Способ вскрытия водоносных горизонтов вертикальной скважиной и установка для его реализации

Изобретение относится к области технологии и техники сооружения вертикальных скважин на воду в неустойчивых рыхлых водоносных горизонтах с сохранением естественной проницаемости водоносного горизонта и может быть использовано для бурения вертикальных скважин в сложных гидрогеологических условиях. Технический результат - удержание стенок сооружаемой в неустойчивых породах скважины от обрушения, снижение вероятности искривления скважины, повышение производительности, уменьшение энергоемкости, совмещение операций бурения и установки фильтров, компактность, надежность и технологичность. Достижение технического результата стало возможно благодаря компактной установке, обеспечивающей технологичность компоновки обсадной и бурильной колонны и одновременное бурение двумя колоннами, снабженными независимыми приводами, и бурению обсадной колонной неустойчивых пород, осуществляемому с частотой, не превышающей рассчитываемую по формуле , где V_мех - механическая скорость бурения, м/мин, F_вр - силы трения вращательному движению, F_ос - силы трения поступательному движению, R - радиус обсадной колонны, м, α – угол между векторами направлений поступательного и вращательного движений. 2 н. и 3 з. п. ф-лы, 5 илю

 

Изобретение относится к области технологии и техники сооружения вертикальных скважин на воду с сохранением естественной проницаемости водоносного горизонта и может быть использовано для бурения вертикальных скважин в сложных гидрогеологических условиях.

При вскрытии песчаных водоносных горизонтов важными проблемами являются предохранение стенок сооружаемой скважины от обрушения и сохранение естественной проницаемости пород, которая и обуславливает появление новых способов и новых установок наряду с уже известными и традиционными.

Так, известен способ вскрытия песчаных водоносных горизонтов вертикальными скважинами с применением в качестве промывочного агента глинистого раствора. Глинистый раствор с одной стороны выполняет функцию среды, удерживающей частицы бурового шлама от оседания, с другой стороны, он создает дополнительное давление на пласт, за счет чего удается удержать стенки скважины от обрушения.

Недостатком этого способа является попадание фильтрата глинистого раствора в пласт и образование глинистой корки на стенках скважины. Кольматация пласта глинистым раствором снижает его проницаемость в прифильтровой зоне, что вызывает необходимость разглинизации и освоения пласта. Этот процесс длится несколько суток, но не позволяет полностью восстановить дебит скважины (И.Ф.Оксанич и др. "Осушение месторождений при строительстве железорудных предприятий", Москва, "Недра", 1977 г., стр.61, табл.19).

Для устранения этого недостатка известно применение способа вскрытия песчаного водоносного пласта с использованием в качестве промывочной жидкости чистой воды при прямой и обратной ее циркуляции [В.М.Гаврилко, В.С.Алексеев. Фильтры буровых скважин. М., Недра, 1976, с.263-287].

При бурении с прямой промывкой воду буровым насосом по бурильной колонне подают к породоразрушающему инструменту. Вода, поступая на забой, выносит по затрубному пространству шлам на поверхность.

При бурении с обратной промывкой воду подают в кольцевое пространство между стенками скважины и бурильной колонной, откуда она вместе с шламом поднимается по бурильной колонне на поверхность. Производительность бурения скважины этим способом выше, чем при бурении с глинистым раствором, за счет сокращения в несколько раз времени на освоение скважины, ее дебит также превышает дебит скважины, пробуренной с глинистым раствором, благодаря чему описываемый способ получил мировое признание.

К недостаткам рассматриваемого способа следует отнести обязательное условие его реализации - превышение давления столба промывочной жидкости в скважине над гидростатическим давлением воды в пласте на 3-5 м вод.ст. Так как вести наблюдение за уровнем в скважине сложно, на практике этот уровень поддерживают на устье скважины, что ведет к большому расходу воды в связи с поглощением ее песчаным пластом (в отдельных случаях до 60-80 м³/час).

К недостаткам рассмотренных аналогов следует отнести нарушение естественной проницаемости пласта в процессе сооружения скважины.

Этот недостаток частично устраняется известным способом вскрытия песчаных водоносных горизонтов под защитой обсадной колонны с одновременным удалением породы с забоя с помощью специальных желонок, спускаемых на тросе. Причем спуск обсадной колонны осуществляется либо под ее собственным весом, либо с параллельным приложением к обсадной колонне ударных нагрузок, т.е. обсадной колонне придают функцию рабочей. При таком способе вскрытия водоносного горизонта исключительно важное значение имеет глубина заглубления обсадной колонны в пласт. Этот параметр определяется многими факторами: глубиной залегания водоносного пласта, его мощностью, напором, технологией черпания породы с забоя (частотой спуско-подъемов желонки, ее конструкцией) и многими другими. Как правило, заглубление в песчаный пласт составляет несколько метров. Объясняется это тем, что обеспечить устойчивость стенок скважины при этом способе невозможно из-за постоянных колебаний статического напора пласта, которые создает желонка при черпании породы вместе с водой.

При мощном пласте для обеспечения вскрытия пласта на всю его мощность необходимо применение нескольких типоразмеров колонн. Это очень трудоемкий, металлоемкий, а, следовательно, дорогой и малопроизводительный способ, который применяется крайне редко и, в основном, для бурения неглубоких скважин. Важными достоинствами способа являются сохранение естественной проницаемости пласта и возможность вскрытия водоносного горизонта комбинированной колонной, частью которой является фильтровая секция, устанавливаемая в определенном интервале.

Для сокращения сроков освоения скважин, снижения трудоемкости работ по посадке фильтров и повышения водоотдачи скважин используют способ посадки фильтров с башмаком-расширителем. [А.с. 623948, БИ 34, 1978].

Совершенствование способа вскрытия песчаных водоносных горизонтов осуществляют с одновременным изменением или совершенствованием установок для бурения.

Так, известна установка для бурения "Феб Шахбау", предназначенная для бурения стволов роторным способом с обратной промывкой. Механическая скорость бурения составляет 0,3-0,8 м/час, минимальная коммерческая скорость бурения 30 м/месяц. Оборудование установки выполнено из блоков, легко монтируемых и легко перевозимых. В комплект установки входят вышка, талевая система, лебедка, ротор, бурильная колонна с резьбовыми замками, комплект буров, оснащенных резцами или шарошками, передвижные компрессоры и оборудование для приготовления и очистки растворов [А.Г.Николаев и др. "Буровые установки для проходки скважин и стволов". Справочник, М.: Недра, 1985 г. с.266-267]. К недостаткам установки следует отнести громоздкость, большую энергоемкость, невозможность избежать недостатков, присущих способу вскрытия пласта одной колонной бурильных труб.

Из технического уровня известно также сооружение вертикальных скважин двумя рабочими трубами (обсадной и бурильной). Так, в установках по заявке Франции №2071226 и патенту RU №2018621 (П. 2018621, публ. 30.08.94) устройство включает базовую машину с направляющей, обсадную трубу с породоразрушающим органом и приводами ее вращения и подачи, причем механизм подачи выполнен винтовым, т.е. разработка скважины возможна лишь при принудительной подаче рабочих органов винтовыми парами. Однако при разработке мягких грунтов это приводит к чрезмерному наполнению полости трубы грунтом, что в свою очередь вызывает перегрузку приводов рабочих органов. В связи с чем при разработке грунтов твердой категории, например тугопластичных, бурение осуществляют циклично вначале шнековым буром, затем ковшовым. При бурении скважин в мягких грунтах сопротивления их разработке значительно уменьшаются. Поэтому проходку скважин производят без дополнительного напорного усилия на рабочие органы. Использование данного устройства позволяет реализовать следующие операции по управлению рабочими органами: принудительная подача в скважину раздельно или совместно каждого рабочего органа или подача под действием собственного веса, попеременная подача вначале шнекового бура, затем ковшового, закрепленного на обсадной трубе, но без прекращения транспортировки разработанного грунта из полости трубы.

Рассмотренное устройство предназначено для бурения скважин, длина которых не превышает длины рабочих штанг, способно обеспечить независимое бурение двумя колоннами труб только в твердых грунтах и абсолютно не приспособлено для сооружения вертикальных скважин в песчаных водоносных горизонтах.

Таким образом, в известном техническом уровне не удалось обнаружить наиболее близкого аналога как для способа вскрытия водоносных горизонтов, так устройства для его реализации.

Задачей изобретения является расширение ряда способов вскрытия неустойчивых водоносных горизонтов вертикальной глубокой или неглубокой скважиной с сохранением природной структуры и естественной проницаемости стенок скважины с установлением фильтра во время бурения и создание установки для его реализации.

Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации заявленного изобретения, являются:

для способа

- обеспечение сохранения природной структуры и проницаемости водоносного горизонта;

- удержание стенок сооружаемой скважины от обрушения;

- снижение вероятности искривления скважины;

- повышение производительности;

- уменьшение энергоемкости;

- совмещение операций бурения и установки фильтров;

- технологичность;

для установки

- компактность;

- удобство наращивания колонны;

- надежность и обеспечение возможности вскрытия водоносного пласта без нарушения его природной структуры и естественной проницаемости;

- расширение ряда установок для вскрытия неустойчивых водоносных горизонтов.

Решение указанной задачи и достижение вышеперечисленных результатов стали возможны благодаря тому, что в способе вскрытия неустойчивых водоносных горизонтов вертикальной скважиной, включающем бурение этой скважины в песчаных водонасыщенных породах двумя независимыми колоннами: обсадной и бурильной путем регулируемой передачи инструментам, которыми оснащают торцы обеих колонн, нагрузок, обеспечивающих углубление скважины, удаление с забоя разрушенной породы и установку в скважине не менее чем одного фильтрового элемента в зоне не менее чем одного водоносного горизонта бурение обсадной колонной неустойчивых пород осуществляют вращением с частотой, обеспечивающей минимальное трение ее вращательно-поступательному движению и не превышающей рассчитываемую по формуле

где

α - угол между векторами направлений поступательного и вращательного движений;

V_мех - механическая скорость бурения;

F_вp - силы трения вращательному движению:

F_oс - силы трения поступательному движению;

R - радиус обсадной колонны,

не менее чем один фильтровой элемент устанавливают в скважине в процессе бурения путем включения его в состав обсадной колонны с возможностью доставки в сооружаемую скважину на заданную отметку, удаление разрушенной породы с забоя осуществляют через межколонное пространство путем подачи воды на забой через внутреннюю колонну в количестве, достаточном для выноса разрушенной породы на устье скважины, а наращивание бурильной и обсадной колонн производят путем предварительного отведения вращателя бурильной колонны от оси бурения в плоскости, перпендикулярной ей.

В предпочтительных примерах исполнения способа обсадную и бурильную колонны вращают в противофазе, стенки скважины срезают инструментом в виде режущего кольца с углом резания 45-60°, обращенного конической поверхностью в межколонное пространство с внешним диаметром, в 1,1-1,15 раза превышающим внешний диаметр обсадной колонны.

Для установки вскрытия неустойчивых водоносных горизонтов вертикальной скважиной решение поставленной задачи и достижение вышеперечисленных результатов стали возможны благодаря тому, что установка включает буровой насос для подачи воды на забой, платформу с вертикальной рамой, на которой укреплены направляющие для перемещения по вертикали установленной на ней подвижной рамы, на подвижной раме перпендикулярно ей закреплены параллельно друг другу две неподвижные рамы с направляющими, обеспечивающими перемещение по ним, соответственно, вращателей бурильной и обсадной колонн перпендикулярно оси бурения, при этом каждый из вращателей связан с соответствующим ему регулируемым проводом, вращатель обсадной колонны снабжен узлом для механического свинчивания и развинчивания секций обсадных и бурильных труб, а в состав обсадной колонны включен не менее чем один фильтровой элемент с возможностью его установки в скважине на заданной отметке в процессе бурения.

В предпочтительном примере исполнения установки в качестве инструмента на обсадной трубе закреплен режущий инструмент в виде кольца с углом резания 45-60°, обращенного конической поверхностью в межколонное пространство и диаметром в 1,1-1,5 раза превышающим диаметр обсадной колонны.

Регулируемое вращение обсадной колонны соответственно заявляемому ограничению по формуле обеспечивает оптимальный режим бурения за счет учета таких величин как Р_ос - осевая составляющая, действующая на колонну, зависящая от веса колонны, Р_бок - горное ее давление, действующее на обсадную колонну со стороны стенок скважины. При сообщении колонне осевого перемещения и вращения возникают силы трения, препятствующие ее движению. Эти силы противоположны по направлению осевому и вращательному движению и противоположны векторам скоростей. Соотношение сил трения поступательному и вращательному движению зависит от угла α, образованного между векторами направлений поступательного движения колонны вниз и вращательного вокруг оси скважины, или соответственно силам трения , где F_oc - сила трения поступательному движению колонны вниз, вызванная горным давлением;

где f - коэффициент трения стали о породу,

где F_вp. - сила трения вращательному движению обсадной колонны;

где V_мех - механическая скорость бурения, м/мин;

R - радиус обсадной колонны, м;

П_т - частота вращения обсадной колонны, об/мин, и уже исходя из α и V_мех рассчитывают оптимальную частоту вращения, обеспечивающую минимальное трение вращательно-поступательному движению (см. формулу 1).

В общем случае при устойчивых стенках скважины силы бокового трения колонны невелики и определяются силой прижатия колонны к стенкам скважины и коэффициентами трения. При неустойчивых стенках величина бокового давления определяется боковым давлением Р_бок со стороны стенок скважины. В этом случае она определяется горизонтальной составляющей горного давления и коэффициентом трения породы о сталь.

Расход промывочной жидкости (воды) выбирают из условий, достаточных для выноса разрушенной породы. При этом нет необходимости, в отличие от аналогов, поддерживать избыточное давление на пласт для удержания стенок скважины от обрушения, поэтому удаление разрушенной породы с забоя чистой водой и использование ее в количестве, достаточном для этого, позволяет повысить экономичность установки по сравнению с аналогами, использующими этот принцип.

Интервал установки фильтрового элемента или элементов, их конструктивное исполнение, скважность и другие параметры также задаются и регламентируются геолого-техническим нарядом. При расчете фильтровая колонна рассчитывается на прочность при кручении. Включение во время бурения в состав обсадной колонны фильтрового элемента позволяет совместить операцию бурения и посадки фильтра, в результате чего сокращается время сооружения скважины и повышается технологичность способа.

Вращение обсадной и бурильной колонн в противофазе позволяет уменьшить вероятность искривления скважины, а следовательно, снизить силы трения.

Срезание стенок сооружаемой скважины инструментом в виде режущего кольца с углом резания 45-60°, обращенного конической поверхностью в межколонное пространство с внешним диаметром, в 1,1-1,15 раза превышающим внешний диаметр обсадной колонны, повышает возможность сохранения естественных свойств породы (проницаемости и структуры) и направление породы в межколонное пространство, откуда она выносится водой на поверхность.

Изобретение иллюстрируют следующие чертежи:

фиг.1 - вид установки сбоку;

фиг.2 - вид установки спереди;

фиг.3 - схема компоновки обсадной и бурильной колонн в скважине;

фиг.4 - номограмма для определения сил трения при осевом перемещении сил обсадной колонны в зависимости от механической скорости бурения (V_мех) и коэффициента трения породы о трубы (f);

фиг.5 - номограмма для определения крутящих моментов на обсадных трубах в зависимости от V_мех и f.

Установка (фиг.1 и фиг.2) для реализации заявленного способа для вскрытия неустойчивых водоносных горизонтов вертикальной скважиной представляет собой горизонтальную платформу 1, установленную на шасси 2 и жестко связанную с вертикальной рамой 3, имеющую направляющие 4 для передвижения по вертикали подвижной рамы 5, на которой закреплены вращатель 6 с обсадной колонны 7 и вращатель 8 бурильной колонны 9. На подвижной раме 5 перпендикулярно ей установлена рама 10 с направляющими 11, по которым перпендикулярно оси бурения перемещается вращатель 8 бурильной колонны 9 при помощи гидроцилиндра перемещения 12, установленного между направляющими 11 и жестко связанного с корпусом вращателя 8. Для обеспечения соосности шпинделя 13 вращателя 6 и шпинделя 14 вращателя 8 они снабжены устройством для жесткой фиксации (не показано), исключающим уход бурильной колонны 9 от оси вращения. Для отвода вращателя 6 от оси скважины на подвижной платформе 5 установлена рама 15 с направляющими 16, параллельными направляющим 11 и гидроцилиндром 17 для перемещения вращателя 6. Передача вращения и осевого усилия обсадной колонне 7 осуществляется через узлы для механического свинчивания и развинчивания секций обсадных и бурильных труб в виде гидравлического захвата (патрона) 18, установленного на корпусе вращателя 6 обсадной колонны 7, захватный механизм которого вращается вместе со шпинделем 13 вращателя 6. Для удержания секций обсадных труб 7 на неподвижной платформе 3 установлен гидравлический захват (гидравлический ключ) 19, который при захвате обсадной колонны 7 может удерживать ее от проворота.

Перемещение неподвижной рамы 5 по вертикальной раме 3 осуществляется с помощью гидроцилиндра 20 (ход цилиндра подачи должен быть на 10-15% больше длины секций бурильных и обсадных труб). Так как бурение осуществляется двумя колоннами 7 и 9 одновременно, то и наращивание должно осуществляться последовательно (сначала бурильной, потом обсадной колонн). Длина обеих колонн должна быть одинаковой. В нижней части обе колонны 7 и 9 оснащены инструментами (см. фиг.3). На бурильной колонне 9 установлено в качестве такого инструмента либо шарошечное, либо лопастное долото 21. На обсадной колонне 7 устанавливается инструмент в виде режущего кольца 22 с углом резания 40-60°, коническая поверхность которого обращен вовнутрь, а наружная поверхность имеет цилиндрическую форму. Коническая поверхность армирована твердым сплавом. Наружный диаметр инструмента 22 больше диаметра обсадной колонны 7 на 10-15%. Благодаря этому фактору и форме он срезает породу со стенок скважины и направляет ее внутрь скважины, что обеспечивает сохранение естественных свойств пород (проницаемости и структуры). При бурении подача промывочной жидкости к бурильной колонне 9 осуществляется буровым насосом (не показан) по нагнетательному шлангу 23 через сальник-вертлюг 24, откуда по колонне 9 она подается на забой через долото 21 и выходит наверх по кольцевому пространству 25.

Внизу на вертикальной раме 3 установлен дополнительный гидравлический ключ 26 для аварийного удержания обсадной колонны 7. Над шпинделем 13 вращателя 6 обсадной колонны устанавливается гидравлический захват 27 для удержания бурильной колонны 9. Гидроприводы вращателя 6 и 8, система гидравлической подачи приводятся в действие от маслостанции 28, гидронасосы (не показаны) которой связаны с дизель-электростанцей 29 или электромотором, а управление приводами осуществляется за счет их связи с пультом управления 30.

С пульта управления 30 осуществляется управление подъемом рамы 3 из горизонтального положения в вертикальное. Эта операция производится гидроцилиндрами 31 и 32. Поворот осуществляется вокруг шарниров 36.

Осуществление операций по подъему и спуску секций обсадных 7 и бурильных 9 труб обеспечено грузозахватным механизмом 33 лебедки 34. Нивелирование платформы 1 и восприятие осевых нагрузок при спуско-подъемных операциях и бурении осуществляется с помощью гидравлических домкратов 35, управляемых с пульта управления 30. Перевод в транспортное положение рамы 3 из вертикального в горизонтальное положение производится с помощью гидроцилиндров 31 и 32 путем поворота вокруг шарниров 36.

Заявленная установка работает следующим образом. Установку монтируют на площадке, с помощью гидроцилиндров 31 и 32 поднимают вертикальную раму 3 в вертикальное положение и фиксируют. Подготовленную таким образом установку с помощью гидродомкратов 35 нивелируют. После этого приступают к подготовке к бурению, для чего собирают компоновку обсадной колонны 7 и бурильной 9 (фиг.3). Осуществляется это следующим образом. На головной секции обсадной колонны 7 устанавливают инструмент 22. Грузозахватным механизмом 33 с помощью лебедки 34 сначала собирают рабочую компоновку обсадной колонны 7. Для этого первую его рабочую секцию пропускают через шпиндель 13 вращателя 6 и зажимают гидрозахватом (гидравлическим ключом) 19, после чего поднимают следующую секцию труб 7, вновь пропускают через шпиндель 13 вращателя 6. Зажимают ее в патроне 18, включают вращение шпинделя 13 и соединяют секции в колонну. Эти операции продолжаются до тех пор, пока инструмент 21 не войдет в соприкосновение с землей. После этого аналогичным образом собирают компоновку внутренней колонны 9. Сначала на ее головную секцию устанавливают долото 21, с помощью лебедки 34 и грузозахватного механизма 33 ее поднимают, спускают в обсадную колонну 7, ставят на вилку (не показана) гидравлического захвата 27, фиксируют, грузоподъемный механизм освобождают, поднимают очередную секцию труб 9 и производят наращивание колонны, используя гидравлический захват 27 или 18. Наращивание и спуск колонны 9 осуществляют циклично, до тех пор, пока долото 21 коснется поверхности земли.

Технологичность операций по наращиванию колонн достигается благодаря возможности отвода вращателя бурильной колонны от оси скважины в сторону, при этом обеспечивается возможность маневрирования грузозахватным механизмом 33.

Выполнив эти операции, обсадную колонну 7 зажимают в гидравлическом захвате (патроне) 18, освобождают захват гидравлического ключа 19, подводят вращатель 8 к центру, шпиндель 14 соединяют с бурильной колонной 9 и настраивают на заданные частоты вращения бурильную 9, затем обсадную 7 колонну, включают подачу подвижной рамы 5 вниз, с помощью гидроцилиндра 20 регулируют величину осевого давления на забой, включают буровой насос (не показан) и приступают к бурению. Частоту вращения бурильной колонны 9 выбирают из условий эффективного разрушения породы долотом 21 (обычно в пределах 80-200 об/мин). Частоту вращения обсадной колонны 7 в начальный момент, когда стенки скважины устойчивы, принимают максимально возможной. При достижении буровым инструментом неустойчивых пород обсадную колонну начинают вращать с частотой вращения, которую рассчитывают по формуле

,

где

V_мех - механическая скорость бурения;

R - радиус обсадной колонны,

F_вр - силы трения вращательному движению:

F_вр=f·Р_бок, где

f - коэффициент трения стали о породу;

Р_бок - горное давление, действующее со стороны стенок скважины на обсадную колонну (Р_бок рассчитывают по известным методикам);

F_oс - силы трения поступательному движению обсадной колонны вниз, вызванной горным давлением.

При бурении в сложных условиях необходимо на каждую скважину составлять геолого-технический наряд (регламент), в котором поинтервально расписывают прогнозные (расчетные) параметры: осевое усилие на забой, горное давление, силы трения поступательному и вращательному движению, скорости бурения, частоты вращения внешней колонны. Для уменьшения (снижения) искривления скважин, а следовательно, снижения сил трения обсадной колонне в предпочтительном исполнении сообщают левое вращение.

Промышленную применимость заявленного способа и установки для его реализации показывает следующий пример конкретного исполнения.

Пример

Гидрогеологические условия ведения работ:

- верхняя часть в разрезе до глубины 1,5 метра представлена растительным слоем;

- от 1,5 м до 2,5 м - суглинки;

- от 25 м до 35 м мелко-среднезернистые обводненные пески напорные;

- статический уровень вод находится на глубине 15 м;

- в подошве водоносного горизонта залегают плотные водоупорные глины мощностью свыше 15 м.

Назначение скважины - питьевое и хозяйственное водоснабжение группы индивидуальных домов с расчетным расходом воды 4-5 м³/час.

Скважину сооружают под установку в ней насоса ЭЦВ-5 или ЭЦВ-6 с диаметром фильтрового элемента 168 мм. Скважину сооружают бурением двумя независимыми колоннами: обсадной с внешним диаметром 168 мм и бурильной с внешним диаметром 89 мм с удалением породы с забоя путем подачи чистой воды через бурильную колонну.

Обсадную колонну оборудуют инструментом в виде кольца с углом резания 45-60°, обращенного конической поверхностью в межколонное пространство с внешним диаметром 185 мм, что составляет 1,1 внешнего диаметра обсадной колонны. Над режущим инструментом расположено 7 секций глухих труб, над ними фильтр из 7 секций (перфорированная труба щелевой перфорации с размером щели 0,5-0,7 мм и скважностью около 14%). В скважину на заданную отметку фильтровый элемент или элементы доставляют во время бурения, а именно в зону мелко-среднезернистых обводненных песков напорных. Остальные секции обсадной колонны также собраны из глухих труб.

Резьбы на трубах левые, ленточные с двухзаходной резьбой и шагом 12 мм, что обеспечивает высокую скорость наращивания обсадных секций (2-3 мин на соединение). Обсадные трубы изготовлены из высокопрочной стали марки Д.

Внутреннюю бурильную колонну собирают из труб с внешним диаметром 89 м и оборудуют инструментом в виде лопастного долота режущего типа с диаметром 145 мм.

Частоту вращения обсадной колонны рассчитывают по формуле

V_мех - механическая скорость бурения;

R - радиус обсадной колонны;

,

где F_вp, F_oс - соответственно силы трения вращательному и поступательному движению обсадной колонны. Эти силы заранее рассчитываются при составлении геолого-технического наряда на скважину. Для практического пользования в соответствии с предложенным способом бурения построены номограммы для определения сил трения поступательному движению и крутых моментов на 1 п.м. колонны. Они представлены на фиг.4 и 5.

Из большого опыта вскрытия песчаных водоносных горизонтов практически частота вращения колонны находится в пределах 2-5 об/мин. Ниже 2 об/мин удерживать частоту трудно из-за сложности регулирования расхода масла в гидросистеме управления приводом вращения. Сначала включают вращение внутренней колонны, потом обсадной, причем вращение последней осуществляют в противоположном направлении, включают подачу воды с помощью бурового насоса и бурят на глубину секции. Потом отсоединяют шпиндель вращателя бурильной колонны от колонны, отводят вращатель в горизонтальной плоскости от оси скважины, наращивают сначала бурильную, потом обсадную колонны.

После наращивания очередной секции вращатель бурильной колонны перемещают к оси бурения, соединяя шпинделем с колонной. И повторяют процесс бурения.

Время на бурение 1 п.м скважины увеличивается на 20-30% за счет дополнительных затрат наращивания обсадной колонны, но сокращается за счет совмещения операций посадки обсадной колонны с бурением этой колонной, и операций доставки и установки в зоне фильтра с операцией бурения обсадной колонной, в состав которой включен указанный фильтровый элемент (или секция фильтровых элементов).

Достигнуты следующие показатели бурения:

V_мех - 0,4-0,7 м/мин;

V_тех - 5-7 м/час;

V_{коммерч} - 1,5-2 м/час.

Как видно из примера, способ вскрытия водоносных горизонтов вертикальной скважиной и установка для его реализации в заявленной совокупности признаков имеют практическую применимость, обеспечивают сохранение природной структуры и естественной проницаемости стенок скважины, установка более компактна, надежна и производительна по сравнению с известными аналогами, позволяет совместить операции бурения, закрепления стенок и установки в скважине фильтров на заданных участках в момент создания этой скважины.

1. Способ вскрытия неустойчивых водоносных горизонтов вертикальной скважиной, включающий бурение этой скважины в песчаных водонасыщенных породах двумя независимыми колоннами: обсадной и бурильной путем регулируемой передачи инструментам, которыми оборудуют торцы обеих колонн, нагрузок, обеспечивающих углубление скважины, удаление с забоя разрушенной породы и установку в скважине не менее чем одного фильтрового элемента в зоне не менее чем одного водоносного горизонта, при этом бурение обсадной колонной неустойчивых пород осуществляют вращением с частотой, обеспечивающей минимальное трение ее вращательно-поступательному движению и не превышающей рассчитываемую по формуле

V_мех - механическая скорость бурения, м/мин;

F_вр - силы трения вращательному движению;

F_ос - силы трения поступательному движению;

R - радиус обсадной колонны, м,

α – угол между векторами направлений поступательного и вращательного движений,

не менее чем один фильтровый элемент устанавливают в скважине в процессе бурения путем включения его в состав обсадной колонны с возможностью доставки в сооружаемую скважину на заданную отметку, удаление разрушенной породы с забоя осуществляют через межколонное пространство путем подачи воды на забой через внутреннюю колонну в количестве, достаточном для выноса разрушенной породы на устье скважины, а наращивание бурильной и обсадной колонн производят путем предварительного отведения вращателя бурильной колонны от оси бурения в плоскости, перпендикулярной ей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обсадную и бурильную колонны вращают в противофазе.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что стенки скважины срезают инструментом в виде режущего кольца с углом резания 45-60°, обращенного конической поверхностью в межколонное пространство с внешним диаметром, в 1,1-1,15 раза превышающим внешний диаметр обсадной колонны.

4. Установка для вскрытия водоносных горизонтов вертикальной скважиной, включающая буровой насос для подачи воды на забой, платформу с вертикальной рамой, на которой укреплены направляющие для перемещения по вертикали, установленной на ней подвижной рамы, на подвижной раме перпендикулярно ей закреплены параллельно друг другу две неподвижные рамы с направляющими, обеспечивающими перемещение по ним, соответственно, вращателей бурильной и обсадной колонн перпендикулярно оси бурения, при этом каждый из вращателей связан с соответствующим ему регулируемым приводом, вращатель обсадной колонны снабжен узлом для механического свинчивания и развинчивания секций обсадных и бурильных труб, а в состав обсадной колонны включен не менее чем один фильтровый элемент с возможностью его установки в скважине на заданной отметке в процессе бурения.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что в качестве инструмента на обсадной колонне закреплен режущий инструмент в виде кольца с углом резания 45-60°, обращенного конической поверхностью в межколонное пространство и диаметром, в 1,1-1,15 раза превышающим диаметр обсадной колоны.