Пример составления конструкции скважины

Исходные данные: заданы ожидаемый геологический разрез и гидрогеологическая характеристика водоносного пласта (табл. 11.1).

Требуется выбрать способ бурения разведочно-эксплуатационной скважины и составить ее конструкцию.

1. Выбор способа бурения. Анализ ожидаемого геологического разреза позволяет установить, что кровля намеченного к эксплуатации пласта залегает на отметке 200 м, т.е. с учетом глубины его вскрытия ожидаемая глубина скважины будет более 200 м. Из задания следует, что район работ в гидрогеологическом отношении хорошо изучен, т.е. нет необходимости уточнять его путем отбора образцов из вмещающих пород. Поэтому для бурения проектируемой скважины предусматривается применить роторный способ, обеспечивающий высокую производительность и небольшую металлоемкость конструкции скважины.
2. Проектирование конструкции скважины при вращательном бурении. Проектом предусматривается после сооружения скважины проведение предварительной и пробно-эксплуатационной откачки.

Таблица 11.1

Номер слоя	Характеристика пород разреза	Мощность,м	Гидрогеологическиеусловия
1	Суглинки и глины с отдельными валунами	0-10	Проектный дебит Q = 79,2 м3/ч
2	Суглинки и пески с отдельными валунами	10-25	Ожидаемый статический уровень воды — 29 м
3	Плотные голубовато-серые глины	5-50	Динамический уровень воды при откачке -37 м
4	Переслаивание трещиноватых водоносных песчаников и гравелитов с редкими прослоями глин; минерализованная вода	50-120	Район хорошо изучен
5	Плотные глины	120-200
6	Мелкозернистый водоносный песок, пресная вода	200-230
7	Голубовато-серая глина	230-260

При получении положительных результатов скважина оборудуется водоподъемником, предназначенным для эксплуатационной откачки, и передается заказчику. Поэтому предусматривается использовать два типа водоподъемников: при проведении предварительной и пробной откачки — эрлифт, при эксплуатационной откачке — электронасос с погружным двигателем. Выбор эрлифта в качестве временного водоподъемника обусловлен тем, что он способен откачивать загрязненную воду с большим дебитом (до 200 м³/ч) при динамическом уровне до 50-60 м, т.е. вполне обеспечивает получение запроектированного дебита и необходимого напора. Выбор для эксплуатационной откачки насоса с погружным двигателем обосновывается высоким к. п. д. водоподъемников этого типа, их компактностью и простотой обслуживания.

Для определения внутреннего диаметра эксплуатационной колонны нужно установить поперечные размеры водоподъемников. Результаты расчета параметров эрлифта, трубы которого расположены по схеме внутри, приведены ниже: коэффициент погружения смесителя к=2; глубина погружения смесителя под динамический уровень Н =72 м; полный расход воздуха W = 6,336 м³/мин; пусковое давление воздуха ρ0 = 0,478 МПа, рабочее давление воздуха ρ =0,412 МПа; внутренний расчетный диаметр водоподъемной трубы d = 147 мм; внутренний расчетный диаметр воздухопроводной трубы d₁ = 50 мм; расчетная производительность компрессора WK =7,58 м³/мин; рабочее давление компрессора рр = 0,462 МПа; мощность на валу компрессора N_к = 47,3 кВт; коэффициент полезного действия ηэ = 0,169. По расчетным диаметрам d и , d₁  выбираем стандартные размеры насосно-компрессорных и обсадных труб:

Колонна	Водоподъемная	Воздухопроводная
Диаметр колонны, мм: наружный внутренний	168 154,3	60,3 50,3
Диаметр муфты, мм	188	78

Подавлению рρ, расчетному расходу WK и мощности NK выбираем для привода эрлифта компрессор ДК-9М.

Для выбора погружного насоса предварительно по формуле (11.1) вычисляем требуемый манометрический напор:

H_м = (37 + 1) + 0,1 (37 + 1 + 5) ≈ 42,3 м вод. ст.

По проектному дебиту Q = 79,2 м³/ч, напору Н = 42,3 м и данным на выбираем погружной электронасос марки 1ЭЦВ10-120-60, имеющий следующую техническую характеристику: подача - 120 м³/ч; напор - 60 м вод. ст.; минимальный диаметр эксплуатационной колонны, необходимый для размещения насоса, - 250 мм.

Минимальный расчетный внутренний диаметр эксплуатационной колонны для размещения эрлифта определяем по формуле (11.3):

D_вн.н = 188+ 30 = 218 мм. вн. н

По большему диаметру, равному 250 мм, и данным на стр. 000 выбираем стандартные обсадные трубы для эксплуатационной колонны, имеющие следующие параметры: D_H = 273 мм; D_m = 259,1 мм; D_м = 299 м. По формуле (7.1) определяем расчетный диаметр долота: D_д.р. =  299 + 2-20 = 339 мм. Полученная величина округляется по нормальному ряду диаметров применяемых долот до стандартного, равного 349 мм.

Водоносный пласт представлен рыхлыми породами (мелкозернистые пески), поэтому предусматривается оборудование скважины фильтром. В соответствии с рекомендациями табл. 10.1 выбираем сетчатый фильтр с двухслойной гравийной обсыпкой. В качестве каркаса фильтра принимаем обсадную трубу диаметром 146 мм. С учетом толщины стержней и сетки диаметр сетчатого фильтра будет около 155 мм. Для надежной работы фильтра толщина обсыпки принимается равной 150 мм. Тогда наружный диаметр фильтра по контуру обсыпки

D_ср = 155 + 2-150 = 455 мм.

По формуле (10.3) находим коэффициент фильтрации пород водоносного

К_ф = 36 ·79,2 / 30 (40-29) = 8,66  м/сут

по формуле (10.2) вычисляем скорость фильтрации:

υф = 65 √8,66 = 133,2 м/сут.

Длина рабочей части фильтра вычисляется по формуле (10.1):

l_p = 7,643·79,2/0,455·133,2≈10 м

Водопропускная способность фильтра проверяется по формуле (10.4):

ƒ= 133,2 7π· 0,455 ·10:24 = 79,7 м³/ч.

Так как запроектированный дебит равен 79,2 м³/ч, то условиеƒ≥ Q выполнено. В каркасе фильтра (обсадной трубе диаметром 146 мм) сверлим 720 отверстий на 1 м длины, диаметр отверстий 18 мм. Вдоль каркаса устанавливаем восемь прутков диаметром 3 мм, затем каркас обматываем сеткой квадратного плетения.

Материал обсыпки состоит из двух слоев. Наружный слой толщиной 70 мм представлен крупными частицами гравия размером D1 = 10d50. Внутренний слой толщиной 80 мм состоит из частиц гравия размером D2 = 5d50. Так как в задании отсутствуют данные о среднем размере частиц dso водоносного пласта, то этот параметр будет определен после вскрытия горизонта и оценки его гранулометрического состава. Гравийная обсыпка будет создаваться после спуска каркаса фильтра на забой путем доставки с поверхности в нисходящем потоке жидкости. Отстойником фильтра будет служить обсадная труба диаметром 146 мм и длиной 3 м. Надфильтровая часть устанавливается впотай с вхождением внутрь эксплуатационной колонны на 5 м и герметизацией кольцевого зазора сальником. Проверяем условие соблюдения необходимого зазора между эксплуатационной колонной и опускаемым фильтром:

D_вн.э = d_ф + 50 = 155 + 50 = 205 мм. вн. э      

Так как внутренний диаметр выбранной эксплуатационной колонны 259 мм, то условие выполнено. Для расширения ствола под гравийную обсыпку предусматривается применить гидротурбинный расширитель. Фильтр будет установлен в срединной плоскости пласта. Тогда в соответствии с формулой (11.5) глубина вскрытия

l_вскр = 0,5 (30 + 5) + 3 ≈ 20 м, вскр

а проектная глубина скважины

L_скв = 200 + 20 = 220 м.

Так как разрез представлен слабоустойчивыми размываемыми породами, эксплуатационная колонна должна перекрыть всю их мощность с углублением башмака на 0,3 м ниже кровли. Следовательно, длина колонны составит 201 м (с учетом ее возвышения над устьем на 0,7 м). Учитывая относительно небольшую глубину скважины, предусматриваем установку только кондуктора. Последний перекрывает первые два слоя неустойчивых пород (суглинки и пески с валунами) с углублением в глины на 5 м. Таким образом, длину кондуктора принимаем равной 30 м. Расчетный диаметр кондуктора

D_кн = 273 + 100 = 373 мм.

В качестве кондуктора используются обсадные трубы следующих размеров: DH = 377 мм; D_BH = 359 мм; D_M = 402 мм. Учитывая небольшую глубину спуска кондуктора можно принять соответствующий диаметр скважины D_д = 455 мм. Устье скважины закрепляется направлением, представляющим отрезок обсадной трубы диаметром 508 мм (внутренний диаметр 486 мм), который опускается в шурф глубиной 2,5 м с последующим бетонированием. Затрубное пространство кондуктора цементируется на всю длину. Так как в разрезе присутствует пласт песчаников с минерализованной водой, то для исключения перетоков эксплуатационную колонну также цементируем от башмака до устья. На основании расчетных данных выполняется технический разрез проектируемой скважины (рис. 11.3).

Рис. 11.3. Технический разрез разведочно-эксплуатационной скважины на воду