Зарубежные буровые установки

В настоящее время по всему миру широкое распространение получили шведские установки фирмы Atlas Copco.

 

Технические характеристики зарубежных буровых установок представлены в таблице 10 приложения.

 

 

Установка TH5 (Atlas Copco)

Буровой модуль TH5 с гидравлическим приводом представляет собой компактный, мобильный, сверхлёгкий бур для бурения скважин на воду, который идеально подходит для эксплуатации в условиях ограниченного пространства, при бурении скважин на воду в удаленных местах. TH5 устанавливается на лёгкие машины грузоподъёмностью от 3,5 до 3 тонн.

 

Рис. 24. Буровая установка TH5.

 

Установка TH10 (Atlas Copco)

TH-10 компании Atlas Copco - многоцелевой агрегат с гидравлическим приводом, спроектированный для пневматического / гидравлического вращения и бурения с погружным ударником. Этот лёгкий буровой модуль предназначен для монтажа на грузовике с подходящей грузоподъёмностью и прекрасно подходит для мобильного бурения скважин на воду.

Так же существует модификация данной установки ТН10LM (с длинной мачтой).

Буровая установка TH10LM компании Atlas Copco предоставляет удобства эксплуатации высокой буровой установки, с которой можно использовать бурильную трубу длиной 6 м. Установка идеально подходит для бурения скважин большой глубины, при бурении которых применение более длинных бурильных труб позволяет повысить эффективность работы и сэкономить время.

 

Рис. 25. Буровая установка TH10.

 

Установка T2W (Atlas Copco)

T2W компании Atlas Copco - легковесный бур с приводом от двигателя грузовика, спроектированный для пневматических /гидравлических работ. При проектировании T2W компания Atlas Copco реализовала в конструкции больше функциональных возможностей, чем в любом другом агрегате этого класса, предоставив пользователю преимущества более дорогих и больших буровых установок. Установку отличает открытая рабочая область, превосходное управление скоростью подачи, а также исключительные ходовые качества независимо от типа дороги.

 

Рис. 26. Буровая установка T2W.

Установка T3W (Atlas Copco)

Установка T3W спроектирована высокопрофессиональными специалистами по бурению на воду и оснащена эксплуатационной системой Cyclone, укомплектованной исключительно надежными компонентами, которые совершенствовались в буровом деле в течение 10 лет. T3W является буровой установкой с гидравлическим верхним приводом и эксплуатируется при бурении скважин различного назначения с использованием пневмоударника, вращательным способом с промывкой (продувкой). Буровая установка TH60 аналогична по характеристикам с T3W, но имеет привод от двигателя грузовика. T3W может поставляться в модульном исполнении и устанавливаться на шасси Российского производства.

 

Рис. 27. Буровая установка T3W.

 

Установка T4W (Atlas Copco)

T4W отличает традиционная конструкция для монтажа на ходовую базу и улучшенные буровые характеристики, которые повышают стандарты бурения скважин на воду. Стандартные и дополнительные функциональные возможности обеспечивают для пользователей повышенную производительность и надежность. Буровая установка T4W предназначена для бурения скважин в особо тяжелых условиях, изготовлена из очень прочных конструктивных элементов, что позволяет считать ее в отрасли буровой установкой № 1. T4W смонтирована на самоходном грузовике с колесной формулой 6x4. Установку отличает мощная мачта, которая имеет возможность удлинения для использования соответствующих обсадных труб, и износостойкая цепная подача бурового става для использования в сложных условиях.

 

Рис. 28. Буровая установка T4W.

 

Установка RD20 (Atlas Copco)

Буровая установка RD20 с приводом от палубного двигателя смонтирована на шасси и предназначена для бурения скважин на воду, нефть и газ. Эта мобильная буровая установка требует меньшее время подготовки на месте эксплуатации, меньший размер площадки, таким образом сокращаются затраты на переезды. Установка не требует большого количества персонала. Основой RD20 является запатентованная система подачи вращателя.

Система подачи исключает необходимость в талевом блоке и роликах кронблока, которые можно найти на сопоставимом оборудовании, что значительно упрощает конструкцию мачты, так как нагрузку воспринимает только нижняя ее часть. Подающая каретка RD20 поднимается и опускается двумя расположенными в буровой мачте цилиндрами. Система подачи каретки RD20 обеспечивает общий кпд более 90%.

 

Рис. 29. Установка RD20.

ГЛАВА 4

Водоподъемное оборудование

Погружные центробежные насосы

В настоящее время для подъема воды из скважины применяются в основном погружные центробежные насосы с вертикальным валом и погружным электродвигателем.

Наибольшее распространение получили насосы типа ЭЦВ, а также иномарки типа GRUNDFOS.

Перекачиваемая жидкость - вода с общей минерализацией (сухой остаток) не более 1500 мг/л, с водородным показателем рН=6,5-9,5, с температурой до 25 °С, с массовой долей твердых механических примесей не более 0,01%.

Насос ЭЦВ опускается в скважину на колонне водоподъемных труб и подвешивается на устье скважины. Следует отметить, что насос следует устанавливать в соответствующую по диаметру эксплуатационную колонну, это связано с охлаждением электродвигателя, а именно со скоростью потока воды между насосом и стенками эксплуатационной колонны.

Например, насос ЭЦВ 12-160-140,

где: 12 – внутренний диаметр в дюймах эксплуатационной колонны, в которую следует устанавливать данный насос;

160 – дебит м³/ч;

140 - напор, в метрах водяного столба.

 

Параметры погружных центробежных насосов указаны в таблице 11 приложения.

 

Конструктивно насосы ЭЦВ являются многоступенчатыми центробежными насосами. Насос монтируется непосредственно на погружаемом электродвигателе. В нижней части находится затапливаемый электродвигатель, а в верхней - насос. Непосредственно на двигателе монтируются засасывающий корпус, предохраняемый впускным фильтром. На валу насоса монтируются рабочие колёса ступеней насоса. На выходе насоса расположен обратный клапан. Клапан задерживает воду в выходном трубопроводе и облегчает пуск насоса после остановок в работе. Выходная часть насоса с помощью резьбы или фланца крепится к напорному трубопроводу. Для защиты от сухого хода в скважине, необходима установка датчика уровня.

Агрегат ЭЦВ располагается в скважине так, чтобы динамический уровень воды был не менее чем на 1-6 м выше первой ступени насоса. Монтаж и демонтаж агрегатов ЭЦВ ведут с помощью буровой установки или автокрана.

 

Рис. 30. Погружной центробежный насос ЭЦВ в разрезе.

1 - нагнетательный корпус; 2 - крышка обратного клапана; 3 - корпус обратного клапана; 4 - подшипниковый корпус; 5 - вал насоса; 6 - ротор;

7 - направляющая; 8 - муфта; 9 - засасывающий корпус; 10 - питающий провод; 11 - стягивающая втулка; 12 - средний корпус; 13 - защита питающего провода; 14 - защитная решетка; 15 – двигатель.

 

Гидроэлеваторы

Действие гидроэлеваторов, или струйных насосов, основано на непосредственной передаче энергии одного потока, называемого рабочим, другому - всасываемому потоку, обладающему меньшим запасом энергии.

Принцип действия водоструйного насоса заключается в следующем (рис.31). Рабочий поток, проходя через сопло, приобретает высокую кинетическую энергию. В результате уменьшается потенциальная энергия давления в струе жидкости, вытекающей из сопла. Из-за падения давления и перемешивания рабочей струи с окружающей жидкостью, последняя подсасывается (инжектируется) в рабочую камеру и движется с рабочей струей, образуя смешанный поток.

Серийные водоструйные насосы предназначены для проведения откачек из скважин, оборудованных фильтровыми колоннами диаметрами 89, 108, 146 и 168 мм. Эти насосы позволяют реализовать дебит откачки до 10 л/с при глубине динамического уровня до 70 м. Водоструйные насосы обеспечивают производство откачек при содержании твердых частиц в воде до 30%. [1]

 

 

Рис. 31. Схема водоструйного насоса.

1 – рабочее сопло; 2 – конфузор (сопло) смесительной камеры;

3 – смесительная камера (горловина);

4 – диффузор смесительной камеры;

Q _н, Q_р, Q_с – инжектируемый, рабочий и сжатый (смешанный) потоки соответственно; Р _н, Р_р, Р_с – абсолютные давления инжектируемого, рабочего и смешанного потоков соответственно.

 

Водоструйные насосы (рис. 32) обязательно включают в себя гидравлический пакер.

 

 

Рис. 32. Схема оборудования для проведения временных откачек воды.

1 – водоподъемная колонна; 2 – нагнетательные трубы; 3 – насос водоструйный; 4 – фильтр; 5 – пьезометрические трубы;
6 – промежуточная емкость; 7 – всасывающий шланг;

8 – нагнетательный шланг; 9 – мерная емкость; 10 – буровой насос

 

Гидравлический пакер служит для изоляции ствола фильтровой колонны и удерживает столб воды, расположенный выше пакера, от проникновения в водоносный горизонт и вторичного подсасывания насосом.

В пакере имеются два отверстия, благодаря которым при работе водоструйного насоса внутри пакера создается давление 2 – 3 МПа, равное перепаду давления на насадке насоса, что позволяет последнему удерживать столб воды не менее 150 м.

Спуск аппаратов с пакером в скважину и подъем их на поверхность осуществляют на бурильных трубах, по которым вода насосом подается к струйному аппарату.

Откачиваемая из скважины и нагнетаемая рабочая жидкость поднимаются на поверхность по кольцевому пространству между бурильной и обсадной колоннами. [1]

Использование высоконапорных струйных аппаратов дает возможность одновременно с пробной откачкой воздействовать на призабойную зону скважин импульсами гидродинамического давления, при этом быстро восстанавливается проницаемость закольматированных фильтров и прилегающих к фильтрам водоносных пород.

Импульсы гидродинамического давления возникают в силу неравномерной подачи поршневыми буровыми насосами рабочей жидкости к струйным аппаратам.

При резких остановках поршневых насосов и соответственно струйных аппаратов давление нагнетания падает, пакер сжимается, раскрывая перекрытое кольцевое пространство между бурильной и обсадной колоннами, и весь столб жидкости, заполняющей скважину, передает давление на забой, создавая в фильтровой зоне резкий скачок давления, содействующий более полной и быстрой декольматации скважин.

Это явление используется при пробных откачках и освоении скважин путем периодических резких остановок поршневых насосов.

Для проведения откачек и освоения скважин струйными аппаратами не требуется предварительная замена в скважине глинистого раствора на воду. Струйные аппараты можно спускать в скважины, заполненные глинистым раствором практически любой концентрации.

К недостатком струйных насосов можно отнести низкий к.п.д. до 30%.

 

Эрлифты

Эрлифт (англ. air — воздух, lift — поднимать) — разновидность струйного насоса. Состоит из вертикальной трубы, в нижнюю часть которой, опущенной в жидкость, вводят газ под давлением. Образовавшаяся в трубе эмульсия (смесь жидкости и пузырьков) будет подниматься благодаря разности удельных масс эмульсии и жидкости.

 

 

Рис. 33. Схема оборудования скважин эрлифтом.

1 – воздухопроводные трубы; 2 – смеситель; 3 – водоподъемные трубы.

Эрлифты получили широкое распростра­нение при проведении гидрогеологических откачек за счет ряда пре­имуществ:

- простота и надежность в работе;

- возможность откачки воды с высоким содержанием взвешен­ных частиц (до 20%) различных фракций;

- высокая производительность;

- возможность регулирования водоотбора и динамического уровня воды для получения необходимых расчетных параметров откачки;

- возможность проведения прокачек скважин в пульсирующем режиме с целью разработки закольматированных водоносных гори­зонтов, эффективного выноса кольматанта и восстановления естест­венной проницаемости пласта;

- отсутствие потребности в специальном энергетическом оборудо­вании (электростанции, погружные насосы, трансформаторы и др.);

- возможность откачек в скважинах небольших диаметров.

Существующие конструкции эрлифтов имеют и ряд существен­ных недостатков:

- необходимость определенного отношения глубины погружения смесителя (Н) к динамическому уровню (h), называемого коэффици­ентом погружения (К); опытным путем установлено, что эрлифтная установка может работать при К = 1,4-3,0. Оптимальным значением К является 2,0-2,5, минимально удовлетворительным - 1,4-1,7;

- необходимость наличия определенного соотношения между глубиной загрузки смесителя под динамический уровень воды и максимальным давлением компрессора. Если потребуется загрузить смеситель на глубину более 70 м (при динамических уровнях воды более 70 м) обычный компрессор с давлением до 0,7 МПа запустить не удастся;

- нестабильность выходящего из скважины водовоздушного потока, влияние наличия воздуха в откачиваемой воде на показа­тели дебита.

Одним из путей повышения эффективности откачек воды из скважин при помощи эрлифтных водоподъемников является со­вершенствование конструкции смесителя эрлифта.

 

Динамоэрлифты

Принцип действия динамоэрлифта заключается в создании закручиваемого направленного воз­душного потока с переменным углом к оси скважины. Динамоэрлифт имеет три модификации. [2]

Динамоэрлифт без поворотного механизма ДИЭР-1

Данная модификация является базовой. При проведении откачек воздух от компрессора подается по воздушным трубам 1 в смеси­тель 2и, выходя через отверстия, попадает на экраны 3, направля­ющие воздушные струи под различными углами вверх, т.е. по ходу потока откачиваемой воды.

Отверстия смесителя расположены таким образом, чтобы воз­душные струи охватывали весь полезный объем водоподъемных труб эрлифта в пределах длины смесителя.

За счет этого достигается:

- дополнительные динамические на­грузки на восходящий водовоздушный по­ток в водоподъемных трубах воздушным потоком того же направления и повышение скорости потока; интенсификация водоотбора и повышение КПД эрлифта;

- более эффективное распыление, сме­шивание и насыщение воды в водоподъ­емных трубах воздухом, что также повы­шает интенсивность водоотбора и КПД эрлифта;

- более равномерное насыщение воды в водоподъемных трубах воздухом, о чем свидетельствует снижение пульсации выхо­дящей из скважины воды.

Рис. 34. Динамоэрлифт без поворотного механизма ДИЭР-1.

1 - воздушные трубы; 2 - смеситель; 3 - экран;

4 -отверстия; 5 - штифты; 6 – заглушка.

 

 

Динамоэрлифт с верхним расположе­нием поворотного механизма ДИЭР-2

Данная модификация отличается от базовой модели наличием подшипникового узла и поворотного механизма. Компоновка динамоэрлифта данной модификации со­стоит из воздушных труб, подшипникового узла 11, поворотного ме­ханизма 21 и смесителя 22.

 

Рис. 35. Динамоэрлифт ДИЭР-2 с верхним расположением поворотного механизма.

1, 12, 19 - гайки; 2, 15 - сменные пальцы; 3 - манжета; 4 - подшипники; 5 -трубка; 6 - вал; 7, 14 - втулки; 8 - переходник на воздушные трубы; 9,10 -кольца; 11 - корпус подшипникового узла; 13 - прокладка; 16 - болт;

17 - переходник; 18 - корпус поворотного механизма; 20 - окна;

21 - поворотный механизм; 22 – смеситель.

 

Воздух от компрессора подается по воздушным трубам, про­ходит через подшипниковый узел и поступает через окна 20 в пово­ротный механизм 21, представляющий собой набор дисков, крепя­щихся на корпусе 18 с помощью гайки и контргайки 19. В дисках профрезерованы кольцевые, радиальные и тангенциальные каналы, в которые поступает воздух через окна 20.

За счет реактивных сил воздушных струй поворотный меха­низм и смеситель 22 вращаются, что еще больше увеличивает эффек­тивность смешивания воздуха с водой. Кроме того, в потоке создает­ся эффект закрутки воздушных струй, что способствует более эф­фективному подъему жидкости.

 

Динамоэрлифт с нижним расположением поворотного меха­низма ДИЭР-3 (рис. 36)

Данная модификация отличается от преды­дущей тем, что поворотный механизм 3 устанавливается в нижней части смесителя. Это позволяет применять два поворотных механиз­ма для повышения эффекта аэрации воды в зависимости от различ­ных гидрогеологических характеристик водоносных горизонтов.

 

Рис. 36. Нижнее расположение поворотного механизма в динамоэрлифте ДИЭР-3.

1 - смеситель; 2 - корпус; 3 - поворотный меха­низм; 4 - гайки;

5 – заглушка.

 

Ступенчатые эрлифты

При низких статических (и, соответственно, динамических) уровнях воды в скважине или при небольших дебитах водоносных горизонтов (когда ожидается значительное понижение уровня воды при откачке) приходится предусматривать установку воздушных труб на значительную глубину, чтобы получить удовлетворитель­ный коэффициент загрузки. Эта задача успешно решается при при­менении ступенчатого эрлифта, что значительно расширяет область применения эрлифтных водоподъемников.

Ступенчатый эрлифт предназначен для проведения гидрогеологических отка­чек из скважин с глубоким залеганием во­доносных горизонтов.

 

Рис. 37. Ступенчатый эрлифт СТЭ.

1 - ниппель замка; 2 - шаровой клапан; 3 - винт; 4 переходник; 5 - муфта; 6 - каналы 2-й ступени; 7 - распределительный узел; 8 - каналы 1-й ступе­ни;

9 - смеситель 1-й ступени; 10 - смеситель 2-й ступени.

 

В процессе работы эрлифта воздух от компрессора по воздухопроводным трубам через ниппель, переходник и муфту посту­пает в распределительный узел 7. Шаро­вой клапан 2 находится в верхнем положе­нии в ниппеле 1 и удерживается винтом 3, т.е. воздушные каналы в распределитель­ном узле открыты. Однако воздух в этом случае пойдет по воздушной линии с мень­шим сопротивлением, т.е. по каналам 8 к смесителю первой ступени.

После стабилизации работы эрлифта на первой ступени с помощью винта 3 осво­бождается шаровой клапан 2, который, опу­скаясь вниз, перекроет каналы 8 первой ступени, и воздух будет направлен по кана­лам 6 во вторую ступень 10 без остановки компрессора.

В этих условиях первая ступень эр­лифта обеспечивает первоначальное сниже­ние гидростатического давления столба жидкости над смесителем второй ступени, опущенным под динамический уровень на глубину, соответству­ющую необходимому коэффициенту загрузки, что позволяет ввести в работу вторую ступень эрлифта (и в целом работу эрлифтного водоподъемника), не прибегая к повышенным пусковым давлениям компрессора.

Расчет глубины загрузки ступеней эрлифта производится следующим образом (рис. 38).

При расчете глубины загруз­ки смесителя первой ступени Н ₁ необходимо учитывать обязатель­ное условие: столб воды над сме­сителем первой ступени не дол­жен превышать 60-65 м, что соот­ветствует максимальному давле­нию большинства применяемых передвижных компрессоров (0,6-0,7 МПа), так как в противном слу­чае включить в работу первую ступень не удастся.

Таким образом, Н ₁ определяется заранее по формуле:

 EMBED Equation.3 , (18)

где h₀ – глубина статического уровня, м; Р_м – максимальное давление компрессора, МПа.

Рабочее давление компрессора Р₁ (в МПа) определяется по формуле:

 EMBED Equation.3 , (19)

где h ₁ – глубина динамического уровня, м; К ₁ – коэффициент загрузки смесителя.

После включения в работу первой ступени компрессор начина­ет работать на пониженном давлении, соответствующем давлению рабочего столба жидкости над смесителем, т.е. образуется опреде­ленный резерв давления, который и будет определять глубину за­грузки смесителя второй ступени Н ₂.

Это обеспечивается за счет непрерывности процесса, так как вторая ступень включается практически сразу после отключения первой ступени.

Тогда:

 EMBED Equation.3 . (20)

 

Рис. 38. Монтажная схема ступенчатого эрлифта

1 - ниппель замка; 2 – воздухопроводные трубы; 3 - распределительный узел; 4, 5 - трубы первой (4) и второй (5) ступеней со смесителями.

 

Пример 6:

Исходные данные: статический уровень h₀= 70 м, динамический уровень h₁ =80 м, максимальное давление компрессора Р_м= 0,65 МПа.

Решение:

Во избежание работы компрессора на предельной нагрузке примем загрузку смесителя первой ступени под статический уро­вень 60 м, т.е. Н ₁ = 70+60=130м, что будет соответствовать пуско­вому давлению компрессора 0,6 МПа.

 EMBED Equation.3 .

При таком коэффициенте загрузки эрлифт будет работать в неустойчивом режиме и потребуется включение второй ступени.

 EMBED Equation.3 МПа.

 EMBED Equation.3 м.

 EMBED Equation.3 .

При таком коэффициенте загрузки эрлифт будет работать в бо­лее устойчивом режиме, несмотря на выбранные достаточно жест­кие условия.

В процессе откачки предварительные расчетные параметры эр­лифта корректируются с учетом фактических понижений уровня (динамических уровней), а не ожидаемых, принятых в расчетах.

Использование ступенчатых эрлифтов существенно расширяет область применения эрлифтных водоподъемников, являющихся в определенных условиях одним из основных средств освоения сква­жин на воду и проведения опытно-фильтрационных работ, в том чис­ле при значительных дебитах скважин и неудовлетворительных ха­рактеристиках водоносных горизонтов (низкие статические (динамические) уровни воды), а также позволяет проводить опробование в скважинах относительно небольших диаметров.

Разработанная новая конструкция ступенчатого эрлифта позво­ляет значительно облегчить конструкции гидрогеологических сква­жин и сократить сроки их сооружения; она достаточно проста в изго­товлении и не вызывает трудностей при установке в скважине.

 

 

ГЛАВА 5

Опробование скважин