Чем бурят скважины - виды бурения

ЧЕМ ЖЕ БУРЯТ!

Бурение есть технологический процесс, направленный на получение отверстия в земных недрах, или, как говорят буровики, скважины. В отличие от любого отверстия скважина имеет весьма малую величину соотношения диаметра и глубины. Сооружение скважниы достигается множеством способов, отсюда — богатый выбор различных видов бурения.

Скважины применяются в горном деле для взрывных и строи­тельных работ, в разведке минеральных запасов земной коры, для добычи некоторых полезных ископаемых, в первую очередь таких, как газ, вода, нефть, соляные рассолы и т. п.

Общее представление о бурении каждый может получить на основе имеющегося жизненного опыта, например, из опыта сверления отверстия с помощью ручной дрели. Если продолжить аналогию дальше, то сверло следует сравнить с инструментом, разрушающим горную породу в самой нижней части скважины, на ее забое. Такие инструменты носят название бурового долота, а в некоторых спе­циальных видах бурения — буровой коронки.

Вращение к сверлу передается через стержень от зажимного патрона дрели. Подобные устройства есть и в бурении. Разница состоит в том, что длина скважины в сотни и тысячи раз больше глубины любого отверстия в металле или дереве. Поэтому приходится применять специальную разъемную колонну труб. Их называют буриль­ными трубами, а отдельные составные части колонны — свечами.

Итак, на забое скважины при бурении находится долото, соединенное с бурильными трубами. В верхней части скважины на по­верхности земли, иными словами — на устье, бурильные трубы зажимаются в специальном механизме для передачи им и долоту вращения. Этот механизм называется ротором, а в некоторых бурильных станках — вращателем. Способ бурения, при котором бурильные трубы вращаются ротором, называется роторным.

При сверлении дерева или металла разрушенный материал извле­кается из отверстия по спиральным канавкам сверла. Такой способ применим и в бурении скважин. Соответствующий инструмент носит название шнека, а способ бурения — шнековым. Он применяется при проходке неглубоких скважни — до нескольких десятков метров. С увеличением глубины скважины в современном бурении раз­рушенная горная порода удаляется специальной промывочной жид­костью, которая прокачивается насосами через бурильные трубы, выходит из отверстий долота, захватывает частицы горной породы — шлам — и по затрубному пространству между стенками ствола скважниы и наружной поверхностью бурильных труб выносится на поверхность. Там она очищается в специальных устройствах и снова закачивается в скважину. Цикл повторяется в течение всего процесса бурения. Надежная очистка забоя скважины возможна при опре­деленных параметрах промывочной жидкости — плотности, вязкости, статическом напряжении сдвига и др. Столб жидкости в скважине выполняет и другую весьма важную роль, За счет противодавления на стенки скважины он обеспечивает устойчивость стенок, предотвращая их обвал. При обвале в скважине возможна авария и засыпка инструмента горной породой — прихват.

Процесс бурения оценивается скоростью, с которой происходит углубление скважины в единицу времени. Она называется механической скоростью бурения и зависит от режима бурения, свойств горной породы, правильного выбора типа долота и от износа его рабочих элементов. Режим бурения определяется нагрузкой на долото, частотой его вращения и количеством промывочной жидкости. Из большого разнообразия существующих конструкций долот наибольшее распространение получили так называемые шарошечные долота. На корпусе долота под углом 120° на опорах вращаются три конусообразные шарошки, образующие которых касаются забоя специальными зубьями или твердосплавными (иногда алмазными) вставками (вооружение долота).

По мере увеличения глубин скважин энергия на вращение бу­рильных труб возрастает и тратится понапрасну. Увеличивается износ труб, аварии с ними учащаются. Еще в конце прошлого века изобретатели искали способ вращения долота при неподвижной бурильной колонне. И только в 30-х годах в Баку советские инженеры решили эту трудную задачу. Они попытались использовать промывочную жидкость не только по ее прямому назначению, но и для вращения турбины. Турбина, установленная над долотом, получила название турбобура, а способ бурения — турбинным.

В последние годы все большее распространение находит другой гидравлический забойный двигатель винтового типа. Он работает по принципу известных винтовых насосов, но по обращенной схеме: при прокачке жидкости вращается вал двигателя (у насоса все наоборот).

Имеются попытки применения и других забойных двигателей, электрических и пневматических. Соответственно двигатели называются электробуром и пневмоударником. С их помощью ведется бурение относительно небольшого числа скважрц.

После износа Долота его необходимо заменить на новое. Бурение прекращается, останавливаются насосы и вся колонна бурильных труб извлекается по частям из скважины. Эти операции иосят название спуско-подъемных. Для их выполнения предназначены особые устройства и механизмы, в первую очередь лебедка и мощное полиспастное устройство — талевая система. Она состоит из комбинации талевых блоков, кронблока на верху буровой вышки и металлических тросов. Талевая система рассчитана на подъем колонны массой в несколько сот тонн.

Отработанное долото заменяется на новое и вся колонна буриль­ных труб спускается в скважину в обратном порядке. Спуско- подъемные операции с бурильными трубами — процесс длительный и трудоемкий, так как каждую бурильную трубу или свечу приходится соединять резьбовыми устройствами — замками. Инженерная мысль давно искала решение, которое избавило бы буровиков от непроизводительного труда. В последние годы одним из вариантов такого решения стало так называемое шланго-кабельное бурение. Вместо бурильных труб здесь применяют полый шланг со встроенным электрическим кабелем. На конце прочного, но достаточно гибкого шланга устанавливается электробур. Для смены долота шланго-кабель наматывается на барабан подобно тому, как это делается в пожарном автомобиле. Время на спуско-подъемные операции значительно сокращается.

При бурении нефтяных и газовых скважин бывают аварийные выбросы нефти и газа, находящихся в горных породах под большим пластовым давлением. Правильное соблюдение необходимых техно­логических приемов (достаточная плотность промывочной жидкости, контроль за уровнем последней в скважине — она всегда должна быть заполнена жидкостью и др.) полностью предотвращает аварий­ные ситуации. Для еще большей надежности на устье скважины, а иногда и в самой скважине, в колонне бурильных труб устанавливаются специальные противовыбросовые устройства. Они перекрывают ствол скважины и называются превенторами.

После окончания бурения ствол скважины должен быть закреплен. Такое крепление в первую очередь необходимо для скважин, предназначенных для долгой работы, например эксплуатационных нефтяных, газовых и водоподъемных. Крепление достигается специальной колонной обсадных труб и последующим их цементированием для более прочной связи труб с горной породой стенок скважины.

Большинство скважин имеет вертикальное направление. Сохране­ние такого направления — одна из сложных задач буровика. Скважины по ряду причин геологического н технического характера постоянно искривляются. Нередко искривление приводит к осложнениям, а порой — к гибели дорогостоящей скважины. Однако в ряде случаев, например, при бурении в труднодоступных районах (горы, болота, берег моря, озера или реки, в жилой местности и т. д.) приходится искривлять скважину искусственно, выдерживая заданное в пространстве направление. Такое бурение называется наклонно направленным. Искривление начинают сразу же после начала бурения или после прохождения вертикального участка скважины на некоторую глубину. Для таких целей существует весьма сложная технология и необходимая измерительная техника.

Несколько слов о способах бурения. Скважину бурят, разрушая горную породу различными методами. Долото можно вращать, подвергать удару, совмещать то и другое — комбинировать. Отсюда получили развитие так называемые вращательный, ударный, ударно- вращательный, ударно-поворотный, вибрационный и другие виды бурения. Существует несколько необычный способ бурения — задавливанием.

Разрушение породы возможно и без механического воздействия, например, под влиянием тепловых, электрических, высокочастотных электромагнитных и других полей. Вместо долот здесь используются соответствующие буровые наконечники: плазмо- и термобуры, лазе­ры и другие устройства.

Особо выделяется колонковое бурение, без которого не обходят­ся разведчики недр. Оно отличается тем, что забой скважины разрушается не сплошь, а выборочно с образованием кольцевого забоя. В скважине остается неразрушенный столбик (колонка горной поро­ды) — керн. Он используется как образец породы для геологического изучения после подъема из скважины специальным колонковым снарядом.

Перечень сложных технических терминов, с которым читатель сейчас встретился, имеет вполне определенное назначение: с его помощью автор попытался дать определенное представление о необхо­димом уровне знаний современного инженера-буровика, включающем механику, гидравлику, математику и другие науки.