Вибір технічних засобів для буріння геологорозвідувальних свердловин
Для успішного спорудження свердловини необхідний повний раціональний комплекс технічних засобів, що забезпечує ефективне виконання всіх операцій з буріння свердловини. Технічні засоби для буріння (як і на інших виробництвах) включають три групи:
-прилади та засоби контролю, автоматизації та управління.
Вибір бурової установки.
БУРОВА УСТАНОВКА - комплекс механізмів та споруд необхідний та достатній для спорудження (буріння) свердловини.
Бурова установка може бутиєдиноюабоскладовою. У єдиній установці всі механізми та споруди є невід'ємними частинами цієї установки, що комплектуються як один цілий агрегат. Складова бурова установка збирається з окремих складових агрегатів та споруд, що випускаються незалежно один від одного, тобто. збирається з так званих "покупних виробів". До складу такої установки входять:буровий агрегат,вантажопідйомна споруда -вишка або щогла,основа або транспортна базатабурова будівля або укриття.
Буровий агрегатвключає буровийверстаті буровийнасос.Крім того, буровий агрегат можуть включати труборозворот і в деяких випадках компресор.
В єдиній буровій установці є ті ж частини, але буровий верстат не виділяється окремо, а є її нерозривною частиною, причому окремі механізми (обертач, лебідка, трансмісія, гідравлічна система) включені в установку як самостійні вузли.
Термін«буровий верстат»як самостійна одиниця, характерний тільки для шпиндельних верстатів. Бурові установки з роторним і рухомим обертачем іноді для стислості також називають буровий верстат, що неточно, але широко прийнято. В даний час установки зрухомим обертачем стають переважаючими і замінюють шпиндельні верстати, що з такою заміною термінів можна погодиться, тобто.«буровий верстат з рухомим обертачем»
Транспортабельність -другий підхідрозподілу бурових установок на групи. За транспортабельністю установки діляться напереносніе,самохідніе,пересувнітастаціонарні.Головним принципом вибору типу установки з транспортабельності логічно вважати співвідношення часу на буріння свердловини та часу на переміщення та монтаж установки, природно з урахуванням та інших факторів.
Тип обертача
Бурові верстатиі єдині бурові установки принципово діляться на три групи потипу обертача(нагадаємо, що йдеться про механічне обертальне буріння): - Верстати зроторним,шпиндельнимі зрухомим обертачем. Кожен з цих типів верстатів має свої переваги та недоліки і, відповідно, свої раціональні сфери застосування.
Роторний обертач являє собою диск, що водиться в обертання, встановлений на підставі бурової установки і має по центру вставку з фігурним (зазвичай квадратним) отвором. Через цей отвір пропускається такого ж перерізу (зазвичай квадратного) довга провідна труба, яка часто називається "квадрат". Обертання і момент, що крутить, від ротора передається на провідну трубу і, отже, на весь буровий снаряд. При цьому провідна труба може вільно ковзати в отворі ротора і переміщатися в осьовому напрямку всю свою довжину. Ротор тільки обертає буровий снаряд і не бере участі ні в осьовому переміщенні, ні в регулюванні зусиль, що передаються на провідну трубу і, отже, в регулюванні осьового навантаження на породоруйнівний інструмент (П.Р.І.).
Гідністьустановок з роторним обертачем - простота і надійність пристрою, і головне можливість буріння без зупинки і на всю довжину провідної труби, що досягає розвідувального буріння, 6-8 м.
Недоліки - обмежені можливості в якісному регулюванні осьового навантаження на ПРІ, неможливість забурювання похило-спрямованих свердловин, невисока частота обертання (зазвичай до 350 об/хв).
Шпиндельний обертач включає пустотілий вал - "шпиндель", через який пропускається провідна бурильна труба круглого перерізу. На кінцях шпинделя є затискні патрони, які надійно закріплюють у шпинделі провідну трубу, забезпечуючи передачу їй обертання, моменту, що крутить, і осьових зусиль. У сучасних схемах шпиндельних обертачів у вітчизняних верстатах, жорстко на шпинделі закріплений один верхній патрон, а нижній затискний патрон закріплений на втулці, що обертається, але не має осьового переміщення.
Шпиндель отримує обертальний рух через шліцеве з'єднання від трансмісії верстата і при цьому може переміщатися в осьовому напрямку, під дією осьових зусиль, що передаються йому від гідравлічної (або механічної в старих верстатах) системи подачі. Безперервне поздовжнє переміщення - хід шпинделя, залежить від його довжини та ходу подачі і зазвичай становить 40-60 см. (у зарубіжних верстатів до 1,1м.) Такий обмежений малий хід шпинделя є головним недоліком шпинделя, У сучасних верстатах він майже повністю компенсується наявністю "автоперехоплення". Іншим недоліком шпиндельних верстатів є неможливість нарощування бурильних труб без відриву бурового снаряда від вибою свердловини, хоча є важлива можливість нарощувати провідну трубу через її верхній кінець, але вона на практиці в шпиндельних верстатах практично нереалізується.
Оскільки в даний час при бурінні свердловин глибиною понад 200 – 300 метрів у більшості випадків використовуються снаряди зі знімним керноприймачем, нарощування бурильних труб повинно виконуватись без відриву бурового снаряда від вибою. Такий варіант можливий і при використанні шпиндельних верстатів, якщо прохідний отвір шпинделя і патронів затискних пропускає основні розміри труб для ССК. Така можливість є у шпиндельного верстата СКБ-7 та сучасних шпиндельних верстатів СКБ-5, у китайському верстаті GY – 600 та інших із прохідним перерізом шпинделя та затискних патронів понад 70 мм, тобто. пропускаючих труб основних розмірів ССК.
Достоїнствами верстатів зі шпиндельним обертачем є високі можливості якісного регулювання осьових зусиль (осьове навантаження на ПРІ) та швидкості поглиблення, компактність верстата, можливість буріння свердловин під будь-яким кутом до горизонту, а також близьке розташування обертача до гирла свердловини, що знижує можливість вібрації бурового. високі швидкості обертання.
Рухомий обертач включає напрямну щоглу, по якій переміщається сам механізм обертача, що отримує обертання і крутний момент або від вертикального валу, або від автономного двигуна, як правило, гідромотора, закріпленого на механізмі обертача і складника з ним одне ціле.
Є два варіанти верстатів з рухомим обертачем - верхньопривідний, що приєднується до верхнього кінця верхньої труби бурового снаряда, і прохідний із затискним патроном, через який проходить верхня труба снаряда і закріплюється в ньому як у шпиндельних верстатів.
Верхньопривідний рухомий обертач приєднується до верхнього кінця верхньої бурильної труби (провідної труби як такої не потрібно) і, таким чином, передаєобертання, момент, що крутить, і осьові зусилля безпосередньо на весь буровий снаряд. Безперервний хід обертача залежить від висоти (довжини) направляючої щогли, і досягає від 1,2 - 1,8 м для маленьких верстатів, 2,8 - 3,5 м, для верстатів високооборотного (зазвичай алмазного) буріння до 5-8 і навіть до 12 метрів для верстатів з невисокими швидкостями обертання, але розвивають великий момент, що крутить. Осьові зусилля на обертач і, отже, на буровий снаряд створюються гідравлічною системою (виключення УКБ 12/25 та аналогічні легкі бурові установки з механічною або електроприводною подачею) що дозволяє якісно регулювати осьове навантаження та швидкість поглиблення. Таким чином, верстати з рухомим обертачем поєднують у собі переваги і роторних - великий безперервний хід подачі, і шпиндельних - хороша якість регулювання осьового навантаження та швидкості поглиблення. До недоліків можна віднести - велике видалення обертача від гирла свердловини, що може викликати вібрацію та обмежує застосування високих обертів при великому ході обертача (для алмазного високооборотного буріння роблять верстати з ходом подачі зазвичай не більше 3,5 м) і не компактність конструкції (жорстка прив'язка) до направляючої щогли).
Зараз широко впроваджуються верстати з прохідним рухомим обертачем, у яких, як і в шпиндельних, провідна труба пропускається через патрон затискний обертача. При цьому можуть застосовуватися бурильні труби вдвічі довші за хід обертача.
Останнім часом відбувається заміна роторних та шпиндельних верстатів на верстати з рухомим обертачем – за кордоном цей процес переважає, у нас нові верстати теж проектуються з рухомим обертачем.
Заміна роторного буріння на буріння з рухомим обертачем відбувається і при бурінні нафтогазових свердловин, правда там він називається верхнійпривід».
Тип подачі
Крім транспортабельності та типу обертача бурові верстати (установки) поділяються за принципом подачі.
Подача- комплексне поняття, що визначає, як здійснюєтьсяосьове переміщенняпровідної труби, і, отже, бурового снаряда, включаючи можливість регулюванняшвидкості поглиблення, та управління величиноюосьового навантаження на ПРИз урахуваннямваги бурового снаряда.
У бурових верстатах використовується три варіанти "подачі" - вільна (з гальма лебідки), механічна та гідравлічна.
Вільна подача використовує для створення осьового навантаження на ПРИ лише вагу бурового снаряда. Управління осьовим навантаженням при цьому проводиться або збільшенням ваги снаряда за рахунок обтяжених бурильних труб - УБТ (поки мала глибина свердловини і вага снаряда менше потрібного осьового навантаження), або (коли вага снаряда більше потрібного осьового навантаження) створенням розвантаження за рахунок гальма лебідки ваги натягом каната, закріпленого за верхній кінець провідної труби Також гальмом лебідки можна регулювати швидкість поглиблення. Вільна подача характерна для верстатів із роторним обертачем.
Ручна подача широко застосовувалася в старих верстатах, був її різновид - ручна важільна. У сучасних верстатів ручна подача є лише у найменших верстатів типу УКБ 12/25 і подібних до нього, де вона виконана в ланцюговій схемі з ручним приводом у поєднанні з рухомим обертачем.
Механічна подача - гвинтова диференціальна, остання має певні переваги (компактність, універсальність) і ще зустрічається у зарубіжних верстатах.
Механічна ланцюгова подача є в одному зі верстатів роторного типу - УРБ-2,5 А. Останнім часом випускаютьсялегкі бурові установки з подачею за допомогою електроприводних лебідок (Кама 2,3,4 та ін).
Гідравлічна подача використовує для управління зусиллями та швидкістю осьового руху обертача гідроциліндри, що дозволяють у широких межах в обох напрямках (вниз і вгору) і з високою точністю регулювати зусилля та швидкість руху шпинделя. При цьому керування такою подачею здійснюється легко, оперативно, точно контролюється приладами та добре піддається автоматизації. Крім того, система гідроподачі може використовуватися як домкрат, розвиваючи зусилля до 15 тонн і більше.
Для буріння геологорозвідувальної свердловини потрібно вибрати бурову установку одного з трьох варіантів: роторна самохідна установка з вільною подачею, буровий шпиндельний верстат з гідравлічною подачею (у складі установки), верстат (установка) з рухомим обертачем і з гідравлічною подачею. Роторні установки раціонально застосовувати при бурінні свердловин з переважанням безкернового буріння в м'яких або середньої буримості породах, де буріння йде швидко, а величина осьової навантаження на ПРИ не має істотного значення. Шпиндельні верстати, навпаки, краще використовувати при колонковому бурінні алмазними коронками в найбільш важко бурих породах, де особливо важливо забезпечити високі оберти без вібрації і якісне регулювання осьового навантаження і швидкості поглиблення. Верстати з рухомим обертачем, поєднуючи переваги і роторних і шпиндельних, є більш універсальними і можуть замінювати верстати перших двох типів. При цьому треба враховувати, що серед верстатів з рухомим обертачем є малооборотні (УРБ-2А-2 та ін) і високооборотні (АБ-2, АБ-5, РБК-4 та зарубіжні), перші більш підходять для заміни роторних, другі шпиндельних верстатів. Однак слід мати ввиду, що вітчизняні верстати з рухомим обертачем тільки починають впроваджуватись (крім УРБ-2А-2) і не охоплюють усіх параметрів наявних роторних та шпиндельних верстатів. Слід зазначити, що останнє десятиліття нашій країні дедалі частіше починають застосовувати зарубіжні верстати з рухомим обертачем. Найбільш поширені верстати канадської компанії Boart Longyear - LF90, верстати компанії Atlas Copco Craelius серії DIAMEC та деякі інші, включаючи китайські.
Номенклатура наявних нашій країні бурових верстатів і установок з основними параметрами наведено у табл. 3. У таблиці наводяться лише типові представники серій аналогічних установок.