Современные способы бурения скважин

ЛЕКЦИЯ 3

Бурение скважин может осуществляться способами, принципиально отличающимися по своей физической природе разрушения горных пород: механическими, физическими и химическими. B основном применяют механическое бурение, которое, в зависимости от способа воздействия на разрушаемую породу, подразделяется на вращательное, ударное и ударно-вращательное.

Наиболее распространено вращательное бурение, при котором поpодоразрушающий инструмент получает вращение от специального механизма - шпинделя вращателя или ротора - через колонну бурильных труб или от забойного двигателя (гидравлического или электрического). B связи c этим различают бурение шпиндельное, роторное, забойными двигателями-турбобурами и электробурами.

Ударное бурение используют при разведке рассыпных месторождений, бурении гидрогеологических и различного назначения технических скважин большого диаметра в породах любой твердости (в крепких породах оно малопроизводительно). Сущность этого способа заключается в том, что тяжелый ударный снаряд c долотом периодически сбрасывается на канате c небольшой высоты на забой, дробя и скалывая при этом породу. После каждого удара снаряд поворачивается на некоторый угол за счет раскручивания каната. Удаление разрушенной породы проводится желонками.

При ударно-вращательном бурении по вращающемуся под постоянной осевой нагрузкой породоразрушающему инструменту любого типа наносятся частые удары. Крепкие породы при этом разрушаются более эффективно. Для бурения ударно-вращательным способом применяют специальные забойные механизмы гидроударники, пневмоударники и забойные вибраторы.

Из его всех разновидностей ударного бурения наибольшее распространение получило ударно-канатное бурение (рис. 3.1).

Буровой снаряд, который состоит из долота 1, ударной штанги 2, раздвижной штанги-ножниц 3 и канатного замка 4, спускают в скважину на канате 5, который, огибая блок 6, оттяжной ролик 8 и направляющий ролик 10, сматывается с барабана 11 бурового станка. Скорость спуска бурового снаряда регулируют тормозом 12. Блок 6 установлен на вершине мачты 18. Для гашения вибраций, возникающих при бурении, применяются амортизаторы 7. Кривошип 14 при помощи шатуна 15 приводит в колебательное движение балансирную раму 9. При опускании рамы оттяжной ролик 8 натягивает канат и поднимает буровой снаряд над забоем. При подъеме рамы канат опускается, снаряд

падает, и при ударе долота о породу последняя разрушается.

Рисунок 3.1 - Схема ударно-канатного бурения скважин

По мере углубления скважины канат удлиняют, сматывая его с барабана 11. Цилиндричность скважины обеспечивается поворотом долота в результате раскручивания каната под нагрузкой (во время приподъема бурового снаряда) и скручивания его при снятии нагрузки (во время удара долота о породу).

Эффективность разрушения породы при ударно-канатном бурении прямо пропорциональна массе бурового снаряда, высоте его падения, ускорению падения, числу ударов долота о забой в единицу времени и обратно пропорциональна квадрату диаметра скважины. В процессе разбуривания трещиноватых и вязких пород возможно заклинивание долота. Для освобождения долота в буровом снаряде применяют штангу-ножницы, изготовленные в виде двух удлиненных колец, соединенных друг с другом подобно звеньям цепи.

Процесс бурения будет тем эффективнее, чем меньшее сопротивление долоту бурового снаряда оказывает накапливающаяся на забое скважины выбуренная порода, перемешанная с пластовой жидкостью. При отсутствии или недостаточном притоке пластовой жидкости в скважину с устья периодически доливают воду. Равномерное распределение частиц выбуренной породы в воде достигается периодическим расхаживанием (приподъемом и опусканием) бурового снаряда. По мере накопления на забое разрушенной породы (шлама) возникает необходимость в очистке скважины. Для этого с помощью барабана поднимают буровой снаряд из скважины и многократно спускают в нее желонку 13 на канате 17, сматываемом с барабана 16. В днище желонки имеется клапан. При погружении желонки в зашламленную жидкость клапан открывается и желонка заполняется этой смесью, при подъеме желонки клапан закрывается. Поднятую на поверхность зашламленную жидкость выливают в сборную емкость. Для полной очистки скважины приходится спускать желонку несколько раз подряд. После очистки забоя в скважину опускают буровой снаряд, и процесс бурения продолжается.

При ударном бурении скважина, как правило, не заполнена жидкостью. Поэтому, во избежание обрушения породы с ее стенок, спускают обсадную колонну, состоящую из металлических обсадных труб, соединенных друг с другом с помощью резьбы или сварки. По мере углубления скважины обсадную колону продвигают к забою и периодически удлиняют (наращивают) на одну трубу.

Ударный способ более 50 лет не применяется на нефтегазовых промыслах России. Однако в разведочном бурении на россыпных месторождениях, при инженерно-геологических изысканиях, бурении скважин на воду и т.п. находит свое применение.

Вибрационный способ применяют при бурении неглубоких скважин в мягких породах. Из физических способов разрушения пород при бурении практически применяются термический, термомеханический, электротермический и гидравлический.

Другие способы разрушения пород не вышли из стадии экспериментов.

Бурение глубоких скважин осуществляется только вращательным способом и подразделяется на роторное, турбинное и электробурами.

При роторном бурении буровой снаряд вращают ротором, устанавливаемым на поверхности земли над устьем скважины.

При турбинном бурении породоразрушающий инструмент вращается турбобуром, который спускают на забой скважины вместе с долотом на колонне бурильных труб. Турбобур представляет собой многоступенчатую гидравлическую турбину, работающую от потока промывочной жидкости. Колонна бурильных труб при этом не вращается, неподвижный ротор воспринимает реактивный момент.

При бурении электробуром породоразрушающий инструмент вращается маслонаполненным забойным электродвигателем переменного тока, имеющим малый диаметр и значительную длину. Колонна бурильных труб при этом также неподвижна. Электроэнергия к электродвигателю подводится по вмонтированным в бурильные трубы отрезкам кабеля, которые при свинчивании бурильных труб автоматически соединяются. Промывочная жидкость подается на забой по зазору между внутренними стенками труб и кабелем.

При роторном и турбинном бурении, там, где необходимо уточнение геологического разреза, применяются бурение с отбором керна колонковыми долотами или турбодолотами.

Роторное бурение и бурение электробурами может вестись с промывкой или продувкой.

Глубины бурения вращательным способом достигают 10 км. Этим способом проектируется пробурить скважины глубиной 15 км. Диаметры скважины колеблются от 76 до 590 мм.

При вращательном бурении разрушение породы происходит в результате одновременного воздействия на долото нагрузки и крутящего момента. Под действием нагрузки долото внедряется в породу, а под влиянием крутящего момента скалывает ее.

На рисунке 3.2 показан общий вид установки для роторного и турбинного бурения.

Породоразрушающий инструмент 4 с удлинителем или утяжеленными бурильными трубами 2 (иногда и с расширителем 3) на колонне бурильных труб 1 лебедкой 20 с помощью талевой системы, состоящей из талевого блока 8, кронблока 5 и канатов 6, спускается в скважину. При этом бурильные трубы, соединенные между собой муфтами в свечи, свинчивают замковыми соединениями в колонну.

При выполнении спускоподъемных операций ведущая ветвь каната 22 навивается на барабан лебедки 20 или сматывается с него.

Спущенная в скважину колонна бурильных труб соединяется с ведущей бурильной трубой 12, которая в свою очередь подсоединена к вертлюгу 10, подвешенному на крюке 9 к талевому блоку 8. Ведущая труба, имеющая квадратное или шестигранное сечение, спускается в фигурное отверстие ротора 21. При этом вращение от ротора передается ведущей трубе и буровому снаряду.

Рисунок 3.2 – Установка роторного бурения

Для промывки скважины установка снабжена насосами 18. Через шланги 17 насосы всасывают промывочную жидкость из емкости 16 и по трубопроводу 13, стояку 7, нагнетательному шлангу 11 через вертлюг и бурильную колонну подают ее к долоту. Промывочная жидкость охлаждает долото, вымывает разрушенную породу и выносит ее на поверхность в пространство между стенками скважины и бурильными трубами. Из устья скважины промывочная жидкость изливается в систему желобов 14 и по ним поступает в шламоочищающие устройства 15 (вибросита, гидроциклоны и т. п.), а затем снова в приемные емкости.

Привод механизмов установки осуществляется от двигателей внутреннего сгорания или электродвигателей. В установке, показанной на рис. 2, применен дизель-электрический привод 19, при котором двигатели внутреннего сгорания приводят в работу генераторы переменного тока и насосы. Остальные механизмы имеют электрический привод.

При турбинном бурении и бурении электробурами схема установки не меняется, только в первом случае увеличивается гидравлическая мощность насосов, а во втором - требуется использование дополнительного электрооборудования: силового трансформатора, станции управления и пульта управления электробуром, кольцевого токоприемника, специальных труб с отрезками кабеля внутри и т. п.

При турбинном способе бурения и бурении электробурами долоту передается в несколько раз большая мощность, поэтому и механическая скорость бурения этими способами в несколько раз выше, чем при роторном бурении.

При роторном бурении мощность, передаваемая на долото, ограничивается прочностью бурильной колонны. При всех разновидностях глубокого вращательного бурения используют одни и те же очень сложные буровые установки.

Дата добавления: 2014-01-11