Разные методы бурения - история, проекты

ЗАБЫТЫЕ И ВНОВЬ РОЖДЕННЫЕ ПРОЕКТЫ

Вернемся к старинным техническим книгам.

Близкое знакомство с темн проблемами, которые когда-то волновали горных техников прошлых лет и веков, позволило сопоставить их решения с современными конструкциями и технологией. И вот тут-то обнаруживается любопытная особенность: многое из того, что мы сейчас имеем и считаем достижением своего времени, в тех или иных вариациях уже строилось, создавалось нашими предшественниками.

В рассказе о сверлении бус древним умельцем мы уже упоминали о способе получения большого" отверстия тремя сверлами малого размера. При одновременном, сверлении тремя инструментами получалось овальное отверстие, скорость получения которого была, возможно, меньше сверления одиночным сверлом, но трудоемкость ручной работы снижалась. Для мастера-одиночки, занятого изготовлением большого количества бусинок, последнее обстоятельство имело решающее значение.

С подобной по трудности задачей человечество столкнулось вновь при вращательном бурении шахтных стволов большого диаметра уже в наше время, в середине двадцатого столетия. Буровое'оборудование для проходки шахтных стволов по мере увеличения их диаметра становилось все более громоздким н тяжелым. Стало ясно, что традиционными путями бурение шахт развиваться ие сможет. Понадобился новый инструмент, не отличающийся по массе и размерам от обычного, но способный проходить скважины любого сечения. Решение задачи — получение скважины с поперечным размером, значительно большим, чем диаметр долота, было получено после изобретения Г. И. Булахом строенного турбобура (рис. 15). Такой метод бурения получил название турбинно- реактивного. Конструкция представляла собой систему из трех серийных турбобуров, жестко закрепленных параллельно друг другу. При прокачивании промывочной жидкости через турбобуры вращалось не только каждое из долот, но и вся система в целом вокруг

оси симметрии скважины. Это происходило за счет сложения реактивных моментов, возникающих .на валах турбин. В результате долота, подобно планетарному редуктору, получали дополнительное сложное переносное движение. Ствол шахты имел строго цилиндрическую форму.

Опыт бурения шахт описанным способом показал одну очень интересную особенность: скважины всегда были вертикальными. Причину такого явлення, необычного для бурения, следует искать в сложном движении рабочих элементов долота: вращением шарошек вокруг своей оси, осей долота и скважины одновременно.

Как видим, древний технологический прием при бурении шахт удачно возродился вновь, ио, конечно, на основе современных возможностей техники. Кстати, лучковый привод сверла предполагает попеременное изменение направления вращения сверла. Это не только обеспечивает и облегчает непрерывное движение сверла, но и повышает качество сверления: отверстие по форме становится более правильным.

В геологоразведочном бурении на твердые полезные ископаемые находит применение своеобразный способ борьбы с искривлением скважины. Он заключается в том, что отдельные участки ствола проходятся при левом или правом направле' нии вращения колонны бурильных труб и бурового наконечника. Сечение ствола скважины в этом случае из овального становится круглым и устраняется одна из причин искривления. Кроме того, при бурении в горных породах, характеризующихся

равномерным рйспреді^ениеМ Механических свойств в различных направлениях (изотропных породах), при вращении труб только а одну сторону, чаще всего вправо (по часовой стрелке), возникает и становитси основным боковое отклоняющее усилие за счет так называемого явлення девиации. Скважина отклоняется вправо подобно тому, как это случается с вращающимся н летящим артиллерийским снарядом. Конечно, отклонение при бурении много меньше, чем у снаряда, так как поступательная скорость движения снаряда н буровой коронки несравнимы. Но все же при отсутствии других, более значительных внешних причин отклонение скважины от заданного направления, например вертикального или наклонно направленного, вполне возможно. Здесь-то и помогает попеременное изменение направления вращения бурильных труб на отдельных участках скважины.

Повторение забытых технических решений на новом, более высоком витке спирали развития человеческого, общества, случается гораздо чаще чем мы это привыкли себе представлять.

В 1904 г. в книге «Руководство к бурению скважин» И. Н. Глушков описал опыт алмазного бурения, впервые использованного на Турьинских рудниках. Интерес у современного читателя могут вызвать в книге особенности работы колонковой трубы, названной в книге ленточной штангой (рис. 16). Колонковая труба обычно находится в самой нижней части скважины у забоя. При бурении кольцевым забоем она заполняется столбиком горной породы, так называемым керном, и служит вместилищем для него до тех пор. пока не будет извлечена из скважины.

Название ленточной она получила из-за наружных лентообразных спиральных выточек с шагом 15 см. В наше время ее бы назвали шнековой трубой, поскольку спираль-шнек предназначалась для лучшего удаления с забоя скважины частиц выбуренной горной породы — шлама.

Алмазное бурение обычно применяется при проходке очень твердых горных пород. Твердые частицы породы удаляются нз скважины потоком промывочной жидкости, циркулирующей внутри бурильных труб (прямой поток), н в затрубном пространстве — обратный поток. При такой технологии очистки скважины роль ^шнековьіх витков иа колонковой трубе незначительна. Поэтому уже ^в начале XX в. шнеки при бурении твердых горных пород перестали применяться и о них почти забыли.

Шнековое бурение сохранилось лишь при бурении мелких ^скважин в мягких н вязких горных породах.

Но вот в конце 60-х — начале 70-х годов XX в. шнеки снова, *ак будто на основе взаимосогласованного технического решения и,

т

Рис. 16. Ленточная труба (а) бурового станка начала XX в. н шнековая труба (б) бурового устройства автоматической межпланетной станции «Луна-16»: ,

1 — корпус; 2 — вращатель; 3— шнековая колонковая труба; 4 — винт лодачи; Б — коронка; '6 — кернорватель

разумеется, независимо друг от друга, появились в ручных и автоматических буровых станках для лунного бурения как у нас, так и в США. Одной из причин появления точно таких же шнеков, как и в 80-х годах прошлого столетия, была потребность в станке, с одинаковым успехом работающим как в твердых, так и в мягких породах.

На рис. 16 для сравнения показана шнековая бурильная труба для одной из конструкций лунного бурового станка.

Любопытная деталь: соединение отдельных бурильных труб, том числе и колонконой ленточной ° трубы, у И. Н. Глушкова
соответствии с терминологией тех лет называлось «середышем». Теперь оно именуется замковым или замково-ниппельным.

Долото, необходимое для бурения, опускают в скважину на колонне бурильных труб. Каждая из труб, а их в многокилометровой колонне не один десяток, в процессе подъема и спуска долота соединяется между собой неоднократно. По этой причине спуско-подъемные операции в бурении по затратам времени нередко занимают первое место, особенно по мере роста глубины скважины.

Казалось заманчивым иметь гибкую неразъемную колонну, которую можно было бы наматывать на барабан так же, как, скажем, трос, шланг или кабель. Выгоды во времени здесь настолько очевидны, что любые пояснения просто излишни. Еще в начале века в упоминавшейся книге И. Н. Глушкова был опубликован проект бурения на гибком шланге (рис. 17). Его основные элементы включали гибкий шланг, забойный двигатель и барабан для наматывания шланга.

Проект не был осуществлен. По тем временам не оказалось ни надежной конструкции забойного двигателя, вращающегося потоком промывочной жидкости, ни специальной конструкции шланга, способной вынести значительные и многообразные нагрузкн в стволе скважины при бурении. Идея оказалась рожденной не ко времени и была забыта.

Но вот, спустя почти 60 лет, инженеры вновь вернулись к старому проекту. Задача оказалась нелегкой, хотя и обещающей в случае ее решения огромные выгоды. Сложность задачи можно оценить следующим интересным примером: за рещение ее взялась межгосударственная проектная организация, объединяющая специалистов СССР и Франции. На рис. 17 показана одна из таких конструкций. Легко заметить, что все основные элементы проекта начала нашего века здесь полностью сохранены, в том числе и принудительно-подающее устройство, — правда, заметно модифицированное.

Успеху работ способствовало прежде всего создание в СССР надежного забойного двигателя — турбобура. Вполне удовлетворительную конструкцию прочного, по гибкого шланга создали Французы. На основе этих двух удачных разработок п родился современный проект буровой установки на гибком шланге.

Наверное, будет не лишним назвать некоторые отличительные освоенности нового способа бурения, так мало знакомого не только Широкому кругу читателей, но и специалистам, близким по своим интересам к бурению. Метод, опытно-конструкторские разработки которого сейчас в основном сосредоточены в« Франции, позволяет,

кроме упоминавшегося сокращения времени на спуско-подъемные операции, устранить тяжелый физический труд, столь характерный для специальности буровика. Он облегчает передачу информации 6 забоя скважины по кабелю, встроенному в гибкий шланг. Появляется возможность циркуляции промывочной жидкости во время спуска или подъема шланга. Эта полезная операция при обычном бурении невозможна. Шланго-кабельное бурение расширяет возможности, а может, и решает проблему электробурения (забойный двигатель — электробур) и облегчает автоматизацию бурения. Новый метод, как показала практика, более эффективен в морском бурении со специальных судов, буровая установка получается на редкость компактной.