Бурение скважин

3

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

1. Типоразмеры обсадных труб для различных способов бурения, инструмент и принадлежности для обсадных труб

В процессе бурения скважины, для удержания неустойчивых пород и тем самым предотвращения обвалов и обрушений стенок скважины, используют обсадную колонну. Также эта колонна может использоваться для перекрытия напорных и поглощающих горизонтов, для выполнения всевозможных других специальных целей. А составным элементом обсадной колонны является обсадная труба.

Обсадная труба - это бесшовная и шовная стальная труба с резьбой по краям для свинчивания этих труб.

Обсадная труба (колонна) выполняет следующие функции:

- служит защитным кожухом для насосно-компрессорной колонны и другого оборудования, используемого в скважине;

- сдерживает давление пласта и предотвращает растрескивание верхней, менее прочной зоны;

- предохраняет скважину от обрушения;

- удерживает добываемую воду в стволе скважины;

- разделяет пласты и обеспечивает приток воды только из тех зон, которые определены гидрогеологом.

К обсадным трубам предъявляются различные требования в зависимости от назначения скважин. Основные из них следующие:

Прямолинейность обсадных труб.

Качество изготовления этих труб.

Качество изготовления резьбы на обсадной трубе.

В связи с большими по величине и различными по характеру нагрузками, испытываемыми обсадными трубами при эксплуатации, для их изготовления используются цельнотянутые, стальные трубные заготовки.

Трубы ниппельного соединения применяются в основном при колонковом бурении. Каждая такая труба на концах имеет внутреннюю трапецеидальную резьбу с шагом 4 мм. Резьба может быть как правой, так и левой. Длина труб 1,5-6 метров в зависимости от диаметра. Соединяют трубы ниппелями-патрубками, имеющими на концах соответствующую наружную резьбу.

Для крепления скважин малого диаметра могут быть использованы безниппельные обсадные трубы, имеющие на одном конце наружную, а на другом - внутреннюю резьбу и соединяемые труба в трубу. Ввиду недостаточной прочности этих труб их спускают на небольшие глубины.

Обсадные трубы ниппельного и безниппельного соединений изготовляют из стали групп прочности Д, К, М с пределом текучести соответственно 372, 490, 735 Мпа.

При ударно-механическим бурении, вращательном бурении скважин на нефть и газ, а также гидрогеологических скважин применяют толстостенные обсадные трубы муфтового соединения. Эти трубы изготовляют из стали групп прочности С, Д, К, Е, Л, М, Р с пределом текучести соответственно 314, 372, 490, 539, 637, 735, 931 Мпа. На концах трубы имеют наружную правую конусную резьбу с шагом 3,175 мм. Конусность резьбы у труб малого диаметра 1:32, а утруб больших размеров - 1:16. Муфты, соединяющие трубы, имеют соответствующую трубам внутреннюю резьбу. Длина муфтовых труб от 9,5 до 13 метров. Для предохранения от коррозии наружную поверхность труб и муфт окрашивают, а резьбу муфт оцинковывают.

Для крепления скважин больших диаметров применяют стальные трубы диаметром 426-1420 мм, соединяемые в колонну сваркой.

Для крепления скважин, буримых на воду, целесообразно применение полимерных, асбестоцементных труб и труб из стеклопластика, не подвергающихся коррозии в агрессивных по отношению к стали водах.

Полимерные трубы имеют небольшую массу и обладают высокой антикоррозийной стойкостью. Их наружные диаметры 50, 63, 75, 90, 110, 125, 140, 160, 180, 220, 225, 250, 280, 315, 355, 400, 450, 500, 560, 630 мм, длина 6, 8, 10 и 12 метров.

Толщина стенок труб от 2 до 23,5 мм в зависимости от диаметра. Предел текучести при растяжении, определяющий возможную глубину спуска, для труб из полиэтилена высокой плотности 19-24,5 Мпа; из полиэтилена повышенной плотности 23,5-29,4 Мпа, из поливинилхлорида 58,8 Мпа.

Полимерные трубы соединяют термической сваркой встык. Сварка осуществляется оплавлением соединяемых поверхностей с последующим их сопряжением под давлением.

Стеклопластиковые трубы имеют предел текучести 44-68,6 Мпа. Соединение труб резьбовое с помощью муфт или ниппелей.

Принадлежности для обсадных труб:

Трубные башмаки. Служат для предохранения нижнего конца обсадной колонны от смятия и облегчения ее продвижения при спуске в скважину. Башмак - это короткий патрубок, соединяемый резьбой с нижней трубой обсадной колонны. При посадке труб с забиванием или задавливанием применяют гладкий башмак, имеющий снизу острый режущий торец, а при продвижении труб с вращением - фрезерный башмак с зубьями на нижнем конце.

Трубные хомуты. Используют для захвата труб при их спуске и подъеме, а также для поддержания обсадной колонны над устьем скважины на весу.

Изображенный на рисунке 1 трубодержатель предназначен для удержания обсадных труб над устьем скважины в подвешенном положении. Имеет корпус 1 с внутренним коническим отверстием, в которое вставляют съемные кольца 2 в соответствии с диаметром применяемых обсадных труб. Трубы захватываются клиновыми сухарями 3, вставленными во внутреннее кольцо трубодержателя.



Рисунок 1. Трубодержатель

Шарнирные трубные ключи. Служат для свинчивания и развинчивания обсадных труб.

Фрезер конический. Применяется для удаления неровностей на внутренней поверхности трубы (заусениц, окалин и т.д.) закаленными режущими ребрами.

Забивная головка. Служит для предохранения верхнего конца колонны обсадных труб при посадке ее забиванием. Головка представляет собой массивное кольцо, нижним концом ввинчиваемое в муфту до упора в торец обсадной трубы. По верхней части головки наносятся удары забивными плашками, закрепленными на шейке ударной штанги.

Выбивной снаряд. Применяется при извлечении из скважины обсадных труб муфтового соединения выбиванием. Он состоит из штанги с резьбой на верхнем конце и массивным кольцом на нижнем. Штанга свободно проходит через отверстие выбивной головки, ввинчиваемой в муфту верхней трубы выбиваемой колонны. Домкраты. Предназначены для извлечения из скважины обсадных труб, а также для освобождения прихваченного в скважине бурового снаряда. Различают две разновидности домкратов: винтовые и гидравлические. Гидравлический домкрат состоит из двух гидроцилиндров с поршнями и двух лафетов: верхнего, подвижного и нижнего, связанного с корпусом цилиндров. В лафеты вкладываются клинья для захвата труб соответствующего диаметра.

2. Технология ударно-канатного бурения

Технология канатно-ударного бурения зародилась в Китае около 4000 лет назад. Ударно-канатное бурение - самый древний вид бурения, который до сих пор широко используется. Основная цель этой технологии бурения состоит в том, чтобы получать геологические образцы россыпей, осуществлять ремонтные работы и бурить скважины на воду, повысив безопасность бурения и снизив количество производственных отходов.

Ударно-канатное бурение осуществляется за счет погружения в отверстие проволочного каната или троса, на конце которого находится тяжелое остроконечное изделие из стали - так называемое буровое долото. За счет возвратно-поступательного перемещения бурового долота от пласта откалываются небольшие фрагменты. Канат натягивается на буровой мачте с помощью шкива и электродвигателя. При бурении скважины в рыхлых пластах часто используют обсадные колонны, чтобы стенки скважины не осыпались. Для забора керна вместо долота к ударной штанге можно присоединить ложечный керноотборник с продольной прорезью и бурильный башмак. Для отрыва и удержания керна на дне керноотборника помещают кернорватель. После забора керна керноотборник достают из забоя, раскрывают и извлекают из него керн.

Существует два подтипа ударно-канатного бурения: бурение с промывкой; сухое бурение.

Ударно-канатное бурение с промывкой применяется чаще, чем сухое ударно-канатное бурение, и подходит для любых пород, включая базальт. Ударное воздействие бурильного долота разбивает породу, откалывая от нее куски. Вода используется для создания шлама, который затем вынимают из забоя с помощью желонки. После того, как шлам убран, процесс бурения можно продолжить. Этот метод ударно-канатного бурения крайне редко используют для забора керна для геологических исследований, поскольку качество керна получается низким из-за того, что пылеобразная порода смешивается с водой. Кроме того, опять же из-за воды, очень сложно определить примеси в породе.

Сухое ударно-канатное бурение очень похоже на забивание свай, поскольку в этом методе бурения в почву загоняется обсадная колонна. Порода под ударом проталкивается в обсадную колонну. Качество среза в этом случае практически идеальное, поскольку нет доступа воды.

Главная проблема ударно-канатной технологии - низкая скорость бурения. Поэтому ее используют в основном для бурения на глубину не более 250 метров.

Другие ограничения связаны с тем, что данная технология предназначена только для вертикального бурения.

Ударно-канатное бурение имеет следующие специфические черты:

Для бурения с промывкой в условиях плотных и твердых пород требуется 80-160 литров воды на 1 метр.

В результате бурения из скважины извлекается сухой керн или шлам. При бурении с промывкой скважины диаметром 20 см из забоя извлекается примерно 200 литров шлама на каждые 3 метра, при сухом бурении - столько же сухой породы на каждые 18 метров.

Это испытанная технология, одна из самых надежных.

Бурильная установка при ударно-канатном бурении - это самая простая бурильная установка из всех существующих. Механизм очень прост и не требует сложного технического обслуживания. Эксплуатацию ударно-канатной установки может осуществлять один человек.

Ударно-канатное бурение может применяться для любых типов пород, а также в труднодоступных местах и в условиях ограниченности пространства благодаря небольшим размерам буровой установки.

Техническое обслуживание ударно-канатной буровой установки практически не требует затрат. Энергозатраты также невелики благодаря простоте механизма. Преимущества ударно-канатного способа: возможность качественного вскрытия и опробования пласта; отсутствие необходимости в снабжении установок водой и глиной; возможность бурения в валунно-галечниковых отложениях, в породах, поглощающих промывочную жидкость, в многолетнемерзлых породах; возможность в короткие сроки после бурения обеспечивать качественное освоение скважин, так как при этом способе проходимые водоносные горизонты остаются чистыми; бурение скважин с большим (более 500 мм) начальным диаметром; возможность раздельного опробования водоносных горизонтов в процессе бурения.

Технология ударно-канатного способа бурения зависит от геологических условий. В песках и песках-плывунах бурение, как правило, ведется с использованием желонки с плоским клапаном и одновременным креплением стенок скважин обсадными трубами.

В водоносных и чистых песках (сухих) следует применять желонку, утяжеленную короткой ударной штангой. Число ударов должно быть минимальным. В процессе бурения нельзя допускать, чтобы желонка опускалась ниже башмака обсадной трубы более чем на 0,5-0,75 м, так как песок может обвалиться и зажать желонку.

В песках-плывунах скважина заполняется песком с водой, поднимающимся за желонкой. Надо следить, чтобы желонка не переполнялась и порода не перебрасывалась через нее вверх, так как попавшая в кольцевой зазор между обсадной трубой и желонкой порода может вызвать прихват. Поэтому плывуны надо проходить быстро, без остановок, по возможности укороченными рейсами.

В галечниках и гравийных породах бурение ведут двутавровыми долотами с применением желонки с плоским клапаном и низким башмаком.

В глинистых породах (в плотных и сухих глинах) бурят двутавровыми долотами. Глину разрыхляют долотом на глубину 0,5-0,75 м, а затем используют желонку.

В сильнопесчанистых глинах скважину можно проходить буровым стаканом (утяжеленной желонкой без клапана).

Пластичные вязкие глины можно успешно бурить специальным долотом, изготовленным из обычного двутаврового или плоского (зубильного) долота, на конец которого приварены дополнительные лопасти, в результате чего оно приобретает вид крестового. Для работы таким долотом в скважину доливают 3-5 л воды и бурят в течение нескольких минут. Образовавшийся в скважине тестообразный шлам извлекают на корпусе долота.

Глинистые породы с валунами, особенно при большом скоплении последних, бурить сложно, так как при этом очень часто наблюдается искривление скважин.

Для разрушения валунов, больших по размеру, чем диаметр обсадных труб, следует применять тяжелые округляющие долота.

Твердые и крепкие монолитные породы (плотные сухие глины, глинистые сланцы, известняки, песчаники, граниты, кварциты и прочие крепкие и абразивные породы) проходят периодическим дроблением с последующей очисткой скважины желонкой с плоским клапаном. При бурении необходимо, чтобы скважина не сужалась и имела округлую форму. Причина сужения - быстрый износ долота.

Трещиноватые и закарстованные породы бурят крестовыми и округляющими долотами с углом приострения 90 градусов. Трещиноватые породы склонны к обрушению и вывалам, поэтому бурение в них следует производить осторожно при всегда натянутом канате, не допуская раскачивания инструмента и одновременно обсаживая скважину.

Зону вечной мерзлоты, сложенную твердыми и крепкими устойчивыми породами (известняками, песчаниками, плотными глинистыми сланцами, гранитами и т.д.), бурят практически так же, как те же породы при обычных условиях. Бурение скважин в мерзлых, рыхлых породах (песчанистых глинах, песках, мягких глинистых сланцах, разрушенных песчаниках и известняках) значительно отличается от бурения в породах с положительной температурой. Сложность бурения обусловливает высокая чувствительность мерзлоты к нарушению ее теплового режима.

3. Буровые установки для колонкового бурения

Буровой установкой называется комплекс бурового и энергетического оборудования, а также сооружений (вышка или мачта, буровое здание), служащий для бурения скважин.

Колонковое бурение производится установками, состоящими из бурового агрегата, который размещен в буровом здании, и буровой вышки или мачты.

Буровой агрегат включает буровой станок, буровой насос для промывки скважины, силовые приводы к ним, аппаратуру контроля и регулирования процесса бурения.

Установки для колонкового бурения по транспортабельности разделяются на:

- стационарные;

- передвижные;

- самоходные;

- переносные.

Стационарными называются такие установки, у которых буровой агрегат и вышка монтируются в виде одного или нескольких блоков. Эти установки не имеют собственной транспортной базы. После окончания бурения установка разбирается на составные блоки, которые перевозятся на новое место бурения, где снова монтируются. Стационарные буровые установки используются при больших затратах времени на бурение скважин.

Передвижные буровые установки монтируются на одной или нескольких рамах, установленных на санях, колесных или гусеничных тележках. Такие установки применяют при небольших расстояниях между скважинами и перемещают буксировкой автомобилями или тракторами.

Самоходные установки монтируются на базе автомашин, тракторов.

Буровые станки служат для вращения колонны бурильных труб с колонковым набором, регулировки осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент с подачей бурового снаряда по мере углубления скважины, а также для осуществления спускоподъемных операций при бурении скважины, креплении ее обсадными трубами и специальных работах.

Основные узлы станка для колонкового бурения:

а) вращатель бурового снаряда;

б) многоступенчатая коробка передач для регулирования частот вращения и подъема;

в) лебедка для осуществления спускоподъемных операций;

г) главный фрикцион для включения и отключения станка от двигателя;

д) механизм подачи бурового снаряда и регулятор нагрузки на породоразрушающий инструмент;

е) пульт управления с контрольно-измерительной аппаратурой.

Конструктивная схема станка и установки в целом существенно определяется типом вращателя и механизмом подачи. Вращатели по своей конструкции подразделяются на шпиндельные, роторные и подвижные. Вращатель бурового станка является основным рабочим механизмом, выполняющим технологические операции при бурении.

Осевую нагрузку на забой скважины регулирует механизм подачи бурового станка. В зависимости от конструкции механизма подачи буровые станки бывают: с гидравлической подачей; винтовой дифференциальной подачей; рычажной подачей; комбинированной рычажно-дифференциальной подачей; подачей с барабана лебедки (роторные станки). Преимущественно применяют шпиндельные станки с гидравлической системой подачи, Вращение и подача бурильной колонны в этом случае осуществляется с помощью шпинделя.

Установки, оборудованные шпиндельным или подвижным вращателем с гидравлической подачей, обладают следующими преимуществами:

1) могут бурить вертикальные, наклонные и восстающие скважины;

2) обеспечивают возможность регулирования осевого усилия на забой (создание принудительного усилия или разгрузки забоя);

3) позволяют производить плавную подачу бурового снаряда с требуемой скоростью;

4) позволяют определять вес снаряда в скважине;

5) гидравлическая подача может быть использована как гидравлический домкрат при извлечении труб и ликвидации аварий.

Все эти преимущества предопределили распространенность шпиндельного и подвижного вращателя с гидравлической подачей на установках колонкового бурения, используемых при разведке твердых полезных ископаемых. В роторных установках ротор (вращатель) в отличие от шпинделя вращается лишь в горизонтальной плоскости и неподвижен относительно вертикальной оси, поэтому не может обеспечить дополнительную осевую нагрузку (разгрузку на буровой снаряд).

В настоящее время станки с гидравлической подачей изготовляются для бурения скважин глубиной от 20-25 до 2000-3000 м.

Для проходки скважин в быстро буримых породах эти станки оснащаются длинными ведущими штангами с целью сокращения времени на перекрепления зажимных патронов. При этом подачу инструмента осуществляют с барабана лебедки.

Основными из станков для колонкового бурения являются установки типа ЗИФ.

Станок ЗИФ-1200-А. Станок монтируется на раме, выполненной из двух продольных балок, связанных между собой для жесткости трубами и поперечными швеллерными балками.

Станина станка представляет собой жесткий корпус, сваренный из стальных отливок в комбинации с листовым и профильным стальным прокатом.

Привод станка осуществляется от электродвигателя, вал которого с помощью втулочно-пальцевой муфты соединен с валом главного фрикциона. Вал фрикциона установлен на двух шарикоподшипниках. На правом конце вала посажены два ведущих диска фрикциона, между ними включен ведомый диск, закрепленный на первичном валу коробки скоростей. Главный фрикцион постоянно включен и выключается специальной рукояткой при запуске электродвигателя и переключении скоростей.

Первичный вал, выполненный за одно целое с шестерней, установлен на двух шарикоподшипниках в левой боковой стенке корпуса коробки скоростей. В шестерне сделана внутренняя расточка, в которой установлены два шарикоподшипника, являющиеся левой опорой вторичного шлицевого вала коробки скоростей. Эта шестерня находится в постоянном зацеплении с шестерней, заклиненной на промежуточном шлицевом валу. На этом же валу жестко смонтированы и две другие шестерни, с помощью которых в совокупности и осуществляется работа агрегата.

Лебедка станка ЗИФ-1200-А планетарная, оборудованная двумя тормозами: тормозом грузовым (спуска) и тормозом пусковым (подъема); оба тормоза колодочные. Грузовой тормоз имеет водяное охлаждение.

Барабан свободно посажен на вал на двух шарикоподшипниках. На валу на шпонках посажена солнечная шестерня, находящаяся в постоянном зацеплении с тремя сателлитами.

Тормозная шайба, скрепленная с водилом болтами, вместе с шестернями образует блок шестерен сателлитов, которые находятся в постоянном зацеплении с зубчатым венцом с внутренним зацеплением. Зубчатый венец запрессован в расточку правого торца барабана и дополнительно закреплен от поворота винтами.

Лебедка работает следующим образом: зубчатой муфтой включают левую шестерню. Тогда при включенном главном фрикционе от вторичного вала коробки скоростей через промежуточную шестерню будет вращаться барабанный вал с солнечной шестерней. Лебедка управляется двумя рукоятками.

Если колодочным тормозом обжать шкив и остановить водило, то сателлиты будут вращаться на одном месте (не будет совершать планетарного движения) и начнут вращать шестерню внутреннего зацепления, а, следовательно, и барабана. При этом грузовой тормоз должен быть освобожден.

При спуске инструмента регулируют скорость спуска грузовым тормозом, а тормоз подъема должен быть освобожден.

Включение вращателя производится переводом зубчатой муфты в правое положение. Тогда от вала при помощи конической передачи будет вращаться полый шпиндель.

К корпусу вращателя прикреплены два гидроцилиндра, в которых могут перемещаться поршни со штоками, связанными со шпинделем траверсой. Осевое усилие на вращающийся шпиндель передается через упорные шарикоподшипники. К траверсе, кроме того, жестко прикреплены два направляющих штока, проходящих сквозь бронзовые втулки, запрессованные в отверстия в корпусе вращателя. Штоки предназначены для защиты сальников от влияния на них вибрации шпинделя и рабочих штоков в процессе бурения. В корпусе вращателя имеется смотровой люк, закрываемый крышкой. Через него осуществляется заливка масла в корпус вращателя.

На концы шпинделя навинчиваются зажимные патроны, в которых закрепляется верхний конец бурильной колонны. Верхний патрон имеет левую резьбу, а нижний - правую. Патрон состоит из стального литого корпуса, двух наметок, оси наметок, стяжного болта, пружины и зажимных кулачков.

Чем больше скорость бурения, тем больше затрата времени на перекрепление патронов и холостой подъем шпинделя. Для устранения этих потерь в комплект станков типа ЗИФ входит ведущая штанга для бурения с подачей инструмента с барабана лебедки. Ведущая штанга у станка ЗИФ-1200-А трехгранной формы имеет длину 5,5 м.

Для вращения ведущей штанги применяется специальный патрон с трехгранным отверстием, который навинчивается на верхний конец шпинделя вместо патрона, изображенного. Нижний шарнирный патрон заменяется при этом направляющим патроном с круглым отверстием, который направляет и сдерживает радиальное биение нижнего конца ведущей штанги.

Верхняя часть трехгранной штанги соединяется с вертлюгом - сальником при помощи левого переводника. Нижняя часть штанги соединена с колонной бурильных труб через замок.

Подача инструмента на забой по мере углубления регулируется тормозом спуска. Величина осевой нагрузки инструмента на забой контролируется динамометром, установленным на неподвижном конце талевого каната.

В случае аварийного отключения электроэнергии или порчи электродвигателя станка буровой снаряд можно поднять с забоя. Для этого необходимо зажать кулачками ведущую штангу в верхнем патроне и использовать гидроцилиндры как гидродомкраты.

Гидроцилиндры приводятся в действие с помощью установленного ручного насоса.

Обратный ход шпинделя и лебедки достигается реверсированием электродвигателя.

Лебедка станка ЗИФ-1200-А имеет на заднем конце вала кабестан, с помощью которого осуществляются различные вспомогательные операции.

Для освобождения устья скважины станок перемещается по салазкам рамы с помощью горизонтального гидравлического цилиндра, расположенного на раме под станиной.

Кроме станка ЗИФ-1200-А, на разведочных работах широко применяются станки ЗИФ-650-А и ЗИФ-300-М, конструкция которых аналогична конструкции станка ЗИФ-1200-А.

Для глубокого колонкового бурения спроектирована и испытана буровая установка ВИТР-2000Э, рассчитанная на бурение вертикальных скважин до глубины 2000 м. При алмазном бурении коронками малого диаметра этот станок позволит проходить скважины до глубины до 3000 м.

Буровая установка ВИТР-2000Э включает в себя:

буровой станок ВИТР-2000Э с отдельно вынесенным пультом управления, передвижной электростанцией, магнитной станцией, контрольно-измерительными приборами и блоком питания аварийного привода;

два промывочных насоса типа 11ГРБ с индивидуальным приводом;

механизм для свинчивания и развинчивания бурильных труб;

мачту высотой 32 м, грузоподъемностью 35 т при 6-струн-ной оснастке.

Буровой станок, промывочные насосы и механизм для свинчивания и развинчивания бурильных труб имеют индивидуальные электродвигатели.

Питание гидросистемы осуществляется от двух лопастных маслонасосов (Л1Ф-50 и Л1Ф-12). Насосы могут работать раздельно и вместе. При бурении работает насос Л1Ф-12. Насос Л1Ф-50 включается в работу при подъеме снаряда, а также для быстрого подъема шпинделя.

Контрольно-измерительная аппаратура агрегата ВИТР-2000Э позволяет измерять: напряжение в сети, силу тока в обмотке электродвигателя станка, мощность электродвигателя станка, давление в гидросистеме, давление в промывочных насосах, крутящий момент на шпинделе станка.

Защитные устройства предназначаются для защиты бурильных труб и механизмов станка от перегрузки и от переподъема бурового снаряда.

За последние годы сконструированы новые типы буровых станков с гидравлической подачей. Эти станки более быстроходны, чем станки типа ЗИФ, и оснащены легкими промывочными насосами. Новые буровые станки легко разбираются на небольшие транспортабельные узлы.

Станки для бурения скважин глубиной 300 м и более оснащаются контрольно-измерительной аппаратурой и гидромеханическим зажимным патроном, позволяющим производить быстрое перекрепление буровой колонны без остановки вращения шпинделя.

4. Бескерновое бурение

бурение станок скважина геологоразведочный

Бескерновое бурение - это вращательное бурение геологоразведочных скважин без отбора керна, при котором горная порода разрушается по всему забою скважины.

Данный метод применяется преимущественно для пересечения безрудных вмещающих пород, если разрез их достаточно изучен или однозначно может быть установлен с помощью геофизических или других методов.

Также широко применяется при бурении эксплуатационных и технических скважин.

Для скважин глубиной свыше 250-300 метров бескерновое бурение более производительно, чем керновое.

Технология бескернового бурения может быть реализована различными видами породоразрушающего инструмента:

- шарошечными долотами;

- дисковыми долотами фрезерного типа;

- лопастными долотами режущего действия;

- долотами специального назначения.

Долото шарошечное - это разновидность бурового оборудования, породоразрушающий дробящий, дробяще-скалывающий инструмент карьерных станков вращательного бурения, с вооружением шарошки в виде фрезерованных на ней зубьев различной длины и конфигурации или впрессованных на нее штырей из твердого сплава - карбида вольфрама, применяемый для механического разрушения горной породы от мягкой до очень крепкой в процессе бурения скважины.

Основными конструктивными особенностями долота шарошечного каждого типоразмера являются конструкция шарошек, схема опор, промывочные устройства, наплавка зубьев твердым сплавом и оснащение шарошек твердосплавными зубками. Тип долота шарошечного определяется расположением шарошек и оснащением их зубьями. Шарошки могут быть трех-, двух- и однодноконусными.

Долота с двух- и трехконусными шарошками выполняются самоочищающимися, то естье. зубчатые венцы одной шарошки входят в проточки между зубчатыми венцами других шарошек, благодаря чему происходит более эффективное самоочищение шарошек от выбуренной породы. Это положительно сказывается на показателях работы долота.

Такие шарошки имеют больший объем по сравнению с одноконусными, что позволяет разместить в них более мощную опору. Долота шарошечные выпускают в основном с многоконусными шарошками. Вершины конусов удалены за ось долота, что позволяет увеличить размеры опор шарошек.

Дисковое секционное долото фрезерного типа состоит из корпуса, в верхней части которого расположен резьбовой присоединительный ниппель. К нижней части корпуса крепят горизонтальную ось со смещенными в противоположные стороны концами. На каждом конце оси монтируют рабочий диск, который ступицами опирается в корпус долота, создавая дополнительную опорную поверхность.

Диски армируют твердосплавными зубками цилиндрической формы. Ширина диска зависит от величины и формы твердосплавного вооружения, а также от крепости пород, для бурения которых предназначено долото.

Лопастное долото состоит из кованого корпуса, к которому привариваются три лопасти и более. У двухлопастного долота корпус и лопасти отштамповываются как одно целое. Передние грани лопастей армируются твердосплавными пластинами прямоугольной формы и зерновым сплавом релит, а боковые - твердосплавными цилиндрическими зубками.

Лопастные долота применяются для разбуривания мягких и средней твердости пород.

5. Торпедирование скважин

Торпедирование скважин - это взрывные работы, производящиеся в скважинах при помощи торпед.

Применяется для освобождения прихваченных бурильных и обсадных труб, интенсификации притока нефти и газа к скважинам, разрушения и отбрасывания с забоя бурящихся скважин металлических предметов, которые не удается извлечь, разрушения плотных песчаных пробок, чистки фильтров, образования каверн при забуривании нового ствола скважины и др.

Торпедирование скважин, в зависимости от его назначения, осуществляют торпедами различной формы: сосредоточенными, удлиненными, кумулятивными.

Сферическая или конусообразная выемка в корпусе кумулятивной торпеды концентрирует взрывную волну в заданном направлении. Выпускаются кумулятивные торпеды осевого и бокового действия.

По способу изоляции взрывчатого вещества различают торпеды:

- герметичные, заряд взрывчатых веществ которых защищен от внешней среды прочной, выдерживающей высокие температуры и давления, металлической оболочкой;

- негерметичные, заряд которых сделан в виде детонирующего шнура с изоляционной оплеткой или защищен тонкой металлической оболочкой, не выдерживающей высоких давлений и температур.

Созданы торпеды одноразового и многократного использования.

Рисунок 2. Торпеда типа ТКО: 1 - корпус; 2 - заряд ВВ; 3 - взрывной патрон; 4 - груз.

Величина заряда торпеды определяется диаметром скважины, назначением взрыва, свойствами взрывчатых веществ, крепостью пород и может достигать нескольких десятков килограмм. В качестве взрывчатых веществ используют нитропроизводные ароматического ряда, нитроглицериновые и аммиачно-селитренные смеси, инициирующие взрывчатые вещества: гремучую смесь, азид свинца.

При ликвидации аварий в скважине торпедирование скважин применяют для отвинчивания ослабленного взрывом резьбового соединения в прихваченной колонне или для обрыва прихваченных труб. Торпеду устанавливают против резьбового соединения выше места прихвата. При помощи талевой системы производят натяжку колонны труб и закручивают ее ротором в направлении отвинчивания резьбовых соединений. Затем по кабелю пропускают электрический ток, который нагревает проволоку сопротивления электродетонатора, установленного в головке торпеды. Взрывной импульс передается заряду взрывчатых веществ.

После торпедирования скважин восстанавливают циркуляцию промывочной жидкости и делают попытку поднять колонну труб при помощи талевой системы. Если колонна не освобождается, проводят повторные торпедирования скважины.

Обрыв колонны труб торпедированием скважин осуществляют в тех случаях, когда попытки освободить инструмент путем создания нефтяных, водяных ванн или расхаживания колонны и вращения ее ротором оказываются безрезультатными.

При торпедировании скважин для ликвидации аварий в условиях пластовых давлений (до 50 МПа) и температур (до 100°С) используют негерметичные торпеды с детонирующим шнуром многоразового и одноразового использования (малый диаметр последних позволяет спускать их в скважину через ловильный инструмент), а также фугасные негерметичные шашечные торпеды с массой взрывчатых веществ 1-5 кг.

В условиях высоких пластовых давлений (50-100 МПа) и температур (120-150°С) применяют герметичные фугасные торпеды.

Для разрушения металлических предметов на забое используют кумулятивные торпеды.

Торпедирование скважин производят как в обсаженных скважинах, так и в скважинах с открытым забоем. Для предохранения обсадных труб от разрушения над торпедой устанавливают забойку (пробку) - жидкую (нефть, вода, глинистый раствор) или твердую (песок, глина, цементный мост).

6. Водоотлив горных выработок

Водоотлив - это удаление шахтных и карьерных вод из горных выработок. При подземной разработке различают главный водоотлив, предназначенный для откачки общешахтного притока воды, и участковый водоотлив - для перекачки воды из отдельных участков шахты к водосборникам главного водоотлива (реже непосредственно на поверхность земли). В редких случаях применяется центральный водоотлив, когда несколько шахт имеют общую водоотливную установку, и региональный, обеспечивающий водоотлив всего района в целом. Водоотлив по схеме откачки воды на поверхность разделяется на прямой, когда откачка воды из главного водосборника производится сразу на поверхность; и ступенчатый, когда из нижних горизонтов через стволы (реже скважины) вода перекачивается в промежуточные водосборники вышележащих горизонтов, и затем на поверхность. Реже применяются другие схемы водоотлива, например, с передачей воды в расположенную выше (у ствола) насосную камеру, с перепуском воды из вышележащего горизонта и другие.

В систему шахтного водоотлива входят:

- устройства для регулирования внутришахтного стока (водоотводные канавки, трубопроводы, перекачные насосы);

- водосборники;

- насосные станции с водозаборными колодцами и водоотливными установками, с всасывающими и нагнетательными трубопроводами.

Устройства для регулирования стока внутришахтных вод включают трубопроводы и канавки для отвода воды в участковые и главные водосборники.

Шахтные водосборники и насосные камеры располагают с учетом гипсометрии подошвы полезных ископаемых, состава горных пород, схем вскрытия и других горно-геологических и горнотехнических условий. Насосная камера с водоотливными установками помещается у водосборника и соединяется с ним выработками. При притоке воды более 50 м3/ч главная водоотливная установка состоит из трех одинаковых насосов (рабочего, резервного и находящегося в ремонте), каждый из которых рассчитывается на откачку за 20 часов суточного нормального притока. Всасывающая труба каждого из насосов при притоке воды до 100 м3/ч опускается в один общий водозаборный колодец, а при притоке более 100 м3/ч - в отдельные колодцы.

Схема шахтного водоотлива представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Шахтный водоотлив: а - расположение главной (I), вспомогательной (II) и забойных (III) водоотливных установок в водоотливной камере и тоннельных выработках; б - размещение главной водоотливной установки в камере; 1 - насосный агрегат; 2 - приспособление для подъема и монтажа деталей установки; 3 - нагнетающий трубопровод; 4 - всасывающий трубопровод; 5 - перекрытие камеры

Для главного водоотлива на шахтах применяются в основном центробежные многоступенчатые секционные насосы в горизонтальном исполнении, допускающие содержание механических примесей в воде до 0,1-0,2%.

КПД насосов изменяется в пределах 68-78%. Кислотоупорные насосы применяются при pH воды менее 5 или при содержании в ней свыше 100 мг/л свободной серной кислоты, и могут соединяться параллельно и последовательно с заливочным и бустерным насосами.

Для участкового водоотлива в шахтах, кроме многоступенчатых центробежных насосов, используются также консольные центробежные, моноблочные и вспомогательные насосы (турбонасосы, электронасосные одновинтовые агрегаты, одноступенчатые центробежные горизонтальные насосы, центробежные горизонтальные консольные насосы).

При откачке неосветленных шахтных вод (с твердыми включениями крупностью до 20 мм), очистке водосборников от шлама и на участковом водоотливе применяются шламовые насосы (вертикальные, суспензионные, магнетитошламовые и др.).

Для подачи воды на поверхность в стволе шахты прокладываются минимум два става нагнетательных труб - один рабочий и один резервный; при двух одновременно работающих насосах прокладываются три става труб. Каждый став рассчитывается на выдачу нормального суточного притока не более чем за 20 часов; при повышенных притоках используются все ставы.

Водоотливные установки оборудуются аппаратурой автоматизации, контроля и защиты. Аппаратура автоматизации обеспечивает автоматическую заливку, пуск и остановку насосов в зависимости от уровня воды в водосборнике, поочередную работу насосов, автоматических включение резервных насосов при аварийном подъеме уровня воды в водосборнике и неисправности работающего насоса, дистанционный контроль и сигнализацию об уровне воды в водосборнике.

На угольных шахтах, опасных по газу и пыли, применяется аппаратура автоматизации во взрыво- и пылебезопасном исполнении. В качестве приборов контроля гидравлических показателей используются манометры и расходомеры. Для защиты насосов от гидравлических ударов при их остановке применяются специальные гасители ударов.

При открытой разработке система водоотлива состоит из устройства для регулирования внутрикарьерного стока, водосборников, насосных станций с водоотливными установками и с нагнетательными трубопроводами.

Устройства для регулирования внутрикарьерного стока включают пригрузки для предотвращения деформаций рыхлых пород на участках просачивания подземных вод на откосах, водоотводные канавы или трубы для сбора воды на всех уступах и в выработанном пространстве и отвода воды вначале к участковым, а затем к главным водосборникам.

В зависимости от местоположения главных водосборников карьерный водоотлив разделяется на открытый, подземный и комбинированный, включающий элементы открытого и подземного.

При открытом водоотливе водосборники с насосными станциями располагают на самых низких отметках карьера. Водосборники главных водоотливов сооружаются при притоках воды более 50 м3/ч и рассчитываются на прием не менее 3-часового нормального притока воды.

Насосные станции сооружают у водосборников и оборудуют водоотливными установками, производительность которых должна обеспечивать откачку максимального суточного притока воды за 20 часов; дополнительно предусматриваются резервные насосы. В районах, где притоки ливневых вод могут в несколько раз превышать нормальные, насосы главных водоотливов выполняют плавучими.

При открытом водоотливе на обводненных карьерах применяют в основном высокопроизводительные низконапорные насосы.

Нагнетательные трубопроводы прокладываются на нерабочих бортах карьеров. В зимнее время водоотливные установки, нагнетательные трубопроводы, а также водоотводные канавы защищаются от промерзания.

При подземном водоотливе в карьере вода перекачивается или отводится в специальные дренажно-водоотводные выработки (штреки), пройденные с уклоном в сторону водосборника с насосной камерой, откуда она откачивается насосами на поверхность через водоотливные стволы или скважины в поверхностные водотоки или водоемы.

При этом используются в основном те же насосы, что и при шахтном водоотливе. При проходе шахтных стволов и разрезных траншей применяются вспомогательные насосы (центробежные спиральные, секционные, консольные, турбонасосы и др.) производительностью 5-130 м3/ч и напором 30-100 м.

7. История развития бурения скважин

На основании археологических находок и исследований установлено, что первобытный человек около 25 тыс. лет назад при изготовлении различных инструментов сверлил в них отверстия для прикрепления рукояток. Рабочим инструментом при этом служил кремневый бур.

В Древнем Египте вращательное бурение (сверление) применялось при строительстве пирамид около 6000 лет назад. Скважины бурились для добычи соляных растворов и питьевой воды. Иногда вместе с ними получали нефть и газ.

Первые сообщения о китайских скважинах для добычи воды и соляных рассолов содержатся в работах философа Конфуция, написанных около 600 г. до нашей эры. Скважины сооружались методом ударного бурения и достигали глубины 900 метров. Это свидетельствует о том, что до этого техника бурения развивалась в течение, по крайней мере, еще нескольких сот лет. Иногда при бурении китайцы натыкались на нефть и газ. Так в 221...263 годах нашей эры в Сычуане из скважин глубиной около 240 метров добывали газ, который использовался для выпаривания соли.

Документальных свидетельств о технике бурения в Китае мало. Однако, судя по древней китайской живописи, барельефам, гобеленам, панно и вышивкам на шелке, эта техника находилась на довольно высокой стадии развития.

Бурение первых скважин в России относится к IX веку и связано с добычей растворов поваренной соли в районе города Старая Русса. Соляной промысел получил большое развитие в XV-XVII веках, о чем свидетельствуют обнаруженные следы буровых скважин в окрестностях города Соликамска. Их глубина достигала 100 метров при начальном диаметре скважин до 1 метра.

Стенки скважин часто обваливались. Поэтому для их крепления использовались или полые стволы деревьев или трубы, сплетенные из ивовой коры. В конце XIX века стенки скважин стали крепить железными трубами. Их гнули из листового железа и склепывали. При углублении скважины трубы продвигали вслед за буровым инструментом (долотом); для этого их делали меньшего диаметра, чем предшествующие. Позднее эти трубы стали называть обсадными. Конструкция их со временем была усовершенствована: вместо клепанных они стали цельнотянутыми с резьбой на концах.

Первая скважина в США была пробурена для добычи соляного раствора близ города Чарлстона в Западной Вирджинии, в 1806 году. При дальнейших поисках рассолов в 1826 году близ города Бернсвилла в штате Кентукки случайно была найдена нефть.

Первые упоминания о применении бурения для поисков нефти относятся к 30-м годам XIX века. На Тамани, прежде чем рыть нефтяные колодцы, производили предварительную разведку буравом. Очевидец оставил следующее описание: «Когда предполагают выкопать в новом месте колодец, то сначала пробуют буравом землю, вдавливая оный и подливая немного воды, дабы он ходше входил и по вынятию оного, есть ли будет держаться нефть, то на сем месте начинают копать четырехугольную яму».

В декабре 1844 года член Совета Главного Управления Закавказского края В.Н. Семенов направил своему руководству рапорт, где писал о необходимости ... углубления посредством бура некоторых колодцев ... и произведения вновь разведки на нефть также посредством бура между балаханскими, байбатскими и кабристанскими колодцами». Как признавал сам В.Н. Семенов, эту идею подсказал ему управляющий бакинских и ширванских нефтяных и соляных промыслов горный инженер Н.И. Воскобойников. В 1846 году министерство финансов выделило необходимые средства и были начаты буровые работы. О результатах бурения говорится в докладной записке наместника Кавказа графа Воронцова от 14 июля 1848 году: «... на Биби-Эйбате пробурена скважина, в которой найдена нефть». Это была первая нефтяная скважина в мире!

Незадолго до этого в 1846 году французский инженер Фовель предложил способ непрерывной очистки скважин - их промывку. Сущность метода заключалась в том, что с поверхности земли по полым трубам в скважину насосами закачивалась вода, выносящая кусочки породы наверх. Этот метод очень быстро получил признание, так как не требовал остановки бурения.

Первая нефтяная скважина в США была пробурена в 1859 году. Сделал это в районе города Тайтесвилл, штат Пенсильвания Э. Дрейк, работавший по заданию фирмы «Сенека Ойл Компани». После двух месяцев непрерывного труда рабочим Э. Дрейка удалось пробурить скважину глубиной всего 22 метра, но она дала-таки нефть. Вплоть до недавнего времени эта скважина считалась первой в мире, но найденные документы о работах под руководством В.Н. Семенова восстановили историческую справедливость.

Многие страны связывают рождение своей нефтяной промышленности с бурением первой скважины, давшей промышленную нефть. Так, в Румынии отсчет ведется с 1857 года, в Канаде - с 1858 года, в Венесуэле - с 1863 года. В России долгое время считалось, что первая нефтяная скважина была пробурена в 1864 году на Кубани на берегу реки Кудако под руководством полковника А.Н. Новосильцева.

В конце 80-х годов прошлого века близ города Новый Орлеан (штат Луизиана, США) было применено вращательное бурение на нефть с промывкой скважин глинистым раствором. В России вращательное бурение с промывкой впервые применили близ города Грозного в 1902 году, и нашли нефть на глубине 345 метров.

Первоначально вращательное бурение осуществлялось вращением долота вместе со всей колонной бурильных труб непосредственно с поверхности. Однако при большой глубине скважин вес этой колонны весьма велик. Поэтому еще в XIX веке появились первые предложения по созданию забойных двигателей, т.е. двигателей, размещаемых в нижней части бурильных труб непосредственно над долотом. Большинство из них осталось нереализованными.

Впервые в мировой практике советским инженером М.А. Капелюшниковым в 1922 году был изобретен турбобур, представлявший собой одноступенчатую гидравлическую турбину с планетарным редуктором. Турбина приводилась во вращение промывочной жидкостью. В 1935-1939 годах конструкция турбобура была усовершенствована группой ученых под руководством П.П. Шумилова. Турбобур, предложенный ими, представляет собой многоступенчатую турбину без редуктора.

В 1899 году в России был запатентован электробур, представляющий собой электродвигатель, соединенный с долотом и подвешенный на канате. Современная конструкция электробура была разработана в 1938 году советскими инженерами А.П. Островским и Н.В. Александровым, а уже в 1940 г. электробуром была пробурена первая скважина.

В 1897 году в Тихом океане в районе острова Сомерленд (штат Калифорния, США) впервые было осуществлено бурение на море.

В 1934 году Н.С. Тимофеевым на острове Артема в Каспийском море было осуществлено кустовое бурение, при котором несколько скважин (порой более 20) бурятся с общей площадки. Впоследствии этот метод стал широко применяться при бурении в условиях ограниченного пространства (среди болот, с морских буровых платформ и т.д.).

С начала 60-х годов с целью изучения глубинного строения Земли в мире стали применять сверхглубокое бурение.

Даже при небольших глубинах буровые скважины проходятся во много раз быстрее горно-разведочных выработок (шурфов, дудок, разведочных шахт и др.), а при разведке на значительных глубинах бурение остается незаменимым способом. Так, максимально достигнутая скорость проходки вертикальных шахт глубиной до 500 м не превышает 200 м в месяц, а скорость бурения скважин глубиной свыше 1000 м нередко достигает 2500-3000 м на станко-месяц. Разведочное бурение остается единственным способом разведки при тяжелых гидрогеологических условиях района, когда проведение горно-разведочных выработок весьма затруднительно.

бурение станок скважина геологоразведочный

Список литературы

1. Борисов С.С. Горное дело. - Москва: Недра, 1988.

2. Воздвиженский Б.И. Разведочное бурение/Б.И. Воздвиженский, О.Н. Голубинцев, А.А. Новожилов. - М.: Недра, 1979.

3. Волков С.А., Сулакшин С.С., Андреев М.М. Буровое дело. - М., 1965.

4. Ковальчук А.Б. Горное дело. - Москва: Недра, 1981.

5. Куличихин Н.И., Воздвиженский Б.И. Разведочное бурение. - М., 1966.

6. Ловля С.А., Горбенко Л.А., Каплан Б.Л. Торпедирование и перфорация скважин. - М., 1959.

7. Попов В.Л. Горное дело. - Москва: Недра, 1990.

8. Советов Г.А. Основы бурения и горного дела/Г.А. Советов, Н.И. Жабин. - М.: Недра, 1991.

9. Шехурдин В.К., Несмотрев В.И., Федоренко П.И. Горное дело. - Москва: Недра, 1987.

Размещено на Allbest.ru

...