книги из ГПНТБ / Фоменко, Ф. Н. Бурение скважин электробуром

В 1909 г. Дудниковским и Потворским (Австро-Венгрия) был предложен аппарат для глубокого вращательного бурения, пред­ ставляющий электродвигатель, непосредственно соединенный со шнеком и долотом и опускаемый в скважину на канате с электро­ кабелем. Над электродвигателем располагалась желонка, в кото­ рой должна была собираться выбуренная горная порода,^подни­ маемая шнеком. Аппарат крепился на конце обсадных труо, кото­ рые опускались в скважину по мере ее углубления.

В 1912 г. в Румынии инженер Кантили применил электробур своей конструкции при бурении скважины в районе Кампина. Од­ нако этот электробур был крайне несовершенен, его приходилось поднимать на поверхность после каждого метра проходки [46].

Для снижения числа оборотов долота электробура оощество «Ситроен» предложило в 1918 г. многоступенчатый редуктор ори­ гинальной конструкции, имеющий небольшие габаритные размеры.

Во всех перечисленных выше изобретениях не была удовлетво­ рительно решена задача защиты электродвигателя и других меха­ низмов забойного агрегата от проникновения в их полость промы­ вочной жидкости и выбуренной породы. Впервые эта задача была разрешена студентом Петербургского политехнического института А. Арутюновым, предложившим в 1914 г. наполнять электродвига­ тель маслом, создавая при помощи поршня давление внутри двигателя, превышающее давление окружающей среды. В даль­ нейшем А. Арутюнов за границей на основе этого принципа разра­ ботал электродвигатель к погружному насосу системы «Реда» (русский электродвигатель Долгова и Арутюнова) для эксплуата­ ции водяных и нефтяных скважин широко применявшемуся в неф­ тяной промышленности [12], а также электробур своей конструкции.

В нашей стране изобретатели неоднократно обращались к про­ блеме создания электробура и системы токоподвода к нему. В 1929 г. И. Ф. Мухартов предложил электробур с редуктором и приспособлением элеваторного типа для удаления выбуренной горной породы. Этот электробур опускается в скважину на канате и стопорится на конце обсадной колонны, опускаемой по мере уг­

лубления скважины.

В 1930 г. Г. 3. Налбандовым был сконструирован более совер­ шенный маслонаполненный редукторный электробур, схожий по конструкции с редукторным турбобуром М. А. Капелюшникова. В электробуре Г. 3. Налбандова был предусмотрен маятниковый электрический прибор для указания отклонения ствола скважины

от вертикали во время бурения.

Защите механизмов электробура от проникновения промывоч­ ной жидкости посвящены последующие три изобретения. В 1930 г. Н. К. Архангельским было предложено создавать противодавление в электробуре за счет разности удельных весов масла, наполняю­ щего электробур, и промывочной жидкости, для чего применен гибкий водонепроницаемый маслонаполненный шланг, идущий к электробуру от поверхности земли. Электроэнергию предполага­

4

лось подводить при помощи того же шланга, в котором должны были монтироваться провода.

В том же году братья Кирсановы предложили создавать про­ тиводавление в масле, наполняющем электробур, при помощи про­ межуточного поршня, но с применением пружины, оказывающей дополнительное давление на поршень независимо от глубины погру­ жения электробура, т. е. независимо от гидростатического давле­ ния окружающей жидкости. (В 1934 г. пружинный лубрикатор к погружному маслонаполненному электродвигателю был запатен­ тован в США А. Арутюновым.)

К проблеме защиты электробура от проникновения окружаю­ щей жидкости относилось также изобретение Т. Я. Евсюкова, ко­ торый в 1935 г. предложил заключить электродвигатель с привод­ ным механизмом в кожух, представляющий собой воздушный колокол.

Учитывая трудности спуска электробура на бурильных трубах и подвода электроэнергии к нему, в 1933—1934 гг. были сконструи­ рованы новые электробуры для вращательного бурения, опускаемые в скважину на кабеле-канате или на обсадных трубах. В таких электробурах проблемой является создание способа компенса­ ции реактивного момента. Для разрешения этой задачи С. И. Бед­ няковым был предложен электробур, опускаемый в скважину на канате и отличающийся тем, что для компенсации реактивного момента и лучшего разбуривания забоя скважины применены два вращающихся в противоположные стороны долота, из которых до­

канате или трубах с оригинальной системой зубчатых передач, ко­ торые приводили во вращение две фрезы с горизонтальной осью

ивесь аппарат вокруг вертикальной оси.

ВСССР в 1947—1954 гг. инженеры А. А. Минин, Н. К. Архан­ гельский, К. А. Чефранов и А. А. Погарский работали над созда­ нием электробура, опускаемого в скважину на кабеле-канате [53, 55]. В этом электробуре нет специальных устройств, уравновеши­ вающих агрегат на забое. Реактивный момент долота, по пред­ ложению А. А. Минина, уравновешивается инерцией корпуса бурильного агрегата, разгоняемого попеременно в обе стороны до определенной наперед заданной скорости. Реверсирование электро­ двигателя для этой цели осуществляется с поверхности.

Преимуществами электробура на кабеле-канате являются зна­ чительное ускорение спуско-подъемных операций, отсутствие ко­ лонны бурильных труб, облегчение и упрощение наземного обору­ дования, снижение давления на пласт, облегчение труда буровой бригады, сокращение ее состава и др. Однако скорость бурения этим электробуром и проходка на долото настолько малы, что не окупаются при повышении скорости спуско-подъемных операций.

5

В электробуре системы «Мализ» [57] токоподвод осуществля­ ется отдельными кабельными секциями, вмонтированными в бу­ рильные трубы. Проводники кабеля заключаются в трубку, прикрепленную к внутренней стенке бурильной трубы, и таким об­ разом изолируются от внешнего воздействия. В замковых соедине­ ниях бурильной трубы особой конструкции монтируются изолиро­ ванные контактные кольца, соединяемые с кабельной секцией. При свинчивании бурильных труб кабельные секции автоматически соединяются между собой и в результате образуется непрерывный трехжильный токоподвод к электробуру. Электродвигатель масло­ наполненный. В электробуре системы «Мализ» оригинален также механизм разбуривания забоя скважины тремя фрезами, вращаю­ щимися вокруг собственной оси и центральной оси вместе со всей бурильной колонной. Для этого электробура была также разра­ ботана система автоматической подачи долота на забой сква­ жины в процессе бурения с применением электродифференциального механизма, реагирующего на изменение тока электро­ двигателя.

Фирма «Малтископ» (Кофивил, Канзас) продолжительное время работала над электробуром Форестера [13], особенностью которого является использование обсадных труб в качестве буриль­ ных. Электробур Форестера имеет электродвигатель мощностью 13 кВт при 3600 об/мин; скорость вращения с помощью редуктора снижается вдвое. Вследствие большой скорости вращения приме­ няется специальное корундовое долото. Циркуляция промывочной жидкости осуществляется через обсадную колонну, как и при обычном бурении. Этот электробур впервые испытывался в 1940 г. при бурении неглубокой скважины в Тексасе; опытные работы вели вплоть до 1948 г., но ожидаемых результатов не получили.

В 1947 г. в США впервые был испытан спускаемый на кабелеканате электробур системы А. Арутюнова (фирма «Реда») [13, 91]. Промышленные испытания его проводили в Оклахоме при буре­ нии до 400 м алмазными долотами в пропластках крепкой горной породы мощностью до 20 м. При этом механическая скорость со­ ставляла 2—4 м/ч, что можно объяснить небольшой мощностью электробура и малыми осевыми нагрузками на долото. По имею­ щимся данным при бурении электробуром этого типа было не­ сколько прихватов с оставлением всего агрегата на забое сква­ жины.

Описанные выше системы электробуров либо не были осуще­ ствлены на практике, либо не доведены до промышленного приме­ нения.

Впервые конструкция электробура, нашедшая промышленное применение, была создана в Советском Союзе в 1937—1940 гг. ин­ женерами А. П. Островским, Н. В. Александровым, Н. Г. Григоря­ ном, А. Л. Ильским и другими при участии автора.

Первый электробур, при помощи которого в Азербайджане была успешно пробурена скважина глубиной около 1500 м, состоял

6

из трехфазного четырехполюсного электродвигателя мощностью 70 кВт, планетарного одноступенчатого редуктора, снижавшего скорость вращения двигателя в 4 раза (с 1450 до 363 об/мин), и шпинделя, соединявшего редуктор с долотом. Наружный диаметр электробура составлял 324 мм, длина — 8,5 м.

Для защиты механизмов электробура от окружающей жидко­ сти двигатель, редуктор и шпиндель наполняли маслами различ­ ной вязкости, разделяя их поршневыми и сальниковыми устрой­ ствами. Внутри электробура при помощи компенсатора с тяжелым поршнем создавалось противодавление. Электродвигатель с редук­ тором и шпинделем заключали в цилиндрический кожух-трубу; назначение последнего состояло в образовании кольцевого зазора, по которому промывочная жидкость направлялась из бурильной колонны к долоту.

Электроэнергия к электробуру подводилась при помощи цен­ трально расположенных в бурильных трубах отрезков трехжиль­ ного кабеля с резиновой изоляцией. Отрезки кабеля между собой соединялись специальными резиновыми муфтами.

Долото на забой подавалось электродифференциальным регу­ лятором, разработанным в те же годы инженерами А. П. Остров­ ским, И. М. Ратманом и другими.

После испытаний, проведенных в 1940 г., доказавших принци­ пиальную возможность создания электробура и токоподвода к нему, были начаты разработка и изготовление более совершен­ ных машин большей мощности и меньшего диаметра, в том числе безредукторного электробура [1, 22, 69].

В период Великой Отечественной войны на несколько лет было приостановлено дальнейшее развитие электробурения. В 1947 г. опытно-конструкторские работы по созданию электробуров возоб­ новились. В 1948 г. были изготовлены первые безредукторные электробуры с наружным диаметром 250 мм. Испытания на про­ мыслах Азербайджана в 1948—1950 гг. и в Башкирии в 1950— 1951 гг. подтвердили их эффективность [23, 24]. С 1952 г. в этих районах началось опытно-промышленное бурение электробурами. Были созданы специализированные цехи электробурения, при этом были достигнуты высокие технические показатели бурения [32, 38]. В дальнейшем электробурение нашло применение на промыслах Украины, Куйбышевской области, Туркмении.

Научно-исследовательские и экспериментально-конструкторские работы по совершенствованию комплекса оборудования электробу­ ровой установки и отработке технологии бурения электробурами проводились сначала Специальным конструкторским бюро № 1 Ми­ нистерства нефтяной промышленности, затем Всесоюзным институ­ том буровой техники (ВНИИБТ) в содружестве с Харьковским электромеханическим заводом, Всесоюзным электротехническим ин­ ститутом (ВЭИ), НИИ кабельной промышленности, конторами бурения и другими предприятиями и научно-исследовательскими

7

институтами и с 1963 г. Специальным конструкторско-технологиче­ ским бюро по электробурению и ВНИИБТ.

В процессе внедрения электробурения решались сложные тех­ нические проблемы, в частности были созданы:

1)необычная конструкция длинных электродвигателей большой мощности диаметрами 164-ь290 мм;

2)конструкция надежной обмотки забойного электродвига­ теля, способная работать в масле в условиях значительных виб­ раций;

3)пята на подшипниках качения, способная воспринимать высокие динамические осевые нагрузки;

4)уплотнения вращающихся валов в специфических условиях работы на забое;

5)токоподвод повышенной надежности и др.

Схема электробуровой установки, нашедшей промышленное применение в СССР, приведена на рис. 1.

Оборудование буровой обычное. Электробур с долотом опуска­ ется в скважину на бурильных трубах, через которые прокачива­ ется промывочная жидкость. Электроэнергия к нему подводится по кабелю, вмонтированному в бурильные трубы. В токоприемнике кабель вводится внутрь бурильных труб. Наличие в токоприемнике скользящих контактов позволяет в случае надобности проворачи­ вать колонну в процессе бурения или вращать ведущую трубу при наращивании. Кабель вмонтирован в бурильные трубы отрезками, которые при свинчивании труб соединяются специальными кон­ тактными муфтами, укрепленными в бурильных замках.

Процесс бурения осуществляется с применением автоматиче­ ского регулятора подачи долота, соединенного с промежуточным валом лебедки цепной передачей. Регулятор подачи плавно подает

и привинчиваемого к нему на конической резьбе шпинделя.

Для бурения наклонно-направленных скважин применяют ме­ ханизмы искривления МИ, с помощью которых в месте присоеди­ нения шпинделя к двигателю электробур искривляется на 1, 1,5 и 2°. Механизмы искривления в виде отдельного узла монтируют между двигателем и шпинделем.

Для контроля за траекторией скважины применяется телемет­ рическая система СТЭ, дающая сведения об угле наклона сква­ жины, азимуте и положении отклонителя с учетом угла закручи­ вания колонны от действия реактивного момента электробура. Для электробурения также создан датчик действительной забойной осе­ вой нагрузки и вибраций.

Для уменьшения скорости вращения долота и повышения вра­ щающего момента применяют редукторы-вставки, которые так же, как и механизмы искривления, монтируют между обычными дви­ гателями и шпинделями.

8