідувальні роботи мають велике значення для розвитку продуктивних сил держави, забезпечення економіки необхідними мінерально-сировинними ресурсами, раціонального розміщення промислових підприємств і ін.
Процес вивчення та освоєння родовищ складається з геологічного картографування, пошукових та розвідувальних робіт. Це дає змогу визначити регіони і райони для організації пошуку та виявлення родовищ, їх промислове значення, технічні та екологічні умови їх розвідки. Саме між етапами пошуку і розвідки і виявляються корисні копалини. Гірничі роботи поряд із геофізичними та буровими – це основні технічні засоби вивчення надр і розвідки родовищ. Тому належна організація та механізація будівництва гірничих виробок в тому числі і буріння свердловин підвищать економічність і скоротять час на розвідку родовищ.
1 Загальні відомості про будову землі та гірські породи
1.1 Будова Землі
На сьогодні гірничі роботи проводять на глибинах до 1000-1500 м. В Європі є деякі копальні, глибина яких сягає близько 2000 м, в ПАР та Індії на окремих рудниках розробку провадять на глибинах понад 3000–3500 м. Нафту і газ сьогодні добувають вже з глибин 6000–7000 м. Найглибші опорні свердловини досягають глибини 9000 м. Реалізовано кілька проектів буріння до глибини 15 000 м.
Ці глибини знаходяться в межах верхньої частини земної кори, товщина якої мізерна порівняно з розмірами Землі (екваторіальний радіус Землі 6378 км, полярний – 6358 км).
За сучасними уявленнями Земля складається з концентричних оболонок, або геосфер рис. 1.1). Зовнішніми оболонками є газова (атмосфера) й водна (гідросфера). З цими оболонками межує земна кора, товщина якої змінюється від 5 до 15 км під океанами і до 60–80 км в гірських районах.
Розрізняють континентальну кору (складається з осадового, “гранітно-метаморфічного” і “базальтового” шарів) і океанічну кору (гранітний шар відсутній або має незначну грубизну). Земна кора складається з кисню (47,2% за вагою), кремнію (27,6%), алюмінію, заліза, кальцію, натрію, калію, магнію й водню, які разом становлять близько 99% її ваги. В земній корі зосереджена переважна частина корисних копалин. Земна кора відділена поверхнею Мохоровича від мантії Землі, яка простягається до глибини 2900 км. В межах останньої виділяється верхня мантія, верхня частина якої називається субстратом. Субстрат разом з земною корою утворює літосферу. Нижня частина верхньої мантії – астеносфера, або шар порід пониженої швидкості розповсюдження сейсмічних хвиль. Блоки літосфери плавають у в’язко-пластичній речовині астеносфери.
За сучасними уявленнями склад мантії близький до складу кам’яних метеоритів – у ній переважають кисень, кремній, магній, залізо.
Рисунок 1.1 – Будова Землі
На глибині 2900 км міститься ядро Землі, радіус якого становить близько 3500 км. у його складі виділяють суб’ядро (тверде ядро) радіусом 1300 км та зовнішнє (рідке) ядро. Глибинні шари Землі нагріті більше, ніж поверхневі. Головним джерелом внутрішнього тепла Землі є розпад радіоактивних елементів у її надрах.
1.2 Загальні відомості про гірські породи, що складають геологічний розріз
За походженням всі гірські породи поділяються на три групи:
1. Магматичні або вивержені.
2. Осадові.
3. Метаморфічні.
Магматичні гірські породи утворилися в результаті охолодження та затвердівання розплавленої магми (базальти, граніти та ін).
Осадові породи (глини, вапняки, пісковики, кам’яна сіль і т.д.) утворилися в результаті відкладення на дні водяних басейнів частинок зруйнованих вивержених порід, солей, а також органічних речовин.
Метаморфічні гірські породи (мармур, кристалічні сланці та ін.) утворилися в результаті дії на вапняки, сульфатні солі, глини та інші породи високих температур і тисків при занурюванні їх в надра землі.
На долю осадових порід припадає близько 5% маси земної кори, однак з ними пов’язані майже всі родовища нафти і газу. В склад переважної більшості гірських порід входять лише декілька десятків мінералів, які називаються породоутворюючими. Основними мінералами, що входять до складу осадових гірських порід є – монтморілоніт, каолініт, галуазит, кварц, кальцит, доломіт, ангідрит та гіпс, а також деякі мінерали групи алюмосилікатів.
Важливою характеристикою осадових порід є їх структура і текстура, які відображають будову цих порід і суттєво впливають на характер руйнування при їх розбурюванні.
За структурою осадові породи поділяються на кристалічні та уламкові. Уламкові породи поділяють на грубоуламкові з розміром уламків більше 2 мм (гравій, галька, брекчія); піскові з розміром уламків від 0,1 до 2 мм (піски і пісковики); дрібноземи з розміром від 0,01 до 0,1 мм (алевроліти, суглинки, супіски, лес) та глинисті з розміром частинок менше 0,01 мм (глини, аргиліти та глинисті сланці).
За природою сил зчеплення між частинками осадові є:
скельові (пісковик, вапняк, мергель);
зв’язані або пластичні (глинисті породи);
сипучі (піски).
Сили зчеплення скельових порід характеризуються молекулярним притяганням частинок одна до одної, а також наявністю сил тертя.
Сили зчеплення пластичних порід характеризуються взаємодією колоїдних частинок, які адсорбуються на поверхні уламків, а також наявністю сил тертя.
Сипучі породи не володіють зчепленням ні в сухому стані, ні при повному насиченні водою. Тільки при обмеженому насиченні водою у сипучих порід спостерігаються сили зчеплення, які обумовлені тертям.
Всім породам властиві, крім сил зчеплення, сили внутрішнього тертя, які залежать від сил притиску частинок між собою.
У кристалічних породах кристали зв’язані між собою силами молекулярної взаємодії у місцях взаємного контакту. В уламкових породах зв’язок між уламками здійснюється з допомогою посторонніх цементуючих речовин.
Під текстурою розуміють ті особливості будови породи, які обумовлені взаємним просторовим розміщенням кристалів або уламків: шаруватість, сланцюватість, пористість, тріщинуватість. Шаруватість виявляється у зміні петрографічного складу порід у вертикальному напрямку. Сланцювата текстура виникає під дією високих тисків і температур та в результаті перекристалізації мінеральних речовин. З текстурними особливостями будови породи зв’язана її анізотропність, тобто відмінність властивостей в різних напрямках. Фізико-механічні властивості в напрямку, паралельному площині напластування, шаруватості і сланцюватості, суттєво відрізняються від таких же властивостей у напрямку, перпендикулярному до цих площин. Величину відношення показника властивостей (наприклад міцності) у напрямку, паралельному площині шаруватості (сланцюватості), до показника цієї ж властивості у перпендикулярному до неї напрямку називають коефіцієнтом анізотропії.
Між твердими мінеральними зернами, що складають скелет осадової породи, майже завжди є різні за походженням, формою та розміром пустоти (пори). Сумарний об’єм всіх пустот, які містяться в 1 м3 породи, виражений в процентах, називають загальною пористістю. Сумарний об’єм пор в 1 м3 породи, сполучених між собою і по якими може перетікати пластовий флюїд під дією існуючих в природі градієнтів тисків, характеризує ефективну пористість. Ефективна пористість менша загальної тому, що в породі завжди є деяка кількість замкнутих, а також капілярних і субкапілярних пор, по яких рух при існуючих градієнтах тисків практично не можливий.
Тріщинуватість порід пов’язана з тектонічними рухами земної кори, а також з процесами перекристалізації. Тріщини можуть бути вертикальними, горизонтальними і похилими, розташовані хаотично або орієнтовано в якомусь напрямку. Трапляються тріщини зімкнуті і розкриті, причому ступінь розкриття (товщина тріщини) може коливатись від долей міліметра до десятків міліметрів. Іноді в породах зустрічаються великі порожнини (печери), як правило, сполучені одна з одною системою розкритих тріщин.