Современные способы бурения скважины

Все придумали китайцы — компас, порох, бумагу. Бурение скважин тоже, но бурили они кое-как, а мы — хорошо!

Современные способы бурения скважин

Бурение скважины – это сложный технический процесс, требующий профессионального подхода и выполнения. В современном мире существует множество разнообразных способов проходки, каждый из которых является оптимальным для определенных геологических условий. Подробнее остановимся на основных: ударно-канатныей и вращательные.

Ударно-канатный

Это самый древний из современных методов. Считается, что его придумали китайцы более 1000 лет назад. Толчком для изобретения стала сила притяжения земли – гравитация.

Суть процесса заключается в следующем. Ударный снаряд через специальный замок закреплен на стальном канате, канат подается с барабана лебедки. Инструмент поднимается над забоем и сбрасывается. Свободный сброс осуществляется с помощью балансира или планетарной лебедки. При ударе забивной стакан наполняется пластичным грунтом, например глиной или суглинками.

При проходке крепких отложений их разрушение происходит с помощью специального долота, очистка от шлама осуществляется желонкой.

Ударно-канатный способ разделяется на забивной и клюющий.

При клюющем, инструмент поднимается на небольшую высоту и сбрасывается. При забивном, снаряд забивают без отрыва, нанося по нему удары специальным патроном. Ударный патрон закреплен над стаканом, он состоит из двух частей, подвижной и неподвижной. Неподвижная часть это труба внутри которой ходит боёк (подвижная часть). Ход бойка около 1,5 метров. С этой высоты он сбрасывается на наковальню, к которой прикручен забивной стакан. После нанесения нескольких ударов, инструмент поднимают на дневную поверхность для его очистки.

Компоновка снаряда для ударно-канатного способа, это долото, желонка или забивной стакан, ударная штанга, забивной патрон, специальный замок. Инструмент компонуется под определенный геологический разрез.

Для пластичных глинистых грунтов применяют забивные стаканы.

Для работы в рыхлых несвязных отложениях, а так же для очистки забоя работают желонкой с плоским или шариковым клапаном.

Для твердых, тип инструмента подбирают под определенную задачу.

Установки ударно-канатного бурения

Преимущества: информативность, отсутствие необходимости подвоза воды.

Недостатки: низкая механическая скорость, повышенный расход обсадных колонн, при появлении воды снижается разрушающая сила удара инструмента.

Применение: в составе инженерно-геологических изысканий, геологоразведка россыпных месторождений золота, добыча подземных вод.

Вращательные способы

Виды вращательных способов:

Вращательный шнековый

При шнековом способе разрушает грунт лопастное долото, его охлаждение происходит за счет углубления.

На поверхность разрушенный грунт поднимается шнеками. Из отдельных звеньев – шнеков, колонна собирается в единый винтовой транспортер.

Углубившись на длину одного шнека, процесс останавливается, наращивается следующее звено.

Полые шнеки применяются при проведении строительных работ и инженерно-геологических изысканий. Представляют собой трубу, с невысокими ребордами по всей длине. В нижней части крепиться специальная коронка. Колонна полых шнеков одновременно является и обсадкой, после ее погружения внутри можно работать инструментом меньшего диаметра.

Компоновка снаряда состоит из лопастного долота и шнеков.

Преимущества: высокая скорость проходки, не нужен подвоз воды.

Недостатки: скорость снижается с увеличением крепости грунтов, небольшая глубина скважин (до 50м), необходимы станки с высоким крутящим моментом.

Применение: сооружение неглубоких источников подземных вод, строительство, геологоразведка и инженерно-геологические изыскания без отбора керна.

Вращательный колонковый

Колонковое бурение применяется при необходимости извлечения на дневную поверхность образцов горной породы.

Разрушающая работа выполняется специальными коронками, вкрученными в нижнюю часть колонковой трубы. При этом формируется забой кольцевой формы, в его центральной части (внутри колонковой) остается столбик породы с ненарушенной структурой (керн).

Проходка ведется до набора керна необходимой длины, или до полного заполнения колонковой трубы. После чего керн заклинивают и отрывают от забоя. Заклинивание осуществляется с помощью установленного над коронкой кернорвателя. Инструмент поднимают, извлекают керн из колонковой, и повторяют процесс до достижения нужной глубины.

Очистка забоя происходит с помощью промывочной жидкости или продувки сжатым воздухом. Промывка охлаждает вооружение породоразрушающего инструмента, с продувкой охлаждение происходит за счет погружения резцов вглубь. В условиях сильного поглащения промывочной жидкости работают с так называемой призабойной циркуляцией.

Компоновка колонкового набора: твердосплавная или алмазная коронка, кернорватель, колонковая труба, фрезерный переход, штанги.

Преимущества: информативность, высокая скорость в породах твердым и скальным образованиям.

Недостатки: увеличение количества спусков-подъемов, при заполнении колонковой приходится делать подъём.

Применение: инженерно-геологические изыскания, геологоразведочные работы, строительство.

Вращательный с промывкой

Бурение с промывкой наиболее распространенный метод при сооружении глубоких скважин.

В качестве промывочной жидкости используются глинистые растворы с различными добавками, основу которых составляют бентонитовые глины.

Транспортировка шлама от забоя осуществляется буровым раствором или чистой водой. Подача промывки бывает прямой и обратной.

Прямая промывка, это подача раствора по бурильным трубам. Поток, подхватывая кусочки шлама, поднимается на поверхность между стенками ствола скважины и штангами.

Обратная промывка, это подача раствора через устье скважины. Раствор опускается на забой между штангами и стенками ствола скважины, подхватывая кусочки шлама, он поднимается на поверхность внутри бурильных труб.

Схема промывки скважины: а — прямая; б — обратная.

По завершению углубления первой штанги, выключают насос и наращивают следующую.

Бурильщику необходимо внимательно следить не только за скоростью подачи ПРИ на забой, но и за объемом выносимого шлама. Иначе не избежать прихватов, сальников и осложнений. Очистка раствора происходит за счет оседания шлама в отстойниках, дополнительно могут быть использованы циклоны или специальные вибросита.

Компоновка снаряда: долото, переводник, направляющая труба, фрезерный переход, штанги

Преимущества: скорость проходки не падает с увеличением глубины, небольшой расход обсадных колонн, применение станков с низким крутящим моментом, укрепление неустойчивых стенок глинистой коркой.

Недостатки: требуется подвоз воды и глины.

Применение: бурение глубоких скважин на воду, газ, нефть.

Вращательный с продувкой

Бурение скважин с продувкой сжатым воздухом считается оптимальным при проходке крепких пород. Технология схожа с очисткой забоя промывкой, только вместо раствора подается сжатый воздух от компрессора и частицы шлама выдуваются на поверхность. Работать можно шарошечными долотами типа Т, К, ОК или лопастными с алмазным вооружением (PDC).

Часто работают с пневмоударником. Пневмоударник является машиной, приводящейся в действие энергией сжатого воздуха. Он передает удары на забой через специальную коронку. Скорость проходки пневмоударником по твердым и крепким породам в несколько раз выше, чем при бурении шарошечными долотами.

Компоновка снаряда: коронка, пневмоударник, обратный клапан, переход, бурильные трубы.

Пневмоударниками компонуются колонковые снаряды для пневмозабивного метода работы, при котором используются специальные усиленные коронки.

Чаще всего этим способом работают для отбора керна в неустойчивых породах, галечниках, валунах, песках.

Преимущества: не нужен подвоз воды, высокая скорость проходки по скальным грунтам.

Недостатки: необходимы мощные компрессоры, трудно работать по пластичным породам.

Применение: бурение скважин на воду, геологоразведка, строительство.

СТАТЬИ

Что еще?

Подробнее о бурении скважин, а так же о типах скважин на воду, технологии бурения, истории бурения, обсадных трубах, насосах и многом другом читайте в соответствующих разделах.

Авторские права защищены законами РФ.
Любое копирование материалов данного сайта
возможно только с разрешения администрации.

Источник

Лекция 4. Обзор современных способов бурения. Классификация современных способов бурения.

Способы бурения можно классифицировать:

— по способу разрушения горных пород.

— типу породоразрушающего элемента,

— виду передачи энергии долоту,

— взаимному положению устьев скважины,

— составу и свойствам буровых растворов,

— целям бурения и назначению скважин,

— положению оси скважины в пространстве.

Чаще классифицируют по способам разрушения:

— магнитострикционное и др.

Наиболее эффективным на сегодняшний день считается механический способ разрушения.

Механический способ разрушения

Вращательное бурение Ударное бурение

(по способу привода долота верхнего (по типу бурового

во вращение) привода инструмента)

роторное бурение забойными ударно- ударно-

двигателями штанговое канатное

турбинное бурение бурение

на трубах винтовыми забойными

При ударном бурении ствол скважины создается цикличными ударами долота по забою. Долото и ударная штанга прикрепляют к штангам при ударно-штанговом бурении или к инструментальному канату при ударно-канатном бурении. Приподнимание долота осуществляется балансиром бурового станка.

Кривошипно-шатунный механизм действует на балансирную раму. Рама опускается, оттяжной ролик натягивает инструментальный канат. Канат поднимает долото под забоем на 0,05-1,5м. При подъеме балансирной рамы долото падает и разрушает породу. При штанговом бурении ясс (раздвижная штанга) предохраняет штанги от действия динамических нагрузок, допуская свободное перемещение штанг вниз после удара долота о забой (Яссы конструктивно являются труба в трубе).

Очистка забоя от шлама производится с помощью желонки. Желонка включает в себя цилиндр и поршень, оборудованный обратными клапанами.

Буровой раствор обычно не используется при ударном бурении. Для предотвращения обвалов спускается обсадная колонна.

Схема ударно-канатного бурения

2 – ударная штанга

4 – обсадная колонна

5 – раздвижная штанга (ясс, самопад)

6 – канатный замок

7, 9 – обратные клапаны

10, 12 – кривошипно-шатунный механизм

11 – инструментальный канат

13 – балансирная рама

14 – оттяжный ролик.

Особенности ударного бурения.

— частота ударов от 10-20 до 100-150 в мин

— большая мощность удара

— разрушает по твердости породу при малой мощности бурового станка.

— низкая скорость проходки – несколько м/час

— отсутствие буровых насосов, очистных устройств, непрерывной промывки глубина бурения менее сотни метров.

Качество вскрытия низконапорных пластов улучшается из-за отсутствия бурового раствора, но при этом не создается противодавления на стенки скважины. Повышается опасность обвалообразований, приходится спускать большое число обсадных колонн.

Нельзя вскрывать высоконапорные пласты из-за опасности фонтанирования, выбросов, пожаров.

Вращательное бурение

Характеризуется тем, что горная порода разрушается вращающимся долотом, на которое передается осевая нагрузка и крутящий момент.

Крутящий момент передается на долото или с поверхности от ротора через колонну бурильных труб (роторное бурение) или от забойного двигателя (турбобура, электробура, винтового бура).

Осевая нагрузка создается весом утяжеленных бурильных труб (УБТ), забойным двигателем и т.д.

На долото диаметром 215,9 мм. крутящий момент в зависимости от типа долота и свойств породы может принимать значения от 1 до 3 кН*м.

Нагрузка может принимать значения от 100-250 кН (P=mg, m=P/g = 250*10 3 /10 = 250*10 2 = 25 тонн).

Частота вращения долота при роторном бурении — 20-200 об/мин, при бурении винтовыми двигателями — 150-250 об/мин, при турбинном и электробур-м без редуктора – 250-800 об/мин, при бурении турбобурами и электробурами с редуктором — 200-300 об/мин.

Мощность буровых установок при бурении на глубину до 4500 м. составляет 1000, 1500 кВт. На долото передается только 200-50 кВт. Скорость проходки достигает 100 м в час при бурении пород средней твердости и мягких. Характерной особенностью вращательного бурения является промывка скважины водой или специально приготовленной жидкостью в течение всего времени работы долота на забое.

Буровые насосы (один, два или три) нагнетают промывочную жидкость в стояк-трубу, далее в гибкий буровой шланг, вертлюг и в бурильную колонну. Доходит до долота и далее промывочная жидкость по кольцевому пространству между стенкой скважины и бурильной колонной поднимается на поверхность к устью скважины. Здесь в желобной системе и др. установках очищается буровой раствор от шлама, затем поступает в приемные емкости насосов и вновь закачивается в скважину.

Схема установки для бурения глубоких скважин

2 — УБТ (наддолотная утяжеленная бурильная труба),

5- муфтовый переводник,

6, 7 – УБТ (утяжеленные бурильные трубы),

9 – предохранительное кольцо,

10 – бурильные трубы,

13 – ведущая труба,

15 – лебедка, 17 – крюк,

20 – талевый блок,

22 – буровой шланг,

27 – буровой насос

По мере бурения скважины бурильная колонна, подвешенная к полиспастной системе (кронблок, талевый блок, крюк, талевый канат), подается в скважину.

Как только ведущая труба войдет в ротор на всю длину, включается лебедка, и бурильную колонну поднимают на длину ведущей трубы и подвешивают с помощью элеватора или клиньев на столе ротора. Затем отвинчивается ведущая труба вместе с вертлюгом, и ее спускают в шурф с помощью талевой системы. Шурф представляет собой горную выработку (скважину) глубиной 18-25 м., пробуренную на расстоянии 1,5-2 м. от центра ротора наклонно в сторону правого угла для размещения ведущей трубы во время спуско-подъемных операций (СПО) или наращивания. После спуска ведущей трубы в шурф отсоединяют крюк от серьги вертлюга, на штропы подвешивают элеватор. Элеватор закрывают под муфтой замка верхней трубы. Включают лебедку, бурильщик поднимает подвешенную на элеваторе бурильную колонну на всю длину свечи так, чтобы после подвешивания бурильной колонны на клинья можно было ниже замкового соединения вновь установить элеватор.

Поднятую свечу с помощью пневмораскрепителей, пневматических или электрических ключей отвинчивают от бурильной колонны. Отвинченная свеча поднимается под действием пружины крюка, и ниппель замка сразу же выходит из муфты замка до включения лебедки.

Помощник бурильщика захватывает нижний конец свечи крючком, отводит и ставит ее на подсвечник. Второй помбур, который находится на площадке верхнего рабочего (верховой), на уровне верхнего конца свечи, освобождает свечу от элеватора и заводит ее верхний конец за специальную консольную балку – палец, закрепленную на вышке. Бурильщик захватывает порожним элеватором бурильную колонну и спуско-подъемная операция по подъему следующей свечи повторяется.

Бурильные трубы обычно изготавливают длиной не более 12 м. Для СПО (спуско-подъемных операций) инструмент расчленяют на части по 2-4 трубы, называемые свечами. Грузоподъемность вышки определяется массой бирильной колонны с запасом на возможные осложнения, затяжки и заклинивания инструмента в скважине. Вышки для бурения на 4500м. имеют грузоподъемность около 200 тонн. (P = ρgH = 1000*10*4500 = 45000 ÷ 000).

Ротор передает вращение бурильному инструменту, используется при СПО как опора для установки бурильной колонны, удерживаемой клиновыми захватами или элеватором, поворачивает бурильную колонну во время ориентированного спуска инструмента при наклонном бурении.

Требования к буровым установкам, техническим устройствам, инструменту

Буровая установка — это комплекс буровых машин, механизмов и оборудования, смонтированный на точке бурения и обеспечивающий с помощью бурового инструмента самостоятельное выполнение технологических операций. Современные буровые установки включают в себя следующие составные части:

• буровое оборудование (талевый механизм, насосы, лебедка, вертлюг, ротор, привод, топливомаслоустановка, дизель-электрические станции, пневмосистема);

• буровые сооружения (вышка, основания, сборно-разборные каркасно-панельные укрытия);

• оборудование для механизации трудоемких работ (регулятор подачи долота, механизмы для автоматизации спускоподъемных операций, пневма­тический клиновой захват для труб, автоматический буровой ключ, вспомогательная лебедка, пневмораскрепитель, краны для ремонтных работ, пульт контроля процессов бурения, посты управления);

• оборудование для приготовления, очистки и регенерации промывочного раствора (блок приготовления, вибросита, песко и глиноотделители, подпорные насосы, емкости для химических реагентов, воды и промывочного раствора);

• манифольд (нагнетательная линия в блочном исполнении, дроссельно-запорные устройства, буровой рукав);

• устройства для обогрева блоков буровой установки (теплогенераторы, отопительные радиаторы и коммуникации для разводки теплоносителя).

Выбор буровой установки в рамках рабочего проекта на строительство скважины должен производиться с таким рас­четом, чтобы сумма статических и динамических нагрузок при спуске (подъеме) наиболее тяжелых бурильных или обсадных колонн, а также при ликвидации аварий (прихватов) не превы­шала величину параметра «Допускаемая нагрузка на крюке» выбранной буровой установки. Как правило, нагрузка на крюке от максимальной расчетной массы бурильной колонны и наи­большей расчетной массы обсадных колонн не должны превы­шать соответственно 0,6 и 0,9 «Допускаемой нагрузки на крю­ке». Выбор должен производиться по большей из указанных нагрузок.

Выбор типа импортных буровых установок должен произво­диться с учетом вышеназванных критериев и нормативов.

Буровые установки для бурения скважин глубиной свыше 4000 м по требованию заказчика оснащаются автоматами спуско-подъемных операций.

Буровые установки должны оснащаться верхним приводом при:

— бурении скважин с глубины более 4500 м;

— вскрытии пластов с ожидаемым содержанием в пластовом флюиде сероводорода свыше 6 (объемных) процентов;

— наборе угла с радиусом кривизны менее 30 м в наклонно- направленных скважинах;

— бурении горизонтального участка ствола скважины длиной 300 м. в скважинах глубиной по вертикали более 3000 м.

Буровые установки (в том числе импортные) должны быть выполнены во взрывозащищенном варианте.

Оснащенность буровых установок светильниками должна обеспечивать освещенность:

— роторного ствола – 100 лк;

— пути движения талевого блока — 30 лк;

— помещения вышечного и насосного блоков – 75 лк;

— превенторной установки — 75 лк;

— лестниц, маршей, сходов, приемного моста — 10 лк.

Управление буровой лебедкой должно осуществляться с пульта бурильщика. Пуск буровых насосов в работу должен производиться с местного поста управления, а регулирование их работы и остановка — с пульта бурильщика и местного поста управления.

Работы на приемном мосту буровой установки по затаскиванию и выбросу труб, а также работы по обслуживанию (замене) гидравлических блоков буровых насосов должны быть механизированы, а управление грузоподъемными механизмами для работы на приемном мосту — дистанционным.

Конструкция вспомогательной лебедки должна обеспечивать плавное перемещение и надежное удержание груза на весу. С пульта управления лебедкой оператору должен быть обеспечен обзор места работы и перемещения груза. При необходимости должен быть установлен дублирующий пульт управления.

Буровая установка должна быть укомплектована:

— ограничителем высоты подъема талевого блока;

— ограничителем допускаемой нагрузки на крюке;

— блокирующими устройствами по отключению привода буровых насосов при превышении давления в нагнетательном трубопроводе на 10—15 % выше максимального рабочего давления насосов для соответствующей цилиндровой втулки;

— станцией (приборами) контроля параметров бурения (тип станции устанавливается заказчиком);

— приемным мостом с горизонтальным участком длиной не менее 14 м, шириной — не менее 2 м. и стеллажами. Запрещается укладка труб на стеллажах в штабели высотой более 1,25 м;

— механизмами для приготовления, обработки, утяжеления, очистки, дегазации и перемешивания раствора, сбора шлама и отработанной жидкости при безамбарном бурении;

— устройством для осушки воздуха, подаваемого в пневмосистему управления буровой установки;

— успокоителем ходового конца талевого каната;

— системами обогрева рабочих мест;

— блокирующими устройствами по предупреждению включе­ния ротора при снятых ограждениях и поднятых клиньях ПКР;

— приспособлением (поясом) для А-образных мачт и вышек с открытой передней гранью, предотвращающих паление устанав­ливаемых (установленных) за палец свечей;

— системой приемных емкостей, оборудованных уровнемера­ми и автоматической сигнализацией уровня жидкости в них;

— градуированной мерной емкостью для контролируемого долива скважины, оснащенной уровнемером.

Все закрытые помещения буровой установки, где воз­можны возникновение или проникновение воспламеняющихся смесей, оборудуются приточно-вытяжной вентиляцией с механи­ческим побуждением, обеспечивающей воздухообмен в соответ­ствии с требованиями санитарных норм и правил. Режим работы вентиляции от момента вскрытия продуктивного горизонта до окончания строительства скважины должен быть постоянным. При достижении 20 % от нижнего предела воспламенения смеси воздуха с углеводородами должен включаться предупредитель­ный сигнал, а при достижении 50% предела — должно быть обеспечено полное отключение оборудования и механизмов.

Конструкция основания буровой вышки должна пре­дусматривать возможность:

— монтажа превенторной установки на устье скважины и де­монтажа основания при установленной фонтанной арматуре или части ее;

— установки стола ротора на уровне пола буровой, а также рационального размещения:

— средств автоматизации, механизации и пультов управлений,

— обогреваемого подсвечника со стоком раствора;

— воздухо-, масло-, топливопроводов и средств системы обо­грева;

— механизма крепления неподвижной ветви талевой системы.

— механизмов по изменению положения машинных ключей по высоте;

— механизма крепления рабочих и страховочных канатов ма­шинных ключей;

— шурфов для наращивания, установки ведущей трубы и (при необходимости) утяжеленных бурильных труб;

— устройств на механизации установки ведущей трубы и УБТ в шурфы.

Применяемые крепления всех приспособлений и устройств, устанавливаемых на вышках, должны исключать их са­мопроизвольное раскрепление и падение. Приспособления и уст­ройства должны быть застрахованы от падения.

Вышки (кроме мобильных буровых установок) долж­ны быть оборудованы площадками для обслуживания кронблока и замены бурового шланга. При ручной расстановке свечей вышки оборудуются площадкой верхового рабочего с устрой­ством для его эвакуации в случае возникновения аварийной си­туации. Устройство должно быть расположено за пределами вышки и обеспечивать эвакуацию верхового рабочего за преде­лы внутривышечного пространства.

Источник