Для начала попытаемся ответить на вопрос, какие конкретные задачи и требования ставятся перед технологией заглубления скважин на геотермальное тепло сегодня, какими они будут в будущем и какая буровая техника подходит для решения поставленных задач.
В своих наблюдениях мы исходим из того что переоснащение традиционных теплосистем (нефть, природный газ, электроэнергия, древесина) на геотермальные источники тепла будет являться одним из приоритетных направлений энергетического развития.
Использование крупных буровых установок возможно и экономически выгодно при строительстве новых жилых и промышленных обьектов. Для буровых работ на геозонды на уже застроенных участках необходимо заезжать, часто через узкие въезды, непосредствено на данные участки. Часто при этом точное позиционирование на намеченном буровом пункте возможно лишь с малой буровой техникой. При этом данная техника должна, несмотря на компактные габариты, выполнять буровые работы бастро и с минимальными затратами. На крупной буровой технике получила распространение технология бурения вращателем с двумя головками. Данная технология имеет свои преимущества при определенных геологических условиях но её использование на небольших участках в силу ее габаритов ограничено.
Стандартным вариантом заглубления скважин до 100 метров в мягких породах является бурение с промывкой, в скальных (твердых) породах — бурение пневмоударником. Специальным вариантом при заглублении скважин в водоносном горизонте до 40 метром является бурение пустотелыми шнеками.
При бурении пневмоударником или с промывкой необходима обсадка скважины до водоносного горизонта или до стабильной скальной породы. В качестве стандартной обсадной колонны при бурении установками фирмы Kurth используется обсадная труба ? 178 х 10 мм. Обсадка предназначена для предотвращения обрушения стенок скважины и предотвращения сопутствующих проблем. В дальнейшем будут рассмотрены некоторые технологии обсадки скважин.
1.Шнековое бурение
Бурение шнеком с последующей обсадкой является простым, но в данной форме редко применяемым вариантом. Данный метод возможен в сухой и неосыпающейся породе. Под обсадную трубу ? 178 мм предварительно бурят ? 185 мм шнеком длиной по 1 метру. После каждого забуренного метра добавляется следущая секция. Для соединения отдельных шнековых секций используются штыри-фиксаторы (U-Pins) SWSW 41 ? 16 мм. Стандартным решением на данный момент являются шнеки с правым ходом вращения.
Обсадная колонна (с левой резьбой) оснащена в нижней части режущим зубчатым башмаком с помощью которой гарнитур фиксируется на забуренной шнеками глубине. Фиксация способствует тому, что промывочный поток (водный или воздушный) не просачивается под обсадную трубу.
2. Шнековое бурение с обсадкой
Данный вариант применяется при заглублении скважин в водонасыщенных рыхлых породах. Вначале забуривается шнековый гарнитур ? 185 мм аналогично варианту 1 «Шнековое бурение» до водоносного горизонта. Момент начала водоносного горизонта опытный буровой мастер может определить по поведению машины и бурового инструмента с точностью до 10 см.
Последующим шагом ? 185 мм гарнитур достается и скважина обсаживается до забоя ? 178 мм трубой. В трубу заводится ? 145 мм шнек. Длина шнекового гарнитура на 1 метр (на одну секцию) больше чем обсадной колонны. Данная секция выбуривается через трубу. Обсадные трубы можно одновременно запресовывать шагами по 200 мм используя подъемный стяжной хомут и вращение шнека. Без вращения запресовка может быть затруднена или невозможна. После запресовки верхней обсадной трубы добавляется новая 1-метровая трубная секция и один новый 1-метровый шнековый сегмент и процесс выбуривания и обсадки повторяется.
На установке КВ 13 с использованием данного технологического процесса возможно достижение глубин бурения до 40 метров. При проходе глинистых пород возможно использование дополнительных режущих головок с откидными резцами.
При правом вращении шнека за режущей трубной головкой резцы откидываются (принимают рабочее положение). При дальнейшем бурении достигается 190 мм диаметер на забое скважины и ? 178 мм обсадную трубу возможно легко запресовать.
Другой вариант обсадки в глинистых породах заключается в рассоединение вращателя от шнека после выбуривания каждого метрового сегмента и последующей обсадке левым вращением. Какой из вышеописанных вариантов наиболее эффективен решается на месте в зависимости от геологической ситуации. Данная технология применима и для обсадных колон большего диаметра. Например для ? 219 мм обсадных труб с предварительным забуреванием ? 219 мм шнеком и с ? 185 мм шнеком для последующего бурения через обсадные трубы.
3. Бурение дуплексным методом
При бурении дуплексным методом применяется специальный переходник на вращатель позволяющий заглублять и обсаживать скважину за один технологический процесс (см. Фото 1). Вращение головки-вращателя при бурении дуплексным методом – правое. Данная технология применяется при бурении с промывкой или при бурении пневмоударником. Принципиально возможно начало бурения сразу с поверхности. Я бы посоветовал, для достижения больших глубин, начинать процесс бурения 185 мм шнеком до достижения твердой породы и лишь потом переходить на дуплекс с обсадкой 178 мм трубой.
Дуплекс-переходник имеет внешнюю резьбу под обсадную трубу и внутренюю резьбу под буровую штангу. Размеры дуплекс-переходника сделаны с расчетом, что при использовании метровых труб и штанг буровой инструмент (пневмоударник, шарошечное или лопастное долото) выступает 10-15 см за обсадную трубу.
Диаметр бурового инструмента должен подходить под внутрений диаметер обсадной трубы (например: внутрений диаметр трубы ? 158 мм, диаметр головки пневмоударника ? 145 мм, шарошечное долото ? 151 мм; лопастное долото ? 152,4 мм).
Режущая трубная головка на обсадном гарнитуре выполнена с твердосплавными резцами. Режущий диаметр скважины должен быть больше наружнего диаметра обсадных труб как минимум на 10 мм (соответственно 188 мм под 178 мм трубу).
Промывочная жидкость (вода) или сжатый воздух через промывочную головку и переходник поступают в буровые штанги, по достижению забоя скважины выходит из бурового гарнитура и с породой поднимаются в пространстве между стенкой скважины и буровыми штангами. Выброс происходит из боковых отверстий на дуплекс-переходнике. При выносе породы сжатым воздухом (бурение пневмоударником или лопастным долотом) буровой инструмент дополняется юбкой на вращатель (см Фото 3) предотвращающей свободный выброс породы на машину и обслуживающий персонал. При промывке водой используется отводная система состоящая из отводной головки, промывочного контейнера и отводного шланга на «5» дюйма.
Из вышеназваных способов выноса и отвода выбуреной породы наиболее простым является продувка сжатым воздухом.
На данный момент стандартным оснащением наших установок являются шнеки с правым вращением и обсадные трубы с левым вращением. Данная комплектация является стандартом при бурении на небольшие глубины.
Бурение дуплексным методом требует обсадные трубы под правое вращение (с правой резьбой). С рациональной точки зрения имеет место подумать о переходе на шнеки под левое вращение и на трубы под правое вращение. Вращатели наших буровых установок одинаково хорошо подходят как под правое так и под левое вращение. При применении левоходовых шнеков и правоходовых обсадных труб возможны также другие дуплекс-варианты с тем же инструментом.
Фото 1: Переходник дуплекс-система
4. Бурение пневмоударником с одновременной обсадкой (система «Symmetrix»)
Специфические проблемы возникают при бурении в пластической (глинистой) породе насыщеной каменым материалом размерами больше чем 100 мм в диаметре и при обсадке валунных отложений.
Шнековое бурение с последующей обсадкой в данных горизонтах часто не приносит желаемый результат и подвержено относительно большой аварийной опасности.
Практически единственным подходящим методом в данных условиях является бурение пневмоударником с одновременной обсадкой.
В буровой технике известно несколько аналогичных метода. Наиболее распространенным является метод с приминением эксцентричной головки (например ODEX-метод от Atlas Copco).
Эксцентер (режущий элемент) головки раскрывается (ставится в рабочую позицию) внизу режущего трубного башмака при подачи правого вращения. Благодаря этому диаметер бурения становится больше чем внешний диаметр обсадной трубы. При подаче обсадная труба без вращения заглубляется вместе с буровой штангой. Проблемы могут возникнуть при прохождении слоев крупного галечника, который припятствует вращению и раскрытию эксцентричной головки. Поэтому мы используем другую, так называемую „Symmetrix-систему“.
Фото 2: Отводная головка под O 178 обсадную трубу
Данная система работает с специальным режущим трубным башмаком (нем. «Ringbohrkrone»). Головка, закрепляемая на нижнем окончании трубного гарнитура, имеет вращающееся кольцо наращенное твердосплавными зубками (см. Фото 4).
При монтаже головка пневмоударника фиксируется в специальном вырезе кольца трубного башмака. При буровом процессе через данное соединение происходит передача горизонтальных и вертикальных сил и режущий трубный башмак производит возвратно-поступательные и круговые движения с такой-же частотой как и коронка пневмоударника. Коронка выступает примерно на 50 мм из трубного башмака. Следовательно коронка пневмоударника забуривает а режущий трубный башмак расширяет скважину до диаметра обсадной трубы.
Выбуренная порода через специальные каналы в коронке попадает в пространство между буровыми штангами и обсадными трубами и выносится на поверхность. Размеры специального трубного башмака и обсадных труб схожи (башмак ? 182 мм под ? 178 мм обсадную трубу). Переход с башмака на трубу выполнен без выступов для облегчения демонтажа бурового гарнитура.
При обсадке Symmetrix-системой в сухом каменистом слое возможны осложнения при вытаскивании обсадной колонны. По этой причине были увеличины подьемные усилия на стяжном хомуте у KBKB 20/100 и у KBKB 30/150 до 150 кН. Для буровых установок KBKB 10 и KBKB 13 (подъемный стяжной хомут на 76 кН) мы предлагаем дополнительный гидравлический пресс на 150 кН.
После достижения водоносного горизонта монтаж обсадных труб идет легче.
Стандартный вариант Symmetrix-системы мы предлагаем с пневмоударником на 4 дюйма под ? 178 мм обсадную трубу. Возможно также применение труб ? 152,4 мм. С ? 178 мм обсадной трубой свободный проход режущей головки составляет 141 мм (конечный диаметер бурения 135 мм), с ? 152,4 мм трубой 116 мм соответственно (конечный диаметер бурения 115 мм).
Symmetrix-система подходит под обсадные трубы как с правой так и с левой резьбой поскольку вращается только трубный башмак.
Применения данного метода в модифицированой форме возможно также при бурении с промывкой. В этом случае вращательное движение на трубную головку передается через переходник от шарошечного долота. Данный метод находится в стадии разработки.
Выброс породы происходит через верхнее окончание обсадной колонны. Логично, что для обеспечения чистоты на рабочем месте, данный промывочный поток необходимо канализировать и отводить. Для этой цели на вращателе смонтирована юбка из PVC-материала (Фото 3). Она останавливает поток сразу у буровой штанги. Порода (с промывкой или без) отводиться или убирается непосредствено от скважины. Моя фирма предлагает также отводную систему для отвода выбуреной породы непосредственно в контейнер.
Фото 3: «Юбка» на вращателе KBKB 20
5. Бурение с промывкой
К бурению с промывкой преступают после запресовки обсадных труб до стабильной (неосыпающейся) породы. Для циркуляции промывочного потока на буровых установках нашей фирмы смонтированы промывочные насосы с гидравлическим приводом (Фирмы: Speck или Caprari) На KBKB 20/100 с мощностью потока в 720 л/мин и высотой подъема 83 метра (Speck 50/250), на KBKB 30/150 с 960 л/мин и 132 метра соответственно (Caprari MECA 004/80).
Для установок KBKB 10/2 и KBKB 13 предлагаются промывочные насосы, на глубины до 50 или 100 метров, на сепаратном колесном шасси. Данные насосы приводятся отдельным бензиновым или дизельным двигателем. В оснащение входит всасывающий шланг на «3» и шланг давления на «5» дюйма.
В качестве промывочной жидкости может использоваться как чистая вода так и вода с дополнительными присадками.
Присадки используются для дополнительной стабилизации стенок скважины. В качестве присадок используются антисоль или бентонит. Наша фирма предлагает как сами присадки так и апараты для их замешивания и запресовки (состоит из 3-х частей; размеры 1,5х1,2х0,6 м.) Для размешивания суспензии с присадками а также для замешивания цементного раствора при запресовке геотермальных зондов мы предлагаем вентури-смеситель с приводом от промывовочного насоса с мощностью потока в 500 л/мин.
Промывочная система состоит из 2-х контейнеров для более качественной и быстрой осадки вынесенного материала в промывочной суспензии. Бесперебойная работа промывочного насоса напрямую зависит от качества отчистки (осадки) промывочной жидкости. Промывочный поток поступает в первую камеру по отводящему шлангу на «5» дюйма и всасывается из 2 камеры шлангом на «3» дюйма. При работе наблюдайте за всасывающей головкой. Она не должна быть забита поскольку это негативно сказывается на работе промывочного насоса.
В качестве бурового (режущего) инструмента при бурении с промывкой применяются шарошечные или лопастные долота. При бурении шарошечными долотами для оптимального давления на режущий инструмент рекомендуется применять утяжеленные штанги.
Поток промывочной жидкости из скважины имеет скорость 0,3-0,5 м/с.
Фото 4: Режущий трубный башмак
Важно по окончанию забуревания каждой штанги основательно прочистить скважину от породы. Для этого рекомендуется 2-3 раза поднять и опустить буровой гарнитур на ход подачи.
Вынос породы можно проконтролировать с помощью какого-либо фильтрующего элемента. Только после прекращения выноса породы отключить промывочный поток. Для этого не обязательно отключать промывочный насос. Можно лишь перекрыть промывочную систему с помощью шарового крана на промывочном насосе. После монтажа следующий буровой штанги шаровый кран открывается.
При прохождении глинистых слоев есть опасность разбухания глины под воздействием воды и связанные с этим осложнений при заглублении геозонда. Для предотвращения разбухания глины рекомендуется применять в качестве присадки хлорид магнезия. Данная соль предотвращает разбухание глины. Кроме этого глиняная порода выносится не в виде суспензии, а в виде небольших кусков что упрощает отчистку промывочной жидкости.
При долгих рабочих паузах рекомендуется промыть насос чистой водой. При отрицательных температурах обязательно слить остаточную воду.
6. Бурение пневмоударником
Бурение пневмоударником применяется в твердых породах например таких как сланец, известняк, песчаник, порфир, гранит и т.д. На пневмоударнике закреплена коронка, которая в зависимости от породы оснащается балистическими (заостренными) или круглыми режущими зубками. Энергия удара передается через цилиндр пневмоударника на коронку. Пневмоударник вращается на буровых штангах со скоростью около 30 об/мин. Воздушный поток выходит из продувочных отверстий в коронке, подхватывает выбуреную породу и выносит ее между буровыми штангами и стенкой скважины на поверхность. Продувочный процесс зависит напрямую от таких характиристик компрессора как воздушный поток и рабочее давление. Подъемная скорость воздушного потока в скважине не должна быть меньше 20 м/сек. Для скважины на глубину в 100 метров рекомендуются компрессоры со следующими характеристиками: воздушный поток 20 м3; рабочее давление минимум 14 бар (например компрессор Compair TS 200/14). Применение компрессоров меньшей мощности черевато уменьшением скорости бурения и увеличением износа бурового инструмента. Коронки пневмоударника имеет ресурс в зависимости от геологических условий и режима работы от 500 до 1000 борметров.
Промывочный поток (воздух, вода, порода) выносится на поверхность из окончания обсадного гарнитура (из кондуктора). На верхней обсадной трубе (на кодукторе) монтируется система отвода выносимого промывочного (продувочного) потока. Поток с вынесенной породой отводится в контейнер или просто в сторону.
Фото 5: Бурение с промывкой на KBKB 13
Фото 6: Промывочный насос на сепаратном шасси
Отводная система необходима поскольку при значительном количестве воды в скважине столб выброса может достигать 6-8 метров и являтся опасностью для персонала, буровой установки и близко стоящих зданий.
Для надежной и безаварийной работы пневмоударника необходима подача масла для смазки с потоком воздуха. Данная смазка осуществляется через масленку-распылитель. (При отсутсвие или поломке распылителя рекомендуется добавлять смазывающее масло во внутрь буровой колоны при каждом новом монтаже буровой штанги).
При бурении твердых пород без грунтовых вод возможно повышеное пылеобразование. Для его предотвращения производят инъекцию воды в скважину. Для этой цели используют червячные насосы серии AFJ (например AFJ 30.4 S c параметрами 25 л/мин при 18 бар). Иньекция воды припятствует «спеканию» и образованию колоидов в скважине и тем самым предотвращает пробкообразование в скважине.
При буровых работах в слоях с встречающими пустотами (расщелинами) возможно прекращение выхода промывочного потока из горловины скважины. В этом случае буровому мастеру надо проявлять особую внимательность, поскольку во время монтажа штанг, частицы породы могут осесть и закупорить коронку пневмоударника.
Исходя из этого рекомендуется тщательно прочищать скважину после каждой забуренной буровой штанги.