Бурильная колонна для бурения роторным способом

Как выполняется роторное бурение скважин на воду

Здесь вы узнаете:

Роторное бурение скважин — распространённый способ, при котором усилие на рабочую колонну подаётся с роторного вращателя. Роторные буровые установки могут быть как стационарными, так и мобильными.

Что такое роторное бурение скважин

Для начала разберем, что вообще из себя представляет роторное бурение скважин и каковы его альтернативы? Одним из самых привычных способов устройства водозаборной выработки пока признают шнековое бурение.

Однако шнековая технология не позволяет пройти скальные коренные породы. Применяемый в шнековом бурении винтовой бур не способен разрушить известняк. А ведь нередко бывает, что нужно забуриться именно в него, т.к. вышележащие слои не отличаются стабильным и достаточным для эксплуатации дебитом.

Колонковая и шнековая буровая технология не предоставляет возможность пройти скальные горные породы. В случае устройства скважины на известняк эффективней и экономичней использовать роторный метод бурения

Потому роторная технология, используемая ранее только в горнодобывающей отрасли, и стала внедряться в сферу устройства частных водозаборных сооружений. Ее рабочим элементом является находящееся в забойной части скважины долото. С помощью долота разрушаются связные и несвязные грунты, дробятся скальные коренные породы.

Выемка же разрушенной горной породы осуществляется с помощью жидкости, которая подается к забою через рабочую колонну или же затрубное пространство. Это 2 разных способа бурения, каждый из которых будет подробно рассмотрен далее.

Диаметр долота превышает диаметр рабочей колонны, что позволяет:

• сократить энергозатраты на весь процесс бурения (мощность здесь расходуются непосредственно только на проворачивание с усилием долота в забое, а потери на трение рабочей колонны о стенки скважины сводятся к минимуму);
• предохранить большую часть элементов рабочей колонны от повреждений, а также стенок пробуренной скважины от разрушения;
• создавать внушительные по диаметру скважины (к примеру, до 70 см) при крайне внушительных глубинах.

Таким способом можно формировать водоносные скважины, глубиной в 300 и более метров, т.е. бурить водозаборные выработки для снабжения водой дачных массивов и поселков.

Итак, определение: бурение по роторному принципу – это такой способ разработки скважины, при котором усилие на долото в забое передается от роторного вращателя через рабочую колонну. Ее собирают из штанг – узких стальных труб, которые присоединяются последовательно друг к другу по мене углубления в землю.

А вот в расчистке ствола выработки и забоя от шлама применяется поданная под напором вода. Благодаря такому решению постоянно разбирать и собирать буровую колонну для извлечения керна как в колонковом бурении не нужно.

Нагнетаемая в выработку жидкость сразу решает две важные задачи: освобождает путь буровому снаряду для производства дальнейших работ и производит промывку скважины, необходимую для подготовки водозабора к эксплуатации.

Когда применяется метод

Бурение роторным способом используется когда разрабатываются полускальные и скальные грунты для устройства скважин глубиной до ста пятидесяти метров. Для успешного бурения скал необходимо правильно подобрать бурильный инструмент – долото и утяжеленные трубы. По словам специалистов, для эффективной работы роторное бурение следует применять, если соблюдаются такие условия:

• Изучение гидрогеологического разреза участка проведено достаточно подробно.
• Известно, что почва состоит из скальных пород.
• Есть данные об уровне залегания водоносной жилы.
• Имеется хороший напор подземной воды.
• Есть возможность постоянной доставки промывочной жидкости.

Кроме того, следует учитывать, что условия южных районов позволяют проводить буровые работы круглогодично, а в северных областях работы ограничены температурными показателями внешней среды, при которых замерзает жидкость для промывки.

Плюсы и минусы метода

Среди бурильных методов водозаборных скважин роторный способ считается одним из популярных. Такая методика распространена по всему миру.

К достоинствам относится следующее:

1. Габариты. Вся конструкция для роторного бурения занимает мало места.
2. Возможность перевозки оборудования. Благодаря небольшим размерам установку можно размещать на специальных платформах для дальнейшего перемещения.
3. Универсальность. Роторный тип бурения можно применять при более широком спектре условий, чем ударную технологию, поскольку возможно использование многих насадок. За счет этого получится обрабатывать любые типы грунтовых слоев.
4. Быстрота. Благодаря особенностям бурения вращательным способом производительность труда намного выше, чем ударным методом.

Но имеются и некоторые недостатки. Проблемы могут возникать следующие:

1. Когда почва промерзает, это препятствует бурению роторным методом. В таком случае лучше всего воспользоваться ударной методикой, которая подходит и для работ в зимних условиях.
2. Глинистость раствора. Она провоцирует появление трудностей во время изучения слоев.
3. Изменение мощности. Значение зависит от показателей ротора, достаточно уязвимой детали во всей конструкции.

Оборудование для роторного бурения скважин

Ротор является основным механизмом станка для одноименного метода бурения. Вращатели различают по мощности, статической нагрузке, диаметру отверстия под колонну из труб. По конструкции роторы бывают неподвижными или перемещающимися в вертикальной плоскости. Они рассчитаны на бурение скважин глубиной 100-1500 м, выдерживают нагрузку 10-500 т.

Кроме основного предназначения (вращения инструмента), ротор служит удерживающим устройством бурильных и обсадных труб при выполнении спуско-подъемных операций. Еще ряд механизмов и устройств обеспечивают продвижение породоразрушающего снаряда в горный массив.

В состав роторной буровой установки входят:

1. Вышка — на ней размещаются и подвешиваются бурильные трубы. Сооружение устраивается в виде мачты на 1-2 опорах или каркаса башенного типа на 4 опорных точках.
2. Буровой насос поршневой — служит для закачки в скважину промывки. Работает в составе комплекса оборудования для приготовления раствора и его очистки.
3. Вертлюг — через него промывочный раствор от насоса попадает в буровую колонну. Устройство крепится на крюке в верхней части вышки.
4. Талевая система с лебедкой и блоками — обеспечивает спуск и подъем колонны.
5. Элеватор — с его помощью производятся захват и удержание труб.

В состав оборудования входят долота шарошечные и алмазные, стропы для присоединения элеватора к талевому блоку, переходники различных типов, грязевые насосы для откачки пульпы. Промывка при роторном бурении — прямая или обратная с применением глинистого раствора, воды.

Принцип осуществления роторного бурения скважин

Несмотря на кажущуюся простоту технологии, принцип работы роторного оборудования довольно сложен. Сам ротор приводится в действие за счет приводного вала, который передает вращение от электродвигателя. Иногда используется двигатель внутреннего сгорания.

Само вращение принимают ведущие вкладыши ведущих вкладышей. Их сечение полностью аналогично сечению верхней рабочей трубы, которое по своей форме может быть абсолютно разным.

Основой для бурильной колонны являются специальные трубы. Именно между ними и породоразрушающим инструментом монтируются УБТ – утяжелённые бурильные трубы. За счет их огромного веса на долото оказывается достаточная для эффективной работы нагрузка.

Верхняя часть рабочей трубы подсоединяется к вертлюгу. По этой системе подается промывочная жидкость, которая попадает на забой через насадки долота – она нужна для поддержания работоспособности всей роторной бурильной установки.

Подъем или спуск обеспечивают свечи – несколько бурильных труб с длиной от 25 до 50 метров. Под действием нагрузки, которую обеспечивают утяжеленные бурильные трубы, долото и разрушает породу. За счет регулярно поступающей жидкости инструмент охлаждается, а параллельно с этим забой прочищается от шлама. Жидкость используют повторно после её очистки.

Роторная буровая установка в работе (видео)

Особенности технологии роторного бурения скважин

Процесс бурения организован так, что из-за вымывания слоя почвы из шахты буровая колонна с каждым движением углубляется все ниже. Периодически ее необходимо наращивать добавлением других труб.

Процесс бурения выполняется ступенчато:

• Пройдя первые рыхлые слои грунта, колонну поднимают, а в шахту опускают обсадную трубу.
• Зазор по кругу заполняют раствором цемента.
• После застывания цемента в шахту подают долото с меньшим диаметром, и работа продолжается дальше.

Таких аналогичных шагов может выполняться несколько, а затем в шахту опускается перфорированная на конце эксплуатационная труба. В зависимости от качества почвенного пласта и глубины выбирают количество и массу труб, вид долота, скорость его вращения и материал кромок, давление промывочной жидкости. Специфика такова:

• Легкие породные пласты проходят с максимальной скоростью и наибольшей промывкой.
• Скалистые почвы требуют пониженной частоты и уменьшенного давления жидкости.

Помешать работам могут грунтовые твердые включения – валуны – на пути ротора, который может заклинило, или почвы, активно поглощающие промывку. Также замедляет процесс нехватка воды в месте проведения работ и наличие большого глинистого слоя. Глина, смешиваясь с водой, закупоривает водяное русло и требует дополнительной тщательной промывки.

Смена породоразрушающего инструмента

Несмотря на тщательно просчитанную геометрию лопастей и армирование твёрдыми сплавами, долото буровое всегда будет самым изнашиваемым инструментом роторной буровой установки. Его регулярная замена — неотъемлемая составляющая рабочего процесса. Для этих целей используются так называемые «свечи» — блоки из нескольких труб. В зависимости от высоты буровой вышки и глубины скважины, длина свечи может варьироваться от 20 до 50 м. С целью упростить свинчивание, трубы оснащают замками с конической резьбой.

Обсадные трубы

Пересекаемые скважиной породы частично укрепляются за счет применения глинистого раствора, но полноценное предотвращение осыпания стенок выработки достигается их обсадкой стальными трубами. Закончив бурение в заданном интервале, проходку скважины приостанавливают для монтажа обсадной колонны. Ближайшая к поверхности часть конструкции называется кондуктором.

При укреплении стенок выработки придерживаются следующих правил:

• диаметр обсадной трубы должен быть меньше сечения выработки: колонна опускается в скважину свободно;
• глубина, начиная с которой делают перерыв в бурении для установки обсадной крепи, находится в пределах 30-600 м;
• стенки водозаборных выработок обсаживают цельнотянутыми трубами длиной 6-13 м, для изготовления кондуктора используют сварные стояки Ø426-478 мм;
• затрубное пространство заполняется цементной тампонажной смесью.

В сложных геологических условиях устанавливают несколько обсадных колонн разного диаметра. Трубы меньшего размера располагаются в глубоких горизонтах.

Особенность нижнего звена конструкции заключается в том, что эта труба является эксплуатационной и перфорируется для проникновения воды внутрь колонны.

Промывочная жидкость в буровых роторных работах

Жидкие среды, используемые для бурения, укрепляют стенки выработки в рыхлых породах, удерживают буровой шлам во взвеси, не давая ему осаждаться, и выносят его на поверхность, не загрязняют подземную воду. Трение колонны о стенки скважины и охлаждение долота, способствование разрушению породы на забое — это тоже функции промывки.

В качестве буровых растворов применяются следующие жидкости:

Вода техническая. Применяется при строительстве водозабора в устойчивых породах и песках, где статический уровень жидкости ≥3 м. Диаметр скважин

Источник

Роторные буровые установки

В процессе строительства крупных объектов промышленного назначения, а также во время возведения частных домов на слабой почве прибегают к использованию свайных оснований. Ключевая их особенность – способность передавать нагрузку от высотных сооружений на устойчивые слои грунта.

Для изготовления таких фундаментов применяются буронабивные сваи, глубина погружения которых может достигать 75-ти метров. В России максимальная глубина погружения свай составляет обычно 48 метров, чего вполне достаточно для того, чтобы конструкция получилась прочной и надежной. Буронабивные сваи являются в некоторых случаях единственно возможным вариантом строительства на скальных почвах.

Несмотря на то, что технология использования свай применяется давно, выбор методики их устройства требует проведения предварительной георазведки и тщательных изысканий. Что касается оборудования, применяемого для устройства свай, то чаще всего для этого привлекают роторные буровые установки. О том, что они собой представляют, пойдет речь в нашем сегодняшнем материале.

Роторные буровые. Назначение и принцип действия

Роторное бурение – это технология, используемая не только во время монтажа буронабивных свай. Она является распространенным методом устройства скважин для любой среды. В частности, именно ротор представляет собой основу оборудования для подготовки разведывательных и эксплуатационных свай под добычу нефти и газа. Он используется на установках, грузоподъемность которых варьируется в пределах от 10-ти до 500 тонн. Глубина скважин, которые можно пробурить благодаря роторному буровому станку, составляет 100-15 тыс. метров.

Основывается бурение на передаче вращательного усилия на буровую колонну от поверхностного ротора с периодическим проворачиванием инструмента. Такое оборудование незаменимо и при необходимости удержания колонны труб, которые могут быть как обсадными, так и бурильными, в процессе выполнения спускоподъемных операций. Ротор представляет собой редуктор, вращение от которого передается на колонну вертикальных труб посредством вала трансмиссий, установленного горизонтально.

Между собой роторы различаются с точки зрения мощности, максимально выдерживаемой статистической нагрузки, а также в плане диаметра проходного отверстия. Если говорить о конструкции, то в этой связи оборудование подразделяют на две больших группы:

• неподвижное;
• вертикально перемещающееся путем выполнения возвратно-поступательных движений относительно основания скважины.

За приведение ротора в действие отвечают передачи от лебедки, отдельно взятый мотор или коробка передач. Изменение скорости вращения зависит от того, какой привод лежит в основе работы устройства. С целью восприятия реактивного крутящего момента производители оснащают роторы специальными стопорными механизмами, которые монтируются на столе либо на быстроходном валу.

Для исключения риска преждевременного выхода деталей из строя вследствие трения все подвижные элементы принудительно смазываются. На рынок оборудование поступает в двух вариантах исполнения – с так называемым ПКР (пневматическим клиновым захватом) или без него. Захват используется для фиксации труб.

Говоря конкретнее о сфере применения установок, ставших предметом нашего разговора, необходимо упомянуть, что они привлекаются для достижения следующих целей:

• Устройство скважин под воду, даже если водный пласт залегает очень глубоко.
• Сооружение отверстий для дальнейшей добычи нефти, газа и прочих полезных ископаемых.
• Установка свай глубокого погружения при строительстве фундаментов.
• Выполнение различного рода поисково-разведывательных операций.

Бурение скважин роторной буровой установкой может выполняться на любой почве, независимо от ее качества – мерзлой, скалистой, песчаной, болотистой и пр. Также немаловажным фактом является то, что работать подобное оборудование способно даже при неблагоприятных погодных условиях.

Принцип действия оборудования сводится к тому, что сам процесс бурения представляет собой последовательное и непрерывное разрушение почвы на месте выполнения работ с параллельной транспортировкой этой почвы на-гора. Вращение рабочих механизмов осуществляется одновременно с эвакуацией отработанного грунта, которая выполняется наиболее оптимальным из перечисленных ниже способов:

1. Путем прямой промывки глиняным раствором. Плюс такого метода состоит в оперативности очистки скважины от отработанного грунта, но есть и минус – необходимость постоянного подвоза хорошей глины. Этот способ нельзя использовать при бурении скважин для обеспечения водоснабжения, так как глина усложняет процесс определения качества воды.
2. Обратной водой, которая подается в отверстие под огромным напором, размывает почву на дне и выводит на поверхность грязевую массу.
3. Потоком сжатого воздуха. Как правило, таким образом отработанный грунт выводится наружу зимой, когда из-за мороза невозможно использовать другие способы отвода.
4. Путем применения механического шнека.

Важно обратить внимание на то, что применение для промывки скважин воды и сжатого воздуха, помимо всего прочего, способствует охлаждению буровой установки, а это положительно сказывается на увеличении срока ее эксплуатации.

Конструкция бурильного оборудования

В состав роторной буровой установки входят следующие узлы и детали:

• Буровая вышка, выполняющая функцию опоры для остальных элементов.
• Двигатель, оснащенный приводом непосредственно на ротор. Как правило, подобное оборудование оснащается электромоторами, но бывают механизмы с дизельным или гидравлическим приводом. Последние называют гидравлическими роторными буровыми установками.
• Ротор, который обеспечивает возможность роторного движения рабочего органа.
• Роторный стол, установленный на опорах (чаще всего их две) и соединенный с втулкой.
• Бурильная колонна, которая, в свою очередь, состоит из трубы, пустой внутри, системы бурильных труб и долота.
• Насосы, которые необходимы для того, чтобы в скважину непрерывно поступала очищающая смесь. О том, что это за смесь, мы говорили несколькими абзацами выше.
• Вертлюг для подачи в скважину бурильной жидкости.
• Талевая система.
• Система очистки, которая также состоит из нескольких узлов.

Отдельного внимания заслуживает тот факт, что роторные буровые установки могут быть как стационарными, так и передвижными, мобильными, транспортируемыми на объект с помощью железнодорожных платформ либо автомобильных прицепов.

Обсадные трубы

При бурении скважин в обводненной и неустойчивой почве используют обсадные трубы. Они необходимы для того, чтобы стенки скважины не осыпались. Как правило, в таких случаях применяют специальные установки под названием «Штанга Келли». Это наиболее распространенный сухой метод бурения с применением роторных установок.

Используют его преимущественно для монтажа буронабивных свай в неустойчивой или скальной почве, при этом для ее извлечения привлекают керн-буры, шнеки и прочие аналогичные инструменты. Буровой инструмент устанавливается на штангу Келли – телескопическую трубу, благодаря которой становится возможным бурение на большую глубину.

Вообще без обсадных труб невозможно представить строительство скважин и обустройство месторождений полезных ископаемых. Их помещают в скважину, тем самым предотвращая осыпание породы. Трубы либо вкручиваются друг в дружку, либо скрепляются муфтами, образовывая некое подобие колонны на всей глубине работы.

Промывочная жидкость

Во время бурения роторными установками в скважине происходит непрерывная циркуляция жидкости. Ранее считалось, что она необходима исключительно для вымывания из полости скважины отработанного грунта. Сегодня промывочную жидкость или буровой раствор относят к ключевым факторам, от которых зависит эффективность процесса бурения. Она не только устраняет шлам, но и выполняет ряд других важнейших функций, позволяющих завершить процесс работы и достичь требуемого уровня ее эффективности:

• Охлаждение бурильных труб и непосредственно инструмента, разрушающего породу.
• Удержание частиц почвы во взвешенном состоянии.
• Облегчение разрушения породы.
• Предотвращение осыпания стенок скважины.
• Значительное снижение коэффициенты трения.

Роторные установки для бурения: достоинства и недостатки

К преимуществам роторных буровых установок относится их высокая эффективность, маневренность, огромные экономические и практические выгоды применения. Так, применение такого оборудования позволяет бурить скважины на большую глубину, независимо от твердости породы. Также немаловажным плюсом является скорость работы и сравнительно невысокие затраты на обеспечение возможности бурения.

Как уже говорилось выше, использовать буры можно при любой погоде в разных климатических условиях. Если возникает необходимость в обустройстве свай под строительство высотки в городской черте, такая технология является единственно возможной благодаря минимальному, по сравнению с другими способами бурения, уровню шума.

Что касается недостатков, то их не так уж и много:

• Нельзя использовать, если грунт на объекте промерз.
• Из-за глинистости промывочной жидкости усложняется процесс изучения слоев почвы.
• Изменение мощности во время бурения.

Заключение

Как видим, эффективность и значение роторных буровых установок сложно переоценить. Их активно привлекают для бурения скважин в различных отраслях промышленности и народного хозяйства, а в современном строительстве подобное оборудование и вовсе незаменимо.

Если планируется возведение высотного сооружения на слабых грунтах, только путем использования технологии роторного бурения становится возможным воплощение в реальность разработанного архитекторами проекта.

Роторные буровые установки

Источник