Краткая история развития бурения

Механические  способы бурения подразделяются на ударное и вращательное.

Рис. 2. Классификация  способов бурения скважин на нефть  и газ

При ударном  бурении разрушение горных пород  производится долотом 1, подвешенным  на канате (рис. 3). Буровой инструмент включает также ударную штангу 2 и канатный замок 3. Он подвешивается  на канате 4, который перекинут через  блок 5, установленный на какой-либо мачте (условно не показана). Возвратно-поступательное движение бурового инструмента обеспечивает буровой станок 6.

Рис. 3. Схема  ударного бурения:

1 - долото; 2 - ударная штанга; 3 - канатный замок; 
4 - канат; 5 - блок; 6 - буровой станок.

По мере углубления скважины канат удлиняют. Цилиндричность скважины обеспечивается поворотом долота во время работы.

Для очистки  забоя от разрушенной породы буровой  инструмент периодически извлекают  из скважины, а в нее опускают желонку, похожую на длинное ведро с клапаном в дне. При погружении желонки в смесь из жидкости (пластовой или наливаемой сверху) и разбуренных частиц породы клапан открывается и желонка заполняется этой смесью. При подъеме желонки клапан закрывается и смесь извлекается наверх.

По завершении очистки забоя в скважину вновь  опускается буровой инструмент и  бурение продолжается.

Во избежание  обрушения стенок скважины в нее  спускают обсадную трубу, длину которой  наращивают по мере углубления забоя.

В настоящее  время при бурении нефтяных и  газовых скважин ударное бурение  в нашей стране не применяют.

Нефтяные и  газовые скважины сооружаются методом  вращательного бурения. При данном способе породы дробятся не ударами, а разрушаются вращающимся долотом, на которое действует осевая нагрузка. Крутящий момент передается на долото или с поверхности от вращателя (ротора) через колонну бурильных труб (роторное бурение) или от забойного двигателя (турбобура, электробура, винтового двигателя), установленного непосредственно над долотом.

Турбобур  - это гидравлическая турбина, приводимая во вращение с помощью нагнетаемой в скважину промывочной жидкости. Электробур представляет собой электродвигатель, защищенный от проникновения жидкости, питание к которому подается по кабелю с поверхности. Винтовой двигатель - это разновидность забойной гидравлической машины, в которой для преобразования энергии потока промывочной жидкости в механическую энергию вращательного движения использован винтовой механизм.

По  характеру разрушения горных пород на забое  различают сплошное и колонковое бурение. При сплошном бурении разрушение пород производится по всей площади забоя. Колонковое бурение предусматривает разрушение пород только по кольцу с целью извлечения керна - цилиндрического образца горных пород на всей или на части длины скважины. С помощью отбора кернов изучают свойства, состав и строение горных пород, а также состав и свойства насыщающего породу флюида.

Все буровые долота классифицируются на три типа:

1. долота режуще-скалывающего действия, разрушающие породу лопастями (лопастные долота);
2. долота дробяще-скалывающего действия, разрушающие породу зубьями, расположенными на шарошках (шарошечные долота);
3. долота режуще-истирающего действия, разрушающие породу алмазными зернами или твердосплавными штырями, которые расположены в торцевой части долота (алмазные и твердосплавные долота).

4. Буровые установки, оборудование и инструмент

Бурение скважин  осуществляется с помощью буровых  установок, оборудования и инструмента.

Буровое оборудование

В качестве забойных двигателей при бурении используют турбобур, электробур и винтовой двигатель, устанавливаемые непосредственно над долотом.

Турбобур  (рис. 15) - это многоступенчатая турбина (число ступеней до 350), каждая ступень которой состоит из статора, жестко соединенного с корпусом турбобура, и ротора, укрепленного на валу турбобура. Поток жидкости, стекая с лопаток статора, натекает на лопатки ротора, отдавая часть своей энергии на создание вращательного момента, снова натекает на лопатки статора и т.д. Хотя каждая ступень турбобура развивает относительно небольшой момент, благодаря их большому количеству, суммарная мощность на валу турбобура оказывается достаточной, чтобы бурить самую твердую породу.

Рис. 15. Турбобур:

а - общий  вид; б -ступень турбобура; 1 - вал; 2 - корпус; 3 - ротор; 4 - статор.

При турбинном бурении в качестве рабочей используется промывочная жидкость, двигающаяся с поверхности земли по бурильной колонне к турбобуру. С валом турбобура жестко соединено долото. Оно вращается независимо от бурильной колонны.

При бурении  с помощью электробура питание электродвигателя осуществляется через кабель, укрепленный внутри бурильных труб. В этом случае вместе с долотом вращается лишь вал электродвигателя, а его корпус и бурильная колонна остаются неподвижными.

Основными элементами винтового двигателя (рис. 16) являются статор и ротор. Статор изготовлен нанесением специальной резины на внутреннюю поверхность стального корпуса. Внутренняя поверхность статора имеет вид многозаходной винтовой поверхности. А ротор изготовляют из стали в виде многозаходного винта. Количество винтовых линий на одну меньше, чем у статора.

 

Рис. 16. Винтовой двигатель:

а - общий  вид; б - полости, образуемые между ротором (винтом) и статором; 
1 - переводник; 2 - корпус двигательной секции; 3 - статор; 4 - ротор; 
5 - карданный вал; 6 - корпус шпинделя; 7 - торцовый сальник; 
8 - многорядный радиально-упорный подшипник; 9 - радиально-резино- 
металлическая опора; 10 - вал шпинделя.

Ротор расположен в статоре с эксцентриситетом. Благодаря этому, а также вследствие разницы чисел заходов в винтовых линиях статора и ротора их контактирующие поверхности образуют ряд замкнутых  полостей - шлюзов между камерами высокого давления у верхнего конца ротора и пониженного давления у нижнего. Шлюзы перекрывают свободный  ток жидкости через двигатель, а  самое главное - именно в них давление жидкости создает вращающий момент, передаваемый долоту.

Долота

/Основной  буровой инструмент/

Долота  бывают лопастные, шарошечные, алмазные и твердосплавные.

Лопастные долота (рис. 17) выпускаются трех типов: двухлопастные, трехлопастные и многолопастные. Под действием нагрузки на забой их лопасти врезаются в породу, а под влиянием вращающего момента - скалывают ее. В корпусе долота имеются отверстия, через которые жидкость из бурильной колонны направляется к забою скважины со скоростью не менее 80 м/с. Лопастные долота применяются при бурении в мягких высокопластичных горных породах с ограниченными окружными скоростями (обычно при роторном бурении). 

 

Рис. 17. Лопастное долото:

1 - головка  с присоединительной резьбой; 2 - корпус; 3 - лопасть; 
4 - промывочное отверстие; 5 - твердосплавное покрытие; 
6 - режущая кромка.

Шарошечные  долота (рис. 18) выпускаются с одной, двумя, тремя, четырьмя и даже с шестью шарошками. Однако наибольшее распространение получили трехшарошечные долота. При вращении долота шарошки, перекатываясь по забою, совершают .сложное вращательное движение со скольжением. При этом зубцы шарошек наносят удары по породе, дробят и скалывают ее. Шарошечные долота успешно применяются при вращательном бурении пород самых разнообразых физико-механических свойств. Изготавливают их из высококачественных сталей с последующей химико-термической обработкой наиболее ответственных и быстроизнашивающихся деталей, а сами зубки изготавливаются из твердого сплава.  

Рис. 18. Шарошечное долото:

1 - корпус  с резьбовой головкой; 
2 - лапа с опорой; 3 - шарошка.

Алмазные  долота (рис. 19) состоят из стального корпуса и алмазонесущей головки, выполненной из порошкообразной твердосплавной шихты. Центральная часть долота представляет собой вогнутую поверхность в форме конуса с каналами для промывочной жидкости, а периферийная зона - шаровую поверхность, переходящую на боковых сторонах в цилиндрическую.  

 

Рис. 19. Алмазное долото:

1 - корпус; 2 - матрица; 3 - алмазные зерна.

Алмазные долота бывают трех типов: спиральные, радиальные и ступенчатые. В спиральных алмазных долотах рабочая часть имеет спирали, оснащенные алмазами и промывочные отверстия. Долота этого типа предназначены для турбинного бурения малоабразивных и среднеабразивных пород. Радиальные алмазные долота имеют рабочую поверхность в виде радиальных выступов в форме сектора, оснащенных алмазами; между ними размещены промывочные каналы. Долота данного типа предназначены для бурения малоабразивных пород средней твердости и твердых пород как при роторном, так и при турбинном способах бурения. Ступенчатые алмазные долота имеют рабочую поверхность ступенчатой формы. Они применяются как при роторном, так и турбинном способах бурения при проходке малоабразивных мягких и средней твердости пород.

Применение алмазных долот обеспечивает высокие скорости бурения, снижение кривизны скважин. Отсутствие опор качения и высокая износостойкость  алмазов повышают их срок службы до 200...250 ч непрерывной работы. Благодаря  этому сокращается число спуско-подъемных операций. Одним алмазным долотом можно пробурить столько же, сколько 15...20 шарошечными долотами.

Твердосплавные  долота отличаются от алмазных тем, что вместо алмазов они армированы сверхтвердыми сплавами.

Бурильные трубы, замки, центраторы и др.

/Вспомогательный  буровой инструмент/

Бурильные трубы предназначены для передачи вращения долоту (при роторном бурении) и восприятия реактивного момента двигателя при бурении с забойными двигателями, создания нагрузки на долото, подачи бурового раствора на забой скважины для очистки его от разбуренной породы и охлаждения долота, подъема из скважины изношенного долота и спуска нового и т.п.

Бурильные трубы  отличаются повышенной толщиной стенки и, как правило, имеют коническую резьбу с обеих сторон. Трубы соединяются  между собой с помощью бурильных  замков (рис. 20). Для обеспечения прочности  резьбовых соединений концы труб делают утолщенными. По способу изготовления трубы могут быть цельными (рис. 21) и с приварными соединительными  концами (рис. 22). У цельных труб утолщение  концов может быть обеспечено высадкой внутрь или наружу.

Рис. 20. Бурильный замок:

а - замковый ниппель; б - замковая муфта

Рис. 21. Бурильные трубы с приварными соединительными концами

Рис. 22. Бурильные трубы с высаженными  концами:

а - высадка  внутрь; б - высадка наружу.

При глубоком бурении  используют стальные и легкосплавные бурильные трубы с номинальными диаметрами 60, 73, 89,102,114,127 и 140 мм. Толщина стенки труб составляет от 7 до 11 мм, а их длина 6, 8 и 11,5 м.

Наряду с обычными используют утяжеленные бурильные трубы (УБТ). Их назначением является создание нагрузки на долото и повышение устойчивости нижней части бурильной колонны.

Ведущая труба предназначена для передачи вращения от ротора к бурильной колонне (роторное бурение) и передачи реактивного момента от бурильной колонны ротору (при бурении с забойным двигателем). Эта труба, как правило, имеет квадратное сечение и проходит через квадратное отверстие в роторе. Одним концом ведущая труба присоединяется к вертлюгу, а другим - к обычной бурильной трубе круглого сечения.

Длина граней ведущей  трубы определяет возможный интервал проходки скважины без наращивания  инструмента. При малой длине  ведущей трубы увеличивается  число наращиваний и затраты  времени на проводку скважины, а  при большой - затрудняется их транспортировка.

Бурильные замки предназначены для соединения труб. Замок состоит из замкового ниппеля (рис. 20 а) и замковой муфты (рис. 20 б).

Непрерывная многозвенная система инструментов и оборудования, расположенная ниже вертлюга (ведущая  труба, бурильные трубы с замками, забойный двигатель и долото) называется бурильной колонной. Ее вспомогательными элементами являются переводники различного назначения, протекторы, центраторы, стабилизаторы, калибраторы, наддолотные амортизаторы.