Оборудование для вращательного бурения и спускоподъемных операций.

Нефтяные и газовые скважины сооружаются методом вра­щательного бурения. При данном способе породы дробятся НС ударами, а разрушаются вращающимся долотом, па 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.

Спускоподъемным комплексом буровой установки называется совокупность узлов, механизмов и приспособлений, служащих для спуска, подъема и удержания на весу бурильных и обсадных колонн и обеспечения технологических и аварийных операций.

В процессе проводки скважины спускоподъемный комплекс выполняет следующие функции: спуск и подъем (СПО) бурильных колонн для смены изношенного долота, когда нагрузка на систему не превышает веса колон­ны в воздухе; дополнительные технологические и аварийные работы, когда нагрузки на систему превышают вес бурильной колонны в воздухе. К до­полнительным и аварийным работам относятся: приподъем и спуск буриль­ной колонны в процессе бурения при одновременном ее вращении и про­мывке скважины (расширение): спуск обсадных колонн; подъем обсадных колонн для освобождения элеватора или клиньев после наращивания очеред­ной трубы или в связи с осложнениями; ликвидация прихватов и аварии бурильных и обсадных колонн; спуск и подъем бурильных колонн в искрив­ленных и наклонных скважинах.

Первая категория операций (СПО) является наиболее продолжитель­ной, циклической с переменными динамическими нагрузками, определяю­щими долговечность элементов с и ус ко подъемною комплекса.

Вторая категория операций вызывает более высокие, кратковремен­ные нагрузки в элементах комплекса, носящие случайный характер. Так как закономерность действия этих нагрузок не установлена, то за макси­мальную нагрузку принимают усилие на крюке, которое не должно пре­восходить в процессе всего цикла бурения скважины разрывной прочности применяемых бурильных труб или 0,8 наибольшей страгивающей нагрузки спускаемых обсадных труб.

Оборудование подъемного комплекса работает в режиме повторно-кратковременных меняющихся по величине нагрузок. Процесс подъема из скважины колонны, скомпонованной из отдельных секций (свечей), состо­ит из циклон п„, содержащих повторяющиеся в строго определенной по­следовательности операции (рис. 15, а): захват колонны элеватором; подъем всей колонны на длину свечи при нагрузке на крюк, равной весу подни­маемой колонны в растворе и силам сопротивления при ее движении в скважине; установку колонны на стол ротора; освобождение от растяги­вающей нагрузки поднятой на поверхность свечи; раскрепление ключами, отвинчивание от колонны поднятой свечи и установку ее внутри буровой в специальном магазине или укладку на мостки около буровой; спуск ненагруженного крюка и элеватора для захвата колонны, подвешенной на рото­ре; захват и подъем колонны на длину следующей свечи и т.д. При спуске колонны (рис.15.1, 61 эти операции выполняют в обратной последовательности, но с другими продолжительностью и нагрузками.

Продолжительность подъема и спуска каждой свечи складывается из машинного и машинно-ручного времени.

Машинное время подъема и спуска каждой свечи зависит от степени совершенства конструкции подъемною комплекса, его мощности, скоро­стей подъема и т.д.; время, затрачиваемое на машинно-ручные операции, зависит от размера и веса свечей, степени механизации этого процесса, квалификации бригады и т.д. Из диаграмм цикла подъема и спуска свечи (см. рис. 15.1) видно соотношение машинного и машинно-ручного времени при этих операциях.

 

Рис. 15.1. Диаграмма цикла нагружения подъемный системы;

а, б — соответственно подъем и спуск колонны на длину одной свечи: N — мощность на барабане лебедки: t — время: t_э — установка или снятие с колонны элеватора: t_п._э, t _п — подъем элеватора, колонны: t _у— захват и ус­тановка свечи: t_К, t₀, t_св и t_кр— раскрепление, отвинчивание, свинчивание и крепление свечи: t_ПК — приподъем колонны: t_С, t_с.-> — спуск колонны, элеватора: А — подъем последующих свечей

Рис. 15.2. Конструктивная схема подъемного комплекса:

1 — крюк: 2 — талевый блок: 3 — несущие ветви: 4 — кронблок: 5 — вышка; 6 - лебедка; 7 - приспо­собление для крепления непод­вижного конца каната: А и Б — ведущая и неподвижная ветви каната: О — ось скважины

Общее время, затрачиваемое на подъем и спуск бурильной колонны подразделяется на время, затрачиваемое на подъем колонны, спуск ненагруженного элеватора для захвата очередной свечи, спуск колонны и подъ­ем ненагруженного элеватора для захвата очередной спускаемой свечи, на­ходящейся в магазине (или время на подъем элеватора с одной трубой, за­хватываемой с мостков).

Число рейсов подъемною комплекса во время проводки скважины за­висит от ее глубины, поскольку оно является функцией проходки на доло­то, зависящей от конструкции скважин и долот, буримости пород, способа и уровня техники бурения, качества долота и др.

Обычно для бурения глубоких скважин расходуют от нескольких до­лот в мягких породах до нескольких десятков, а иногда и сотен долот в твердых породах.

По мере углубления скважины в процессе бурения длину бурильной колонны периодически увеличивают, при этом возрастает и вес колонны, а следовательно, и нагрузка на подъемный комплекс. Нагрузка на подъемный комплекс при подъеме уменьшается по мере извлечения колонны из сква­жины, а при спуске, наоборот, увеличивается.

Число циклов изменения нагрузок на талевую систему для каждого рейса равно числу свечей в колонне.

Для выполнения перечисленных функций можно применять различ­ные подъемные системы: механические полиспасты, рычажные или зубча­тые, гидравлические и др. Однако до настоящего времени конструкторам не удалось создать подъемную систему для буровой установки, конкурен­тоспособную с полиспастной (рис. 15.2).

Для каждого назначения, нагрузки и условий бурения конструктор должен найти наивыгоднейшее число ветвей в системе (в настоящее время применяют от 2 до 14 ветвей), а также наиболее целесообразную точку крепления неподвижного («мертвого») конца каната, так как от этого зави­сят передаточное отношение и нагрузка в подъемной системе.

Талевая система буровых установок служит для преобразования вращательного движения барабана лебедки в поступательное перемещение крюка, для уменьшения силы натяжении конца каната, навиваемого на ба­рабан лебедки.

Талевая система состоит из неподвижного кронблока, подвижного та­левого блока, гибкой связи (талевого каната, соединяющего неподвижный и подвижный блоки), бурового крюка и штропов, на которые подвешивают колонну бурильных или обсадных труб, устройства для крепления непод­вижного конца долевого каната, допускающего перепуск каната.

К талевым системам буровых установок предъявляют следующие об­щие требования: эксплуатационная надежность, так как выход из строя элементов талевой системы ведет к серьезным авариям; удобство и безо­пасность обслуживания — все движущиеся элементы должны быть защи­щены кожухами и иметь обтекаемые формы, исключающие возможность задевания за вышку; долговечность; возможность осуществления быстрого монтажа и демонтажа, смены каната при переоснастках; взаимозаменяе­мость однотипных механизмов и элементов между собой; удобство для по­грузки всех механизмов талевой системы на транспортные средства и воз­можность многократных перемещений их волоком на небольшие расстоя­ния в пределах промыслов.

В буровых установках для бурения скважин глубиной 1200—3000 м следует применять талевые системы с числом шкивов в талевом блоке и кронблоке 2x3 и 3x4; в установках для глубин 3000 — 7000 м число шкивов следует выбирать от 3x4 до 6x7.

Неподвижный конец каната укрепляют к основанию буровой через специальные устройства.

Число и размеры блоков, а также число ветвей каната в талевой сис­теме определяются допустимой нагрузкой на крюке, тяговым усилием ле­бедки, размерами, прочностью и типом талевого каната. Эти показатели должны быть увязаны между собой.

В одном случае при бурении скважин одинаковой глубины в различ­ных условиях на крюк действуют одинаковые нагрузки, но число СПО в этих условиях бурения может отличаться от числа СПО при бурении в дру­гих условиях в несколько раз. Если число СПО небольшое, то решающим фактором является прочность талевой системы, а при большом числе СПО — абразивный и усталостный износ каната и других элементов. В од­ном случае можно выбрать систему с большим числом шкивов и ветвей каната, но с небольшим его диаметром, в другом — канатов большого диа­метра с высоким сопротивлением абразивному и усталостному износу, но при меньшем числе шкивов в системе. Чтобы правильно решить эту задачу, прежде всего надо знать условия применения системы и свойства канатов и элементов системы; это необходимо для выбора наиболее эффективного решения из всего многообразия возможных. В талевых системах буровых установок следует применять стальные канаты диаметром от 20 до 42 мм. Талевые системы характеризуются максимальной допускаемой нагрузкой, числом рабочих ветвей и диаметром каната.

Практикой эксплуатации установлено, что целесообразнее уменьшать число шкивов, увеличивать их диаметр, применять более прочные канаты большего диаметра.

Число слоев навивки каната на барабане лебедки следует выбирать наименьшим, равным 2 — 3.

Практика последних лет свидетельствует о целесообразности приме­нения больших соотношений между диаметром шкива и каната (D_ш/d до 48) и применение при этом более жестких, но износостойких канатов тина ТЛК-О с линейным контактом проволок в пряди и металлическим сердеч­ником, предохраняющим канат от раздавливания и потери формы попе­речного сечения.

Талевая система работает в условиях переменных циклических нагру­зок, особенно во время СПО, и в условиях вибрационных нагрузок в про­цессе бурения. Вибрации колонны передаются талевой системе и вызыва­ют не только ее колебания, но часто и вышки. В процессе бурения наблю­дались случаи, когда вибрационные нагрузки приводили к обрывам тале­вых канатов вследствие усталостных разрушений в местах перегиба непод­вижного конца на первом шкиве кронблока, т.е. в месте, практически не подверженном истиранию.

2. Оборудование циркуляционного комплекса буровой установки.

Циркуляционные системы буровых установок состоят из взаи­мосвязанных устройств и сооружений, предназначенных для выполнения следующих основных функций: приготовления буровых растворов, очистки бурового раствора от выбуренной породы и других вредных примесей, оперативного регулирования физико-механических свойств бурового рас­твора. В состав циркуляционной системы входят также всасывающие ли­нии насосов, емкости для хранения раствора и необходимых для его приго­товления материалов, желоба, отстойники, контрольно-измерительные при­боры и др. Циркуляционные системы монтируются из отдельных блоков, входящих в комплект поставки буровых установок. Блочный принцип изго­товления обеспечивает компактность циркуляционной системы и упрощает ее монтаж и техническое обслуживание.

Важнейшие требования, предъявляемые к циркуляционным системам буровых установок, — качественное приготовление, контроль и поддержа­ние необходимых для данных геолого-технических условий состава и фи­зико-механических свойств бурового раствора. При выполнении этих тре­бований достигаются высокие скорости бурения и в значительной мере предотвращаются многие аварии и осложнения в скважине.

Производительность установок для приготовления бурового раствора определяется из условий, обеспечивающих своевременное пополнение за­пасов бурового раствора:

О = V + V_п

где О — производительность установок для приготовления бурового рас­твора, м³/ч; V — объем выбуренной породы за 1 ч, м³; V_n — потери бурово­го раствора за 1 ч в результате поглощений в скважине и утечек при очи­стке бурового раствора от выбуренной породы, м³.

Минимальный объем бурового раствора, необходимый для проводки скважины без учета поглощений и потерь за счет фильтрации, находят по формуле

Vр = V_скв + V_п′,

где V_CKB — наибольший объем скважины, м³; V'_n — потери бурового рас­твора при проводке скважины, м³.

Потери Уд возрастают с увеличением объема выбуренной породы и утечек бурового раствора при его очистке.

На забое и в открытом стволе скважины буровой раствор загрязняется обломками выбуренной породы, обогащается глинистыми и другими твер­дыми частицами. Чрезмерное содержание твердой фазы, особенно глини­стых частиц, приводит к снижению скоростей бурения. Установлено, что при увеличении содержания твердой фазы в растворе на 1 % показатели работы долот снижаются на 7 — 10 %.