Роторный способ бурения

Роторный способ бурения

В последние годы роторный способ бурения скважин на воду получил неоправданно большое распространение и усиленно рекламируется как прогрессивный, знаменующий собой внедрение в производство новой техники, и в то же время экономически очень выгодный. Однако роторный способ бурения противопоказан для сооружения разведочно-эксплуатационных скважин на воду.

Роторный способ для бурения  скважин на воду был механически  заимствован из практики бурения  на нефть, т. е. из области, в которой  он уже почти полностью заменен  турбинным бурением. В свое время  роторное бурение получило распространение  в нефтяной промышленности вследствие большей механической скорости проходки в породах низких категорий по буримости и возможности более  быстрого, чем при ударном бурении, достижения относительно больших глубин (1500—2000—3000 м), на которых обычно залегают нефтяные пласты.

Другим фактором, обусловившим внедрение роторного способа  бурения на нефть, был значительно  меньший, чем при ударном бурении, расход обсадных труб; при роторном бурении выход колонны обсадных труб одного диаметра может достигать  нескольких сотен метров. Благодаря  этому значительно снижается  стоимость глубоких скважин, пробуренных  роторным способом в мягких породах, представляющих геологический разрез нефтяных месторождений юга СССР. К тому же следует учесть, что  проходка скважины глубиной 2000—3000 м  ударно-канатным способом практически  просто неосуществима и поэтому  внедрение роторного и турбинного способов бурения в нефтяной промышленности было обусловлено технической необходимостью и экономической целесообразностью.

Из данных, приведенных  в таблице, видно, что удельные дебиты скважин ударного бурения намного  больше, чем удельные дебита скважин, пробуренных вращательным способом.

М. А. Хордикайнен также  считает, что единственной причиной относительно меньших дебитов скважин  в районе Джезказгана является специфика  технологии вращательного бурения, способствующая почти необратимой  кольматации трещин и каверн в  породах, прилегающих к водоприемной части.

Полную кольматацию водоносного  горизонта в результате промывки скважин глинистым раствором  при роторном бурении подтверждает и З. М. Вортман 1. Он описывает случай, когда на основании данных роторного  бурения было дано заключение о невозможности  получения 

                                                    1

необходимого дебита на участке  водозабора в районе Белгорода. Однако в результате контрольного бурения  ударно-канатным способом и опробования  скважины оказалось, что действительный дебит в 40 раз больше, чем ранее  установленный, и вполне обеспечивает потребителя.

Много аналогичных примеров приводит З. М. Вортман также в  своей книге «Практика ударно-канатного  бурения на воду» (1966).

При бурении одиночных  разведочно-эксплуатационных скважин, выполняемом, как правило, без предварительной  разведки, исследование, опробование  и выбор для эксплуатации водоносного  горизонта должны решаться в процессе сооружения скважин.

Требования же и условия  технологии роторного бурения исключают  возможность технически правильного 'ведения гидрогеологических наблюдений и соответствующего опробования  проходимых горизонтов.

Серьезным техническим недостатком  роторного бурения является также  ограниченность начальных диаметров, не превышающих в настоящее время 406 мм. Бурение инструментом большего диаметра связано с техническими затруднениями, резко снижает механическую скорость проходки и вызывает преждевременный  износ станков.

Изложенное позволяет  сделать вывод, что роторный способ можно применять для бурения  глубоких одиночных разведочно-эксплуатационных скважин при недостаточной изученности  района только тогда, когда бурение  ударно-канатным способом технически неосуществимо или явно нерентабельно, или для бурения скважин на участках групповых водозаборов  после того, как эти участки  были ранее детально разведаны и  опробованы в гидрогеологическом отношении.

Для сравнительной оценки всех преимуществ и недостатков  того и другого вида бурения на воду необходимо рассмотреть еще  два фактора: глубину скважин  и стоимость бурения. Известно, что  роторное бурение имеет решающее преимущество перед ударно-канатным, когда необходимо бурить скважины большой  глубины (1000—3000 м).Подземные же воды, используемые для водоснабжения, на территории СССР находятся на сравнительно небольших глубинах. Исключение представляют или сравнительно малые районы (например, восточной части Украины), или  пока еще слабо освоенные территории страны (отдельные участки Западной Сибири, северо-восточного Казахстана, Прикаспийской низменности и  т. п.), где глубины скважин достигают 700—800 м и более.

                                                 2

Это положение может быть иллюстрировано данными о распределении  разведочно-эксплуатационных скважин  на воду по глубине (в %), пробуренных  одной из ведущих буровых организаций  на территории СССР с 1955 по 1960 г.

Из этих данных видно, что  скважины глубиной до 100 м составляют 62,2% их общего количества, а скважины глубиной до 150 м — почти 80%. Приведенные  данные относятся в основном к  скважинам, пробуренным для промышленных объектов, в сельском хозяйстве около 70% скважин имеют глубину от 50 до 100 м. Сооружение скважин такой  глубины ударно-канатным способом обычно не встречает никаких серьезных  технических затруднений.

В качестве одного из самых  веских доводов часто приводят мнимую дешевизну роторного бурения. Для  доказательства неправильности этого  положения можно привести характерные  геологические разрезы скважин: на глубину 75 м (Центральный район, рис. 33), 125 м (Среднее Поволжье, рис. 34), 220 м (Центральный район, рис. 35) и 250 м (Прикубанская депрессия, рис. 36). Для каждого из разрезов приведены проектные конструкции  скважин в двух вариантах: для  ударно-канатного и роторного  бурения.

При расчете сметной стоимости ² скважины глубиной 75 м для обоих способов бурения (рис. 33) были приняты следующие категории буримости пород:

При этом стоимость бурения  скважины ударно-канатным способом бурения  составила 3,3 тыс. руб. (стоимость бурения 1 м — 44 руб.), а стоимость бурения  скважины роторным способом — 3,0 тыс. руб. (стоимость бурения 1 м — 40 руб.)

 

 

 

 

                                                       3

При определении сметной  стоимости скважины глубиной 125 м  для обоих способов бурения (рис. 34) были приняты следующие категории  буримости пород:

При расчете сметной стоимости  скважины глубиной 220 м (рис. 35) были приняты  следующие категории буримости  пород:

При этих условиях стоимость  бурения скважины ударно-канатным способом составит 19,5 тыс. руб. (стоимость бурения 1 м 88 р. 63 к), а стоимость бурения  скважины роторным способом бурения 18,3 тыс. руб. (стоимость бурения 1 м — 83 р. 18 к).

 

 

 

 

 

 

                                                    4

Для расчета сметной стоимости  скважины глубиной 250 м для обоих  способов бурения (рис. 36) были приняты  следующие категории буримости  пород:

Стоимость бурения скважины ударно-канатным способом составила 10,6 тыс. руб. (стоимость бурения 1 м — 42 р. 40 к.), а стоимость бурения  скважины роторным способом 11,1 тыс. руб. (стоимость бурения 1 м — 44 р. 40 к.).

 

 

 

 

 

                                                      5

Во всех четырех разрезах преобладают породы легкой и средней  буримости, что вполне благоприятно для роторного бурения.

Для бурения роторным способом предусмотрены электрокаротаж и  гамма-каротаж, фильтры одинаковые для скважин того и другого  вида бурения; продолжительность опробования  скважин при помощи воздушного подъемника одинакова. Однако на восстановление водоотдачи и опробование скважины, пробуренной  роторным способом, всегда затрачивается  в несколько раз больше времени, чем только на опробование скважины, пробуренной ударно-канатным способом.При  сопоставлении стоимости бурения  и опробования оказывается, что  в первом примере роторное бурение  дешевле ударно-канатного на 9%, во втором — на 4%, а в третьем —  на 6%. В четвертом примере, наоборот, роторное бурение оказывается даже на 0,5% дороже, чем ударно-канатное, так  как при последнем предусмотрено  извлечение трех колонн труб.

                                                  6

Из приведенных примеров видно, что и по стоимости проведения работ роторное бурение не имеет  решающего преимущества над ударно-канатным.

Техническая характеристика установок роторного бурения  приведена в табл. 16.

Роторное бурение

Роторное бурение (беспрерывное вращательное бурение) состоит в разрушении (крошением, резанием) пород в забое скважинысоответствующими долотами и выносе их глинистым раствором, водой или сжатым воздухом при одновременном охлаждениибурового инструмента.

Роторное бурение - это  способ проходки разведочных и эксплуатационных скважин, при котором вращение на долото передается через колонну  бурильных труб от ротора, расположенного на поверхности.Роторное бурение следует использовать при выполнении следующих условий:

1. хорошо изученный геолого-гидрогеологический разрез участка бурения;

                                          7

2. заранее разведанные и опробованные водоносные горизонты, для которых имеется подробная характеристика качества и количества воды;
3. горизонты воды характеризуются большими напорами;
4. возможность проведения каротажа скважины;
5. возможность бесперебойной доставки воды и глины к месту бурения.

В настоящее время в  нашей стране широкое применение получили следующие виды роторного  бурения: с прямой промывкой глинистым  раствором и водой (комбинированный), с обратной промывкой водой, с  продувкой сжатым воздухом, шнековый.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                               8

       Роторное бурение с прямой промывкой глинистым раствором

Этот способ имеет некоторые  преимущества и может быть рекомендован для бурения различных пород  и заканчивания скважины, исключающего кольматацию пласта, а также при  применении испытателей пластов, опережающего способа опробования на стадии поисково-разведочных  работ. Роторный способ бурения может  быть осуществлен следующими буровыми установками: СБДУМ-150-ЗИВ, УРБ-2, УРБ-2,5А; УРБ-3АМ, 1БА-15В, УБВ-600; БУ80БРД, УРБ-3А3, УРБ-3А2.

Преимущества:

1. высокие механические и коммерческие скорости бурения;
2. возможность бурения пород различной твердости на различной глубине;
3. небольшая металлоемкость конструкции.

Недостатки:

1. при использовании глинистого раствора возникает трудность качественного опробования водоносных пластов и их освоения, что приводит к снижению дебита скважины, требует проведения длительных и сложных работ по ее разглинизации;
2. необходимость снабжения установок водой и качественной глиной;
3. трудности бурения в породах, содержащих валунно-галечниковые включения, поглощающие промывочную жидкость;
4. трудности организации работ в зимнее время при отрицательных температурах.

                                                                                  

 

 

 

 

 

 

                                                                   9

Роторное бурение  с обратной промывкой водой

При этом способе бурения  скважину промывают водой, которая  поступает на забой между стенками скважины и бурильных труб. Разрушенная  порода и вода (шлам) поднимаются  с забоя по трубам бурильной колонны  и через резиновый рукав поступают  в отстойник, где вода очищается  от шлама и снова, самотеком, направляется в затрубное пространство скважины. Вода, омывая, охлаждает долото, а  затем, смешиваясь с разрушенной  породой, всасывается при помощи эрлифта или центробежного насоса в отстойник. При этом уровень  воды в скважине должен быть постоянно  на 3-4 метра выше статического уровня водоносного горизонта. Если от устья  скважины до глубины статического уровня залегают неустойчивые породы (пески, супеси), то этот интервал закрепляют трубами.

Преимущества:

1. высокие механические скорости бурения в мягких и рыхлых породах, превышающие аналогичные показатели при бурении с прямой промывкой в 1,5-2 раза;
2. высокое качество вскрытия пласта, обеспечивающее высокие дебиты;
3. возможность бурения скважины больших диаметров (до 1200-1500 мм).

Недостатки:

1. возможность бурения только в мягких и рыхлых породах I-IV категорий по буримости;
2. возможность бурения, если уровень подземных вод находится на глубине 3 м и более.

Роторный способ с обратной промывкой водой осуществляется буровыми установками: 1БА115К, FA12, FA20, FA10, PA15. Этот способ может быть рекомендован для бурения мягких и рыхлых пород, залегающих на глубине до 200-300 м, при  необходимости создания мощного  контура гравийной обсыпки и  сооружения высокодебитной скважины.

 

 

 

                                                                 10

РОТОРНОЕ БУРЕНИЕ —  разновидность вращательного бурения, когда породоразрушающий инструмент (долото), которым осуществляется углубление забоя в скважине цилиндрической формы, получает вращение через колонну бурильных труб от роторабуровой установки. Впервые роторное бурение было применено в США в конце 80-х гг. 19 века и велось лопастными долотами с промывкой глинистым раствором. В России роторное бурение было впервые использовано в 1902 в Грозном.  
Оборудование для роторного бурения включает вышку, буровую установку с приводом, ротор, буровые поршневые насосы, вертлюг (через него насосы подают промывочную жидкость в бурильную колонну), талевую систему, состоящую из кронблока, блока и крюка, на который в процессе бурения подвешены вертлюг и бурильная колонна, систему очистки промывочной жидкостью, включающую вибросита, желоба и гидроциклоны, приёмные и запасные ёмкости. Кроме стационарных имеются передвижные роторные буровые установки, всё оборудование которых (кроме систем очистки) размещено на платформе автомашины или прицепа, что обеспечивает их манёвренность.  
Ротор получает вращение от электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания через приводной вал. Вращение вала конического зубчатой передачей ротора трансформируется во вращение стола ротора относительно оси скважины. В столе ротора установлены т.н. ведущие вкладыши, которым передаётся вращение стола ротора. Внутри ведущих вкладышей устанавливаются ведущие вкладыши (меньших размеров), внутреннее сечение которых соответствует сечению верхней рабочей трубы бурильной колонны. Форма сечения рабочей трубы бурильной колонны может представлять квадрат, шестигранник, крестовину и т.д. Аналогичную форму должно иметь внутреннее сечение рабочих вкладышей, вращающих верхнюю рабочую трубу бурильной колонны. Основную часть бурильной колонны составляют бурильные трубы. Между ними и долотом устанавливаются утяжелённые бурильные трубы (УБТ), масса которых должна обеспечивать необходимую нагрузку на долото в процессе роторного бурения и работу труб в растянутом состоянии. 

 

                                                                   11

Рабочая труба бурильной  колонны в своей верхней части  присоединяется к вертлюгу, через  который по гибкому шлангу подаётся промывочная жидкость в бурильную  колонну и далее через насадки  долота на забой.  
 
Спуск и подъём бурильной колонны из скважины для смены долота осуществляется свечами, состоящими из нескольких бурильных труб. Длина свечи 25-50 м в зависимости от глубины бурения и высоты буровой вышки. Для ускорения процесса свинчивания и развинчивания свечей бурильные трубы оснащаются замками, имеющими конические соединительные резьбы. Под влиянием осевой нагрузки, создаваемой массой УБТ, долото при вращении разрушает породу. Промывочная жидкость охлаждает долото, очищает забой от шлама разбуренной породы и через кольцевое пространство между бурильной колонной и стенками скважины выносит шлам на поверхность. Промывочная жидкость после очистки от шлама (и дегазации, если в этом есть необходимость) поступает в приёмную ёмкость и вновь подаётся в скважину. Пробурив с поверхности Земли 30-600 м, в ствол скважины спускают первую обсадную колонну для крепления верхнего интервала. Первая обсадная колонна (т.н. кондуктор) предназначена для перекрытия слабых неустойчивых пород или возможного притока воды.  
 
После спуска колонну цементируют, т.е. закачивают цементный раствор в кольцевое пространство между обсадными трубами и стволом скважины. После затвердения цемента роторное бурение продолжают долотом меньшего диаметра, которое проходит внутри обсадной колонны.  
В зависимости от геологических условий и сложности проходки скважины ствол её может обсаживаться не одной, а несколькими обсадными колоннами, причём каждая последующая колонна меньшего диаметра опускается на большую глубину. Последняя обсадная колонна в нефтяных, газовых, а также гидрогеологических скважинах называется эксплуатационной. Низ эксплуатационной колонны перфорируется. Через перфорированные отверстия нефть, газ или вода из продуктивного горизонта поступает в эксплуатационную колонну.                   

                                                               12

В современной практике роторного  бурения значительно расширился арсенал промывочных жидкостей. Применяются растворы, обработанные различными химическими методами, полимерные и аэрированные растворы, нефтяные эмульсии, в т.ч. инвертные, вода. В ряде случаев целесообразно вести роторное бурение с продувкой забоя воздухом или газом. Последнее особенно целесообразно при вскрытии продуктивных горизонтов с низким пластовым давлением. Эффективность роторного бурения особенно повысилась в последние десятилетия с появлением струйных шарошечных долот, долот с шарошками, армированными твердосплавными штырями и долот с герметизированными маслозаполненными опорами шарошек. В практике роторного бурения получают распространение долота режущего типа, оснащённые сверхтвёрдыми композиционными материалами, естественными и синтетические алмазами и двухслойными алмазно-твердосплавными резцами.  
 
Современные режимы роторного бурения скважин шарошечными долотами в твёрдых и крепких породах характеризуются нагрузками до 1 т на 1 см диаметра долота. Шарошечные долота при роторном бурении могут успешно работать в диапазоне частот вращения от 40 до 200 об/мин. В мягких породах частота вращения более высокая, чем в твёрдых, а нагрузка на долото меньше. При применении режущих долот из сверхтвёрдых материалов нагрузка ещё ниже, а частоты вращения максимально возможные по условиям технологии роторного бурения.  
 
Самая глубокая скважина, пробуренная методом роторного бурения в 1974 в Оклахоме (США), имеет глубину 9583 м. Роторное бурение в США используется как в вертикальных, так и в наклонных скважинах. В CCCP наклонное бурение ведётся только забойными двигателями; в США — комбинированным способом. Прямолинейные участки бурятся роторным способом, а искривления — забойными двигателями.

 

 

 

                                                                    13