При планировании водяной скважины глубиной в километр указанная в паспорте оборудования «максимальная глубина бурения 1000 м» говорит лишь о том, где находится граница проектных возможностей оборудования. Реально определяет, можно ли пробурить эту скважину по плану, то, смогут ли одновременно выполняться такие условия, как диаметр скважины, нагрузка на бурильную колонну, комплектация подачи воздуха, способ крепления стенок и конструкция скважины. Принимать предельную глубину бурения за единственный критерий осуществимости проекта — довольно распространенное заблуждение при выборе оборудования для глубоких водяных скважин. В данной статье на основе открытых данных WR1000S показано, где обычно находятся ограничения глубокого бурения и какие условия требуют отдельного подтверждения до начала работ.
Несколько вещей, которые не может заменить цифра глубины бурения
Разница между глубокой водяной скважиной и неглубокой скважиной для водоснабжения не только в том, что глубина больше на несколько сотен метров. Чем глубже скважина, тем больше собственный вес бурильных труб, тем больше накапливается трение о стенки, тем длиннее путь шлама от забоя до поверхности — все это, в свою очередь, влияет на фактическую потребность в грузоподъемности, крутящем моменте и расходе воздуха. Кроме того, глубокие скважины часто требуют большего диаметра обсадных труб и более сложной конструкции фильтров и водоизоляционных участков; как только конструкция скважины определена, требования к диаметру и способу крепления стенок также меняются.
Поэтому, чтобы судить, может ли единица оборудования взяться за конкретный глубокий проект, нужно рассматривать как минимум несколько перечисленных ниже условий вместе, а не просто сверять цифру глубины бурения с планируемой глубиной скважины.
Сначала определяются диаметр скважины и конструкция ствола, и только тогда возможности оборудования имеют точку сравнения
Диаметр водяной скважины обычно определяется целевым дебитом, типоразмером обсадных труб, толщиной гравийной обсыпки и конструкцией водоизоляции. Чем больше диаметр, тем больше объем разрушения породы на единицу проходки и объем выносимого шлама, тем выше требования к крутящему моменту, производительности компрессора, типоразмеру бурового инструмента и нагрузке на установку в целом. Диапазон диаметров бурения WR1000S составляет 105–800 мм, что может охватить различные потребности — от обычных глубоких водяных скважин до крупнодиаметровых инженерных скважин. Однако в материалах также указано, что чем больше диаметр, тем выше требования к компрессору, буровому инструменту, обсадным трубам и нагрузке на установку; нельзя планировать обычные работы, исходя только из максимального диаметра.
Иными словами, требуемый проектом диаметр скважины является входным условием, а диапазон диаметров оборудования — лишь перекрываемым интервалом. Реально нужно подтвердить: какой диаметр предусмотрен проектом скважины, обсадные трубы какого типоразмера будут спускаться, как расположены участки фильтров и водоизоляции, и затем проверить, достаточно ли у оборудования запаса по грузоподъемности и подаче воздуха при этом диаметре.
Грузоподъемность и нагрузка на бурильную колонну: для глубоких скважин это первое препятствие
На глубине в километр собственный вес бурильных труб, трение о стенки, вес обсадных труб и локальные заклинивания суммируются в нагрузку на систему подъема. WR1000S оснащена грузоподъемностью 52 т и осевым усилием 8 т, что может использоваться для нормального спуско-подъема, извлечения бурового инструмента из глубоких скважин и некоторых операций с крупногабаритными обсадными трубами. Для глубоких проектов грузоподъемность — это не только вопрос «можно ли поднять», она определяет темп спуско-подъемных операций, возможность спуска обсадных труб и то, сколько запаса остается для действий при сопротивлении в скважине.
Следует различать: грузоподъемность — это возможность оборудования, а устранение аномалий в скважине все равно должно сводиться к очистке скважины, плавному подъему и оценке состояния ствола. Значение грузоподъемности в паспорте оборудования нельзя понимать как возможность произвольно справляться с любым прихватом; способы действий при аномальном сопротивлении должны определяться проектной стороной исходя из фактического состояния скважины.
Крутящий момент и частота вращения: диаметр и свойства пород совместно определяют, какой диапазон выбрать
Максимальный крутящий момент системы вращения WR1000S составляет 26000 / 13000 Н·м при максимальной частоте вращения 70 / 140 об/мин. Режим низкой частоты и высокого момента больше подходит для крупных диаметров, твердых пород и участков с высоким трением; более высокая частота может использоваться на этапах с относительно небольшим сопротивлением. В глубоких скважинах бурильная колонна длинная и нагрузка большая, параметры вращения нужно динамически корректировать с учетом нагрузки на колонну и состояния выноса шлама, нельзя бурить всю скважину на одной передаче.
Для выбора оборудования это означает: если проект предусматривает крупнодиаметровую глубокую скважину и породы в основном твердые, то запас крутящего момента и устойчивость на низких оборотах имеют большее справочное значение, чем максимальная частота вращения; если преобладают грунты, пески и другие породы с небольшим сопротивлением, то степень использования диапазонов частоты будет иной. Требования этих двух условий к оборудованию неодинаковы, и судить нужно по сочетанию пород в проекте.
Комплектация подачи воздуха: часто недооцениваемый аспект выноса шлама в глубоких скважинах
Рекомендуемое рабочее давление WR1000S составляет 1,6–8 МПа, расход воздуха 16–96 м³/мин. В монолитных твердых породах можно применять погружные пневмоударники среднего и высокого давления для бурения DTH. В глубоких скважинах глубиной в километр путь транспортировки шлама от забоя длинный, недостаточный вынос шлама легко приводит к образованию осадка и повторному дроблению, что дополнительно увеличивает крутящий момент и энергозатраты. Поэтому для глубоких скважин в твердых породах требования к давлению и производительности компрессора очень высоки; при фактическом выборе нужно комплексно учитывать модель пневмоударника, диаметр, глубину, высоту над уровнем моря и твердость породы — недостаточная производительность напрямую влияет на эффективность удара и выноса шлама.
Здесь необходимо уточнить: в материалах оборудования приведены рекомендуемое рабочее давление и диапазон расхода воздуха, что не означает, что любая конфигурация компрессора подойдет для всех сочетаний глубины и диаметра. Выбор компрессора — это отдельное звено расчета комплектации в глубоком проекте, нельзя смотреть только на параметры самой буровой установки.
Крепление стенок и переключение технологий: от покрывающих слоев до водоносного горизонта работы нужно планировать по участкам
Глубокие водяные скважины редко бурятся одной технологией до конца. WR1000S поддерживает вращательное бурение с промывкой глинистым раствором, что можно использовать для верхних участков — грунтов, глин, песков и песчано-гравийных слоев. Устойчивость верхних участков напрямую влияет на последующее бурение глубоких интервалов; можно сначала создать стабильный участок с помощью глинистого раствора, обсадных труб и других способов крепления, а затем перейти в породы и переключиться на технологию DTH с погружным пневмоударником.
При проходке глубоких скважин через тектонические нарушенные зоны возможны вывалы, сужение ствола, утечки воздуха и прихваты. В материалах указано, что при входе в такие интервалы следует снизить слишком быструю проходку, усилить очистку скважины и в зависимости от ситуации применять обсадные трубы, пену или другие меры стабилизации. При серьезных утечках воздуха следует анализировать масштаб трещин и пустот, а не полагаться только на повышение давления компрессора. После входа в основной глубокий водоносный горизонт водоприток изменит вынос шлама и давление в скважине; необходимо фиксировать глубину основных водоносных слоев и на основании этого корректировать подачу воздуха, очистку и схему обсадки.
Эти технологические мероприятия предъявляют к оборудованию требования по участкам: для верхних покрывающих слоев нужны система промывки и комплектация крепления, для нижних твердых пород — погружной пневмоударник DTH и достаточные расход и давление воздуха, а для водоносного интервала — дополнительные требования к очистке и конструкции скважины. Возможности оборудования — лишь одно из звеньев; технологическая схема и комплектация материалов должны реализовываться одновременно.
Бурильные трубы и мачта: вспомогательный ритм непрерывного бурения глубоких скважин
WR1000S имеет телескопическую мачту, поддерживает бурильные трубы длиной 6 м, рекомендуемый диаметр труб 114 мм. При бурении скважины глубиной 1000 м использование слишком коротких труб значительно увеличит число соединений, а вспомогательное время и трудозатраты быстро возрастут. Трубы длиной 6 м позволяют сократить количество соединений и лучше подходят для длительных глубоких работ. В материалах также указано, что состояние резьбы, прямолинейность и усталостное состояние бурильных труб должны постоянно проверяться.
Роль телескопической мачты заключается в том, чтобы совместить габариты установки в транспортном положении и необходимую рабочую высоту в рабочем состоянии, что имеет практическое значение для перебазировки и организации площадки крупного оборудования для глубокого бурения. Скорость быстрого подъема 30 м/мин и быстрой подачи 61 м/мин в основном используются для возврата вращателя, операций с бурильными трубами и вспомогательных действий. При глубоком бурении однократное вспомогательное время кажется небольшим, но при длительном накоплении влияет на общий срок работ.
Привод, передвижение и условия площадки: ограничения комплектации помимо оборудования
WR1000S оснащена дизельным двигателем мощностью 194 кВт, масса установки около 17,8 т, габариты примерно 7,3 × 2,25 × 2,75 м, скорость передвижения около 5 км/ч, максимальный угол подъема справочно 21°, ход гидравлических аутригеров 1,7 м, грузоподъемность вспомогательной лебедки 2,5 т. Эти данные относятся не к самой способности бурения, а к условиям доставки, установки и организации площадки.
- Перед транспортировкой необходимо проверить грузоподъемность платформы, ограничения по ширине и высоте дорог, несущую способность мостов; телескопическая мачта должна быть надежно зафиксирована, бурильные трубы длиной 6 м и обсадные трубы следует закрепить отдельно.
- Скорость передвижения установки в основном предназначена для перемещения внутри площадки и между скважинами; перед перемещением следует проверить несущую способность дороги, уклон, радиус поворота и состояние мягкого грунта.
- Гидравлические аутригеры помогают выровнять и стабилизировать установку на неровной площадке; на мягком грунте следует использовать подкладки достаточной площади, чтобы предотвратить длительную осадку.
- Вспомогательная лебедка может использоваться для перемещения пневмоударников, бурильных труб, обсадных инструментов и других принадлежностей на площадке; в сверхглубоких проектах комплектация бурового инструмента больше и он тяжелее, поэтому нужно рационально планировать маршруты подъема и зоны складирования материалов.
Эти условия напрямую не определяют качество скважины, но если хотя бы одно из них не выполнено, оборудование может прибыть на площадку и не иметь возможности начать работы по плану.
Какие условия все еще нужно подтверждать по материалам проекта
Вышеизложенное описывает диапазон возможностей и условия применения, соответствующие открытым данным WR1000S, а не вывод о выборе для конкретного проекта. Фактическая глубина скважины все еще должна определяться по гидрогеологическим данным, строению пластов и целевому водоносному горизонту. Перед сравнением оборудования для глубокого водяного проекта необходимо как минимум подтвердить следующую информацию:
- целевую глубину скважины и глубину залегания основного водоносного горизонта;
- диаметр скважины, типоразмер обсадных труб и конструкцию фильтров и водоизоляционных участков;
- сочетание пород, включая толщину верхних покрывающих слоев, тип твердых пород и распределение нарушенных зон;
- схему конфигурации компрессора и условия подачи воздуха на площадке;
- материалы для крепления стенок, типоразмер обсадных труб и поставку материалов для строительства скважины;
- подъездные дороги, транспортные средства и условия площадки для скважины.
Если хотя бы одно из этих условий еще не определено, выбор оборудования может дать только условное суждение, нельзя напрямую делать вывод, что определенная модель обязательно подходит. Ограничения глубокого бурения никогда не сводятся к одной цифре предельной глубины; только четко сопоставив диаметр, нагрузку, подачу воздуха, крепление стенок и конструкцию скважины, можно получить сравнимую основу для оценки возможностей оборудования.