Колонкове буріння

1.13.1. Загальні відомості.

Колонковим способом буріння називається такий спосіб обертального буріння, при якому розбурюється тільки кільцевий вибій, всередині якого залишається стовпчик породи – керн. При колонковому бурінні буровий снаряд (рис…) складається з коронки, у нижній торець якої вставляють різці з твердих сплавів або алмази. Коронка приєднується до колонкової труби, у яку під час буріння надходить керн. Колонкова труба за допомогою перехідника з’єднується з колоною бурильних труб, яка нарощується за мірою заглиблення свердловини. Коронка, колонкова труба та перехідники утворюють колонковий набір. До верхньої бурильної труби приєднується сальник, через який промивочна рідина надходить через центральний канал бурильних труб, колонкову трубу та коронку на вибій свердловини. Колонковий набір, бурильні труби та сальник утворюють буровий снаряд.

Під час буріння верхня бурильна труба затискається у шпинделі бурового станка, якому передається обертання від двигуна. Буровий станок не тільки обертає буровий снаряд але й здійснює регулювання тиску коронки на вибій за допомогою спеціального пристрою. Під час буріння через шланг, бурильні труби у свердловину насосом подається промивочна рідина для охолодження коронки та винесення на поверхню шламу, який проходить на поверхні через систему жолобів циркуляційної системи, осідає на стінках жолобів і далі очищений знов подається на вибій.

Після того, як колонкова труба заповнюється кернам, останній заклинюється та відривається від вибою за допомогою спеціального пристрою – кернорвача. Після відривання керну насос виключається і буровий снаряд за допомогою лебідки підіймається на поверхню. Бурильна колонна розкручується при цьому на окремі свічки, довжина яких визначається висотою вишки.

Проходка свердловини до проектної глибини здійснюється окремими рейсами (рейс – один спуско-підйом). Головними причинами дуже широкого використання колонкового буріння на геологорозвідувальних роботах є можливість отримання керну, що дозволяє найбільш повно вивчити будову і якість корисної копалини, та можливість буріння у породах будь якої твердості та під будь-яким кутом до горизонту.

Залежно від виду стираючих матеріалів розрізняють три види колонкового буріння: твердосплавне, алмазне та дробове. Крім того буріння може здійснюватися гідроударниками. Найбільш прогресивним в усьому світі є алмазне буріння. Воно забезпечує: підвищену швидкість буріння, знижує вартість буріння, суттєво скорочує витрати матеріалів та інструменту, підвищує вихід керну.

При бурінні свердловини, у разі необхідності, можна комбінувати кернове і безкернове буріння (Explain). Безкернове буріння дозволяє суттєво збільшити швидкість буріння, рейсову проходку, скоротити час на спуско-підйомні операції. При безкерновому бурінні використовують дрібноалмазні долота, шарошечні долота, пікобури тощо.

1.13.2. Стираючі матеріали. При руйнації кільцевого вибою свердловини використовуються технічні алмази, тверді сплави та буровий шріт.

А. Т е х н і ч н і а л м а з и. Є три різновиди технічних алмазів: борт, баллас і карбонадо. Борт – зернисті неправильні зрощення кристалів; баллас – кульовидні агрегати кристалів; карбонадо – дуже дрібнозернисті, щільні агрегати сіруватого і чорного кольору.

Б. Т в е р д і с п л а в и. Для армірування коронок колонкового буріння використовуються різці з вольфрам – кобальтових металокерамічних твердих сплавів (ВК – 6, ВК -8 та інші). Головною частиною такого сплаву являється порошковидний карбід вольфраму (CW), зцементований кобальтом (Со). Карбід вольфраму надає сплаву твердість, а збільшення відсотку кобальту підвищує його в’язкість.

В. Б у р о в и й ш р і т. У колонковому бурінні використовують три ґатунки бурового шроту: чавунний, литий та шріт-січка. Перші два мають кульовидну форму, третій – циліндричну.

1.13.3. Колонкові набори. До складу колонкового набору входять: коронка (алмазна, твердосплавна або шротова), кернорвач, калібровочний розширювач (при алмазному бурінні), одинарна або подвійна колонкова труба, перехідники різного призначення, шламова труба. Складові елементи колонкового снаряду підбираються залежно від конструкції та геологічним розрізом.

1. А л м а з н і к о р о н к и.

Алмазна коронка складається з алмазовміщуючої матриці та сталевого корпусу з різьбою (коробочного кільця). Матриця – це робоча частина алмазної коронки, що являє собою кільце з металокерамічного сплаву у якому розміщені та закріплені алмази. У нижній частині матриці коронки прорізані промивочні канали, які розділяють її на сектори. Різцями являються зерна алмазів розташовані у певному порядку і за своїм призначенням та розташуванням поділяються на торцеві (об’ємні) та підрізні. Торцеві руйнують породу на вибої і виконують основну роботу, зовнішні підрізні калібрують стінки свердловини і запобігають звуженню свердловини, внутрішні підрізні обробляють бічну поверхню керну.

При маркуванні алмазних коронок вказують порядковий номер, що характеризує конструкцію свердловини (0,1; 0,2 і т. д. до 99), розташування алмазів у коронці (А – одношарові, М – багатошарові, И – імпрегновані), зносостійкість та твердість матриці (3-нормальна, 4-тверда, 5-дуже тверда), ґатунок алмазів (Б,В,Г і т.д.).

Для виготовлення матриць використовуються карбід вольфраму, кобальт, нікель та ін. Зв’язуючим материалом (прпиткою) є мідь, латунь, бронза, титанов сплави та інші.

У сучасних алмазних коронках застосовують декілька схем розкладки алмазів (рис….): радіальна, спіральна, концентрична та інші). Припустимий випуск об’ємних алмазів з тіла матриці коронки залежить від діаметру коронки та фізичних властивостей порід: у м’яких крупнозернистих пластичних породах 0,25 діаметра коронки, у щільних монолітних породах середньої твердості – 0,15d, у щільних твердих монолітних породах – 0,1d, у твердих тріщинуватих породах менше 0,1d.

2. А л м а з н і р о з ш и р ю в а ч и. Призначені для калібрування стовбура свердловини при бурінні алмазними коронками. Застосовуються різні типи розширювачів залежно від абразивності порід (РМВ-1, РМВ-2 і т.д.). Алмазами армуються спеціальні штабіки на зовнішній частині розширювача (рис…).

3. Т в е р д о с п л а в н і к о р о н к и. Призначені для буріння свердловин з відбором керну у породах I-VIII категорій за буримістю. Вони складаються із сталевого корпусу та різців. На верхньому кінці коронки є стрічкова різьба для з’єднання з колонковою трубою. Як і на алмазних коронка є пази для промивочної рідини. До торця коронки припаяні латунні об’ємні різці-платівки з твердих сплавів.

У самозаточуванних коронках типу СА1, СА2, СА3 різці припаяні до опорних сталевих платівок, які, в свою чергу, припаяні до корпусу коронки. Самозаточуванні різці за мірою зношення зберігають свою первинну форму та ріжучі властивості.

За призначенням твердосплавні коронки діляться на три групи: ребристі (М1,М2,М5) для буріння м’яких нестійких порід I – IV категорій (глин, пісків, мергелів, крейди); різцеві (СМ3,СМ4, СТ2) для буріння мало абразивних порід IV – VII категорій за буримістю (вапняків, доломітів, сланців, алевролітів, аргілітів, пісковиків, серпентинітів); самозаточуванні (СА1, СА2, СА3, СА4) для буріння абразивних порід VI – VIII категорій (пісковиків, алевролітів, сланців, габро, піроксенітів тощо). У сполученні з алмазними найчастіше використовуються різцеві і самозаточуванні коронки діаметрів 46, 59, 76 та 93мм.

4. Д р о б о в і к о р о н к и. Дробове буріння застосовується у породах VII – XII категорій (джеспіліти, роговики, кварцити і т. д.), але воно майже повістю витіснене алмазним. Стандартні дробові коронки випускаються довжиною 500мм з прорізом 150мм та діаметрами 75, 91, 110, 130 та 150мм (рис…).

5. Ш а р о ш е ч н і д о л о т а (долота дроблення). Являє собою дробильний інструмент, який має більш високу стійкість породоруйнівних елементів порівняно з ріжучими інструментами (рис…). Шарошечне долото є суцільною конструкцією із зварених між собою секцій (лап), на цапфах яких за допомогою підшипників змонтовані шарошки. При обертанні долота шарошки перекочуються по вибою, здійснюючи складний обертальний рух руйнуючи породу. Існують 1,2,3,4,6 і 8 - шарошечні долота. На рухливих обертальних деталях розташовуються породоруйнівні елементи - зубці. Для безкернокогобуріння використовують шарошечні долота наступних типів: К, Т, С та М діаметрами 151, 132, 112, 93, 76 та 59мм.

Долота типу К призначені для буріння свердловин у твердих породах IX – XII категорій. Шарошки армовані зубцями з твердого сплаву ВК-8 і найбільш ефективні у бурінні твердих крупнозернистих крихких порід, а також тріщинуватих. Зазвичай їх використовують для буріння таких порід як габро, базальти, лабрадорити. Марки їх наступні: Ш-59К, Ш76К і далі за діаметрами.

Долота типу Т. Призначаються для буріння у твердих породах VII – IX категорій (зкремнілі вапняки, доломіти, абразивні пісковики та інші). Випускаються наступні їх марки: 1В-93Т, 1В-112Т та внші.

Долота типу С. Призначаються для буріння у продах середньої твердості V – VI категорій. Долота типу С випускаються наступних марок: 1В-83С, 1В-112С і далі за діаметрами.

Долота типу М. Призначені для буріння у м’яких породах I – IV категорій. Найбільш ефективні при бурінні у сланцях, мергелях, глинах та інших породах, коли механічна швидкість буріння може сягати 30 м за годину. Марки таких доліт: 1В-112МГ, 1В-132МГ і т.д.

На зубці доліт типів Т,С,М наплавляється зернистий твердий сплав (реліт та інші).

6. Д о л о т а р і ж у ч о г о т и п у. До них відносяться дволопатеві долота марки 2Л (РХ – риб’ячій хвіст), трилопатеві марки 3Л, а також пікобури (Новикова, Воронова, Ханженковської ГРЕ), долото крупного сколювання та деякі інші (рис…). Лопатеві долота випускаються діаметрами від 76 до 490мм і призначені для буріння свердловин у м’яких породах і породах середньої твердості I – IV категорій. Передні частини лапатей армуються твердими сплавами (реліт, ВК-8).

7. К е р н о р в а ч. Пристрій, який забезпечує відрив керну безпосередньо на вибої свердловини та надійно утримує керн у колонковій трубі при підйомі снаряду (рис…). У процесі буріння кернорвальне кільце знаходиться у верхній частині конічної проточки корпусу кернорвача і не заважає входженню керну у колонкову трубу. При підйомі снаряду кільце переміщується донизу по конічній проточці, заклинює керн та надійно утримує його.

При бурінні у тріщинуватих породах о\з одинарними колонковими трубами можна заклинювати керн заклиночним матеріалом, у якості якого використовуються дроблене скло, фафор, дроблені міцні гірські породи, алюмінієвий дріт або свинцевий шріт (explain).

8. К о л о н к о в і т р у б и. Призначаються для прийому вибуреного керну та напрямку бурового снаряду. Застосовується два види колонкових труб: одинарні (прості) та подвійні. Подвійні використовуються у тих випадках, коли породи дуже тріщинуваті, зруйновані і не можливо забезпечити необхідний відсоток виходу керну. Довжина колонкових труб 1,5; 3; 4,5 та 6 м, діаметри 44, 57, 73, 89 і 108 мм.

9. П е р е х і д н и к и (рис…) бувають подвійні, призначені для з’єднання колонкових труб з бурильними (фрезерні, конусні, циліндричні); потрійні, призначені для з’єднання колонкових труб з бурильними і шламовою трубою; від’єднувальні (ПО-46, ПО-59, ПО-78 і т. д.), призначені для від’єднання бурильної колони у разі прихоплення останньої у свердловині.

Для скручування і розкручування подвійних і одинарних колонкових труб застосовуються коробочні та гладко захоплюючі ключі (рис…).

10. Ш л а м о в і т р у б и. Призначені для уловлювання важких частинок шламу, металу коронок і бурового шроту при бурінні з використанні шроту. Уловлення шламу відбувається внаслідок випадіння важких частинок шламу з висхідного потоку промивочної рідини під час втрати останнім швидкості. Шламові труби обов’язкові при дробовому бурінні, а в інших випадках – при великій різниці між діаметром свердловини і діаметром бурильних труб, а також при недостатній продуктивності насосу.

1.13.4. Бурильні труби для колонкового буріння. Бурильні труби разом з елементами їх з’єднань (ниппелями, муфтами, замками) утворюють бурильну колону. Вона призначена для спуску і підйому колонкового набору, передачі та обертання від станка до породоруйнівного інструменту, подачі на вибій промивочної рідини або стислого повітря, а також для передачі осьового навантаження на снаряд. У процесі буріння бурильна колона одночасно зазнає скручування, вигину, розтягненню та стиску. Кривизна труб повинна бути не більше 1мм на 1 м довжини.

У розвідувальному бурінні застосовують два типи з’єднання бурильних труб у колону: ніпельне і муфтово-замкове (рис…). Ніпелі можуть бути двох типів: А – з зовнішньою різьбою на двох кінцях та Б – з зовнішньою різьбою на одному кінці і внутрішньою – на другому. Різьба може бути як правою так і лівою.

Найчастіше використовується два типи бурильних труб: легкосплавні (ЛБТ) та обважнені бурильні труби (ОБТ). ЛБТ призначені для високооборотного буріння свердловин алмазними і твердосплавними коронками діаметром 26, 38, 59 мм (з ніпельними з’єднаннями) та 54мм з муфтовими з’єднаннями. ОБТ застосовуються для створення необхідного осьового навантаження на породоруйнівний інструмент, сприяють зменшенню скривлення свердловин.

1.13.5. Механізм для скручування і розкручування бурильних і обсадних труб. Для ручного розкручування труб використовуються шарнірні та відбійні ключі. Найкращім механічним пристроєм для скручування та розкручування труб є РТ-1200, який замінив попередні ПО-49А та інші. Він використовується при роботі із звичайними і напівавтоматичними елеваторами. При розкручування, для підвішування піднятих труб використовується підкладна вилка.

1.13.6. Бурова установка для колонкового буріння. Бурові установки для колонкового буріння складаються з бурового станка, насоса, вишки, обладнання для спуско-підйомних операцій, контрольно-вимірювальної апаратури. Вони діляться на шпиндельні і роторні. У розвідувальному бурінні переважно використовують шпиндельні бурові установки, у яких крутний момент і осьове навантаження на вибій передаються через шпиндель станка. В умовах роторного буріння обертання бурового інструменту здійснюється обертальним столом-ротором через робочу трубу багатогранного перерізу.

Шпиндельна установка призначена для проходки свердловин під різними кутами до горизонту у породах I –XII категорій за буримістю. Роторні установки використовують для вертикального буріння у м’яких породах та породах середньої твердості.

Залежно від конструкції механізму подачі інструменту на вибій розрізняють шпиндельні (колонкові) станки, станки з гідравлічною, диференційною, диференційно-важільною та важільною подачею.

До головних вузлів станків колонкового буріння відносяться: лебідка, обертач, механізм подачі, коробка передач, головний фрикціон для включення та відключення станка та пульт управління з контрольно – вимірювальною апаратурою. Найбільш поширеними моделями станків для роторного буріння являються ЗІФ (ЗІФ-300, ЗІФ-650, ЗІФ-1200) та більш пізні УКБ (УКБ-6,УКБ-7 і т.д.). (explain principle of operation). Привід до станка дизельний, рідко-електричний.

Буровий станок (далі все на прикладі установки УКБ-300) має широкий діапазон частот обертання. У системі гідравлічної подачі є регулятор швидкості, здібний підвищувати проходку по тріщинуватим породам. Можливість лівого обертання шпинделя підвищує ефективність робіт з ліквідації аварій у свердловині. На щоглі МР-6 є жорсткі спрямовуючі та спеціальна система з’єднання елеватора з кареткою, що забезпечує повну співосність свічок при скручуванні та розкручуванні з колоною. Підйом щогли з транспортного положення у робоче та її опускання здійснюється гідродомкратами (рис…).

При бурінні похилих свердловин щоглу вручну, за допомогою гвинтової пари підкосу, можна нахилити на необхідний кут. Щогла несе двороліковий крон блок, який забезпечує правильну укладку троса на барабан, та свічкоприймальник, у якому за допомогою напівавтоматичного елеватора та підсвічника можна встановлювати колону бурильних труб без верхового робочого. Буровий насос НБ11Н три плунжерний, має коробку швидкостей для регулювання продуктивності та привід від дизеля станка або від електродвигуна потужністю 5,5 кВт.

1.13.7. Буріння з підземних гірничих виробок. Здійснюється з метою пошуків сліпих рудних тіл, пошуків і розвідки глибокозалягаючих горизонтів родовищ корисних копалин, зміщених тектонікою частин рудних пластів, а також для спеціального призначення (закладення вибухівки, вентиляція, дренаж тощо). Бурові агрегати встановлюються у спеціальних камерах. Для буріння використовують різні станки з електро- або дизельним приводом: УКБ-50, УКБ-200, СГБ-1М, СБА-500 та інші, призначені для буріння з підземних виробок.

1.13.8. Буріння свердловин з колонковим гідро транспортуванням керну. Бурові агрегати КГК-100 та КГК-300 свого часу (у 80-ті роки минулого сторіччя) створили справжню революцію у швидкісному колонковому бурінні. Свердловину, наприклад, глибиною 300 м, таким станком, розробленим СКБ «Геотехніка», за умови буріння тільки у породах середньої твердості (осадовий чохол), можна пробурити за 3-4 години, тоді як звичайними буровими установками це реально зробити за 3-4 тижні! При чому вихід керну по глинам, суглинкам, мергелям та деяким іншим породам складає 100%, на відміну знов таки від звичайного бурінні де важко даються і 70%. Не дивлячись на певні недоліки цього способу буріння, використання станків КГК дало фантастичний прорив у картуванні великих площ при проведенні геологічної зйомки, при пошуково-оціночних роботах та в інших галузях геологорозвідувальних робіт.

У процесі буріння промивочна рідина нагнітається у між трубний простір подвійної бурильної колони через спеціальний сальник. Вибурена порода підіймається потоком промивочної рідини до поверхні і через спеціальний кернопідвідний шланг видавлюється у лотки керноприймальника, встановленого на пересувному причепі (рис…).

Найбільшою проблемою буріння з гідротранспортуванням керну є проходка і відбір матеріалу пухких та сипких порід (пісок, гравій, супісок иі інші).

1.14. Роторне буріння.

1.14.1. Загальні відомості. Для буріння розвідувальних та експлуатаційних свердловин на нафту та газ, воду, розсоли застосовуються установки обертального буріння, яке може виконуватися двома способами. При першому, роторному, бурінні ротор встановлюється на устям свердловини та обертає колону бурильних труб з долотом на нижньому кінці. За другим способом буріння використовуються вибійні (рос. забойные) двигуни, які обертають тільки долото, а колона бурильних труб не обертається. Вибійні двигуни можуть бути гідравлічними (турбобури) або електричними (електробури). Глибина роторного буріння до 3 – 5 км і більше, діаметри сягають 400мм і більше. Бурові установки роторного буріння можуть бути стаціонарними і пересувними.

1.14.2. Бурові установки (рис…). Елементами бурової установки є бурова вишка і тепляк, у якому змонтовані: ротор, лебідка, силовий агрегат приводу лебідки і ротора, два бурових насоса від електродвигуна. Крім того у буровій вишці змонтовані компресорна станція, аварійна дизель-генераторна станція, комплект електоропускової апаратури. В верхній частині вишки розташовані кронблок та тальове оснащення, місток для верхового робочого, вертлюг з нагнітальним шлангом.

Під час буріння насос подає під тиском промивочну рідину, охолоджує долото і транспортує зруйновану породу на поверхню. При турбінному бурінні потік рідини приводе в дію робочі колеса (ротори) турбобура.

Колона бурильних труб, підвішена за допомогою крюка до тальового блоку, за мірою заглиблення долота у породу плавно опускається бурильником за допомогою гальма лебідки. Колона бурильних труб підіймається на поверхню лише в разі необхідності заміни зношеного породоруйнівного інструменту.

1.14.3. Вибійні обертальні машини. До таких двигунів відносяться два різновиди – турбобур та електробур. Турбобур являє собою багатоступеневу турбіну осьового типу. Принцип дії турбобуру полягає у перетворенні гідравлічної енергії потоку рідини у механічну енергію обертання вала. Робоча рідина під тиском подається через бурильні труби ло турбобуру.

З бурильних труб рідина попадає у спрямовуючі канали статора першої ступені турбобуру, а звідти потік спрямовується під певним кутом на лопаті ротора та обертає його.

Для надглибокого буріння використовується турбінне буріння без підйому бурильної колони. При цьому використовуються вставні (розсувні) шарошечні долота та зйомні ротори спеціальних турбобурів.

У практиці буріння застосовується три види електробурів: електоробур на трубах (найчастіше), на шлангокабелі та на кабельканаті. Електробур являє собою занурюваний електродвигун, який встановлюється в верхній частині довгого герметичного циліндру, наповненого маслом. Живлення електроенергією здійснюється через кабель, розташований всередині бурильних труб (рис…). Електробуріння дозволяє у 2 – 3 рази скоротити зношення бурильних труб, здійснюється при значно менших витратах промивочної рідини та меншому тискові насосів (порівняно з турбобуром), дозволяє використовувати продувку свердловин замість промивки, контролювати безпосередньо на вибої основні параметри режиму буріння.

1.14.4. Буровий інструмент (рис…). Інструмент для роторного буріння складається з долота (переважно шарошечного), обважнених бурильних труб, колони бурильних труб з муфтовими замковими з’єднаннями, робочої квадратної труби та вертлюга. У разі необхідності відбору керну використовується звичайний колонковий снаряд з ґрунтоноскою.

1.14.5. Бурильні труби. Бурильні трубі діаметром 73, 89 та 114 мм виготовляють з високоякісної криці, а останні роки і з легких сплавів алюмінію та магнію. Труби мають муфтово-замкове з’єднання. Для скручування та розкручування бурильних труб використовують машинні шарнірні ключі із вставними плашками та автоматичні ключі на стислому повітрі.

Дата добавления: 2014-01-04