ВВЕДЕНИЕ

Общие сведения о бурении скважин

Скважина - горная выработка круглого сечения. Элементы буровой скважины: устье (I) - начало скважины, которое находится на земной поверхности; забой (2) - дно скважины, перемещающееся в результате воздействия породоразрушающего инструмента на породу; стенки скважины (3)- цилиндрическая поверхность от устья до забоя; обсадная колонна (4) - соединенные между собой обсадные трубы (с помощью резьбовых соединений; ствол скважины (5) - пространство занимаемое скважиной (различают обсаженный (5а) и не обсаженный (5б) трубами стволы скважин); ось скважины (6)- воображаемая линия, соединяющая центры поперечных сечений скважины*

П о способу разработки забоя бурение бывает бескерновым и колонковым. При бескерновом бурении горные породы разрушается по всей площади забоя, который представляет собой в данном случае круг. При колонковом бурении горные породы разрушаются по кольцевому забою (7) с сохранением керна (8).

Элементы буровой скважины

Керн - колонка породы, образующаяся в результате кольцевого разрушения забоя скважины. Керн (длиной 1,5-4,5 м и более) после выбуривания откалывают от забоя и извлекают из скважины для исследования. Скважины бурят ступенчато, уменьшая их диаметр от интервала к интервалу при необходимости размещения обсадных колонн.

Рис. I.

По способу разрушения пород выделяют: I) ударно-канатное бурение с использованием забавных стаканов, желонок и грунтоносов} 2) беспромывочное бурение с транспортировкой разрушенной породы с забоя на поверхность шнековой колонкой (шнековое бурение); 3) вибрационное и виброударное бурение; 4) комбинированное ударно-вращательное бурение; 5) бурение в мягких породах методом задавливания при пенетрационном каротаже грунтов; 6) колонковое вращательное бурение в в твердых породах.

Колонковое бурение - основное техническое средство разведки по твердым полезным ископаемым. Преимущества колонкового бурения: извлечение керна, по которому составляется геологический разрез месторождения и опробывается п. н.; возможность бурения скважин под различными углами к горизонту, различными породоразрушющими инструментами в породах любой твердости и устойчивости; возможность бурения скважин малых диаметров на большую глубину при использовании сравнительно легкого бурового оборудования.

Технологический цикл бурения скважин

На месте заложения скважин разрывают площадку и роют ямы для емкости для промывочной жидкости и под фундамент и собирают буровую вышку с буровым зданием. К вышке монтируют буровой станок, буровой насос, электродвигатели для привода станка и насоса. При отсутствии электроэнергии станок и насос приводят в действие от двигателя внутреннего сгорания. После монтажа буровой установки забуривают скважины в заданном направлении, после чего устье скважины закрепляют направляющей трубой. Одновременно оборудуют систему для очистки бурового раствора от шлаков (частиц разбуренной породы).

Скважины бурят в такой последовательности. При помощи лебедки в скважину опускают буровой снаряд, собранный из коронки, колонковой трубы, переходника, колонны бурильных труб, длина которых увеличивается по мере углубления скважины. Все части бурового снаряда соединяют друг с другом при помощи резьбовых герметичных соединений. Верхнюю бурильную трубу пропускают сквозь шпиндель вращателя бурового станка и зажимают в патронах. На конец верхней бурильной трубы навинчивают буровой сальник, соединяют с буровым насосом.

С промывкой и вращением коронку осторожно доводят до забоя и начинают бурение. В зависимости от физико-механических свойств проходимых скважиной пород, диаметра и типа буровой коронки шпинделю и буровому снаряду сообщают требуемую частоту вращения и при помощи регулятора подачи создают необходимую осевую нагрузку на шарошку. Вращаясь и внедряясь в породу, коронка выбуривает кольцевой забой, формируя керн. По мере углубления скважины керн заполняет колонковую трубу.

Для охлаждения коронки, очистки забоя от разрушенной породу и выноса ее на поверхность скважину промывают. Промывочная жидкость через всасывавщий шланг засасывается насосом из приемного бака и нагнетается к забою скважины через нагнетающий шланг, буровой сальник и колонну бурильных труб. Промывочная жидкость промывает забой, охлаждает резцы коронки и транспортирует шлак с забоя на поверхность из скважины; попадает в пресный бак, откуда вновь нагнетается в скважину. Если бурение ведется в устойчивых породах, то для промывки скважины применяют техническую воду. При проходке скважины в недостаточно устойчивых породах промывку ведут глинистым раствором.

После того, как колонковая труба заполнена керном, приступают к подъему инструмента на поверхность. Перед началом подъема керн надежно заклинивают в нижней части колонковой трубы и срывают (обламывают). После заклинивания керна промывку скважины прекращают, и буровой снаряд при помощи лебедка и системы блоков поднимают на поверхность, развинчивая колонну бурильных труб на отдельные свечи. После извлечения колонковой трубы, коронку отвинчивают, извлекают керн из колонковой трубы, затем инструмент вновь собирают, опускают в скважину и продолжают бурение. Керн отмывают, очищают, замеряют и укладывают в керновые ящики, отмечая интервал скважины, с которого поднят керн и процент его извлечения.

Если скважина пересекает неустойчивые горные породы, в нее опускают колонну обсадных труб, перекрывая неустойчивые породы, после чего продолжают бурение инструментом уменьшенным диаметром. Через каждые 50 - 100 м контролируют угол наклона и азимут направления скважины. После того, как скважина пересечет полезные ископаемые и войдет в пустые породы лежачего блока, бурение прекращают.

Успешное выполнение геофизических исследований в значительной мере определяется состоянием скважины и бурового оборудования. Подготовленность скважины к ГИС оформляется актом за подписями мастера и геолога.

По окончанию ГИС приступают к ликвидации скважины. Прежде всего, извлекают обсадные трубы (если они не зацементированы). Скважину заполняют под давлением тампонажным раствором, чтобы по всему стволу не было перетоков подземных вод, и герметизируют. После чего буровую установку разбирают и перевозят на новую скважину. На месте ликвидации устанавливают репер.

По целевому назначению буровые скважины делят на три основные категории: геологоразведочные, эксплуатационные и технические.

Геологоразведочные скважины:

а) картировочные - при проведении геологической съемки дня вскрытия коренных пород;

б) поисковые - с целью обнаружения того или иного полезного ископа­емого;

в) разведочные - для оконтуривания в определения запасов месторож­дения того или иного полезного ископаемого;

г) инженерно-геологические - с целью составления геологического разреза верхних горизонтов, исследования физико-механических свойств грунтов при строительстве различных зданий и сооружений;

д) структурные - для изучения геологических структур и элементов залегания (углов падения и простирания) пластов пород;

е) опорные - для составления наиболее полного и представительного геологического разреза района;

ж) параметрические - с целью измерения физических параметров гор­ных пород в условиях их естественного залегания;

з) сейсмические - с целью проведения подземных взрывов для возбуж­дения упругих колебаний;

и) гидрогеологические - с целью изучения подземных вод, условий их залегания, возможного дебита и химического состава.

Эксплуатационные скважины:

а) водозаборные - для снабжения водой;

б) нефтяные и газовые - для добычи нефти и газа;

в) подземной газификации угля - для получения горючих газов путем неполного сгорания угля непосредственно в естественном залегании;

г) для добычи углеводородов, залегающих в коллекторах земной коры;

д) технологические - с целью нагнетания растворов, растворяющих минералы полезного ископаемого с целью выноса их на поверхность.

Технические скважины:

а) взрывные - для размещения в них зарядов ВВ и получения с помощью взрывов полезных ископаемых или породы от массива;

б) отводы шурфов и шахт, пройденных в горных породах бурением;

б) скважины - для закорачивания (обводненных пород проходкой шахтного ствола);

г) скважины - для укрепления грунтов (при строительстве путем нагнетания в трещиноватые порода цементного раствора, различных смол, жидкого стекла);

д) водопонизительные или дренажные - для снижения уровня грунтовых вод,

е) водосушильные - для спуска воды из одного подземного горизонта в другой при осушении горных выработок;

ж) нагнетательные - для нагнетания воды, воздуха, нефтяного газа или других жидкостей и газов в оконтуренную зону нефтяной залежи;

з) наблюдательные - для наблюдения за уровнем воды, изменением давления жидкости или газа в процессе эксплуатации нефтегазоносного пласта;

и) внутрипластовые - проводятся из подземных горных выработок по пластам с целью их дегазации и обессоливания угля при его нагнетания вода;

К) вспомогательные - для вспомогательных целей при эксплуатации месторождений подземных скважин.

Значительный объем скважин приходится на эксплуатационные и нагнетательные, которые бурят при разработке месторождений нефти и газа (см. рис. 2).

При разработке этих месторождений нагнетающие скважины бурятся для применения метода заводнения. Заводнение - искусственная форма водонапорного режима вытеснения нефти водой. Вода, нагнетающаяся под давлением в продуктивный пласт, обеспечивает продвижение нефти к добывающим скважинам.

Рис. 2. Схемы заводнения месторождения нефти и газа;

а - законтурное; б - внутриконтурное; в - комбинированное. I - контур нефтеносности; 2 - нагнетающие скважины; 3 - добывающие скважины.

Максимальный охват пласта заводнением достигается при законтурном заводнении, когда вода нагнетается в водяной бассейн. В добывающих скважинах перфорируют обычно лишь верхнюю часть нефтенасыщенного пласта. Это обеспечивает длительное функционирование скважины безводной нефтью. По мере перемещения контура нефтеносности производится перенос нагнетающих скважин в ранее пробуренные добывающие (коэффициент извлечения нефти 50-60%).

Кроме законтурного применяют и внутриконтурные заводнения, а также их сочетания.

Буровой раствор

Виды бурового раствора

1. Техническая вода, обычно загрязненная частицами пород, особенно глинистых; бурение на воде широко применяют в Волго-Уральской нефтеносное провинции.

2. Глинистый раствор - вода со взвешенными в ней глинистыми частичками, иногда с добавлением химикатов и утяжелителя.

В отдельных случаях (бурение с продувкой воздухом, при потере циркуляции) ствол скважины частично или в большей своей части не заполнен жидкостью - скважина сухая.

Основные свойства бурового раствора

Вязкость - внутреннее сопротивление жидкости трения. Глинистые растворы не подчиняются закону жидкостного трения. Приближенно сопротивление сдвигу смежных слоев глинистого раствора при ламинарном течении можно рассматривать как сумму динамического напряжения сдвига, не зависящего от скорости сдвига, и напряжения, пропорционального градиенту скорости сдвига:

где n - перпендикуляр направлению движения.

Вязкость условно характеризуется продолжительностью источения 500 см³ глинистого раствора из стандартного полевого визнозиметра СПВ-5. Вязкость воды 15,5 сек; вязкость стандартного глинистого раствора 20-25 сек., при опасности поглощения раствора вязкость его увеличивают

Удельный вес- вес в г 1 см³ раствора. Определяют ареометром АГ-2. Удельный вес нормальных растворов около 1,15-1,25;

Удельный вес утяжеленных растворов доходит до 2,2 г/см³.

Водоотдача - объем воды (в см3), отфильтровывающейся из глинистого раствора через фильтр диаметром 75 мм в течении 30 мин. при перепаде давления 1 атм.; определяют при помощи прибора ВМ-6.

Водоотдача нормальных глинистых растворов не более 25 см³, при возможном поглощении и нефтегазопроявлениях ее снижают до значений, не превышающих 10 см³.

Толщина глинистой корки измеряется на приборе, служащем дня определения водоотдачи глинистого раствора. Для нормальных растворов толщина корки не более 3 мм.

Статическое напряжение сдвига (Прочность структуры глинистого раствора) - минимальная сила, обеспечивающая разрушение структуры глинистого раствора. Определяют при помощи прибора СНС-2. Обычно статическое напряжение сдвига находится в пределах 2535 мг/см² (при определении через 1 мин).

Водородный показатель (концентрация ионов водорода) рН характеризует степень кислотности или щелочности раствора: щелочные растворы имеют рН от 7 до 14, кислотные - от 7 до 1. Величина рН зависит от типа бурового раствора и изменяется от 4 до 10.

Основные добавки к буровому раствору

Утяжелители бурового раствора - тонко размолотые порошки тяжелых минералов - барита, гематита, магнезита и др., которые добавляют в глинистый раствор для увеличения его удельного веса с целью предупреждения обвалов и выбросов.

Кальцинированная сода (Na₂СО₃) - один из наиболее употребительных реагентов. Добавляется для борьбы с коагулирующим действием кальциевых и магниевых солей и для повышения вязкости раствора.

Каустическая сода (ВаОН) применяется как составная часть для приготовления сложных растворов.

Жидкое стекло - растворенный в воде силикат натрия. Повышает вязкость глинистого раствора; применяется для борьбы с поглощением раствора. Известь сильно повышает вязкость раствора; при этом увеличиваются водоотдача и толщина глинистой корки. Углещелочной реагент (ущр) приготовляют из бурого угля и едкого натра; содержание бурого угля 10-15%, едкого натра 0-5% по весу. Основное назначение - получение растворов с низкой водоотдачей.

Недостатки: куски глины, смоченные обработанным УЩР раствором сильно слипаются, что способствует образованию пробок и сальников; липкая глинистая корка.

Торфо-щелочной реагент (тщр) действует так же, как и УЩР, но обработанные им глинистые растворы имеют повышенную вязкость.

Сульфат-спиртовая барда (ссб) - побочный продукт заводов, производящих спирт из целлюлозы. Добавляется (20-40%) вместе с каустической содой (3-6% от веса ссб) для получения растворов с малой водоотдачей.

Карбонсилметилцеллюлоза (КМЦ). Белый зернистый порошок удельного веса 1,7; продукт переработки древесины. Сильно снижает водоотдачу раствора и статическое напряжение сдвига. Применяется для получения растворов с малой водоотдачей.

Крахмал применяется для снижения водоотдачи глинистого раствора. Устойчив при больших концентрациях ионов в растворе.

Нефть снижает липкость глинистой корки и водоотдачу раствора, повышает его стабильность. Вязкость раствора несколько повышается. Добавляется в раствор 6-12%. для предотвращения и при ликвидации прихватов бурильного инструмента.

Хлористый натрий вызывает увеличение водоотдачи глинистого раствора, и даже выпадение глины из раствора. В некоторых случаях хлористый натрий добавляют в раствор для повышения статического напряжения сдвига и устранения разбухания глинистых пород. Насыщенные растворы соли применяют для бурения скважин, в разрезе которых содержатся пласты каменной соли, и при бурении в районах вечной мерзлоты.

Характеристика объекта исследования

Скважина - сложное дорогостоящее сооружение, поэтому получение исчерпывающей информации о ее техническом состоянии, вскрытии горных пород и полезных ископаемых является актуальной и важной задачей. ГИС играет при этом первостепенную роль, поскольку дает наибольший объем непрерывной информации (в условиях бескернового бурения).

Вскрывая горные породы в условиях их естественного залегания, скважина нарушает физико-химические условия окружающей среды. Поэтому меняется петрофизическая характеристика пород, прилегающих к стенкам скважины.

Горные породы обладают различными механическими свойствами. Плотные сцементированные породы при разбуривании не разрушаются. Рыхлые и хрупкие наоборот размываются буровым раствором, вследствие чего образуя каверны (т.е. локальные увеличения диаметра скважины dс), которые характеризуются диаметром dx (см. рис. 3).

Рис. 3. Скважина, как объект геофизических исследований:

а - после бурения; б - после обсадки.

Вскрытие пластов скважиной происходит, как правило, при давлении бурового раствора больше, чем пластовое давление, поэтому в пористые трещиноватые породы (коллекторы) проникает промывочная жидкость. Поскольку поры пород коллекторов имеют малый диаметр (от единиц до сотен микрометров), то в пласты поступает только фильтрат бурового раствора, а глинистые частицы оседают на стенках скважины, образуя глинистую корку мощностью hrx. Глинистая корка служит своеобразным экраном и препятствует дальнейшему проникновению промывочной жидкости в пласт.

В результате проникновения фильтрата бурового раствора в пласт образуется зона проникновения, характеризующаяся диаметром Dзп (диаметр зоны может изменяться от нескольких см до десятки м). В зоне проникновения изменяются физические свойства породы, протекают химические реакции окисления и восстановления, набухают глинистые частицы, образуются электрические потенциалы фильтрации и т.д. Наиболее изменившую часть пласта называют промывочной зоной и характеризуют ее диаметром Dпп.

В промытой зоне промывочная жидкость и ее фильтрат составляют 80-90% от общего объема пластового флюида (пластовая вода, нефть, конденсат, газ). В зоне проникновения - 50% фильтрата от общего содержания пластового флюида. Диаметр зоны проникновения может достигать нескольких диаметров скважины.

Поскольку нас интересуют физические характеристики неизмененной части пласта, то глинистая корка, промытая зона и зова проникновения являются мешающими факторами. Для устранения их влияния приходится увеличивать глубинность исследований, разрабатывать специальные методики скважинных измерений и интерпретации их результатов.

После окончания бурения и проведения ГИС скважину укрепляют обсадными металлическими колоннами. В пространство между стенками скважины и обсадной колонной закачивают цементный раствор. Раствор, затвердевая, во-первых, укрепляет стенки скважины, а, во-вторых, служит для разбуривания отдельных пластов для их раздельного опробования и эксплуатации.

Исследование разрезов - обсаженных скважин можно проводить только методами радиометрии, термометрии и сейсмометрии.

Задачи и структура геофизических исследования скважин

Геофизические методы исследования скважин - один из разделов прикладной геофизики. Они применяются для решения геологических и технических задач, связанных с поисками, разведкой и разработкой МПИ.

Исследование скважин геофизическими методами проводится в 5-ти основных направлениях:

1) Изучение геологических разрезов скважин. Это наиболее важное направление, которое позволяет решать следующие задачи:

- геофизическое расчленение разрезов и выявление геофизических реперов;

- определение пород, слагающих стенки скважин;

- выявление коллекторов и изучение их свойств (пористости, глинистости, проницаемости и т.д.);

- выявление и определение местонахождения различных полезных ископаемых и подсчет их запасов.

2) Изучение технического состояния скважин проводятся для установления профиля сечения скважины; фактического диаметра и искривления скважин, определения высоты подъема, характера распределения и степени сцепления цемента в затрубном пространстве, выявления мест притоков и затрубной циркуляции вод в скважинах и др.

3) Контроль разработки месторождений нефти и газа

- решение следующих основных задач:

- исследование процесса вытекания нефти и газа в пластах;

- изучение эксплуатационных характеристик пластов;

4) Проведение прострелочно-взрывных и других работ в скважине - перфорация обсадных труб для сообщения скважины с пластом, отбор образцов пород из стенок пробуренных скважин для уточнения геологического разреза и торпедирование.

5) околоскважинные и межскважинные исследования - проводят для изучения массивов горных пород в околоскважинном или межскважинном пространстве. Здесь применяются методы, характеризующиеся большей глубинностью (до 10 м), поэтому есть возможность обнаружения объектов поиска не пересеченных скважиной.

В зависимости от вида полезного ископаемого ГИС можно разделить на 3 основные группы.

ГИС в скважинах, бурящихся на нефть и газ, называются также промысловой геофизикой. Применение ГИС здесь наиболее аффективно (Т.к. скважины глубокие и их можно бурить без отбора керна).

ГИС в скважинах, бурящихся на уголь, называют скважинной угольной геофизикой.

При разведке рудных и нерудных полезных ископаемых комплекс геодезических исследований в скважинах получил название скважинной рудной геофизики. Этот раздел традиционно на кафедре рассматривается в курсе электроразведки, потому что в основах развиты электрические свойства.

По особенностям решения геологических задач, методик измерений и интерпретации результатов РИС делят на две следующие группы.

1) Объемные исследования относятся к так называемой скважинной геофизике, цели и задачи которой во многом схожи с целями и задачами полевых методов. Здесь соответственно выделяют скважинную электроразведку, скважинную магниторазведку и т.д.

2) Геофизические измерения, выполненные с целью изучения разрезов скважин и дающие представление о ближней зоне (Т.е. о породах непосредственно слагающих стенки скважины) каротаж.

Слово "каротаж" происходит от французского глагола carotter, который означает "отбор керна". Этот термин введен Шлюмберже для названия разработанного им электрического метода исследования скважин, заменяющего отбор керна.

В отличие от скважинной геофизики, методы которой нацелены на увеличение глубинности или дальности исследования, главное в каротаже - это детальное изучение геологических разрезов скважин, точное определение границ пластов, включая тонкие пропластки мощностью до первых сантиметров, получение информации о вещественном составе горных пород и полезных ископаемых и их физических свойств. Здесь используются физические поля, которые проявляются на малых расстояниях, иногда непосредственно на контакте датчика с исследуемой средой, поэтому большую роль в каротаже играют ядерно-геофизические методы, которые служат главным средством изучения вещественного состава геологических объектов.

Таким образом, каротаж позволяет изучать непосредственно вещество, исследуя дифференциальные характеристики в отличие от интегральных исследований полевых методов и скважинной геофизики.