[ А.Г. МИЛЮТИН
Н.К. АНДРОСОВА
И.С. КАЛИНИН
ОСНОВЫ ДИПЛОМНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
(БУРЕНИЕ СКВАЖИН. ГЕОЭКОЛОГИЯ)
Под редакцией доктора геолого-минералогических наук
профессора А.Г.Милютина
Рекомендовано УМО по геологическому образованию в инженернотехнических вузах в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению “Геология и разведка МПИ” (Прикладная геология”), специальностям-”Технология и техника разведки МПИ”, “Геологическая съёмка, поиски и разведка МПИ” Москва 2001 Рецензенты:
УДК А.Г. Милютин, Н.К. Андросова, И.С. Калинин Основы дипломного проектирования.
(Бурение скважин. Геоэкология) - Учеб. пособие для вузов./Под ред. А.Г.
Милютина. - М.:2001.
Кратко изложены основные положения дипломного проектирования по специализациям “Технология и техника бурения скважин” и “Геологопромышленная экология”.
Приводятся тематика работ, рекомендации по составлению к ним проектных заданий, общий перечень исходных данных и по каждой специализации учебно-методические рекомендации к проектным разработкам, их экономическому обоснованию и специальным частям.
В проектной части рассмотрены:
• по бурению скважин- технические средства и технология бурения нефтегазоносных скважин (выбор конструкции скважины, способов бурения, бурового оборудования, типа долот, колонковых наборов, промывочной жидкости; вопросы безопасности жизнедеятельности);
• по геоэкологии - эколого-геохимические, -геофизические, инструментальные и -картографические методы, включая аэрокосмические наблюдения и литомониторинг. Для общих специализаций рассматриваются вопросы рационального недропользования и охраны окружающей среды.
Для студентов вузов, обучающихся по направлению “Геология и разведка полезных ископаемых” (Прикладная геология”). Пособие также может быть полезным студентам горных специальностей при написании разделов буровой и экологической профилизаций.
Компьютерный набор и верстку выполнила Баранова Т.И.
Предисловие Кафедра “Охраны недр и рационального природопользования” Московского государственного открытого университета в течение более полувека выпускает горных инженеров по специальностям “Геологическая съёмка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых” и “Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых”. С 90-х годов прошлого века в связи с возросшей потребностью в инженерных кадрах бурового и геоэкологического профиля в рамках указанных специальностей кафедра ведёт подготовку горных инженеров по специализациям “Геолого-промышленная экология” и “Технология и техника бурения скважин”. В процессе обучения по циклу дисциплин обеих специализаций были разработаны и опубликованы рабочие программы, методические к ним указания, задания на курсовое и дипломное проектирование [3,5,15,16,17,27,35].
Кроме того, по профилирующим геоэкологических дисциплинам вышли в свет обзорные лекции и учебные пособия [2,4,36].Синтезированное содержание этих публикаций нашло отражение в данной работе.
Буровая профилизация направлена на подготовку горных инженеров в основном для нефтегазодобывающей промышленности, в которой наибольшее экологическое загрязнение окружающей среды приходится на технологические отходы бурения, в особенности при разведке и эксплуатации залежей нефти и газа. Эти обстоятельства сближают по значимости экологических проблем рассматриваемые специализации.
Общеизвестна всевозрастающая роль экологии в жизнедеятельности человечества. Поэтому по словам И.И. Мазура, О.И. Молдованова [29], образование и воспитание будущего специалиста должно строиться на принципах экологического мышления. Специфика экологических проблем в различных отраслях промышленности требует дифференцированного подхода к их рассмотрению. Экстремальные проблемы экологии проявляются в тех отраслях, которые связаны с недропользованием.
Поэтому одной из первых экологических специализаций, предусмотренных учебными планами горно-геологических вузов, стала “Геолого-промышленная экология”, утвержденная советом УМО по геологическому образованию в инженерно-технических вузах Российской Федерации от 04.02.1995г.
В процессе подготовки горных инженеров по обеим специализациям авторы убедились в необходимости издания выполненных ими учебно-методических разработок в качестве учебного пособия по дипломному проектированию.
Концептуальные положения дипломного проектирования Их следует рассматривать, с одной стороны, как общие требования к организационным вопросам, тематике работ и проектным заданиям, с другой стороны, в качестве рекомендаций к содержанию, оформлению и макетированию текстовых и графических материалов.
Период дипломного проектирования начинается после завершения обучения по всем дисциплинам, предусмотренным учебным планом (графиком), сдачи государственного экзамена по специальности или специализации, прохождения преддипломной практики и получения зачета по представленным в форме отчета исходным для проектирования материалам. Преддипломная практика студента, работающего по специальности обучения, может ограничиться сбором материалов по месту его работы.
Затем возникает вопрос: чему отдать предпочтение – дипломному проекту или дипломной работе? Как правило, выбирается первый. Право на выполнение дипломной работы должно быть обосновано на кафедральном уровне. При этом учитываются специфика трудовой деятельности студента, результаты его учебы по специальным дисциплинам, наличие элементов научного поиска в различных отчетах и публикациях с его участием.
Тематика дипломных проектов (работ) Для специализации ''Геолого-промышленная экология'' Региональное геоэкологическое изучение территорий РФ:
• при геолого-геофизических исследованиях масштаба 1: (1:5000000);
• при создании и обосновании геохимической основы в масштабе 1:1000000 (1:500000);
• при геофизических, геолого-съемочных, гидрогеологических и инженерно-геологических работах в масштабе 1: (1:100000);
• геоэкологическое картографирование в масштабах 1: (1:100000);
• экологическое картографирование в масштабах 1: (1:100000).
Среднемасштабное геоэкологическое изучение территорий РФ:
• подготовка эколого-геофизической основы масштаба 1: (1:25000);
• создание эколого-геохимической основы масштаба 1: (1:25000);
• экологические исследования при геолого-съемочных работах масштаба 1:50000 (1:25000) с общими поисками;
• геоэкологическое картографирование в масштабе 1: (1:25000);
• экологическое картографирование в масштабах от 1:50000 и крупнее.
Геоэкологические исследования при поисковых и поисковооценочных работах:
• при подготовке геофизической или геохимической основы для поисков;
• при поисковых работах;
• при поисково-оценочных работах.
Геоэкологические исследования на разведочных стадиях • на стадии предварительной разведки;
• на стадии детальной разведки;
• на стадии доразведки месторождения в целом или его части (отдельных участков, флангов, глубоких горизонтов и т.д.) Геоэкологические исследования при эксплуатационной разведке и отработке определенного месторождения:
• при опережающей эксплуатационной разведке;
• при сопровождающей горнопроходческие и очистные работы эксплуатационной разведке;
• при отработке запасов подземным или открытым способом;
• при отработке запасов нетрадиционными способами (подземного выщелачивания или растворения, биотехнологическими и др.) Экологизация процессов разведки или эксплуатации конкретного месторождения.
Влияние на экологию района функционирования конкретного горно-, нефте-, газо-, угле-, торфо-, сланце-, соле- или другого добывающего предприятия.
Геоэкологическая реконструкция нарушенных земель и ландшафтов:
• нарушенных в процессе эрозии и дефляции;
• в результате техногенного воздействия горнодобывающей, нефтегазовой и других минерально-сырьевых отраслей.
Геоэкологический паспорт какого-либо месторождения на определенной стадии геологоразведочных работ или при его эксплуатации.
По инициативе дипломника или его руководителя, или по заказу предприятия тема дипломного проекта (дипломной работы) может не отвечать предложенному выше перечню. Разумное экологическое обоснование темы – вот главный критерий ее выбора. И следует помнить- экологическую достаточнось не следует подменять экономической целесообразностью или производственной необходимостью.
Для специализации ''Технология и техника бурения скважин'' В зависимости от содержания собранного материала, места работы дипломника и типа предприятия дипломные проекты могут выполнятся по следующим темам:
• Технология бурения разведочной скважины на нефть (газ) глубиной (м) на горизонт (№) на месторождении (название).
• Технология бурения разведочной наклонно направленной скважины на нефть (газ) глубиной (м) на горизонт (№) на месторождении (название).
• Технология бурения эксплуатационной скважины на нефть (газ) глубиной (м) на горизонт (№) на месторождении (название) • Технология бурения эксплуатационной наклонно направленной скважины на нефть (газ) глубиной (м) на горизонт (№) на месторождении (название).
• Строительство куста эксплуатационных нефтяных скважин на горизонт (№) на месторождении (название).
По согласованию с руководителем возможны и другие темы дипломных проектов.
Для специализации ''Геолого-промышленная экология''.
Геоэкологические исследования могут сопутствовать геологоразведочным работам или иметь другие целевые назначения, связанные со спецификой эксплуатации месторождений полезных ископаемых.
Прежде всего следует определить объект геоэкологических исследований. Исходя из стадийности геологоразведочных работ, геоэкологическое изучение территорий Российской Федерации осуществляется на региональном и среднемасштабном уровнях, при проведении поисков, поисково-оценочных и разведочных работ.
На региональном уровне такими возможными объектами являются территории, на которых предусматривается проведение региональных геофизических, геолого-съемочных, гидрогеологических и инженерногеологических работ или создание и обновление геохимической основы в масштабах 1:100000-1:500000 и 1:200000 (1:100000).
Кроме того, начиная с 90-х годов на территории России проводится государственное мелкомасштабное экологическое картографирование.
Геоэкологические исследования на региональном уровне охватывают территории от n103 до n104 км2. В геоэкологическом задании необходимо перечислить методы (виды) исследований; указать их цель и задачи, единицы измерения (км2 площади, точки наблюдений и др.), предельный норматив стоимости (руб./км2 площади).
В завершение проектного задания на геоэкологические исследования регионального уровня приводятся ожидаемые конечные результаты: экологические, эколого-геологические, геофизические и геохимические гидро- и инженерно-экологические, карты и схемы, а также природные и техногенные оценочно-экологические показатели подлежащих изучению территорий.
Геоэкологические исследования при среднемасштабном – 1: (1:25000) изучении территорий РФ, общих поисках и на последующих стадиях геологоразведочных работ имеют локальный уровень. На разведочном этапе, в особенности на завершающих стадиях разведки, а также при разработке месторождений полезных ископаемых детальность экологических наблюдений повышается; они переходят на точечный (импактный) уровень, обеспечивающий выявление источников поступления в горно-геологическую среду загрязняющих веществ.
Цель и задачи проекта должны быть направлены на экологизацию* объекта, и процессов его разведки и эксплуатации. Кроме единиц измерения, указанных для регионального уровня, рекомендуется приводить требуемые затраты на экологические исследования на единицу ожидаемых запасов полезных ископаемых прироста или перевода разведанных запасов различных категорий в установленных соотношениях (руб/тыс.т):
• при предварительной разведке - С2+С1;
• для детальной разведки и доразведки - А+В+С1+С2.
При эксплуатационной разведке и отработке месторождения экологические затраты следует относить на единицу погашенных запасов.
На стадии проектирования.
*Экологизация - это процесс последовательного внедрения систем технологических, управленческих и др. решений, позволяющих повышать эффективность использования естественных ресурсов и условий сохранения качества природной среды {30 }.
При разработке месторождения необходимо указать удельные экологические затраты на единицу производственной мощности предприятия по добыче полезного ископаемого.
Ожидаемый конечный результат проекта выражается в положительном прогнозе сохранения или улучшения экологической безопасности объекта и предусматриваемых технологических процессов его изучения и освоения.
Для специализации “Технология и техника бурения скважин” Формулировка геологического задания должна включать определенные цели геологоразведочных работ, обоснование проектируемой стадии геологических исследований, пространственные границы их проведения (по площади и на глубину), основные методы исследования и ожидаемые результаты (прирост запасов по видам полезных ископаемых и категориям запасов, задания по выявлению прогнозных ресурсов), наименование объекта исследования, планируемые сроки выполнения работ.
При бурении скважин на нефть и газ основные исходные данные для разработки проекта приведены в разделе 2.1.
Макет дипломного проектирования Рубрикация Наименование частей Наименование Список использованной литературы.
Объем текста –75-110 стр. Колличство демонстрационной графики –6-8 листов Основой этого раздела является макет дипломного проектирования (табл.1), отражающий его содержание и структуру. В нем выделяются две основные части: общая и проектная.
В первой из них рассматриваются общие для обеих специализаций исходные данные проектирования. Во второй части предусматривается:
для специализации “Технология и техника бурения скважин” проектирование технических средств и технологии бурения нефтегазоносных скважин; для специализации “Геолого-промышленная экология” - проектирование методов геоэкологических исследований.
В каждом проекте по актуальным, практически важным вопросам, разрабатывается специальная часть, название и содержание которой согласовываются с руководителем и консультантом. Она может рассматриваться как автономная часть-либо являться одним из разделов в контексте проектной части.
В целом все части и разделы проекта должны быть связаны единым планом, вытекающим из темы проекта, излагаться в последовательности их развития и взаимосвязи и сопровождаться иллюстративными приложениями, часть из которых оформляется в виде демонстрационной графики.
Расчетно-пояснительная записка проекта пишется от руки или печатается на компьютере через 1,5-2 интервала на одной стороне стандартного листа (210 297 мм) с оставлением полей по обеим сторонам текста. Размер левого поля 35 мм.
Следует соблюдать рубрикацию частей, разделов и подразделов проекта, принятую в данном пособии. Иллюстрации, именуемые рисунками, и таблицы размещаются сразу после ссылки на них в тексте с последовательной в пределах каждого раздела нумерацией. Например:
(рис. 2.1), (табл. 3.2). Рисунки должны иметь содержательные подрисуночные подписи, таблицы - надтабличные наименования. При ссылке на литературные источники приводится порядковый номер из списка использованной литературы, заключенный в квадратные скобки.
В математических выражениях необходимо разъяснять значение символов при первом их использовании и указывать размерности величин.
Фрмулы в пределах раздела последовательно нумеруются с указанием раздела через точку. Ссылки в тексте на номер формулы дают в скобках, например: “... в формуле (3.5)...”.
Демонстрационная графика выполняется на стандартных листах ватмана. Рамки поля чертежа проводятся на расстоянии 8 мм от обреза листа, в правом нижнем углу которого ставится печатный штамп факультета.
Все страницы проекта нумеруются в правой верхней части страницы арабскими цифрами с точкой. Нумерация должна быть сквозной от титульного листа до последней страницы, включая все иллюстрации (рисунки), таблицы и приложения. После титульного листа следуют проектное задание и оглавление, на которых номера страниц не ставится.
Учебно-методические разработки и рекомендации к макету (разделам) дипломного проектирования
ВВЕДЕНИЕ
Введение в дипломный проект или дипломную работу должно быть кратким, с четко изложенным обоснованием актуальности темы, ее направленности на экологизацию объекта недропользования, технологической и экономической результативности намечаемых исследований.Актуальность темы определяется увязкой ее цели и задач с научнотехническими или производственными программами различных уровней:
от федеральной и региональных до местных включительно.
Тематику по геолого-промышленной экологии следует разрабатывать в соответствии с приоритетными напрвлениями экологических исследований в Российской Федерации.
При проектировании буровых работ необходимо указать какая роль отводится прогресивным методам проходки нефтегазовых скважин в частности направленному бурению, подчеркнув при этом необходимость соблюдения правил безопасности и санитарно-экологических норм.
Затем приводятся данные о степени изученности и разведанности или стадии освоения объекта исследования, своем деловом отношении к нему; указываются источники получения исходных данных для проектирования, дается краткое обоснование темы специальной части.
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1.1. Административно-экономическое положение района Здесь приводятся общие сведения, перечень которых начинается с указания административного положения района и объекта проектирования и заканчивается кратким описанием состояния производительных сил:• наличие промышленных предприятий, их профиль и влияние на экологию;
• степень занятости населения в промышленности и землепользовании;
• природные ресурсы района, транспортные условия, топливноэнергетическая база.
1. 2. Ландшафтно-экологическая характеристика района.
Для слабо изученных и малоизвестных районов, отдаленных от экономически развитых центров, уместно привести климатические особенности, характеристику ландшафта почв, растительного и животного мира. Для этих и других районов требуется описать геоморфологию, орогидрографию, гидрогеологические и инженерно-геологические условия. Повышенное внимание следует уделить на наличие или степень вероятности проявления специфических факторов: сейсмичности, вулканизма, ветровых и водных стихий, цунами, оползне-, лавино-, селеопасности и других катаклизмов, а также абразии, криогенности, закарстованности и т.д.
1. 2.2. Техногенные факторы, связанные с недропользованием Техногенные факторы являются таксономическими видами в системе геоэкологических факторов недропользования.
В перечень объектов недропользования, при проектировании которых оценка воздействия на окружающую среду проводится в обязательном порядке, включены ресурсодобывающие предприятия, дифференцированные по видам полезных ископаемых, с годовой производственной мощностью по добыче (не менее):
• нефти - 500 тыс.т; газа - 500 млн.м3; угля - 100 тыс.т;
• металлических руд - 100 тыс.т; железной руды - 1млн.т.
Кроме того, в этот перечень входят объекты по разведке, добыче нефти и газа и лицензированным видам геологических изысканий, а также предприятия по крупномасштабной добыче неметаллических полезных ископаемых, особенно в акваториях [29].
В данном разделе дипломного проекта необходимо охарактеризовать техногенные факторы загрязнения окружающей среды, обусловленные проведением предшествующих проектированию стадий геологоразведочных работ или связанные на момент проектирования с технологией добычи и переработки полезных ископаемых.
При этом следует учитывать, что повышенную экологическую напряженность вызывают следующие факторы:
• нарушение земель при поисках, разведке и максимально при открытой добыче полезных ископаемых, а также подземных работах;
• возникновение техногенных ландшафтов (породных и рудных отвалов, хвостохранилищ), и как следствие, деградация природных ландшафтов, дефляция, дефростация, запыление воздуха, эрозия, загрязнение почв и водных ресурсов;
• в пределах эксплуатируемых месторождений, в особенности нефтегазоносных, может наблюдаться локальное усиление сейсмичности и опускание земной поверхности.
Проведение различных стадий геологоразведочных работ и последующих технологических процессов эксплуатации месторождений полезных ископаемых сопряжено с неизбежным нарушением ранее установившейся экологической обстановки. Поэтому необходимо составить предпроектную экологическую документацию объекта недропользования, включающую нормативные данные: по оптимизации степени изученности (разведанности) и рациональному использованию минеральных ресурсов; по предельно допустимым вредным нагрузкам на основные компоненты геологической среды.
Прежде всего, это касается вопросов согласования и утверждения документации в госгортехнадзоре, санэпиднадзоре и других организациях экологического профиля. В их компетенцию в частности входит выделение горного отвода, разрешение на ресурсопользование и контроль за ним, установление предельно допустимых экологических нагрузок, вызванных:
• выбросом вредных веществ в атмосферный воздух;
• промышленными и технологическими стоками;
• механическими нарушениями земель (формированием техногенного ландшафта);
• отрицательным изменением гидрологических и гидрогеологических режимов;
• природными геофизическими и техногенными физическими аномалиями (радиационными, тепловыми, электромагнитными, шумовыми и т.д.).
В общем виде инвентаризация и структура расчета указанных параметров и контроль за ними приводится в блок-схеме [30,т.1,рис71,72].
Применительно к геолого-промышленной экологии составление паспорта предусматривается:
• на разведочных стадиях;
• при передаче месторождения в эксплуатацию;
• при эксплуатации месторождения;
• при реконструкции добывающего предприятия, связанной с увеличением его производственной мощности или изменением технологии добычи и переработки руд;
• на отработку вторичных (техногенных) минеральных ресурсов;
• на консервацию месторождения.
Экологический паспорт месторождения на разведочных стадиях предусматривает освещение следующих вопросов:
• разделение минеральных ресурсов по видам (минералогическое, нефтегазоносное и др.);
• влияние геологоразведочных работ на природную среду (изменение ландшафтно-геохимической структуры в процессе разведочных работ, загрязнение природной среды атмосферными выбросами и сливами промышленной жидкости, техногенные нарушения растительного покрова и развитие неблагоприятных экзогенных процессов в криолитзоне-термокарст, термоэрозии и т.д );
• геохимический мониторинг среды и прогноз восстановления природного геохимического равновесия на участках проведения геологоразведочных работ;
• мероприятия по рекультивации земель и очистке вод;
• доля затрат на реконструкцию экосистемы от среднеотраслевой или рыночной стоимости единицы разведанных запасов или удельные экологические затраты на единицу разведанных запасов.
Экологический паспорт месторождения, передаваемого в эксплуатацию, включает ландшафтно-геохимические, горногеологические, инженерно-геологические, гидрогеологические, геокриологические, сейсмологические и другие факторы, изученные в процессе геологоразведочных работ. Кроме того, предусматривается ряд дополнительных мероприятий:
• разрабатывается системно-прогнозная математическая модель для определения качественных показателей минерального сырья, подлежащего добыче и переработке;
• пространственная и структурная дифференциация элементарных геохимических ландшафтов района освоения месторождения;
• комплексная геохимическая оценка ожидаемого воздействия проектируемых горно-металлургического или горнообогатительного, или горнодобывющего, или перерабатывающего комбинатов на природную среду;
• расчёт параметров санитарно-защитных зон карьеров и других объектов отработки месторождения;
• поглощение нефти и нефтепродуктов почвами;
• вероятность аварийных фонтанных выбросов газов и нефти;
• температурно-газовый режим окисляющихся руд и угля, меры предупреждения их самовозгорания;
• анализируются возможности возникновения эндогенных пожаров при системах разработки с закладкой;
• прорыв подземных термальных вод;
• ожидаемое загрязнение воздуха рабочей зоны, атмосферного воздуха, природных вод;
• вероятность возникновения стихийных бедствий (селей, оползней, снежных лавин, карстовых провалов, наводнений и т. д.).
В экономической части паспорта приводится уровень затрат на восстановление экосистемы относительно общих и удельных затрат, а также себестоимость руды, промпродукта обогащения, продукта металлургического передела или полезного ископаемого, направляемого непосредственно потребителю без предварительной переработки. Здесь предусматривается создание экологического фонда, размер которого определяется в процессе проектирования отработки месторождения. Его формирование и реализация начинаются с момента приобретения лицензии или права аренды на отработку месторождения и продолжается по мере погашения запасов и восстановления экосистемы.
Геоэкологический паспорт эксплуатируемого месторождения составляется при достижении предусмотренной проектом производственной мощности предприятия.
В нем определяется воздействие на природную среду механических, водных и воздушных миграционных потоков, связанных с перемещением и перераспределением горной массы на поверхности, промышленными стоками деятельности рудника, обогатительной фабрики, хвостохранилища, особенно при его разрушении; ветровой эрозией хвостохранилищ и отвалов. При этом предусматривается картографирование территорий с определением типов геохимических барьеров. Предусматривается рациональное использование подземных вод при разработке месторождений. На этой основе даётся геохимическая оценка техногенного загрязнения урбанизированной территории и прогноз характера развития экосистемы на период дальнейшей эксплуатации.
В паспорте предусматриваются мероприятия по охране окружающей среды для достигнутого уровня и современной технологии добычи и переработки минерального сырья, а также для условий прогнозируемой интенсификации добычи и переработки и комплексности использования сырья; анализируются затраты на экологию.
Другие геоэкологические паспорта месторождений определяются спецификой добывающего объекта недропользования, техногенных минеральных ресурсов и особенностями консервации месторождения. При реконструкции предприятия необходимо создавать новый геоэкологический паспорт.
В заключении раздела следует указать предельно допустимые концентрации (ПДК) компонентов в различных природных средах проектируемого объекта.
1.3. Геологическая основа проектирования.
1.3.1. Геология объекта недропользования Стратиграфо-формационная характеристика В данном разделе необходимо дать пояснение к геологической карте района или месторождения и стратиграфо-формационной колонке. В начале следует перечислить в возрастной последовательности, от древних к молодым, стратифицированные отложения, развитые на охваченной картой территории. Затем в той же последовательности привести краткое описание каждого стратиграфического подразделения: указать особенности распространения, химического состава и физических свойств пород, их соотношение с подстилающими отложениями и характер фациальной изменчивости. В завершение следует привести мощность отложений описываемого стратиграфического подразделения и факторы, по которым устанавливается их возраст.
Интрузивные и вулканические комплексы Здесь приводится характеристика интрузивных и субвулканических комплексов пород: их формы, размеры, петрогеохимический состав, положение в разрезе, характер контактов с интрудированными образованиями и приконтактовых гидротермально-метасоматических и метаморфических изменений. В этой связи следует рассмотреть роль магматизма в процессе рудообразования.
Геотектоника, геодинамика и минерагения Согласно геосинклинальной концепции и фиксистской модели основное различие наук геотектоники и геодинамики состоит в том, что первая изучает строение Земли в связи с ее общим направленным развитием, а вторая представляет науку о протекающих процессах в различных геосферах Земли. Поскольку геодинамические процессы обусловили формирование внутренних геосфер Земли, то логичным является выделение с позиций плейт-тектоники плит геодинамических обстановок, связанных с определенными эпохами реювинации континентальных плит. Такие обстановки определяют строение тектоносферы в различные геологические эпохи. Минерагения геодинамических обстановок обстоятельно изложена в монографии под редакцией Д.В. Рундквиста [40]. В ее адаптпции для учебных целей [34] с позиции тектоники плит рассмотрены геодинамические, реювенационные, фациальные, структурно-формационные геоморфологические и метасоматические факторы формирования и размещения месторождений различных генетических типов.
В реювенационных эпохах геодинамической эволюции Земли отражается история ее геологического развития. При характеристике молодых тектонических движений, обуславливающих геоморфологические особенности района, приводятся сведения о развитии рельефа в увязке с процессами неотектоники.
Структурно-формационные комплексы В этом разделе следует отметить продуктивные структурноформационные комплексы объектов недропользования. В начале дается характеристика складчатых структур, в которой указываются форма и размеры складок, простирание их осей, изменение углов падения на крыльях складок, степень асимметрии и дисгармонии, пространственных и возрастных взаимоотношений слагающих складки отложений. Затем описываются разрывные нарушения: масштабы их проявления, трещины отрыва и скола, элементы залегания и амплитуды смещения, особенности мелкоамплитудных разрывов.
Наиболее полно освещаются рудоконтролирующие и продуктивные структуры, роль складчатых и разрывных нарушений в формировании структурных ловушек, влияние локальных структур на морфологию и условия залегания рудопродуктивных и нефтегазоносных залежей.
Следует также уделить внимание пострудной тектонике, описанию микроструктур и составлению диаграмм трещиноватости.
Морфология тел полезных ископаемых и условия их залегания.
Продуктивные части месторождений, имеющие природные геологоструктурные границы или условные контуры, устанавливаемые по результатам опробования и кондиционным параметрам, образуют тела или залежи.
Следует описать их внутреннюю неоднородность по минеральному и химическому составу, изменчивость формы и условий залегания по простиранию и падению, вертикальный диапазон продуктивности залежей, характер выклинивания, присутствие обогащенных участков (полос, рудных столбов, гнезд), раздувов, безрудных интервалов или площадей, обуславливающих необходимость введения соответствующего коэффициента рудоносности.
Изменчивость параметров и элементы залегания тел полезных ископаемых отражаются на крупномасштабных картах и планах, разрезах и проекциях тел на вертикальную плоскость (при крутом падении) или горизонтальную плоскость (при пологом падении). Для плоских тел помимо азимутальных углов и угла падения необходимо учитывать возможный угол склонения, а для линейных тел угол ныряния. Угол склонения находит свое выражение на вертикальных проекциях, угол ныряния - на объемных моделях. Эти и другие вопросы морфологии тел полезных ископаемых подробно изложены в работах автора раздела [33,34].
Вещественный состав тел полезных ископаемых, их промышленногенетическая и структурно-формационная типизация В результате макро- и микроскопического изучения образцов и аншлифов руд выделяются этапы и стадии рудообразования, парагенетические минеральные ассоциации. Эволюцию процессов минералообразования рекомендуется изображать при помощи диаграмм последовательности выделения минералов.
Если на месторождении выделяются природные типы и сорта руд, то необходимо указать их минеральный и химический состав и типоморфные текстурно-структурные характеристики.
Далее нужно описать зону окисления: глубину ее распростронения и качественный состав, установленное фазовыми анализами соотношение оксидных, смешанных и первичных полезных минеральных компонентов.
Практически важными являются рекомендациями по технологии обогащения и переработки полезных ископаемых. С этой целью приводятся данные о содержании основых и сопутствующих компонентов, их фазовом составе, о наличии редких халькофилов и природе их связи с определенными ассоциациями, технической возможности и экономической целесообразности получения селективных концентратов и извлечения редких рассеянных металлов.
На основе структурно-формационного анализа с учетом геодинамических обстановок, изучения парагенетических минеральных ассоциаций, генетически типоморфных текстур и структур руд, околорудных изменений устанавливается генезис месторождения, принадлежность его к определенным промышленному и минеральному 1.3.3. Гидрогеология и инженерная геология Необходимо указать химический состав и свойства подземных вод, привести описание водоносных горизонтов, их статистические и пьезометрические уровни, определить ожидаемые притоки в горные выработки, предусмотреть гидрогеологические исследования на объекте недропользования и мероприятия по предотвращению возможного внезапного прорыва вод и затопления горных выработок.
Следует охарактеризовать инженерно-геологические условия и свойства грунтов проектируемого объекта недропользования, наметить соответствующие им исследования, особенно обратив внимание на изучение криолитзоны.
1.3.4. Результаты проведенных геологоразведочных работ В этом разделе следует кратко осветить ранее проведенные работы на объекте исследования и полученные результаты. Прежде всего, необходимо указать на какой стадии завершились работы, какие применялись методы, технические средства и ситемы разведки. Затем с учетом изменчивости свойств продуктивных залежей и условий их залегания оцениваются обоснованность принятых: ориентировки, формы и плотности разведочной сети, видов, способов и параметров опробования, технологии обработки проб. В завершение раздела необходимо охарактеризовать лабораторные испытания проб и контроль опробования, подсчет запасов полезных ископаемых, оценку точности подсчета и формы учета их движения, а также управление качеством минерального сырья.
Как известно, синтезирующим показателем геологопромышленной оценки твердых полезных ископаемых в недрах служат кондиции. Нужно отметить влияние величин кондиционных параметров объекта недропользования на его экологизацию. Особое внимание уделив при этом роли производственных кондиций в технологической цепочке перехода полезного ископаемого из недр в товарную руду. Ответы на эти вопросы приводятся в учебнике автора этого раздела [33].
1.3.5. Геофизические исследования нефтегазовых скважин Этот раздел касается в основном дипломников буровой профилизации. В нем приводится характеристика применявшихся геофизических методов, описываются техника их проведения, интерпретация полученных данных, выделение реперов, коллекторов, продуктивных пластов, определение их толщины, коэффициентов открытой и эффективной пористости, нефтегазонасыщенности, нефтеотдачи, и других параметров. В завершение приводятся типовые каротажные диаграммы по комплексу геофизических исследований в пробуренных скважинах.
ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ
Содержание этой части зависит от проектного задания, в котором определены тема, цель и задачи проекта или дипломной работы. Ее основу составляют:По специализации “Технология и техника бурения скважин”проектирование технических средств и технологических параметров бурения скважин: выбор конструкций скважин, способов бурения, бурового оборудования и нструмента, типов долот и колонковых наборов, состава промывочной жидкости, разработка режима бурения, вопросы экологии и безопасности жизнедеятельности при бурении скважин.
По специализации “Геолого-промышленная экология”проектирование геоэкологических методов исследований. Кроме того по каждой специализации раздельно разработаны рекомендации по специальности и организационно-экономическое или экологоэкономическое обоснование проектируемых работ.
2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕКСИХ СРЕДСТВ И
ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН
Буровые скважины применяются для решения большого комплекса задач в народном хозяйстве и при проведении различных научноисследовательских работ.Диаметр скважин изменяется от 26 до 1500 мм, а в некоторых случаях, например, при бурении под шахтные стволы – до nm до n103 м.
Глубина скважин варьирует в пределах от nм до n103. Самой глубокой скважиной в мире является Кольская сверхглубокая скважина – 12263м.
Бурение скважин осуществляется с земной поверхности, из подземных горных выработок, с акваторий и дна различных водоемов (рек, морей и океанов) проводилось, с поверхности Луны, а в дальнейшем - с поверхности других планет.
По целевому назначению буровые скважины классифицируют на три основные категории: геологоразведочные, эксплуатационные и технические.
К геологоразведочным относятся: картировочные, поисковоразведочные, гидрогеологические, инженерно-геологические, сейсмические, параметрические, структурные и опорные скважины.
Эксплуатационные скважины проводятся для добычи воды (питьевых и технических, минеральных лечебных, промышленных и геотермальных), нефти и газа. К этой категории относятся также геотехнологические скважины, предназначенные для добычи твердых полезных ископаемых с применением различных геотехнологических методов:
• подземное выщелачивание металлов (урана, меди, цинка, свинца, золота и др);
• подземное растворение солей (каменной, калийной, магниевой и др.) • подземная газификация углей;
• подземная выплавка полезных ископаемых (серы, битума, озокерита и др.);
• скважинная гидродобыча полезных ископаемых (золота, касситерита, янтаря, урановых и марганцовых руд, стройматериалов и др.).
К техническим скважинам относятся взрывные, для замораживания и цементирования грунтов, дренажные, нагнетательные, вентиляционные и другие.
2.1. Основные сведения для разработки проекта • Область, район, где закладывается проектная скважина (куст скважин).
• Площадь, участок, номер скважины.
• Назначение проектной скважины.
• Проектные горизонт, глубина скважины, смещение забоя относительно устья скважины.
• Глубина моря в точке бурения скважины.
• Диаметры эксплуатационных колонн.
• Объекты, подлежащие опробованию в процессе бурения скважины, испытанию после спуска и цементирования обсадной колоны.
• Вид энергии, которая будет используемой при бурении скважины.
• Расстояние от скважины до УБР, баз снабжения и других предприятий.
• Выкопировка из структурной карты участка, на которой закладывается скважина, с указанием местоположения устья и забоя.
• Обязательный комплекс промыслово-геофизических и геологических исследований в скважине.
• Проектный геологический разрез и ожидаемые горно-геологические условия бурения скважины.
• Нормативная режимно-технологическая карта строительства типовой скважины, действующая в УБР (приводится в приложении к проекту).
• Сводная смета на строительство типовой скважины и сметные расчеты, действующие в УБР.
Конструкция скважины представляет собой совокупность данных о количестве, диаметрах и глубинах спуска обсадных колонн, диаметрах долот для бурения, интервалах цементирования обсадных колонн.
Обоснование и разработка конструкции скважины зависят от назначения скважины, ее глубины, физико-механических характеристик пород, способа бурения, проектного дебита.
При бурении нефтяных и газовых скважин в зависимости от глубины спуска и назначения различают несколько обсадных колонн: направление, кондуктор, промежуточные (технические), эксплуатационные и потайные (хвостовики).
Выбор конструкции скважины осуществляется в следующей последовательности и определяют:
• глубину скважины;
• конечный диаметр бурения с учетом способа вхождения в продуктивный пласт и в соответствии с диаметром эксплуатационной колонны, который выбирается в зависимости от возможного дебита продуктивного пласта;
• число и глубину спуска обсадных колонн на основании совмещенного графика изменения коэффициента аномальности пластовых (поровых) давлений и индекса давления поглощения;
• диаметры обсадных колонн и диаметры долот для бурения под каждую колонну;
• интервалы цементирования.
При проектировании конструкции скважин куста приводится конструкция скважины с наибольшим отклонением забоя от устья, если все скважины куста бурятся на один и тот же горизонт. Когда скважины бурятся на разные горизонты и конструкции их существенно различаются, то в проекте приводятся решения для каждого горизонта.
2.3. Обоснование выбора типа промывочной жидкости.
Выбор типа промывочной жидкости ( на водной или углеводородной основе), аэрированных жидкостей, пен, газообразных очистных агентов для бурения каждого интервала скважины (горизонта, пласта, группы пород) зависит от следующих факторов:
• литологического и химического состава пород;
• степени минерализации и солевого состава пластовых вод;
• величины пластовых давлений, давлений поглощения и гидроразрыва;
• температуры в скважине;
• наличия зон осложнений (поглощений, обвалов и осыпей, набухания пород, прихватов и затяжек бурового инструмента, проявления флюидов и газообразных компонентов).
При выборе типа прмывочной жидкости все интервалы скважины следует выделить в три группы: нормальные условия бурения, осложненные условия и продуктивные горизонты (нефте-, газо- и водоносные).
Для обеспечения нормальных условий процесса бурения каждого интервала должны быть регламентированы основные параметры выбранной жидкости (плотность, толщина фильтрационной корки, статическое напряжение сдвига, водородный показатель, содержание песка, показатели стабильности).
Необходимо предусмотреть обработку бурового раствора химическими реагентами в период приготовления и вторичную его обработку в процессе бурения скважины.
В проекте следует рассчитать количество промывочной жидкости и материалов (глины, воды, утяжелителя, химических реагентов), необходимых для сооружения проектной скважины. Указать, какое оборудование используется для приготовления бурового раствора (механические и гидравлические глиномешалки, фрезерно-струйные мельницы и гидроэжекторные смесители), а также необходимые технические средства для очистки глинистого раствора (вибрационные сита, гидроциклоны, сепараторы, центрифуги). Дать схему циркуляционной системы для очистки промывочной жидкости при бурении скважины.
В дипломном проекте следует предусмотреть выбор состава и свойств промывочной жидкости, необходимой для первичного и вторичного вскрытия продуктивного горизонта.
При выборе способа вхождения в продуктивную толщу следует:
• оценить ее мощность и число проницаемых пластов;
• определить характер насыщенности и степень проницаемости пластов;
• расчитать устойчивость пород продуктивной толщи;
• учесть соотношение коэффициентов аномальности пластовых давлений в продуктивной толще и в расположенных выше ее проницаемых горизонтах и оценить возможность загрязнения продуктивной толщи.
Главная задача любого способа вскрытия продуктивного пластамаксимально возможное сохранение его естественных параметров, основным из которых является проницаемость. Плотность промывочной жидкости должна быть выбрана такой, чтобы репрессия была минимальной и не превышала установленные правилами бурения нормы, промывочная жидкость и ее фильтрат не проникали глубоко в пласт, не приводили к кольматации и снижению коллекторских свойств приствольной зоны и ухудшению условий притока пластовой жидкости.
2.4. Обоснование и расчет профиля скважины При бурении наклонно направленной скважины необходиммо выбрать профиль проектной скважины, вычислить параметры профиля (радиусы участков набора и снижения зенитного угла, длины каждого участка профиля и всей скважины, длины вертикальных и горизонтальных проекций всех участков профиля, зенитные углы на участках набора кривизны и естественного ее снижения). Результаты расчетов занести в таблицу и регламентировать частоту контроля зенитного и азимутного углов в процессе бурения скважины.
Выбрать компоновки для бурения вертикальных, искривленных и наклонных участков скважины.
При бурении скважины проектного куста необходимо составить план расположения устьев и забоев скважин, наметить последовательность их забуривания, выбрать профили всех скважин и привести полностью расчет наиболее сложного профиля.
При расчете обсадных колонн на прочность определяются:
• наружные избыточные давления (рассчитывают трубы на сопротивление смятию);
• внутренние - на сопротивление разрыву);
• осевые растягивающие нагрузки (расчет ведут на страгивание резьбовых соединений труб).
Основными исходными данными для расчета являются длина и диаметр обсадных труб, высота подъема цемента в затрубном пространстве, пластовые давления, плотность жидкости внутри колонны при спуске обсадной колонны; плотность жидкости внутри колонны в период испытаний, освоения и эксплуатации скважины.
Необходимо провести полный расчет обсадных колонн, которые работают в наиболее тяжелых условиях, а для остальных колонн привести лишь окончательные результаты расчетов.
Цель расчета заключается в подборе группы прочности материала обсадных труб, определния длины секций труб и толщины их стенки.
Результаты расчета заносятся в таблицу.
Расчетную схему необходимо принять с учетом назначения скважины (разведочная или эксплуатационная, нефтяная или газовая).
Расчет эксплуатационных колонн осуществляется с учетом избыточных наружных и внутренних давлений, а также осевых растягивающих нагрузок.
Внутренние давления проявляются максимально в период ввода скважины в эксплуатацию или при опрессовке колонны. Наружные избыточные давления главным образом бывают на стадии окончания эксплуатации скважины. В процессе расчета фактические избыточные давления определяются в любом сечении по эпюре действующих нагрузок и сравниваются с табличными критическими давлениями (для избыточных наружных давлений) и допустимыми давлениями (для избыточных внутренних давлений). Расчет верхней части колонны ведется на страгивание резьбовых соединений за счет веса обсадных труб, который не должен превышать допустимой растягивающей нагрузки.
Расчет промежуточных колонн, находящихся под действием избыточных наружных и внутренних давлений, а также растяжений от собственного веса, аналогичен расчету эксплуатационных колонн. При отсутствии избыточного наружного давления расчет необходимо производить на растягивающие нагрузки от веса и внутренние избыточные давления, которые могут возникнуть в процессе нефтегазопроявлений.
Наиболее распространенными способами цементирования являются одноступенчатый, двухступенчатый и манжетный. Чаще всего применяется одноступенчатое цементирование с двумя разделительными пробками.
Двухступенчатое цементирование следует применять при большой глубине скважины и длине интервала цементирования, когда при прокачивании смесей возникают гидравлические сопротивления выше, чем давление, развиваемое цементировочными агрегатами, или при резко отличающихся температурах в нижней и верхней зонах цементирования.
Манжетное цементирование применяют тогда, когда нет необходимости цементировать эксплуатационную колонну в зоне продуктивного горизонта и следует исключить попадание в него тампонажного раствора.
При расчете цементирования нужно определить:
• количество сухого тампонажного цемента;
• количество воды для затворения;
• объем промывочной жидкости;
• максимальное давление в конце процесса цементирования;
• необходимое количество смесительных машин и цементировочных агрегатов;
• время, необходимое для проведения всего процесса цементирования.
Для повышения качества цементирования необходимо предусмотреть использование буферной жидкости, располагающейся между тампонажной смесью и промывочной жидкостью предназначенной, для предотвращения их смешивания, смыва рыхлой корки растворов на стенках скважины и обсадных трубах, а также снижения гидравлических сопротивлений при прокачивании.
После расчета цементирования выбирается состав тампонажной смеси в зависимости от условий в скважине и расчетного времени цементирования, приводятся технические характеристики цементировочных агрегатов, смесительных машин и схемаобвязки устья скважины при цементировании.
2.7. Выбор типов долот и колонковых наборов Обоснование и выбор типа и конструкций долот производят на основе анализа физико-механических свойств пород, их мощности и глубины залегания, а также с учетом опыта применения различных долот в данном районе или в районах со сходными геологическими условиями.
Необходимо разделить разрез проектной скважины на пачки одинаковой буримости на основе классификационной характеристики пород по твердости, абразивности и сплошности.
“Классификационной таблице парных соответствий категорий твердости и абразивности пород типам шарошечных долот”. При сравнении нескольких типов долот комплексным критерием оценки эффективности их работы является величина эксплуатационных затрат на 1 м проходки.
Главная задача при бурении колонковыми наборами (снарядами) с отбором керна - обеспечение высокого качества и выхода керна в различных геологических условиях. Подробно эти вопросы рассматриваются при колонковом бурении скважин[ ].
При роторном бурении применяются различные съемные и несъемные керноприемные устройства типа “Недра”, “Силур”, “Кембрий”, “Плутоний”, а при турбинном - колонковые турбодолота типа КТДЗ и КТД4 и другие средства.
2.8. Выбор способов бурения и разработка технологичеких Для сооружения нефтяных и газовых скважин используются следующие разновидности вращательного способа бурения: роторное, турбинное, объемными винтовыми двигателями и электробурами.
Целесообразность приманения тех или иных разновидностей способов бурения определяется с учетом геологических, технических и экономических факторов. Возможно сочетание нескольких способов при бурении различных интервалов одной и той же скважины.
Для конкретных условий выбранный способ бурения должен обеспечить решение следующих основных задач:
• применение технологий бурения и типов промывочных жидкостей, которые наиболее полно отвечали бы условиям предупреждения осложнений и качественного вскрытия продуктивного пласта;
• достижение высоких технико-экономических показателей, возможность использования различных типов долот в соответствии с механическими свойствами пород, глубиной их залегания и в целом качественное проведение скважины по заданной траектории.
Основными технологическими параметрами режима бурения являются:
• осевая нагрузка на долото;
• частота вращения инструмента;
• расход (подача) промывочной жидкости;
• тип и качество циркуляционного агента.
Расчет параметров бурения ведется для каждой выделенной пачки пород применительно к выбранному способу бурения и конкретному типу долот.
При проектировании режимов бурения на хорошо изученных площадях осевая нагрузка на долото определяется с учетом твердости горной породы по штампу. На площадях с недостаточными сведениями о механических свойствах пород нагрузка на долото определяется исходя из удельной нагрузки на долото и его диаметра.
Частота вращения долота выбирается с учетом проходимых пород и типа долота, глубины скважины и ее профиля, прочности бурильной колонны и долота, а также мощности привода ротора. При бурении верхнего интервала скважины, сложенного обычно рыхлымипородами, применяют сравнительно высокие частоты вращения долота (до 200- мин-1). С увеличением глубины скважины и повышением твердости пород частоту вращения уменьшают до 50-70 мин-1 и менее, насколько позволяет кинематика привода ротора.
Для каждого типоразмера долот существуют области рациональной отработки в зависимости от нагрузки на долото и частоты вращения с учетом механических свойств пород.
Расход промывочной жидкости определяется чаще всего в зависимости от скорости восходящего потока или реже - от удельной подачи промывочной жидкости на единицу площади забоя.
Особенностью турбинного бурения является взаимосвязь параметров режима между собой, изменение одного из них автоматически приводит к изменению других. Например, повышение нагрузки на долото вызывает рост крутящего момента, следовательно, приводит к уменьшению частоты вращения; изменение расхода промывочной жидкости приводит к прямо пропорциональному изменению частоты вращения долота. В то же время при постоянной нагрузке на долото и подаче промывочной жидкости частота вращения долота автоматически меняется при бурении перемежающихся пород с различными механическими свойствами.
Нагрузка на долото при турбинном бурении определяется так же, как и при роторном.
Расход промывочной жидкости рассчитывается из скорости восходящего потока с учетом механических свойств пород, площади кольцевого пространства между бурильными трубами и стенками скважины. Для каждого интервала одного диаметра бурения, в соотвтствии с принятой конструкцией скважины, рассчитываются рациональные значения подачи промывочной жидкости.
Частоту вращения турбобура определяют с учетом величины расхода промывочной жидкости и значений других параметров бурения.
Турбобуры с высокой частотой вращения (500 мин-1 и более) целесообразно применять на сравнительно малых глубинах при бурении крепких пород, а также при алмазном бурении малоабразивных пород.
Турбобуры с пониженной частотой вращения (200-400 мин-1) эффективно использовать на средних и больших глубинах при бурении шарошечными долотами пластичных и образивных пород.
Бурение винтовыми забойными двигателями Объемные винтовые двигатели целесообразно использовать при бурении скважин на средних и больших глубинах в диапазоне частот вращения (100-250 мин-1), когда на эксплуатационные затраты на 1 м проходки определяющее влияние оказывает проходка за рейс, а также для бурения долотами с герметизированными маслонаполненными опорами.
Осевая нагрузка на долото и расход промывочной жидкости при бурении элктробурами определяются также, как и при роторном бурении.
Частота вращения вала элктробура устанавливается на стадии проектирования обычно в пределах от 660 до 750 мин-1. При бурении пород мягких и средней твердости, а также пластичных и образивных, особенно залегающих на значительной глубине, для снижения частоты вращения электробуров до 140-220 мин-1 применяют редукторы.
Бурильная колонна включает в себя компоновку нижней части бурильной колонны (КНБК) и колонну бурильных труб. Необходимо выбрать состав бурильной колонны для бурения ствола скважины под каждую обсадную колонну в зависимости от ее диаметра и способа бурения:
• диаметры и типы стальных и легкосплавных бурильных труб;
• диаметры, типы и длины секций утяжеленных бурильных труб (УБТ);
• типы, диаметры и места установок центраторов, калибраторов, стабилизаторов, маховиков и других элементов КНБК;
• типоразмеры и местоположения отклонящих устройств с учетом профиля наклонно направленной скважины.
Необходимо рассчитать колонну бурильных труб в зависимости от способа бурения, определить необходимые толщины стенок труб, группы прочности труб и длины их секций. При роторном бурении расчет бурильных труб делается сначала на выносливость, а затем - на статическую прочность. При турбинном бурении расчет труб сводится к определению допустимой длины бурильной колонны с учетом веса турбобура, УБТ и давления промывочной жидкости.
Количество секций УБТ и их диаметры выбирают в зависимости от диаметра долота. Нужно рассчитать количество промежуточных опор для ограничения прогибов и площади контакта УБТ со стенками скважины.
Выбор и расчет компоновок бурильной колонны для бурения куста скважин осуществляются для наиболее сложного профиля скважины;
следует кратко пояснить отличительные особенности компоновок для бурения других скважин куста, в том числе и вертикальных.
2.10. Гидравлический расчет при бурении скважины Расчет гидравлических сопротвлений циркуляции промывочной жидкости выполняют с целью определения необходимых характеристик буровых насосов, обоснования выбора их типов и количества.
При проведении гидравлического расчета определяют следующие параметры:
• расход промывочной жидкости;
• режим течения жидкости в зависимости от скорости движения;
• гидравлические сопротвления в отдельных элементах циркуляционной системы;
• суммарные гидравлические потери;
• гидравлическую мощность бурового насоса.
Основными составляющими гидравлических потерь напора являются: поверхностная обвязка (манифольд высокого давления, стояк, шланг, вертлюг и ведущая труба), бурильные трубы, замковые соединения, УБТ, турбобур или винтовой забойный двигатель;
долото, кольцевое пространство между УБТ, бурильными трубами и стенками скважины. На основании результатов расчетов подачи и потерь напора для каждого интервала вычисляют гидравлическую мощность бурового насоса.
По суммарным гидравлическим потерям давления подбирают тип бурового насоса, а по подаче - требуемое их количество.
Выбор буровой установки для бурения проектной скважины производится после расчета бурильной и обсадной колонн и определения их веса.
Буровая установка для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения выбирается в соответствии с ее основными параметрами:
допустимой нагрузки на крюке и условной глубине бурения.
Необходимо также выбрать оборудование для приготовления, очистки, химической обработки, утяжеления и хранения промывочной жидкости, противовыбросовое и другое оборудование, привести необходимые технические характеристики.
Задачей спецчасти является разработка прогрессивных техникотехнологических решений, обеспечивающих повышение эффективности и производительности буровых работ, снижение их себестоимости повышение качества геологической информации, эффективное преодоление осложнений и предотвращение аварий.
Примерными спецтемами могут быть:
• анализ работы долот на данной площади;
• рациональная отработка бурильных труб;
• мероприятия по повышению выхода керна;
• разработка специальных промывочных жидкостей для бурения;
• борьба с осложнениями при бурении;
• вопросы оптимизации процесса бурения;
• анализ эксплуатации турбобуров;
• проблемы наклонно напрвленного бурения.
2.13. Безопасность жизнедеятельности при бурении скважин на Охарактеризовать условия и техническую оснащенность труда при бурении скважин, дать эргономическую оценку основным буровым машинам и механизмам, пультам и органам управления; охарактеризовать с точки зрения охраны труда технологические особенности сооружения скважин (осложнения и аварии, связанные с ними, спускоподъемные операции: сборка и разборка бурового инструмента); охарактеризовать санитарно-гигиенические условия (метеорологические условия; наличие вредных веществ и их воздействие на работающих; шум и вибрации, генерируемые оборудованием; уровень освещенности рабочих мест;
возможность поражения электрическим током).
Разработать комплекс мероприятий по созданию здоровых и безопасных условий труда при бурении.
Все работы по строительству скважин необходимо выполнять в полном соответствии с требованиями следующих основополагающих документов:
''Правила безопасности в нефтегазовой промышленности''; ''Единые технические правила ведения работ при строительстве скважин на нефтяных, газовых и газоконденсантных месторождениях''; ''Правила пожарной безопасности в нефтяной промышленности''.
Анализ и рекомендации в этом разделе должны сопровождаться при необходимомти соответствующими инженернами расчетами.
2.14 Организационно-экономическая часть Кратко указать структуру бурового предприятия, осветить вопросы организации работ по сооружению скважин. Привести обоснование площади, которая должна быть отведена для бурения скважины или куста скважин; выделить на этой территории зоны для перемещения вышечных блоков, размещения бурового и энегетического оборудования, бытовых и санитарно-гигиенических помещений, а также зоны для размещения газонефтепромысловых сооружений, сбора и временного хранения выбуренной породы и размещения противопожарного оборудования.
Решить вопрос об источниках питьевого и технического водоснабжения, источниках энергоснабжения и путях сообщения. Оценить объем работ по рекультивации земель по окончании строительства.
Необходимо обосновать продолжительность ведения работ, стоимость работ, организацию проведения работы, определить экономическую эффективность мероприятий, предлагаемых в дипломном проекте.
Смета на строительство скважины, как правило, включает следующие разделы:
• подготовительные работы к строительству скважины;
• работы по монтажу и демонтажу буровой установки;
• бурение и крепление скважины;
• испытание скважины на продуктивность.
Кроме того, в смету включаются такие статьи расходов, как промыслово-геофизические работы, геодезическая привязка скважины на местности, лабораторные работы, накладные расходы, плановые накопления (прибыль) и другие дополнительные затраты.
Для расчета продолжительности строительства скважины и составления сметы могут быть использованы следующие нормативные справочники:
• ''Единые нормы времени на строительно-монтажные работы в бурении'';
• ''Единые нормы времени на бурение скважин на нефть, газ и другие полезные ископаемые'';
• ''Справочник укрупненных сметных норм (СУСН) на строительство нефтяных и газовых скважин;
• ''Прейскурант порайонных расценок (ППР) на строительство нефтяных и газовых скважин'';
При составлении сметы можно использовать региональные расценки по отдельным статьям расходов.
Кроме того, в смет расходов необходимо учесть соответствующие затраты на проведение мероприятий по экологии, геомониторингу и охране окружающей среды.
3. Проектируемые методы экологических исследований С помощью эколого-геохимических методов определяем концентрацию элементов в компонентах природной среды, находим их аномальные значения, изучаем миграцию элементов.
В качестве критерия оценки эколого-геохимического состояния компонентов природной среды можно использовать суммарный показатель загрязнения Zс, который рассчитывается по формуле:
n - число аномальных элементов.
Коэффициент концентрации элементов Кс вычисляется по формуле:
где С - содержание химического элемента в оцениваемом объекте, мг/кг, Сф - фоновое содержание этого элемента, мг/кг Эколого-геохимические методы включают:
• литогеохимическое опробование горных пород, почв, донных и пойменных отложений, торфянников;
• гидрохимическое изучение поверхностных и подземных вод;
• атмохимические наблюдения;
• исследования пылевых выбросов путем изучения снежного покрова;
• экогеохимическое опробование наиболее распространненных растительных сообществ и биогеоценоза.
Кроме того, на объектах, являющихся источником загрязнения, анализируются газообразные выбросы, твердые и жидкие отходы.
Пробы отбирают по профилям или по сети: одна точка наблюдений на один см2 карты. В районах, прилегающих к техногенным объектам, в том числе к месторождениям, кроме сетевого опробования, можно применить метод створов или радиально-лучевой метод [4 ].
При отборе проб почв необходимо учитывать, что основная часть загрязняющих веществ находится в тонком приповерхностном слое гумусового, который и выбирают в качестве представительного для ненарушенных почв. Для нарушенных почв представительным является полная мощность.
Изучение донных отложений следует совмещать с гидрохимическим опробованием поверхностных вод.
Гидрохимические исследования позволяют определить физикохимические параметры и солевой состав поверхностных вод. Изучению подвергается полностью вся гидросеть. В местах постоянных крупных источников загрязнения необходимо проводить режимные наблюдения.
С помощью гидрохимических исследований можно выявить изменение состава и свойств подземных вод, подвергшихся техногенному загрязнению. При этом определяются как общие физико-химические показатели (Eh, ph, температура, содержания сероводорода, растворенного кислорода и основных минерализаторов ионов и катионов), так и показатели, характерные для конкретного вида загрязнения (концентрации тяжелых металлов, нефтепродуктов, нитратов, пестицидов, фенолов, синтетических поверхностно-активных веществ и других загрязнителей).
Помимо физико-химических показателей необходимо определить естественную защищенность подземных вод, фильтрационные и миграционные характеристики.
Атмогеохимические исследования позволяют установить содержание газов в атмосфере, почве, горных породах. Попутно проводят измерения концентраций парообразной ртути. Для экспрессного определения можно использовать газортутные анализаторы [32]. Запыленность атмосферного воздуха изучается в местах техногенного загрязнения.
Индикатором загрязнения атмосферы в период отрицательных температур является снежный покров. В то же время, к моменту снеготаяния он становится вторичным источником загрязнения грунтов, подземных и поверхностных вод. Пылевую нагрузку (Рn) на единицу площади за определенный срок определяют по формуле:
где Ро - вес пыли в пробе, кг S - сечение шурфа, м2;
t - время от начала снегостава до отбора пробы, сутки.
Пылевую нагрузку можно рассчитать, исследуя жидкую фазу:
где V - объем водной пробы в литрах При биогеохимических исследованиях изучают микро-элементный состав растительности. Площади для биогеохимического опробования выделяют с помощью многозональной, инфракрасной и аэрогамма-съемок, которые позволяют зафиксировать участки угнетенной растительности.
Подробно методика отбора проб освещена в публикациях [4, 32].
Эколого-геофизические методы позволяют изучать геофизические поля природного и техногенного происхождения, их отклонения от фоновых значений и отрицательное воздействие на биоту.
К аномалиям геофизических полей природного происхождения человек способен приспосабливаться, но быстрые его изменения оказывают отрицательное влияние на организм. Примером являются магнитные бури, связанные с изменением геомагнитного поля.
Техногенные геофизические поля, накладываясь на природные, обычно в несколько раз повышают естественный фоновый уровень поля.
Изучению подлежат электромагнитное, электрическое (блуждающие токи, атмосферное электричество), температурное, радиационное, акустическое, вибрационное поля.
Согласно В.А. Руднику, изменение силы тяжести, уровня электромагнитного и гравитационного воздействия могут приводить к трансформации психики людей; В результате сейсмо-геодинамической активизации возникает психогенное напряжение, снижается способность человека адекватно реагировать на внешние воздействия [52].
Изменение силы тяжести в результате техногенной деятельности (извлечение из недр полезных ископаемых, искусственное снижение или повышение уровня подземных вод, строительство крупных водохранилищ и промышленно-территориальных комплексов) может вызвать проявление оползней, карста, тектонических подвижек [54].
Неблагоприятное воздействие на человека вибрации и шума приводит к нарушению физиологических функций организма.
В зоне радиоактивного загрязнения человек подвергается внешним и внутренним облучениям. Существуют предельно-допустимые дозы для профессиональных работников (категория А) и для лиц неработающих непосредственно с источниками излучения (категория Б). Опасность внутреннего облучения зависит от того, какой орган облучен. Критические органы, накопление в которых радиоактивного изотопа поражает весь радиочувствительности. Первая группа - все тело, кроветворные органы, хрусталик глаза; Вторая группа - мышцы, жировая ткань, печень, почки, легкие, поджелудочная железа, предстательная железа, желудочнокишечный тракт; Третья группа - кожа, щитовидная железа, кости.
Предельно-допустимые дозы (ПДД) для лиц категории А и пределы доз (ПД) для лиц категории Б Дозовые мДж/кг мДж/кг мДж/кг мДж/кг мДж/кг мДж/кг мДж/кг мДж/кг пределы облучения кат. А кат. Б Повышенный радиоактивный фон в воздухе почве, водах, растительности создают радиоактивные азы: радон, торон и актинон.
Геофизические исследования ведут в воздушном, наземном, подводном, скважинном, шахтном и лабораторном вариантах. По результатам аэрогамма-спектрометрической съемки составляют радиогенные карты, которые определяют аномальные участки. Затем, на этих участках проводят наземную (автомобильную и пешеходную) радиометрическую съемку, которая локализует участки повышенного гамма-фона.
В районах повышенной радиации необходимо радиогеохимические исследования.
Интенсивность гамма-излучения следует изучать методами гаммасъемки и гамма-каротажа. Раздельное содержание собственных (U, Ra, Rn, Th, K и др) и искусственных (90Cr, 137Cs, 134Cs, 131J, 60Co, 103Ru, 106Ru и др.) радионуклидов выявляется гамма-спектрометрической съемкой.
Концентрацию радона в почвенном воздухе определяют радиоэманационным методом, а концентрацию радона в водах радоновым. Ионометрический метод фиксирует ионизацию атмосферного воздуха.
Применение гефизических методов на различных объектах загрязнителей Виды и объекты исследований Геофизические методы Радиоактивное загрязнения: Гамма-метод, гамма-каротаж, гаммаСуммарное гамма-излучение спектрометрия Оценка отдельно урана, тория, калия Коррозия трубопроводов Тепловое загрязнение электрокаротаж, электроразведка, Свалки, техногенные отходы, их ВЭЗ, ЭП, Аэротепловая съёмка в Породы зоны аэрации(мощность, разделение литологических горизонтов, геоэлектрические ВЭЗ, сейсморазветка.
параметры, выделение зон активной трещиноватости и т.д).
Горные породы, их свойства и изменение под антропогенных воздействий. Пенетрационный каротаж Техногенные отложения и их свойства.
Электрическое сопротивление Электрокаротаж песчано-глинистых толщ Изучение водоупорных горизонтов Геоэлектрические, Изучение водоупорных горизонтов Термический каротаж, ВЭЗ Распространение многолетней Термокаротаж, термометрия, мерзлоты, определение границ электроразведка мёрзлых пород Загрязнение подземных вод сточными Практически все перечисленные Экзогенные и эндогенные процессы Практически все перечисленные При исследовании загрязнения пород, почв, растительности, подземных и поверхностных вод, атмосферного воздуха необходимо использовать комплекс основных инструментальных методов [4, 17].
Определение химического состава отобранных проб следует осуществлять эмиссионно-спектральным, атомно-абсорбционным, рентгено-флуорисцентным, нейтронно-активационным и другими методами.
содержания химических элементов в пробах почв, пород, донных осадков, снежного покрова, вод и растительности. Его преимущество в том, что можно определить многие элементы из одной навески. Эмиссионноспектральный метод включает приближенно-количественный, количественный и групповой анализы.
Первый проводится на 40 элементов:
B, Be, Ba, V, Bi, W, Hf, Ge, He, Au, Y, Yb, Jn, Co, Li, La, Mo, Mn, As, Cu, Ni, Nb, Sn, Hg, Pb, Sr, Sb, Ag, Se, Ti, Th, Ta, Tl, U, P, Cr, Zr, Zn, Ce.
Второй - на три элемента: As, Sb, F.
Третий - на 17 элементов:
Pb, Zn, Ni, Co, V, Cr, Sn. Cu, Ti, Mn, Ag, Ge, W, Mo, Cd, B, Bi.
Атомно-абсорбционный метод следует использовать для нахождения малых количеств элементов. Он подразделяется на беспламенную и пламенную фотометрию, первой чаще всего определяют содержание ртути, второй - металлов, соли которых легко растворяются в воде, например калий, натрий, кальций и другие [17].
Концентрацию серы, фосфора, ниобия, циркония устанавливают с помощью рентгенофлуорисцентного анализа.
Биологический материал и почвы с повышенным содержанием органики изучаются нейтронно-активационным методом [32].
Количество естественных радиоактивных элементов (урана, тория) можно определить рентгеноспектральным способом, а легкоподвижные формы урана - люминисцентным и лазерным.
Калий - 40 вычисляют по общему содержанию калия, который находят с помощью пламенной фотометрии или атомной абсорбции.
Радия принято измерять радиохимическими или комплексным нейтронно-активационным методом, цезия -137 - гаммаспектрометрическим, стронция -90 - методом бета-радиометрии.
газохроматографическим, кулонополяграфическим, нейтронноактивационным методами, с помощью лазерных и газовых ренгенофлуорисцентный способ.
концентраций элементов и суммарный показатель загрязнения (см. выше).
Аэрокосмические методы позволяют оценить современное состояние геологической среды, проследить динамику ее изменения, получить информацию о техногенных объектах, о распространении ореолов техногенного загрязнения. К ним относят фотографическую съемку, телевизионную, спектрометрическую, ультрафиолетовую, инфракрасную, радиотепловую, радиолокационную, или лидарную [4].
Выбор съемки зависит от проектируемых работ. Так, телевизионную съемку следует применять для оперативной оценки окружающей среды, определения изменений ландшафтов под влиянием горно-добывающих предприятий. Аэрогамма-спектрометрическую - для обнаружения радиоактивного загрязнения. С помощью лидарной съемки можно установить концентрацию газов в атмосфере, в промышленных районах, в местах утечки газа из трубопроводов и т.д.
АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ВИДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Оперативная оценка окружающей среды телевизионная Оценка состояния почв и растительности телевизионная радиотепловая Распространение пожаров, вулканическая телевизионная инфракрасная активность, прогнозирование землетрясений радиотепловая Загрязнение воздушного бассейна инфракрасная лазерная сканерная Изменение ландшафтов под влиянием телевизионная горнодобывающих предприятий Горное оледенение, движение ледников, фотографическая телевизионная прогнозирование селей, схода снежных лавин, оползней.Оценка ледовой обстановки, передвижение Фотографическая телевизионная Изучение влажности почв и грунтов зоны радиотепловая радиолокационная аэрации Концентрация газов в городских и лазерная трубопроводов и т.д.
Утечка тепла, сброс тёплых вод, изучение инфракрасная геологические процессов в районах многолетней мерзлоты Обнаружение урано – содержащих пород, лазерная атмосферы Радиоактивное загрязнение аэрогамма-спектрометрическая 3.5 Геолого-экологическое картографирование Результаты геолого-экологических исследований отображаются на экологических картах.
Экологические карты обычно характеризуют техногенную нагрузку и изменения компонентов природной среды.
Среди экологических карт можно выделить эколого-ландшафтные, эколого-геохимические, эколого геофизические, экологогидрогеологические, эколого-почвенные, фитоэкологические, медикобиологические и др.
Геолого-экологические карты представляют собой картографическое отображение геологической среды и происходящих в ней процессов, оказывающих влияние на экосистему, среду обитания и здоровье человека [41].
вспомогательных карт.
К вспомогательным картам относятся: ландшафтно-индикационная, стратиграфическая, геокриологическая, техногенных объектов, концентраций отдельных элементов, пораженности территорий ЭГП, защищенности подземных вод, нефтянного загрязнения и др.
На геолого-экологической карте отражаются компоненты геологической среды, ее загрязнение и нарушение, техногенные объекты.
Геолого-экологические карты составляются на топографической основе. На карту наносятся ландшафтные системы, геологическая основа, тектонические элементы, гидрогеологические условия, геодинамические процессы, техногенные объекты, концентрации элементов в породах, почвах, донных осадках, подземных и поверхностных водах в естественных и нарушенных условиях.
За основу выделения ландшафтных зон можно взять схему ландшафтного районирования из монографии: А.Г. Исаченко (Ландшафтоведение и физико-географическое районирование.- М.:
Высшая школа, 1991).
При определении типов и подтипов рельефа воспользуйтесь геоморфологическими картами.
Кроме того, нужно использовать геологические карты и карты четвертичных отложений.
Для определения новейших тектонических движений (поднятия, опускания блоков), разломов необходимы неотектонические карты и данные полевых исследований.
Повышенные концентрации элементов подразделяются по степени опасности на четыре группы: допустимую, умеренно опасную, опасную и чрезвычайно опасную, которые отображаются цветом, соответственно зеленым, желтым, коричневым и красным.
Следующий вид геолого-экологических карт - карта оценки экологического состояния геологической среды. На нее наносятся бассейны и условия геохимической миграции, экологическое состояние геологической среды и других компонентов природной среды, направленность изменений геологической среды, воздействие ее на здоровье человека и животных, рекомендаций по хозяйственной деятельности, сведения о необходимых природоохранных мероприятиях.
Характеристику бассейнов поверхностного и подземного стоков можно взять со схемы гидрогеологического районирования из монографии Л.А. Островского, и соавторов [41].
Оценка экологического состояния геологической среды проводится с использованием бальной системы по частным и интегральным критериям [41].
К частным критериям относятся:
• загрязнение или повышенные концентрации токсичных веществ в почвах, породах, данных осадках, подземных водах;
• защищенность от загрязнения подземных вод;
• истощение ресурсов подземных вод (или обеспеченность естественными ресурсами);
• оценка опасности проявлений эндогенных процессов;
• оценка опасности проявлений экзогенных процессов;
• оценка опасности льдистости пород (в криолитзоне);
• температурное состояние многомерзлотных пород (в криолитзоне);
• нарушение среднегодового поверхностного стока.
Интегральный критерий рассчитывается по среднему баллу:
где Б - сумма баллов по всем показателям, n - количество показателей.
Экологическое состояние оценивается как благоприятное, условноблагоприятное, неблагоприятное, весьма неблагоприятное и отображается на карте соответственно зеленым, желтым, оранжевым и красным цветом.
Направленность изменений геологической среды (ухудшение, улучшение, стабилизация) определяется по результатам геологоэкологических исследований, литературным и фоновым материалам.
На рис. 3.1. и 3.2. представлены: возможный вариант составления геоэкологической карты и карты оценки экологического состояния геологической среды.
«