3.Техніка і технологія буріння свердловин. Застосування долота, бурильні труби. Вибійні двигуни.
3.1.Техніка і технологія буріння свердловин
Руйнувати гірські породи можна механічним, термічним, фізико-хімічним, електроіскровим та іншими способами. Проте в даний час промислове застосування знайшли тільки способи механічного руйнування породи, а інші поки що знаходяться в стадії експериментальної розробки.
Механічне буріння здійснюється такими способами:
1) ударним:
а) ударно-штанговим;
б) ударно-канатним;
2) обертальним:
а) роторним;
б) із застосуванням вибійних двигунів (турбобурів, електробурів, гвинтових двигунів);
3) ударно-обертальним.
3.2. Описання процесів ударного та обертового буріння
Ударне буріння
З усіх різновидностей ударного буріння в даний час застосовується тільки ударно-канатний спосіб (рисунок 3.1). Буровий снаряд, що складається з долота 1, ударної штанги 2, розсувної штанги-ножиць 3 і канатного замка 4, спускається в свердловину на інструментальному канаті 5, перекинутому через головний ролик 7 та амортизатор 8 щогли 9, обгинає стяжний 10 і направляючий 12 ролики балансирної рами 11. При загальмованому барабані інструментальної лебідки 13, на якому закріплений кінець каната, шатунно-кривошипним механізмом 14 і 15 балансирна рама приводиться в коливальний рух відносно осі направляючого ролика 12. Відтяжний ролик балансирної рами, опускаючись, натягує канат і піднімає снаряд над вибоєм. Піднімаючись вверх, ролик 10 звільнює канат, і снаряд під власною вагою падає на вибій, руйнуючи долотом породу.
Рисунок 3.1 — Схема ударно-канатного буріння
У міру поглиблення свердловини, канат подовжують, змотуючи його з барабана 13. Циліндричність свердловини забезпечується поворотом долота в результаті розкручування каната під навантаженням (під час підйому бурового снаряда) і скручування його при знятті навантаження (під час удару долота об породу).
При ударному бурінні свердловина, як правило, не заповнена рідиною. Тому з метою уникнення обвалювання породи зі стінок у свердловину спускають обсадну колону, яка складається з металевих обсадних труб, з’єднаних одна з одною з допомогою різьби або зварки. У міру поглиблення свердловини обсадну колону просувають до вибою і періодично подовжують її на одну трубу.
Для ударно-канатного буріння випускають самохідні і стаціонарні станки, що дозволяють бурити свердловини глибиною до 500 м. Вони мають порівняно невелику масу (7-20 т), і тому їх можна легко перевозити з місця на місце, що дуже важливо для організації бурових робіт у важкодоступних і віддалених районах.
Обертальне буріння
При обертальному бурінні руйнування породи відбувається в результаті одночасної дії на долото осьового навантаження і крутного моменту. Під дією навантаження долото втискується в породу, а під дією крутного моменту - сколює її.
Існує два способи обертального буріння - роторний і з вибійними двигунами.
При роторному бурінні (рисунок 3.2) потужність від двигунів 9 передається через лебідку 8 до ротора 16 - спеціального обертального механізму, встановленого над устям свердловини в центрі вишки. Ротор обертає бурильну колону і нагвинчене на неї долото 1. Бурильна колона складається з ведучої труби 15, спеціального перевідника 6 і бурильних труб 5.
При бурінні з вибійними двигунами долото 1 нагвинчується на вал, а бурильна колона з’єднується з корпусом двигуна 2. При роботі двигуна обертається його вал з долотом, а бурильна колона не обертається.
Характерною особливістю обертального буріння є промивання свердловини водою або спеціальною рідиною протягом усього періоду роботи долота на вибої.
Рисунок 3.2 — Схема установки для буріння нафтових та газових
свердловин обертовим способом
Для заміни зношеного долота піднімають із свердловини всю бурильну колону, замінюють долото і знову опускають її. Спуско-підіймальні роботи ведуть також з допомогою талевої системи.
3.2.Породоруйнівний інструмен. Призначення і класифікація бурових доліт.
При бурінні нафтових і газових свердловин використовуються такі види породоруйнівного інструменту:
бурові долота для буріння свердловин суцільним вибоєм;
бурильні головки для буріння свердловин кільцевим вибоєм;
розширювачі стовбура свердловини;
калібратори, стабілізатори, центратори для вирівнювання стінок свердловини і центрування бурильної колони.
Долото – буровий інструмент для механічного руйнування гірських порід на вибої свердловини в процесі її проходки.
За характером дії на породу долота можна класифікувати на:
1. Долота різально-сколювальні – лопатеві долота, призначені для розбурювання в’язких і пластичних порід невеликої твердості (в’язких глин, маломіцних глинистих сланців і ін.) і малої абразивності.
2. Долота сколювальні – шарошкові долота, призначені для розбурювання неабразивних і абразивних порід середньої твердості, твердих, міцних і дуже міцних.
3. Долота стирально-різальні – долота з алмазними і твердосплавними породоруйнівними вставками. Вони призначені для буріння в породах середньої твердості, а також в породах з чергуванням високопластичних малов’язких порід з породами середньої твердості і навіть – в малоабразивних твердих породах.
Шарошкові долота
Шарошкові долота найбільш поширені. На них припадає 90-95% всього об'єму проходження свердловини. За ГОСТом 20692-75 шарошкові долота для суцільного буріння свердловин виготовляються трьох типів: одношарошкові, двохшарошкові і тришарошкові.
Шарошки доліт мають три типи спорядження:
з фрезерованими зубами, які складають одне ціле з тілом шарошки (для доліт типів М, МС, С, СТ, Т, ТК);
з вставними (твердосплавними)зубцями (для доліт типів МЗ, СЗ, ТЗ, ТКЗ, К, ОК);
з вставними зубцями і фрезерованими зубами (для доліт типу МСЗ).
За розміщенням і конструкцією промивних або продувних каналів долота виготовляються:
з центральним промиванням — Ц;
з боковим гідромоніторним промиванням — Г;
з центральним продуванням — П;
з боковим продуванням — ПГ.
Опори шарошок виготовляються:
на підшипниках з тілами кочення — В;
на двох і більше підшипниках ковзання — А;
на одному підшипнику ковзання (інші підшипники з тілами кочення) — Н;
з герметизацією ущільнюючими кільцями і резервуаром для змазування — У.
Шарошкові долота виготовляються з суцільним або зварним корпусом.
Долота з суцільним корпусом, які називають корпусними, складаються з литого корпусу з привареними до нього лапами, на цапфах яких змонтовані шарошки, які вільно обертаються. В корпусі є отвори для насадок, через які промивна рідина надходить на вибій свердловини. Для з'єднання з бурильною колоною корпус долота оснащується муфтовою замковою різьбою.
Долота зі зварним корпусом, які називають секційними мають переважне поширення в світовій практиці. Корпус секційних доліт (рис. 3.3) зварюється з попередньо зібраних секцій, число яких рівне числу шарошок долота. Кожна секція складається з лапи 1 з похилою цапфою 2 і конусоподібної шарошки 4, яка обертається на підшипниках 3.
Рисунок 3.3— Шарошкові секційні долота
Шарошки розрізняють за кількістю утворюючих конусів, геометрією і типом спорядження. Дво- і тришарошкові долота комплектуються багатоконусними шарошками, на поверхні яких концентричними рядами (вінцями) розміщується спорядження (зуби, зубчики
Для підвищення зносостійкості зу-би наплавляються твердим сплавом. Вставні зубці мають сферичну або клиноподібну форму робочого торця. Залежно від типорозміру долота вставні зубці мають діаметр 3,2-14,3 мм. Одношарошкові долота комплектуються сферичними шарошками, оснащеними вставними твердосплавними зубцями.
Для буріння твердих малоабразивних, крихких і крихко-пластичних порід використовуються долота типу Т, оснащені дво- і триконусними самоочисними шарошками, осі яких перетинаються в одній точці на осі долота. Шарошки оснащені дрібними зубцями з великим кутом загострення (рис. 3.3, а).
Долота типу К, які застосовуються для буріння самих твердих і міцних абразивних порід, оснащуються одноконусними самоочисними шарошками з твердосплавними зубцями (рис. 3.3, б).
Долота типу М для буріння м'яких порід мають дво- або триконусні самоочисні шарошки з осями цапф секцій, зміщеними відносно осі долота в сторону його обертання (рис. 3.3, в).
Долота типу С для буріння порід середньої твердості мають двох- і триконусні самоочисні шарошки з короткими гострими зубами (рис. 3.3, г).
Лопатні і алмазні долота
Лопатні долота діляться на наступні типи: дволопатні 2Л; трилопатні стиральноріжучі ЗИР; шестилопатні стиральноріжучі 6ИР; пікоподібні (однолопатні) П.
Лопатні долота відрізняються від шарошкових більш простою конструкцією і успішно їх замінюють при бурінні рихлих, м'яких і незцементованих порід. Вони застосовуються в основному при роторному бурінні, при бурінні вибійними двигунами використовуються рідше, так як для їх роботи потрібні великі крутні моменти.
На рис. 3.4 показана конструкція трилопатного долота 3Л, яке складається з корпусу 1 і приварених до нього лопатей 2, які виготовляються з стальних поковок. Промивний пристрій складається з сопла 7, ущільнюючих кілець 6, байонетної шайби 4 для утримування сопла. Робочі і калібровані поверхні лопат зміцнюються твердосплавними штирями 3 і пластинами 5. Для з'єднання з бурильною колоною на головці корпуса є замкова різьба 8.
Т
а – загальний вигляд; б – розріз ; в – сопло;
Рисунок 3.4 – трилопатне долото
рилопатні долота випускаються діаметрами 118-445 мм. Дволопатні долота 2Л виготовляють суцільно кованими і вони не мають сопел в промивних отворах. Випускаються дволопатні долота діаметрами від 76 до 165,1мм.
Долота стирально-ріжучого типу використовуються для буріння м'яких, середньо-м'яких і середніх абразивних порід. На відміну від доліт 2Л і 3Л їх лопати мають ступінчату форму. Калібрована поверхня і ріжучі кромки лопат армуються твердосплавними штирями і покриваються релітом. Згідно ОСТ 26-02-1282-75, передбачається виготовлення доліт ЗИР діаметрами 190,5-269,9 мм. Долота діаметром більше 140 мм випускаються з гідромоніторним і звичайним промиванням.
Однолопатні пікоподібні долота використовуються для розбурювання цементних пробок в обсадній колоні (тип Ц) або для розширення стінок свердловини (тип Р). Обидва вказані типи однолопатних доліт мають зварну або суцільно ковану конструкцію. Робочі кромки лопат нахилені під кутом 45 і армовані з набігаючої сторони релітом і твердосплавними пластинами, захищеними чавунним покриттям.
Алмазне долото (рис. 3.5), подібне до лопатного, не має рухомих деталей і складається з корпусу 1 з приєднувальною різьбою 2 і фасонною алмазонесучою головкою (матриця) 3, виконаною з порошкоподібного твердосплавного матеріалу. Промивні отвори 4 з'єднуються з промивними каналами 5, які ділять поверхню матриці на сектори 6. Для попередження відхилень стовбура свердловини при бурінні робочі поверхні секторів мають випукло-вгнуту, подвійно-конусну і ступінчато-конусну форми. На робочій 7 і каліброваній 8 поверхнях секторів матриці кріпляться алмази 9. Залежно від кріплення алмазів матриці розрізняють долота з одношаровим вкладанням відносно великих алмазів і з багатошаровим вкладанням порівняно дрібних алмазів (імпрегнероване алмазне долото).
В долотах використовують найменш цінні різновиди природних алмазів або синтетичні алмази. Інститутом над-твердих матеріалів (ІДМ) розроблений на основі недефіцитних дрібних фракцій природних і синтетичних алмазів новий надтвердий матеріал славутич, який не поступається по експлуатаційних якостях природним алмазам.
а — радіальні; б — радіально-спіральні
Рисунок 3.5 — алмазні долота
Вибійні двигуни
У даний час застосовують три види вибійних двигунів: турбобури, гвинтові двигуни та електробури.
При бурінні з допомогою турбобура
Рисунок 3.6 – Турбобур: 1 – опора турбобура; 2 – ступені турбобура
або гвинтового двигуна
Риcунок 3.7– Схема односекційного гвинтового вибійного
двигуна Д2-172:
1 – перехідник; 2 – корпус двигунної секції; 3 – статор; 4 – ротор;
5 – карданний вал; 6 – корпус шпинделя; 7 – торцевий сальник;
8 – багаторядний радіально-осьовий підшипник; 9 – радіальна гумометалева опора; 10 – вал шпинделя
гідравлічна енергія потоку промивальної рідини, що рухається вниз у бурильній колоні, перетворюється в механічну енергію на валу вибійного двигуна, з яким з’єднане долото.
Турбінно-гвинтові двигуни – це універсальні вибійні двигуни , які містять три основні вузли: одну, дві або три турбінні секції 2, один гвинтовий модуль 3 і шпиндель 1 з осьовою опорою (при необхідності – шпиндель-відхилювач).
Рисунок – 3.8. Турбінно-гвинтовий двигун:
1 – шпиндель; 2 – турбінна секція; 3 – гвинтовий модуль
При бурінні з електробуром
Рисунок 3.9 – Електробур зі шпинделем наповненим оливою:
1 – порожнистий вал електродвигуна; 2, 5 – радіальні кулькові
підшипники; 3 – опорний кульковий підшипник; 4 – секція ротора
електродвигуна; 6 – секція статора електродвигуна; 7 – обмотка статора;
8 – діамагнітний пакет; 9 – корпус електродвигуна; 10 – з’єднувальний
нижній корпус електродвигуна; 11 – з’єднувальний верхній корпус
електродвигуна; 12 – корпус лубрикаторів; 13 – верхній перехідник;
14, 25 – лубрикатори; 15 – поршень лубрикатора; 16 – пружина
лубрикатора; 17 – нижнє сальникове ущільнення; 18 – верхнє сальникове ущільнення; 19 – верхня торцева пара сальникового ущільнення;
20 – кабельний вхід; 21 – контактний стрижень; 22 – ущільнення
кабельного входу; 23 – запобіжний стакан; 24 – опора контактного
стрижня; 26 – корпус шпинделя; 27 – зубчаста з’єднувальна муфта;
28 – роликова радіальна опора; 29 – пустотілий вал шпинделя;
30 – опорний кульковий підшипник; 31 – гумовий амортизатор;
32 – лубрикатор шпинделя; 33 – поршень лубрикатора; 34 – пружина
лубрикатора; 35 – втулка з гумовим ущільненням; 36 – сальникове
ущільнення шпинделя; 37 – перехідник; 38 – долото
енергія до його двигуна подається по кабелем, секції якого змонтовані всередині бурильної колони.
Бурильна колона
Склад і призначення бурильної колони
Бурильна колона (рис. 3.10) з’єднує долото (вибійний двигун і долото) з наземним обладнанням (вертлюгом) і складається з ведучої труби 4, бурильних труб 8 і обважнених бурильних труб (ОБТ) 13. Верхня частина бурильної колони містить ведучу трубу 4, яка приєднується до вертлюга 1 за допомогою верхнього перехідника 3 і перехідника вертлюга 2. Ведуча труба 4 приєднується до першої бурильної труби 8 за допомогою нижнього перехідника 5 ведучої труби, запобіжного перехідника 6 і муфти бурильного замка 7. Бурильні труби 8 згвинчуються за допомогою бурильних замків, що складаються з двох деталей (муфти бурильного замка 7 і ніпеля бурильного замка 9), або за допомогою з’єдну-вальних муфт 10. ОБТ 12 і 13 безпосередньо згвинчуються без застосування яких-небудь з’єднувальних елементів.
Рисунок 3.10 – Бурильна колона:
1 – вертлюг; 2 – перехідник вертлюга; 3 – верхній перехідник; 4 – ведуча труба; 5 – нижній перехідник; 6 – запобіжний перехідник; 7 – муфта
бурильного замка; 8 – перша бурильна труба; 9 – ніпель бурильного замка; 10 – з’єднувальна муфта; 11 – перехідник; 12 – верхня обважнена бурильна труба; 13 – нижня обважнена бурильна труба; 14 – долото
Верхня обважнена бурильна труба 12 приєднується до бурильної труби за допомогою перехідника 11, а нижня 13 – за допомогою перехідника 14 приєднується до долота (при роторному бурінні) або вибійного двигуна з долотом (при бурінні турбобуром, гвинтовим двигуном чи електробуром).
Бурильна колона призначена для передачі крутного моменту долоту при роторному бурінні або сприйняття реактивного моменту при бурінні вибійними двигунами; підведення промивальної рідини до вибійного двигуна (при турбінному бурінні або бурінні гвинтовим двигуном), до долота і вибою свердловини (при всіх способах буріння); монтажу окремих секцій струмопроводу (при бурінні з електробуром); створення навантаження на вибій; підіймання і опускання долота, турбобура, електробура; проведення допоміжних робіт (пророблення, розширення і промивання свердловини, випробування пластів, ловильні роботи тощо).