1.5. Способи 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:

• ударним:

▬ ударно-штанговим;

▬ ударно-канатним;

• обертовим:

▬ роторним;

▬ із застосуванням вибійних двигунів (турбобурів, електробу­рів, гвинтових двигунів, пневмобурів);

• ударно-обертовим.

1.5.1. Ударне буріння

• Ударний спосіб вже майже 50 років практично не застосовуєть­ся в нашій та зарубіжних країнах для буріння нафтових і газових свердловин. Проте у вугільній і гірничорудній промисловості, при інженерно-геологічних пошуках, бурінні свердловин на воду і для вибухових робіт ударне буріння ще знаходить застосування.

З усіх різновидностей ударного буріння в даний час застосовує­ться тільки ударно-канатний спосіб.

Ефективність руйнування породи при ударно-канатному спосо­бі буріння дуже низька.

• 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.

1.5.2. Обертове буріння

Для здійснення процесу буріння використовується буровий інструмент.

• Під буровим інструментом слід розуміти такий інструмент, який призначений для буріння або допомагає цьому процесу (долота, калібратори, стабілізатори, вибійні двигуни, бурильні труби тощо).

Буровий інструмент, який приймає безпосередню участь в процесі буріння шляхом руйнування гірських порід називають породоруйнівним, а інструмент, який допомагає процесу буріння - технологічним, а також допоміжним буровим інструментом.

• До породоруйнівного бурового інструменту відносяться:

• бурові долота (рис. 1.8);

• бурильні головки (рис. 1.9);

• розширювачі (рис. 1.10).

Рисунок 1.8 – Бурові долота

Рисунок 1.9 – Бурильна головка Рисунок 1.10 – Розширювач

• До технологічного бурового інструменту відносяться калібратори, стабілізатори, центратори, бурові амортизатори, відхилювачі, протиприхоплювальні пристрої та інше.

• До допоміжного бурового інструменту відносяться елеватори, спайдери - елеватори, штропи, ключі для згвинчування та розгвинчування бурильних труб, роторні клини, елементи малої механізації.

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 (рис. 1.11) потужність від двигунів 9 пе­редається через лебідку 8 до ротора 16, який встановлений над устям свердловини в центрі вишки. Ротор обертає бурильну колону і нагвинчене на неї долото 1.

• Бури­льна колона з’єднує долото (або вибійний двигун і долото) з наземним обладнанням (вертлюгом) та складається з ведучої труби 15, перехідни­ків 6 і бурильних труб 5.

Нижню частину бурильної колони називають КНБК (Компоновка низу бурильної колони).

Рисунок 1.11 — Схема установки для буріння нафтових та газових свердловин обертовим способом.

• При бурінні з вибійними двигунами долото 1 нагвинчується на вал шпіиделя, який з’єднаний з валом вибійного двигуна, а бурильна колона з'єднується з корпусом цього двигуна 2. При роботі двигуна обертається його вал з долотом, а бурильна колона не обер­тається.

Шпиндель необхідний для передачі осьового навантаження на долото, сприйняття гідравлічного навантаження, що діє на вал двигуна (ротор).

В даний час застосовують в основному три види вибійних двигунів:

• турбо­бури;

• гвинтові двигуни;

• електробури.

▬ При бурінні з допомогою турбобура (рис. 1.12,а) або гвинтового двигуна (рис. 1.12,б) гі­дравлічна енергія потоку промивальної рідини, що рухається вниз в бурильній колоні, перетворюється в механічну енергію на валу ви­бійного двигуна, з яким з'єднане долото.

• Турбобур — це гідравлічна вибійна машина, в якій для перетворення гідравлічної енергії потоку промивної рідини в механічну енергію обертального руху використана багатоступінчата осьова турбіна, до валу якої безпосередньо або через редуктор приєднується долото. Кожна ступінь турбіни складається із диска статора, жорстко з'єднаного із корпусом і диска ротора, закріпленого на валу турбобура. Таких ступеней в турбобурі може бути досить багато (одна-, дві-, три сотні, а інколи і більше, в залежності від кількості секцій та інших конструктивних особливостей).

Робота турбіни здійснюється таким чином. Потік промивної рідини через бурильну колону подається в перший ступінь турбобу­ра. У статорі першого ступеня відбувається формування напрямку потоку рідини. Якщо знехтувати зазором між статором і ротором то можна прийняти, що рідина виходить із каналів статора і входить в канапи ротора з однаковою швидкістю. Аналогічна картина спостерігається і на виході із лопаток рото­ра, оскільки профілі лопаток ротора і статора дзеркально відображені. Так, послідовно перетікаючи із ступеня в ступінь, рідина пере­дає частину своєї гідравлічної потужності кожному ступеню, яка викликає появу на роторі обертового моменту. В ре­зультаті потужність, створювана всіма ступенями, сумується на ва­лу турбобура, а значить, на долоті. створюється реактивний момент, що дорівнює за величиною, але протилежний за напрямком обертовому моменту, який створюється на турбінах ротора. Реактивний момент через корпус турбобура передається на бурильну колону.

• Об'ємний двигун є різновидом вибійної гідравлічної машини, в якій для перетворення гідравлічної енергії потоку промивної рідини в механічну енергію обертального руху використаний героторний гвинтовий механізм (звідси друга назва двигунів цього типу — "гвинтовий").

Вибійний двигун, як правило, включає дві секції: рухову і шпиндель. Основним робочим органом вибійного гвинтового двигуна (рухової секції) є гвинтова пара, яка складається із статора 1 і ротора 2, що являє собою зубчату пару внутрішнього зачеплення з гвинтовими зубами.

Статор являє собою металеву трубу, до внутрішньої поверхні якої привулканізована гумова обкладка, що має декілька гвинтових зубів лівого напрямку, обернених до ротора.

У процесі роботи на турбінах статора, закріплених нерухомо в корпусі турбобура,

Ротор виконаний з високолегованої сталі, має на один гвинтовий зуб менше (також лівого напрямку) і розміщений ексцентрично (е) по відношенню до осі статора. Довжина кроку ротора відноситься до довжини кроку статора як кількість зубів ротора до кількості зубів статора.

У результаті такого співвідношення, а також за рахунок відпо­відного профілювання, гвинтові зуби ротора і статора знаходяться в безперервному контакті по всій довжині робочих органів, що забез­печує розділ порожнин високого і низького тисків і здійснення ро­бочого процесу.

Під дією потоку промивної рідини ротор, обкочуючись по зубах статора, здійснює планетарний рух.

Обертаючий момент від ротора передається за допомогою двохшарнірного з'єднання на вал шпинделя. Це з'єднання виконано у вигляді вала, що має на кінцях два шарніри. Карданне з'єднання необхідне для пере­дачі обертання від ексцентрично розміщеного ротора, який здійснює планетарний рух відносно осі обертання двигуна, до вала шпинделя.

До валу шпинделя приєднується долото. Ущільнення валу досягається за допомогою торцевих сальників.

▬ При бурінні з електробуром (рис. 1.13) енергія до його двигуна подається кабелем, секції якого змонтовані всередині бурильної колони.

• Але за останні роки розроблені також пневмобури та вібробури.

В США пройшли випробування пневмобури, а в Німеччині – віброударні механізми, що дозволяють бурити свердловини ударно-обертальним.

▬ При бурінні з пневмобуром бурова установка комплектується додатково компресорами, які в трубний простір нагнітають стиснуте повітря що служить джерелом енергії для пневмобура.

▬ При ударно-обертовому бурінні обертання долота здійснюється за допомогою ротора, а осьові коливання з певною амплітудою і часто­тою створюються вібраторами чи вібромолотами, які можуть бути встановлені на поверхні, або вибійними двигунами, розміщеними над доло­том.

При бурінні глибоких свердловин застосовують другий спосіб, коли обертання долота здійснюється з поверхні роторним способом, а коливання долота, тобто динамічні удари долота об породу, ство­рюються гідравлічними, пневматичними та іншими вибійними дви­гунами — вібробурами.

Поширення одержали гідравлічні вібробури клапанного типу, які дають при бурінні твердих і надтвердих порід високі показники роботи долота.

Вісь статора

Вісь ротора