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,

- способу промывки,

- целям бурения и назначению скважин,

- конструкции скважин,

- положению оси скважины в пространстве.

Чаще классифицируют по способам разрушения:

- механическое,

- гидромеханическое,

- взрывное,

- огневое,

- электрогидродинамическое,

- магнитострикционное и др.

Наиболее эффективным на сегодняшний день считается механический способ разрушения.

 

Механический способ разрушения

 

Вращательное бурение Ударное бурение

 

применение

(по способу привода долота верхнего (по типу бурового

во вращение) привода инструмента)

 

роторное бурение забойными ударно- ударно-

двигателями штанговое канатное

турбинное бурение бурение

электробуром гидравлическими

на трубах винтовыми забойными

объемными двигателями

 

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

1 – долото

2 – ударная штанга

3 – расширитель

4 – обсадная колонна

5 – раздвижная штанга (ясс, самопад)

6 – канатный замок

7, 9 – обратные клапаны

8 – желонка

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*10³/10 = 250*10² = 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

1 –долото,

2 - УБТ (наддолотная утяжеленная бурильная труба),

3,8,11,12,16,23 – переводник,

4 – центратор,

5- муфтовый переводник,

6, 7 – УБТ (утяжеленные бурильные трубы),

9 – предохранительное кольцо,

10 – бурильные трубы,

13 – ведущая труба,

14 – редуктор,

15 – лебедка, 17 – крюк,

18 – кронблок,

19 – вышка,

20 – талевый блок,

21 – вертлюг,

22 – буровой шланг,

24 – стояк,

25 – ротор,

26 – шламоотделитель,

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.