Геология / 2 курс / Бурение / Теория / Буровой инструмент

1.1. БУРОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ИНСТРУМЕНТ

Все буровые установки имеют однотипное, но разное по своим характеристикам буровое и энергетическое оборудование.

Буровое оборудование (механизмы) подразделяется на:

оборудование для спуска и подъема бурильной колонны (подъемное оборудова-

ние), состоящее из:

вышки,

буровой лебедки,

талевой (полиспастовой) системы: кронблока,

талевого блока, талевого каната, крюка, штропов;

оборудование для бурения скважин, состоящее из:

ротора,

вертлюга с буровым шлангом,

буровых насосов,

силового привода,

(забойного двигателя).

Буровая вышка предназначена для подъема и спуска бурильной колонны, установки обсадных труб в скважину, удержания бурильной колонны на весу во время бурения, а также для размещения в ней талевой системы, бурильных труб (свечей) и другого оборудования. Применяются металлические вышки башенного и мачтового (в основном А-образного) типов.

Вышки различны по грузоподъемности и высоте. Практикой установлено, что целесообразно применять вышки высотой до 28 м при бурении скважин до глубины 1200–1300 м; 41–42 м – глубиной 1300–3500 м; 53 м и более – глубиной свыше

3500 м.

Буровая лебедка предназначена для подъема и спуска бурильной колонны в скважину, удержания ее на весу или медленного опускания (подачи) в процессе бурения, свинчивания и развинчивания труб, спуска обсадных колонн и других вспомогательных работ. Лебедка имеет четыре скорости подъема, состоит из рамы, коробки передач и трех валов. Барабан лебедки имеет тормоз с пневматическим и ручным управлением.

Талевая (полиспастовая) система буровых установок предназначена для преобразования вращательного движения барабана лебедки в поступательное (вертикальное) перемещение крюка и уменьшения нагрузки на ветви каната.

Талевая система состоит из кронблока, устанавливаемого на верхней раме вышки, стального талевого каната и подвижного талевого блока с подъемным крюком. В зависимости от условий работы и типа установки применяют талевую оснастку 3×4, или 4×5, или 5×6, или 6×7 (талевый блок имеет на один ролик меньше, чем кронблок).

Кронблок (неподвижный блок полиспаста) – неподвижная часть талевой систе-

1

мы – представляет собой раму, на которой смонтированы оси и опоры со шкивами: на оси кронблока посажены 5 канатных роликов. Иногда рама выполняется за одно целое с верхней частью вышки.

Талевый блок представляет собой сварной корпус (щеки). В щеках неподвижно закреплена ось, на которой, как и в кронблоке, установлены на роликовых подшипниках четыре канатных ролика.

Если кронблок имеет пять, а талевый блок четыре канатных ролика, буровая установка позволяет производить оснастку талевой системы 4×5 (возможны и другие схемы оснастки). Это значит, что талевый канат, один конец которого укреплен на барабане лебедки, а другой (мертвый) укреплен под полом буровой, будет проходить через четыре ролика талевого блока и пять роликов кронблока.

Следовательно, вес поднимаемого полиспастной системой груза распределяется на восемь струн каната. При этом получается выигрыш в силе в 8 раз, но проигрыш в 8 раз в скорости подъема груза.

Талевые канаты состоят из шести прядей проволок из высококачественной стали диаметром 1,0–2,4 мм и металлического или пенькового сердечника, пропитанного смазкой. Проволочки свиты в пряди по спиралям. Если направление прядей в канате совпадает с направлением проволочек в пряди, свивка каната называется прямой. В канатах крестовой свивки эти направления перекрещиваются. В бурении обычно применяют канаты крестовой свивки. Диаметры канатов в зависимости от грузоподъемности установки выбирают в пределах 25–38 мм (разрывное усилие соответственно 40 000–50 000 кгс). При этом запас прочности должен быть в пределах 2,7–4,0.

Буровые крюки (крюкоблоки) изготовляют в виде отдельных крюков или крюков, соединенных с талевым блоком (крюкоблоки) Крюк посредством серьги соединяется с талевым блоком и предназначен он для подвешивания бурильных труб при помощи элеватора в процессе их спуска и подъема и для подвешивания бурильных труб при помощи вертлюга во время бурения.

Штропы являются промежуточным звеном между крюком и элеватором, на котором подвешивается колонна бурильных или обсадных труб. По конструкции штропы бывают двух типов: одно- и двухветвевые. Штропы изготавливают цельнокатанными, цельнокованными, а иногда сварными, нормальной и укороченной длины.

Ротор служит для передачи вращения колонне бурильных труб, для поддержания на весу бурильной колонны во время спуско-подъемных работ и поддержания на весу обсадной колонны при спуске ее в скважину. При турбинном бурении и бурении с электробуром ротор воспринимает реактивный момент, возникающий при работе двигателя в скважине, а также используется для периодического проворачивания бурильной колонны при спуско-подъемных операциях.

Ротор состоит из трех основных узлов: станины, вращающегося стола ротора и приводного вала. Ротор имеет неподвижный корпус, в котором на подшипниках установлен стол ротора. Стол вращается карданным валом через коническую передачу, помещенную в корпусе. Стол ротора, а следовательно, и ведущая труба обычно имеет две скорости вращения. Ведущая труба укрепляется в столе при помощи вкладышей. Ротор снабжен пневматическим клиновым захватом для

2

осуществления спуско-подъемных работ.

Вертлюг применяют для соединения талевой системы с бурильной колонной. Вертлюг воспринимает вес колонны бурильных труб без ограничения ее вращательного движения и обеспечивает подачу промывочной жидкости во вращающиеся бурильные трубы.

Все вертлюги имеют принципиально общую конструкцию. Вертлюг состоит из двух узлов – системы вращающихся и неподвижных деталей. Неподвижную часть вертлюга подвешивают к подъемному крюку, а к вращающейся части подвешивают бурильную колонну.

Вертлюги изготавливаются грузоподъемностью 50, 75, 130, 160 и 300 т; диаметр проходного отверстия в стволе вертлюга в разных конструкциях изменяется от 75 до 100 мм.

Буровые насосы предназначены для подачи под давлением промывочной жидкости в скважину.

Обвязка буровых насосов и оборудование напорной линии. От буровых насосов промывочная жидкость по нагнетательной линии (манифольду) подается в гибкий резиновый буровой шланг и далее в вертлюг. В состав нагнетательной линии входят: компенсаторы, нагнетательный трубопровод, стояк и задвижки.

Буровые насосы для глубокого бурения должны обладать большой производительностью и развивать высокое давление. Эти требования приобретают особую важность при турбинном бурении, где насосы, помимо промывки скважины, обеспечивают еще и привод забойного двигателя.

Вглубоком бурении широкое распространение получили поршневые двухцилиндровые насосы двойного действия, обеспечивающие заданную производительность независимо от изменения гидравлических сопротивлений. Для изменения производительности насосов используют сменные цилиндровые втулки и поршни различных диаметров. В связи со значительной неравномерностью подачи жидкости и сильными колебаниями давления, характерными для поршневых насосов, в бурении используют воздушные компенсаторы давления, которые устанавливаются на нагнетательной и всасывающей линиях обвязки насосов.

Внастоящее время для этой цели применяют пневматические компенсаторы, в которых воздушная или газовая подушка отделяется от жидкости резиновой мембраной, что предотвращает растворение воздуха или газа в жидкости при повышении давления.

На буровой установке монтируют обычно два, а иногда три насоса, объединенные в одну систему с помощью обвязки. Промывочная жидкость от буровых насосов подается по нагнетательному трубопроводу диаметром 140, 146 мм к стояку, вертикально установленному в вышке вблизи устья скважины. Стояк высотой 10–12 м обычно также изготавливается из труб диаметром 140, 168 мм и служит для соединения нагнетательного трубопровода с буровым шлангом. Нагнетательный трубопровод, а также выкидные линии оборудуют задвижками высокого давления. Весьма полезно включение в схему обвязки подпорных центробежных насосов, подающих промывочную жидкость во всасывающую линию буровых насосов. Это повышает коэффициент наполнения камер буровых насосов, увеличивает срок службы деталей гидравлической и основных деталей приводной их

3

части и, как показала практика, позволяет увеличить гидравлическую мощность бурового насоса.

От стояка промывочная жидкость подается в вертлюг с помощью гибкого бурового шланга.

Буровой шланг состоит из внутреннего рукава из нефтестойкой резины, оплетенного несколькими слоями прочной прорезиненной ткани, которые чередуются со стальными лентами, намотанными сплошными перекрывающимися слоями под углом 55°. Шланги имеют встроенные металлические штуцеры для соединения с вертлюгом и стояком. Внутренний диаметр шлангов изменяется от 40 до 100 мм. Шланги рассчитаны на давление 150—300 кгс/см2.

Привод буровых установок. Буровые установки имеют главный привод для лебедки, насоса и ротора, и дополнительный – для привода вспомогательных механизмов. Для главного привода наиболее широко применяют дизельные двигатели на жидком и газообразном топливе. Дизельный привод обладает жесткой характеристикой, поэтому в современных буровых установках стремятся использовать гидродинамические передачи (турботрансформаторы).

Для привода установок эксплуатационного и глубокого разведочного бурения применяют быстроходные транспортные дизели типов В2-300А(1Д-12Б), В2400А, В2-450 и М-601. Обычно дизель устанавливается на одной раме с трансмиссией турботрансформатора или коробкой передач, образуя силовой агрегат. Трансмиссии оборудуются редуктором, одним или двумя клиноременными шкивами, шиннопневматическими муфтами, а иногда и реверсивным устройством. С помощью трансмиссий и клиноременных передач несколько силовых агрегатов могут компоноваться в единый групповой привод, суммирующий мощность двух, трех или пяти дизелей.

В практике глубокого бурения широкое распространение получил также электропривод от промышленных сетей переменного тока, отличающийся простотой в монтаже и эксплуатации, высокой надежностью и экономичностью. На некоторых буровых установках применяют также дизель-электрический привод на переменном и постоянном токе. Возможно также оснащение буровой установки газотурбинным приводом, работающим на низкосортном топливе или попутном газе, позволяющим значительно уменьшить вес силовой установки и упростить ее эксплуатацию.

БУРОВЫЕ ДОЛОТА

Существует большое количество различных типов долот, выбор которых при бурении скважины определяется применяемым способом бурения и физикомеханическими свойствами проходимых пород.

По х а р а к т е р у р а з р у ш е н и я п о р о д ы все буровые долота могут быть классифицированы следующим образом.

1.Долота режущего и скалывающего типа. К этой группе относятся лопастные долота, рабочая поверхность которых имеет вид плоских лопастей. Они применяются для бурения в мягких породах.

2.Долота скалывающего и дробящего типа объединяют группу шарошечных долот с полуконическими шарошками. Эти долота предназначены для бурения

4

пород средней твердости, а также твердых пород.

3.Долота дробящего типа. К ним относятся шарошечные долота с коническими шарошками. Эти долота используются при бурении твердых пород с пропластками крепких пород.

4.Долота истирающего типа. К этой группе относятся алмазные долота, предназначенные для бурения самых крепких и абразивных пород.

По назначению все буровые долота классифицируются на две группы:

1)долота, разрушающие горную породу сплошным забоем;

2)долота, разрушающие горную породу кольцевым забоем (колонковые доло-

та).

Как для сплошного, так и для колонкового бурения созданы долота, позволяющие разрушать горную породу по любому из перечисленных четырех принципов. Это облегчает подбор типа долота в соответствии с физико-механическими свойствами данной горной породы.

Долота для сплошного бурения

Лопастные долота

Изготавливаются лопастные долота двух типов: двухлопастные долота РХ («рыбий хвост») (рис. 3.1) и трехлопастные долота.

Д о л о т а РХ (рис. 3.1) применяются для бурения скважин в мягких породах (реже в породах средней твердости) преимущественно роторным способом. Верхняя часть долота имеет коническую резьбу для присоединения к бурильной колонне, нижняя часть – две лопасти.

В зависимости от расположения промывочных отверстий долота РХ разделяются на два типа:

1)с верхней промывкой (рис. 3.2, б ) , у которых промывочные отверстия имеют выход в верхних частях лопастей;

2)с нижней промывкой (рис. 3.2, а ), у которых выход

промывочных отверстий приближен к основаниям лопастей.

Эффективность долот РХ в значительной степени зависит от соответствия механическим и абразивным свойствам разбуриваемой породы выбранного профиля заправки лопастей долота (рис. 3.3), характеризующегося углом заострения β (между передней и задней гранями лопасти), тыловым углом γ (между задней гранью лопасти и плоскостью забоя) и углом резания α (между передней гранью и плоскостью забоя). Величина β имеет весьма существенное значение. Если угол будет большим, то лопасть получится толстой и эффективность работы долота будет снижена. Однако при малых углах заострения возможны наиболее частые поломки долота.

На эффективность работы долота существенно влияет и величина α. При бурении очень мягких пород целесообразно использовать малый угол резания. В случае же бурения мягких пород, перемежающихся породами средней твер-

5

дости, угол резания следует увеличивать.

Многолетний опыт эксплуатации лопастных долот привел к созданию трех типов профилей этих долот (см. рис. 3.3).

Рис. 3.3. Заправка лопастей долота:

1 – профиль № 1; 2 – профиль № 2; 3 – профиль № 3

Профиль № 1 предназначен для разбуривания вязких глин; профиль № 2 – для разбуривания песчаных и сланцевых глин, рыхлых песчаников, мягких известняков и др.; профиль № 3 – для разбуривания мергелей, сланцевых и гипсовых пропластков, меловых отложений и других не очень твердых пород.

Опыт бурения долотами РХ показал, что расположение отверстий для выхода промывочной жидкости в верхней части корпуса долота не всегда обеспечивает должную очистку забоя и хорошее охлаждение лопастей долота. Промывочная жидкость не доходит до забоя, а сразу же после выхода из отверстий поворачивает вверх и поднимается по затрубному пространству. На забое постепенно скапливается выбуренная порода, которая иногда доходит по высоте до промывочных каналов в долоте. В результате лопасти сильно нагреваются и долото быстро изнашивается.

В долотах РХ с нижней промывкой промывочные каналы подведены ближе к забою (10–15 см от забоя) и к периферии лопастей. Это обеспечивает лучшую очистку забоя, интенсивное охлаждение долота, увеличение давления струи на забой, что способствует более эффективному разрушению мягких пород.

6

Однако долота с нижней промывкой имеют определенные недостатки. При посадке на забой их промывочные отверстия легко забиваются, а при работе в вязких глинах на лопасти долота налипает выбуренная порода выше выхода струи жидкости из промывочных каналов. Перечисленные недостатки ограничивают приме-

нение долот РХ с нижней промывкой.

Т р е х л о п а с т н ы е д о л о т а (рис. 3.4) применяются для проходки мягких, но не вязких пород при роторном и турбинном способах бурения. Каналы для промывочной жидкости у долот этого типа подведены к каждой лопасти и находятся на расстоянии 100 мм от забоя. Основным преимуществом трехлопастных долот по сравнению с долотами РХ является более равномерное распределение осевой нагрузки, действующей на забой, что способствует более интенсивному разрушению породы.

Лопастные долота изготавливаются из высококачественной стали. Для увеличения износостойкости долота его лопасти навариваются (армируются) твердым сплавом.

Существует несколько способов армирования лопастных долот с одновременным применением твердых сплавов одного, двух или даже трех сортов. Наиболее распространенный метод армирования лопастей состоит в следующем. На лицевой поверхности лопастей заправленного по выбранному профилю долота угольным электродом выплавляются канавки, в которые в два слоя посредством вольтовой дуги наваривается зернистый твердый сплав. Кроме того, зернистый твердый сплав наваривается в один слой на всей площади лопасти долота и в три слоя – на ребрах. На зернистый твердый сплав в канавках наплавляют пластинчатый твердый сплав с соблюдением определенного порядка укладки пластин.

Шарошечные долота

Шарошечные долота успешно применяются при вращательном бурении пород самых разнообразных физико-механических свойств с промывкой забоя любой промывочной жидкостью. Созданы конструкции шарошечных долот с одной, двумя, тремя, четырьмя и даже с шестью шарошками. Наибольшее распространение получили трехшарошечные долота (рис. 3.5) диаметром от 93 до 490 мм.

Общий вид лапы шарошечного долота с подшипниками показан на рис. 3.6.

Присоединительная резьба

Для эффективного бурения горных пород с различными физико-механическими свойствами изготавливаются следующие типы трехшарошечных долот:

М – для мягких, вязких, пластичных и несцементированных пород (глины, мел,

гипс); МС – для мягких, вязких, пластичных и несцементированных пород с про-

пластками пластичных и хрупко-пластичных пород (глины, мел, гипс с пропластками мергеля, песчаника, сланца);

С– для пластичных и хрупко-пластичных пород средней твердости (мергели, песчаники, сланцы);

СТ – для пластичных и хрупко-пластичных пород средней твердости, переслаивающихся твердыми пропластками пород (мергели, песчаники, сланцы с пропластками загипсованного песчаника, сильно заглинизированного известняка и доломита);

Т – для хрупко-пластичных твердых и абразивных пород (песчаники, доломитизированный известняк, доломиты, ангидриты с доломитом);

ТК – для хрупко-пластичных твердых пород, перемежающихся с хрупкими твердыми и крепкими абразивными пропластками пород (песчаники, доломитизированный известняк, доломиты, ангидрит с пропластками окремнелых известняков и песчаников);

К – для хрупких крепких и абразивных пород (окремнелые известняки и песчаники).

Наибольшее распространение имеют долота, общий вид которых показан на рис. 3.7. Долота различных типов отличаются друг от друга размерами, шагом между зубьями, конструкцией зубьев, углом наклона оси шарошки к оси долота

иконфигурацией шарошек.

Сувеличением твердости горных пород рекомендуется применять долота с меньшей высотой зубьев и меньшим шагом между ними. Уменьшение высоты зубьев предотвращает их поломку при разбуривании твердых пород, а сокращение шага между зубьями увеличивает эффект дробления породы.

При бурении в мягких породах шлам часто налипает на шарошки, что снижает эффект работы долота и может даже привести к прихвату бурильной колонны. Поэтому зубчатые венцы на шарошках долот типа М, MС и С располагаются так, чтобы зубья одной шарошки могли очищать от налипающей породы промежутки между зубьями соседней шарошки. Такие долота называют долотами с самоочищающимися шарошками.

8

Рис. 3.7. Типы трехшарошечных долот: аРис–. 3тип.7. ТипыМтрехшарошеч; б – типныхТдолот; в –: тип С; г – тип К а – тип М; б – тип Т; в – тип С; г – тип К

Как видно из рис. 3.7, зубья долота типа К отличаются по конструкции от зубьев долот других типов. Шарошки у долот типа К имеют вставные зубья из твердого сплава с полусферической рабочей поверхностью. Разрушение породы этими долотами заключается в выкалывании последней в зоне контакта зуба с плоскостью забоя.

9

При бурении в весьма твердых породах долота типа К более эффективны по сравнению с обычными трехшарошечными долотами. Это объясняется уменьшением площади контакта сферических зубьев с породой при передаче нагрузки на долото. В связи с этим удельное давление на породу увеличивается по сравнению с обычными долотами при одинаковой осевой нагрузке. Кроме того, твердосплавные вставные сферические зубья изнашиваются гораздо медленнее, чем обычные призматические зубья.

Одним из основных узлов шарошечного долота является опора. При современных режимах бурения опоры долота должны воспринимать при высоких скоростях вращения шарошек значительные осевые нагрузки. Однако вследствие ограниченных габаритов шарошек приходится применять довольно несовершенные подшипники.

Опоры типа I (две опоры скольжения и одна опора качения – шариковая) имеют долота малых диаметров (от 93 до 135 мм); опоры типа II (одна опора скольжения и две опоры качения – роликовая и шариковая) имеют долота средних диаметров (от 140 до 190 мм); опоры типа III (три опоры качения – роликовая, шариковая, роликовая) имеют долота больших диаметров (от 214 до 490 мм) (рис. 3.5 и 3.6).

Опоры трехшарошечных долот не имеют обойм. Для изоляции опор долота от промывочной жидкости, насыщенной абразивными частицами выбуренной породы, и обеспечения их принудительной смазки в сложных условиях, бурении на больших глубинах изготавливаются долота с герметизированными опорами.

Продолжительность работы долота на забое зависит от долговечности опоры и износостойкости зубьев шарошки. Правильно сконструированные, изготовленные и собранные опоры шарошек должны быть более долговечными, чем зубья шарошек. При этом условии обеспечивается эффективная безаварийная работа долота на забое скважины.

Размеры, форма и расположение промывочных отверстий оказывают большое влияние на эффективность работы долота. Струя промывочной жидкости очищает зубья шарошек от шлама, охлаждает рабочие элементы долота и смазывает подшипники шарошек.

Наилучшая очистка забоя от шлама в случае разбуривания твердых пород достигается при направлении струи промывочной жидкости непосредственно на забой. При бурении же в пластичных липких породах направлять струю промывочной жидкости на забой целесообразно только при большой производительности буровых насосов, при которой шарошки в достаточной степени очищаются омывающими их турбулентными потоками жидкости, отражающимися от забоя. При малой производительности буровых насосов струи жидкости, направленные на забой, не в состоянии обеспечить очистку шарошек от липкой породы. В результате уменьшается удельное давление на породу и скорость бурения резко снижается. В этих условиях наилучшие результаты получаются при направлении струй не на забой, а на шарошки.

В мягких и рыхлых породах струи жидкости, направленные на забой, не только удаляют шлам, но и разрушают породу за счет возникающего при движении жидко-

10