Выбор и расчет конструкции скважины

Конструкция скважины зависит от способа бурения, геологических условий, дебита и динамического уровня, а также от обеспечения зоны санитарной охраны.

Для каждой сооружаемой скважины на воду составляют индивидуальный проект. Стержнем проекта скважины на воду является конструкция скважины.

При составлении конструкции скважины на воду ее глубина определяется местоположением кровли и глубиной вскрытия водоносного горизонта. Если мощность водоносного горизонта небольшая, то его следует вскрыть полностью и пробурить до водоупора с целью размещения отстойника фильтра. Если мощность водоносного горизонта большая, то водоприемная часть скважины должна находиться в интервале максимальной водопроницаемости пласта. Интервал максимальной водопроницаемости пласта определяют при помощи геофизических исследований.

Если водообильность скважины большая, то нет необходимости вскрывать водоносный пласт полностью, достаточно углубиться на 5-10 м, но чем меньше водопроницаемость пород, тем на большую глубину нужно вскрывать водоносных горизонт. Однако следует иметь в виду возможность повышения минерализации воды с увеличением глубины скважины.

В соответствии с проектным дебитом рассчитывается расход (в м³/ч) воды из скважины

, (10)

где: N – норма воды на единицу потребителей, м³/сут;

n – число единиц потребителей;

k – 1,5÷2,5 – коэффициент суточной неравномерности;

t – продолжительность работы водоподъемника;

t=20-22 ч/сут - для крупный объектов;

t=8-12 ч/сут – для средних небольших объектов.

Если ожидаемый дебит меньше проектного, то определяется число скважин

.

В соответствии с характером пород водоносного горизонта выбирают тип водоприемной части скважины (фильтровая или бесфильтровая) и тип фильтра. Зная заранее установленную мощность вскрытия водоносного пласта, можно задаться длиной рабочей части фильтра и определить его минимально необходимый диаметр. В соответствии с расчетами и стандартными размерами труб подбирают диаметр фильтра и устанавливают конечный диаметр скважины. По проектному расходу Q и ожидаемому динамическому уровню воды в скважине подбирают водоподъемник, а по его габаритам – эксплуатационную колонну, в которой он будет установлен. Внутренний диаметр эксплуатационной колонны должен быть больше диаметра водоподъемника на 20-40 мм. Затем выбирают способ установки фильтра в скважине: на эксплуатационных трубах или впотай.

Рисунок 4. Конструкции фильтровых скважин:

а) сетчатый фильтр установленный впотай, б) гравийный фильтр установленный впотай, в), г) соответственно сетчатый и гравийный фильтры с надфильтровой трубой выходящей на поверхность.

1 – цементация затрубного пространства; 2 – сетчатый фильтр; 3 – гравийный фильтр; 4 – сальник

При вращательном бурении скважин на воду с прямой промывкой применяют практически два типа фильтрационных колонн.

При малых дебитах надфильтровая труба выходит на поверхность, рис.4 в),г).

В таких скважинах не предполагается установка водоподъемного насоса большого диаметра.

При значительных дебитах фильтровая колонна устанавливается "впотай" (рис.4 а, б) в эксплуатационной колонне. Такая конструкция скважины позволяет разместить насосы с высокой подачей, имеющие большие поперечные размеры, а также быстро произвести замену фильтра в случае его кольматации или коррозии.

Зная диаметр эксплуатационной колонны, и исходя из необходимости крепления пород геологического разреза, а также обеспечения санитарно-технической надежности скважины, определяют число промежуточных колонн, их диаметры и глубины спуска, подбирают типоразмеры долот для бурения интервалов под каждую обсадную колонну. Зазор между стенками скважины и муфтами обсадных труб в случае цементирования должен быть 20 мм для труб диаметром до 250 мм и 25-40 мм для труб большего диаметра.

При бурении вращательным способом с промывкой в зависимости от глубины скважины возможны следующие их конструкции. Если водоносный пласт залегает на глубине до 100 м, то после установки направления на глубину 2-10 м бурение до водоносного горизонта продолжают долотом одного диаметра. Далее устанавливают эксплуатационную колонну и цементируют ее от башмака до устья скважины и вскрывают водоносный горизонт. Такая конструкция называется одноколонной. При залегании водоносного горизонта на глубине более 200 м принимается двух- или трехколонная конструкция скважин и более. Кондуктор и эксплуатационную колонну, а в некоторых случаях и промежуточные колонны следует цементировать.

После того, как было определено необходимое количество обсадных колонн, приступают к определению диаметров обсадных колонн и долот. Расчет диаметров ведется снизу вверх. За исходный размер принимается диаметр эксплуатационной колонны (фильтровой) или конечный диаметр ствола скважины, если спуск обсадной (фильтровой) колонны проектом не предусмотрен.

Диаметр долота для бурения под обсадную колонну определяется по ее габаритному наружному размеру (наружный диаметр соединительной муфты) с таким расчетом, чтобы обсадная колонна свободно проходила по стволу скважины с регламентируемым радиальным зазором, табл.8

Расчетный диаметр долота определяется по формуле:

, (11)

где: - наружный диаметр соединительной муфты обсадной колонны;

- разность диаметров по табл.8.

Таблица 8

Минимальная допустимая разность диаметров ствола скважины и муфты обсадной колонны

Номинальный диаметр обсадной колонны, мм	Разность диаметров	Номинальный диаметр обсадной колонны, мм	Разность диаметров
114,3	15,0	273,1	35,0
127,0	298,5
139,7	20,0	323,9	35,0-45,0
146,1	426,0
168,3	25,0
244,5

Затем по расчетному диаметру находится ближайший нормализованный диаметр по табл. 9.

Таблица 9

Наружные диаметры долот

Установленный таким образом нормализованный диаметр долота позволяет рассчитать внутренний диаметр обсадной колонны, через которую это долото должно свободно пройти.

, (12)

где: Δ – радиальный зазор между долотом и стенкой обсадной трубы, обычно принимается Δ=5÷10мм (причем нижний предел для труб малого диаметра)

По известному внутреннему диаметру обсадной трубы по табл. 4 подыскивается нормализованный (условный) диаметр обсадной колонны.

Пример:

Исходные данные: глубина скважины равна 220 м. Пласт напорный. Фильтровая колонна установлена "впотай" диаметром 168 мм. Рассчитать двухколонную конструкцию скважины.

Решение:

1. Определим расчетный диаметр долота под фильтровую колонну диаметром 168 мм.

,

по табл. 4 находим диаметр муфты фильтровой колонны, который равен 188 мм, тогда

.

2. Выбираем по табл. 9 ближайший нормализованный диаметр долота =215 мм.

3. Внутренний расчетный диаметр эксплуатационной колонны

.

4. Определяем по табл. 4 нормализованный диаметр эксплуатационной колонны

=245мм.

5. Определяем расчетный диаметр долота под эксплуатационную колонну по табл. 4

.

6. Выбор ближайшего нормализованного диаметра долота под эксплуатационную колонну по табл. 9.

.

7. Определяем внутренний расчетный диаметр кондуктора

.

8. Нормализованный диаметр кондуктора по табл. 4

.

9. Определяем расчетный диаметр долота под кондуктор

.

10. Определяем по табл. 9 ближайший нормализованный диаметр долота под кондуктор 394 мм.

11. Определяем внутренний расчетный диаметр направления

.

12. Нормализованный диаметр направления равен 473 мм.

13. Определим расчетный диаметр долота под направление

.

Выбираем лопастной расширитель пилотный ;

в числителе – номинальный калибрующий наружный диаметр по периферийным боковым поверхностям лопастей, мм;

в знаменателе – диаметр долота, производящего бурение скважины, мм;

В настоящее время при бурении неглубоких скважин на воду применяются обсадные трубы с безмуфтовым соединением. Труба в трубу. Применяются стальные трубы диаметром 114 и 133мм с толщиной стенки 5мм. Также применяются поливинилхлоридные трубы (ПВХ) следующих типоразмеров:

Таблица 10

Поливинилхлоридные трубы (ПВХ)

При бурении скважин глубиной более 100 м также применяются стальные обсадные трубы, соединяемые при помощи электросварки.

При использовании безмуфтовых труб расчетный диаметр долота определяется как:

, (13)

где: - наружный диаметр обсадной колонны, мм;

- минимальная допустимая разность диаметров ствола скважины и обсадной колонны, мм.

Конструкция разведочных скважин

При проектировании разведочных скважин для уточнения геологического разреза и опробования водоносных горизонтов применяют обсадные трубы геологоразведочного сортамента и коронки геологоразведочного сортамента, табл.11.

Таблица 11

Обсадные трубы геологоразведочного сортамента

При применении для исследований комплектов испытателей пластов применяют

КИИ -95 – для скважин диаметром от 118 мм до 161 мм.

КИИ -65 – для скважин диаметром от 76 мм до 112 мм.

Если применяется опережающий метод опробования, то следует применять породоразрушающий инструмент диаметром 76 мм.

Если применяется съемный испытатель пластов СИП -3, то диаметры породоразрушающего инструмента в зависимости от диаметра резинового элемента пакера составят 76 мм, 93 мм и 112 мм.

Конечные диаметры определяются условием получения кондиционного выхода керна и спуска оборудования для испытания пластов.

Для мягких пород, исходя из условия получения кондиционного выхода керна, минимальный диаметр бурения составит 93 мм.

На рис.5 представлена конструкция разведочной скважины на воду, которая позволяет уточнить разрез и провести испытание, в случае необходимости, водоносного пласта.

Рисунок 5. Конструкция разведочной скважины на воду

Конструкция скважин при вращательном бурении с обратно-всасывающей промывкой.

Конструкции скважин с обратно-всасывающей промывкой характеризуются тем, что скважина бурится одного диаметра. Устанавливается направление и эксплуатационная колонна с оборудованием водоприемной части гравийно-обсыпным фильтром. Большой размер диаметра скважины, до 1300 мм, позволяет достигать больших дебитов, рис.6.

Рисунок 6. Конструкция скважины для вращательного бурения с обратной промывкой

Пример:

Выбрать и рассчитать конструкцию эксплуатационной скважины для вращательного способа с обратной промывкой. Проектный дебит 150 м³/ч.

0-30 – глины плотные;

30-50 – пески мелкозернистые обводненные;

50-80 – глины плотные.

Статический уровень – 10 метров ниже устья. Понижения при откачке – 10 метров.

1. Тип фильтра – гравийный.

2. Диаметр каркаса фильтра

.

3. Подбираем электропогружной насос ЭЦВ 10-160-30.

Примем, что насос размещается в трубах .

4. Диаметр гравийного фильтра при вращательном бурении определяется диаметром долота

.

5. Направляющая труба должна пропускать долота 640 мм, принимаем электросварные трубы трубы 720 мм.

6. Диаметр долота для забурки скважины

,

мм.