Выбор технических средств для бурения геологоразведочных скважин.

Для успешного сооружения буровой скважины необходим полный рациональный комплекс технических средств, обеспечивающий эффективное выполнение всех операций по бурению скважины. Технические средства для бурения(как и на других производствах) включают три группы:

- буровое оборудование,

- буровой инструмент,

- приборы и средства контроля, автоматизации иуправления.

Выбор буровой установки.

БУРОВАЯ УСТАНОВКА- комплекс механизмов и сооружений необходимый и достаточный для сооружения (бурения) буровой скважины.

Буровая установка может быть единой или составной. В единой установке все механизмы и сооружения являются неотъемлемыми частями этой установки, комплектуются как один целый агрегат. Составная буровая установка собирается из отдельных составных агрегатов и сооружений, выпускаемых независимо друг от друга, т.е. собирается из так называемых "покупных изделий". В состав такой установки входят: буровой агрегат, грузоподъемное сооружение - вышка или мачта, основание или транспортная база и буровое здание или укрытие.

Буровой агрегат включает буровой станок и буровой насос. Кроме того, в буровой агрегат могут включать труборазворот и в некоторых случаях компрессор.

В единой буровой установке имеются те же части, но буровой станок не выделяется отдельно, а является ее неразрывной частью, причем отдельные механизмы (вращатель, лебедка, трансмиссия, гидравлическая система) включены в установку как самостоятельные узлы.

Термин «буровой станок» как самостоятельная единица, характерен только для шпиндельных станков. Буровые установки с роторным и с подвижным вращателем иногда для краткости также называют буровой станок, что неточно, но широко принято. В настоящее время установки с подвижным вращателем становятся преобладающими и заменяют шпиндельные станки, так,что с такой заменой терминов можно согласится, т.е. «буровой станок с подвижным вращателем»

Транспортабельность - второй подходделения буровых установок на группы. По транспортабельности установки делятся на переносные, самоходные, передвижные и стационарные. Главным принципом выбора типа установки по транспортабельности логично считать соотношение времени на бурение скважины и времени на перемещение и монтаж установки, естественно с учетом и других факторов.

Тип вращателя

Буровые станки и единые буровые установки принципиально делятся на три группы по типу вращателя (напомним, что речь идет о механическом вращательном бурении): - станки с роторным, шпиндельным и с подвижным вращателем. Каждый из этих типов станков имеет свои достоинства и недостатки и, соответственно, свои рациональные области применения.

Роторный вращатель представляет собой приводимый во вращение диск, установленный на основании буровой установки и имеющий по центру вставку с фигурным (обычно квадратным) отверстием. Через это отверстие пропускается такого же сечения (обычно квадратного) длинная ведущая труба, часто называемая "квадрат". Вращение и крутящий момент от ротора передается на ведущую трубу и, следовательно, на весь буровой снаряд. При этом ведущая труба может свободно скользить в отверстии ротора и перемещаться в осевом направлении на всю свою длину. Ротор только вращает буровой снаряд и не участвует ни в осевом перемещении, ни в регулировании усилий передаваемых на ведущую трубу и, следовательно, в регулировании осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент (П.Р.И.).

Достоинство установок с роторным вращателем - простота и надежность устройства, и главное возможность бурения без остановки и на всю длину ведущей трубы, достигающей в разведочном бурении, 6-8 м.

Недостатки - ограниченные возможности в качественном регулировании осевой нагрузки на ПРИ, невозможность забуривания наклонно-направленных скважин, невысокая частота вращения (обычно до 350 об/мин.).

Шпиндельный вращатель включает в себя пустотелый вал - "шпиндель", через который пропускается ведущая бурильная труба круглого сечения. На концах шпинделя имеются зажимные патроны, которые надежно закрепляют в шпинделе ведущую трубу, обеспечивая передачу ей вращения, крутящего момента и осевых усилий. В современных схемах шпиндельных вращателей в отечественных станках, жестко на шпинделе закреплен один верхний патрон, а нижний зажимной патрон закреплен на вращающейся, но не имеющей осевого перемещения, втулке.

Шпиндель получает вращательное движение через шлицевое соединение от трансмиссии станка и при этом может перемещаться в осевом направлении, под действием осевых усилий передаваемых ему от гидравлической (или механической в старых станках) системы подачи. Непрерывное продольное перемещение - ход шпинделя, зависит от его длины и хода подачи и обычно составляет 40-60 см. (у зарубежных станков до 1,1м.) Такой ограниченный малый ход шпинделя является главным недостатком шпиндельных станков, В современных станках он почти полностью компенсируется наличием "автоперехвата". Другим недостатком шпиндельных станков является невозможность наращивания бурильных труб без отрыва бурового снаряда от забоя скважины, хотя имеется принципиальная возможность наращивать ведущую трубу через ее верхний конец, но она на практике в шпиндельных станках практически не реализуется.

Поскольку в настоящее время при бурении скважин глубиной более 200 – 300 метров в большинстве случаев используются снаряды со съемным керноприемником, наращивание бурильных труб должно выполняться без отрыва бурового снаряда от забоя. Такой вариант возможен и при использовании шпиндельных станков, если проходное отверстие шпинделя и зажимных патронов пропускает основные размеры труб для ССК. Такая возможность есть у шпиндельного станка СКБ-7 и современных шпиндельных станков СКБ-5, в китайском станке GY – 600 и других с проходным сечением шпинделя и зажимных патронов более 70 мм, т.е. пропускающих трубы основных размеров ССК.

Достоинствами станков со шпиндельным вращателем являются высокие возможности качественного регулирования осевых усилий (осевая нагрузка на ПРИ) и скорости углубки, компактность станка, возможность бурения скважин под любым углом к горизонту, а также близкое расположение вращателя к устью скважины, что снижает возможность вибрации бурового снаряда при высоких скоростях вращения.

Подвижный вращатель включает направляющую мачту, по которой перемещается сам механизм вращателя, получающий вращение и крутящий момент либо от вертикального вала, либо от автономного двигателя, как правило, гидромотора, закрепленного на механизме вращателя и составляющего с ним одно целое.

Имеется два варианта станков с подвижным вращателем – верхнеприводный, присоединяемый к верхнему концу верхней трубы бурового снаряда, и проходной с зажимным патроном, через который проходит верхняя труба снаряда и закрепляется в нем как у шпиндельных станков.

Верхнеприводный подвижный вращатель подсоединяется к верхнему концу верхней бурильной трубы (Ведущей трубы как таковой не требуется) и, таким образом, передает вращение, крутящий момент и осевые усилия непосредственно на весь буровой снаряд. Непрерывный ход вращателя зависит от высоты (длины) направляющей мачты, и достигает от 1,2 – 1,8 м для маленьких станков, 2,8 - 3,5 м, для станков высокооборотного (обычно алмазного) бурения и до 5-8 и даже до 12 метров для станков с невысокими скоростями вращения, но развивающих большой крутящий момент. Осевые усилия на вращатель и, следовательно, на буровой снаряд создаются гидравлической системой (исключение УКБ 12/25 и аналогичные легкие буровые установки с механической или электроприводной подачей) что позволяет качественно регулировать осевую нагрузку и скорость углубки. Таким образом, станки с подвижным вращателем сочетают в себе достоинства и роторных - большой непрерывный ход подачи, и шпиндельных - хорошее качество регулирования осевой нагрузки и скорости углубки. К недостаткам можно отнести - большое удаление вращателя от устья скважины, что может вызвать вибрацию и ограничивает применение высоких оборотов при большом ходе вращателя (для алмазного высокооборотного бурения делают станки с ходом подачи обычно не более 3,5 м) и не компактность конструкции (жесткая привязка к направляющей мачте).

Сейчас широко внедряются станки с проходным подвижным вращателем, в которых, как и в шпиндельных, ведущая труба пропускается через зажимной патрон вращателя. При этом могут применяться бурильные трубы вдвое длиннее хода вращателя.

В последнее время происходит замена роторных и шпиндельных станков на станки с подвижным вращателем - за рубежом этот процесс преобладает, у нас новые станки тоже проектируются с подвижным вращателем.

Замена роторного бурения на бурение с подвижным вращателем происходит и при бурении нефтегазовых скважин, правда там он называется «верхний привод».

Тип подачи

Кроме транспортабельности и типа вращателя буровые станки (установки) разделяются по принципу подачи.

Подача - комплексное понятие, определяющее, как осуществляется осевое перемещение ведущей трубы, и, следовательно, бурового снаряда, включая возможность регулирования скорости углубки, и управление величиной осевой нагрузки на ПРИ с учетомвеса бурового снаряда.

В буровых станках используется три варианта "подачи" - свободная (с тормоза лебедки), механическая и гидравлическая.

Свободная подачаиспользует для создания осевой нагрузки на ПРИ только вес бурового снаряда. Управление осевой нагрузкой при этом производится либо увеличением веса снаряда за счет утяжеленных бурильных труб - УБТ (пока малая глубина скважины и вес снаряда меньше нужной осевой нагрузки), либо (когда вес снаряда больше нужной осевой нагрузки) созданием разгрузки за счет тормоза лебедки сдерживающего лишнюю часть веса натяжением каната, закрепленного за верхний конец ведущей трубы. Так же тормозом лебедки можно регулировать скорость углубки. Свободная подача характерна для станков с роторным вращателем.

Ручная подача широко применялась в старых станках, была её разновидность - ручная рычажная. У современных станков ручная подача имеется лишь у самых маленьких станков типа УКБ 12/25 и ему подобных, где она выполнена в цепной схеме с ручным приводом в сочетании с подвижным вращателем.

Механическая подача- винтовая дифференциальная, последняя имеет определенные достоинства (компактность, универсальность) и еще встречается в зарубежных станках.

Механическая цепная подача имеется в одном из станков роторного типа – УРБ-2,5 А. В последнее время выпускаются легкие буровые установки с подачей с помощью электроприводных лебедок («Кама 2,3,4» и др.).

Гидравлическая подачаиспользует для управления усилиями и скоростью осевого движения вращателя гидроцилиндры, позволяющие в широких пределах в обоих направлениях (вниз и вверх) и с высокой точностью регулировать усилия и скорость движения шпинделя. При этом управление такой подачей осуществляется легко, оперативно, точно контролируется приборами и хорошо поддается автоматизации. Кроме того, система гидроподачи может использоваться как домкрат, развивая усилие вверх до 15 тонн и более.

Для бурения геологоразведочной скважины предстоит выбрать буровую установку одного из трех вариантов: роторная самоходная установка со свободной подачей, шпиндельный буровой станок с гидравлической подачей (в составе установки), станок (установка) с подвижным вращателем и с гидравлической подачей. Роторные установки рационально применять при бурении скважин с преобладанием бескернового бурения в мягких или средней буримости породах, где бурение идет быстро, а величина осевой нагрузки на ПРИ не имеет существенного значения. Шпиндельные станки, наоборот, лучше использовать при колонковом бурении алмазными коронками в наиболее трудно буримых породах, где особо важно обеспечить высокие обороты вращения без вибрации и качественное регулирование осевой нагрузки и скорости углубки. Станки с подвижным вращателем, сочетая достоинства и роторных и шпиндельных, являются более универсальными, и могут заменять станки первых двух типов. При этом надо учитывать, что среди станков с подвижным вращателем есть малооборотные (УРБ-2А-2, и др.) и высокооборотные (АБ-2, АБ-5, РБК-4 и зарубежные), первые более подходят для замены роторных, вторые шпиндельных станков. Однако следует иметь в виду, что отечественные станки с подвижным вращателем только начинают внедряться (кроме УРБ-2А-2) и не охватывают всех параметров имеющихся роторных и шпиндельных станков. Следует отметить, что в последнее десятилетие в нашей стране все чаще начинают применять зарубежные станки с подвижным вращателем. Наиболее распространены станки канадской компании Boart Longyear - LF90, станки компании Atlas Copco Craelius серии DIAMEC и некоторые другие , включая китайские.

Номенклатура имеющихся в нашей стране буровых станков и установок с основными параметрами приведена в табл. 3. В таблице приводятся только типичные представители серий аналогичных установок.

Таблица7