Вращательное бурение скважин технология

Технология вращательного бурения

Вращательное бурение по способу привода долота делят на:

• роторное (вращение долоту передается от ротора, установленного на устье, через колонну бурильных труб, выполняющих функцию полого вала);
• бурение забойными двигателями (турбинное, электробурение на трубах и шлангокабеле, бурение объемными двигателями).

При вращательном бурении горная порода на забое разрушается вращающимся долотом, на которое передастся осевая нагрузка и крутящий момент. Разрушенная порода удаляется с забоя потоком промывочной жидкости, непрерывно подаваемой по колонне бурильных труб.

Крутящий момент на долото передается с поверхности от ротора (вращателя) через колонну бурильных труб или от забойного двигателя (турбобура, электробура, винтового двигателя), установленного непосредственно над долотом.

Осевая нагрузка создается в основном частью веса находящихся над долотом утяжеленных (толстостенных) бурильных труб и забойного двигателя. Например, на долото диаметром 215,9 мм создается нагрузка 150-250 кН.

Крутящий момент в процессе бурения в зависимости от типа долота и свойств пород при диаметре скважины 216 мм составляет 1000-3000 Нм.

Частота вращения долота при роторном бурении 20-200 об./мин, при бурении винтовыми двигателями — 150-250, при турбинном и электробурении — 250-800, с редукторами — 200-300 об./мин.

При общей установленной мощности буровых установок в 1000-1500 кВт для бурения на глубину до 4500 м на долото передается от 200 до 500 кВт.

На рис. 4.4 приведена схема установки для бурения глубоких скважин . Подаваемая для очистки забоя промывочная жидкость совершает непрерывный кругооборот: буровой насос — нагнетательная линия — вертлюг — бурильная колонна — забойный двигатель — долото — забой -кольцевое пространство между бурильной колонной и стенками скважины-желоба и устройства для очистки промывочной жидкости — приемная емкость для очищенного раствора — подпорный насос — всасывающая линия бурового насоса.

Рис. 4.4 . Схема установки для бурения глубоких скважин:
1 – долото; 2 – утяжеленная бурильная труба; 3 – переводник; 4 – центратор; 5 – муфтовый переводник; 6,7 – утяжеленные бурильные трубы; 8 – переводник; 9 – предохранительное кольцо; 10 – бурильные трубы; 11 – предохранительный переводник; 12, 14 – переводники штанговые; 13 – ведущая труба; 15 – переводник вертлюга; 16 – вертлюг; 17 – стояк; 18 – шланг; 19 – крюк; 20 – талевый блок; 21 – вышка; 22 – кронблок; 23 – редуктор; 24 – лебедка; 25 – ротор; 26 – шламоотделитель; 27 – буровой насос

Подача буровых насосов при диаметре долота 215,9 мм составляет 20-30 л/с, давление на выкиде насосов — 5-20 МПа, установленная мощность на приводе — около 600 кВт. Циркулирующая промывочная жидкость удаляет разбуриваемую породу, частицы осыпающихся пород, охлаждает долото, создает противодавление на стенки скважины, что
предупреждает прорыв пластовых флюидов, обвалообразование.

Для смены изношенного долота поднимают бурильную колонну, а затем спускают ее с новым долотом. Спуск и подъем бурильной колонны и спуск обсадных колонн осуществляют с помощью подъемного оборудования — вышки, лебедки, талевой системы, подъемного крюка.

При спуско-подъемных операциях (СПО) используют ключи и различные приспособления для свинчивания и развинчивания труб, других элементов бурильной колонны, удержания колонны на весу в процессе свинчивания и развинчивания, захвата труб и подачи их к устью или от устья для установки на подсвечник.

Для удобства изготовления, эксплуатации и транспортирования бурильные трубы выпускают длиной не более 12 м. Для ускорения СПО в глубоком бурении бурильную колонну собирают из свечей, включающих две — четыре трубы. В зависимости от объема СПО в глубоком бурении применяют свечи длиной 25 и 37 м и соответственно вышки высотой 41 и 53 м.

Грузоподъемность вышки и другого оборудования определяется массой бурильной колоны с запасом на возможные осложнения, затяжки и заклинивания инструмента в скважине.

Ротор необходим не только для передачи вращения бурильной колонне, но и при СПО как опора для установки и ее удержания клиновыми захватами или элеватором. Ротор применяют для проворачивания бурильной колонны во время ориентированного спуска ее при наклонном бурении .

Перед подъемом инструмента скважину промывают до выравнивания плотности подаваемой и выходящей из нее промывочной жидкости, что свидетельствует об отсутствии шлама, газа в скважине и косвенно — угрозы осложнений (образование сальников, выброс, обвал).

После проходки ствола скважины под очередную обсадную колонну механическое бурение прекращают, ствол скважины готовят к креплению. В скважину спускают обсадную колонну и цементируют.

После цементирования каждой колонны скважину проверяют на герметичность путем создания давления внутри колонны (опрессовка) или путем понижения уровня (откачки) жидкости в колонне. На кондукторы, промежуточные колонны после проверки скважины на герметичность устанавливают противовыбросовую арматуру. Эксплуатационная колонна, выдержавшая проверку на герметичность, соединяется с пластом путем перфорации против пласта. Устье скважины оборудуется эксплуатационной арматурой, после чего приступают к освоению скважины, вводу ее в эксплуатацию.

В разведочных скважинах испытывают объекты (пласты), которые при опробовании в процессе бурения показали возможную промышленную продуктивность.

Вращательное бурение от ударного отличается:

• высокой производительностью вследствие передачи на долото большой мощности, непрерывного разрушения горной породы и удаления ее с забоя на поверхность циркулирующей промывочной жидкостью;
• эффективностью применения для самых различных целей, возможностью вскрытия пластов с низким и высоким давлением и т.д.;
• большой мощностью привода буровой установки, сложностью бурового бурения, КИП и системы управления, высокой начальной стоимостью (покупная цена) и стоимостью эксплуатации, монтажа, транспортирования.

Ротором в технике называют подвижную часть механизма, передающую энергию вращения на рабочий инструмент. Процесс, при котором круговое оборачивание снаряда совмещается с осевым давлением на поверхность массива, называется роторное бурение. Таким способом проходят выработки различного назначения, включая скважины на воду.

Роторное бурение скважины на воду.

Оборудование для роторного бурения скважин

Ротор является основным механизмом станка для одноименного метода бурения. Вращатели различают по мощности, статической нагрузке, диаметру отверстия под колонну из труб. По конструкции роторы бывают неподвижными или перемещающимися в вертикальной плоскости. Они рассчитаны на бурение скважин глубиной 100-1500 м, выдерживают нагрузку 10-500 т.

Кроме основного предназначения (вращения инструмента), ротор служит удерживающим устройством бурильных и обсадных труб при выполнении спуско-подъемных операций. Еще ряд механизмов и устройств обеспечивают продвижение породоразрушающего снаряда в горный массив.

В состав роторной буровой установки входят:

1. Вышка — на ней размещаются и подвешиваются бурильные трубы. Сооружение устраивается в виде мачты на 1-2 опорах или каркаса башенного типа на 4 опорных точках.
2. Буровой насос поршневой — служит для закачки в скважину промывки. Работает в составе комплекса оборудования для приготовления раствора и его очистки.
3. Вертлюг — через него промывочный раствор от насоса попадает в буровую колонну. Устройство крепится на крюке в верхней части вышки.
4. Талевая система с лебедкой и блоками — обеспечивает спуск и подъем колонны.
5. Элеватор — с его помощью производятся захват и удержание труб.

В состав оборудования входят долота шарошечные и алмазные, стропы для присоединения элеватора к талевому блоку, переходники различных типов, грязевые насосы для откачки пульпы. Промывка при роторном бурении — прямая или обратная с применением глинистого раствора, воды.

Роторное бурение скважин: плюсы и минусы

Вращательный способ проходки выработок бывает не только роторным, эта технология может сочетаться с ударным воздействием, с продувкой сжатым воздухом, удалением грунтового бурового шлама через шнек.

Преимущества проходки скважин с применением ротора:

1. Скорость выше, чем при ударном разрушении. Способ обратной промывки выработки водой в рыхлых породах ускоряет проходку в 1,5-2 раза по сравнению с бурением с прямой подачей раствора в скважину.
2. Универсальность — сменные долота способны разрушать мягкие грунты и твердые горные породы. Роторная проходка скважины позволяет достичь водоносного пласта на любой глубине.
3. Возможность бурения водозаборных выработок Ø1200-1500 мм. Для этого применяется обратная промывка ствола.
4. Габариты и металлоемкость станка невелики по сравнению с ударно-канатными буровыми машинами.
5. Мобильность — оборудование размещается на передвижной платформе.

Роторное бурение скважины на воду.

Роторный метод для водозаборных скважин является предпочтительным, поскольку он объединяет достоинства всех вращательных способов бурения.

Недостатки этого способа заключаются в том, что применение глинистого раствора снижает дебит скважины, требует мероприятий по восстановлению водоотдачи.

Стоимость работ выше, чем при других способах бурения, вследствие необходимости подвоза чистой воды, глины и реагентов для приготовления раствора. Проблемы обостряются зимой, когда требуется защита от низких температур.

Принцип осуществления роторного бурения скважин

Проходка выработки для водозабора непрерывным вращением бурового снаряда заключается в разрушении горных пород на забое скважины долотом, присоединенным к колонне, вращающейся вокруг оси ствола ротором. Удаление шлама и охлаждение режущего инструмента осуществляются жидкостью или сжатым воздухом.

Порядок работы оборудования:

1. Вращатель приводится в действие двигателем электрическим или внутреннего сгорания.
2. Усилие от вала принимают ведущие вкладыши, расположенные по контуру верхней рабочей трубы, они же передают крутящий момент на колонну.
3. Давление разрушающего инструмента на забой передается по звеньям сборки. За счет массы конструкции создается нагрузка, достаточная для резания породы.
4. Буровой шлам удаляется из скважины промывочной жидкостью, которая одновременно охлаждает дробящий инструмент. Раствор после очистки используется вновь.

По мере износа долота его заменяют новым, для этого колонна по секциям извлекается из выработки. Длина свечи, вытаскиваемой за один прием, зависит от высоты подвески кронблока и составляет 25-50 м.

Схема роторного бурение скважины.

Обсадные трубы

Пересекаемые скважиной породы частично укрепляются за счет применения глинистого раствора, но полноценное предотвращение осыпания стенок выработки достигается их обсадкой стальными трубами. Закончив бурение в заданном интервале, проходку скважины приостанавливают для монтажа обсадной колонны. Ближайшая к поверхности часть конструкции называется кондуктором.

При укреплении стенок выработки придерживаются следующих правил:

• диаметр обсадной трубы должен быть меньше сечения выработки: колонна опускается в скважину свободно;
• глубина, начиная с которой делают перерыв в бурении для установки обсадной крепи, находится в пределах 30-600 м;
• стенки водозаборных выработок обсаживают цельнотянутыми трубами длиной 6-13 м, для изготовления кондуктора используют сварные стояки Ø426-478 мм;
• затрубное пространство заполняется цементной тампонажной смесью.

В сложных геологических условиях устанавливают несколько обсадных колонн разного диаметра. Трубы меньшего размера располагаются в глубоких горизонтах.

Особенность нижнего звена конструкции заключается в том, что эта труба является эксплуатационной и перфорируется для проникновения воды внутрь колонны.

Промывочная жидкость в буровых роторных работах

Жидкие среды, используемые для бурения, укрепляют стенки выработки в рыхлых породах, удерживают буровой шлам во взвеси, не давая ему осаждаться, и выносят его на поверхность, не загрязняют подземную воду. Трение колонны о стенки скважины и охлаждение долота, способствование разрушению породы на забое — это тоже функции промывки.

В качестве буровых растворов применяются следующие жидкости:

Вода техническая. Применяется при строительстве водозабора в устойчивых породах и песках, где статический уровень жидкости ≥3 м. Диаметр скважин

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.

Существует две разновидности вращательного бурения – роторный и с забойными двигателями.

При роторном бурении (рис. 9) мощность от двигателей 9 передается через лебедку 8 к ротору 16 — специальному вращательному механизму, установленному над устьем скважины в центре вышки. Ротор вращает бурильную колонну и привинченное к ней долото 1. Бурильная колонна состоит из ведущей трубы 15 и привинченных к ней с помощью специального переводника 6 бурильных труб 5.

Следовательно, при роторном бурении углубление долота в породу происходит при движении вдоль оси скважины вращающейся бурильной колонны, а при бурении с забойным двигателем – невращающейся бурильной колонны. Характерной особенностью вращательного бурения является промывка

При бурении с забойным двигателем долото 1 привинчено к валу, а бурильная колонна – к корпусу двигателя 2. При работе двигателя вращается его вал с долотом, а бурильная колонна воспринимает реактивный момент вращения корпуса двигателя, который гасится невращающимся ротором (в ротор устанавливают специальную заглушку).

Буровой насос 20, приводящийся в работу от двигателя 21, нагнетает буровой раствор по манифольду (трубопроводу высокого давления ) 19 в стояк — трубу 17, вертикально установленную в правом углу вышки, далее в гибкий буровой шланг (рукав) 14, вертлюг 10 и в бурильную колонну. Дойдя до долота, промывочная жидкость проходит через имеющиеся в нем отверстия и по кольцевому пространству между стенкой скважины и бурильной колонной поднимается на поверхность. Здесь в системе емкостей 18 и очистительных механизмах (на рисунке не показаны) буровой раствор очищается от выбуренной породы, затем поступает в приемные емкости 22 буровых насосов и вновь закачивается в скважину.

В настоящее время применяют три вида забойных двигателей – турбобур, винтовой двигатель и электробур (последний применяют крайне редко).

При бурении с турбобуром или винтовым двигателем гидравлическая энергия потока бурового раствора, двигающегося вниз по бурильной колонне, преобразуется в механическую на валу забойного двигателя, с которым соединено долото.

При бурении с электробуром электрическая энергия подается по кабелю, секции которого смонтированы внутри бурильной колонны и преобразуется электродвигателем в механическую энергию на валу , которая непосредственно передается долоту.

По мере углубления скважины бурильная колонна, подвешенная к полиспастной системе, состоящей из кронблока (на рисунке не показан), талевого блока 12, крюка 13 и талевого каната11, подается в скважину. Когда ведущая труба 15 войдет в ротор 16 на всю длину, включают лебедку, поднимают бурильную колонну на длину ведущей трубы и подвешивают бурильную колонну с помощью клиньев на столе ротора. Затем отвинчивают ведущую трубу 15 вместе с вертлюгом 10 и спускают ее в шурф (обсадную трубу, заранее установленную в специально пробуренную наклонную скважину) длиной, равной длине ведущей трубы. Скважина под шурф бурится заранее в правом углу вышки примерно на середине расстояния от центра до ее ноги. После этого бурильную колонну удлиняют (наращивают), путем привинчивания к ней двухтрубной или трехтрубной свечи (двух или трех свинченных между собой бурильных труб), снимают ее с клиньев, спускают в скважину на длину свечи, подвешивают с помощью клиньев на стол ротора, поднимают из шурфа ведущую трубу с вертлюгом, привинчивают ее к бурильной колонне, освобождают бурильную колонну от клиньев, доводят долото до забоя и продолжают бурение.

Для замены изношенного долота поднимают из скважины всю бурильную колонну, а затем вновь спускают ее. Спуско-подъемные работы ведут также с помощью полиспастной системы. При вращении барабана лебедки талевый канат наматывается на барабан или сматывается с него, что и обеспечивает подъем или спуск талевого блока и крюка. К последнему с помощью штропов и элеватора подвешивают поднимаемую или спускаемую бурильную колонну.

При подъеме БК развинчивают на свечи и устанавливают их внутри вышки нижними концами на подсвечники, а верхние заводят за специальные пальцы на балконе верхового рабочего. Спускают БК в скважину в обратной последовательности.

Таким образом процесс работы долота на забое скважины прерывается наращиванием бурильной колонны и спуско-подъемными операциями (СПО)для смены изношенного долота.

Как правило, верхние участки разреза скважины представляют собой легкоразмываемые отложения. Поэтому пред бурением скважины сооружают ствол (шурф) до устойчивых пород (3-30 м) и в него спускают трубу 7 или несколько свинченных труб (с вырезанным окном в верхней части) длиной на 1-2 м больше глубины шурфа. Затрубное пространство цементируют или бетонируют. В результате устье скважины надежно укрепляется.

К окну в трубе приваривают короткий металлический желоб, по которому в процессе бурения буровой раствор направляется в систему емкостей 18 и далее, пройдя через очистительные механизмы (на рисунке не показаны), поступает в приемную емкость 22 буровых насосов.

Трубу (колонну труб) 7, установленную в шурфе, называют направлением. Установка направления и ряд других работ, выполняемых до начала бурения, относятся к подготовительным. После их выполнения составляют акт о вводе в эксплуатацию буровой установки и приступают к бурению скважины.

Пробурив неустойчивые, мягкие, трещиноватые и кавернозные породы, осложняющие процесс бурения (обычно 400-800 м), перекрывают эти горизонты кондуктором 4 и цементируют затрубное пространство 3 до устья. При дальнейшем углублении могут встретиться горизонты, также подлежащие изоляции, такие горизонты перекрываются промежуточными (техническими) обсадными колоннами.

Пробурив скважину до проектной глубины, спускают и цементируют эксплуатационную колонну (ЭК).

После этого все обсадные колонны на устье скважины обвязывают друг с другом, применяя специальное оборудование. Затем против продуктивного пласта в ЭК и цементном камне пробивают несколько десятков (сотен) отверстий, по которым в процессе испытания, освоения и последующей эксплуатации нефть (газ) будут поступать в скважину.

Сущность освоения скважины сводится к тому, чтобы давление столба бурового раствора, находящегося в скважине, стало меньше пластового. В результате создавшегося перепада давления нефть (газ) из пласта начнет поступать в скважину. После комплекса исследовательских работ скважину сдают в эксплуатацию.

На каждую скважину заводится паспорт, где точно отмечаются ее конструкция, местоположение устья, забоя и пространственное положение ствола по данным инклинометрических измерений ее отклонений от вертикали (зенитные углы) и азимута (азимутальные углы). Последние данные особенно важны при кустовом бурении наклонно-направленных скважин во избежание попадания ствола бурящейся скважины в ствол ранее пробуренной или уже эксплуатирующейся скважины. Фактическое отклонение забоя от проектного не должно превышать заданных допусков.

Буровые работы должны выполняться с соблюдением законов об охране труда и окружающей природной среды. Строительство площадки под буровую, трасс для передвижения буровой установки, подъездных путей, линий электропередач, связи, трубопроводов для водоснабжения, сбора нефти и газа, земляных амбаров, очистных устройств, отвал шлама должны осуществляться лишь на специально отведенной соответствующими организациями территории. После завершения строительства скважины или куста скважин все амбары и траншеи должны быть засыпаны, вся площадка под буровую – максимально восстановлена (рекультивирована) для хозяйственного использования.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском: