практическая работа 3. Изучение схемы вращательного бурения. Порядок расположения бурового инструмента от долота (в скважине) до вертлюга (в буровой)

• Название: Изучение схемы вращательного бурения. Порядок расположения бурового инструмента от долота (в скважине) до вертлюга (в буровой)
• Дата: 08.03.2023
• Размер: 1.4 Mb.
• Имя файла: практическая работа 3.docx
• Тип: Практическая работа; #975125

Практическая работа №3

Тема: Изучение схемы вращательного бурения. Порядок расположения бурового инструмента от долота (в скважине) до вертлюга (в буровой).

При вращательном бурении разрушение пород происходит от воздействия на долото осевой нагрузки и крутящего момента. Под действием нагрузки долото внедряется в породу , а под влиянием крутящего момента скалывает его. Характерной особенность вращательного бурения является промывка ствола скважины или его продувка (используется редко).

Существует 2 разновидности вращающего бурения

- роторный способ- при роторном бурении углубление долота в породу происходит при вращении вдоль оси скважины вращающейся бурильной клоны

-забойным двигателем- при бурении забойным двигателем бурильная колонна не вращается.

Сущность, схема, преимущества и недостатки, область применения роторного бурения

Преимущества:

1. высокие механические и коммерческие скорости бурения;

2. возможность бурения пород различной твердости на различной глубине;

3. небольшая металлоемкость конструкции.

Недостатки:

1. при использовании глинистого раствора возникает трудность качественного опробования водоносных пластов и их освоения, что приводит к снижению дебита скважины, требует проведения длительных и сложных работ по ее разглинизации;

2. необходимость снабжения установок водой и качественной глиной;

3. трудности бурения в породах, содержащих валунно-галечниковые включения, поглощающие промывочную жидкость;

4. трудности организации работ в зимнее время при отрицательных температурах.

· Долота для роторного бурения

· лопастные

· фрезерные

· шарошечные

· алмазные.

Роторный способ бурения скважин является наиболее распространенным и составляет до 80 % всего объема буровых работ. Роторное бурение скважин с прямой промывкой применяется при изученном разрезе, что обеспечивает высокие скорость бурения, небольшой расход обсадных труб. Главным недостатком роторного способа с промывкой глинистым раствором является глинизация водоносного пласта и снижение вследствие этого дебита. Весьма большие трудности вызывает этот способ при бурении валуно-галечниковых отложений, а в особенности тех, которые залегают близко к поверхности. Данный недостаток при роторном бурении можно в ряде случаев устранить, при использовании в качестве промывочной жидкости специальные растворы или техническую воду, которые оказывают минимальное воздействие на стенки скважин. Роторное бурение с обратной промывкой бывает эффективно для бурения скважин большого диаметра, оно обеспечивает получение больших дебитов. Скорость бурения при этом способе возрастает в 1,5-2 раза в сравнению с роторным бурением с прямой промывкой. Недостатком роторного бурения с обратной промывкой является то, что бурение возможно только в мягких породах и ограничение глубины скважины(до 200 м). Бурение скважин роторным способом с продувкой имеет скорость проходки скважины в полтора-два раза превышающую этот показатель при бурении с прямой промывкой. При бурении этим способом упрощается организация работ, обеспечивается опробование и качественное вскрытие пластов. Область применения способа ограничена глубиной скважин до 200 м. Применяется оно лишь при наличии водопритоков в скважину до 3--5 л/с и в устойчивых породах. Ударно-вращательное бурение при использовании пневмоударников, помогает обеспечить рост производительности работ в породах высокой и средней твердости в два раза в сравнении с вращательным бурением с продувкой, имея аналогичную область применения. Стоит отметить, что когда используются компрессоры СД 15/25, которые развивают давление до 2,5 МПа при производительности 15 м3/мин, становится возможным бурение скважины глубиной до 400--500 м. Вращательное шнековое бурение бывает эффективным при сооружении скважин на небольшой глубине в мягких песчано-глинистых породах. Недостатком этого способа является ограничения по крепости пород и глубине скважины и невысокое качество информации о параметрах вскрываемого пласта.

При вращательном бурении разрушение породы происходит в результате одновременного воздействия на долото нагрузки и крутящего момента. Под действием нагрузки долото внедряется в породу, а под влиянием крутящего момента скалывает ее.

Существует две разновидности вращательного бурения – роторный и с забойными двигателями.

При роторном бурении (Рис. 1) мощность от двигателей 9 передается через лебедку 8 к ротору 16 - специальному вращательному механизму, установленному над устьем скважины в центре вышки. Ротор вращает бурильную колонну и привинченное к ней долото 1. Бурильная колонна состоит из ведущей трубы 15 и привинченных к ней с помощью специального переводника 6 бурильных труб 5.

Следовательно, при роторном бурении углубление долота в породу происходит при движении вдоль оси скважины вращающейся бурильной колонны, а при бурении с забойным двигателем – невращающейся бурильной колонны. Характерной особенностью вращательного бурения является промывка

При бурении с забойным двигателем долото 1 привинчено к валу, а бурильная колонна – к корпусу двигателя 2. При работе двигателя вращается его вал с долотом, а бурильная колонна воспринимает реактивный момент вращения корпуса двигателя , который гасится невращающимся ротором (в ротор устанавливают специальную заглушку).

Для этого буровой насос 20, приводящийся в работу от двигателя 21, нагнетает буровой раствор по манифольду (трубопроводу высокого давления ) 19 в стояк - трубу 17, вертикально установленную в правом углу вышки, далее в гибкий буровой шланг(рукав) 14, вертлюг 10 и в бурильную колонну. Дойдя до долота, промывочная жидкость проходит через имеющиеся в нем отверстия и по кольцевому пространству между стенкой скважины и бурильной колонной поднимается на поверхность. Здесь в системе емкостей 18 и очистительных механизмах (на рисунке не показаны) буровой раствор очищается от выбуренной породы, затем поступает в приемные емкости 22 буровых насосов и вновь закачивается в скважину.


Рис. 1. Схема вращательного бурения скважин
Буровые установки, оборудование и инструмент

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

Буровая установка — это комплекс наземного оборудования, не­обходимый для выполнения операций по проводке скважины. В состав буровой установки входят (рис. 2):

буровая вышка;

оборудование для механизации спуско-подъемных операций;

наземное оборудование, непосредственно используемое при бу­рении;

силовой привод;

циркуляционная система бурового раствора;

привышечные сооружения.

Рис. 2. Бурение скважины

Буровая вышка — это сооружение над скважиной для спуска и подъема бурового инструмента, забойных двигателей, бурильных и обсадных труб, размещения бурильных свечей (соединение двух-трех бурильных труб между собой длиной 25...36 м) после подъема их из скважины и защиты буровой бригады от ветра и атмосферных осадков.

Различают два типа вышек: башенные и мачтовые. Башенная выш­ка представляет собой правильную усеченную четырехгранную пи­рамиду решетчатой конструкции. Вышки мачтового типа бывают одноопорные и двухопорные (А-образные). А-образные вышки более трудоемки в изготовлении и поэтому более дороги. Они менее устой­чивы, но их проще перевозить с места на место и затем монтировать.

Основными параметрами вышки являются грузоподъемность, вы­сота, емкость «магазинов» (хранилищ для свечей бурильных труб), размеры верхнего и нижнего оснований, длина свечи, масса.

Грузоподъемность вышки — это предельно допустимая вертикальная статическая нагрузка, которая не должна быть превышена в процессе всего цикла проводки скважины.

Высота вышки определяет длину свечи, которую можно извлечь из скважины и от величины которой зависит продолжительность спускоподъемных операций. Чем больше длина свечи, тем на меньшее число частей необходимо разбирать колонну бурильных труб при смене бурового инструмента. Сокращается и время последующей сборки колонны. Поэтому с ростом глубины бурения высота и грузоподъемность вышек увеличиваются. Так, для бурения скважин на глубину 300...500 м используется вышка высотой 16... 18 м, глубину 2000...3000 м — высотой — 42 м и на глубину 4000...6500 м — 53 м.

Емкость «магазинов» показывает, какая суммарная длина бурильных труб диаметром 114... 168 мм может быть размещена в них. Практически вместимость «магазинов» говорит о том, на какую глубину может быть осуществлено бурение с помощью конкретной вышки.

Размеры верхнего и нижнего оснований характеризуют условия работы буровой бригады с учетом размещения бурового оборудования, бурильного инструмента и средств механизации спускоподъемных операций. Размер верхнего основания вышек составляет 2x2 м или 2,6x2,6 м, нижнего — 8x8 м или 10x10 м. Общая масса буровых вышек равна нескольким десяткам тонн.

Оборудование для механизации спускоподъемных операций включает в себя талевую систему и лебедку. Талевая система состоит из неподвижного кронблока, установленного в верхней части буровой вышки, талевого блока, соединенного с кронблоком талевым канатом, один конец которого крепится к барабану лебедки, а другой закреплен неподвижно, и бурового крюка. Талевая система является полиспастом (системой блоков), который в буровой установке пред­назначен в основном для уменьшения натяжения талевого каната, а также для снижения скорости движения бурильного инструмента, обсадных и бурильных труб.

Иногда применяют крюкоблоки — совмещенную конструкцию та­левого блока и бурового крюка.

На крюке подвешивается бурильный инструмент: при бурении — с помощью вертлюга, а при спускоподъемных операциях — с помо­щью штропов и элеватора.

Буровая лебедка предназначена для выполнения следующих опе­раций:

спуска и подъема бурильных и обсадных труб;

удержания на весу бурильного инструмента;

подтаскивания различных грузов, подъема оборудования и вы­шек в процессе монтажа установок и т. п.

Буровая установка комплектуется буровой лебедкой соответствую­щей грузоподъемности.

Для механизации операций по свинчиванию и развинчиванию зам­ковых соединений бурильной колонны внедрены автоматические буровые ключи АКБ-ЗМ и подвесные ключи ПБК-1, пневматический клиновой захват ПКР-560 для механизированного захвата и освобож­дения бурильных труб.

Наземное оборудование, непосредственно используемое при бурении, включает в себя вертлюг, буровые насосы, напорный рукав и ротор. Вертлюг— это механизм, соединяющий невращающиеся талевую систему и буровой крюк с вращающимися бурильными труба­ми, а также обеспечивающий ввод в них промывочной жидкости под давлением (3).

Корпус (2) вертлюга подвешивается на буровом крюке (или крюкоблоке) с помощью штропа (4). В центре корпуса проходит напор­ная труба (5), переходящая в ствол (7), соединенный с бурильными трубами. Именно к напорной трубе присоединяется напорный рукав Аля подачи промывочной жидкости в скважину. Напорная труба и ствол жестко не связаны, а последний установлен в корпусе (2) на под­шипниках (1), чем обеспечивается неподвижное положение штропа, корпуса и напорной трубы при вращении бурильных труб вместе со стволом. Для герметизации имеющихся зазоров между неподвижной и подвижной частями вертлюга предназначены сальники (3).

Буровые насосы служат для нагнетания бурового раствора в скважину. При глубоком бурении их роль, как правило, выполняют поршневые двухцилиндровые насосы двойного действия. Напорный рукав (буровой шланг) предназначен для подачи промывочной жидкости под давлением от неподвижного стояка к перемещающемуся вертлюгу.


Рис. 4. Вертлюг: 1 — подшипники; 2 — корпус; 3 — сальники; 4 — штроп; 5 — напорная труба; 6 — крышка корпуса; 7 — ствол
Ротор передает вращательное движение бурильному инструменту, одерживает на весу колонну бурильных или обсадных труб и воспринимает реактивный крутящий момент колонны, создаваемый забойным двигателем. Ротор состоит из станины, во внутренней полости которой установлен на подшипнике стол с укрепленным зубчатым венцом, вала с цепным колесом с одной стороны и конической шестерней с другой, кожуха с наружной рифленой поверхностью, вкладышей и зажимов для ведущей трубы. Во время работы вращательное движение от лебедки с помощью цепной передачи сообщает­ся валу и преобразуется в поступательное вертикальное движение ведущей трубы, зажатой в роторном столе зажимами.

Силовой привод обеспечивает функционирование всей буровой уста­новки — он снабжает энергией лебедку, буровые насосы и ротор.

Привод буровой установки может быть дизельным, электрическим, дизель-электрическим и дизель-гидравлическим. Дизельный привод применяют в районах, не обеспеченных электроэнергией необходи­мой мощности. Электрический привод от электродвигателей перемен­ного и постоянного тока отличается простотой в монтаже и эксплуа­тации, высокой надежностью и экономичностью, но применим толь­ко в электрифицированных районах. Дизель-электрический привод из дизеля, который вращает генератор, питающий, в свою очередь, элек­тродвигатель. Дизель-гидравлический привод состоит из двигателя внутреннего сгорания и турбопередачи. Последние два типа привода автономны, но в отличие от дизельного не содержат громоздких ко­робок перемены передач и сложных соединительных частей, имеют удобное управление, позволяют плавно изменять режим работы ле­бедки или ротора в широком диапазоне.

Суммарная мощность силового привода буровых установок состав­ляет от 1000 до 4500 кВт. В процессе бурения она распределяется на при­вод буровых насосов и ротора. При проведении спускоподъемных опе­раций основная энергия потребляется лебедкой, а остальная часть — компрессорами, вырабатывающими сжатый воздух, используемый в ка­честве источника энергии для автоматического бурового ключа, подвес­ного бурового ключа, пневматического клинового захвата и др.

Циркуляционная система буровой установки служит для сбора и очистки отработанного бурового раствора, приготовления новых его порций и закачки очищенного раствора в скважину. Она включает в себя систему отвода использованного раствора от устья скважины, механические средства отделения частичек породы (вибросито, гидроциклоны), емкости для химической обработки, накопления и отстоя очищенного раствора, шламовый насос, блок приготовления свежего раствора и буровые насосы для закачки бурового раствора по нагнетательному трубопроводу в скважину.

К привышечным сооружениям относятся:

помещение для размещения двигателей и передаточных меха­низмов лебедки;

насосное помещение для размещения буровых насосов и их дви­гателей;
приемные мостки, предназначенные для транспортировки бу­рового технологического оборудования, инструмента, материа­лов и запасных частей;

запасные резервуары для хранения бурового раствора;

трансформаторная площадка для установки трансформатора;

площадка для размещения механизмов по приготовлению буро­вого раствора и хранения сухих материалов для него;

стеллажи для размещения труб.

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

Турбобур — 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.

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

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. Инструмент, используемый при бурении, подразделяется на основ­ной (долота) и вспомогательный (бурильные трубы, бурильные замки, центраторы).



Рис. 4. Лопастное долото
Лопастные долота (рис. 4) 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).

Шарошечные долота (рис. 5) 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 разнооб­разных физико-механических свойств. Изготавливают их из высоко­качественных сталей с последующей химико-термической обработ­кой наиболее ответственных и быстроизнашивающихся деталей, а сами зубцы изготавливаются из твердого сплава.



Рис. 5 Шарошечные долота
Алмазные долота (рис. 6) 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. 6 Алмазные долота

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 при 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 спускоподъемных 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 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. Для обеспечения прочности резьбовых соединений концы труб делают утолщенными. По способу изготовления трубы могут быть цельными и с приварными соединительными концами. У цельных труб утолщение концов может быть обеспечено высадкой внутрь или 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 являются 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 и замковой муфты.

Непрерывная многозвенная система инструментов и оборудования, расположенная ниже вертлюга (ведущая труба, бурильные трубы с замками, забойный двигатель и долото), называется бурильной колонной.