Класс оборудования для проектов глубоких подземных вод обычно не определяется на одном совещании по выбору. Типичный процесс: сначала по гидрогеологическим данным устанавливают целевую глубину скважины, затем по дебиту и типу насоса определяют диаметр, после чего выясняется, что собственный вес бурильных труб, вес обсадных труб и трение о стенки скважины растут, а запасы грузоподъёмности и крутящего момента оборудования для средних и неглубоких скважин начинают исчерпываться. Вопрос меняется с «сможем ли мы ещё бурить» на «к какому классу переходить».
Здесь в качестве объекта обсуждения рассматривается буровая установка с прямой мачтой на шасси для скважин до 1000 м; требования разбиваются на несколько проверяемых характеристик, после чего сопоставляются с данными оборудования. Условия в статье приведены только для анализа выбора и не означают, что какой-либо конкретный проект уже использовал данную установку или достиг результатов.
Шаг 1. Сначала убедитесь, что глубина действительно достигает километрового уровня
Глубина скважины — первый порог для класса оборудования, но нельзя смотреть только на максимальную глубину, указанную в плане. Разумнее различать три глубины: ожидаемую глубину вскрытия основного водоносного горизонта, проектную глубину скважины и резерв на углубление. Чем больше разрыв между ними, тем выше требования к запасу оборудования.
В качестве примера в статье рассматривается WRT1000: по данным производителя максимальная глубина бурения составляет 1000 м, диаметр бурения 105–800 мм. Эти значения означают, что установка ориентирована на разработку глубоких подземных вод, а не на обычные водозаборные скважины средней и малой глубины. Однако максимальная номинальная глубина бурения не означает, что она достижима в любых породах и при любом диаметре; фактическая глубина также зависит от твёрдости пород, диаметра, компоновки бурильного инструмента и условий очистки скважины, поэтому требуется оценка по конкретным гидрогеологическим и геологическим данным.
Если целевая глубина проекта составляет 300–600 м и водоносный горизонт стабилен, необходимость повышения класса оборудования следует определять по диаметру и конструкции скважины, а не выбирать машину сразу по максимальной глубине бурения.
Шаг 2. Диаметр и конструкция скважины определяют нагрузку на бурильную колонну
Диаметр глубокой водозаборной скважины часто не является единым: в верхней части требуется обсадная труба для крепления стенок, в нижней устанавливаются фильтровая колонна и насосный участок, поэтому диаметры разных интервалов различаются. Чем больше диаметр, тем синхронно возрастают нагрузка на вращение бурильного инструмента, расход воздуха или бурового раствора для выноса шлама и вес обсадных труб.
Диапазон диаметров WRT1000 105–800 мм охватывает от обычных водяных скважин до водозаборных скважин большого диаметра, но в материалах также указано, что увеличение диаметра повышает нагрузку на бурильный инструмент, потребность в компрессоре, вес обсадных труб и сложность бурения. Поэтому при выборе диаметра следует исходить из дебита, типа насоса и размеров обсадных труб, а не брать максимальное значение, которое может обеспечить оборудование.
- Спецификация обсадных и фильтровых труб: определяет минимальный диаметр бурения и кольцевой зазор.
- Тип насоса и глубина установки: влияют на требования к диаметру и контролю кривизны скважины.
- Секции обсадных труб и их вес: влияют на конфигурацию грузоподъёмности и технологию спуско-подъёмных операций.
Шаг 3. С ростом веса бурильной колонны грузоподъёмность и крутящий момент отвечают за разные задачи
При переходе на километровый уровень собственный вес бурильных труб, вес обсадных труб и трение о стенки скважины заметно возрастают — это и есть наиболее прямая причина повышения класса оборудования. В материалах WRT1000 указаны грузоподъёмность 51/52 т, осевое усилие 11 т и крутящий момент 20000/10000 Н·м в двух режимах, соответствующих двухскоростной конфигурации 70/140 об/мин.
Эти значения следует понимать раздельно: грузоподъёмность в основном соответствует спуско-подъёмным операциям в глубоких скважинах, извлечению погружного пневмоударника, части работ с обсадными трубами и обработке инструмента в скважине; крутящий момент в основном соответствует способности вращения при большом диаметре, твёрдых породах и участках с высоким трением. Низкая скорость и высокий момент подходят для участков с большим сопротивлением, высокая скорость — для стабильных пород с меньшим сопротивлением. Они не могут заменять друг друга.
В материалах также прямо указано, что при постоянном росте сопротивления при подъёме инструмента следует сначала промыть скважину и оценить её состояние, а не пытаться вытянуть инструмент максимальной грузоподъёмностью. Это справедливо и при оценке класса оборудования: грузоподъёмность — это запас для обработки ситуаций, а не самостоятельное средство решения проблем в скважине.
Шаг 4. Изменение геологических условий определяет необходимость смены технологии
Типичное сочетание пород в глубокой скважине: верхний рыхлый покровный слой, средняя зона выветренных пород или нарушенная зона, нижняя относительно монолитная твёрдая порода. В материалах WRT1000 предложен технологический подход: в верхних рыхлых породах применяется вращательное бурение с буровым раствором, обсадные трубы или другие способы крепления стенок; после входа в относительно монолитные твёрдые породы можно использовать погружной пневмоударник среднего и высокого давления для бурения DTH.
Это влечёт два сопутствующих ограничения. Во-первых, для бурения DTH рекомендуется рабочее давление 1,65–8 МПа и расход воздуха 16–96 м³/мин; давление и производительность компрессора должны определяться с учётом типоразмера пневмоударника, диаметра, глубины, высоты над уровнем моря и твёрдости пород, а не только по номинальному давлению. Во-вторых, после вскрытия основного водоносного горизонта приток воды в скважине влияет на вынос шлама и циркуляцию при работе пневмоударника; следует фиксировать глубину водоносного горизонта и на основании этого корректировать подачу воздуха, промывку и схему обсадки.
Шаг 5. Что даёт прямая мачта на шасси и что нужно проверить заранее
Повышение класса оборудования часто сопровождается увеличением массы машины и габаритов при транспортировке. WRT1000 использует шасси и прямую мачту; по данным производителя, установка подходит для бригад с рассредоточенными точками бурения и частыми перебазировками: после завершения одной скважины можно переехать по дороге, не организуя многократно погрузку и разгрузку на платформу, как в случае гусеничных буровых установок.
Однако мобильность имеет предпосылки. Масса машины около 26 т, транспортные габариты примерно 10,8 × 2,5 × 4,23 м; транспортная высота 4,23 м означает, что перед выездом на объект необходимо проверить ограничения по высоте на дорогах, мосты, воздушные линии, проёмы ворот на территории и несущую способность площадки. Прямая мачта имеет более прямую схему передачи усилий и подходит для длительного вращения с высоким крутящим моментом и работы с бурильными трубами в глубоких скважинах, но её транспортные габариты нельзя уменьшить так, как у телескопической мачты.
Сводим требования в контрольный перечень
| Требование | Что нужно уточнить | Соответствующие данные оборудования |
|---|---|---|
| Целевая глубина скважины | Глубина вскрытия водоносного горизонта, глубина скважины, резерв на углубление | Максимальная глубина бурения 1000 м |
| Диаметр и конструкция скважины | Обсадные трубы, фильтровые трубы, тип насоса, секции обсадных труб | Диаметр бурения 105–800 мм |
| Работа с бурильной колонной | Спецификация бурильных труб, вес обсадных труб, количество спуско-подъёмных операций | Грузоподъёмность 51/52 т, рекомендуемый диаметр бурильных труб 114 мм |
| Участки твёрдых пород | Твёрдость пород, типоразмер пневмоударника, условия подачи воздуха | Давление DTH 1,65–8 МПа, расход воздуха 16–96 м³/мин |
| Перебазировка и выезд на объект | Ограничения по высоте на дорогах, несущая способность, радиус поворота | Масса машины около 26 т, транспортная высота 4,23 м |
Каких условий ещё недостаточно для выводов
В материалах не приведены фактическая глубина бурения, дебит, выход керна или производительность работ в различных породах, поэтому нельзя по максимальной глубине бурения делать вывод, что конкретная скважина обязательно достигнет этой глубины, а также оценивать по ней сроки или стоимость. Перед закупкой необходимо дополнительно уточнить следующие пункты:
- Гидрогеологические данные района проекта, включая глубину основного водоносного горизонта и ожидаемый дебит.
- Проектный диаметр скважины, спецификацию обсадных труб и схему конструкции скважины.
- Способны ли давление и производительность предполагаемого компрессора обеспечить выбранный режим пневмоударника.
- Ограничения по высоте на подъездных дорогах, несущая способность мостов и размеры площадки для буровой.
- Связан ли проект с геотермальными целями, водопонижением в горнодобывающих районах или другими специальными задачами, для которых требуется отдельное проектирование класса обсадных труб, цементирования или оценки качества воды.
При запросе коммерческого предложения целесообразно одновременно предоставить назначение скважины, данные геологического разреза, целевую глубину и диаметр, предполагаемый метод бурения, условия транспортировки на объект, а также данные по водо- и электроснабжению и подаче воздуха, чтобы исполнитель мог оценить, входит ли конфигурация в возможности оборудования, а не давать цену только по одной цифре глубины.