Введение С целью поиска и разведки ... бурится несколько десятков тысяч метров скважин.

Введение
С целью поиска и разведки месторождений урана, в Казахстане ежегодно
бурится несколько десятков тысяч метров скважин.
В связи с открытием больших запасов уранового сырья и роста объемов
восстановительных работ в добывающих скважинах, в последнее время, объем
бурения наклонно-направленных скважин значительно возрастает. Это,
естественно, требует дальнейшего совершенствования техники и технологии
бурения как вертикальных, так и наклонных скважин на нефть и газ.
Однако технико-экономические показатели, как в разведочном, так и в
эксплуатационном бурении остаются низкими.
Основными направлениями экономического и социального развития
Казахстана на период до 2020 года предусмотрено значительный рост объемов
добычи урана в Казахстане. Так, в конце 2010 года намечено увеличить
годовой объем добычи урана до 120 млн. тонн. Это, безусловно, связано с
заметным ростом объемов буровых работ. В условиях ограниченных
трудовых и материальных ресурсов эту задачу возможно выполнить за счет
сокращения сроков строительства скважин, повышения производительности
труда, увеличения годовой проходки на одну буровую бригаду и одну буровую
установку путем внедрения новой прогрессивной техники и технологии и
использования мирового опыта строительства геотехнологических скважин.
Эффективность геологоразведочных работ на уран, в первую очередь,
зависит от темпов и качества строительства скважин. Задача увеличение
скорости и оптимизации процесса бурения требуют незамедлительного
решения, особенно в разведочном бурении. При этом первостепенное
значение имеет правильный выбор типа породоразрушающего инструмента и
режимов бурения, конструкции буровой установки, типов и параметров
бурового раствора и способа заканчивания скважин.
Предлагаемая работа посвящена решению задач по проводке поисковоразведочной скважины глубиной 2000 м в сложных геологических условиях
на месторождении Таур (участка № 2, контрактной территории ТОО
«KAZPETROL GROUP» в Кызылординской области).
В работе, на основе анализа технических характеристик буровых
установок
различных
классов,
показателей
породоразрушающих
инструментов, различных свойств буровых растворов и химических
реагентов, режимов бурения как на данной, так и на соседних площадях с
аналогичными геологическими условиями, предлагаются типы буровой
установки и породоразрушающих инструментов, оптимальные параметры
промывочной жидкости и режимов бурения, а также указываются пути
совершенствования технико-экономических показателей строительства
скважины.
Соответствие параметров бурового оборудования, конструкции
скважины и режимов бурения предъявляемым требованиям подтверждается
соответствующими расчетами.
Представляет определенный интерес опыт использования иностранной
техники и технологии бурения, долот и химических реагентов при бурении
проектируемой скважины.
Освящаются также вопросы охраны труда и техники безопасности,
охраны окружающей среды в процессе проводки скважины.
1 Географо-экономическая характеристика работ
1.1 Физико-географические сведения. Местоположение
Город Кызылорда- административный центр Кызылординской области
Республики Казахстан, крупный промышленный и культурный центр,
железнодорожной станции, узел магистральных автомобильных дорог.
Город протянулся более чем на 10 км вдоль Сырдарьи.
Населенный пункт- село Байкенже, Жанакорганского района,
расположен в 26 км к западу от села Жанакорган.
Рельеф.
Рельеф всхолмленная равнина, расчлененная промоинами, такырами,
солончаками, закрепленными песками. Проезд к месту работы возможен на
машине повышенной проходимости.
Растительность полупустынная, преимущественно кустарники и заросли
саксаула высотой до 1,5м, что затрудняет производство линейных измерений
при разбивке профилей и магистральных линий.
Территория малообжитая. Единственный постоянный населенный пункт
– старый поселок ГРП 22, расположен в 2,5 км к востоку от участка работ. По
физико-географическим характеристикам на объекте применима IV категория
трудности.
Климат района континентальный. Среднегодовое количество осадков
120-200 мм, большая часть их приходится на зимние месяцы. Зима с ноября по
февраль, с небольшим (до 0,2м) снежным покровом. Преобладающие
температуры от -50С до -100С днем, от - 120С до -190С ночью. В холодные
зимы минимальная температура достигает -350С. Глубина промерзания грунта
до 0,3м. Лето с мая по август. Средняя дневная температура от +250С до +350С,
ночная от +170С до +220С. Максимальная температура достигает 460С. Ветры
в
течение
года,
преимущественно
северо-восточные,
северные,
преобладающая скорость ветров 3-5 м/сек. На площади работ, обычно весной,
летом и осенью, бывают пыльные бури, иногда мгла, ограничивающая
видимость до 1 км.
1.2
Географо – экономические данные.
Население.
Территория объекта работ малообжитая, в районе имеются два населенных
пункта сельского типа – Каргалы с население 1500 чел. и Байкенже с
населением в 700 чел.
Экономическое развитие.
Важнейшие промышленные предприятия: целлюлозно-картонный
(закрыт), строительных материалов, домостроительный комбинаты, обувная,
швейная и трикотажная фабрики; пищевая промышленность. С середины
1980-х в регионе активно развивается добыча нефти и газа: наиболее крупное
месторождение — Кумколь в 180 км к северу от Кзыл-Орды.
Транспортные условия района
Железнодорожная и автомагистрали имеющие выход в прилегающие
республики СНГ и транспортные коммуникации Казахстана проходят по
правому берегу р. Сырдарья, что ранее вносило осложнения для перевозок
больших объёмов грузов. В связи с организацией на месторождении Харасан
крупных добычных предприятий «Кызылкум» и «Байкен-U» выполнено
строительство асфальтированной автодороги и тяжелого моста от
контрактной площади ТОО «Кызылкум» до Жанакоргана. Южнее пос.
Жанакорган (разъезд 27) построена автоперевалочная база, также с
асфальтированным подъездом и примыканием к ж/д магистрали. Здесь же
ведется строительство крупного (500 тыс. т в год) сернокислотного завода,
запуск которого запланирован в 2011г. К построенным рудникам подведена
ЛЭП-110 кВ.
Обеспеченность участка работ энергией, топливом, стройматериалами.
Все населённые пункты районного центра электрифицированы. Дома
жителей села отапливаются самостоятельно – углём. В государственные
учреждения отопление централизованное из местной отопительной котельни.
На участке работ отсутствует электроснабжения.
2 Геолого-гидрогеологическое строение участка работ.
В геолого-структурном отношении проектируемая площадь приурочена к
южной части Арыскумской седловины, которая входит в состав ЮжноТургайского прогиба.
В геологическом строении принимают участие отложения протерозоя,
юрской, меловой, палеогеновой и четвертичной систем.
Породы фундамента (протерозой) проектными скважинами будут
вскрываться на 100-105 м.
Протерозой.
Протерозойские
отложения
вскрыты
отдельными
скважинами, на прилегающих к территории площадях и представлены
гнейсами,
глинистыми
сланцами
с
прослоями
сильно
метаморфизованных
известняков,
с
многочисленными
разноориентированными трещинами. На поверхности обнажаются в
северо-восточной части г.Улутау.
Юрская система J. На проектируемых площадях отложения юры
представлены нижним, средним и верхним отделами, которые с угловым
несогласием залегают на выветрелой поверхности
протерозойского
фундамента.
Нижний отдел J1. На проектируемой площади нижнеюрский комплекс
отложений выпадает из разреза.
Средний отдел J2. Средний отдел юрской системы выделяется в объеме
дощанской и карагансайской свит.
Дощанская свитаJ2d. Представлена темно-серыми, черными
аргиллитами, местами переходящие в мощные толщи серых мелкозернистых
песчаников на глинисто-карбонатном цементе.
Песчаники дощанской свиты могут оказаться нефтегазонасыщенными
на участке № 1. Толщина дощанской свиты здесь 65 м.
Карагансайская свита J2kr. Отложения карагансайской свиты в
основном представлены глинистыми образованиями: темно-серыми
аргиллитами и алевролитами. Только в нижней части разреза имеются
небольшие по толщине серые, среднезернистые базальные песчаники в
подчиненном количестве. Породы плотные, крепкие. Ожидаемая толщина
карагансайской свиты 180 м.
Верхний отдел J3. Верхний отдел юры подразделяется на песчаноглинистые образования кумкольской и преимущественно глинистые породы
акшабулакской свит.
Кумкольская свитаJ3km. Представлена песчаниками с остатками
обуглившейся растительности, алевролитами серыми. Песчаники от
мелкозернистого до среднезернистого на глинистом, местами карбонатном
цементе, слабосцементированные.
Акшабулакская свита J3ak. В нижней части разреза акшабулакская
свита представлена аргиллитами темно-серыми, черными, с тонкими
пропластками мелкозернистых песчаников и алевролитов. Верхняя часть
сложена пестроцветными глинами и алевролитами. Толщина верхнего отдела
юры– 380 м.
Меловая система – К. Отложения мела на проектируемых площадях
имеют повсеместное распространение и представлены нижним отделом в
составе даульской и карачетауской свит, нижний отдел в составе
кзылкиинской свиты и верхний отдел в составе балапанской свиты.
Нижний отдел –К1. Даульская свита – К1nc. Подразделяется на две
подсвиты: нижнюю (К1nc1) и верхнюю (К1nc2 ).
Нижнедаульская подсвита К1nc1. Подсвита разделена на два
горизонта, нижний из которых (арыскумский горизонт К1nc1ar) представляет
переслаивание базальных, мелкозернистых песков, песчаников серых, на
глинисто-карбонатном цементе и глин красно-коричневого цвета.
В основании горизонта залегает толща гравелитов на глинистом
цементе. Вскрываемая толщина скважинами 150 м.
Верхний горизонт нижнедаульской подсвиты сложен пестроцветными
глинами, аргиллитами. Толщина горизонта 160 м.
Верхнедаульская подсвита К1nc2. Представлена глинами краснобурого цвета с прослоями и пятнами серо-зеленой разности, местами глины
переходят в песчаники
зеленовато-серые, мелко-среднезернистые на
глинистом цементе. Вскрываемая толщина подсвиты 360 м.
Карачетауская свита К1a-al2. Представлена песками, песчаниками,
гравелитами, алевролитами и алевритистыми глинами серого, зеленоватосерого цветов, с прослоями коричневых и черных разностей, карбонатные с
включениями углефицированных растительных остатков и прослоями
мелкогалечных конгломератов, известковистых песчаников и бурых углей.
Ожидаемая толщина 205м.
Кызылкиинская
свита
К1-2al3-t-sn.
Представлена
глинами,
глинистыми алевролитами пестрого цвета с прослоями песков. Вскрываемая
толщина свиты 450 м.
Палеоген-четвертичная система Р-Q. Представлены глинами
зеленовато-серого цвета известково-бентонитового состава, песками,
супесями и суглинками. Вскрываемая толщина 190 м.
2.2 Тектоника
Описываемая территория расположена в пределах южной части
Западно-Сибирской низменности, в структурном отношении приурочена к
западному крылу Прииртышской впадины.
В тектоническом строении района принимают участие 2 структурных
этажа. Породы складчатого фундамента слагают нижний этаж, почти горизонтально залегающие отложения платформенного чехла образуют структурный верхний этаж.
Строение фундамента обусловлено положением района в зоне сопряжения Северо-Казахстанской (левобережье Иртыша) и Обь-Зайсанской
(правобережье) геосинклинальных областей. При этом на левобережье реки
Иртыша развиты в основном каледониды, а на правобережье – герциниды, граница между которыми проводится вблизи современной долины Иртыша.
Развитие складчатых структур фундамента отразилось на тектонической
жизни мезозой-кайнозоя.
Как правило, выступам фундамента соответствуют положительные
формы структур платформенного чехла, а прогибам отрицательные.
Казахское нагорье, ступе необразно погружаясь под чехол осадков мезокайнозоя, образует Приказахстанскую моноклиналь которая в центральной
части Павлодарского Прииртышья переходит в Прииртышскую впадинуструктуру первого порядка.
В тектоническом строении Прииртышской впадины участвуют прогибы
поднятия и валы.
2.3 Гидрогеологическая характеристика участка
Площадь проектируемых работ приурочена к Южно-Торгайскому
артезианскому бассейну.
Грунтовые и пластовые воды четвертичных и палеогеновых отложений
не имеют практического значения для поисковых работ на нефть и газ,
используется для строительства колодцев и обеспечения водой для отгонного
животноводства.
Пластовые воды меловых и юрских горизонтов изучены в
параметрических, поисковых и разведочных скважинах. Характеризуются
вертикальной гидродинамической и гидрохимической зональностью,
обусловленной различными гидродинамическими режимами, связанными с
особенностями распространения водоносных комплексов.
По химическому составу пластовых вод выделяются три
гидрохимические зоны:
- Верхняя гидрохимическая зона включает водоносный комплекс верхнего
мела со свободным фильтрационным гидродинамическим режимом,
обусловленным выходами водоносных горизонтов на дневную
поверхность в бортовых частях прогиба. Тип воды сульфатно-натриевый,
статический уровень + 120 м на более низких отметках рельефа работает
самоизливом.
- Средняя гидрохимическая зона включает водоносный комплекс апт-альба,
который ограничен глинистыми флюидоупорами альб-сеномана. Имеет
фильтрационный, гидродинамический режим с более затрудненным
водообменом. Минерализация воды до 5 г/л.
Первые две зоны характеризуются свободным и частично затрудненным
водообменом, неблагоприятны для формирования и сохранения залежей
нефти и газа.
- Нижняя гидродинамическая зона включает водоносные комплексы
нижнего мела, верхней, нижней и средней юры, разобщенные глинистыми
флюидоупорами.
Минерализация вод увеличивается вниз по разрезу от 36-40 до 80-85 г/л
в неокоме и средней-верхней юре и до 100-120 г/л в нижней юре. Тип воды
хлоркальциевый, характеризуется застойным гидродинамическим режимом.
Пластовые давления вод нижней зоны близки к нормальному
гидростатическому.
Воды нижней гидрохимической зоны характеризуются благоприятными
условиями для формирования и сохранения залежей углеводородов.
2.4 Геофизическая характеристика
Общая характеристика физических свойств горных пород осадочного
чехла основана на данных геофизических исследований (ГИС) скважин и
изучении кернового материала, полученных на стадии поисково-оценочных и
разведочных работ. На всех стадиях работ Комплекс ГИС включал
следующие виды и методы каротажа: электрокаротаж, гаммакаротаж, КНД,
термометрию, инклинометрию, кавернометрию.
Указанный комплекс наработан в ходе более чем сорокалетнего изучения
инфильтрационных месторождений, закреплен Инструкциями и признан
оптимальным.
Наибольший интерес из физических свойств горных пород, слагающих
разрез месторождения, представляют электрические параметры:
- кажущее электрическое сопротивление (ρк);
- изменение потенциала самопроизвольной поляризации (ПС).
По работам предыдущих лет установлено, что ρк пород всего
геологического разреза изменяется в небольших пределах. В основном разрез
представлен низкоомными (от 2 до 5 Омм) глинисто-алевритистыми
образованиями, песчаниками различного состава с сопротивлениями от 5 до
12 Омм, а также песками рудовмещающего горизонта с сопротивлениями от
10 до 28-30 Омм. Исключением являются песчаники на карбонатном цементе
с сопротивлением до 75 Омм и, имеющие повсеместное распространение на
объекте, палеоценовые гипсы с ρк до 1000 Омм.
Изменение потенциала самопроизвольной поляризации (ПС)
обусловлено
диффузионно-адсорбционными
и
фильтрационными
процессами, происходящими во время проходки буровых скважин при
взаимодействии пластовых вод и бурового раствора, в породах
околоскважинного пространства. По технологическим условиям бурения на
участке, минерализация бурового раствора выше минерализации пластовых
вод мелового горизонта и поэтому, по породам рудовмещающего горизонта,
фиксируется «обратная» кривая ПС. Положительные приращения ПС
регистрируются
против
проницаемых
литологических
разностей,
минимальные значения соответствуют непроницаемым породам. По
результатам
изучения
фильтрационных
свойств
горных
пород
рудовмещающего
горизонта
установлена
корреляционная
связь
относительной величины dПС с коэффициентом фильтрации (dПС=ПС/ПСmax).
Наличие такой связи позволяет разделять породы на литологофильтрационные типы и сорта по граничным значениям αnc:
αnc менее 0,20 отн. ед. (Кф менее 1 м/сут)
αnc от 0,20 до 0,30 отн. ед. (Кф – 1-3 м/сут)
αnc от 0,30 до 0,68 отн. ед. (Кф – 3-7 м/сут).
Изучение радиологических особенностей участка основано на
результатах опробования и анализа кернового материала. Взаимное
распределение урана и радия характеризуется величиной коэффициента
радиоактивного равновесия Крр. При обобщении материалов по участку
Харасан-1
установлена
зависимость
Крр
от
морфологической
принадлежности рудного интервала. При интерпретации материалов гаммакаротажа используются следующие коэффициенты:
- 0,70 отн. ед. для верхнего крыла;
- 0,75 отн. ед. для нижнего крыла и мешка;
- 0,85 отн. ед. для промежуточного крыла.
3 Технико-технологическая часть
3.1 Геолого-технические условия
3.2 Выбор способа бурения
Глубина проектируемой скважины 720 м. Бурение под кондуктор и под
промежуточную колонну осуществляется в мягких и средних
перемежающихся породах, а под эксплуатационную колонну в средних,
твердых и абразивных породах. Опыт бурения соседних скважин в
аналогичных геологических условиях показывают, что при бурении в нижних
интервалах, высокие обороты долота приводят к снижению сроков службы
их опор и вооружений, а также к заметному падению их показателей работы,
которые приводят к росту количества спускоподъемных работ и снижению
технико-экономических показателей строительства скважины в целом.
Шарошечные гидромониторные долота с маслонаполненными
герметизированными опорами компаний Смит и Кристенсен предназначены
для бурения в диапазонах частоты вращения 70-250 об / мин и способны
работать на забое длительное время. Поэтому для проводки проектируемой
скважины считаем целесообразным применить роторный способ бурения.
3.3 Проектирование конструкции скважины
В данном дипломном проекте конструкция закачной скважины
глубиной 720 м будет производится с учетом породоразрушающего
инструмента. Так как будет использоваться гидромониторный пикобур-161
производства АО «Волковгеология», стратопаксовое долото БИТ-161, то
конечный диаметр будет таким же как и начальный, вследствие эффективного
применения ПРИ вышеуказанной модели.
3.3.1 Выбор фильтра
Фильтровая часть является важнейшим элементом конструкции
геотехнологических скважин.
Основным критерием для выбора фильтра рациональной конструкции
является гранулометрический состав продуктивных пластов, точнее,
преобладающая крупность частиц пласта, в котором планируется разместить
фильтр.
Для изготовления каркасов фильтров геотехнологических скважин
применяются трубы из различных антикоррозионных материалов:
полиэтиленовые, полипропиленовые, поливинилхлоридные, фанерные, трубы
из нержавеющей стали, стальные трубы с эмалированным и
антикоррозионным покрытием.
В АО «Волковгеология» применяются дисковые фильтры. Фильтр
механической очистки воды дискового типа основан на применении
специальных дисков, которые изготовлены из высокопрочного пластика. На
дисках нанесены специальные канавки определенной глубины, при сжатии
дисков между собой образуется цилиндр с тонкими отверстиями через
которые и фильтруется вода.
Благодаря сжатию дисков в фильтре механической очистки воды,
образуется фильтрующий элемент с минимальным размером ячеек. Грязная
вода пропускается через диски, очищенная вода выходит, а все загрязнения и
включения задерживаются на внешней поверхности. Затем они удаляются
при промывки.
Выбрав тип водоприемной части, рассчитывают ее длину и диаметр.
В случае, если мощность водоносного горизонта m < 10 м, расчетный
диаметр водоприемной части находят по формуле
где Q - проектный дебит в м3/ч, а с - скважность фильтра. В первом приближении в формулах (3.1) и (3.5) принимается с = 1, т. к. это считается
справедливым при фактической скважности с > 0.25. Фактическая скважность
и ее соответствие данному неравенству устанавливаются в разделе «Расчет
фильтра» проекта.
Значение DВПЧ представляет собой либо диаметр ПРИ, которым вскрывают
продуктивный горизонт (в бесфильтровых скважинах), либо наружный
диаметр фильтра. При наличии фильтра в зависимости от приведенных в
таблице 3.2 конкретных условий, DВПЧ измеряется либо только по каркасу
(когда необходимость в остальных элементах отсутствует), либо по покрытию
(при его наличии и отсутствии обсыпки), либо по обсыпке. Расчетное значение
диаметра фильтрового каркаса:
где  n - толщина покрытия (таблица 3.2),  го - толщина гравийной обсыпки. В
качестве фактического диаметра каркаса DКРФ принимается ближайшее
большее значение диаметра обсадной трубы согласно таблице 3.5. Минимально-допустимый диаметр каркаса (для дебитов до 5 м3/ч) равен 89 мм, в
остальных случаях— 108 мм. Установив DКРФ , корректируют диаметр
водоприемной части, фактическое значение которого
Если мощность водоноса m > 10 м, то рассчитывают длину фильтра
где Q – проектный дебит скважины м/час
𝐷впчф -Диаметр водоприемной части фактический.
𝑉ф – скорость фильтрации
В данном дипломном проекте мощность водоносного горизонта 20м
рассчитываем длину фильтра по формуле 3.5.
Принимаем длину фильтра равной 11 м.
Диаметр фильтра принимаем равной 118 мм.
Результат расчета приведен в таблице 3.3.
3.4 Число обсадных колонн и глубина их спуска
Длина фильтровой колонны равна 11 м. Так как в настоящем проекте
рассматривается закачная скважина, используется только одна колонна.
Фильтровая колонна является нижней частью эксплуатационной колонны.
3.4.1 Выбор обсадной колонны.
Одним из основных технологических инструментов, необходимых при
сооружении геотехнологических скважин, являются обсадные трубы.
Для крепления скважин при ПВ могут использоваться металлические,
полимерныетрубы, либо полимерные в комбинации с металлическими, и
другие – из материалов, устойчивых к воздействию применяемых
выщелачивающих растворов.
Выбираем поливинилхлоридные трубы.
Геотехнологические
скважины
на
уран,
независимо
от
гидрогеологических условий и конструктивных особенностей, закрепляются
поливинилхлоридными трубами. Эти трубы очень стойки к воздействию
агрессивных сред и кислотных растворителей. Они намного легче и дешевле
стальных труб. Основные недостатки труб из поливинилхлорида: низкие
адгезионные свойства (по отношению к цементному раствору); уменьшение
механической прочности при увеличении температуры; большой
коэффициент температурного расширения; наблюдается старение под
воздействием солнечных лучей. Характеристика поливинилхлоридных труб
ПВХ приведена в таблице 3.2.
3.5 Выбор технологического инструмента и расчет параметров режима
бурения.
Одним из важнейших составляющих звеньев бурового снаряда является
колонна бурильных труб. При помощи колонны бурильных труб в процессе
бурения передается или создается осевая нагрузка, передается вращение и
подается промывочная жидкость. Во время работы бурильная колонна
испытывает значительные нагрузки, особенно при бурении глубоких скважин.