Способы бурения скважин
Механические способы бурения.
Технология механического бурения включает операции по разрушению породы, подачу ее на поверхность, обеспечение стенкам буровых выработок устойчивости и вспомогательные операции. Для разрушения грунта в забое применяют такие приемы, как резание, истирание, удар, скол и комбинированное воздействие (например, истирание и удар). 
Транспортировку измельченного грунта на поверхность выполняют двумя методами: сухим, где измельченный грунт устраняют винтовыми конвейерами или сжатым воздухом; и гидравлическим, где грунт удаляют вымыванием его водой под давлением. Далее грунт уже вывозится самосвалами, при отсутствии достаточно количества средств можно купить самосвал бу.
Существуют три основных способа механического бурения : вращательный (буровой инструмент разрушает грунт вращением), ударный (буровой снаряд разрушает грунт ударами) и вибрационный (грунт разрушают колебаниями высокой частоты). Чтобы получить наибольшую эффективность, иногда при бурении используют комбинированные способы: ударно-вращательный или вибровращательный. Механическое бурение совершают машинами и буровыми станками. Если объемы работы небольшие или нужно пробурить мягкий грунт глубиной не больше 5 м, то в этих случаях применяют ручное бурение.
Для вращательного способа бурения характерна высокая производительность (в 3-4 раза превышающей производительности бурения ударами), более низкая стоимость буровых затрат, возможность бурения наклонных, горизонтальных и вертикальных скважин. При вращательном способе бурения буровой инструмент, жестко прикрепленный к нижнему концу вращающейся штанги, истирает, режет или скалывает породу забоя.
Вращательный способ бурения подразделяется на следующие основные виды: колонковое, шнековое, роторное, выполняемые самоходными установками или станками. Колонковым бурением проходят скважины диаметром 4,5…13 см и глубиной до 199 м. Колонковые станки или установки обладают лебедкой подъема трубчатых штанг и механизмом, вращающей эти штанги. На конце штанги расположен колонковый снаряд, имеющий кольцевую коронку (рабочая часть), армированной алмазами или резцами на твердых сплавах. Бурильный снаряд, вращаясь, внедряет колонку в породу, при этом образуется кольцевая выработка породы вокруг керна, который входит в колонковую трубу. Сделав проходку на необходимую глубину, буровые штанги, колонковый снаряд, керн поднимают на поверхность лебедкой. В процессе бурения насосом по бурильным трубам в забой скважины подают раствор из глины (или воду), который, смешиваясь с частицами разрушенной породы, выносит их через кольцевое пространство между стенками скважины и штангами на поверхность. Глинистый раствор обеспечивает охлаждение бурильного инструмента и одновременно защищает стенки скважины от обрушения.
Шнековое бурение используют для скважин диаметром 11…12,5 см и глубиной до 30 м в мерзлых и мягких грунтах. Шнековый буровой станок имеет металлическую раму. Она состоит из 2-ух направляющих стоек, которые установлены на полозьях или передвижной платформе. Направляющие стойки рамы служат для перемещения электродвигателя с редуктором. В шпиндель электродвигателя вставлены буровые рабочие штанги, представляющие собой трубы, где на их поверхности по линии винта наварены реборды (стальные полосы). Штанги извлекают ручной лебедкой. При углублении скважины штанги необходимо наращивать, для этого их между собой соединяют патронами. Звенья штанг заканчиваются долотом (или лопастным резцом), являющимся рабочей частью, при вращении штанг они врезаются в породу. Выбуренную породу винтовым конвейером выдают на поверхность.
Роторным бурением устраивают скважины диаметром 30…40 см и глубиной 150…1200 м. В роторную бурильную установку входят вращатель (ротор, сборная вышка) и оборудование, промывающее скважины раствором из глины. Круглый стол ротора имеет вкладыши, через которые проходит рабочая труба. Роторные вкладыши передают вращение от двигателя к бурильным трубам, прикрепленным к рабочей трубе. Благодаря соответствию размеров вкладышей ротора и наружного диаметра рабочей трубы, последняя может, одновременно вращаясь, перемещаться вниз и вверх. Лопастные и шарошечные долота, установленные на нижнем конце бурильной трубы, разрабатывают грунт забоя скважины по всей площади. Рабочая труба верхним концом соединена с вертлюгом, к которому присоединен насосный рукав, предназначенный для подачи глинистого раствора в бурильные трубы. Вся система бурильных и рабочих труб с вертлюгом подвешивается к крюку. Трубы (рабочие и бурильные) поднимают и опускают с помощью каната, навитого на лебедочный барабан.
Для бурения шпур в породах, имеющих мягкую и среднюю твердость, и в мерзлых грунтах применяют сверлильные машины, работающие на электрическом токе. Сверлильные машины могут быть легкими (с ручной подачей) и тяжелыми (колонковые). Осевое давление в ручной электрической сверлильной машине создается мускульной энергией бурильщика. Колонковая электросверлильная машина имеет автоматическую подачу. Буровая штанга сверл закрепляется в патроне шпинделя. Нижний конец ручной электросверлильной машины оснащают резцом, сделанной из твердого сплава. Подбор буровых штанг выполняют комплектно, соответствуя глубине шпура. Когда бурят ручной электросверлильной машиной, в шпуре образуется буровая мелочь или шлам, который нужно удалить. Для этого сверло быстро вытаскивают из шпура, при этом его вращение не должно прекращаться. Работая колонковыми электросверлильными машинами, шлам устраняют промывкой.
Ударным бурением разрабатывают скважины на полное сечение с начальным диаметром 30 см и конечным 15 см, глубиной до 250 м. Разработка скважин ведется сплошным забоем. Ударным способом бурят скважины для водоснабжения, проводят детальную разведку каменных материалов и инженерно-геологические исследования, замораживают грунт, устраивают набивные сваи и т. д. Ударное бурение подразделяют на ударно-вращательный, ударно-канатный, ударно-штанговый.
Применяют ударно-вращательное бурение для устройства шпур и скважин, обладающих различной крепостью. Станками ударно-вращательного бурения производят проходку скважин до 30 м. При данном способе бурения ударное действие и вращение инструмента совершают двумя независимыми механизмами – пневмоударником и вращателем. Пневмоударник является пневматическим молотком, в котором баек движущегося возвратно-поступательного поршня со штоком наносит удары по коронковому хвостовику. Коронка во время бурения может перемещаться вдоль оси пневмоударника на 2 см. Сжатый воздух к пневмоударнику поступает через буровые штанги. Вращатель состоит из электродвигателя и редуктора, при работе станка он приводит во вращение пневмоударник и буровую штангу, который внедряются в грунт. Штанга должна вращаться с частотой 25 об./мин. Буровую пыль, выходящую из скважины, улавливает обеспыливатель.
Ударно-штанговое бурение обеспечивает минимальное отклонение по вертикальной оси скважины. Опускают буровой снаряд в скважину на трубчатых бурильных штангах. Между собой штанги соединены замками на конической резьбе. Для подвешивания колонн буровых штанг используют вертлюги усиленной конструкции.
При ударно-канатном способе бурения буровой снаряд весом до 3 т падает в забой скважины с высоты больше 1 м, развивая значительную ударную силу. Станок, предназначенный для ударно-канатного бурения, работает так. Опорная мачта бурильного станка состоит из блока. Канат, перекинутый через этот блок, проходит под балансирным роликом и огибает далее ролик, являющийся направляющим. Канат закреплен на лебедочном барабане. Кривошипно-шатунная передача подает качательное движение балансирному ролику, благодаря этому буровой снаряд периодически подымается и падает. В буровой снаряд входят ударная штанга, канатный замок и долото. Различают долото плоское, двутавровое, крестовое и округляющее. Их изготовляют из легированной стали. В процессе бурения скважину заливают водой, с тонкоизмельченной породой она образует шлам. Его время от времени вычерпывают с помощью полого цилиндра (желонки), у которого на нижнем конце находится клапан. Станки ударно-канатного бурения имеют производительность до 30 м в смену.
Инструменты бурения
Перфораторы , используемые для бурения шпуров, могут быть ручные (имеют массу до 24 кг, им бурят шпуры глубиной до 3 м) и колонковые (либо станковые, масса – до 40 кг, глубина бурения – до 5 м). Воздух к перфоратору подводится компрессором. Рабочим органом перфоратора является буровая головка. Нетрещиноватые породы, обладающие мягкой и средней крепостью, бурят головкой с одним долотом, который армирован твердыми сплавами. При бурении вязких и трещиноватых пород применяют двухдолотчатые головки. Крестообразными головками бурят породы средней крепости, имеющих незначительную трещиноватость, а также вязкие породы. Для бурения крепких и трещиноватых пород используют кресто- и звездообразные головки.
Перфораторные молотки , очищающие каналы от каменной мелочи и пыли, подразделяют на мокрые и сухие. У мокрых перфораторов есть специальные устройства, промывающие канал водой, а в сухих перфораторах канал продувается воздухом. Мокрое бурение лучше сухого, т. к. вода, применяемая для промывки канала, способствует снижению сопротивляемости породы и увеличению стойкости головки бура за счет охлаждения ее водой и уменьшения трения о канальные стенки.
Вибрационный способ применяют для бурения шпур и скважин в мягких грунтах диаметром до 12,5 см и глубиной до 25 м. При вибрационном бурении под воздействием вибрационного снаряда происходит выделение связной жидкости из грунта. При этом частицы грунта, находящиеся в контактной зоне с вибрирующими наконечниками, переходят в состояние подвижности, одновременно резко снижается и сопротивляемость грунта сдвигу. Таким образом, буровой инструмент начинает внедряться в породу. Методы устройства каналов вибрационным способом бурения сходны вибропогружению шпунта и свай. Скорость бурения при вибрационном способе довольно высокая (например, в суглинистой почве шпур глубиной до 1,1 м пробуривается за несколько секунд). По мере увеличения глубины выработки у бурового инструмента вибрация затухает, уменьшается скорость проходки, а на глубине 20…26 м проходка прекращается.
При любом механическом способе бурения скважинные стенки закрепляют обсадными трубами, у которых внутренний диаметр составляет 5…20 см. Колонны обсадных труб выполняют из звеньев длиной 1,6…4,4 м, при бурении их опускают, при этом начинают с большего диаметра. С увеличением глубины скважин переходят на малые диаметры. Соединяют звенья труб ниппелями, муфтами либо свинчивают между собой способом «труба в трубу». Диаметр бурового инструмента должен быть на 5…10 мм меньше внутреннего диаметра труб. Внизу на обсадных трубах устанавливают коронку (так колонны обсадных труб легче опускаются), вверху – патрубок, защищающий трубные нарезки от ударов буровой установкой.
Источник
Механический способ бурения осуществляется
Классификация способов бурения на нефть и газ приведена на рис. 2.
По способу воздействия на горные породы различают механическое и немеханическое бурение. При механическом бурении буровой инструмент непосредственно воздействует на горную породу, разрушая ее, а при немеханическом разрушение происходит без непосредственного контакта с породой источника воздействия на нее. Немеханические способы (гидравлический, термический, электрофизический) находятся в стадии разработки и для бурения нефтяных и газовых скважин в настоящее время не применяются.
Механические способы бурения подразделяются на ударное и вращательное.
Рис. 2. Классификация способов бурения скважин на нефть и газ
При ударном бурении разрушение горных пород производится долотом 1, подвешенным на канате (рис. 3). Буровой инструмент включает также ударную штангу 2 и канатный замок 3. Он подвешивается на канате 4, который перекинут через блок 5, установленный на какой-либо мачте (условно не показана). Возвратно-поступательное движение бурового инструмента обеспечивает буровой станок 6.
1 — долото; 2 — ударная штанга; 3 — канатный замок;
4 — канат; 5 — блок; 6 — буровой станок.
По мере углубления скважины канат удлиняют. Цилиндричность скважины обеспечивается поворотом долота во время работы.
Для очистки забоя от разрушенной породы буровой инструмент периодически извлекают из скважины, а в нее опускают желонку, похожую на длинное ведро с клапаном в дне. При погружении желонки в смесь из жидкости (пластовой или наливаемой сверху) и разбуренных частиц породы клапан открывается и желонка заполняется этой смесью. При подъеме желонки клапан закрывается и смесь извлекается наверх.
По завершении очистки забоя в скважину вновь опускается буровой инструмент и бурение продолжается.
Во избежание обрушения стенок скважины в нее спускают обсадную трубу, длину которой наращивают по мере углубления забоя.
В настоящее время при бурении нефтяных и газовых скважин ударное бурение в нашей стране не применяют.
Нефтяные и газовые скважины сооружаются методом вращательного бурения. При данном способе породы дробятся не ударами, а разрушаются вращающимся долотом, на которое действует осевая нагрузка. Крутящий момент передается на долото или с поверхности от вращателя (ротора) через колонну бурильных труб (роторное бурение) или от забойного двигателя (турбобура, электробура, винтового двигателя), установленного непосредственно над долотом.
Турбобур — это гидравлическая турбина, приводимая во вращение с помощью нагнетаемой в скважину промывочной жидкости. Электробур представляет собой электродвигатель, защищенный от проникновения жидкости, питание к которому подается по кабелю с поверхности. Винтовой двигатель — это разновидность забойной гидравлической машины, в которой для преобразования энергии потока промывочной жидкости в механическую энергию вращательного движения использован винтовой механизм.
По характеру разрушения горных пород на забое различают сплошное и колонковое бурение. При сплошном бурении разрушение пород производится по всей площади забоя. Колонковое бурение предусматривает разрушение пород только по кольцу с целью извлечения керна — цилиндрического образца горных пород на всей или на части длины скважины. С помощью отбора кернов изучают свойства, состав и строение горных пород, а также состав и свойства насыщающего породу флюида.
Все буровые долота классифицируются на три типа:
Источник
Механические методы бурения скважин
Оказывается, не все цилиндрические полости в грунте называются скважинами. Если диаметр отверстия не более 75 мм, а глубина 9 метров и меньше, это отверстие в земле называется шпур. Все, что больше – скважина.
Бурение – это воздействие на грунт при помощи специального инструмента, в результате которого получается шпур или скважина.
Для чего выполняется бурение скважин:
- при устройстве систем водоснабжения;
- при создании дренажных комплексов;
- когда проводят геологические изыскания для строительства;
- при строительстве фундамента на буронабивных сваях;
- для установки столбов ограждения и иных работах.
Механические способы бурения скважин
Бурильные установки работают по принципу вращательно-поступательного, ударно-вращательного или ударного движения рабочего инструмента. Рабочие инструменты бывают разных типов.
Лопастной бур
Лопастной бур представляет собой трубчатое основание, оснащенное двумя лопастями, забурником и заслонками. Заслонки предупреждают осыпание грунта при поднятии бура, а забурник является направляющей бура во время процесса бурения.
Шнековый бур
Шнековый бур так же имеет лопасти и забурник, но в отличие от лопастного у шнековых буров основание (остов) длиннее, оснащено спиралью (шнеком), изготовленной из стальной полосы.
Извлеченные из скважины лопастной и шнековый буры очищают от грунта вращением с повышенной скоростью, вследствие чего центробежная сила сбрасывает грунт с лопастей.
Ковшовый бур
Конструкция ковшового бура включает в себя полый цилиндр, оборудованный откидным дном и ножами. Грунт срезается ножами, помещается в цилиндр и извлекается через откидную крышку.
Расширительный бур
Используется для подготовки скважины под буронабивные сваи, а именно, расширяет дно скважины для пяту сваи.
Шарошечное долото
Шарошечное долото представляет собой штангу с тремя лапами. На конце каждой лапы помещается шарошка – режущий зубчатый инструмент. Шарошки устанавливаются на подшипники качения и вращаются при вращении штанги.
Удаление продуктов бурения
Грунт и частицы породы удаляют из скважины тремя способами:
- инструментами, специально для этого предназначенными;
- продувкой сжатым воздухом;
- промывкой водой или специальными растворами.
Последний способ используется при наличии вблизи места работ водоема, так как требует значительного объема воды. Во время промывки скважины образуется большое количество смеси грунта с водой. Необходимо организовать отвод водогрунтовой смеси для обеспечения нормальных рабочих условий.
Продувка при бурении скважины сопровождается образованием пылевого облака. Абразивные частицы, из которых состоит облако, во-первых, вредны для человек, во-вторых, способствуют повышенному износу движущихся деталей и механизмов буровой техники. Поэтому данный способ используется лишь в случаях, когда другие методики очистки скважины от буровых продуктов неприемлемы.
Источник
