Основи роторного буріння та буріння забійними двигунами

Загальні відомості. Буріння розвідкових та експлуатаційних свердловин на нафту й газ установками обертального буріння виконується за двома способами: роторним, за якого ротор, встановлений над устям свердловини, обертає колону бурильних труб із долотом на нижньому кінці; з допомогою забійних двигунів, коли колона бурильних труб не обертається, а долото приводиться в рух від валу забійного двигуна. Забійні двигуни поділяються на гідравлічні (турбобур) та електричні (електробур).

При бурінні на нафту й газ свердловини досягають глибини З—5 км (і більше) діаметром 140—400 мм (і більше). Ротори буріння використовуються також для буріння свердловин на воду, розсоли, мінеральні води.

Роторні бурові установки поділяються на стаціонарні та пересувні. Перші використовують в основному для буріння експлуатаційних свердловин значної глибини та діаметром до 500 мм; другі — для розвідки родовищ газу й нафти, а також для буріння структурно-по­шукових свердловин завглибшки до 1500 м й діаметром 150—200 мм.

Бурові установки. Схему установки для глибокого роторного й турбінного буріння зображено на рис. 140.

У буровій вишці 1 з буровим будинком 9 змонтовані: ротор 2, лебідка 3, силовий агрегат 4 приводу лебідки й ротора, два бурових насоси 8, які приводяться в дію від електродвигунів 7. Крім того, в буровій вишці змонтовані компресорна станція з повітрозбірником, аварійна дизель-генераторна станція й комплект електропускової апаратури 5 і 6 для електроприводу лебідки та бурових насосів. На вершині вишки встановлений кронблок 23, який зібрано з кількох роликів. Канат 22, кінець якого закріплений на барабані лебідки З, огинає ролики кронблоку й ролики рухомого талевого блоку 21.

Для витягання труб та інших предметів улаштовані містки 13. До талевого блоку підвішений гак 20, який підхоплює з допомогою серги вертлюг 19, що з'єднує колону бурильних труб із нагнітальним шлангом 17. Верхня робоча труба 16 квадратного перерізу проходить крізь вкладиші ротора 2, з'єднується вгорі з вертлюгом, а внизу — з колоною бурильних труб 10.

За роторного буріння долото 12 приєднується до низу обважненої колони бурильних труб (ОБТ) 11.

За турбінного буріння долото нагвинчується на вал турбобура, який через перевідник з'єднується з колоною бурильних труб 10, що гальмує ротор 2 й колона бурильних труб не обертається.

В процесі буріння насоси 8 нагнітають промивальний розчин крізь стояк 15, шланг 17 і вертлюг 19 у колону бурильних труб. Потік промивальної рідини рухається вниз по трубках 10, охолоджує долото й транспортує зруйновану породу на поверхню кільцевим каналом між колоною бурильних труб і стінками свердловини. При турбінному бурінні він приводить у дію робочі колеса (ротори) турбобура.

Колона бурильних труб, підвішена з допомогою гака до талевого блоку, при заглиблюванні долота в породу плавно опускається бурильником за допомогою гальм барабана лебідки: бурильник так регулює подавання інструменту, щоб нижня частина колони, зібрана з важких труб (ОБТ), натискувала на шарошкове долото.

Для заміни спрацьованого долота колону труб піднімають на поверхню, розгвинчують на свічі.

При підніманні та спусканні бурильної колони на верхніх пластах 18 розміщується верховий робітник, двоє робітників працюють з ключами біля ротора, а бурильник керує лебідкою. Для сполучення з робочими помостами та кронблоками існують драбини 14.

Для глибинного буріння на нафту та газ користуються різними типами бурових установок, розрахованих на різну глибину буріння. Внаслідок того, що зі збільшенням глибини буріння зростає вага бурильних і обсадних колон, бурові установки характеризують вантажопідйомністю. На розвідкових роботах найчастіше використо­вують бурові установки БУ-50, БУ-75 (БУ-88), БУ-120 ванта­жопідйомністю відповідно 50, 80 і 120 т.

Пересувні роторні бурові установки застосовують для структурно-картувального буріння та проходження свердловини на воду (табл. 12).

Найчастіше користуються самохідними установками типу УРБ-ЗАМ, особливо при бурінні гідрогеологічних свердловин. Кінематичну схему бурової установки показано на рис. 141, а. Обертання від двигуна 1 через фрикційну муфту і карданний вал передасться багатошвидкісній коробці передач і. Обертання ротора 6 передається від коробки передач через проміжний валик, який включається кулачковою муфтою, і карданний вал 4. Вал лебідки 5 приводиться в обертання кутовим редуктором, який складається з пари конічних шестерень і ланцюгової передачі, яка вмикається кулачковою муфтою. Вільно посаджений на вал барабан вводиться в дію фрикційною муфтою.

Таблиця 12. Характеристика легких роторних бурових установок

•Практика спорудження свердловин на воду показала можливість застосування зазначених агрегатів та установок для буріння свердловин великого діаметра при відповідному зменшенні глибини.

** Двигун для привода бурового, насосного та компресорного блоків.

** Крім насосно-силового та компресорного блоків.

*** Перше значення — маса бурової установки, друге — загальна маса.

Установки УРБ-ЗАМ замінюють буровими установками типу БА-15 Кунгурського машинобудівного заводу, який випускає уніфікований комплекс самохідних бурових агрегатів такого типу: 1) БА-15Н — для буріння структурно-пошукових і картувальних свердловин на нафту й газ завглибшки до 1000 м; 2) 2-БА-15Н — для буріння структурно-пошукових свердловин завглибшки до 1500 м; 3) 1-БА-15В — для буріння свердловин для водопостачання завглибшки до 500 м; 4) 2-БА-15В — для буріння свердловин на воду діаметром до 1200 мм за роторним способом із зворотним промиванням завглибшки до 200 м; 5) РА-15В — для ремонту та відновлення водозабірних свердловин.

Найпоширеніші агрегати 1-БА-15І та 1-БА-15В. Кінематичну схему та схему установки 1-БА-15В зображено на рис. 142, 143.

Серійно випускають комбіновану роторно-ударну бурову установку УБВ-600, розраховану на роторне з промиванням (основний спосіб) і ударне (допоміжний спосіб) буріння. Проходження свердловини до певного водоносного горизонту виконується за роторним способом з промиванням, для чого установка обладнана ротором, двома буровими насосами та комунікаціями для постачання промивальним розчином із забою. Водоносний горизонт розкривають ударним способом.

Ударний механізм є пневматичним, знімного типу, встановлений "на лебідці бурового блока. Живиться пневмоударник стисненим повітрям від компресора, який змонтовано на насосному блоці. Основні блоки установки — буровий і насосний — змонтовані на автошасі КрАЗ-257, що дає можливість двома автопричепами перевозити за один рейс головне обладнання УБВ-600.

Коротка технічна характеристика УБВ-600

Глибина буріння, м 600

Діаметри буріння, мм

початковий 490

кінцевий 214

Потужність привідна, кВт

бурового блоку 110,4

насосного блоку 110,4

Прохідний отвір, мм 410

Кількість швидкостей обертання 5

Насоси промивальні 9МГр-61 2

Компресор КТ-7

Генератор синхронний трифазного

струму EC 83-6C

Маса комплекту, т Близько 55

Проводяться інтенсивні дослідження для заміни глинистих роз­чинів крохмальними. Для роторного буріння свердловин на воду така повна заміна має велике значення завдяки властивості крохмальних розчинів розкладатися, що ліквідує один із найголовніших недоліків роторного буріння на воду — стійку закупорку водоносних горизонтів, проте головною перешкодою для впровадження такого методу залишається відносно висока вартість сировини та складність технології виготовлення.

Забійні обертальні машини. Використовують два види заглибних бурових агрегатів: гідротурбіна з долотом — турбобур та електрод­вигун із долотом — електробур.

Турбобур — багатоступенева турбіна осьового типу, принцип дії якої полягає в перетворенні гідравлічної енергії потоку рідини в механічну енергію обертання вала. Робоча рідина (вода або глинистий розчин) через бурильні труби подається під тиском до турбобура. З бурильних труб рідина потрапляє в напрямні канали статора першого ступеня турбобура, звідки потік спрямовується під певним кутом на лопаті ротора, надаючи йому обертання. Потік рідини проходить послідовно всі ступені турбіни, потім крізь отвір у валу направляється в долото.

Турбобур складається з двох систем: нерухомої та обертальної. До обертальної, зв'язаної з долотом, входить вал робочих коліс турбіни (роторів), деталі верхньої, нижньої та середніх опор. Корпус турбобура верхнім кінцем через перехідник приєднується до колони бурильних труб. При глибокому бурінні та проходженні в'язких порід ефективніше працюють секційні турбобури, два або три з яких з'єднують послідовно в один агрегат.

Для надглибокого буріння перспективним стає впровадження турбінного буріння без підйому бурильної колони. Для цього повинні використовуватися вставні (розсувні) шарошкові долота та знімні ротори спеціальних турбобурів. Основа методу полягає в тому, що спускання й піднімання долота здійснюється на канаті всередині бурильних труб, з дещо більшим діаметром. Долото переміщується разом із ротором турбіни, статор якої приєднаний до нижньої частини колони, яка не витягується зі свердловини при бурінні.

Долото в транспортному стані вільно проходить усередині бурильної колони, а в робочому — розсувається для буріння свердловини необхідного діаметра.

При бурінні використовується три види електробурів: електробур на трубах (найчастіше), на шлангокабелі, на кабельканаті.

Електробур — це занурювальний електродвигун, який встанов­люється у верхній частині довгого герметичного циліндра, заповненого маслом. Живлення електроенергією здійснюється через кабель, прокладений усередині бурильних труб.

Завдяки забійним машинам у багато разів збільшується забійна потужність унаслідок того, що майже вся потужність двигуна передається безпосередньо породороздрібнювальному інструментові.

Проте турбінне буріння має суттєвий недолік — низький загальний ККД установки (0,2—0,3).

Перевагами електробуріння є: скорочення в 2—3 рази спрацю­вання бурильних труб; електробур діє з меншими витратами промивальної рідини та за меншого тиску насосів (порівняно з турбобуром); зниження на 30 % витрат електроенергії; продування стисненим повітрям; можливість контролювати основні параметри режиму буріння безпосередньо на забої, а також у процесі буріння контролювати зенітний та азимутний кути осі свердловини.

Буровий інструмент. Породоруйнівний ін­струмент. Інструмент для роторного буріння складається з долота, обважнених бурильних труб з муфто-замковими з'єднаннями, робочої квадратної труби й вертлюга. Окремі елементи інструменту з'єднуються один з одним перевідниками, муфтами й замками. Верхній перевідник під вертлюг має ліву різьбу.

При роторному та турбінному бурінні застосовуються в основному шарошкові долота. Залежно від міцності порід, які проходяться, для буріння суцільним забоєм застосовують долота відповідних типів.

Тип М С Т Мц

Характеристика М'які Середні Тверді Міцні

і категорія порід І-ІІІ IV—V VI—VII VIII—XII

МС — для м'яких порід, які чергуються з породами середньої твердості; СТ — для порід середньої твердості, які чергуються з твердими; ТМц — для твердих порід, які чергуються з твердими; ОМц — для дуже міцних порід.

Долота типу М, С, CM і СТ мають фрезовані зуб'я, а долота типу Мц, ТМц і ОМц — породоруйнівну частину, армовану циліндричними штирями з твердого сплаву ВК-8 з напівсферичною робочою поверхнею. Долота типу М гідромоніторні, в яких у кожній лапі є бічні промивальні отвори з гідромоніторними насадками для забезпечення гідромоніторного ефекту. На рис. 144 зображені типи шарошкових доліт. Лопатеві та алмазні долота розглянуті в § 21. Випускаються долота для руйнування абразивних порід МЗ, СЗ, ТЗ, ТМцЗ.

Номінальний діаметр шарошкових доліт позначається номером відповідно до розміру обсадних труб, у які вводиться долото, в дюймах (дюйм 25,6 мм).

При підбиранні керна користуються звичайно колонковими снарядами з незмінним або змінним ґрунтоносом.

Бурильні головки призначаються для обертального буріння свердловини з відбиранням керна в породах VI—VII категорій типу базальтів, вапняків, доломітів (головка Т) і в породах VIII—XI категорій типу гранітів, окременілих вапняків, кварцитів тощо (головка Мц).

Колонковий снаряд з незмінним ґрунтоносом, який застосовується разом з бурильною головкою для приймання керна, складається із зовнішньої труби завдовжки 6 м, підвіски внутрішньої керноприй-мальної труби та пружинного керновиривного пристрою. Для відбирання керна найчастіше користуються колонковими долотами зі знімним ґрунтоносом.

Відбирання керна при турбінному бурінні виконується колонко­вими турбодолотами, які складаються з турбодолота, колонкової бурильної головки та знімного ґрунтоноса.

Бурильні труби діаметрами 73, 89 і 114,3 мм виготовляються з високоякісної сталі, мають муфтово-замкове з'єд­нання. Користуються бурильними трубами, які виготовляють із легких сплавів алюмінію й магнію, що зменшує потужність бурових установок, прискорює спуско-підйомні операції, підвищує ефек­тивність буріння. Використання надійної легкосплавної колони спрощує створення бурової установки для надглибокого буріння з метою вивчення нижніх горизонтів земної кори та верхньої мантії.

Для згвинчування та розгвинчування бурильних труб застосову­ються машинні шарнірні ключі зі вставними плашками. Ключі важкі, внаслідок чого їх підвішують на спеціальних канатах зі зрів­новажуючою противагою. Також використовуються автоматичні ключі, які приводять в дію з допомогою пневмодвигуна та пневмоциліндрів від мережі стисненого повітря.

Штанги робочі квадратні або шестигранні призначені для передання обертання від стола-ротора колоні бурильних труб.

Режим роторного та турбінного буріння. При проходці карту-вальних, пошукових і гідрогеологічних свердловин широко викори­стовується роторне буріння. При глибокому роторному бурінні на нафту й газ навантаження на 1 см діаметра долота мас бути: 3,9—4,9 кН в аргілітах, пісковиках, вапняках; 4,9—5,9 кН в ангідридах; 9,8 кН в міцних породах. При бурінні пересувними станками свердловин на воду завглибшки до 150—250 м наванта­ження на 1 см долота приймається в межах 0,78—3,9 кН залежно від фізико-механічних властивостей порід. Частоту обертання буриль­ної колони зменшують також зі збільшенням глибини свердловин. При турбінному бурінні частота обертання становить 300—700 об/хв (залежить від моменту опору, що прикладається до валу турбобура).

Витрати промивальної рідини розраховують, виходячи з швидкості висхідного потоку 0,6—0,8 м/с. При турбінному бурінні витрати рідини визначають також за технічною характеристикою турбобура.

При більшій глибині свердловини стає ефективнішим буріння алмазними долотами, які замість шарошкових доцільно застосовувати на глибинах понад 2500—3000 м.

Роторне буріння зі зворотною всмоктувальною циркуляцією промивальної рідини. Буріння свердловини великого діаметра зі зворотним промиванням, як правило, ведуть за роторним способом, але, на відміну від звичайних бурильних труб для цього використо­вують товстостінні цільнотягнуті труби діаметром від 100 до 200 мм. Промивають свердловини водою. Стовбур свердловини з'єднують із відстійником трубою або лотком, встановлюючи їх із незначним ухилом у бік свердловини. Для запобігання обвалювання породи в стовбурі свердловини при бурінні слід постійно підтримувати стовп води в свердловині на висоті не менше ніж 3 м над статичним рівнем водоносного горизонту.

При бурінні із зворотним промиванням вода надходить до свердловини зазором між стінками свердловини й бурильною колоною. Біля забою разом зі зруйнованою породою вода крізь отвори в долоті всмоктується всередину бурильної колони, а звідти рукавами скидається у відстійник. Для інтенсивнішого всмоктування й скидання пульпи на скидовій системі монтується вакуум- і відцентровий насоси або систему обладнують ерліфтом. Стійкість стовбура свердловини в пухких піщаних відкладах при бурінні забезпечується умовою , де — протитиск стовпа води в свердловині; — висота стовпа води в свердловині над статичним рівнем, м; — густина води; — радіальний тиск породи в найнестійкішому шарі (з найменшим коефіцієнтом внутрішнього тертя).

З практичного досвіду й теоретичних розрахунків відомо, що за найнесприятливіших умов при кутах внутрішнього тертя 16—20° радіальний тиск породи становить а = 29,4 — 39,2 кПа. При цьому стійкість стовбура свердловини зберігається протитиском стовпа води заввишки 3—4 м над статичним рівнем підземних вод. Отже, буріння зі зворотним промиванням застосовують: при глибині статичного рівня підземних вод не менше ніж 3 м; на ділянках, де гарантоване постачання води в достатній кількості для підтримування постійного протитиску (з урахуванням поглинання); на ділянках, де в геологічному розрізі відсутні валуни діаметром 0,4 м й більше; для порід до IV категорії, які складають геологічний розріз. Буріння зі зворотним промиванням застосовується для проходки свердловини великого діаметра завглибшки 50—150 м без кріплення обсадними трубами, забезпечуючи спускання фільтрової колони з достатнім зазором для гравійної засипки. Швидкість буріння збільшується в 10—15 разів порівняно з ударно-канатним способом; продуктивність у 4—8 разів більша порівняно з роторним способом з прямим промиванням глинистим розчином: повні витрати на 1 м свердловини у 2 з лишком раза менші, ніж при бурінні аналогічної свердловини за звичайним роторним або ударно-канатним способом.

Техніка безпеки при роторному бу­рінні та бурінні забійними двигу­нами. Всі інструменти для підйому (гаки та елеватори) обов'яз­ково оснащують справними замками й заскочками. Необхідно надійно закріплювати клинки ротора.

Забороняється: використовувати ролики блоків з ребордами, які мають вибоїни; залишати на помостах щогли (вишки) інструменти та інші предмети; присутність людей біля ротора під час обертання інструменту; тримати руками стропи при їх надіванні на відстані менше ніж 40 см від елеватора; проводити буріння при неповному складі зміни; усувати несправності та змащувати бурове обладнання на ходу; включати й виключати агрегати без попереджуючого сигналу; ставати на ротор, станок або лебідку установки для скручування або розкручування вертлюга; тримати буровий ін­струмент у підвішеному стані за допомогою вантажу, покладеного на рукоятку або педаль гальма; працювати без гумових чобіт, рукавиць і захисних окулярів під час виготовлення хімічних реагентів для обробки глинистого розчину; направляти на барабан лебідки рухомий канат ломом, трубою або іншими предметами; працювати на котушці зі зрощеним сталевим канатом з вузлами; бурити при виникненні в напірних лініях тиску, який перевищує максимальний робочий тиск; перебувати в радіусі дії машинного ключа при скручуванні та розкручуванні бурильних труб; опускати й піднімати буровий інструмент при несправних гальмах лебідки; опускати й піднімати буровий інструмент на слизькій підлозі; працювати в одязі, який не відповідає правилам безпеки.

При бурінні на нафту й газ можливі викиди, фонтанування, що в ряді випадків призводить до пожеж, ліквідація яких надзвичайно складна. У зв'язку з цим персонал, що працює на таких свердловинах, повинен пройти спеціальний інструктаж з техніки безпеки.

Значна частина заходів безпеки, описаних у цьому розділі, стосуються й колонкового буріння.

Поиск по сайту: