Бурения скважин

Процесс бурения скважины заключается в разрушении горных пород породоразрушающим инструментом, удалении образовавшегося шлама с забоя и извлечении его на поверхность.

Различные по минеральному составу, структурно-текстурным особенностям, условиям залегания горные породы обладают разными физико-техническими свойствами.

По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические, осадочные и метаморфические. Каждая группа пород имеет сложный состав и строение. Большинство горных пород относится к твердым телам, обладающим, прежде всего, механическими свойствами, которые определяют характер их поведения при воздействии силового поля.

Механические свойства породы обусловлены ее физическими свойствами и минералогическим составом. Основными свойствами пород, влияющими на показатели бурения, являются прочность, твердость, абразивность, упругость, хрупкость и пластичность.

Ксвойствам, характеризующим физическое состояние породы, относятся: плотность, влажность, пористость, трещиноватость, степень связности, зернистость, структура и текстура горных пород. Все свойства пород могут быть подразделены на два класса (табл.1). I класс включает свойства пород, обусловленные генетическими особенностями, являющимися константами. Во II класс входят свойства, проявляющиеся только при воздействии на породу какого-либо физического или вещественного поля.

Важнейшим фактором, определяющим производительность труда при бурении скважин, является буримость горной породы.

Таблица 1

Классификации физико-технических свойств горных пород [25]

Класс	Группа	Свойства	Показатели свойств
I. Физико-геологические свойства, формирующиеся в процессе петрогенеза, литогенеза	1.Геолого-структурные свойства	Линейность, слоистость, отдельность, кливаж, сланцеватость, трещиноватость, пористость, кавернозность, раздробленность (дисперсность)	Частота чередований плоскостей отдельности и сланцеватости, мощность слоев и т.д. Густота и размеры трещин, пор или каверн, размер элементов, слагающих толщу несвязнных пород
2.Геолого–технические свойства	Плотность, удельный объем. Естественная влажность, мерзлотность, льдистость.   Естественная радиоактивность. Пород.   Естественный магнетизм	Степень естественной влажности, насыщенность пород льдом, температура пород   Число атомов распада в единицу времени, концентрация радиоактивных элементов   Намагниченность пород, напряженность магнитного поля, остаточная намагниченность
II. Физико-технические свойства, проявляющиеся при воздействии на породу физических или вещественных полей	3. Механические свойства, проявляющиеся при воздействии на породу механических (силовых) полей   4. Акустические свойства, проявляющиеся при воздействии на породу динамического силового поля (упругих волн)	Упругость, хрупкость, пластичность (вязкость), текучесть (ползучесть), прочность, абразивность, разрушаемость, разрыхляемость, сыпучесть, устойчивость     Передача упругих колебаний, поглощение упругих волн, волновое сопротивление	Модуль упругости, коэффициенты хрупкости и пластичности, временное сопротивление пород разрушению, показатели твердости и абразивноcти, буримость, делимость, дробимость, коэффициент разрыхляемости, угол естественного откоса, угол внутреннего трения   Скорость распространения упругих волн в массиве, коэффициент упругих волн, акустическое сопротивление пород

Окончание табл. 1

Класс	Группа	Свойства	Показатели свойств
	5.Термические свойства, проявляющиеся при воздействии на породу температурного поля   6. Электрические свойства, проявляющиеся при воздействии на породу электрического поля   7. Магнитные свойства, проявляющиеся при воздействии на породу магнитного поля   8. Радиоактивные свойства, проявляющиеся при воздействии на породу радиоактивного поля     9. Водно-коллоидные свойства, проявляющиеся при воздействии на породу жидкой среды	Температуропроводность, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость, температура плавления	Коэффициент теплопроводности, теплоотдачи, объемного пли линейного расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления
Электропроводность, поляризуемость породы, диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность	Объемное электрическое сопротивление, относительная диэлектрическая проницаемость, удельные диэлектрические потери, пробивная напряженность
Диамагнетизм, парамагнетизм	Магнитная восприимчивость, проницаемость
Поглощающая и рассеивающая способность горных пород	Линейный коэффициент поглощения γ - лучей, эффективная площадь сечения поглощения или рассеивания электронов
Смачиваемость, влагоемкость, водопоглощение, водонасыщение, водопроницаемость, водоотдача, набухаемость, размокаемость, плывучесть, тиксотропность, растворимость и др.	Способность пород к смачиваемости, водопоглощению, степень водонасыщения, коэффициент водонасышения, коэффициент фильтрации, коэффициент водоотдачи, степень увеличения объема пород, время размокания, коэффициент размокания, угол естественного откоса под водой, способность породы растворяться и др.

Буримость – комплексная характеристика породы, зависящая от ее твердости, абразивности, трещиноватости, пластичности, а также от применяемых породоразрушающих инструментов, параметров режима бурения и т.д. Буримость определяется раздельно для каждого вида инструмента и способа бурения. Она характеризуется механической скоростью (V_мех) или величиной, обратной ей, чистым временем бурения 1 м скважины.

Для вращательного бурения все горные породы по буримости разделены на двенадцать категорий (табл. 2; прил. 1П).

Для проектирования буровых работ по ССН и СНОР и оценки результатов их работы разработаны и утверждены следующие классификации горных пород по буримости для различных способов бурения:

• для вращательного механического бурения – двенадцать категорий пород по буримости;

• для вращательного бурения шнеками – четыре категории;

• для ударно-механического бурения (исключая разведку россыпных месторождений) – семь категорий;

• для ударно-механического бурения при разведке россыпных месторождений – шесть категорий;

• для ручного ударно - вращательного бурения – пять категорий;

• для бурения комплексом "Эмпайр" – шесть категорий.

Основными свойствами пород, влияющими на показатели бурения, являются прочность, твердость, абразивность, упругость, хрупкость и пластичность.

Под прочностью – понимается свойство пород сопротивляться разрушению под воздействием нагрузки [21].

В соответствии с отраслевым стандартом ОСТ-41-89-74 ''Породы горные. Метод контрольного определения категорий по буримости для вращательного бурения" буримость горной породы определяется по величине объединенного расчетного показателя r_м, который учитывает динамическую прочность F_Д породы и ее абразивность К_абр [3,4]. Классификационным признаком разделения пород в этом случае является произведение этих двух показателей.

Для вращательного бурения:

r_м = 3F_Д^0,8К_абр;

для ударно-вращательного способа бурения:

r_м = 2F_ДК_абр^0,41.

При отсутствии приборов, определяющих F_Д и К_абр, для предварительного суждения о свойствах пород можно воспользоваться прил. 2П, где в соответствии с ОСТ-41-89-74 приведены показатели для основных разновидностей пород [13, 14].

Величину объединенного показателя можно найти по номограмме (рис.1).

Рис. 1. Номограмма для определения объединенного показателя r_м при установлении категории по буримости

Типизация горных пород по буримости и твердости для различных значений объединенного показателя приведена в табл. 2.

Таблица 2

Типизация горных пород по буримости

Группа пород по буримости	Твердость по Л.А. Шрейнеру рШ , Н/мм^2	Характеристика пород по твердости	Физико-механические свойства
rм	категория пород по буримости
	6000 – 7000	В высшей степени твердые	51,0 – 115,0	XI - XII
	3000 – 6000	Очень твердые и твердые	15,0 – 51,0	VIII - X
	1500 – 3000	Средней твердости	6,8 – 15,0	VI - VII
	500 – 1500	Малой твердости	3,0 – 6,8	IV - V
	< 500	Мягкие (рыхлые, сыпучие, разрушаемые, плывучие)	1,0 – 3,0	I - III

Твердость характеризует способность горной породы сопротивляться внедрению в нее разрушающей кромки резца. Твердость неоднородного поликристаллического тела зависит от структуры, текстуры и его напряженного состояния, а также от метода и условий испытания, в связи, с чем она является постоянной. Это одна из прочностных характеристик пород при бурении.

Абразивность – способность горных пород вызывать износ породоразрушающего инструмента или другого бурового оборудования, например, бурильных труб, узлов, насосных установок и т.д.

Для выбора типа породоразрушающего инструмента при бурении нефтяных и газовых скважин, используется классификация горных пород по твердости и абразивности (табл. 3).

Абразивные свойства зависят от твердости минералов, составляющих породу, от размера и формы зерен, от прочности связи между ними и взаимного расположения, прочности цемента, трещиноватости горных пород и других факторов (табл. 4).

Таблица 3

Классификация осадочных горных пород по категориям абразивности

Литологические типы и разновидности пород	Содержание кварца, %	Твердость, МПа	Пори-стость, %	Абразивность по Л.А. Шрейнеру (категория абразивности)
Песчаники мономинеральные: - окварцованные - частично окварцованные с линейными контактами срастания зерен - то же с точечными контактами зерен	85 – 95	25 – 52 10 – 25 5 – 10	2 – 7 8 – 15 15 – 30	IX X XI
Песчаники кварцевые. Тип цемента: -известковисто-глинистый - глинистый - сульфатный	50 – 75 — —	9 – 15 5 – 13 4 – 9	— — —	X XI XI
Аргиллиты: - без примеси твердых минералов - алевритовые и песчанистые	— 15 – 20	5-12	<15 <15	II – VI VI
Известняки: - глинистые - песчанистые (5%) - песчанистые (10%) - песчанистые (20-30%)	5 10 <20	9 – 17 10 – 20 10 – 20 8 – 18		II-III V VI X, XI
Известняки алевролитовые: - кремнистые (5%) - кремнистые (10%) - кремнистые (15%)	2 -5	10 – 20	до 2	IV IV V-VI
Доломиты: - без примесей твердых минералов - песчанистые	до 5	33 – 41	до 2	III, IV VI, VII
Кремнистые породы: - кремни - опоки, трепелы	до 2	20-50	до 2	XI VII

Наиболее абразивными породами оказываются такие, в которых твердые минералы (например, кварц, корунд) образуют каркас, заполненный минералами с относительно низкой твердостью.

Таблица 4

Дата добавления: 2015-07-08