Рис.1. Общая схема буровой установки:
1 — буровое долото; 2 — УБТ; 3 — бурильные трубы; 4 — кондуктор; 5 — устьевая шахта; 6 — противовыбросовое устройства ; 7 — пол буровой установки; 8 — буровой ротор; 9 — ведущая бурильная труба; 10 — буровой стояк; 11 — вертлюг; 12 — крюк; 13 — талевый блок; 14 — балкон верхового рабочего; 15 — кронблок; 16 — талевый канат; 17 — шланг ведущей бурильной трубы; 18 — индикатор нагрузки на долото; 19 — буровая лебёдка; 20 — буровой насос; 21 — вибрационное сито для бурового раствора; 22 — выкидная линия бурового раствора.
Бурение — процесс разрушения горных пород с помощью специальной техники — бурового оборудования. Различают три вида бурения: Вертикальное бурение, Наклонно-направленное бурение, Горизонтальное бурение. Бурение скважин — это процесс сооружения направленной цилиндрической горной выработки в земле, диаметр «D» которой ничтожно мал по сравнению с её длиной по стволу «H», без доступа человека на забой. Начало скважины на поверхности земли называют устьем, дно — забоем, а стенки скважины образуют ее ствол.
Скважиной называют горную выработку круглого сечения, сооружаемую без доступа в нее людей, у которой длина во много раз больше диаметра.
1.2 Классификация буровых установок для глубокого бурения
Нефтяные и газовые скважины бурят при помощи буровых установок, представляющих собой комплекс агрегатов, механизмов и сооружений, расположенных на поверхности. Скважины бурят в самых различных климатических условиях и на разной глубине, поэтому необходимо иметь буровые установки разных классов, удовлетворяющих возникающим требованиям.
Различные подходы к классификации буровых установокБуровые установки применяются на воде и на суше и зачастую могут выполнять несколько видов работ. Буровую установку для бурения конкретной скважины выбирают по допустимой нагрузке на крюке, которую не должен превышать вес наиболее тяжелой обсадной колонны (в воздухе).
При выборе типоразмера и модели установки данного класса учитываются конкретные геологические, климатические, энергетические и дорожно-транспортные условия бурения. В соответствии с этим выбирается тип привода (дизельный или электрический), а также схема монтажа и транспортировки буровой установки. Каждая компания по производству буровых установок выпускает свои модификации машин, которые не всегда подпадают под четкую классификацию. Поэтому можно сказать, что существует множество различных подходов к классификации буровых установок. Буровые установки можно подразделять по:1)способу передвижения: самоходные , несамоходные. 2) дислокации: наземные , плавучие 3) виду работ: для разведочного бурения, для эксплуатационного бурения. Размеры буровых установок различны — от небольших станков, монтаж и управление которыми в подземных выработках могут осуществлять два человека, до огромных, смонтированных на стальных вышках и обслуживаемых бригадой квалифицированных буровиков. Имеются установки, смонтированные на автомобильных шасси или полозьях. Также можно подразделять буровые установки по видам разбуриваемой породы.
Установки для глубокого бурения нефтегазоносных скважин
... бурения, м ; ; ; ; ; Примечание: Установки БУ-10 000 и БУ-12 500 выпускаются заводом Уралмаш по специальному заказу. Назначение основных узлов и агрегатов буровой установки Буровая нефтегазоносная скважина буровая установка Талевая Буровая ... глубокое проникновение в недра земли и более эффективную добычу «земляного масла» (нефти). Рисунок 2а — Буровая установка С бурения первых промышленных скважин ...
Там, где исследуемые участки перекрыты мощной осадочной толщей или твердыми породами, необходимо бурение скважин при помощи следующих буровых установок:
1) шнековых (для бурения мягких грунтов)
2) ударно-канатных (для разведочного бурения) — применяются редко
3) вращательных (используются в непродуктивных отложениях)
4) станков «Эмпайр» (для бурения рыхлых отложений до глубины 9-12 м при разведке бокситовых месторождений)
Буровые установки можно классифицировать по способу бурения. Но основным параметром классификации буровых установок является грузоподъемность, которая определяет конструкции и характеристики бурового и энергетического оборудования, входящего в установку. Грузоподъемность зависит от конструкции скважины, от нагрузок, возникающих при спуске и подъеме бурильной и обсадной колонн.
Буровые установки характеризуются двумя параметрами:
1 номинальной грузоподъемностью, которая определяется длительностью эксплуатации оборудования,
2 максимальной грузоподъемностью, определяемой кратковременными перегрузками оборудования.
Различные условия и цели бурения при наличии большого разнообразия глубин и конструкций скважин не могут быть удовлетворены одним типоразмером буровой установки, поэтому ГОСТ 16293-82 предусматривает следующий ряд буровых установок:
Таблица -1
|
Класс буровой установки |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
|
Допускаемая нагрузка на крюке, кН |
800 |
1000 |
1250 |
1600 |
2000 |
2500 |
3200 |
4000 |
5000 |
6300 |
8000 |
|
|
Условный диапазон глубин бурения, м |
600- 1250 |
1000- 1600 |
1250- 2000 |
1600- 2500 |
2000- 3200 |
2500- 4000 |
3200- 5000 |
4000- 6500 |
5000- 8000 |
6500- 10000 |
8000- 12500 |
|
1.3 Основные блоки и агрегаты их взаимодействия. Их назначение и функции
Буровая установка включает следующие элементы: основной двигатель (главный привод), буровая вышка, подвышечное основание (фундамент), оборудование для спуско-подъемных операций (СПО), буровые насосы, противовыбросовое оборудование (превенторы),блок очистки бурового раствора.
Основной двигатель привода буровой установки. В современных буровых установках в качестве основных энергоприводов используют двигатели внутреннего сгорания. Дизельное топливо — основное и легкодоступное сырье. На некоторых буровых установках применяют двигатели, работающие на природном газе.
Буровая вышка и подвышенное основание. Буровая вышка.—достаточно высокая и прочная конструкция, обеспечивающая спуск и подъем оборудования в скважину. Кроме того, вышка имеет рабочее место полати для верхового рабочего во время спуско-подъемных операций. Подвышечное основание служит опорой для буровой вышки, лебедки и бурильной колонны.
Оборудование для спуско-подъемных операции. Спуско-подъемное оборудование состоит из лебедки, талевой системы и талевого каната. Лебедка основной механизм буровой установки, позволяющий поднимать тяжелые грузы и опускать их с помощью проволочного каната, намотанного на барабан. Кроме того, с ее помощью бурильщик, используя катушки, свинчивает или развинчивает бурильные трубы и другие соединения.
Буровые насосы. Основной элемент бурового насоса представляет собой поршень, совершающий возвратно-поступательные перемещения в цилиндре и создающий давление для движения объема жидкости. Буровые насосы обычно используют для обеспечения циркуляции большого количества бурового раствора (19— 44 л/с) по бурильным трубам через насадки на долоте и обратно на поверхность. Следовательно, насос должен создавать давление, достаточное для преодоления значительных сил со-противления, и перемещать буровой раствор.
Превенторы (противовыбросовые устройства).
Газоводонефтепроявления — это нежелательное поступление потока пластовой жидкости в скважину, которое может (если им не управлять) перейти в фонтанирование скважины.Обычно превенторы -это клапаны, которые можно закрыть в любой момент при обнаружении газоводонефтепроявлений.
Блок очистки бурового раствора. Блоки очистки предназначены для ведения буровых работ по малоотходной или безамбарной технологии и входят в состав циркуляционных систем буровых установок всех классов. Они обеспечивают очистку буровых растворов от шлама с размером частиц более 5 мкм, обработку на центрифуге сливов песко- и илоотделителя с выделением шлама пониженной влажности, регенерацию барита, его многократное использование при бурении и выведение из бурового раствора избытка коллоидной фазы, а также регенерацию барита после завершения бурения скважины, переработку избытков бурового раствора с его разделением на оборотную воду и шлам пониженной влажности, дегазацию буровых растворов. При использовании полнокомплектных блоков очистки в 2-3 раза сокращается объем отходов бурения, на 40-60 % уменьшается расход барита и химреагентов. В процессе бурения из блока выходит шлам пониженной влажности, пригодный для перевозки в контейнерах или бортовых транспортных средствах.
2. Конструкция скважины
2.1 Понятие о конструкции скважины
Бурение — это процесс сооружения скважины путем разрушения горных пород. Скважиной называют горную выработку круглого сечения, сооружаемую без доступа в нее людей, у которой длина во много раз больше диаметра.
Верхняя часть скважины называется устьем, дно — забоем, боковая поверхность — стенкой, а пространство, ограниченное стенкой — стволом скважины. Длина скважины — это расстояние от устья до забоя по оси ствола, а глубина — проекция длины на вертикальную ось. Длина и глубина численно равны только для вертикальных скважин. Однако они не совпадают у наклонных и искривленных скважин.
Элементы конструкции скважин приведены на рис. 2. Начальный участок I скважин называют направлением. Поскольку устье скважины лежит в зоне легкоразмываемых пород его необходимо укреплять. В связи с этим направление выполняют следующим образом. Сначала бурят шурф — колодец до глубины залегания устойчивых горных пород (4…8 м).
Затем в него устанавливают трубу необходимой длины и диаметра, а пространство между стенками шурфа и трубой заполняют бутовым камнем и заливают цементным раствором 2.
Нижерасположенные участки скважины — цилиндрические. Сразу за направлением бурится участок на глубину от 50 до 400 м диаметром до 900 мм. Этот участок скважины закрепляют обсадной трубой 1 (состоящей из свинченных стальных труб), которую называют кондуктором II. Затрубное пространство кондуктора цементируют. С помощью кондуктора изолируют неустойчивые, мягкие и трещиноватые породы, осложняющие процесс бурения. После установки кондуктора не всегда удается пробурить скважину до проектной глубины из-за прохождения новых осложняющих горизонтов или из-за необходимости перекрытия продуктивных пластов, которые не планируется эксплуатировать данной скважиной. В таких случаях устанавливают и цементируют еще одну колонну III, называемую промежуточной. Если продуктивный пласт, для разработки которого предназначена скважина, залегает очень глубоко, то количество промежуточных колонн может быть больше одной. Последний участок IV скважины закрепляют эксплуатационной колонной.
Рис. 2. Конструкция скважины:1 — обсадные трубы; 2 — цементный камень; 3 — пласт; 4 — перфорация в обсадной трубе и цементном камне; I — направление; II — кондуктор; III — промежуточная колонна; IV — эксплуатационная колонна.
Она предназначена для подъема нефти и газа от забоя к устью скважины или для нагнетания воды (газа) в продуктивный пласт с целью поддержания давления в нем. Во избежание перетоков нефти и газа в вышележащие горизонты, а воды в продуктивные пласты пространство между стенкой эксплуатационной колонны и стенкой скважины заполняют цементным раствором. Для извлечения из пластов нефти и газа применяют различные методы вскрытия и оборудования забоя скважины. В большинстве случаев в нижней части эксплуатационной колонны, находящейся в продуктивном пласте, простреливают (перфорируют) ряд отверстий 4 в стенке обсадных труб и цементной оболочке. В устойчивых породах призабойную зону скважины оборудуют различными фильтрами и не цементируют или обсадную колонну опускают только до кровли продуктивного пласта, а его разбуривание и эксплуатацию производят без крепления ствола скважины. Устье скважины в зависимости от ее назначения оборудуют арматурой (колонная головка, задвижки, крестовина и др.).
2.2 Основные факторы для обоснования конструкции скважины.
Выбор и обоснование конструкции скважины является важнейшим исходным моментом при проектировании и играет решающую роль в успешном проведении скважины до проектной глубины с лучшими технико-экономическими показателями, в обеспечении оптимальных условий бурения и опробования.
Под конструкцией скважины понимают характеристику буровой скважины, определяющую изменение её диаметра с глубиной, также диаметры и длинны обсадных колонн. Исходными данными для построения конструкции скважины колонкового бурения являются физико-механические свойств горных пород, наличие пористых и неустойчивых интервалов, и, главное, конечный диаметр бурения. Конструкция скважины влияет на все виды работ, составляющие процесс бурения, и определяет их стоимость и качественное выполнение геологического задания.
При бурении на различные виды полезных ископаемых применяются разные конструкции скважин в зависимости от допустимого диаметра керна. Конечный диаметр скважины определяется минимально допустимым диаметром керна конкретного полезного ископаемого
2.3 Типовые конструкции скважины
При поисках, разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений бурят опорные, параметрические, структурные, поисковые разведочные, эксплуатационные, нагнетательные, наблюдательные и другие скважины.
1) Опорные скважины закладываются в районах, не исследованных бурением, и служат для изучения состава и возраста слагающих их пород.
2) Параметрические скважины закладываются в относительно изученных районах с целью уточнения их геологического строения и перспектив нефтегазоносности.
3) Структурные скважины бурятся для выявления перспективных площадей и их подготовки к поисково-разведочному бурению.
4) Поисковые скважины бурят с целью открытия новых промышленных залежей нефти и газа.
5) Разведочные скважины бурятся на площадях с установленной промышленной нефтегазоносностью для изучения размеров и строения залежи, получения необходимых исходных данных для подсчета запасов нефти и газа, а также проектирования ее разработки.
6) Эксплуатационные скважины закладываются в соответствии со схемой разработки залежи и служат для получения нефти и газа из земных недр.
7) Нагнетательные скважины используют при воздействии на эксплуатируемый пласт различных агентов (закачки воды, газа и т.д.).
8) Наблюдательные скважины бурят для контроля за разработкой залежей (изменением давления, положения водонефтяного и газонефтяного контактов и т.д.).
Кроме того при поиске, разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений бурят картировочные, сейсморазведочные, специальные и другие скважины.
3. Буровое оборудование
Бурение скважины может быть достигнуто посредством вовлечения в процесс специального оборудования, функционально объединенного одной задачей и технологически составляющего единый комплекс — буровая установка.
Вышка является грузоподъемным сооружением, для чего снабжается специальной полиспастной (талевой) системой. В нее входят: кронблок, талевый блок, крюк и металлический канат. Кронблок и талевый блок — система не перемещающихся и перемещающихся шкивов, через которые переброшен канат. Один конец каната закреплен неподвижно (мертвый конец), второй — укрепляется на барабане лебедки.
Работа талевой системы основана на известном правиле механики. при подъеме груза с помощью блока выигрыш в силе равен проигрышу в расстоянии. Нас в данном случае интересует выигрыш в силе, поскольку непосредственный подъем груза значительной массы требует больших затрат мощности. К талевому блоку крепится крюк, на который подвешивается груз, спускаемый в скважину или поднимаемый из нее. В большинстве случаев — это колонна бурильных труб, к самому низу которой крепится долото.
Лебедка — механизм, предназначенный для намотки свободного (ходового) конца талевого каната, и осуществления за счет этого спускоподъемных операций. Главным узлом лебедки является барабан, вращательное движение которому сообщает специальный привод. Скорость вращения барабана регулируется пневматическим или ручным тормозом.
Ротор — механизм, осуществляющий вращение труб при бурении скважин, а также их свинчивание и развинчивание. Состоит из корпуса, в котором на подшипниках установлен вращающийся стол. Стол имеет отверстие квадратной формы, в которое вставляется первая труба бурильной колонны и имеющая квадратное сечение. Такая конструкция трубы и стола обеспечивает их надежный контакт.
Рисунок -3. Буровая установка для роторного бурения:
- а—наземное оборудование;
- б—устье скважины и оборудование под полом вышки;
- /—буровая вышка;
- 2—полати;
- 3—линия выхода бурового раствора из скважины;
- 4 — место бурильщика;
- 5 — вибрационное сито;6—буровая лебедка;
- 7 — основные двигатели;
- 8—приемная емкость бурового насоса;
- 9—буровой насос;
- 10—главная передача (трансмиссия) от двигателей к лебедке и буровому насосу;
- // — привод к ротору от основного двигателя;
- 12 — подвышенное основание;
- 13 — стол ротора;
- 14 — пол вышки;
- 15 — стояк и буровой шланг;
- 16—ведущая труба;
- 17— вертлюг;
- 18 — крюк;19 — четырех шкивный талевый блок;
- 20 — талевый канат;21 — пятишкивный кронблок;
- 22 — разрез пола вышки;
- 23, 30—верхний и нижний гидравлические превенторы;
- 24— выводные отверстия с клапанами и штуцерами для бурового раствора (верхний превентор закрыт);
- 25—кондуктор (первая колонна обсадных труб);
- 26—утяжеленная бурильная труба (УБТ);
- 27— долото;
- 28 — бурильная труба;
- 29 — цементное кольцо между обсадными трубами и стенкой скважины. Стрелками показано направление потока бурового раствора.
Вращение стола осуществляется через коническую пару шестерен, одна из которых связана с карданным валом привода, вторая — со столом.
Насос — гидравлическая машина, осуществляющая подачу жидкости (ее называют промывочной) в скважину в процессе бурения. При этом достигаются следующие цели: напор струи жидкости воздействует на породу в области долота, что способствует ее разрушению; выбуренная порода захватывается струей жидкости и выносится на поверхность. В качестве промывочной жидкости используется вода с различными присадками и глинистый раствор.
Насос состоит из двух узлов — гидравлического и механического. Гидравлический узел включает в себя два (или три) цилиндра, в которых совершают возвратно-поступательное движение поршни. Клапаны, установленные в цилиндрах, обеспечивают поочередный впуск и выброс жидкости, а воздушный колпак сглаживает пульсирующий характер подачи жидкости.
Перемещение поршней обеспечивает механический узел, представляющий собой редуктор с кривошипно-шатунным механизмом. Последний преобразовывает вращательное движение в возвратно-поступательное движение поршней. Механический узел включает в себя шкив, кривошип (коленвал), шатун, крейцкопф. Крейцкопф обеспечивает передачу усилий от шатуна к штоку поршня строго по оси поршня.
Насос в целях безопасности, обязательно должен быть укомплектован ‘ предохранительным клапаном, который монтируется на нагнетательном трубопроводе и предотвращает создание в насосе и в трубопроводе давления выше критического.
Система очистки промывочной жидкости предназначена для очистки выходящей из скважины промывочной жидкости, несущей частицы выбуренной породы и других примесей и подготовки жидкости для повторного использования. Система укомплектовывается специальными ситами для очистки жидкости от выбуренной породы, дегазаторами для отделения газа, емкостью для сбора очищенной жидкости.
Элеватор служит для подъема бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб (НКТ).
Элеватор представляет собой устройство типа хомута, которое защелкивается на трубе, что позволяет поднимать бурильную колонну из скважины.
Рисунок 4 — Элеваторы:
- а — для бурильных труб;
- б — для обсадных труб;
- в — для НКТ.
Обычно Превенторы -это клапаны, которые можно закрыть в любой момент при обнаружении газоводо-нефтепроявлений.
Превенторы бывают трех видов:
1) универсальные превенторы, которые изготовлены так, чтобы закрыться на трубе любого размера и формы, спущенной в скважину. Они обычно закрываются, когда скважине угрожает выброс;
2) трубные плашки двух видов: с постоянным и переменным диаметрами. Плашки с постоянным диаметром предназначены для бурильных труб одного типоразмера и могут использоваться во время бурения. Плашки переменного диаметра предназначены для уплотнения различных типоразмеров труб;
3) глухие и срезающие плашки. Глухие плашки применяют для закрытия скважины, в которой нет бурильной колонны или обсадных труб. Срезающая плашка — разновидность глухой плашки, которая может срезать трубу и перекрыть открытую скважину.
Вертлюг — узел, обеспечивающий подачу промывочной жидкости к буровому долоту через колонну бурильных труб в процессе ее вращения. Для этой цели вертлюг выполнен из двух частей — неподвижной и подвижной. Неподвижная часть соединена с помощью бурового шланга со стояком, по которому подается промывочная жидкость, а подвижная — через квадрат с вращающейся бурильной колонной.
Рисунок 5 — вертлюг:
1 — Штроп; 2 — Отвод штропа; 3 — Крышка; 4 — плавающая сменная самоустанавливающаяся труба; 5 — Верхний ряд конических роликов (подшипник); 6 — Кронштейны с амортизаторами; 7 — Основной нижний подшипник; 8 — Внутреннее кольцо нижнего радиального подшипника.
Ключ АКБ-3М устанавливается между лебедкой и ротором на специальном фундаменте. Блок ключа- основной механизм, непосредственно свинчивающий и развинчивающий бурильные трубы. Он смонтирован на каретке, которая перемещается при помощи двух пневматических цилиндров по направляющим: либо к бурильной трубе, либо от нее.
Пневматический клиновой захват ПКР-560 служит для механизированного захвата и освобождения бурильных и обсадных труб. Он монтируется в роторе и имеет четыре клина, управляемых с пульта посредством пневмоцилиндра.
Ключ ПБК-1 подвешивается на канате. Высота его подвески регулируется пневматическим цилиндром с пульта управления.
Пневматический клиновой захват ПКР-560 служит для механизированного захвата и освобождения бурильных и обсадных труб. Он монтируется в роторе и имеет четыре клина, управляемых с пульта посредством пневмоцилиндра.
4. Бурильный инструмент (БИ) и породоразрушающий инструмент (ПРИ).
4.1 Породоразрушающий инструмент (ПРИ)
Толща земной поверхности сложена породами разной твердости. В верхней части — песок, глина, глубже — песчаники известняки, затем — граниты, кварциты. Это следует учитывать при выборе конструкции породоразрушающего инструмента — долота, являющегося первичным звеном в большой технологической цепи процесса бурения.
Долота служат для разрушения горных пород на забое скважины.
По характеру воздействия на породу долота классифицируются следующим образом:
1. Долота режуще-скалывающего действия (лопастные долота).
Предназначены для разбуривания пластичных пород небольшой твердости (глина, глинистые сланцы) и малой абразивности.
2. Долота дробяще-скалывающего действия- класс шарошечных долот. Тип долота будет зависеть от породы, данным долотом можно бурить все 5 видов пород.
3. Долота режуще-истирающего действия с алмазным и твердо-сплавными породоразрушающими вставками.
По назначению долота делятся на:
1) долота, разрущающие горную породу сплошным забоем;
2) долота, разрущающие горные породы кольцевым забоем ( колонковое долото);
3) долота специального назначения.
Долота для сплошного и колонкового бурения предназначены для углубления скважины. А специального назначения предназначены для работы в пробуренных скважинах. Ими расширяют и выравнивают ствол скважины.
Так же долота делятся по характеру воздействия и по назначению.
Буровое долото — основной элемент бурового инструмента для механического разрушения горных пород в процессе бурения скважины. Термин «долото» сохранился от раннего периода развития техники бурения, когда единств. способом проходки скважины было ударное бурение, при котором долото имело сходство с плотничным инструментом того же наименования. По назначению различают 3 класса буровых долот: для сплошного бурения (разрушение г. п. по всему забою скважины), колонкового бурения (разрушение г. п. по кольцу забоя скважины с оставлением в её центральной части керна) и для спец. целей (зарезные долота, расширители, фрезеры и др.).
По характеру воздействия на горные породы долота делятся на 4 класса: дробящие, дробяще-скалывающие, истирающе-режущие и режуще-скалывающие. По виду рабочей (разрушающей г. п.) части выделяют шарошечные и лопастные буровые долота.
Шарошечные долота (Долота дробяще-скалывающего действия).
В отличие от лопастных, в шарошечных имеются вращающиеся детали — шарошки. Шарошка крепится на лапе долота с помощью подшипника, потому может вращаться. Один шариковый подшипник является замковым, для того чтобы надёжно закрепить шарошку на лапе долота и не допускать её продольных перемещений (шарошки должны только вращаться).
Долото (любое) на забое скважины вращается по часовой стрелке. А шарошки осуществляют вращение против часовой стрелки. Комбинация этих движений и даёт дробяще-скалывающий эффект. Существуют 1, 2, 3, 4, 6, 8-шарошечные долота. На подвижных вращающихся деталях располагаются породоразрушающие элементы — зубцы. Зубцы могут быть изготовлены вместе с толом шарошки, одновременно путём фрезерования или накатки. Зубцы могут быть изготовлены из специальных твёрдых сплавов и впаяны в тело шарошки. Зубцы располагаются на шарошке в виде концентрических окружностей или венцов. Венцы нумеруются буквами алфавита — А, Б, В… А находится в центре. Последний венец называется периферийным. Периферийные зубцы испытывают как бы двойную нагрузку, т.е. участвуют в разрушении породы на забое и в калибровании стенок скважины. Очень часто периферийные зубцы изготовляют Г-, П-, Т- образной формы (для фрезерования зубцов).
Твёрдосплавные зубцы изготавливаются клиновидной формы, сферической формы, призматической формы. Форма зубца будет соответствовать типам различных пород по твёрдости. Чем твёрже порода тем большее количество зубцов находится в венцах (тем ближе располагаются зубцы).
Чем мягче порода тем реже расположены зубцы. Расстояние между зубцами — ШАГ(для мягких наибольший, для твёрдых наименьший).
Высота зубца от основания шарошки до вершины — ВЫЛЕТ(наибольший для разбуривания мягких пород, наименьший для твёрдых).
На всех шарошках количество зубцов и венцов разное. У шарошечных долот зачастую количество промывочных отверстий соответствует количеству шарошек(но не всегда).
Очень часто в промывочное отверстие долота для того чтобы уменьшить износ промывочных каналов вставляются металлокерамические сменные насадки. При чём диаметр входного отверстия металлокерамической насадки больше диаметра выходного отверстия. За счёт этого возникает гидромониторный эффект — увеличивается давление и разрушающий эффект струи. В таком случае на долоте указывается «Г». Бывают долота с центральной промывкой, тогда в шифре долота присутствует «Ц».
Лопастное долота. Состоит из кованого корпуса с присоединит. резьбой, к к-рому привариваются 3 и более лопастей. У двухлопастного долота корпус и лопасти отштамповываются как одно целое. Для повышения износостойкости долот лопасти армируются твёрдым сплавом. Пластинки твёрдого сплава заплавляются на передней грани лопастей в специально профрезерованные пазы. Боковые (калибрующие стенку скважины) грани лопастей армируются цилиндрич. зубками (сплав ВК8-В), запрессовываемыми в просверленные отверстия. Промежутки между зубками наплавляются твёрдым сплавом.
Рисунок 6 — Трехшарошечное долото:
1 — шарошка; 2 — ролик; 3 — шарик; 4 — фиксирующий штифт; 5 — палец; 6 — промывочная плита; 7 — лапа; 8 — корпус; 9 — присоединительная труба.
Для бурения скважин с отбором керна применяют шарошечные и лопастные бурильные головки, которые изготовляют для спец. керноприёмных устройств со съёмным и несъёмным керноприёмниками. Колонковые долота со съёмным керноприёмником позволяют отбирать с забоя скважины керн без подъёма бурильной колонны
Буровые долота. и бурильные головки изготовляют из прочных и износостойких материалов, т.к. в процессе бурения на долото действуют осевые и ударные нагрузки, вращающий момент, а также давление и химическая активность промывочной жидкости. Для секций (лап) и шарошек долот применяют хромникельмолибденовые, хромникелевые и никельмолибденовые стали. Выпускаются долтота и бурильные головки, оснащённые природными или синтетическими алмазами. Некоторые типы долот изготовляют из сталей электрошлакового и вакуумно-дугового переплавов.
Рисунок 7 — Долота РХ:
- а — с нижней промывкой; б — с верхней промывкой.
Алмазные долота.
Применяют технические алмазы 3-х групп: 1- борт, 2 — баллас, 3 — карбонада.
Борт — алмазы в виде неправильных кристаллов, желтого, коричневого или серого цвета. Баллас — шаровидные агрегаты крупнокристаллические мутнобелого или серого цвета. Карбонада — плотные, мелкозернистые агрегаты, черного (-серого) цвета. Буровые долота чаще всего готовят из подгруппы борт. Измеряются в каратах. Алмазные долота дороже, чем шарошечные. Для их использования необходимо технико-экономическое обоснование. Преимущества Алмазных долот — экономия на подъёме долота после сработки, т.к. они способны бурить 300 метров без остановки.
Алмазные долота состоят из корпуса в верхней части, в которой нарезана резьба для присоединения к бурильной колонне или к валу забойного двигателя. Кроме корпуса имеется твёрдосплавная матрица. Корпус и матрица соединяется между собой в процессе спекания. Алмазосодержащие элементы выполняются в виде секторов, разделённых канавками для прохода промывочной жидкости. Промывочные канавки выполняются спиральными или радианальными. Алмазы закрепляются на твёрдосплавной матрице методом порошковой металлургии.
Колонковые долта. Колонковое долото состоит из бурильной головки, которая разрушает забой по кольцу (в середине порода остаётся неизменной) и колонкового заряда (керноприёмного устройства).
Бурильная головка или коронка может быть твёрдосплавной(впаивается в поверхность) или алмазной. Выбуренный керн размещается в колонковой трубе. Керн при подъёме инструмента удерживается в колонковой трубе специальным кернодержателем. При турбинном способе бурения отбор керна осуществляется турбодолотами.
4.2 Бурильный инструмент (БИ)
Бурильные трубы — основная составная часть бурильной колонны, предназначенная для спуска в буровую скважину и подъёма породоразрушающего инструмента, передачи вращения, создания осевой нагрузки на инструмент, транспортирования бурового раствора к забою скважины.
Бурильные трубы изготавливают бесшовными, из углеродистых или легированных сталей, в основном с высадкой концов. Диаметр бурильных труб 33,5-168 мм (бурильные трубы диаметром до 60 мм используют в основном для геологоразведочного колонкового бурения).
Бурильные трубы соединяются между собой с помощью бурильных замков; в колонковом бурении применяют также ниппельные соединения. Кроме стальных, используются также легкосплавные трубы. Легкосплавные бурильные трубы (круглого сечения с толщиной стенки 9-17 мм) изготавливают с утолщёнными концами методом прессования из термообработанного алюминиевого сплава. Для их соединения применяют бурильные замки облегчённой конструкции. К бурильным трубам относятся также утяжелённые (УБТ) и ведущие (ВТ) бурильные трубы. Утяжелённые стальные бурильные трубы преимущественно круглого сечения изготавливают толстостенными из поковки с механической обработкой или горячекатаными. Они предназначены для создания нагрузки на породоразрушающий инструмент, увеличения жёсткости нижней части колонны. Комплект УБТ состоит из труб, соединённых с помощью замковой резьбы (длина до 300 м).
Для борьбы с искривлением скважины применяют УБТ квадратного сечения с наплавкой на гранях поясков из твёрдого сплава, для предотвращения прихвата — со спиральными фрезерными канавками. Ведущие бурильные трубы обычно квадратного или шестигранного сечения, устанавливают наверху бурильной колонны и передают ей вращение от привода буровой установки.
Бурильные трубы выпускают двух конструкций: цельные из кованой заготовки с утолщёнными концами и термической и механической обработкой по всей длине; сборные из горячекатаной заготовки с переводниками, навинчиваемыми на концы трубы, аналогично бурильному замку.
5. Способы бурения
5.1 Роторное бурение
Роторное бурение — разновидность вращательного бурения, когда породоразрушающий инструмент (долото), которым осуществляется углубление забоя в скважине цилиндрической формы, получает вращение через колонну бурильных труб от ротора буровой установки. Применяется для бурения взрывных, разведочных и эксплуатационных скважин.
Ротор через приводной горизонтальный вал получает вращение от двигателя (электрического, газотурбинного, двигателя внутреннего сгорания и др.).
Между бурильными трубами и долотом устанавливают утяжелённые бурильные трубы (для нагрузки на долото при бурении).
Верхняя рабочая труба квадратного сечения проходит через ротор и присоединяется к вертлюгу, через который от бурового насоса по нагнетательному шлангу в колонну подаётся промывочная жидкость. Иногда ведут Роторное бурение с продувкой забоя воздухом или газом.
Пробурив с поверхности начальный участок скважины, опускают первую обсадную колонну (так называемый кондуктор), которая перекрывает слабые неустойчивые породы и изолирует верхние водоносные горизонты. Для этого в кольцевое пространство между трубами и стенкой скважины закачивают цементный раствор. Бурение продолжается долотом меньшего диаметра (проходит внутри обсадных труб) до намеченной глубины, после чего в скважину опускают следующую обсадную колонну — промежуточную, а если она последняя, то эксплуатационную колонну.
5.2 Винтовые забойные гидравлические двигатели.
Винтовые забойные гидравлические двигатели подразделяются на следующие двигатели:
- a) общего назначения;
- b) для наклонно направленного и горизонтального бурения;
- c) для отбора керна;
- d) для ремонта скважин;
- e) с разделенным потоком;
- f) многомодульные.
Классификация винтовых забойных двигателей предложена Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко и А.Н. Гноевых по 18 признакам:
1) по кратности действия рабочих органов;
2) по кинематике рабочих органов;
3) по конструктивной компоновке;
4) по конструкции силовой секции;
5) по характеру распределения потока рабочей жидкости;
6) по конструкции ротора рабочих органов;
7) по конструкции узла соединения ротора и вала шпинделя;
8) по конструкции шпинделя;
9) по конструкции вала шпинделя;
10) по типу осевой опоры в шпинделе;
11) по конструкции уплотнения вала шпинделя;
12) по назначению;
13) по наружному диаметру;
14) по термостойкости;
15) по частоте вращения выходного вала;
16) по типу механизма искривления;
17) по роду рабочего агента;
18) по типу зацепления профилей рабочих органов.
По принципу действия ВЗД являются объемной (гидростатической) машиной, многозаходные рабочие органы которой представляют собой планетарно-роторный механизм с внутренним косозубым зацеплением.
Разработана широкая гамма высокоэффективных винтовых забойных двигателей общего назначения типов Д и ДС с высокими энергетическими и эксплуатационными параметрами и повышенной надежности.
Выпускаемые в России ВЗД общего назначения выполняются по единой схеме, имеющей:
неподвижный статор,
вращающийся ротор, соединяемые со шпинделем,
и охватывают диапазон диаметров корпуса от 127 до 240 мм и предназначены для привода долот шарошечных и безопорных, бурголовок, фрезеров и райберов диаметром от 139,7 до 295,3 мм с обеспечением минимального технологически требуемого зазора между корпусом двигателя и стенками скважины в конкретных горно-геологических условиях разрезов нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений.
ВЗД эксплуатируются с использованием воды и буровых растворов плотностью (1000 кг/м3 и менее) до максимальной (2000 кг/м3), включая аэрированные растворы и пены (при бурении и капитальном ремонте скважин), с содержанием песка не более 1 % по весу, максимальным размером частиц не более 1 мм, при забойной температуре не выше +100 °С. Все винтовые двигатели выпускаются в шпиндельном исполнении.
5.3 Турбобуры
В турбинном бурении наибольший крутящий момент обусловлен только сопротивлением породы вращению долота (труб и механизмов между долотом и турбобуром в случае их установки).
Максимальный крутящий момент в трубах, определяемый расчетом турбины (значением её тормозного момента) не зависит от глубины скважины, скорости вращения долота, осевой нагрузки на долото и механических свойств проходимых горных пород. Практика применения турбобуров показывает, что стойкость труб при этом способе бурения примерно в 10 раз превышает стойкость труб в роторном бурении. В турбинном бурении коэффициент передачи мощности от источника энергии к долоту значительно выше, чем в роторном.
Современный турбобур должен обеспечивать следующие характеристики и функции:
1. Достаточный крутящих момент при удельных расходах жидкости не более 0,07 л/с на 1 смІ площади забоя.
2. Устойчивую работу при частотах вращения менее 7 с для шарошечных и 7 — 10 с для алмазных долот.
3. Максимально возможный КПД.
4. обеспечение перепада давления на долоте не менее 7 МПа.
5. Наработку на отказ не менее 300 ч.
6. Долговечность не менее 2000 ч.
7. Постоянство энергетической характеристики до наработки на отказ.
8. Независимость энергетической характеристики от давления и температуры окружающей среды.
9. Возможность изменения реологических свойств раствора в процессе долбления.
10. Возможность введения в буровой раствор различных наполнителей и добавок.
11. Возможность осуществления промывки ствола скважины без вращения долота.
12. Возможность проведения замеров траектории ствола скважины в любой точке вплоть до долота без подъема бурильной колонны.
13. Стопорение выходного вала с корпусом по необходимости и освобождение от стопорения.
14. Гашение вибраций бурильного инструмента
15. Экономию проведённых затрат на 1 м проходки скважины по сравнению с альтернативными способами и средствами бурения.
В одной конструкции все эти требования воплотить очень сложно. В то же время целесообразно иметь возможно меньшее количество типов турбобуров одинакового диаметра.В начале 50-х годов в связи с возрастанием глубин скважин стали стремиться к увеличению числа ступеней турбины для снижения частот вращения долот. Появились секционные турбобуры, состоящие из двух-трёх секций, собираемых непосредственно на буровой. Секции свинчивались с помощью конической резьбы, а их валы соединялись сначала конусными, а затем конусно-шлицевыми муфтами. Осевая опора секционного турбобура устанавливалась в нижней секции.
В дальнейшем с целью упрощения эксплуатации турбобуров осевая опора была вынесена в отдельную секцию — шпиндель. Это усовершенствование позволило производить смену на буровой наиболее быстроизнашиваемого узла турбобура — его опоры. Резинометаллическая пята, хорошо работающая при использовании в качестве бурового раствора воды или буровых (глинистых) растворов с относительно низким содержанием твердой фазы, а также при невысоких значениях перепада давления на долоте, в случае применения утяжеленных или сильно загрязненных буровых растворов существенно искажала выходную характеристику турбобура, что снижало эффективность способа бурения, поэтому в конце 50-х годов были начаты интенсивные исследования по разработке опоры качения турбобура.
В начале 60-х годов Р.А. Ионнесяном и соавторами была создана упорно-радиальная шаровая опора турбобура серии 128 000, представляющая собой многоступенчатый шарикоподшипник двухстороннего действия.
Дальнейшее совершенствование конструкций турбобура связано с появлением новых высокопроизводительных шарошечных долот с герметизированными маслонаполненными опорами. Для эффективной отработки этих долот требуются частоты вращения приблизительно 2,5 — 5 с, что привело к созданию ряда новых направлений в конструировании турбобуров:
- с системой гидродинамического торможения;
- многосекционных;
- с высокоциркулятивной турбиной и клапаном-регулятором расхода бурового раствора;
- с системой демпфирования вибраций;
- с разделенным потоком жидкости и полым валом;
- с плавающей системой статора;
- с тормозной приставкой гидромеханического типа;
- с редукторной приставкой.
Появились также гидравлические забойные двигатели объемного типа — винтовые.
6. Цикл строительства скважины. Монтаж и демонтаж бурового оборудования
6.1 Подготовительные работы по перемещению буровой
Перед транспортировкой вышек и крупных блоков оборудования выполняют следующие подготовительные работы: выбирают на местности трассу движения, составляют оперативный проект на транспортировку, обозначают трассу на местности и подготовляют её при необходимости, готовят к транспортировке вышку, блоки и транспортные средства.
Современные буровые установки универсальной монтаже-способности позволяют перебазировать их любым способом: крупноблочным, мелкоблочным и отдельными узлами и агрегатами универсальным транспортом. Поэтому в процессе подготовительных работ в первую очередь определяют возможность, выбора такой трассы на местности, по которой возможна крупноблочная транспортировка оборудования.
Проектирование трассы. Для транспортировки блоков на большие расстояния трассу предварительно выбирают по топографической карте с крупным масштабом. Выбранную трассу уточняют на местности и корректируют с таким расчётом, чтобы объём работ по её подготовке (засыпка оврагов, срезка рвов, вырубка леса, устройство мостов и др.) был минимальным.
Выбранная и уточнённая на местности трасса наносится на карте или составляется схема трассы с нанесением на неё видимых ориентиров, которая согласовывается с руководителями организаций, по чьей территории она будет проходить. Если трасса пересекает воздушную ЛЭП или около неё намечаются земляные работы, то карта или схема согласовывается с руководителями организаций, эксплуатирующих линию. Вместе с этим намечается дата и время транспортировки блоков через ЛЭП для её заблаговременного отключения.
Составление проекта на транспортировку.
Выбранная и согласованная схема трассы — составная часть проекта транспортировки вышек и блоков. Кроме этого, проектом должно быть определено:
- способ транспортировки вышки и блоков и используемые транспортные средства (салазки, тележки, тяжеловозы);
- число и марки тракторов, применяемых в процессе транспортировки, диаметр и длина тяговых, страховочных и поддерживающих канатов;
- расстояние от оснований блоков до ближних к ним тракторов;
- объём работ для сооружений по преодолению рвов, ручьёв и оврагов, срезке и подсыпке грунта, снятию снежного покрова, временному снятию линий связи и электропередач и порядок переезда через них;
- число землеройной и другой техники для подготовки трассы;
- численность рабочих и расстановка их при движении, число средств сигнализации для подачи команд.
Подготовка трассы
После утверждения проекта трасса транспортировки вышек и блоков обозначается на местности путём установки специальных вешек с левой по ходу стороны на расстоянии 5 м от трассы. Вешки должны обеспечивать хорошую видимость трассы. На прямых и открытых участках вешки располагают на расстоянии не более 100 м друг от друга, а на поворотах трассы и закрытой местности — с учётом их видимости. На участках местности с хорошо видимыми ориентирами направления трассы установка вышек не обязательна. Ориентиры трассы должны быть нанесены на схему.
Все предусмотренные проектом работы по подготовке трассы выполняют до начала транспортировки вышки и блоков. Овраги засыпают бульдозерами одновременно с двух сторон с целью ускорения работ. Спуск и подъём делают плавным с хорошим сопряжением уклонов местности.
Насыпной грунт уплотняют трамбованием, укатыванием на всю ширину трассы в зависимости от размеров блоков. В зимнее время во избежание заносов трассу от снежного покрова чистят в день транспортировки с некоторым опережением во времени.
Подготовка вышек и блоков к транспортировке. Подготовку к транспортировке начинают с проверки технического состояния всех элементов и узлов вышки, несущих металлоконструкций оснований и транспортных средств. Все выявленные неисправности устраняют. Особое внимание обращают на крепление кронблока и площадок, всех болтовых и сварных единении вышки и блоков оборудования. Результаты проверки технического состояния вышки оформляют актом за подписями работников, производивших осмотр. После этого устанавливают тяжеловозы под опоры оснований, присоединяют к вышке страховые оттяжки и ослабляют от якорей постоянные оттяжки. При помощи домкратов тяжеловозов снимают блоки фундаментных опор и крепят кронштейны оснований в соответствующих гнездах тяжеловозов. Зацепляют буксирные тросы и устанавливают тяговые тракторы. Постоянные оттяжки открепляют от якорей, сматывают их и укладывают на основание блока.
Если вышка или блоки установлены на санных основаниях, то в зимний период перед стаскиванием их с фундамента полозья оснований необходимо оторвать от замерзшего грунта. Это делают при помощи домкратов или протаскиванием тракторами стального троса под полозьями оснований по всей их длине. При транспортировке вышечных блоков с консольно-поворотным краном и талевой системой крюкоблок опускают и привязывают к ноге или второму поясу вышки, а стрелу крана поворачивают до упора с вышкой и крепят к ней.
Сдвиг вышки с места может быть начат только при полной готовности её к транспортировке. До выезда вышки на трассу её следует поддерживать не менее чем тремя оттяжками, чтобы тракторы с оттяжками находились по углам равностороннего треугольника, а вышка была расположена в центре его. После сдвига вышки с места повторно осматривают все оборудование, проверяют надежность крепления транспортных средств, исправность тракторов, а затем начинают движение по трассе.
Организация работ и сигнализация при транспортировке
В процессе транспортировки вышек обычно участвует звено вышкомонтажников, состоящее из шести человек. Их расстановка по рабочим местам и распределение обязанностей производятся следующим образом. Ответственный за транспортировку находится впереди буксирных тракторов на расстоянии 30-50 м от них с таким расчетом, чтобы его могли видеть рабочие и трактористы. Он указывает направление движения и подает команды трактористам. Двое рабочих находятся справа и слева на расстоянии 10-20 м от буксирных тракторов. Они наблюдают за состоянием буксирных тросов и тракторов, а также дублируют подаваемую команду задним в ряду трактористам, которым не видны сигналы команд ответственного лица. Эти рабочие должны быть в зоне видимости ответственного за транспортировку и всех трактористов в ряду. Еще двое рабочих находятся по обеим сторонам вышечного блока в 5-10 м от него. Они наблюдают за состоянием основания, вышки, тяжеловозов и буксирных тросов и в случае неисправностей подают сигнал для остановки движения. Один рабочий обычно находится сзади на расстоянии 30-40 м от вышки. Он наблюдает за натяжением поддерживающих оттяжек и дублирует команды работающим на задних оттяжках трактористам. При спусках под уклон этот рабочий подаёт команды трактористам, тракторы которых устанавливают на задержку блока.
В транспортировке блоков оборудования участвуют 3-4 рабочих. Так же, как и при транспортировке вышечного блока назначается ответственный, который находится впереди буксирных тракторов и командует всем процессом транспортировки. Двое рабочих находятся по обеим сторонам блока и наблюдаю за состоянием его основания, тяжеловозов и буксирных тросов.
В зависимости от числа тракторов, участвующих в транспортировке блока, около них может также находиться один рабочих для дублирования команды трактористам.
Перед транспортировкой вышек и блоков руководитель работ проводит инструктаж со всеми трактористами и рабочими, участвующими в транспортировке. На инструктаже распределяют обязанности между рабочими и принимают условные сигналы команд, которые будут подаваться трактористам, а также сигналы рабочих руководителю работ для вынужденной остановки движения из-за неисправностей.
Для подачи сигналов команд применяют флажки яркого цвета. Флажки должны иметь как руководитель работ, так и все рабочие, участвующие в транспортировке. Сигнальные флажки выдают также всем трактористам, которыми они подают сигнал для остановки движения руководителю работ при выходе из строя трактора.
Наиболее ответственной операцией при транспортировке, требующей согласованного действия всех трактористов, является начало движения или сдвиг с места вышки или блока. Эту работу выполняют в такой последовательности. Перед началом движения по команде руководителя работ трактористы на малых оборотах двигателя натягивают все буксирные тросы и поддерживающие оттяжки, не допуская их провисания. По предупреждающему сигналу руководителя работ о подготовке к движению все трактористы выключают муфты сцепления и включают первую скорость тракторов, а рабочие занимают свои места. При подаче команды о начале движения трактористы одновременно включают муфты сцепления, увеличивают обороты двигателей и начинают транспортировку вышки или блока. Трактор, соединённый с передней страховой оттяжкой вышки, начинает движение несколько позже начала движения буксирных тракторов.
Строительство скважины выполняется по заранее составленному проекту и геолого-техническому наряду — документам, которыми следует руководствоваться при строительстве и бурении скважины.
Подготовительные работы включают в себя планировку площади, установку фундаментов под буровую вышку и другое оборудование, прокладку технологических коммуникаций, электрических и телефонных линий. Объем подготовительных работ определяется рельефом, климатической и географической зоной, экологической обстановкой. Так, в условиях болотистых месторождений Ненецкого автономного округа необходимо перед началом бурения сооружать насыпные дамбы (острова), на морских месторождениях — устанавливать платформы.
Монтаж — размещение на подготовительной площадке оборудования буровой установки и его обвязка. В настоящее время в нефтяной промышленности широко практикуется блочный монтаж — строительство крупными блоками, собранными на заводах и доставленными к месту монтажа. Это упрощает и ускоряет монтаж. Монтаж каждого узла заканчивается опробованием его в рабочем режиме.
