- •Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М.
- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О СТРОИТЕЛЬСТВЕ СКВАЖИН
- •Назначение, цели и задачи бурения скважин
- •Способы и виды бурения. Технология строительства скважин
- •Виды бурения
- •ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН
- •Физико-механические свойства горных пород
- •Состав и физические свойства пластовых флюидов и минерализация подземных вод
- •Физические и физико-химические свойства пластовых флюидов нефти
- •ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЕ ИНСТРУМЕНТЫ
- •Классификация долот для сплошного бурения
- •ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
- •Секционные унифицированные шпиндельные турбобуры
- •Высокомоментные турбобуры с системой гидроторможения
- •Многосекционные турбобуры
- •Турбобур с независимой подвеской
- •Турбобур с полым валом
- •Турбобур с редуктором-вставкой
- •Турбины современных турбобуров
- •Принцип действия ВЗД
- •Кинематические отношения ВГМ
- •Двигатели универсального применения
- •Двигатели для наклонно направленного и горизонтального бурения
- •Двигатели для ремонта скважин
- •Турбовинтовые двигатели
- •Элементы конструкций двигателей и их компоновок
- •Характеристики ВЗД
- •Влияние различных факторов на характеристики ВЗД
- •Влиявде расхода жидкости
- •БУРИЛЬНАЯ КОЛОННА
- •Утяжеленные бурильные сбалансированные трубы УБТС-2
- •Утяжеленные бурильные трубы (горячекатаные)
- •Учет работы, начисление износа и списание бурильных труб
- •Дефектоскопия бурильных труб
- •РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД
- •Глава 7
- •ПРОМЫВКА СКВАЖИН И БУРОВЫЕ РАСТВОРЫ
- •Электролиты
- •Защитные высокомолекулярные вещества (коллоиды)
- •Поверхностно-активные вещества
- •Пеногасители
- •Утяжелители
- •Реагенты общего назначения
- •Вибросита
- •Гидроциклонные шламоотделители
- •Глава 8
- •ОСЛОЖНЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ УГЛУБЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ
- •Признаки проявлений
- •Противовыбросовое оборудование
- •Мероприятия по предупреждению ГНВП
- •Грифоны и межколонные проявления
- •ОСНОВЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ В БУРЕНИИ
- •Магнитное устройство для многократных измерений
- •Глава 11
- •ОПРОБОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГОРИЗОНТОВ В ПЕРИОД ПРОХОДКИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ
- •Глава 13
- •КРЕПЛЕНИЕ СКВАЖИН
- •Определение внутреннего давления
- •Определение сопротивляемости труб смятию
- •13.5. ТИПЫ КОНСТРУКЦИЙ ЗАБОЕВ СКВАЖИН
- •Оборудование. Технологическая оснастка обсадных колонн
- •Головки цементировочные
- •Разделительные пробки
- •Клапаны обратные
- •Башмаки колонные
- •Центраторы
- •Скребки
- •Турбулизаторы
- •Муфты ступенчатого цементирования
- •ЦЕМЕНТИРОВАНИЕ СКВАЖИН
- •14.1. ПЕРВИЧНЫЕ СПОСОБЫ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ
- •Цементирование хвостовика и нижних секций обсадных колонн
- •Манжетное цементирование
- •Двухступенчатое цементирование скважин
- •Обратное цементирование скважин (через затрубное пространство)
- •14.2. ПОВТОРНЫЕ (ИСПРАВИТЕЛЬНЫЕ) СПОСОБЫ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН
- •14.3. МАТЕРИАЛЫ И ХИМИЧЕСКИЕ РЕАГЕНТЫ ДЛЯ ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ
- •Активные минеральные добавки к вяжущим веществам
- •Шлакопесчаные цементы
- •Шлакопесчаные цементы совместного помола
- •Шлакопортландцементы
- •Номенклатура специальных тампонажных цементов
- •14.4. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА И КАМНЯ
- •Регулирование свойств цементного раствора и камня с помощью реагентов
- •14.5. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН
- •Буферные жидкости
- •Центрирование обсадных колонн в скважине
- •Расхаживание обсадных колони при цементировании скважин
- •Цементирование секционных колонн и хвостовиков
- •Ступенчатый способ цементирования обсадных колонн
- •Манжетный способ цементирования скважин
- •Обратное цементирование колонн
- •Схемы размещения и обвязки оборудования при цементировании
- •14.6. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПЕРВИЧНОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН
- •Воздействие на призабойную зону пласта многократными мгновенными депрессиями-репрессиями
- •Глава 16
- •БУРОВОЕ И ЦЕМЕНТИРОВОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
- •Буровые лебедки
- •Буровые насосы
- •Ротор
- •Талевые механизмы
- •Буровые вышки
- •Буровые насосы
- •Талевые механизмы и вышки
- •Дизель-гидравлический агрегат САТ-450
- •Средства автоматизации и механизации спускоподъемных операций
- •Устройство и принцип работы установки
- •Установка смесительная механическая ICMP-20
- •Установка смесительная пневматическая УС5-30
- •Цементно-смесительная машина СМ-4М
- •Устройство и принцип работы отдельных узлов машины СМ-4М
- •Установки осреднительные
- •Цементировочный агрегат 5ЦА-320 (рис. 16.22)
- •Установка насосная УНБ1Р-400
- •Насосный агрегат 4АН-700
- •Список литературы
- •Оглавление
Глава 4_______
ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
При углублении скважины порода может разрушаться долблением, сверлением или (и) истиранием (последний случай — разновидность пре дыдущего). Каждому из этих видов разрушения соответствуют основные методы бурения: ударное, вращательное, ударно-вращательное (практиче ски неприменяемое) и дробовое (применяется редко) бурение.
Наибольшее применение получило вращательное бурение. При этом способе цилиндрический ствол формируется непрерывно вращающимся долотом. Разбуренные частицы в процессе бурения также непрерывно вы носятся на поверхность циркулирующим буровым раствором (газом, гази рованной жидкостью). При вращательном бурении долото внедряется в по роду в результате одновременного действия осевого усилия (нагрузки), на правленного перпендикулярно к плоскости забоя, и окружного усилия от вращающего момента.
Различают: роторное бурение, — когда двигатель, приводящий во вращение долото на забое при помощи колонны бурильных труб, находит ся на поверхности; турбинное бурение и бурение с использованием элек тробура, — когда двигатель расположен у забоя скважины, над долотом. Поток бурового раствора, кроме известных функций, выполняет функции источника энергии.
Роторное и турбинное бурение являются основными способами про водки скважин и используются повсеместно. Особенно широко использу ется турбинный способ бурения в России.
4.1.ЗАБОЙНЫЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ
Воснове турбинного бурения лежит применение забойного турбинно го гидравлического двигателя. Гидравлическим двигателем принято назы вать машину, которая преобразовывает энергию потока жидкости (бурово го раствора) в механическую энергию ведомого звена —вала или штока.
По принципу действия различают гидравлические двигатели объемно го (гидростатического) типа и гидродинамические двигатели.
Объемные двигатели работают под действием гидростатического напо
ра в результате наполнения жидкостью рабочих камер и перемещения вы теснителей. Под вытеснителем понимается рабочий орган, непосредственно совершающий работу под действием на него давления жидкости. Конст руктивно вытеснитель может быть выполнен в виде поршня, пластины, зу ба шестерен или ротора. В объемных гидравлических двигателях ведомое звено может совершать как циклическое возвратно-поступательное или возвратно-поворотное, так и непрерывное движение.
Объемные двигатели характеризуются тремя основными признаками: а) наличием рабочих камер, которые периодически сообщаются со
входом или выходом машины, при этом жидкость наполняет каждую каме
ру или выталкивается из нее; б) изменением давления в рабочей камере от начального до конечного
постепенно из-за изменения объема камеры или скачкообразно вследствие
сообщения камеры с выходом; в) несущественной зависимостью усилий на рабочих органах двигате
ля от скорости движения жидкости в камерах.
Гидродинамические двигатели (турбины) функционируют при измене нии момента количества движения жидкости в рабочих органах машины. В этом типе гидравлических двигателей ведомое звено совершает только
вращательное движение.
Гидродинамические двигатели характеризуются также тремя особен
ностями:
а) рабочие органы двигателя выполнены в виде лопаточного аппарата, состоящего из статора и ротора, обтекаемого жидкостью;
б) в каналах двигателя циркулирует непрерывный поток жидкости; в) взаимодействие между лопаточным аппаратом и жидкостью носит
гидродинамический характер.
4.1.1.ТУРБИННОЕ БУРЕНИЕ.ТУРБОБУРЫ
Втурбинном бурении наибольшая величина крутящего момента обу словлена только сопротивлением породы вращению долота (труб и меха
низмов между долотом и турбобуром в случае их установки). В роторном бурении максимальный крутящий момент труб определяется сопротивле нием породы вращению долота, сопротивлением трению труб о стенки скважины и вращающейся жидкости и инерционным эффектом упругих крутильных колебаний. Максимальный крутящий момент в трубах, опреде ляемый расчетом турбины (значением ее тормозного момента), не зависит от глубины скважины, числа оборотов долота, осевой нагрузки на долото и механических свойств проходимых горных пород. Практика применения турбобуров показывает, что стойкость труб примерно в 10 раз превышает стойкость труб в роторном бурении.
Втурбинном бурении коэффициент передачи мощности от источника энергии к долоту значительно выше, чем в роторном. Идея использования гидравлического двигателя для бурения скважин возникла в 80-е годы XIX в: первый патент на турбину для бурения нефтяных скважин был взят
в1873 г. Гроссом. В 1890 г. Г.Г. Симченко (Баку) разработал проект первого забойного круговращательного гидравлического двигателя.
Вначале 1900-х годов был разработан и использован на практике для быстроударного бурения в твердых породах забойный гидравлический та ран, создававший 500-600 ударов в минуту по забою. В 1923 г. М.А. Капелюшников разработал (совместно с С.М. Волохом и Н.А. Корневым) тур бинный аппарат для бурения скважин, названный турбобуром Капелюшникова. Он развивал мощность до 12 л.с. и представлял собой гидравличе ский двигатель, выполненный на базе одноступенчатой осевой турбины, вал которой через промежуточный многоярусный планетарный редуктор приводил во вращение долото. Проблема реализации турбинного буре ния была решена П.П. Шумиловым, Р.А. Иоаннесяном, Э.И. Тагиевым и
82
М.Т. Гусманом. Позднее, благодаря работам ВНИИБТ, турбинное бурение приобрело общее признание.
Успехи современного турбинного бурения главным образом зависят от возможности реализации оптимальных режимов отработки новых конст рукций высокопроизводительных долот, созданных в последнее время1.
Турбобур — машина быстроходная. Поэтому большое значение имеют работы, направленные на создание низкооборотных турбобуров, способных эффективно отрабатывать шарошечные долота с герметизированными мас лонаполненными опорами типов ГНУ и ГАУ.
В области турбоалмазного бурения особую актуальность приобрета ет создание высокомоментных турбобуров для работы с новыми долотами с поликристаллическими алмазными режущими элементами типа Stra-
topax.
Современный турбобур должен обеспечивать:
1.Достаточный крутящий момент при удельных расходах жидкости не более 0,07 л/с на 1 см2 площади забоя.
2.Устойчивую работу при частотах вращения меньше 7 с-1 для шаро шечных и 7- 10 с-1 для алмазных долот.
3.Максимально возможный КПД.
4.Срабатывание перепада давления на долоте не менее 7 МПа.
5.Наработку на отказ не менее 300 ч.
6.Долговечность не менее 2000 ч.
7.Постоянство энергетической характеристики по меньшей мере до наработки на отказ.
8.Независимость энергетической характеристики от давления и тем
пературы окружающей среды.
9.Возможность изменения реологических свойств бурового раствора в процессе долбления.
10.Возможность введения в буровой раствор различных наполнителей
идобавок.
11.Возможность осуществления промывки ствола скважины без вра щения долота.
12.Возможность проведения замеров траектории ствола скважины в любой точке вплоть до долота без подъема бурильной колонны.
13.Стопорение выходного вала с корпусом в случае необходимости и освобождение от стопорения.
14.Гашение вибраций бурильного инструмента.
15.Экономию приведенных затрат на 1 м проходки скважины по сравнению с альтернативными способами и средствами бурения.
Понятно, что в одной конструкции все или большую часть этих требо ваний воплотить очень сложно. В то же время для одного и того же диа метра целесообразно иметь возможно меньшее количество типов турбо буров-
Вначале 50-х гг. в связи с увеличением глубин скважин стали стре миться к увеличению числа ступеней турбины для снижения частот враще ния долот. Появились секционные турбобуры, состоящие из двух — трех секций, собираемых в одну машину непосредственно на буровой. Секции свинчивали с помощью конической резьбы, а их валы соединяли сначала
1Здесь и далее: Ю.Р. Иоанесян, В.В. Попко, С.Л. Симонянц. Конструкции и характеристи ки современных турбобуров. — М.: ВНИИОЭНГ, 1986.
конусными, а затем конусно-шлицевыми муфтами. Осевая опора секцион-
ного турбобура устанавливалась в нижнби секции.
В дальнейшем, с целью упрощения эксплуатации турбобуров, осевую опору вынесли в отдельную секцию - шпиндель. Это усовершенствование позволило производить смену на буровой наиболее быстроизнашиваемого
узла турбобура —его опоры.
Секционные шпиндельные турбобуры типа ЗТСШ в настоящее время серийно выпускаются машиностроительными заводами Минхиммаша с
диаметрами корпуса 172, 195 и 240 мм.
В конце 50-х гг. во ВНИИБТ были начаты интенсивные исследования по разработке опоры качения турбобура. Дело в том, что резинометалличе ская пята, хорошо работающая при использовании в качестве бурового раствора воды или буровых (глинистых) растворов с относительно низким содержанием твердой фазы, а также при невысоких значениях перепада давления на долоте, в случае применения утяжеленных или сильно загряз ненных буровых растворов существенно искажала выходную характери стику турбобура, что в свою очередь снижало эффективность турбинного способа бурения.
В начале 60-х гг. Р.А. Иоаннесяном, Д.Г. Малышевым и Ю.Р. Иоанесяном была создана упорно-радиальная шаровая опора турбобура типа 128 000, представляющая собой многоступенчатый шарикоподшипник двух стороннего действия.
Турбобуры с шаровой опорой серии А в настоящее время серийно выпускаются машиностроительными заводами Минхиммаша с диаметрами корпуса 164, 195 и 240 мм.
Дальнейшее совершенствование конструкций турбобура связано с по явлением новых высокопроизводительных шарошечных долот с герметизи рованными маслонаполненными опорами. Для эффективной отработ ки этих долот требуются частоты вращения около 2,5...5 с-1 [2]. Это приве
ло к созданию целого ряда новых направлений в конструировании турбо буров:
ссистемой гидродинамического торможения; многосекционных;
свысокоциркулятивной турбиной и клапаном-регулятором расхода бурового раствора;
ссистемой демпфирования вибраций;
сразделенным потоком жидкости и полным валом;
сплавающей системой статора;
стормозной приставкой гидромеханического типа;
средукторной вставкой.
Появились также гидравлические забойные двигатели объемного ти па —винтовые.
констРУктоРов турбобуров еще нет единого мнения о наиболее эффективном и перспективном направлении развития техники турбинного способа бурения. С целью объективной оценки новых конструкций и вы бора лучшей из них для широкого внедрения в серийное производство проводятся сравнительные испытания макетных образцов новых забойных