RU2244794C1 - Method for opening water-bearing horizons by a vertical well and device for realization of said method - Google Patents
Method for opening water-bearing horizons by a vertical well and device for realization of said method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2244794C1 RU2244794C1 RU2003127044/03A RU2003127044A RU2244794C1 RU 2244794 C1 RU2244794 C1 RU 2244794C1 RU 2003127044/03 A RU2003127044/03 A RU 2003127044/03A RU 2003127044 A RU2003127044 A RU 2003127044A RU 2244794 C1 RU2244794 C1 RU 2244794C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- casing
- drilling
- well
- drill
- installation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of technology and engineering for the construction of vertical wells for water while maintaining the natural permeability of the aquifer and can be used for drilling vertical wells in difficult hydrogeological conditions.
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.When opening sandy aquifers, important problems are the protection of the walls of the well being constructed from collapse and the preservation of the natural permeability of rocks, which determines the emergence of new methods and new installations along with the already known and traditional ones.
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.So, there is a method of opening sandy aquifers with vertical wells using a clay solution as a washing agent. Clay mud, on the one hand, serves as a medium that keeps particles of drill cuttings from settling, on the other hand, it creates additional pressure on the formation, due to which it is possible to keep the borehole walls from collapse.
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).The disadvantage of this method is the ingress of the clay filtrate into the formation and the formation of clay cake on the walls of the well. Formation of the formation by clay mud reduces its permeability in the filter zone, which necessitates claying and development of the formation. This process lasts several days, but does not completely restore the well flow rate (I.F.Oksanich et al. “Drainage of deposits during the construction of iron ore enterprises”, Moscow, Nedra, 1977, p. 61, table 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].To eliminate this drawback, it is known to use the method of opening a sandy aquifer using clean water as a flushing liquid for its direct and reverse circulation [V. M. Gavrilko, V. S. Alekseev. Drill hole filters. M., Nedra, 1976, s.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.When drilling with direct washing, water is supplied to the rock cutting tool through a drill string through a drill string. Water entering the face carries sludge to the surface through the annulus.
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.When drilling with backwashing, water is fed into the annular space between the walls of the borehole and the drill string, from where it along with the cuttings rises along the drill string to the surface. The productivity of drilling a well in this way is higher than when drilling with mud, due to a several-fold reduction in the time to develop a well, its flow rate also exceeds the flow rate of a well drilled with mud, due to which the described method has received worldwide recognition.
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).The disadvantages of this method include the mandatory condition for its implementation - the excess pressure of the column of flushing fluid in the well over the hydrostatic pressure of water in the reservoir by 3-5 m water. Since it is difficult to monitor the level in the well, in practice this level is maintained at the wellhead, which leads to a large consumption of water due to its absorption by the sand formation (in some cases up to 60-80 m 3 / h).
К недостаткам рассмотренных аналогов следует отнести нарушение естественной проницаемости пласта в процессе сооружения скважины.The disadvantages of the considered analogues should include a violation of the natural permeability of the reservoir during the construction of the well.
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.This disadvantage is partially eliminated by the known method of opening sandy aquifers under the protection of the casing with the simultaneous removal of rock from the bottom with the help of special chutes, lowered on a cable. Moreover, the casing is lowered either under its own weight or with the parallel application of shock loads to the casing, i.e. casing give the function of working. With this method of opening an aquifer, the depth of the casing string into the formation is extremely important. This parameter is determined by many factors: the depth of the aquifer, its thickness, pressure, the technology of scooping rock from the bottom (the frequency of the descent of the chute, its design) and many others. As a rule, the burial in the sand layer is several meters. This is explained by the fact that it is impossible to ensure the stability of the walls of the well with this method due to the constant fluctuations in the static pressure of the formation that the bailer creates when scooping rock with water.
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.With a powerful formation, to ensure the opening of the formation at its full capacity, it is necessary to use several sizes of columns. This is a very time-consuming, metal-intensive, and, therefore, expensive and low-productivity method, which is used extremely rarely and mainly for drilling shallow wells. Important advantages of the method are the preservation of the natural permeability of the formation and the possibility of opening the aquifer with a combined column, part of which is a filter section installed in a certain interval.
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].To reduce the time required for well completion, reduce the laboriousness of filter planting and increase water loss in wells, a filter planting method with an expander shoe is used. [A.S. 623948, BI 34, 1978].
Совершенствование способа вскрытия песчаных водоносных горизонтов осуществляют с одновременным изменением или совершенствованием установок для бурения.Improving the method of opening sandy aquifers is carried out with a simultaneous change or improvement of drilling rigs.
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.So, the well-known installation for drilling "Phoeb Shahbau", designed for drilling shafts in a rotary way with backwashing. The mechanical drilling speed is 0.3-0.8 m / h, the minimum commercial drilling speed is 30 m / month. Installation equipment is made of blocks that are easy to assemble and easily transported. The installation kit includes a tower, a hoist system, a winch, a rotor, a drill string with threaded locks, a set of drills equipped with cutters or cones, mobile compressors and equipment for the preparation and cleaning of solutions [AG Nikolayev and others. "Drilling rigs for sinking wells and shafts. " Handbook, M .: Nedra, 1985, p. 266-267]. The disadvantages of the installation include cumbersome, high energy consumption, the inability to avoid the disadvantages inherent in the method of opening the formation of one string of drill pipes.
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.From the technical level it is also known the construction of vertical wells with two working pipes (casing and drill). So, in installations according to the application of France No. 2071226 and patent RU No. 2018621 (P. 2018621, publ. 30.08.94), the device includes a base machine with a guide, a casing with a rock cutting body and drives for its rotation and feeding, and the feeding mechanism is made screw, those. Well development is only possible with forced feed of working bodies with helical pairs. However, when developing soft soils, this leads to excessive filling of the pipe cavity with soil, which in turn causes overloading of the drives of the working bodies. In this connection, when developing soils of a solid category, for example, stiff-plastic, drilling is carried out cyclically, first with a screw drill and then with a bucket. When drilling wells in soft soils, the resistance to their development is significantly reduced. Therefore, the drilling of wells is carried out without additional pressure on the working bodies. Using this device allows you to implement the following operations for managing the working bodies: forcing each working body separately or jointly into the well, or feeding under its own weight, alternately feeding the screw auger first, then the bucket fixed to the casing, but without stopping the transportation of developed soil from pipe cavity.
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.The considered device is intended for drilling wells whose length does not exceed the length of the working rods, is able to provide independent drilling with two columns of pipes only in hard soils and is absolutely not suitable for the construction of vertical wells in sandy aquifers.
Таким образом, в известном техническом уровне не удалось обнаружить наиболее близкого аналога как для способа вскрытия водоносных горизонтов, так устройства для его реализации.Thus, at a known technical level, it was not possible to find the closest analogue for both the method of opening aquifers and the device for its implementation.
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.The objective of the invention is the expansion of a number of methods for opening unstable aquifers with a vertical deep or shallow well while maintaining the natural structure and natural permeability of the walls of the well with the installation of a filter during drilling and the creation of an installation for its implementation.
Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации заявленного изобретения, являются:Technical results that can be obtained by implementing the claimed invention are:
для способаfor method
- обеспечение сохранения природной структуры и проницаемости водоносного горизонта;- ensuring the conservation of the natural structure and permeability of the aquifer;
- удержание стенок сооружаемой скважины от обрушения;- retention of the walls of the well being constructed from collapse;
- снижение вероятности искривления скважины;- reducing the likelihood of curvature;
- повышение производительности;- productivity increase;
- уменьшение энергоемкости;- reduction of energy intensity;
- совмещение операций бурения и установки фильтров;- combination of drilling operations and installation of filters;
- технологичность;- manufacturability;
для установкиfor installation
- компактность;- compactness;
- удобство наращивания колонны;- the convenience of building columns;
- надежность и обеспечение возможности вскрытия водоносного пласта без нарушения его природной структуры и естественной проницаемости;- reliability and providing the ability to open the aquifer without violating its natural structure and natural permeability;
- расширение ряда установок для вскрытия неустойчивых водоносных горизонтов.- expansion of a number of installations for opening unstable aquifers.
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 формулеThe solution of this problem and the achievement of the above results became possible due to the fact that in the method of opening unstable aquifers by a vertical well, including drilling this well in sandy water-saturated rocks with two independent columns: casing and drilling by controlled transmission to the tools that equip the ends of both columns, loads, providing deepening of the well, removal from the bottom of the destroyed rock and installation in the well of at least one filter element in the zone not m For less than one aquifer, drilling of unstable rock casing is carried out by rotation with a frequency that ensures minimal friction to its rotational-translational motion and does not exceed calculated by the formula
где Where
α - угол между векторами направлений поступательного и вращательного движений;α is the angle between the direction vectors of translational and rotational movements;
Vмех - механическая скорость бурения;V fur - mechanical drilling speed;
Fвp - силы трения вращательному движению:F BP - the friction forces of the rotational motion:
Foс - силы трения поступательному движению;F oс - friction forces to translational motion;
R - радиус обсадной колонны,R is the radius of the casing,
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.at least one filter element is installed in the well during drilling by incorporating it into the casing with the possibility of delivery to the well being constructed to a predetermined mark, the destruction of the destroyed rock from the bottom is carried out through the annulus by supplying sufficient water to the bottom through the inner column in an amount sufficient for the removal of the destroyed rock at the wellhead, and the extension of the drill and casing strings is carried out by preliminary removal of the drill string rotator from the drilling axis to the flat spine perpendicular to it.
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.In preferred embodiments of the method, the casing and drill strings are rotated in antiphase, the walls of the borehole are cut with a tool in the form of a cutting ring with a cutting angle of 45-60 °, facing a tapered surface into the annular space with an external diameter 1.1-1.15 times the external casing diameter.
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.To install the opening of unstable aquifers with a vertical well, the solution of the problem and the achievement of the above results became possible due to the fact that the installation includes a mud pump for supplying water to the bottom, a platform with a vertical frame, on which guides are mounted to move the movable frame vertically mounted on it, on a movable frame, perpendicular to it, two stationary frames are fixed parallel to each other with guides providing movement along them, respectively but, the rotators of the drill and casing are perpendicular to the axis of drilling, with each of the rotors connected to its corresponding adjustable wire, the casing rotator is equipped with a unit for mechanically screwing and unscrewing the sections of casing and drill pipes, and at least one filter casing is included in the casing element with the possibility of its installation in the well at a predetermined elevation during drilling.
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.In a preferred embodiment of the installation as a tool, a cutting tool is fixed on the casing in the form of a ring with a cutting angle of 45-60 °, turned by a conical surface into the annular space and with a diameter 1.1-1.5 times the diameter of the casing.
Регулируемое вращение обсадной колонны соответственно заявляемому ограничению по формуле обеспечивает оптимальный режим бурения за счет учета таких величин как Рос - осевая составляющая, действующая на колонну, зависящая от веса колонны, Рбок - 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 Foc - сила трения поступательному движению колонны вниз, вызванная горным давлением;The adjustable rotation of the casing according to the claimed restriction by the formula ensures the optimal drilling mode by taking into account such quantities as Pos - axial component acting on the column, depending on the weight of the column, Pside - its mountain pressure acting on the casing from the side of the well walls. When the column is informed of axial displacement and rotation, friction forces arise that impede its movement. These forces are opposite in direction to the axial and rotational motion and opposite to the velocity vectors. The ratio of the friction forces to the translational and rotational motion depends on the angle α formed between the vectors of the direction of translational movement of the column down and rotational around the axis of the well, or, respectively, the friction forces where foc - the friction force of the translational movement of the column down caused by rock pressure;
где f - коэффициент трения стали о породу,where f is the coefficient of friction of steel on the rock,
где Fвp. - сила трения вращательному движению обсадной колонны;where F bp. - friction force to the rotational movement of the casing string;
где Vмех - механическая скорость бурения, м/мин;where V mech is the mechanical drilling speed, m / min;
R - радиус обсадной колонны, м;R is the radius of the casing, m;
Пт - частота вращения обсадной колонны, об/мин, и уже исходя из α и Vмех рассчитывают оптимальную частоту вращения, обеспечивающую минимальное трение вращательно-поступательному движению (см. формулу 1).P t - casing rotation frequency, rpm, and already on the basis of α and V fur the optimal rotation frequency is calculated, which ensures minimal friction to the rotational-translational motion (see formula 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 Рбок со стороны стенок скважины. В этом случае она определяется горизонтальной составляющей горного давления и коэффициентом трения породы о сталь.In the general case, with stable borehole walls, the lateral friction forces of the column are small and are determined by the pressure of the column against the borehole walls and the friction coefficients. With unstable walls, the lateral pressure value is determined by the lateral pressure P side from the side of the well walls. In this case, it is determined by the horizontal component of rock pressure and the coefficient of friction of the rock against steel.
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.The flow rate of the flushing fluid (water) is selected from conditions sufficient for the removal of the destroyed rock. In this case, unlike analogues, there is no need to maintain excess pressure on the formation to keep the well walls from collapsing, therefore, removing the destroyed rock from the bottom with clean water and using it in an amount sufficient for this allows to increase the efficiency of the installation compared to analogues using this principle.
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.The installation interval of the filter element or elements, their design, duty cycle and other parameters are also set and regulated by the geological and technical outfit. In the calculation, the filter column is calculated for torsional strength. The inclusion of a filter element during casing string during drilling allows you to combine the operation of drilling and filter fit, which reduces the time of well construction and increases the processability of the method.
Вращение обсадной и бурильной колонн в противофазе позволяет уменьшить вероятность искривления скважины, а следовательно, снизить силы трения.The rotation of the casing and drill strings in antiphase allows to reduce the likelihood of curvature of the well, and therefore, to reduce friction.
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.Cutting the walls of a well being constructed with a tool in the form of a cutting ring with a cutting angle of 45-60 °, facing a conical surface into the annulus with an outer diameter 1.1-1.15 times the outer diameter of the casing, increases the ability to preserve the natural properties of the rock (permeability and structures) and the direction of the rock in the annular space, from where it is carried to the surface by water.
Изобретение иллюстрируют следующие чертежи:The invention is illustrated by the following drawings:
фиг.1 - вид установки сбоку;figure 1 is a side view of the installation;
фиг.2 - вид установки спереди;figure 2 is a front view of the installation;
фиг.3 - схема компоновки обсадной и бурильной колонн в скважине;figure 3 - layout of the casing and drill strings in the well;
фиг.4 - номограмма для определения сил трения при осевом перемещении сил обсадной колонны в зависимости от механической скорости бурения (Vмех) и коэффициента трения породы о трубы (f);figure 4 is a nomogram for determining the friction forces during axial movement of the casing string depending on the mechanical drilling speed (V fur ) and the coefficient of friction of the rock on the pipe (f);
фиг.5 - номограмма для определения крутящих моментов на обсадных трубах в зависимости от Vмех и f.5 is a nomogram for determining the torques on the casing depending on V fur and 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.The installation (Fig. 1 and Fig. 2) for implementing the inventive method for opening unstable aquifers by a vertical well is a
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.The motion of the
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.At the bottom of the
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.From the control panel 30, the lifting of the
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.The lifting and lowering operations of the sections of
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.The claimed installation works as follows. The installation is mounted on the site, using the hydraulic cylinders 31 and 32, raise the
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.The manufacturability of the operations on the extension of the columns is achieved due to the possibility of retracting the rotator of the drill string from the axis of the well to the side, while it is possible to maneuver the load gripping mechanism 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 формулеAfter performing these operations, the
, ,
где Where
VV мехfur - механическая скорость бурения; - mechanical drilling speed;
R - радиус обсадной колонны,R is the radius of the casing,
Fвр - силы трения вращательному движению:F BP - the friction forces of the rotational motion:
Fвр=f·Рбок, гдеF BP = f · P side , where
f - коэффициент трения стали о породу;f is the coefficient of friction of steel on the rock;
Рбок - горное давление, действующее со стороны стенок скважины на обсадную колонну (Рбок рассчитывают по известным методикам);P side - rock pressure acting from the side of the walls of the well on the casing (P side calculated according to known methods);
Foс - силы трения поступательному движению обсадной колонны вниз, вызванной горным давлением.F oс - friction forces to the forward movement of the casing string down caused by rock pressure.
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.When drilling in difficult conditions, it is necessary to draw up a geological and technical order (schedule) for each well, in which the forecast (calculated) parameters are painted at intervals: axial force on the bottom, rock pressure, friction forces of translational and rotational motion, drilling speed, rotational speed of the outer string . To reduce (decrease) the curvature of the wells, and consequently, to reduce the friction forces of the casing, in the preferred embodiment, left rotation is reported.
Промышленную применимость заявленного способа и установки для его реализации показывает следующий пример конкретного исполнения.The industrial applicability of the claimed method and installation for its implementation shows the following example of a specific implementation.
ПримерExample
Гидрогеологические условия ведения работ:Hydrogeological conditions of work:
- верхняя часть в разрезе до глубины 1,5 метра представлена растительным слоем;- the upper part in the section to a depth of 1.5 meters is represented by a plant layer;
- от 1,5 м до 2,5 м - суглинки;- from 1.5 m to 2.5 m - loam;
- от 25 м до 35 м мелко-среднезернистые обводненные пески напорные;- from 25 m to 35 m fine-grained flooded sands pressure head;
- статический уровень вод находится на глубине 15 м;- the static water level is at a depth of 15 m;
- в подошве водоносного горизонта залегают плотные водоупорные глины мощностью свыше 15 м.- Dense waterproof clays with a thickness of over 15 m lie in the bottom of the aquifer.
Назначение скважины - питьевое и хозяйственное водоснабжение группы индивидуальных домов с расчетным расходом воды 4-5 м3/час.The purpose of the well is drinking and domestic water supply for a group of individual houses with an estimated water consumption of 4-5 m 3 / h.
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.A well is constructed for the installation of an ETsV-5 or ETsV-6 pump with a filter element diameter of 168 mm. A well is constructed by drilling with two independent columns: casing with an external diameter of 168 mm and a drill with an external diameter of 89 mm with the removal of rock from the bottom by supplying clean water through the drill string.
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.The casing is equipped with a tool in the form of a ring with a cutting angle of 45-60 °, facing a conical surface into the annular space with an outer diameter of 185 mm, which is 1.1 the outer diameter of the casing. Above the cutting tool there are 7 sections of blank pipes, above them a filter of 7 sections (perforated slotted perforation pipe with a slit size of 0.5-0.7 mm and a duty cycle of about 14%). A filter element or elements are delivered to a well at a predetermined mark during drilling, namely, to a zone of fine-medium-grained flooded pressure sands. The remaining sections of the casing are also assembled from blind pipes.
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.The threads on the pipes are left, tape with a double thread and a pitch of 12 mm, which provides a high speed of building up of casing sections (2-3 minutes per connection). Casing pipes are made of high-strength steel grade D.
Внутреннюю бурильную колонну собирают из труб с внешним диаметром 89 м и оборудуют инструментом в виде лопастного долота режущего типа с диаметром 145 мм.The inner drill string is assembled from pipes with an external diameter of 89 m and equipped with a tool in the form of a blade type cutting bit with a diameter of 145 mm.
Частоту вращения обсадной колонны рассчитывают по формулеThe casing rotation frequency is calculated by the formula
Vмех - механическая скорость бурения;V fur - mechanical drilling speed;
R - радиус обсадной колонны;R is the radius of the casing;
, ,
где Fвp, Foс - 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.where F BP , F OS - respectively, the friction forces of the rotational and translational motion of the casing. These forces are calculated in advance when compiling a geological and technical order for a well. For practical use, in accordance with the proposed drilling method, nomograms have been built to determine the friction forces of the translational motion and the torsional moments by 1 r.m. the columns. They are presented in figures 4 and 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.From the extensive experience of opening sandy aquifers, practically the column rotation frequency is in the range of 2-5 rpm. It is difficult to keep the frequency below 2 rpm due to the complexity of regulating the oil flow in the hydraulic control system of the rotation drive. First turn on the rotation of the inner string, then the casing, and the rotation of the latter is carried out in the opposite direction, turn on the water supply using a mud pump and drill into the depth of the section. Then the spindle rotator of the drill string is disconnected from the string, the rotator is withdrawn in a horizontal plane from the axis of the well, the drill string and then the casing string are increased.
После наращивания очередной секции вращатель бурильной колонны перемещают к оси бурения, соединяя шпинделем с колонной. И повторяют процесс бурения.After building up the next section, the rotator of the drill string is moved to the drilling axis, connecting the spindle to the string. And they repeat the drilling process.
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).The time for drilling 1 pm of the well increases by 20-30% due to the additional costs of building up the casing, but is reduced due to the combination of the operations of landing the casing with the drilling of this string, and the delivery and installation operations in the filter zone with the operation of drilling the casing, which includes the specified filter element (or filter element section).
Достигнуты следующие показатели бурения:The following drilling indicators have been achieved:
Vмех - 0,4-0,7 м/мин;V fur - 0.4-0.7 m / min;
Vтех - 5-7 м/час;V of those - 5-7 m / h;
Vкоммерч - 1,5-2 м/час.V commercial - 1.5-2 m / h.
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.As can be seen from the example, the method of opening aquifers by a vertical well and the installation for its implementation in the claimed combination of features have practical applicability, ensure the preservation of the natural structure and natural permeability of the walls of the well, the installation is more compact, reliable and efficient compared to known analogues, allows you to combine operations drilling, fixing the walls and installing filters in the well in predetermined areas at the time of creation of this well.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003127044/03A RU2244794C1 (en) | 2003-09-08 | 2003-09-08 | Method for opening water-bearing horizons by a vertical well and device for realization of said method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003127044/03A RU2244794C1 (en) | 2003-09-08 | 2003-09-08 | Method for opening water-bearing horizons by a vertical well and device for realization of said method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2244794C1 true RU2244794C1 (en) | 2005-01-20 |
Family
ID=34978119
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003127044/03A RU2244794C1 (en) | 2003-09-08 | 2003-09-08 | Method for opening water-bearing horizons by a vertical well and device for realization of said method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2244794C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2520219C2 (en) * | 2008-12-19 | 2014-06-20 | Брюс Э. ТАНДЖЕТ | Systems and methods for using passage through underground formations |
-
2003
- 2003-09-08 RU RU2003127044/03A patent/RU2244794C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2520219C2 (en) * | 2008-12-19 | 2014-06-20 | Брюс Э. ТАНДЖЕТ | Systems and methods for using passage through underground formations |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2712866C2 (en) | Drilling system with barrel expansion unit | |
US7775304B2 (en) | Apparatus and method for driving casing or conductor pipe | |
JP2007527493A (en) | Geothermal exchanger configuration method | |
US4595059A (en) | Method of providing a conductor pipe to an opening portion of a well | |
CN102493809A (en) | Comprehensive shaft sinking method of positive and raising boring for vertical shaft | |
US5823276A (en) | Diamond-tipped core barrel and method of using same | |
CN112901074A (en) | Rock-socketed drilling pore-forming process of marine large-diameter inclined pile rotary excavator | |
RU2410514C1 (en) | Method for well construction | |
US4516633A (en) | Blind shaft drilling | |
CN205297337U (en) | Hole reaming and digging device for well drilling | |
CN212477725U (en) | Pile machine of split combined type full-pile casing | |
EP0096037A1 (en) | Hydraulic down-the-hole rock drill. | |
RU2244794C1 (en) | Method for opening water-bearing horizons by a vertical well and device for realization of said method | |
CN204326963U (en) | The anti-well boring device of a kind of vertical shaft | |
CN216517780U (en) | Automatic drilling device for geotechnical engineering construction | |
WO2006124028A1 (en) | Method of drilling a stable borehole | |
CN116291471A (en) | Construction method and tunneling equipment for large-diameter vertical shaft of upper soft and lower hard stratum | |
RU2021477C1 (en) | Method for well construction | |
Boonstra et al. | Well design and construction | |
RU2190089C1 (en) | Process of deep perforation of cased wells | |
RU133557U1 (en) | DRILLING RIG FOR WATER WELL CONSTRUCTION IN RELIEF WATERFLOW HORIZONS WITH HEADS | |
CN214997558U (en) | Exploratory drilling opening anti-blowout device | |
CN210289618U (en) | Bridge bored concrete pile drilling machine capable of preventing drilled holes from collapsing | |
CN104481494A (en) | Method for repairing rock brine wells | |
RU2277161C2 (en) | Trench construction method based on pilot well and working wells, as well as rotary drilling rig for trench construction and calibrator |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070909 |