ОБСАДНЫЕ ТРУБЫ ИЗ НЕПЛАСТИФИЦИРОВАННОГО ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА (НПВХ) - ЭФФЕКТИВНЫЙ ПУТЬ СНИЖЕНИЯ КАПИТАЛЬНЫХ ЗАТРАТ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН Романов А.А.

ООО «АкваСтройМонтаж»


Номер: 9-1
Год: 2016
Страницы: 48-57
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

водозаборная скважина, трубы НПВХ, строительство скважин, устройство скважин, искривление скважин, буровой раствор, water well, UPVC pipe, well construction, borehole drilling, the curvature of the wells

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Статья содержит информацию о практическом опыте использования труб из непластифицированного поливинилхлорида (НПВХ) для строительства водозаборных скважин на примере работы компании «АкваСтройМонтаж» ─ одного из основоположников этой технологии на Северо-Западе Российской Федерации. Подробно рассказано о становлении технологии: предпосылках ее появления, трудностях которые пришлось преодолевать в процессе внедрения, полученном экономическом эффекте и целом комплексе внеэкономических преимуществ.

Текст научной статьи

Использование обсадных труб из непластифицированного поливинилхлорида (НПВХ) в строительстве водозаборных скважин способствует ускорению работ, снижению себестоимости водозаборных скважин, уменьшению влияния на качество работ т. н. «человеческого фактора» и приносит много других преимуществ. Роль подземных вод в обеспечении населения питьевой водой постоянно возрастает [3, 22-28]. Во многом это является следствием растущего загрязнения поверхностных водных источников. Набирающая силу во многих странах тенденция дезурбанизации сопровождается развитием загородного домостроения и, как следствие, увеличением роли автономного водоснабжения, главный способ устройства которого ─ использование подземных вод. Более масштабному вовлечению в хозяйственный оборот подземных вод способствует совершенствование технологии бурения. За последние три десятилетия в мире пробурено более 300 млн водозаборных скважин. Только в США ежегодно вводится в эксплуатацию около одного миллиона [5, 1-2]. Внедрение инновационных технологий их строительства с использованием прогрессивных технологий и материалов ─ объективное требование сегодняшнего и в еще большей степени завтрашнего дня. В России буровые технологии традиционно пользуются мощной научной поддержкой. Но это справедливо, главным образом, для нефтегазовой и горнодобывающей отраслей. Интерес науки к бурению водозаборных скважин намного скромнее. Но и здесь реализуются новые технические решения и происходят технологические прорывы, инициированные усилиями практиков-производственников, нередко внедряющих инновации на свой страх и риск. Начало использования обсадных труб из НПВХ на Северо-западе России. Очевидные преимущества и неочевидные пути их реализации Вплоть до 2010 г. буровые компании, работающие в Ленинградской области, при строительстве водозаборных скважин применяли почти исключительно стальные трубы. Автора этой статьи, на тот момент только получившего университетский диплом инженера-гидролога, заинтересовала информация об использовании за рубежом обсадных труб из НПВХ. Первое заочное знакомство с обсадными НПВХ-трубами дало основания предполагать, что замещение ими стальных труб - дело чрезвычайно перспективное. Сравнение рыночных цен на пластиковые и стальные трубы свидетельствовало о том, что отказ от «стали» в пользу полимерных материалов приведет к заметному уменьшению капитальных затрат, поскольку важнейшей расходной статьей при строительстве скважин являются именно затраты на материалы, главное место среди которых занимают обсадные трубы (см. табл. 1). Этой таблицей, составленной на основе практического опыта буровых компаний, а также государственных сметных нормативов, включающих государственные элементные сметные нормы (ГЭСН-2001), федеральные единичные расценки (ФЕР-2001), сборники сметных цен на материалы (ФССЦ-2001), можно воспользоваться для оценки экономического эффекта от внедрения труб из НПВХ. Таблица 1 Примерное распределение затрат при бурении водозаборных скважин №№ Статьи затрат Удельный вес затрат, % 1. Основные и вспомогательные материалы - в т.ч. трубы обсадные 20-24 - химические реагенты 0,5-1,5 2. Расходы на буровой инструмент 6-8 3. Транспортные расходы, включая перевозку вахт 10-12 4. Затраты на топливо, электро- и теплоэнергию 4,0-6,0 5. Амортизация оборудования, ремонт оборудования и инструмента, запасные части 10-12 6. Заработная плата и социальное страхование 10-12 7. Охрана окружающей среды 1,5-2,5 8. Прочие 29-31 Как показывает обзор рынка, стоимость одного метра стальной обсадной трубы составляет от 800 до 1600 рублей. Тогда как один метр трубы из НПВХ стоит от 350 до 450 руб. Т. е. можно говорить о соотношении цен 1:2 в пользу труб из НПВХ. В абсолютных цифрах это позволяет говорить об экономии при длине обсадной колонны 100 м примерно 40-100 тыс. рублей или 120-300 тыс. рублей ─ при глубине скважины 300 метров. (В 2010 г. абсолютные значения цен были другими, но их соотношение таким же). Эффект от замены стальных обсадных труб на трубы из НПВХ можно определить, используя универсальную формулу расчета экономической эффективности: (1), где: Эм - экономия текущих издержек производства; Нм и Нпл - нормы расхода труб, соответственно, стальных и из НПВХ; Цм и Цпл - цена 1 п. м стальных и пластиковых труб; Км и Кпл - коэффициент использования стальных и пластиковых труб; Q - суммарный объем используемых труб (зависит от глубины скважины). Использование обсадных труб из НПВХ помимо снижения себестоимости скважин дает и другие преимущества. Существенно увеличивается скорость строительства скважин, а значит, производительность буровых компаний за счет значительного сокращения времени выполнения заказов. Уменьшается потребность в тяжелом ручном труде и влияние человеческого фактора, например, на качество трубной резьбы, низкое качество которой служит причиной обрывов буровых колонн. Обсадные трубы из НПВХ для водозаборных скважин отличает высокая функциональность, они экологичнее стальных (в подаваемой ими воде отсутствуют даже намек на ржавчину). Еще одно очевидное преимущество труб из НПВХ ─ упрощающее логистику снижение массы: сокращаются время и стоимость их доставки, появляется возможность отказаться от использования тяжелых транспортных средств. Значительно более низкая масса труб из НПВХ по сравнению со стальными приводит к существенному снижению транспортных расходов, занимающих важное место в себестоимости строительства скважин (табл. 1). Если сравнивать близкие по своим геометрическим размерам (а значит, и по эксплуатационным параметрам) используемые чаще других для строительства водозаборных скважин обсадные стальные трубы с наружным диаметром 127 мм и обсадные трубы из непластифицированного поливинилхлорида с наружным диаметром 125 мм, - пластиковые примерно в шесть раз легче. Масса 1 п. м. стальной трубы с толщиной стенки 6,4 мм составит 19,1 кг [2, 10], а 1 п. м. трубы НПВХ со стенкой толщиной 6,0 мм ─ почти в шесть раз меньше ─ 3,37 кг [9, 5]. Таким образом, разница в весе одного метра обсадной колонны составляет 15,83 кг, при глубине скважины 100 м ─ свыше полутора тонн, а в 300-метровой скважине ─ 4749 кг. Таблица 2 «Геометрические размеры и масса стальных обсадных труб» [2, 10]. Наружный диаметр, мм Толщина стенки, мм Внутренний диаметр, мм Масса 1 м, кг 127 5,6 115,8 16,7 127 6,4 114,2 19,1 127 7,5 112,0 22,1 127 9,2 108,6 26,7 127 10,2 106,6 30, 7 Таблица 3 «Геометрические размеры и масса обсадных труб из НПВХ» [9, 5]. Наружный диаметр, мм Толщина стенки, мм Масса труб из НПВХ, кг L=1000 мм L=2000 мм L=3000 мм L=4000 мм 125 5,0+0,9 3,0 5,8 8,6 11,4 125 6,0+0,9 3,37 6,73 10,10 13,46 125 7,5+1,0 4,3 8,5 12,6 16,7 В поисках верных решений Компания «АкваСтройМонтаж» приступила к освоению технологии строительства водозаборных скважин с использованием обсадных труб из НПВХ одной из первых в стране; успешного опыта, на который можно было бы опереться, у российских буровых компаний на тот момент не было. Поэтому оставался единственный путь ─ метод проб и ошибок. Помимо труб из НПВХ в компании «АкваСтройМонтаж» пробовали использовать обсадные трубы из других полимерных материалов ─ полиэтилена и полипропилена. Но, как показал опыт, область их применения ограничена скважинами глубиной до 30 метров. Трубы из НПВХ, будучи намного прочнее других пластиковых труб, имеют общее с ними свойство ─ они намного требовательнее к геометрии ствола, чем стальные. Поэтому при бурении ствола необходимо обращать пристальное внимание на неровности и колебания величины диаметра. Для бурения ствола (или прокола) скважин под трубу из НПВХ, как до этого для стальных труб, в компании «АкваСтройМонтаж» использовали шарошечные долота диаметром 151 мм. Но уже начиная с глубины 30 м, отмечались трудности при опускании (погружении) труб из НПВХ в скважину. И это, несмотря на то, что диаметр пластиковых составлял 125 мм, а у стальных он даже несколько больше ─ 127 миллиметров. Но стальные трубы в отличие от пластиковых легко погружалась в прокол даже под собственным весом. При необходимости, на стальную трубу можно надавить, ударить ее или протолкнуть, тогда как, в отношении пластиковых труб подобные «технологические приемы» недопустимы категорически. Стало очевидным, что одной из главных причин плохой «проходимости» пластиковой трубой прокола являются его нестабильная геометрия и непостоянство диаметра. При наличии отличных от вмещающих пород по своим физико-механическим параметрам различных включений ─ он может сужаться. Под воздействием бурового инструмента грунт становится более подвижным, вспучивается, наблюдается выпадение его отдельных фрагментов. Непреодолимым препятствием для обсадных пластиковых труб становились сместившиеся и потому меняющие конфигурацию стенок ствола скважины валуны, галька, гравий. И таких проблемных участков на глубинах до 100 метров иногда встречалось не менее 5-6. Внимательное изучение опыта зарубежных коллег показало, что даже в США, где накоплен огромный опыт устройства водозаборных скважин с трубами из НПВХ, их строят преимущественно в твердых скальных и близких к ним по свойствам породах. А эффективной методики строительства в породах подвижных, не «держащих форму» ствола, не разработано. Было решено попробовать бурить «с запасом», используя шарошечные долота диаметром 161 мм. Альтернативный вариант ─ не менять диаметр прокола, устанавливая в стволе скважины обсадную трубу меньшего наружного диаметра, ─ не рассматривался, поскольку он чреват возникновением проблем с размещением насосного оборудования. Переход с распространенного диаметра шарошечного долота диаметром 151 мм на менее «ходовые» 161 мм не был безболезненным. Возникли организационные сложности с комплектацией оборудования режущим инструментом, а самое главное ─ выросли расходы. И не только на инструмент, но и на буровой раствор и топливо. Трудоемкость работ увеличилась, а скорость бурения и, соответственно, производительность упали. И все равно, изменение диаметра прокола до 161 мм проблему не решило ─ в прокол большего диаметра труба из НПВХ все равно «шла» с огромным трудом. Увеличивать диаметр прокола еще больше было признано нецелесообразным, поскольку положительный эффект это не гарантировало, а увеличивавшиеся расходы, свели бы на нет преимущества от замены стальных труб на пластиковые. Определение оптимального состава бурового раствора Одним из путей решения проблемы плохой проходимости прокола является укрепление его стенок буровым раствором. В компании «АкваСтройМонтаж» как и во многих других буровых компаниях в качестве бурового раствора применяли водный раствор обычной кембрийской венской глины. Но при бурении скважин для труб из НПВХ требовался более совершенный состав. Рассматривалась возможность предотвращения разбухания и разрушения стенок скважины с помощью полимерных добавок, однако было принято во внимание, что использование целого ряда полимеров ограничено, поскольку при большой их концентрации растворы становятся чересчур вязкими, и теряют технологичность [1, 99-108]. На вооружение был взят опыт горизонтального направленного бурения (ГНБ). Учитывалась «классическая» зависимость скорости бурения (vм) от расхода промывочного раствора (Q) (рис. 1) и рекомендации по оптимальному содержанию различных компонентов в буровых растворах в зависимости от свойств породы. Рис. 1. Влияние расхода бурового раствора Q на скорость бурения Vм Были внимательно изучены рекомендации производителей буровых растворов (рис. 2). Рис. 2. Оптимальное соедержание отдельных компонентов бурового раствора в зависимости от состава пород (по данным компании «Союзоптохим») Кроме того, поскольку скорость проходки скважины зависит от степени очистки забоя скважины, принималась во внимание способность бурового раствора удалять буровой шлам (рис. 3). Рис. 3. Зависимость изменения механической скорости проходки vM от осевой нагрузки Рд и наличия шлама в буровой скважине На рис. 3 кривая 1 соответствует бурению при полной очистке забоя скважины; кривая 2 ─ когда зашламление не превышает 1/4 высоты самых низких зубцов шарошек; кривая 3 - бурению при неудовлетворительной промывке скважины. В результате изучения большого объема специальной информации было решено попробовать использовать бентонитовую глину, легко растворяющуюся в воде и увеличивающуюся при соприкосновении с ней в 7-8 раз. Было приобретено несколько десятков килограммов состава, изготовленного на основе бентонитовой глины наиболее высокого качества, добываемой в США. Положительный эффект от его применения оказался очень высоким, хотя и стоимость ─ значительно выше чем у «обычной» кембрийской глины. Скважины любой глубины даже сутки спустя после извлечения бурового снаряда сохраняли стабильную форму, что позволяло легко заводить в них трубы из НПВХ. Устойчивый положительный эффект был достигнут после экспериментирования с добавлением в буровой раствор на основе бентонитовой глины различных специальных присадок ─ биоцидов, модификаторов реологических параметров, понизителей фильтрации, разжижителей, структурообразователей, стабилизаторов смазывающих добавок. Благодаря этому были достигнуты требуемые удерживающая и несущая способности раствора при бурении. Подбор загустителей и понизителей фильтрации, регулирующих вязкость раствора, позволил снизить расход бентонита и обеспечить формирование на стенках ствола скважины прочной и эластичной корки, гарантирующей устойчивость даже плывунов и обводненных песчаников. Наличие присадок в растворе бентонитовой глины улучшило очистку ствола скважины и предотвращение налипания мелких частиц на буровой инструмент, стимулировало вынос выбуренной породы. Выбор режима бурения Но только использованием качественного бурового раствора проблему монтажа труб из НПВХ решить не удавалось. Часто погружаемая в скважину труба из НПВХ, подойдя к отметке 60-80 метров, начинала «пробуксовывать». Так получалось потому, что, в этом месте, ствол скважины искривлялся. Это подтверждало повторное бурение зубчатой коронкой, ─ именно здесь бур начинал бурить фактически заново, стремясь «выпрямить» уклонившийся от прямолинейной траектории ствол. Искривление скважин ─ сложная проблема, неизбежно возникающая перед компаниями, осваивающими технологию использования обсадных труб из НПВХ. Трубы НПВХ гораздо требовательнее к геометрии ствола, чем стальные, и поэтому необходимо обеспечить минимизацию нарушений геометрии прокола. Вообще, допустимый радиус кривизны водозаборных скважин определяют, учитывая, как минимум, три фактора: 1. проходимость инструмента и оборудования по скважине; 2. исключение разрушения стенок скважины в процессе операций спуска и подъема; 3. напряжение в трубах, вызываемое изгибом в искривленных интервалах, не должно превышать допустимых. В первом случае допускается минимальный изгиб, но без остаточных деформаций. В случае принудительного спуска, между инструментом и стенками скважины должен быть зазор 1,5-3,0 мм. Минимальный радиус кривизны Rmin1 вычисляют по формуле (2), где L ─ длина спускаемого инструмента, м; d ─ его диаметр, м; D ─ диаметр скважины или внутренний диаметр соответствующей обсадной колонны в зависимости от исходных условий расчета, м; k ─ необходимый зазор, м. Рис. 4. Зависимость Rmin1 для разных диаметров ствола скважины Параметры второго условия рассчитывают по формуле: (3), где P ─ натяжение бурильной колонны при подъеме инструмента, кН; l ─ расстояние между замками, м; Fдоп ─ допустимая сила прижатия замка к стенке скважины, кН. На глубинах до 1000 м Fдоп = 10 кН, крепких породах Fдоп может достигать 40-50 кН. Третье условие математически отражает соотношение (4), где E ─ модуль упругости, МПа/мм2; d ─ наружный диаметр труб, мм; [Sизг] ─ допустимое напряжение изгиба, МПа/мм2 . Сравнив минимальные радиусы выбирают наибольший, по которому и ведут дальнейшее проектирование. Для обсадных труб из НПВХ, несмотря на их высокую механическую прочность на сжатие и растяжение, искривление прокола, приводящее к значительным деформациям при погружении труб, недопустимо. В местах значительных искривлений затрудняется спуск обсадных колонн. Проявляются и другие отрицательные эффекты: усложнение контроля нагрузки на долото, снижение межремонтного периода (МРП) насосного оборудования и т. д. [4, 4-6]. Искривление скважин в процессе бурения может обуславливаться различными причинами: геологическими, технологическими, техническими. Геологические факторы ─ это, прежде всего, текстура и структура горных пород, условия залегания их слоев. Так, например, при увеличении частоты чередования пород различной твердости интенсивность искривления скважины возрастает [8, 12-24]. Способ бурения, правильность установки бурового станка, форма размещения и выход резцов, диаметр скважины, способ создания осевой нагрузки на забой ─ относятся к техническим факторам. Технологические факторы обусловлены технологией бурения: величиной осевой нагрузки на долото, частотой его вращения, расходом и качеством бурового раствора, способом бурения. Так, наибольшее искривление скважин имеет место при вращательном способе бурения [8, 30-32]. Выявлены различные закономерности влияния технико-технологических факторов на искривление буровых скважин. Например, оно зависит от числа шарошек или лопастей долота. Имеет значение конструкция долота ─ долота шарошечного типа в большей степени способствуют искривлению, чем долота режущего типа. Тип и конструкция долота больше влияют на интенсивность искривления прокола, а не на его направление. Стремясь предупредить искривление скважин, особое внимание следует обращать на величину осевой нагрузки на долото и число оборотов. Дело в том, что эти параметры крайне важны для производительности бурения. А, как известно, затраты на бурение и крепление скважин зависят от продолжительности бурения. Рост скорости бурения поэтому ─ наиболее очевидный способ снижения себестоимости скважин. Зависимость скорости бурения от осевой нагрузки на долото определяется свойствами горных пород (рис. 5). Рис. 5. Зависимость скорости бурения (vм) от осевой нагрузки G для различных пород: 1 ─ мягкие породы; 2 ─ породы средней твердости; 3 ─ твердые породы; 4 ─ крепкие породы Стремление повысить производительность при бурении шарошечными долотами вынуждает бурильщиков форсировать режим бурения за счет повышения осевой нагрузки, ведь чем больше осевая нагрузка, тем выше механическая скорость бурения. Идеальная кривая (в данном случае ─ прямая) зависимости механической скорости проходки от осевой нагрузки на долото выглядит следующим образом (рис. 6). Рис. 6. Зависимость механической скорости проходки от нагрузки на долото Больше соответствует реальности кривая имеющая более сложный вид (рис. 7). Участок Оа соответствует поверхностному разрушению породы, а участки ab и bс - усталостно-объемному и объемному, соответственно. Рис. 7. Зависимость механической скорости проходки от осевой нагрузки на долото Зависимость механической скорости проходки от угловой скорости вращения долота показана на рис.8: Рис. 8. Зависимость механической скорости проходки от угловой скорости вращения долота Как известно, эмпирическим путем была получена зависимость механической скорости бурения v от нагрузки на долото G и частоты его вращения n: (5) , [10, 248] где значения a, x и y определяются свойствами пород. Например, при турбинном бурении в породах каширской свиты x = 0,7; y = 1,1; а = 0,0024 [6, 2-3]. Процесс искривления с повышением осевой нагрузки нарастает, поскольку увеличивается действующая на долото отклоняющая сила, и увеличивается степень перекоса относительно оси скважины [7, 27]. Кроме того, повышение осевой нагрузки на долото, усиливает разработку стенок скважины, что также приводит к более интенсивному искривлению ствола. Именно с такой проблемой столкнулись в компании «АкваСтройМонтаж». На профессиональном это называется «задавливание» ─ чрезмерная, не соответствующая крутящему моменту бурового инструмента, нагрузка на забой скважины. Чтобы решить эту проблему, бурение стали производить без дополнительной, создаваемой гидравликой нагрузки (т. н. бурение «с навеса»). Еще одной причиной искривления ствола скважины может стать встретившееся на пути бурового инструмента препятствие в виде камня, например. Оптимальный способ преодолеть его, ─ аккуратно выпилить буровой коронкой, а затем продолжить бурение с помощью шарошечного долота. Опыт компании «Аквастроймонтаж», о котором рассказано в этой статье, наглядно подтверждает, что в России при строительстве водозаборных скважин все более широко используют обсадные трубы из НПВХ. И что эта, обладающая огромным потенциалом инновационная технология приносит множество преимуществ как производителям, так и заказчикам.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.