Введение к работе
Сверхглубокие скважины, бурящиеся с научными целями, дают уникальные данные о реальных физико-химических процессах в глубинных частях земной коры, об их зависимости от распределения полей деформаций и напряжений в геопространстве. Само заложение сверхглубокой скважины с научными целями, по сути, должно предопределять возможность ее использования в виде глубинной геолаборатории. Проектирование конструкции и бурение таких скважин следует проводить о учетом возможности-обеспечения разноплановых исследований всевозможных направлений наук о Земле, дальнейшего поэтапного их углубления для изучения буровых процессов, протекающих на больших глубинах, совершенствования буровой техники. Конструкция такой скважины должна обеспечить не только доведение ее до максимально возможной глубины, но и выполнение вышеперечисленных исследований. Иными словами, ивначально эти скважины проводятся в режиме геолаборатории.
Росгеолкомом в 1991 г. принято решение о совдании на базе заканчивающихся бурением сверхглубоких скважин геолабораторий с постановкой крупных задач по комплексному изучению континентальной земной коры.
Сверхглубокое бурение с научными целями в нашей стране началось в 1970 г. с проводки Кольской скважины СГ-3. В настоящее время закончен третий этап бурения на глубине 12261 м и скважина переводится в режим, геолаборатории.
Помимо Кольской скважины по программе глубинного изучения недр бурится еще ряд сверхглубоких скважин в России: Уральская, Тюменская, Воротиловская, ТиманоПечорская, а в ближнем зарубежье: Криворожская, ' Днепрово-Донецкая, Саатлинская и Мурунтаузская. Соответствующие программы разработаны также в США, Германии, Швеции, Англии и Японии. В Швеции пробурена скважина Гравберг-1. в Германии осуществляется проект КТБ.
Разрезы сверхглубоких скважин, бурящихся в кристаллическом фундаменте, представлены породам, часто перемежающимися по прочностным характеристикам и по углам залегания, что вместе с формой сечения ствола
,--4-предопределяет осложнения бурового процесса' Так, ствол Кольской скважины СГ-3 имеет диаметр близкий к номинальному и круглую форму сечения только в верхних интервалах протерозойского комплекса. Ниже ствол скважины приобретает ярко выраженную эллипсовидную форму поперечного сечения с кавернозными участками, приуроченными к еонам тектонических нарушений. По протяженности такие участки занимают до 25% разреза. Эти факторы в большой степени ватрудняют управление траекторией ствола и приводят к искривлению в 8енитном и в азимутальном направлениях. Наличие застойных зон бурового раствора и трудности в регулировании его реологических свойств обусловливают возникновение значительных сил сопротивления осевому перемещению и вращению бурильной колонны, движению каротажного кабеля. Аварийные ситуации и осложнения, возникающие в открытом стволе, трудно поддаются ликвидации. Бее это диктует необходимость поэтапного закрепления ствола скважины обсадными колоннами.
В скважине СГ-3 стальная обсадная колонна диаметром 245 мм спушена на глубину 8770 м. Для дальнейшего поэтапного углубления и обеспечений длительного функционировьшы ствола; с рэшш геолаборатории обоснована необходимость загфеплэпи* зто очэродной обсадной колонной на глубину 12000 и. При этом сохрэшатси возможность проведения широкого спектра геофизических ксслодаваянй в пэрзкрытой части разреза .
Сложность бурения сверэтлубокш снеавдп зачастую, вызывает необходимость применения целого рада ігмрадшщойшхг їзннкіга-технологических решений, одно из которых иэдзгаэгшм! Езстсяирй работе.
Цель работы. На основа анализа герио-геологнчзских иренимно-тех-нологических условий з стволе еззрхтлубоик сквааин разработать комплекс технологических решений v..$эхшшзкпх срэк-DTD крепления,- обеспечивающий надемюе- функцношіроваїше escaaia в рейиш геол-абораторий.
Основные задачи ксслэдоданал: : .
аналиэ влияния гарно-геологических н рекимно-тёхнологических 4акгоров на формирование и віаЗор конструкции сверхглубокой скважины, буряи-йся в кристаллических горных породах;
оценка влияния особенностей сверхглубоких скванин на конструкцій' ;г технологию крепления;
- выбор материалов и конструктивных параметров обсадных труб для
крепления шишей части разреза сверхглубоких скважин, фушодюнирувдих
в режиме геолаборатсрий;
- разработка технологий и комплекса технических средств
крепления.
Методы каследоваква. П)стааЕОШ1Ш задачи решались путем проведения аналитических, лхюорзотрнш, . стендовых я промысловых исследований по спзцпаяьно рзврэботшшш штодикам. Бри постановке исследований п обработке их результатов использовались методы математической статистики а штошкгаэское планирование эксперимента:
Научная повкзга: : ^
- выявлены особенности фэршфования іазпструкцйзі сверхглубоких
скважин для обеспечения вЬзиогшости их длительного функционирования в
режиме геолабораторнй;
- получены анаянтнческнв оевкспиости влияния радиальных размеров
и формы сочзпиз стволач на коэффициент заполнения затрубного
пространства тампонакаым раствором;
установлены вгишспшети, позволяющие учитывать упругое удлинение бурильной кшодпы п спрзделить взаимное местсполскэние стыковочных узлов при секционной спуске обсадных ІСОЛОІШ;
обосновала зозуозееость создапка сбсадшх труб из алшшгевых сплавов для. сверхглубоких екваэст, : йшкцконирукцих в режиме геолабораторий; . ; . - -
обоснованы основнш аіюплуатацдантшз. характеркстгааг. обсадных труб из алкшшевкх сплавов и установлены их расчетные параметры для проектирования процесса крепления.
Практическая значимость и реализация результатов работы. На основе аналитических и зік:йзр:зйптальіак : исследований разработан технико-технологический * комплекс, ' обеспечивающий возможность длительного функционирования скважин в . режиме геолаборатория. Разработана методика, позволяй^ аналитическим путем прогнозировать долговечность стадных .колонн, впервые в практике бурения сверхглубоких скважин для крепления нижней неустойчивой части
' ' - 5 -разреза предложено использование обсадных труб из алюминиевых сплавов,' дающих возможность получения геолого-геофиэической информации на закрепленном участке стволо, а также дальнейшего бурения с применением стандартного породоразрушающего инструмента и вабойных двигателей.
Разработана техническая документация на изготовление труб для конкретных условий Кольской скважины СГ-3 и проект нормали на изготовление трубной заготовки, который использован в качестве основы для разработки технологической оснастки и освоения производства опытной партии обсадных труб. .
Разработанная конструкция обсадной колонны из немагнитного сплава обеспечивает возможность определения ее пространственного положения в стволе скважины, что позволяет повысить точность расчета прижимающих усилий.
Разработанный комплекс технико-технологических решений внедрен при креплении Кольской скважины до глубины 8770. м Обсадной колонной диаметром 245 мм и при составлении технического проекта на перевод очважины в режим геолаборатории.
Апробация работы. Основные. разделы диссертации докладывались на Международном семинаре "Сверхглубокое континентальное бурение и глубинные геофизические исследования" в г. Заполярном, на Ученом Совете ГНПП " Шдра" в г..Ярославле, на кафедре'бурения Самарского техническо^-го университета, в институте Гипровостокнефть, на кафедре бурения Уфимского нефтяного института в г. Уфе.
Об'єм работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций. . Работа содержит 100 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 18 таблиц, 5 приложений на 35 страницах и список испольвованноя литературыиі72 наименований на 7 страницах.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в шести на-, умных работах. ' , -,./' :. г: . ;,';.': ''>'-' '" ';''
Автор выражает "глубокую' 'благодарность . научному ; руководителю диссертационной работы,' кандидату технических наук Г. М. Файну, кандидатам технических наук. А. Д.;Шсарницкому, Д. М.Тубер'ману, В. С. Еасовичу, В. В. Следкоку,, докторам .технических наук Ф. А. Агзамову и TL X. Каримоьу аа.
помощь в разработке теоретических вопросов и выполнении экспериментальных исследований и производственных испытаний.