Технология бурения

Силовой привод — источник энергии, необходимой для работы исполнительных механизмов и устройств буровой установки. Привод основных исполнительных механизмов (лебедки, ротора и насоса) называется главным приводом буровой установки. Суммарная мощность привода основных исполнительных органов называется установленной мощностью.
По характеру энергоснабжения приводы подразделяются на зависимый и автономный. Зависимый привод получает энергопитание от внешней централизованной системы местного или общереспубликанского значения, и его задача состоит в преобразовании подведенной энергии в механическую мощность.
Автономный привод представляет собой самостоятельный энергетический источник, потребляющий энергетическое с ы -рье. В этом случае создается запас энергетического сырья в хранилище возле буровой.
Основные внешние характеристики двигателей — номинальная мощность на валу двигателя и номинальная частота вращения вала двигателя.
На современных буровых в качестве главного привода применяют двигатели различного типа: внутреннего сгорания (бензиновые и дизельные), электрические (работающие от централизованной системы электроснабжения и от дизель-электрическвой станции, входящей в комплект буровой установки), а также газотурбинные.

Двигатель для привода лебедки и ротора должен обладать:
значительным пусковым моментом для преодоления инерции массы бурильных труб и преодоления сил трения труб о стенки скважины;
плавностью запуска (без больших динамических нагрузок);
большой перегрузочной способностью для преодоления кратковременных перегрузок, возникающих, например, при спускоподъемных операциях. Желательно, чтобы двигатель обладал реверсом — способностью изменять направление вращения.
В настоящее время созданы установки с двигателями постоянного тока, так как промышленность освоила производство высокоэффективных тиристорных выпрямителей большой мощности.
Для трансформации крутящего момента и частоты вращения используют:
механические трансмиссии с многоступенчатыми коробками передач, зубчатыми или цепными;
турботрансформаторы в комбинации с упрощенными коробками передач.
С целью улучшения пусковых характеристик двигателей для привода насосов используют фрикционные муфты, турбо- и электромуфты, которые допускают кратковременное регулирование частоты вращения. В механических трансмиссиях буровых установок применяют зубчатые, многорядные клиноременные и цепные передачи, а также карданные валы. В качестве муфт сцепления используют жесткие кулачковые и зубчатые муфты, а в качестве оперативных сцепных муфт —фрикционные дисковые и бандажные муфты и электромуфты.
Коробки передач в буровых установках предназначены для изменения частоты и направления вращения ротора и барабана лебедки. Они бывают зубчатыми и цепными.
Турбопередача представляет собой центробежный насос и гидравлическую турбину, которые связаны замкнутым кругом циркуляции жидкости. Турбопередачи применяют для смягчения характеристик двигателей. К ним относятся турбомуфты и турботрансформаторы.
На стационарных и передвижных установках, как правило, устанавливают несколько двигателей, которые в зависимости от схемы подсоединения образуют групповой, раздельный или смешанный приводы.
При групповом приводе все двигатели главного привода присоединены к единому общему выводу, от которого приводятся в действие лебедка, ротор и насосы. Для раздельного привода характерно, что каждый основной исполнительный механизм установки приводится отдельным двигателем. При смешанном приводе часть основных исполнительных механизмов имеет общий привод, а некоторые (например, буровые насосы) приводятся в действие отдельным двигателем.
Если используются двигатели внутреннего сгорания (дизельные) или электродовигатели переменного тока с питанием от промышленной сети, то применяют групповой привод или смешанный. Если установка оснащена электродвигателями постоянного тока, питающимися от индивидуальной дизель-электростанции, то лучшие результаты получают при раздельном или смешанном приводе.
При газотурбинном приводе используется такая система соединения, которая позволяет применять групповой или смешанный привод.
Если работы ведутся в местности с развитой промышленной системой электроснабжения, то предпочтительно использовать буровые установки с приводом от электродвигателя. Электропривод делает установку более компактной, облегчает ее обслуживание и снижает ее массу. Использование индивидуальной дизель- электростанции постоянного тока позволяет достигнуть более гибкого регулирования работы установки, но вместе с тем увеличивает общую массу оборудования, поэтому такой вид привода не получил широкого применения.

После завершения бурения скважины в одном месте оборудование должно быть доставлено на новую точку и подготовлено для проведения буровых работ. Способ транспортирования буровой установки зависит от ее конструкции, транспортной базы, местных условий, в которых производится переброска оборудования.
Перед транспортированием буровую установку следует демонтировать. Степень демонтирования оборудования (объем работ по демонтажу) зависит от способа транспортирования. Поскольку монтажно-демонтажные работы приводят к непроизводительной затрате рабочего времени, стремятся подобрать такой способ транспортирования установки, который в конкретных данных условиях требовал бы выполнения возможно меньшего объема монтажно-демонтажных работ.
Способ транспортирования буровой установки прежде всего предопределяется ее монтажно-транспортной базой. Как было показано выше, по конструкции монтажно-транс-портной базы все буровые установки подразделяются на следующие категории: самоходные буровые установки на шин-но-пневматическом или гусеничном ходу, передвижные и стационарные.
Самоходные буровые установки, смонтированные на шасси грузового автомобиля или трактора, при подготовке к транспорту требуют весьма ограниченного объема демонтаж-ных работ. Они сводятся в основном к спуску мачты и переводу ее в транспортное положение. У некоторых установок часть оборудования (например, буровой насос) можно перевозить отдельно на прицепе. На прицеп погружают также буровой инструмент и материалы.
Передвижные установки буксируются в виде единого агрегата на одной платформе или в виде отдельных крупных блоков на нескольких платформах. При переводе в транспортное положение буровую мачту опускают. Буровой инструмент и часть вспомогательного оборудования перевозят универсальными транспортными средствами.

Стационарные буровые установки демонтируют и перевозят блоками (крупно- и мелкоблочный методы) и поагре-гатно.
Крупноблочный монтаж применяют в районах со спокойным рельефом и при отсутствии препятствий на пути следования. При этом методе отдельной транспортабельной единицей является крупный блок, который состоит из основания и размещенных на нем нескольких агрегатов и узлов буровой установки. Каждый блок в отдельности перевозят специальными транспортными средствами (тяжеловозами, на специальных тележках большой грузоподъемности на пневмоко-лесном или гусеничном ходу). Например, установка БУ-125БрЭ подразделяется на три транспортных блока: вышеч-но-лебедочный, насосно-силовой и насосно-трансмиссион-ный, которые перевозят на тяжеловозах.
Мелкоблочный метод предусматривает демонтирование буровой установки на мелкие блоки и их раздельную транспортировку. Мелкий блок включает основание и смонтированный на нем один или несколько узлов буровой установки. Внешние габариты блока ограничиваются размерами транспортных средств. Такой способ транспортирования рекомендуется для труднодоступных для освоения районов.
В тех случаях, когда по условиям транспортирования буровую установку можно перевозить только универсальными транспортными средствами, т.е. по железной дороге, на автомобилях или самолетами и вертолетами, применяют поагре-гатный метод. Буровую установку демонтируют на отдельные агрегаты, секции и элементы, которые по своим габаритам и массе можно перевозить указанными средствами.
Последний метод наиболее трудоемок.
На новом участке до монтажа оборудования на отведенной территории планируют площадку, выполняют земляные работы. Под основание блоков установки глубокого бурения закладывают фундаменты. В последние годы эти работы значительно упростились благодаря использованию железобетонных плит, которые позволили значительно уменьшить глубину установки фундаментов.
Наиболее трудоемко устройство фундаментов под буровую установку в районах распространения многолетнемерзлых пород. Под вышку здесь устанавливают фундаменты рамного типа или свайные. Для рамного основания роют котлован глубиной 4 м, размерами 3 х 2 м.

Монтаж и размещение бурового оборудования осуществляют в соответствии с монтажной схемой, отражающий конструктивные особенности установки, с учетом погодно-климатических условий. При этом расположение оборудования и наземных сооружений должно удовлетворять требованию наибольшей компактности, максимального упрощения монтажно-демонтажных работ, сокращения их продолжительности и обеспечения безопасных условий ведения буровых работ.
При выполнении работ по блочному методу монтаж бурового оборудования заключается в установке блоков на фундаменты и их взаимном закреплении. Для выполнения погрузо-разгрузочных работ при поагрегатном методе используют монтажные краны, смонтированные на тракторах и автомо-•илях.
Монтаж вышек и мачт проводят различными способами:
в лежачем положении на земле с последующим подъемом с помощью тракторов или лебедки буровой установки;
монтаж по методу сверху вниз с использованием специального подъемника ПВК-1 (по Я.М. Кершенбауму);
монтаж вышки по методу "снизу вверх" с помощью наращиваемых стрел.
Вышки мачтового типа собирают в горизонтальном положении на земле, а затем поднимают с помощью буровой лебедки и тракторов.
По второму методу вышки монтируют на земле, начиная с верхней секции.
Третий метод отличается большой трудоемкостью и повышенной опасностью при выполнении работ на большой высоте и в настоящее время почти не применяется.
В период монтажных работ устанавливают также вспомогательное оборудование и привышечные сооружения: сарай для укрытия двигателей и передаточных механизмов лебедки; насосный сарай для укрытия буровых насосов и их привода; приемные мостки для укладки труб и перемещения инструмента, запасных частей и оборудования; циркуляционную систему с очистными устройствами для отделения шлама из промывочного раствора; строят трансформаторную площадку при централизованном электропитании или площадку для склада ГСМ.

Одна из важнейших технико-экономических проблем второй половины XX — в. использование топливных и минеральных сырьевых ресурсов мирового океана. Начиная с 60-х годов текущего столетия наблюдается неуклонный рост добычи нефти из морских месторождений: если в 1960 г. объем морской добычи нефти составлял всего 8 % общего объема мировой добычи, то в 1980 г., т.е. за 20 лет, он возрос до 30 %. В 1990 г. морская добыча нефти достигла 626 672 тыс. т (без б. СССР и социалистических стран). По прогнозам экспертов, морское дно содержит около половины всех мировых запасов нефти, значительные запасы газа. Разработка нефтяных и газовых месторождений в зоне континентального шельфа осуществляется более чем в 20 странах. В разведочном бурении на море участвует более 1 40 стран мира.
История развития техники для бурения скважин в акваториях морей начинается с 20-х годов нынешнего столетия. Можно условно выделить несколько основных этапов развития техники морского бурения: I — с 20-х годов до середины 40-х годов; II — с середины 40-х годов до конца 50-х годов; III — с конца 50-х годов по настоящее время.
На первом этапе морское бурение было сопряжено с освоением некоторых прибрежных морских участков известных на суше месторождений. Как правило, при подготовке таких участков к бурению практиковалась засыпка мелководной части моря. Однако и на этом этапе известны отдельные случаи, когда бурение велось с деревянных оснований (островков), возведенных на мелководье. Подобный морской промысел впервые появился в районе Баку в 1924 г.
По мере того как нефтеносные структуры прослеживались дальше от берега, возникала необходимость соответствующим образом проектировать буровые работы. В 1 937 г. в США бурение скважин велось уже на расстоянии 3 км от берега при глубине моря до 4,5 м. С 1934 г. в нашей стране приступили к сооружению металлических оснований для морских промыслов.Второй этап связан с качественным скачком в развитии техники морского бурения в 40-х годах, когда были открыты крупные морские месторождения нефти на значительном расстоянии от берега. Создание нефтяных промыслов в районе Нефтяных Камней в Каспийском море и в Мексиканском заливе потребовало освоения глубин до 15 м (Мексиканский залив) и до 25 м (Нефтяные Камни). Хотя на этом этапе, как и на первом, буровое оборудование, установленное на морских основаниях, не отличалось от применявшегося на суше, его размещение в море требовало учета специфических условий и приспособления к ним всего оснащения.
На втором этапе были начаты работы по созданию установок на плавучих основаниях. Первый проект такого основания был разработан советским инженером В.И. Тарасеви-чем в 1944 г. Первая плавучая буровая установка была изготовлена в США в 1 949 г.
Начало третьего этапа в конце 50-х годов связывается с тем, что в нашей стране и США приступили к практическому использованию плавучих буровых установок. Эти работы открыли перспективу развития технических средств для проведения буровых работ в открытом море с автономных установок.
В 1956— 1958 гг. в Гипроморнефти велась интенсивная разработка мобильных средств для морского бурения. В 1959 г. была построена и введена в эксплуатацию первая в нашей стране плавучая буровая установка с затапливаемым основанием. Она предназначена для бурения скважин глубиной до 1200 м при глубине моря до 6,5 м. За 3 года с помощью этой установки было пробурено 50 структурно-поисковых скважин.

Стационарные платформы новейших конструкций позволяют бурить скважины в районах с глубинами моря до 200 м. Дальнейшее повышение глубин сопряжено с резким возрастанием массы основания.
Имеется ряд разновидностей глубоководных стационарных платформ. Помимо использования опорных блоков пирамидальной формы решетчатой конструкции находят применение платформы одноопорные (моноподы) и "качающиеся". Опора монопода представляет собой колонну большого диаметра. Обычно она подразделяется на четыре секции, из которых нижнюю заглубляют в морское дно и бетонируют, две промежуточные заполняют водой, а верхняя частично возвышается над уровнем моря. Монопод оказался одним из видов оснований, наиболее приспособленных к тяжелой ледовой обстановке. Например, высокую надежность в подобных условиях показала такая платформа, использовавшаяся с 1966 г. в заливе Кука на Аляске.
"Качающаяся" платформа представляет собой одноколонную опору, снабженную универсальным соединением с донной опор ной площадкой. Колонна имеет погружные понтоны , обеспечивающие несущую способность опор ы . Испы та-ния, проведенные в Бискайском заливе, позволили выявить ряд преимуществ платформы, и прежде всего простоту ее стабилизации над устьем скважины. С платформами подобного типа связываются планы значительного повышения глубин моря, освоенных с помощью стационарных оснований. В частности, во Франции разработана конструкция "качающейся" платформы для бурения скважин при глубине моря до 400 м.

Буровой комплекс, смонтированный на самоподъемной передвижной платформе, получил название самоподъемной плавучей буровой установки СПБУ (рис. 13.8). База СПБУ представляет собой плавучий понтон с несколькими опорами, которые с помощью специального устройства могут опускаться до морского дна. Число опор может быть от 3 до 14. Для глубин моря для 60 м выпускаются платформы с четырьмя опорами и более, для больших глубин — трехопорные. Опоры имеют круглое или четырехугольное сечение и сплошную или решетчатую поверхность.СПБУ классифицируютя по конструкции и форме корпуса, числу и конструкции опорных колонн и конструктивным особенностям подъемного механизма. Для придания устойчивости при воздействии внешних нагрузок длина понтона обычно должна быть близка к его ширине, и только для специфических условий с ярко выраженной розой ветров (Каспийское море) она может вдвое превышать его ширину.
Все технологическое оборудование, инструмент и материалы для компактности обычно размещают на трех уровнях: на подвышечном портале, на главной палубе и в трюме. На под-вышечном портале расположены буровая вышка, ротор и лебедка. Для удобства разбуривания куста скважин предусматривается возможность перемещения повышечного портала вдоль и поперек корпуса. Трубная площадка с грузовыми кранами находится на главной палубе, здесь же расположены устройства для дегазации и очистки бурового раствора. В трюме установлены буровые насосы, оборудование для приготовления бурового раствора и емкости для его хранения, комплекс для проведения цементировочных работ.
Жилые и служебно-бытовые помещения обычно находятся в рубках, на отдельных установках они могут размещаться в корпусе.
В заданный пункт СПБУ буксируется на плаву. В транспортном положении опоры подняты и возвышаются над понтоном. При недолговременных переходах (продолжительностью до 12 ч) допускается транспортировка СПБУ с приспущенными опорами, в этом случае они могут оказывать стабилизирующее влияние. По прибытии в пункт назначения опоры с помощью гидравлической или электромеханической системы опускают на дно, под действием веса оборудования они закрепляются с заглублением или без заглубления в донный грунт в зависимости от конструкции нижнего конца. Затем по опорным колоннам понтон с оборудованием приподнимают над поверхностью воды на высоту, не досягаемую для волн, и с платформы бурят скважину.

Самоподъемные установки обладают высокой мобильностью, достаточной автономностью и могут успешно применяться при глубине моря до 90 м (в зависимости от длины опор). Имеются проекты СПБУ для работы при глубине моря до 1 20 м. Однако увеличение длины опор отрицательно сказывается на устойчивости всей конструкции в транспортном положении, когда опоры подняты и возвышаются над корпусом. Чтобы избежать потери устойчивости, предложены конструкции с телескопическими опорами или со вспомогательными нижними опорами и промежуточной платформой.
К преимуществом СПБУ следует отнести высокую мобильность, достаточную автономность, создание стабильных условий при бурении на море, большую устойчивость в неблагоприятных погодных условиях.
Основные недостатки СПБУ заключаются в сложности конструкции и монтажа опор в условиях моря. Из-за высокой стоимости СПБУ в основном применяют при поисковом и разведочном бурении на континентальном шельфе.К безопорным основаниям относятся полупогружные и буровые суда.
Полупогружное основание является плавучим средством, несущая способность которого в значительной степени обеспечивается за счет водоизмещения погружных камер понтонов, располагающихся в воде на некотором расстоянии от поверхности (рис. 13.9). С помощью вертикальных стабилизационных колонн большого диаметра, создающих дополнительное водоизмещение и стабилизирующих положение плавучего средства, понтоны поддерживают верхний ко рпус, на котором размещается буровое оборудование. Буровая установка, смонтированная на таком основании, получила название полупогружной (ППБУ).
Удаление от поверхности моря погружных камер позволяет избавить их от воздействия ветра и волн и обеспечивает большую устойчивость ППБУ, сокращая протяженность ватерлинии. Для удержания установки в заданном пункте над устьем скважины (или, как говорят, для позицирования) применяют различные средства: массивные якоря (до 18 — 20 т), систему динамической стабилизации с помощью специальных бортовых движителей или сочетание обоих способов. Допустимое смещение установки относительно координаты устья скважины зависит от гибкости бурильной и обсадной во-доизолирующей колонн, способа соединения с донным основанием и, как правило, составляет до 4 — 5 % от глубины моря в данном месте. В зависимости от применяемых средств стабилизации определяют допустимую глубину моря: при заякоривании — до 300 м, при использовании динамической системы — до 1 000 м и более, установки с комбинированной системой могут работать при глубине моря до 600 м.

Высокая мобильность и автономность делают буровые суда особенно эффективными при проведении поискового и разведочного бурения на глубоководных участках моря. Наиболее совершенные буровые суда позволяют осваивать глубины моря до 1800 м и более.
Поскольку судно подвержено действию ветровой нагрузки и волн, весьма важное значение имеет стабилизация его положения. Как и в рассмотренном выше случае использования ППБУ, она решается применением заякоривания судна (при глубинах до 300 м) и системы динамической стабилизации (при глубинах свыше 300 м). Система динамической стабилизации включает несколько движителей, например, на судне "Седко 445" имеется 11 движителей мощностью по 550 кВт каждый. Применяемые системы стабилизации положения судна надежно работают в относительно спокойных условиях. Это обусловливает некоторый недостаток бурового судна, так как ограничивает сроки проведения буровых работ только периодами с благоприятными погодными условиями.
В связи со сложными условиями проведения буровых работ с базы, находящейся на плаву и, следовательно, подверженной качке, на судне, помимо основного бурового оборудования, приходится иметь дополнительное техническое оснащение: систему подвески бурильной и обсадной (водоизолирующей) колонн; систему связи с донным устьевым оборудованием; закрытую поверхностную систему циркуляции с принудительной подачей бурового раствора, создающей движение жидкости в условиях качки; механизированные стеллажи для размещения, укладки и подачи буровых труб при выполнении спускоподъемных операций; устройство компенсации вертикальных колебаний судна
(рис. 1 3.11 ).
Компенсатор вертикальных колебаний устанавливают для поддержания заданной нагрузки на долото независимо от качки судна при волнении моря. В настоящее время на судах применяют компенсаторы различной конструкции. Неплохой результат дает гидропневматический компенсатор, встроенный между кронблоками и верхним поясом вышки. Гидропневматическая система "Юникод" на судне "Пеликан" при нагрузке на крюке до 2 МН имеет предел компенсации до 4,5 и скорость срабатывания 1,8 м/с.