Добрый день, дорогие читатели! В данной статье мы рассмотрим принцип работы вращательного способа бурения. Не изменяя традициям, я постараюсь вам кратко и доступным языком рассказать.
При этом способе бурения горная порода на забое разрушается вращающимся долотом, на которое передаются осевая нагрузка и крутящий момент. Разрушенная порода удаляется с забоя потоком жидкости, непрерывно подаваемой по колонне бурильных труб. Крутящий момент на долото передается или с поверхности от вращателя (ротора) через колонну бурильных труб (роторное бурение) или от забойного двигателя (турбобура, электробура, винтового бура), установленного непосредственно над долотом. Осевая нагрузка создается в основном частью веса находящихся над долотом утяжеленных (толстостенных) бурильных труб, забойного двигателя, в некоторых случаях, для увеличения нагрузки на долото, используются гидравлические, гидроударные и другие способы передачи нагрузки. На долото диаметром 215,9 мм создается нагрузка около 100–250 кН. Крутящий момент в процессе бурения в зависимости от типа долота (шарошечное, алмазное и т.д.) и свойств пород (твердые, мягкие, пластичные) при диаметре скважины 215,9 мм составляет от 1 до 3 кНм. Частота вращения долота при роторном бурении составляет 20–200 об/мин, при бурении винтовыми двигателями – 150–250 об/мин, турбинном и электробурении без редуцирования – 250–800 об/мин., при бурении турбобурами и электробурами с редуктором – 70–300 об/мин. При общей установленной мощности буровых установок 1000 и 1500 кВт для бурения на глубину до 4500 м на долото передается около 200–50 кВт при изменении глубины от 0 до 4500 м.
Несмотря на низкий коэффициент передачи мощности на забой, в среднем мощность на долоте в несколько раз больше, чем при ударном бурении, что обеспечивает гораздо более высокие скорости проходки, достигающие 100 м в час при бурении пород средней твердости и мягких. Этому способствует и непрерывная промывка. Подаваемый для очистки забоя буровой раствор совершает непрерывный кругооборот-циркуляцию: буровой насос – нагнетательная линия – вертлюг – бурильная колонна – забойный двигатель – долото – забой – кольцевое пространство между бурильной колонной и стенками скважины – устье скважины – желоба и другие устройства очистки бурового раствора от шлама, газа – приемная емкость для очищенного раствора – подпорный насос, всасывающая линия бурового насоса. В качестве бурового раствора используются: вода, естественные растворы, образующиеся из шлама и подаваемой с поверхности воды, с добавлением химических реагентов, пластовых вод; глинистый раствор; нефтеэмульсионный раствор; раствор на нефтяной (углеводородной) основе; вода, смешанная с воздухом (аэрированная); пена; воздух; природные газы и их смеси с отработанными газами двигателей внутреннего сгорания (ДВС); утяжеленные растворы плотностью до 2400 кг/м3 и др. Производительность буровых насосов при диаметре долота 215,9 мм составляет 20–40 дм3/с, давление на выкиде насосов 5–40 МПа, установленная мощность на приводе около 600 кВт. При глубоком бурении на буровой устанавливается до трех таких насосов.
Циркулирующий буровой раствор не только удаляет разбуриваемую породу и частицы осыпающихся пород, но и охлаждает долото, иногда способствует более эффективному разрушению породы. Одновременно буровой раствор создает противодавление на стенки скважины, чем предупреждаются прорыв пластовых флюидов, обвалообразования, а также может закупоривать и укреплять стенки за счет гидродинамического и физико-химического взаимодействия с горными породами и пластовыми флюидами. Поэтому в отличие от ударного бурения в скважину спускается меньше обсадных колонн, причем делается это после проходки всего интервала их спуска. Для смены изношенного долота производится подъем бурильной колонны, а затем ее спуск с новым долотом. Спуск и подъем бурильного инструмента, спуск обсадных колонн осуществляется с помощью подъемного оборудования – вышки, лебедки, полиспастовой (талевой) системы, подъемного крюка. При спуско-подъемных операциях (СПО) используются ключи и другие приспособления для свинчивания и развинчивания труб и других элементов бурильной колонны, удержания колонны на весу в процессе свинчивания и развинчивания, захвата труб и подачи их к устью (стволу ротора) или от устья для установки на специальный стол, называемый подсвечником, в слегка наклонном (1–3 градуса) положении.
Для удобства изготовления, эксплуатации и транспортирования бурильные трубы выпускаются длиной не более 12-ти метров, для ускорения СПО в глубоком бурении целесообразно поднимать (опускать) инструмент, расчленяя его (бурильную колонну) на части, включающие 2–4 трубы, называемые свечами. Это уменьшает также изнашивание резьб, труб, подъемного оборудования, механизмов. Расстановка свечей на подсвечнике в (почти) вертикальном положении повышает производительность труда, исключает многие операции, связанные с переводом труб в горизонтальное положение, осуществляемое лишь при разборке буровой после окончания бурения скважины. В зависимости от объема СПО применяют свечи длиной 25 и 37 м, соответственно вышки высотой 41 и 53 м. Высота вышки определяется не только длиной свечи, но и возможностью размещения талевого (подвижного) блока, крюка, штропов и безопасного пути их торможения. Поперечные размеры вышки определяются глубиной бурения, диаметром труб, числом свечей, устанавливаемых на подсвечниках по обе стороны от стола ротора в пределах площади, ограниченной боковыми сторонами вышки. При бурении на малые и средние глубины наибольшее распространение получили удобные в монтаже и транспортировании мачтовые вышки, а при бурении сверхглубоких скважин чаще используются вышки башенного типа.
Масса инструмента изменяется по мере его спуска (подъема), а также с углублением скважины. Для более полного использования приводной мощности лебедки изготавливаются многоскоростными, предусматриваются также оснастка канатом от 2-х до 6-ти шкивов талевого блока и от 3-х до 7-ми шкивов кронблока (оснастки 2х3, 3х4, 4х5, 5х6, 6х7) по мере возрастания глубины скважины и массы колонны.
Грузоподъемность вышки и другого оборудования определяется массой бурильной колонны с запасом на возможные осложнения, затяжки и заклинивания инструмента в скважине. Вышки для бурения на 4500 м имеют грузоподъемность около 200 т. Ротор необходим не только для передачи вращения бурильному инструменту. Он используется и при СПО как опора для установки бурильной колонны, удерживаемой клиновыми захватами или элеватором. Используется ротор и для поворачивания бурильной колонны во время ориентированного спуска инструмента при наклонном бурении.
В автоматизированной установке АСП (автомат спуско-подъемных операций) совмещаются во времени операции спуска–подъема колонны бурильных труб и неза-груженного элеватора с операциями установки свечи на подсвечник и выноса ее с под-свечника, отвинчивания и свинчивания. МСП (механизм спуска-подъема), АСП ввиду их сложности эффективна при бурении глубоких скважин, если велико число отрабатываемых долот, большой объем СПО. С использованием механизмов выполняется и наращивание (удлинение бурильного инструмента по мере углубления скважины). Обычно наращивание осуществляется по одной трубе (одиночно). При бурении забойными двигателями на большой глубине, когда непрерывно вращать инструмент ротором не нужно, а реактивный момент полностью гасится трением бурильного инструмента о стенки скважины, возможно использование двух соединенных вместе ведущих труб и наращивание свечами. Вращательное бурение от ударного отличается следующим:
- Высокой производительностью за счет передачи на долото большей мощности; непрерывного разрушения горной породы и удаления ее с забоя на поверхность циркулирующим промывочным агентом.
- Эффективностью применения для самых различных целей: универсальностью, возможностью вскрытия пластов с низким и высоким давлением, используя для промывки, в зависимости от условий, газообразные агенты, облегченные, нормальные или утяжеленные буровые растворы; возможностью преодолеть многие виды обвалообразований, поглощений промывочной жидкости, не прибегая к дополнительному креплению ствола скважины, возможностью предупредить в большинстве случаев проявления, выбросы и открытое фонтанирование.
- Большой мощностью привода буровой установки, сложностью бурового обо-рудования, КИП и системы управления, высокой начальной стоимостью (покупная цена) и стоимостью эксплуатации, монтажа, транспортирования установки.
Экспериментальные буровые обеспечиваются ныне автоматами подачи долота, следящими устройствами, вычислительными машинами, физико-химическими лабораториями контроля состава и качества буровых и тампонажных растворов и пластовых флюидов. Каждая буровая установка представляет собой довольно крупную автономную единицу, требующую высококвалифицированных специалистов буровиков-технологов, механиков-вышкомонтажников, механиков по эксплуатации, обслуживанию, ремонту бурового оборудования и инструмента, инженеров по КИП и автоматике.
Буровая техника и технология должны находиться в постоянном совершенствовании. Основной проблемой всегда являлось увеличение мощности на забое, повышение скоростей проходки. Малопроизводительный ручной штанговый вращательный способ бурения с очень малой общей и очень низкой удельной мощностью (на единицу контактной поверхности инструмента) постепенно вытеснился механическим ударно-канатным способом, который был вытеснен роторным способом бурения.
А на этом у меня всё, спасибо, что дочитали статью до конца. До новых встреч!