История развития буровой техники в России

Содержание

Кубанский государственный технологический университет

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

«ТЕХНИКА БУРЕНИЯ

НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН»

г. Краснодар, 2012

Стр.

История развития буровой техники в России

1 ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 Конструкции скважин и условия их строительства

1.2 Процесс бурения скважины, функция и структура буровой установки

1.3 Выбор категории, класса, вида и основных параметров буровой установки

1.4 Забойные двигатели

1.4.1 История развития

1.4.2 Турбобуры

1.4.3 Турбодолото

1.4.4 Турбобуры для забуривания наклонных скважин

1.4.5 Реактивно-турбинные агрегаты

1.4.6 Характеристика турбобура

1.5 Винтовые гидравлические двигатели

1.5.1 Принцип действия и устройство

1.5.2 Основные параметры винтовых двигателей

1.5.3 Характеристика забойного винтового двигателя

1.6 Электробуры

1.6.1 Назначение и схема

2 БУРИЛЬНАЯ КОЛОННА

2.1 Назначение, состав и основные требования

2.1.1 Резьбовые соединения труб

2.1.2 Материал бурильных труб

2.3 Обсадные колонны

2.3.1 Расчет обсадных колонн на прочность

2.3.2 Условия работы колонны бурильных труб

2.3.3 Эксплуатация бурильной колонны

Для восстановления и развития нефтяной промышленности в послереволюционный период было приобретено несколько зарубежных станков, состоящих из двухскоростной лебедки, ротора, насоса, вертлюга, талевого механизма и электрического привода с редуктором. Эти станки явились прототипом первых отечественных буровых установок, производство которых было организовано в 1921—1923 гг. на заводах в Сормове и Коломне, а затем на Бакинском заводе им. лейт. Шмидта. В состав этих установок, рассчитанных для бурения скважин глубиной до 1200 м, входили:

· двухскоростная лебедка на деревянной станине, снабженная валами на подшипниках скольжения, цепными колесами с необработанными зубьями для роликовых цепей шагом 103,2 мм, кулачковыми муфтами для управления и двухленточным тормозом с деревянными колодками;

· ротор, приводимый от лебедки открытой цепной передачей;

· талевый механизм с чугунными шкивами на подшипниках скольжения, кованым однорогим крюком и вертлюгом с шариковыми подшипниками в опорах ствола;

· буровой насос - прямодействующий либо вращательный, двух-поршневой, двустороннего действия;

· вышка высотой 28 - 37 м и основание, изготовленные из дерева.

Начало 30-х годов характеризуется качественно новым развитием отечественной буровой техники. В эти годы на заводе им. лейт. Шмидта было освоено производство четырехскоростных буровых лебедок Л1-4М, снабженных подшипниками качения в опорах валов и асбокаучуковыми колодками в ленточном тормозе. Для суммирования мощности двух электродвигателей в приводе лебедки был установлен трехвальный редуктор с шевронными зубчатыми колесами. На этом же заводе были разработаны роторы и вертлюги новых конструкций. Ротор закрытого типа с прямозубой конической передачей имел в основной опоре стола роликовый конический подшипник, а во вспомогательной опоре - шариковый. В вертлюге шарикоподшипники опоры ствола были заменены роликовыми коническими в основной опоре и роликовыми цилиндрическими в радиальной. Подшипники опор стола ротора и ствола вертлюга изготовляли также на заводе им. лейт. Шмидта.

Завод «Бакинский рабочий» начал выпускать кронблоки и талевые блоки грузоподъемностью 130 т со стальными шкивами на подшипниках качения. Из-за отсутствия подшипников тяжелых серий шкивы устанавливались на отдельные валики с двумя опорными подшипниками. Кронблоки двухэтажной конструкции были заменены более легкими и компактными с одноэтажным расположением шкивов. На заводах им. лейт. Шмидта и «Красный молот» начали изготовлять буровые насосы с эксцентриковым либо кривошипным коренным валом.

К середине 30-х годов была создана установка для бурения скважин глубиной до 3000 м, отдельные агрегаты которой выпускали заводы им. лейт. Шмидта, «Бакинский рабочий» и «Красный молот». Наряду с этим проводилась большая работа по модернизации узлов и агрегатов установок для бурения скважин глубиной до 1200 м. В этот же период появились металлические буровые вышки Г. Н. Бержеца. В 1937 г. Б. А. Рагинский предложил оригинальную конструкцию металлической вышки, ноги и пояса которой изготовляли из отработанных бурильных труб, а диагонали с винтовыми стяжками - из стального проката круглого сечения. Вышки монтировали с помощью шагающих стрел конструкции А. А. Асан-Нури либо подъемника Я. М. Кершенбаума.

Возросшие к этому времени объемы бурения скважин глубиной до 1200 м обусловили острую нехватку легких буровых установок. Для бурения скважин глубиной до 500 м в 1938 г. была создана установка РА-400, которая монтировалась на двух гусеничных тележках. На одной тележке размещались тракторный двигатель мощностью 48 кВт, двухскоростная трехвальная лебедка с одношкивным ленточным тормозом и ротор. На второй тележке располагались такой же двигатель и два насоса НБ-650/15 или НГ-4 мощностью 25 - 30 кВт. Установка РА-400 имела мачтовую вышку высотой 20 м и грузоподъемностью 40 т. Вышка с основанием и передними скользящими подкосами транспортировалась в горизонтальном положении, а на точке бурения поднималась в вертикальное положение с помощью буровой лебедки. Серийное изготовление установок РА-400 было начато в 1938 г.

Азинмашем была разработана буровая установка ПТ1-800 грузоподъемностью 35 т для бурения скважин глубиной до 800м, изготовление которой было освоено на заводах им. Ленина и им. Монтина в Баку. В ПТ1-800 использовались одношкивная лебедка ЛТ2М, насосный блок установки РА-400, ротор Р460-ШЗ с индивидуальным приводом, состоящим из трехскоростной двухвальной зубчатой коробки передач и двигателя М-17 мощностью 48 кВт.

В 1939 г. в Нефтемашпроекте (Москва) была разработана буровая установка ПРА-800 с групповым приводом. Она изготовлялась Подольским заводом им. С. Орджоникидзе и состояла из двухзальной лебедки с двухленточным тормозом и шестискоростной коробки передач, приводимой от двух двигателей М-17, спаренных клиноременной передачей. Ротор имел карданный привод от коробки передач лебедки. Насосы НГ-4 приводились посредством двухшкивной трансмиссии. В последующем насосный блок был снабжен индивидуальным приводом от двух дополнительных двигателей М-17.

В это же время Азинмашем была разработана установка ПРА-1200, в групповом приводе которой использовались два карбюраторных двигателя КИН мощностью по 96 кВт, спаренные клиноременной передачей. Установка ПРА-1200 выпускалась на заводе им. лейт. Шмидта и состояла из силового блока, насосной трансмиссии, двухвальной лебедки с карданной передачей для ротора Р460-ШЗ, установленных на общей раме. Насосный блок из двух насосов НГ-4 монтировался на отдельной раме.

Несмотря на удовлетворительную кинематическую схему и удачные конструктивные решения, установки РА-400, ПТ1-800, ПРА-800 и ПРА-1200 не получили признания буровиков вследствие их недостаточной мощности.

Следующий этап развития техники бурения наступил в послевоенный период. В 1945 г. изготовление буровых установок было поручено Уралмашу — одному из крупнейших и хорошо оснащенных заводов тяжелого машиностроения. Первоначально Уралмаш принял к производству лебедки Л1-4М, насосы НГ-8Х16 и другие агрегаты, разработанные в довоенный период для буровой установки грузоподъемностью 130 т. Кроме установок с электрическим приводом Уралмаш начал изготовлять установки с дизельным приводом на базе силовых агрегатов САЛ (для лебедки и ротора) и САН (для насосов), снабженных дизелями В2-300 мощностью 220 кВт.

Первые два комплекта буровой установки грузоподъемностью 130 т были изготовлены к 28-й годовщине Великой Октябрьской социалистической революции. В этих установках были применены кронблоки я талевые блоки с одноосным расположением шкивов и трехрогий крюк пластинчатой конструкции. В дальнейшем Уралмаш совместно с заводами им. лейт. Шмидта, «Бакинский рабочий» и «Красный молот» выпускал ежегодно до 300 комплектов буровых установок.

Одновременно с развертыванием серийного производства Уралмаш совместно с отраслевыми научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими организациями проводил большую работу по обобщению отечественного и зарубежного опыта проектирования и эксплуатации буровых установок.

В 1946—1949 гг. был разработан и изготовлен опытный образец буровой установки Уралмаш 1 с цепной лебедкой. Вскоре были созданы установки Уралмаш 2 с зубчатыми передачами в коробке перемены передач лебедки и ротора, с гидравлическим управлением главной фрикционной муфтой и тормозом лебедки, явившиеся прототипом буровых установок Уралмаш 3Д и Уралмаш 4Э. Из наиболее важных разработок того периода, используемых и в настоящее время, следует выделить групповой привод на базе дизелей типа В2, радиальные шинно-пневматические муфты, систему пневматического управления тормозом лебедки. Буровой насос У8-3, разработанный Уралмашем в 1952 г., имел мощность 260 кВт и развивал давление до 15 МПа.

На основе отработанных машин в 50-х годах Уралмаш перешел к серийному изготовлению буровых установок с дизельным приводом на базе комплекта бурового оборудования Уралмаш 5Д и Уралмаш 3Д и с электрическим приводом на базе бурового оборудования Уралмаш 6Э и Уралмаш 4Э. На этом завершился первый этап работ Уралмашзавода по созданию буровых установок с номинальной нагрузкой на крюке 1300 и 2000 кН для бурения скважин глубиной соответственно до 3000 и 5000 м.

Важный итог этой большой работы — сложившийся и выросший коллектив квалифицированных конструкторов и исследователей, накопивший большой опыт и знания, способный создавать буровые машины и оборудование на уровне мировых достижений.

Следует также отметить новое направление в проектировании буровых установок, начало которому было положено созданием установки БУ-40, разработанной Очерским заводом совместно с Гипронефтемашем (ныне ВНИИНефтемаш). В отличие от других установок БУ-40 была запроектирована и изготовлена комплектной и имела в составе все основные и вспомогательные машины и агрегаты, в том числе основание, вышку, оборудование для приготовления и очистки промывочного раствора, емкости для хранения топлива и масел, котельно-отопительную систему, сборно-разборные укрытия. Впервые была применена вышка трехсекционной конструкции с открытой передней гранью.

После промышленных испытаний БУ-40 была передана заводу «Баррикады», по чертежам которого она изготовлялась также в Румынии. На Кунгурском заводе выпускали установку БА-40, смонтированную на двух гусеничных тележках. Установки БУ-40 и БА-40 позволили бурить скважины глубиной до 800 м, не задалживая для этого более мощные установки Уралмаша.

С 1959 г. завод «Баррикады» начал поставку комплектных буровых установок БУ75Бр с электрическим и дизельным приводами, а Уралмаш примерно в этот же период — буровых установок в комплекте с А-образными вышками, основаниями, оборудованием для механизации и частичной автоматизации спускоподъемных операций. В 70-х годах начато производство буровых установок универсальной монтажеспособности (БУ2500ДГУ, БУ4000ДГУ, БУ4000ЭУ и др.).

Заметное развитие за рассматриваемый период получили конструкции буровых сооружений и методы монтажа и транспортировки буровых установок. Вышка БМВБ-41-20 Таллинского и Щигровского заводов благодаря рациональной конструктивной схеме и оптимальным площадям сечения ее несущих элементов оказалась легче ранее применявшихся конструкции. Азинмашем в 1951—1962 гг. была разработана металлическая вышка В1-300-53 грузоподъемностью 300 т и высотой 53 м. Широкое распространение получили вышки мачтового типа, отличающиеся экономичностью по расходу металла, а также легкостью монтажа и транспортировки.

В 1951 г. б. Гипронефтемашем был разработан крупноблочный способ перевозки буровых установок при помощи «хребтовых» лафетов, представляющих собой две гусеничные тележки с пневмогидравлическими домкратами, соединенные мощной балкой. В дальнейшем «хребтовые» лафеты были заменены отдельными гусеничными тяжеловозами. Индустриальные методы строительства буровых позволили резко сократить сроки ввода скважин в эксплуатацию и имели большое значение при освоении нефтяных месторождений Татарии, Башкирии, Куйбышевской и Волгоградской областей.

Вторая половина 50-х годов характеризовалась началом работ по созданию регулируемого привода буровых установок. Для БУ75БрД в 1959 г. было начато серийное изготовление дизель-гидравлических агрегатов САТ-4 на базе дизеля 1Д12Б мощностью 310 кВт и комплексного турботрансформатора ТТК-1. Одновременно была изготовлена опытная дизель-электрическая буровая установка Уралмаш 11ДЭ с приводом от постоянного тока. В этой установке подача буровых насосов изменялась регулированием числа ходов, а двигатели лебедки при спуске колонны труб использовались в качестве тормозной машины.

В силовых трансмиссиях появились цепные передачи, с приводными роликовыми цепями повышенной прочности, разработанными ВНИИНефтемашем. Талевые механизмы были оснащены канатами прогрессивных конструкций, позволившими значительно сократить расход канатов в бурении и простои буровых установок в ожидании их замены. Надежность и долговечность ленточных тормозов буровых лебедок существенно возросли за счет применения фрикционных накладок из ретинакса. На смену буровым насосам У8-3 начали поступать У8-4 мощностью 330 кВт.

Важными направлениями совершенствования буровых установок явились разработка и внедрение средств механизации и автоматизации тяжелых и трудоемких процессов. К ним относятся встроенные в ротор пневматические клинья для захвата и удержания труб, напольный автоматический ключ для свинчивания и развинчивания труб, регулятор подачи долота, гидродинамические тормоза и др.

В результате систематизации теоретических основ проектирования буровых установок и обобщения требований бурения в 60-х годах была разработана нормаль Н900-66, регламентирующая тип и основные параметры буровых установок. Впоследствии на основе этой нормали был утвержден действующий ГОСТ 16293—82, распространяющийся на комплектные буровые установки для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения нефтяных и газовых скважин. Нормаль Н900-66 и последующие государственные стандарты на буровые машины, и оборудование способствовали дальнейшему повышению технического уровня буровых установок. Передовые инженерные и конструкторские решения, не имеющие аналогов в мировой практике, реализованы в установках БУ3000ЭУК, БУ3000ЭУК-1 (с эшелонным расположением лебедочного и насосного блоков и допускаемой нагрузкой на крюке 1700 кН), БУ3000ЭУК-1М (с допускаемой нагрузкой на крюке 2000 кН), при использовании которых получены рекордные скорости проходки скважин при разработке нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири.

Крупным достижением отечественной науки и техники явилось создание буровой установки Уралмаш 15000, посредством которой достигнута рекордная глубина бурения разведочной скважины на Кольском полуострове.

Почти 20 лет назад при создании буровой установки «Ленинградец БА-25» впервые была поставлена сложнейшая задача автоматизации основных процессов проходки скважин. Смелая идея конструкторов, воплощенная в металле, намного опережала время — патент на изобретение был зарегистрирован во многих странах, производящих буровое оборудование. Конструктивные принципы этой установки легли в основу буровой установки Уралмаш 4000А для бурения скважин глубиной 4000 м.

Успешно эксплуатируется опытно-промышленная буровая установка с двухцилиндровым гидроподъемником, созданная куйбышевскими нефтяниками и являющаяся прототипом разработанной Уралмашем буровой установки Уралмаш 4000ЭГУ. На основе объемного гидропривода создана буровая установка Уралмаш 4000НГ с непрерывным процессом спускоподъемных операций. В кратчайшие сроки освоено производство буровых машин и подводного устьевого оборудования для плавучих установок, предназначенных для проходки нефтяных и газовых скважин глубиной до 6000 м при толще воды до 200 м.

Основные изменения в технике бурения за послевоенные годы характеризуются следующими показателями:

· допускаемая нагрузка на крюке подъемных механизмов буровых установок возросла с 1300 до 4000 кН;

· глубина бурения увеличена с 3000 до 15000 м;

· мощность привода буровых установок возросла с 450 до 4000 кВт;

· мощность буровых насосов возросла с 220 до 950 кВт;

· давление буровых насосов возросло с 10 до 40 МПа.

Буровые машины и оборудование изготовляются Уралмашзаводом, Волгоградским заводом буровой техники, а также заводами Баку (роторы, вертлюги, талевые механизмы, вышки, буровые основания, циркуляционные системы); грозненским заводом «Красный молот» (буровые насосы, цементировочные агрегаты, колонные головки и др.); Хадыженским заводом (циркуляционные системы); Пермским заводом горношахтного машиностроения (пневмоколесные тяжеловозы Т-60, гусеничные поворотные тяжеловозы ТГП-70); Ижевским механическим заводом (ключи АКБ-ЗМ) и др.

В развитии нефтегазодобывающей промышленности Советского Союза большое значение имело турбинное бурение. Первые конструкции турбобуров были разработаны в 1923—1925 гг. и применялись на нефтяных промыслах Азербайджана и Грозного. В 1934 г. была создана качественно новая конструкция турбобура без редуцирующих устройств и с большим числом ступеней турбины. Дальнейшее совершенствование турбобуров способствовало широкому распространению турбинного бурения в нашей стране. К концу 50-х годов опытное бурение советскими турбобурами было осуществлено на месторождениях во Франции, ФРГ, США, Италии, а несколько позже в Мексике.

В улучшении показателей бурения важную роль играли совершенствование породоразрушающего инструмента, повышение прочности бурильных и обсадных труб, создание оборудования для приготовления и очистки промывочного раствора, противовыбросового оборудования скважин, забойных винтовых двигателей и др.

Отечественные буровые установки приобретаются многими зарубежными странами и успешно конкурируют с буровыми установками известных капиталистических фирм.

Дата добавления: 2013-12-12