Способы бурения, составляющие бурового оборудования и технологического инструмента

 

БУРЕНИЕ скважин – про­цесс искусственного образования в масси­ве выработки небольшого круглого сечения (скважины).

Процесс бурения заключается в последователь­ном разрушении поверхности забоя сква­жины и извлечении продуктов разрушения на поверхность.

Способы бурения различают механические и не механические.

Механические разделяются на ударный и вращательный способы.

Немеханические способы бурения: термическое, взрыв­ом, электроимпульсное, ультразвуковое, электрогидравлическое, электромагнитное и т. д.

При ударном бурении разрушение проис­ходит в результате последовательных уда­ров по забою скважины инструмента (штанг и буровой коронки), совершающего возвратно-поступательное движение. Перед каждым следующим ударом инструмент по­ворачивается на некоторый угол, обеспечи­вает тем самым разрушение породы по всей площади забоя.

Ударное бурение делится на ударно-пово­ротное, ударно-вращательное и вращатель­но-ударное.

Ударно-поворотное бурение, осущест­вляемое бурильными машинами колонково­го или телескопного типа с использованием свинчивающихся или цельных гибких штанг. называется штанговым, его достоинства ­высокая скорость и возможность проходки скважин малого диаметра, недостаток­ резкое снижение скорости бурения при глуби­не скважины более 12 м в породах сред­ней крепости и более 4 м в крепких по­родах.

Бурильные машины с независимым вра­щением коронки и выносными ударными механизмами позволяют значительно увели­чить глубину штангового бурения.

К ударно-поворотному бурению относится ударно-канатное, при котором под­вешенный на канате буровой снаряд, под­нимаемый с помощью ударного механизма, падает и наносит удары по забою скважи­ны, разрушая породу лезвием долота.

В процессе бурения в скважину постепенно на­ливают воду, разрушенная порода перехо­дит во взвешенное состояние – шлам, ко­торый периодически удаляется из скважи­ны желонкой.

Ударно-вращательное бурение осуще­ствляется погружными пневмоударниками и бурильными молотками с независимым вра­щением, при котором удары наносятся по непрерывно-вращающемуся инструменту, разрушающему забой.

При вращательном бурении разрушение забоя скважины производится путем смятия, раз­давливания, скалывания и в меньшей сте­пени истирания вращающимся буровым инструментом (коронками, долотом, дробью).

Удаление продуктов разрушения из забоя производится с помощью витых штанг (при бурении шпуров), шнеков (при бурении скважин), а также водой или воздухом. К вращательным способам бурения отно­сятся: бурение коронками, армированными рез­цами из твердого сплава, шарошечное и дробовое бурение, а также бурение алмазным инстру­ментом.

При шарошечном бурении разрушение забоя про изводится стальными или твердо­сплавными зубками шарошечных долот. Под действием осевого усилия зубки внедряют­ся в породу на глубину, зависящую от их формы, величины осевого усилия и физико-механических свойств породы. Если к шаро­шечному долоту приложить ударные на­грузки с помощью соответствующих меха­низмов, то эффективность бурения возрастает.

 

Удаление продуктов разрушения из сква­жины производится воздухом, водовоздушной смесью или водой.

При дробовом бурении, осуществляемом чугунной, стальной дробью или стальными шариками, разрушение забоя скважины происходит за счет деформаций смятия и раздавливания, которые образуются при вдавливании дроби в породу под действи­ем осевого усилия.

Буровая дробь – литые стальные или чугунные шарики, а также стальные кубики и цилиндрики (стальная дробь-сечка), при­меняемые для разрушения горных пород во время бурения. Диаметр дроби при бурении 1,5-5,5 мм.

Дробовое бурение может осуще­ствляться кольцевым (керновое бурение) и сплошным (бескерновое бурение) забоем.

При кольцевом забо е в центральной части сква­жины остается неразрешенная порода­ керн, который входит в металлическую трубу и периодически извлекается из нее. При бескерновом бурении забой разрушается пол­ностью, в этом случае дробь перемещается по забою под действием составляющей окружного усилия, центробежной силы, статической и динамической нагрузок и разрушает породу по спиральной линии.

Алмазное бурение применяется при разра­ботке крепких и весьма крепких руд.

Вращательное бурение в зависимости от способа передачи момента на буровой инструмент разделя­ется на роторное, электробуром, турбинное и реактивно – турбинное.

При роторном бурении момент вращения пере­дается на буровой инструмент от привода через ротор и буровую колонну. При бурении электробуром и турбинном бурении двигатель (электрический и гидротурбина соответственно) расположен непосредственно в забое над буровым инструментом.

Известны комбинированные буровые сна­ряды, объединяющие два способа бурения: вра­щательный (шарошечный) и ударный.

Вращательное движение инструменту пере­дается от бурового станка, а удар осуще­ствляется пневмоударником, работающем на сжатом воздухе (возможно также на воздушно-водяной смеси). Сжатым возду­хом охлаждаются шарошки и выносятся продукты бурения.

К вибрационно-вращательному бурению относится способ разрушения поро­ды, основанный на принципе высокочастот­ных ударных воздействий, создаваемых ме­ханическими эксцентриковыми вибратора­ми или вибромолотами. Исполнительный ор­ган (долото и коронка), представляющий единый механизм с вибратором, одновре­менно выполняет два вида движения: возв­ратно-поступательное – под действием воз­мущающих импульсов вибратора и враща­тельное – от привода станка. В результа­те такого комбинированного воздействия происходит разрушение породы. Продукты разрушения удаляются из скважины водой или сжатым воздухом.

При термическом бурении (огневом) ис­пользуется высокая температура газов, вытекающих отдельными струями со сверх­звуковой скоростью из специальной горел­И ракетного типа. Высокая темпе­ратура создается при сгорании в струе кис­лорода (или сжатого воздуха) керосина, бензина – для горелок ракетного типа и при нагревании продуваемого через газовый разряд воздуха и подаче его на забои по соплам – для горелок плазменного ти­па.

При воздействии тепловых потоков на массив наиболее нагретыми оказываются участки в непосредственной близости от поверхности и сама поверхность нагрева. Свободному расширению нагретых участ­ков породы препятствует противодействие не нагретых участков, в породе возникают термические напряжения, вызывающие от­слаивание от массива чешуек породы, ко­торые выносятся отработанными газами из зоны действия горелки вверх на струю во­ды, вытекающую из трубы, расположенной выше горелки.

При взрывном бурении образование скважин осуществляется взрыванием зарядов ВВ непосредственно в забое. При ампуль­ном взрывном бурении заряды ВВ в видe ампул опускаются по трубам, при струйном – по­даются в виде жидкого окислителя и горю­чего по специальным трубам из емкостей, расположенных на поверхности, к дозиру­ющим приспособлениям забойного взрыво­бура.

Продукты разрушения удаляются жид­костью или продуктами взрыва и сжатым воздухом.

При ультразвуковом бурении разру­шение породы происходит в основном за счет внедрения зерен абразива (карбид бора, окись алюминия, карбид кремния) под действием ультразвуковых колебаний, сооб­щаемым им рабочим инструментом (метал­лической трубкой). В зону контакта инстру­мента с породой подается водная суспензия абразивов.

Электрогидравлическое бурение осуществляется электрическими разрядами, создаваемыми в воде между двумя элек­тродами, расположенными на определенном расстоянии друг от друга.

Основной вид бурения – вращательный, при котором скважина углубляется в результате одновременного воздействия на долото нагрузки и крутящего мо­мента. Под действием нагрузки породоразрушающие элементы до­лота внедряются в породу, а под влиянием крутящего момента ска­лывают, дробят и истирают ее.

Существует два способа вращательного бурения — роторный и с забойными двигателями.

При роторном бурении ротор вращает всю бурильную колонну, состоящую из ведущей трубы и привинчен­ных к ней с помощью специального переводника бурильных труб, и долота.

При бурении с забойными двигателями, вал забойного двигателя вращает долото, а буриль­ная колонна и корпус забойного двигателя неподвижны. Характер­ной особенностью вращательного бурения является промывка сква­жины водой или специально приготовленной жидкостью в течение всего времени работы долота на забое.

Для этого два (реже один или три) буровых насоса, нагнетают промывочную жидкость по трубопроводу бурильную колонну. Дойдя до долота, промывочная жидкость проходит через отверстия, имеющиеся в нем, и по кольцевому пространству между стенкой скважины и бурильной колонной поднимается на поверхность. Здесь в очистительных меха­низмах жидкость очищается от выбуренной породы, затем поступает в приемные емкости насосов и вновь закачивается в скважину.

По мере углубления бурильная колонна, подается в скважину. Когда ведущая труба войдет в ротор на всю длину, бурильную колонну поднимают на длину веду­щей трубы и удлиняют (наращивают) путем привинчива­ния к ней так называемой свечи привинчивают ее к бурильной колонне, доводят долото до забоя и продолжают бурение.

Для замены изношен­ного долота поднимают из скважины всю бурильную колонну, а затем вновь спускают ее. К последнему с помощью стропов и элеватора подвешивают поднимаемую или спу­скаемую бурильную колонну.

При подъеме бурильную колонну развинчивают на секции, длина которых определяется высотой вышки (около 25 м при высоте вышки 41 м). Отвинченные секции, называемые свечами, устанавли­вают в фонаре вышки на специальном подсвечнике.

Спускают бурильную колонну в скважину в обратном порядке. Следовательно, процесс работы долота на забое скважины прерывается наращиванием бурильной колонны и спуско-подъемными работами для смены изношенного долота.

В настоящее время применяют два вида забойных двигателей— турбобур и электробур.

При бурении с турбобуром гидравлическая энергия потока промывочной жидкости, двигающегося с большой скоростью вниз по бурильной колонне, преобразуется в механическую на валу тур­бобура, с которым соединено долото. В процессе работы долота на забое жестко соединенные корпус турбобура и бурильная колонна воспринимают реактивный момент и медленно вращают. Электроэнергия к двигателю электробура подается по кабелю, секции которого смонтированы внутри бурильной колонны.

Как правило, верхние участки разреза скважины представлены современными отложениями, легко размывающимися в процессе бурения циркулирующим потоком жидкости. Поэтому перед буре­нием скважины бурят или копают вручную шурф до устойчивых пород (4—8 м) и в него спускают обсадную трубу, называемую направлением. Пространство между обсадной трубой и стенками шурфа заполняют бутовым камнем и заливают цементным раствором. В результате устье скважины надежно укрепляется. В верхней части направления заранее вырезается окно, из которого в процессе буре­ния скважины промывочная жидкость выходит в желобную систему.

После установки направления и проведения ряда других работ (контрольный осмотр оборудования, монтаж и наладка приборов, оснастка полиспастной системы, бурение шурфа под ведущую трубу) составляют акт о готовности смонтированной буровой и приступают к бурению скважины.

Пробурив неустойчивые, мягкие, трещиноватые и кавернозные породы, осложняющие процесс бурения (обычно 50—400 м), пере­крывают и изолируют эти горизонты, для чего в скважину спускают обсадную колонну, состоящую из свинченных стальных труб, а ее затрубное пространство цементируют. Первая обсадная колонна получила название кондуктор.

После спуска кондуктора не всегда удается пробурить скважину до проектной глубины из-за прохождения новых осложняющих го­ризонтов или из-за необходимости перекрытия продуктивных пла­стов, не подлежащих эксплуатации данной скважиной. В таких слу­чаях возникает потребность в спуске и последующем цементирова­нии второй обсадной колонны, называемой промежуточной. При дальнейшем углублении скважины вновь могут встретиться горизонты, подлежащие изоляции. Тогда спускают и цементируют третью обсадную колонну, называемую второй промежуточной ко­лонной.

В очень сложных условиях бурения может быть три и даже четыре промежуточных колонны.

Пробурив скважину до проектной глубины, спускают и цемен­тируют эксплуатационную колонну, предназначенную для подъема нефти или газа от забоя к устью скважины или для нагнета­ния воды (газа, воздуха) в продуктивный пласт в целях поддержа­ния давления в нем.

Тампонаж (изоляция) при бурении скважин применяют для отделения одного горизонта от другого с целью исследования водо-, нефте- и газоносных пластов, устранения циркуляции подземных вод по стволу скважины, для борьбы с катастрофическим поглощением промывочной жидкости и т. д.

Тампонаж бывает временный и постоянный. Временный применяют для изоляции пластов на короткий срок при малых напорах с помощью обсадных труб совместно с глиной или с помощью пакера - приспособления, спускаемого в скважину на трубах, для разобщения пласта с затрубным пространством или двух пластов между собой.

Постоянный тампонаж осуществляют с помощью колонны труб и цемента или только цемента, - быстродействующего портландцемента, называемого тампонажным.

Проверяют герметичность труб и количество тампонажа путем нагнетания воды в скважину и наблюдения за ее подъемом в затрубном пространстве; пробурив цемент и углубившись на 0,5 м. ниже цемента, тем самым проверяют качество тампонажа. После получения положительного результата простреливают (перфорируют) колонну и цементное кольцо против исследуемого пласта и приступают к его пробной эксплуатации.

После окончания цементировочных работ обвязывают устье скважины и против продуктивного пласта простреливают (перфори­руют) эксплуатационную колонну и цементный камень для создания каналов, по которым в процессе эксплуатации нефть (газ) будет поступать в скважину.

Для вызова притока нефти (газа) проводят освоение скважины, сущность которого сводится к тому, чтобы давление столба промы­вочной жидкости, находящейся в эксплуатационной колонне, стало меньше пластового. В результате создавшегося перепада давления нефть (газ) из пласта начинает поступать в скважину и после ком­плекса исследовательских работ скважину сдают в эксплуатацию.