Достоинства роторного бурения скважин и 4 преимущества

Как происходит бурение?

Технология бурения нефтегазовой скважины подразумевает проведение следующих работ:

• Процесс бурения скважин с различными техническими характеристиками начинается с подготовки специализированной техники.
• Осуществляют углубление ствола скважины. В процессе работы нагнетается вода, что позволяет произвести бурение более качественно.
• Чтобы углубление в грунте не разрушилось, производят укрепление его стенок. Для этого применяются обсадные трубы. Пространство между их стенками и почвой бетонируют, что позволяет значительно укрепить цилиндрическую поверхность ствола.
• На финишном этапе работ осуществляется освоение скважины. Происходит устройство призабойной зоны, перфорация, вызов оттока нефти.

Типы скважин нефтегазовых скважин

Бурение роторным способом

Роторные буровые станки чаще применяют для твердых почв с примесями гальки, щебня и известняка. Это мощная установка, которая способна разработать скважину глубиной от 300 м до 1500 м.

Роторный способ используют для мощных артезианских скважин при добычи воды (включая минеральную) и газа, а также при буровзрывных работах. Кроме того, этот же метод применим при горизонтально направленном бурении (ГНБ), который используется для прокладки коммуникаций бестраншейным способом.

Роторная установка имеет мощное долото на конце бура, которое по диаметру больше, чем диаметр колонны. В результате нет трения колонны о грунт, что увеличивает срок службы металла, а вся энергия машины идет на проворачивание долота в забое. Так достигается максимальная сила удара.

В начале бурения используют долото самого большого диаметра. По ходу разработки скважина обсаживается трубами и становится меньше в диаметре. В обсадных трубах предусмотрены технологические отверстия, через которые подается цементный раствор в затрубное пространство. Когда труба готова, долото меняют на меньший размер и продолжают работу.

Роторное бурильное оборудование включает в себя:

• вышку, на которой закреплены бурильные трубы. Она устанавливается на четырех опорах в виде башни или в виде мачты на двух опорах;
• буровой насос и оборудование для приготовления промывочного раствора;
• вертлюг, через который раствор подается в колонну;
• лебедку для подъема и спуска колонны;
• элеватор для захвата и удержания труб.

Во время работы в скважину идет подача бурильной жидкости для промывки бура, выемки грунта и охлаждения долото.

К преимуществам роторного бурения относят:

• универсальность – этот способ подходит для любого типа грунта и любой глубины залегания водоносного пласта;
• мобильность, поскольку всё оборудование установлено на передвижной платформе;
• габариты установки меньше, чем у ударного станка;
• высокая скорость выработки.

Назначение и способы бурения

В строительстве буровые работы применяются главным образом при инженерно-геологических изысканиях, разработке взрывным способом скальных или рыхлении мерзлых грунтов, устройстве водопонижающих скважин, искусственном закреплении грунтов, устройстве набивных свай.

С помощью бурения в грунте образуются каналы различного диаметра и глубины. Каналы диаметром до 75 мм и глубиной до 5-6 м принято называть шпурами, при больших размерах – скважинами.

Они могут быть вертикальными, наклонными и горизонтальными.

Дно скважины (шпура) называют забоем, верхнюю часть – устьем, боковые поверхности – стенками. Буровые работы производят, как правило, с использованием механического оборудования. При небольшой глубине бурения и незначительных объемах работ допускается применение ручного бурового инструмента.

Трудоемкость бурения породы характеризуется временем чистого бурения 1 м скважины (шпура) и зависит от крепости породы.

Крепость породы характеризуется коэффициентом крепости f.

Коэффициент f равен:

• для мягких пород – 0,8…2;
• для средних – 3…4;
• для крепких – 5…10,
• для очень крепких – 15…20.

По характеру разрушения горных пород способы бурения подразделяются на две группы:

• механические – бурение породоразрушающими инструментами, непосредственно воздействующими на породу;
• немеханические – бурение с использованием физико-химических методов разрушения горных пород без непосредственного контакта источника воздействия с породой.

При производстве буровых работ наибольшее распространение получили механические способы бурения:

• вращательный,
• ударный,
• вибрационный,
• ударно-вращательный.

Разрушенный грунт (шлам) удаляют из скважин глинистым раствором или водой, струей сжатого воздуха, шнековыми устройствами, желонками и другими приспособлениями, выбираемыми в зависимости от способа бурения, глубины скважины и рода грунта.

Стенки скважин в слабых, рыхлых и насыщенных водой грунтах крепят стальными обсадными трубами. Колонны обсадных труб составляют из звеньев длиной 1,5…4,5 м, соединяемых между собой муфтами, ниппелями или свинчиванием (труба в трубу). Внутренний диаметр труб принимают на 4…6 мм больше диаметра бурового инструмента. Для облегчения опускания колонны обсадных труб на нижнее их звено устанавливают коронку, а для защиты нарезки от ударов на верхнее звено обсадной трубы – патрубок.

К немеханическим способам относят:

• термический,
• взрывной,
• гидравлический,
• электрогидравлический,
• магнитострикционный,
• плазменный.

Из немеханических способов практическое значение в настоящее время имеет термический (огневой) способ. Область применения такого или иного способа бурения определяется физико-механическими свойствами горных пород, а также минимальными затратами на бурение.

По характеру образования буровых выработок различают бурение сплошным забоем и колонковое.

При бурении сплошным забоем всю породу в скважине разрушают и удаляют в разрушенном виде.

При колонковом бурении разрушение породы происходит лишь по кольцевой поверхности забоя, а внутреннюю часть породы в виде цилиндра (керна) извлекают из скважины целиком. Колонковое бурение обычно применяется в разведывательных целях, так как оно позволяет исследовать породу ненарушенной структуры.

Технологический процесс механического бурения складывается из операций по разрушению породы, транспортированию породы на поверхность, обеспечению устойчивости стенок скважины и вспомогательных операций. Грунт в забое разрушают ударами, резанием, истиранием, сколом и комбинированным способом (например, ударновращательным). Буровой наконечник приводится в действие вращением, сбрасыванием (при подвеске на канате или штанге), принудительным внедрением в породу забивкой, вибрацией, вдавливанием и т. д.

Дальнейшее совершенствование буровых работ идет в направлении создания новых экономичных методов бурения, комплексной механизации и автоматизации процессов, оснащения буровых агрегатов гидроприводом и контрольно-измерительными приборами.

Этапы бурения

При бурении скважины роторным способом можно организовать забор воды одним из перечисленных ниже способов:

• С прямой подачей воды. Главное преимущество такой методики состоит в том, что первые сто метров проходки можно выполнять без укрепления стенок скважины обсадными трубами. Однако недостаток состоит в том, что в водоносные слои могут попадать частицы измельчённой породы или глины из промывочного раствора. В итоге это негативно может сказаться на самой скважине, поскольку производительность источника уменьшится.
• С обратной подачей. Данная методика имеет больше преимуществ, которые мы опишем дальше.

Первый тип добычи воды организуется на скальных, песчаных и текучих грунтах. При этом глубина залегания водоносного слоя не должна быть более 500 м. В такой системе водозабора бурильный раствор транспортируется к шлангу по отстойнику и только после этого попадает в проходку. Промывочная жидкость движется под давлением с измельчённой породой между внутренней поверхностью забоя и бурильными трубами вверх. После этого она попадает в отстойник.

Технология роторного бурения основана на том, что дробление породы происходит благодаря вращательным движениям бурового снаряда. Она выглядит следующим образом:

1. Благодаря массе долота создаётся значительная вертикальная нагрузка. В начале бурения используется долото больших габаритов. Оно приводится в действие благодаря роторному двигателю.
2. Когда процесс бурения завершён, выполняется установка обсадной трубы.
3. После этого используют долото меньшего размера. В пробуренную проходку устанавливается обсадная труба меньшего сечения, чем на начальном этапе.
4. Бурение продолжают до момента вскрытия водоносного горизонта.

Технология бурения с обратной подачей воды очень напоминает описанную выше методику. Только здесь вместо промывочного раствора используется обычная чистая вода. Технология выглядит следующим образом:

1. Промывочная жидкость закачивается между стенками проходки и установленной бурильной колонной.
2. Обратная добыча воды осуществляется при помощи глубинного насоса.

Среди преимуществ методики бурения с обратной подачей воды можно назвать следующие моменты:

• Роторное бурение скважин с обратной промывкой осуществляется в 10-15 раз быстрее, чем методика бурения с прямой промывкой.
• В водоносный горизонт не попадает глина из промывочного раствора.
• Используется минимальное количество обсадных труб.
• Можно управлять параметрами скважины. Так, можно соорудить гидротехническое сооружение как небольшого, так и внушительного диаметра.
• Данная методика роторного бурения подходит для выполнения нефтяных скважин.

Видео процесса роторного бурения скважины на воду:

Бурение с промывкой скважины

Промывка скважины применяется для двух целей: охлаждения бурового оборудования и вымывания частиц разрушенного грунта. В качестве жидкости может выступать, как техническая вода, так и специальные буровые растворы.

В основном растворы используют при большой глубине выработки, когда по ходу движения могут встречаться различные природные пласты: водные, газовые, нефтяные. Эти пласты должны остаться нетронутыми, поскольку в случае их смешивания, есть риск загрязнения верхних водоносных слоев. Поэтому, когда идет бурение, вся скважина заполнена буровым раствором определенной плотности, который не дает пластам проникнуть внутрь разработки.

При роторном бурении скважины применяют прямую и обратную подачу промывочной жидкости.

Во время прямой подачи жидкость из резервуара подается насосом в буровую колонну на долото с отверстиями. Жидкость попадает на дно забоя и вместе с разрушенной почвой поднимается по кольцевому каналу – промежутку между колонной и стенками скважины – и оттуда в очистительный комплекс.

Во время обратной подачи вода самотеком поступает в скважину, а выбрасывается наверх по бурильной трубе под действием сильного обратного давления, создаваемого насосом или эрлифтом.

Второй способ считается более эффективным по нескольким причинам:

1. Высокая скорость бурения. Насос в этом случае отсасывает жидкость из забоя, а не вдавливает её;
2. скважина лучше очищается, ведь насос откачивает с жидкостью весь шлам;
3. в качестве жидкости можно использовать обычную воду, поскольку не нужно никаких добавок для размыва частиц грунта.

К минусам обратной очистки можно отнести высокую стоимость оборудования.

Мини установка для горизонтального бурения

Использование данной установки позволяет существенно снизить себестоимость готовой скважины. Более того, перевозка установки производится на автомобилях типа «Газель», а устанавливается она легко вручную в любое место. В комплект установки входят такие инструменты для бурения скважин:

• лебедка;
• редуктор;
• штанги;
• вертлюг;
• электронный блок управления;
• стойки для редуктора.

Установки горизонтального бурения малогабаритные имеют принцип, основанный на гидробурении скважины с использованием оборотной воды.

Вода, которая подается специальными нагнетающими насосами, по буровым шлангам подается в скважину и вымывает из нее почву. Правда, если грунт каменистый, то этот способ бурения будет непригодным к использованию.

Конечно, наличие такой установки – это верх бурильного мастерства ручным способом, и здесь не ровня даже колонковое бурение скважин на воду. Но что делать тем, у кого нет средств на такие установки?

В этом случае предлагается приобрести ручной бур для горизонтального бурения, с помощью которого можно самостоятельно выполнять работы по горизонтальному бурению без применения специальной техники.

Несмотря на то, что внешний вид бура БР-2 не слишком презентабельный, с помощью этого нехитрого инструмента можно выполнять ряд серьезных задач в области индивидуального строительства.

Бур для горизонтального бурения удобен тем, что с его помощью можно существенно повысить производительность труда в процессе ручного метода бурения горизонтальных и вертикальных скважин.

В комплект бура входит штанга с острым наконечником в нижней ее части, режущий узел, который находится над наконечником.

Земляной бур для горизонтального бурения имеет следующие основные преимущества:

1. таким буром очень удобно пользоваться в тех местах, которые для специальной техники и оборудования считаются труднопроходимыми;
2. пользоваться им может даже неподготовленный человек;
3. стоимость такого бура значительно меньше стоимости более серьезного оборудования для самостоятельного бурения скважин и зависит от типа ручки, диаметра насадок и их количества. Хотя в среднем цена на такой бур будет, никак не меньше 10-15 тыс. рублей.

Роторное бурение нефтяных скважин

Бурение на большие глубины, где есть залежи углеводородов, выполняют буровыми станками. Они различаются грузоподъемностью. Например, БУ-80, БУ-125. Иногда указывают условную глубину бурения и грузоподъемность: БУ-3200/200 — ЭУК- 3МА2 – установка на электроприводе для кустового бурения. Глубина 3200, грузоподъемность 200 т. Эти установки вне зависимости от способа бурения оборудованы ротором.

Многие технологические операции выполняются вращением бурильной колонны. Ротор передает вращение бурильным трубам, которые на конце имеют породоразрушающий инструмент – долото. На схеме показана буровая установка и оборудование для роторного бурения.

Насос подает буровой раствор по манифольду (нагнетательные трубы), который через грязевый шланг, вертлюг и квадрат попадает в бурильную колонну и через долото на забой. Далее раствор подхватывает выбуренную породу и выносит ее на устье скважины, а затем в очистной блок.

Выбуренная порода попадает на вибросита, где происходит первичная очистка от крупного шлама, затем раствор очищается гидроциклонными установками, центрифугой и вновь, уже очищенный от мелких абразивных частиц (ил, песок), попадает к насосу. Цикл повторяется пока идет бурение или промывка скважины. Особые требования к КНБК (конструкция низа бурильной колонны).

Н из колонны состоит (снизу-вверх):

• долото;
• переводник;
• КЛС (калибратор спирального или шарошечного типа);
• УБТ (утяжеленные бурильные трубы);
• переводник;
• бурильные трубы;
• квадрат.

Конструкция ротора, позволяет передать вращение бурильной колонне. Вот его устройство:

Буровой ротор входит в комплектацию бурового станка. Его назначение:

• передача вращения бурильной колонне;
• удержание подвешенной части колонны бурильных труб на элеваторе или клиньях;
• выполнение СПО (спускоподъемные операции).

Особенности роторного бурения

В корпусе ротора размещены валы, зубчатый конический венец со звездочкой, подшипники. Привод ротора через карданный вал или цепную передачу от редуктора силового блока. Отличаются роторы по грузоподъемности и проходному отверстию. Предусмотрены роторные вкладыши под ведущую трубу (квадрат).

С ростом глубины скважины возрастает давление в нагнетательной линии буровых насосов. Если сюда еще добавить давление для работы забойных двигателей, то насос будет работать под повышенной нагрузкой, что может привести к его поломке.

Роторное бурение имеет ряд преимуществ перед забойными двигателями:

• снижение гидравлических потерь;
• снижение рабочего давления;
• увеличение расхода раствора, необходимого для промывки скважины;
• передача вращения долоту с заданной частотой;
• применение бурового раствора повышенной плотности (когда необходимо вскрывать горизонты с высоким пластовым давлением).

В настоящее время чаще используют комбинированные способы бурения: роторный и забойными двигателями. При бурении наклонно-напра вленных участков (кустовое бурение) используют забойные двигатели (отклонители), вскрытие пластов с АВПД (аномально высокие пластовые давления) выполняют роторным бурением. Так, один из лидеров в области бурения нефтяных скважин “Нафтагаз” в своей практике использует при разведочном бурении роторный способ, а при наклонно-направленном бурении — турбинно-роторный.

Низко оборотистые шарошечные долота с герметичными опорами рассчитаны на роторное бурение. В зависимости от диаметра они выдерживают осевую нагрузку 15-20 т и более. Чтобы обеспечить нагрузку на долото, рекомендованную проектом (ГТН), применяют УБТ. Количество определяют от 75% веса труб. Например, чтобы сделать осевую нагрузку 10 т потребуется 15 т УБТ. 1 м погонный УБТ-203 весит 213 кг, надо в КНБК взять 75 метров. Жесткая КНБК и установленные калибраторы позволяют бурить вертикальные скважины с минимальным отклонением от оси. Чрезмерное искривление скважины приведет к осложнениям, вплоть до поломки бурильных труб.

Оборудование

Роторное бурение невозможно осуществить без  специального оборудования, которое включает следующие приспособления и механизмы:

• вышка;
• ротор;
• буровая установка с приводом;
• насосное оборудование поршневого типа;
• буровой вертлюг;
• механизмы и оборудование для выполнения очистки при помощи промывочного раствора;
• талевая система, состоящая из кроноблока;
• желоб;
• вибросито;
• гидроциклоны (обычно используются при бурении нефтяных скважин).

В мобильной версии буровой установки для роторного бурения есть все вышеперечисленные составляющие механизмы, кроме системы очистки при помощи промывочного раствора.

Отличие роторного бурения скважин

Роторное бурение скважин в сравнении с другими технологиями имеет явные преимущества. Сравним особенности каждой из них. Самым распространённым способом расположения выработки для водозабора является шнековое бурение.

• Шнековое бурение не в состоянии осилить коренные породы со скалистой структурой. Бур в форме винта не может воздействовать на твердые известковые породы. Но бывают случаи, когда именно в таких местах будет располагаться скважина. Почему привлекает именно известняк? Все просто. По сравнению со слоями, которые находятся у поверхности, известняки более надежны в эксплуатации.
• Колонковое бурение тоже не способно прорыть скважину в скалистых слоях.

Это основные причины, по которым применяется именно роторное бурение скважин. Это удобно и экономно. Ранее такой способ применяли в горнодобывающей промышленности. Специалисты, занимающиеся обустройством частных водяных скважин, поняли эффективность этого способа и благополучно его используют в своей работе. Основным составляющим оборудования является долото. Это забойная часть, которая напрямую задействована в разрушении слоев грунта. А также дробит скальные коренные породы. Горная порода вынимается с помощью жидкости, когда через патрубок вода подаётся к забою.

Обсадные трубы

После бурения скважины важно укрепить ее стенки. Грунт является ненадежным и может сместиться, что негативно отразится на забое. Чтобы земная порода не обвалилась, устанавливается обсадная колонна

Она помогает предотвратить обсыпание грунта и препятствует просачиванию воды. Первую колонну называют «кондуктором». Она монтируется для перекрытия неустойчивых пород. Установка происходит на расстоянии не раньше отметки в 30 метров и не позже 600 метров. Для нефтяной скважины колонна ставится на расстоянии, максимально приближенном к поверхности

Чтобы земная порода не обвалилась, устанавливается обсадная колонна. Она помогает предотвратить обсыпание грунта и препятствует просачиванию воды. Первую колонну называют «кондуктором». Она монтируется для перекрытия неустойчивых пород. Установка происходит на расстоянии не раньше отметки в 30 метров и не позже 600 метров. Для нефтяной скважины колонна ставится на расстоянии, максимально приближенном к поверхности.

Поскольку роторное бурение применяется практически для любых типов грунта, то в процессе установки колонн рабочие ориентируются на геологические условия. Иногда приходится использовать несколько обсадных колонн, чтобы укрепить забой.

Наименьшая по диаметру из них опускается глубже, чем остальные и называется – эксплуатационная. Перфорация производится снизу, именно через эти отверстия масса газа, воды или нефти будет в нее поступать.

Проектирование бурения скважины

Перед началом процесса по созданию нефтяной скважины составляется проект в виде чертежа, в котором обозначаются следующие аспекты:

Свойства обнаруженных горных пород (устойчивость к разрушению, твердость, степень содержания воды). Глубина скважины, угол ее наклона

Диаметр шахты в конце: это важно для определения степени влияния на него твердости горных пород. Метод бурения скважины

Проектирование нефтяной скважины необходимо начинать с определения глубины, конечного диаметра самой шахты, а также уровня бурения и конструктивных особенностей. Геологический анализ позволяет разрешить эти вопросы вне зависимости от типа скважины.

Принцип осуществления роторного бурения скважин

Роторный механизм начинает работать от приводящего вала, который передает вращательный импульс от электрического мотора. Иногда применяют стандартный двигатель. Само вращение проиходит от главных вкладышей, в разрезе они полностью схожи с верхними трубами. При этом по форме могут отличаться.

Между ними и оборудованием для разрушения породы устанавливают утяжеленные конструкции бурильного типа. Они обладают большой массой, которая действует на долото, обеспечивая тем самым необходимую нагрузку для функционирования устройства.

Верхняя область системы прикрепляется к вертлюгу. По данному устройству транспортируется жидкость для промывания. Она проникает в забой через специальные насадки и требуется для поддержания функционирования всей системы.

Поднятие и опускание выполняется свечами. Это несколько труб. Их длина составляет 25-50 м. За счет нагрузки, которая осуществляется благодаря дополнительным деталям, пласты разрушаются под действием долота. Благодаря тому что жидкость подается регулярно, инструмент успевает остывать. Одновременно с этим из забоя вымывается шлак. После очищения жидкость применяется снова.

Что такое роторное бурение скважин

Для начала разберем, что вообще из себя представляет роторное бурение скважин и каковы его альтернативы? Одним из самых привычных способов устройства водозаборной выработки пока признают шнековое бурение.

Однако шнековая технология не позволяет пройти скальные коренные породы. Применяемый в шнековом бурении винтовой бур не способен разрушить известняк. А ведь нередко бывает, что нужно забуриться именно в него, т.к. вышележащие слои не отличаются стабильным и достаточным для эксплуатации дебитом.

Колонковая и шнековая буровая технология не предоставляет возможность пройти скальные горные породы. В случае устройства скважины на известняк эффективней и экономичней использовать роторный метод бурения

Потому роторная технология, используемая ранее только в горнодобывающей отрасли, и стала внедряться в сферу устройства частных водозаборных сооружений. Ее рабочим элементом является находящееся в забойной части скважины долото. С помощью долота разрушаются связные и несвязные грунты, дробятся скальные коренные породы.

Выемка же разрушенной горной породы осуществляется с помощью жидкости, которая подается к забою через рабочую колонну или же затрубное пространство. Это 2 разных способа бурения, каждый из которых будет подробно рассмотрен далее.

Диаметр долота превышает диаметр рабочей колонны, что позволяет:

• сократить энергозатраты на весь процесс бурения (мощность здесь расходуются непосредственно только на проворачивание с усилием долота в забое, а потери на трение рабочей колонны о стенки скважины сводятся к минимуму);
• предохранить большую часть элементов рабочей колонны от повреждений, а также стенок пробуренной скважины от разрушения;
• создавать внушительные по диаметру скважины (к примеру, до 70 см) при крайне внушительных глубинах.

Таким способом можно формировать водоносные скважины, глубиной в 300 и более метров, т.е. бурить водозаборные выработки для снабжения водой дачных массивов и поселков.

А вот в расчистке ствола выработки и забоя от шлама применяется поданная под напором вода. Благодаря такому решению постоянно разбирать и собирать буровую колонну для извлечения керна как в колонковом бурении не нужно.

Нагнетаемая в выработку жидкость сразу решает две важные задачи: освобождает путь буровому снаряду для производства дальнейших работ и производит промывку скважины, необходимую для подготовки водозабора к эксплуатации.