Технология бурения

Буровая лебедка предназначена для выполнения спускоподъемных операций, плавной подачи новках устаревшей конструкции буровую лебедку использовали также для подтаскивания различных тяжестей, для свинчивания и развинчивания труб в колонне.
Наиболее важны следующие характеристики буровой лебедки: наибольшее усилие натяжения в рабочей (набегающей) ветви каната; мощность на барабане; число скоростей навивки каната на барабан и их величины, диаметр и ширина барабана лебедки, канатоемкость барабана, характеризующая длину каната, который можно разместить на барабане при расположении его не более чем в четыре слоя.
Буровая лебедка имеет подъемный вал с барабаном, ленточный и гидродинамический тормоза, трансмиссионный и промежуточный валы.
Барабан — приемный орган лебедки, на который наматывается канат. Ленточный тормоз предназначен для торможения барабана до полной остановки при спуске инструмента, для удержания на весу бурильной или обсадной колонны и плавной их подачи. Гидродинамический тормоз — вспомогательный, он развивает тормозной момент при спуске инструмента и автоматически поддерживает скорость его спуска на заданном уровне, предохраняя главный тормоз от длительной нагрузки и снижая его износ.
Трансмиссионный и промежуточный валы лебедки служат для изменения частоты вращения барабана лебедки. Так как при выполнении спускоподъемных операций нагрузка на крюке изменяется и, следовательно, меняется натяжение в набегающей ветви каната, то при постоянной мощности на валу лебедки для более рационального использования мощности привода приходится изменять скорость подъема. По мере уменьшения нагрузки на крюке скорость навивки каната на барабан увеличивают. Чем выше грузоподъемность установки, тем больше число скоростей барабана.
Обслуживание лебедки включает проведение своевременных технических ремонтов и профилактических осмотров и замену накладок тормозной ленты по мере их износа.

Буровая вышка предназначена для спуска в скважину и извлечения из нее бурильных труб при выполнении спускоподъемных операций; размещения свечей, извлеченных из скважины; спуска обсадных колонн; поддержания бурильной колонны в подвешенном состоянии в процессе бурения и выполнения различных вспомогательных работ в скважине.
Буровая вышка представляет собой высотную металлическую конструкцию. Ее основные параметры — высота и грузоподъемность. Высота вышки определяет длину свечи, которую можно извлечь из скважины. Длина свечи составляет примерно две трети высоты вышки. С увеличением длины свечи продолжительность спускоподъемных операций сокращается, поэтому с ростом глубины бурения высота и грузоподъемность вышек увеличиваются. Например, для бурения скважин на глубину 300 — 500 м применяется вышка высотой 16—18 м, на глубину 2000 м — высотой 27 — 28 м, на глубину 3000 — 4000 м — 42 м, на глубину 5000 — 6500 м — 53 м.
В зависимости от количества и расположения несущих элементов (ног) вышки подразделяются на два типа: башенные и мачтовые.
К вышке башенного типа принято относить такие, у которых основная нагрузка передается на три или четыре точки, не расположенные на одной прямой. Иными словами, геометрически вышка башенного типа представляет собой пространственную фигуру.
Если основная нагрузка передается на одну или две опорные точки, то вышка относится к мачтовому типу и геометрически она может быть представлена плоскостной фигурой (например, имеются А- и П-образные мачты).
В последнее время при создании современных буровых установок конструкторы отдают предпочтение вышкам мачтового типа, которые имеют ряд преимуществ: облегчены мон-тажно-демонтажные работы и повышена их безопасность; более удобны при транспортировании; уменьшена общая металлоемкость сооружения при сохранении основных параметров. Недостаток этих установок состоит в том, что мачтовая вышка представляет собой более дорогостоящее сооружение.
По особенностям монтажа вышки подразделяются на секционные и разбираемые на отдельные стержни.
Мачтовые вышки почти всегда являются секционными, тогда как башенные чаще относятся ко второму типу.
Секционные вышки в зависимости от конструктивной схемы монтажа делятся на сборные, складные и телескопические.
Отдельные секции сборных вышек при монтаже соединяются крепежными деталями. К складным относятся вышки, у которых секции соединены шарнирно, что является большим преимуществом при их демонтаже.

Талевая (полиспастная) система служит для уменьшения натяжения рабочей ветви каната по сравнению с поднимаемым грузом. С помощью талевой системы вращательное движение барабана лебедки преобразуется в поступательное движение подвешенного груза (спуск или подъем).
Талевая система размещена в буровой вышке и включает кронблок, талевый подвижный блок, крюк, штропы и талевый канат. Талевая система характеризуется грузоподъемностью, усилием натяжения рабочей ветви каната при номинальной нагрузке на крюке и наибольшей оснасткой, которая показывает соотношение числа роликов в подвижном и неподвижном блоках. Например, запись "оснастка 5х6" означает, что подвижный блок имеет 5 роликов, а неподвижный — 6.
Кронблок включает один или несколько роликов, смонтированных на единой раме, установленной на верхнем поясе буровой вышки.
Талевый блок имеет один или несколько роликов, размещенных в едином корпусе. Он подвешивается на талевом канате в буровой вышке и в процессе маневрирования с грузом совершает совместно с ним движение вверх и вниз. Число рабочих роликов талевого блока на один меньше, чем у кронблока. Если кронблок имеет один ролик, то применяют талевую систему без подвижного блока или с однороликовым подвижным.
Крюк помещен под талевым блоком и служит для подвешивания бурильных труб при спускоподъемных операциях, обсадных труб при спуске обсадной колонны в скважину и вертлюга при бурении скважин. Иногда крюк изготавливают как одно целое с подвижным блоком, и тогда он называется крюкоблоком. На практике обычно применяют трехрогие крюки, которые к настоящему времени заменили одно- и двурогие. Крюк состоит из собственно крюка, траверсы и штропа. На центральный крюк подвешивается вертлюг, на два боковых — штропы.
Штропы предназначены для подвески к крюку элеватора, который служит для захвата бурильной трубы при спускоподъемных операциях или обсадной трубы при спуске обсадной колонны в скважину.
Наиболее интенсивному износу при работе талевой системы подвергается канат. Его долговечность зависит от действующих нагрузок, применяемой системы оснастки и соблюдения правил ухода. Износостойкость каната выражается в единицах работы, которую можно выполнить по поднятию грузов при допустимой степени износа каната. Для стальных канатов диаметром 25 мм она равна ГДж, для каната диаметром 28 мм — 25 ГДж и для каната диаметром 32 мм —
30 ГДж.
При бурении нефтяных скважин применяют шестипряд-ные стальные канаты крестовой свивки. Это означает, что канат состоит из шести прядей, которые свиваются вокруг мягкого пенькового сердечника. Каждая прядь сплетается из множества (от 19 до 37) тонких гибких стальных проволочек. Крестовая свивка означает, что в прядях проволоки свиты в одну сторону, а пряди в канате — в другую. Такие канаты не закручиваются. В нашей стране применяют канаты, у которых пряди свиты между собой по часовой стрелке, т.е. канаты правой свивки.

Ротор предназначен для вращения бурового инструмента в процессе бурения, передачи механической мощности долоту, а также для удерживания бурильной или обсадной колонны на весу разгруженной талевой системе. При турбинном бурении и выполнении некоторых работ ротор предотвращает проворачивание бурильной колонны.Ротор буровых установок глубокого бурения устанавливают на основании буровой, в самоходных установках его монтируют на задних консольных концах рамы автомашины или трактора. В некоторых установках мелкого бурения (например, шнековая) и в установках с гидроприводом ротор перемещается вместе с верхним концом бурильной колоны и служит также для передачи нагрузки на долото.
Основные характеристики ротора: число скоростей передач и частота вращения; грузоподъемность, т.е. наибольшая допустимая статическая нагрузка на ротор; диаметр проходного отверстия стола ротора, определяющий наибольший габарит инструмента и обсадной колонны, котор ые можно спускать через ротор; мощность, передаваемая ротору.
По своей конструкции роторы различных буровых установок однотипны и состоят из следующих основных частей: станины в виде массивного стального кор пуса; стола р отор а, вращающегося на мощном опорном подшипнике; пары конических шестерен и приводного вала. Пара конических шестерен служит для передачи вращения с горизонтально расположенного приводного вала на стол, вращающийся вокруг вертикальной оси. Коническая шестерня приводного вала находится в постоянном зацеплении с зубчатым венцом, соединенным со столом ротора. Все подшипники ротора и зубчатая пара работают в масляной ванне.
Для передачи вращения на ведущую трубу в столе ротора помещают большие и малые вкладыши с замочным устройством.
Как правило, ротор имеет несколько скоростей передач (от трех до шести) и одну реверсивную скорость. Скорости ротора переключаются передаточным механизмом лебедки или отдельным редуктором, если ротор имеет индивидуальный привод. Привод от электродвигателя постоянного тока позволяет плавно изменять частоту вращения ротора.
Уход за ротором включает контроль за уровнем масла, своевременную его добавку и смену, проверку надежности крепления к основанию вышки. При установке ротора необходимо, чтобы его ось размещалась строго по оси вышки и стол занимал горизонтальное положение.

Буровой насос — третий наряду с лебедкой и ротором главный исполнительный орган буровой установки. Он служит для подачи промывочной жидкости в скважину, а также для подведения гидравлической мощности к работающему в скважине турбобуру, к винтовому забойному двигателю или к долоту гидромониторного типа.
К основным параметрам бурового насоса относятся гидравлическая мощность, максимальное давление нагнетания, число ступеней изменения подачи и давления нагнетания, подача жидкости и давление для каждой ступени.
Буровой насос состоит из двух частей — механической и гидравлической, — смонтированных на единой станине. Механическая часть предназначена для преобразования вращательного движения приводного (трансмиссионного) вала в возвратно-поступательное движение, которое передается на гидравлическую часть.
По конструкции гидравлической части буровые насосы делятся на два типа: поршневые двойного действия и плунжерные одинарного действия.
Различие между указанными типами насосов состоит в том, что в поршневых насосах двойного действия нагнетание жидкости происходит при каждом ходе поршня, а в плунжерных одинарного действия у каждого плунжера имеются рабочий и холостой ходы. Различаются они также по скорости движения: поршневые — тихоходные (40 — 50 ходов/мин), плунжерные — •ыстроходные (120—140 ходов/мин). В последнее время наметилась тенденция к замене поршневых насосов плунжерными, поскольку последние при той же гидравлической мощности имеют значительно меньшую массу.
Рассмотрим схему поршневого •урового насоса двойного действия (рис. 13.5).
Его механическая часть включает трансмиссионный вал с приводным шкивом на консольном конце, коренной вал с кривошипами и эксцентриками, зубчатую шестеренчатую передачу между трансмиссионным и коренным валами, шатун и крейцкопф. Шатун и кривошип при вращении коренного вала создают возвратно-поступательное движение. Крейцкопф — направляющий элемент, к которому присоединен шток поршня.
В гидравлическую часть входят рабочие цилиндры со съемными втулками, поршни со штоками, клапанная коротка, в которой помещены всасывающие и нагнетательные клапаны, по два на каждый цилиндр, а также воздушный колпак
(компенсатор).
Ступенчатое изменение подачи насоса достигается сменой съемных цилиндровых втулок, различающихся по внутреннему диаметру, и соответственной заменой поршней. С ростом глубины скважины съемные цилиндровые втулки одного диаметра по мере необходимости заменяют втулками меньшего диаметра, которые обеспечивают меньшую подачу при более высоком давлении нагнетания.
Наиболее слабым участком поршневых насосов двойного действия является сальник, установленный в зазоре между корпусом и штоком поршня насоса. Он быстро промывается и требует частой замены. В процессе эксплуатации бурового насоса приходится следить за износом поршней, клапанов и своевременно их заменять, а также контролировать уровень масла в картере шестерен, доливать масло и полностью его менять.

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.