Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин – это целый комплекс технологических устройств, инструментов и приспособлений, обеспечивающий сам процесс бурения и промывку скважины с извлечением из неё остатков разбуренных пород. Центральное звено любого бурового комплекса – это буровая установка (буровая вышка).
Буровая вышка
Буровая установка для бурения нефтяных скважин представляет собой комплекс буровых механизмов, машин и оборудования, который монтируется непосредственно на точке бурения и обеспечивает весь процесс обустройства скважин.
Основными элементами современной буровой установки являются:
- вышечный блок;
- блок насосного оборудования;
- силовые приводы;
- блок для приготовления бурового раствора;
- блок очистки бурового раствора (часто совмещен с предыдущим блоком);
- оборудование для бурения:
- ротор;
- вертлюг;
- талевый механизм;
- буровая лебедка;
- насосы;
- силовой привод и так далее.
- буровые сооружения:
- буровая вышка;
- комплект оснований;
- укрытия сборно-разборного или каркасно-панельного типа;
- комплект стеллажей;
- приемные мостки.
Полезная информация - Оборудование, механизирующее наиболее трудоемкие виды работ:
- устройство для регулировки подачи долота;
- механизмы, позволяющие автоматизировать спусковые и подъемные операции;
- клиновой пневматический захват для труб;
- буровой автоматический ключ;
- вспомогательная лебедка;
- пневматический раскрепитель;
- краны для проведения ремонта;
- пульт для контроля за процессами бурения;
- управляющие посты.
- оборудование, обеспечивающее приготовление, регенерацию и очистку буровых растворов:
- устройство для приготовления раствора;
- комплект вибросит;
- отделители ила и песка;
- подпорные насосы;
- комплект емкостей для буровых растворов, воды и химреагентов.
- манифольд:
- блочная нагнетательная линия;
- запорные устройства дроссельного типа;
- буровой рукав.
- оборудования, обеспечивающее обогрев элементов буровой установки:
- теплогенераторы;
- радиаторы отопления;
- коммуникации, обеспечивающие циркуляцию теплоносителя.
Основное назначение вышечного блока:
- подвешивание талевой системы и крепящихся к ней бурильных труб;
- размещение оборудования, обеспечивающего спуск и подъем насосно-компрессорных, обсадных и бурильных элементов трубных колонн;
- размещение устройств, обеспечивающих подачу и вращение бурового инструмента.
В блоке силового привода размещаются дизельные или электрические силовые установки, компрессоры, редуктора и коробки передач.
В насосном блоке расположены насосные установки вместе со своими силовыми агрегатами.
В состав блока для приготовления и последующей регенерации буровых растворов входят:
- емкости для приема и хранения бурового раствора, как для находящегося в процессе рабочей циркуляции, так и для создания необходимого запаса этой жидкости;
- устройства, обеспечивающие приготовление раствора:
- глиномесительное оборудование;
- БПР (блок приготовления раствора) и так далее.
- очистительное оборудования для регенерации бурового раствора:
- комплект вибросит;
- отделители ила и песка;
- дегазационные устройства;
- отстойники.
Комплекс, обеспечивающий спуск и подъём оборудования на скважине, является механизмом полиспастного типа, и включает в себя следующие основные элементы:
- кронблок;
- подвижный талевый блок;
- буровая лебедка;
- механизм крепления конца каната (неподвижного);
- сам стальной канат, который обеспечивает гибкую связь между двумя предыдущими устройствами.
Кронблок монтируется в верхней части буровой вышки. Подвижный конец каната закрепляется на барабане буровой лебедки, а его неподвижный конец посредством механизма крепления закрепляется у основания вышки. На талевый блок вешается крюк, за который при помощи строп подвешивают или вертлюг, или элеватор для спуска/подъема трубных колонн. На современных спуско-подъемных комплексах крюк и талевый блок, как правило, объединяют в единый механизм, называемый крюкоблоком.
Технологический инструмент, применяемый при бурении скважин
Понятие «буровой инструмент» объединяет в себе все приспособления и механизмы, которые используются для бурения скважин и шпуров, а также при работах по ликвидации возникающих аварийных ситуаций. По своему назначению буровой инструмент делится на:
- технологический;
- специальный;
- аварийный;
- вспомогательный.
Конструктивные особенности и номенклатура бурового инструмента меняются в зависимости от:
- области применения (какие скважины бурят – геологоразведочные, взрывные, эксплуатационные, нагнетательные и так далее);
- способа бурения;
- диаметра скважины;
- характеристик разбуриваемых пород.
В его состав входят:
- долота и коронки;
- кернорватели;
- различные виды труб (колонковые, шламовые, бурильные трубы (обычные и утяжеленные);
- комплект переходников;
- набор сальников и так далее.
Строение углеводородных месторождений нефти и газа представлено в основном горными породами осадочного вида.
Основные физико-механические свойства таких пород, которые непосредственно влияют на буровой процесс:
- упругость;
- пластичность;
- твердость;
- сплошность;
- абразивность.
Основным породоразрушающим инструментом, обеспечивающим бурение скважин, является долото.
По принципу действия, с помощью которого происходит разрушение породы, долота подразделяются на следующие виды:
- режуще-скалывающие – разрушение породы происходит при помощи лопастей, наклоненных в сторону вращения инструмента (используются при бурении мягких горных пород);
- дробяще-скалывающие – порода разрушается либо зубьями, либо штырями, размещенными на шарошках; шарошки вращаются вокруг как вокруг оси долота, так и вокруг собственной оси; в процессе вращения долота, помимо дробящего воздействия штырей или зубьев, в процессе их проскальзывания по забою порода также скалывается (срезается) породу, что значительно повышает эффективность бурового процесса;
- истирающе-режущие – разрушение породы производится при помощи алмазных зерен или твердосплавных штырей, которые расположены на торцах долота или на лопастных кромках этого инструмента; такие долота применяют при бурении среднетвердых пород неабразивного типа и твердых горных пород; лопастные долота, армированные штырями из твердых сплавов или алмазными зернами, используются для разбуривания пород, которые перемежаются по твердости и абразивности.
Лопастные виды долот
В зависимости от типа своей конструкции, а также от оснащенности твердосплавными элементами, долота лопастного типа используют при бурении:
- мягких пород;
- пород средней твердости;
- мягких пород, в которых есть малоабразивные средние пропластки;
- при необходимости разбурить цементные пробки или металлические детали нижней части обсадных трубных колонн;
- при необходимости расширения скважинного ствола.
В настоящее время на практике применяются следующие виды лопастных долот:
- двухлопастные с проточной промывкой (диаметр варьируется от 76-ти до 165,1 миллиметра);
- трехлопастные с проточным или гидромониторным видом промывки (диаметры – от 120,6 до 469,9 миллиметров);
- трехлопастные долот с истирающе-режущим принципом действия с проточной промывкой или промывкой с помощью гидромонитора (диаметр – от 190,5 до 269,9 миллиметров);
- шестилопастные истирающе-режущие долота с двумя типами промывки (диаметр – от 76-ти до 269,9 миллиметров);
- пикообразные с проточной промывкой (диаметр – от 98,4 до 444,5 миллиметров).
В настоящее время промышленность производит такие типы долот лопастного вида (к пикообразным – не относится):
- долота для бурения мягких пород (литера М);
- для мягких пород со среднетвердыми пропластками (МС);
- для абразивных мягких абразивных пород со среднетвердыми пропластками (МСЗ);
- для среднетвердых пород (С);
Пикообразные лопастные долота бывают двух видов:
- применяемые для расширения скважинного ствола (литера Р);
- для разбуривания металлических элементов и цементных пробок в нижней части обсадной колонны (Ц).
Долота с шарошками
Как в нашей стране, так и во многих зарубежных нефтегазодобывающих странах бурение газовых и нефтяных, как правило, производится при помощи шарошечных долот с шарошками конической формы. Долота шарошечного типа используются для производства сплошного бурения скважин самого разного назначения (добывающих, разведочных, нагнетательных и так далее). Очистка забоя при использовании таких долот производится либо при помощи сжатого воздуха, либо промывочными растворами.
Если сравнивать такой инструмент с описанным выше лопастным, то он имеет ряд несомненных преимуществ, а именно:
- площадь непосредственного контакта с забоем у долот с шарошками гораздо меньше, чем у долот лопастного типа, однако общая длина их рабочих кромок гораздо больше, что дает возможность существенно повысить эффективность бурового процесса;
- шарошки по забою перекатываются, а лопасти – скользят, поэтому износостойкость шарошечных долот гораздо выше, чем лопастного инструмента;
- из-за того, что шарошки по забою перекатываются, потребляемый инструментом крутящий момент относительно мал, что сводит к минимуму возможность заклинивания шарошечных долот.
Изготовление долот шарошечного типа регламентировано ГОСТ-ом номер 20692-75.
По критерию конструкции и расположения на инструменте продувных и промывочных каналов, такие долота делятся на:
- долота с центральной промывкой (литера Ц)
- с центральной продувкой (П);
- с боковой промывкой гидромонитором (Г);
- с боковой продувкой (ПГ).
Алмазные бурильные долота
Алмазный буровой инструмент представляет собой твердосплавную алмазонесущую рабочую матрицу в стальном корпусе, который оборудован внутренней присоединительной замковой резьбой конусного вида.
Такой буровой инструмент различается по форме рабочей матрицы, по качественным характеристикам используемых алмазов, а также по применяемых промывочным системам.
Такие металлосодержащие порошки хорошо удерживают алмазы и дают возможность изготавливать рабочие матрицы с разной твердостью и износостойкостью. Наилучшими показателями по таким качественным характеристикам, как прочность, износостойкость и теплопроводность, обладают алмазные матрицы на основе вольфрама.
При изготовлении бурильных головок алмазного бурового инструмента применяются так называемые технические алмазы массой от 0,05 до 0,34 карата. При производстве такого долота, к примеру, диаметром 188 миллиметров, расходуется от 400 до 650 карат (от двух до двух с половиной тысяч алмазных зёрен).
Бурильные головки алмазных долот изготавливаются в двух модификациях:
- однослойные (типы КР. КТ, ДР, ДТ т ДК), на которых алмазные зерна размещены в поверхностном слое рабочих кромок металлических матриц по определённым схемам;
- импрегнированные (тип ДИ)Ю на которых мелкие алмазные зерна распределены равномерно по всей матрице.
Алмазные долота бывают следующих типов:
- с поверхностным расположением алмазов;
- импрегированные (алмазы размещены на поверхности до 8 миллиметров);
- инструменты особых конструкций;
- с радиальным расположением каналов и с наружной поверхностью биконического вида (ДР);
- с напорным каналом и с тораидальными выступами (ДК);
- с синтетическим типом размещения алмазных зерен (С);
- с импрегированными алмазными зернами (И);
- лопастные (ДЛ);
- с внутренним конусом (ДВ);
- импрегированные с заостренными торцами лопастей (ДИ);
- универсальные (ДУ).
Такой породоразрушающий инструмент применяется при бурении глубоких (более трех километров) скважин. Стойкость алмазного инструмента по сравнению с шарошечным выше в 20- 30 раз.
Виды забойных двигателей
В качестве таких силовых установок в процессе бурения используются турбобуры, электробуры и винтовые двигатели, которые ставятся сразу над долотом.
Турбобур представляет собой многоступенчатую турбину с количеством ступеней до 350. В состав каждой ступени входит жестко соединенный с корпусом статор и закрепленный на валу устройства ротор. Стекая по лопаткам статора, поток жидкости воздействует на роторные лопатки, тратя часть энергии на получение вращательного момента.
Затем этот поток вновь натекает на статорные лопатки, и процесс повторяется. Несмотря на то, что каждая отдельная ступень турбобура способна развивать небольшой крутящий момент, из-за их большого количества суммарной мощности, подаваемой на вал устройства, вполне достаточно для бурения горных пород с высокой твердостью.
При таком способе бурения рабочей жидкостью выступают промывочные растворы, поступающие с поверхности к турбобуру через бурильную колонну. Долото жестко прикреплено к валу турбобура и вращается независимо от колонны буровых труб.
Бурение с использованием электробура подразумевает подачу электрической энергии на электродвигатель посредством укрепленного внутри буровой колонны кабеля. При таком методе производства работ вращается только вал двигателя с закрепленным на нем долотом, а корпус устройства и бурильная колонна – неподвижны.
Основные элементы конструкции двигателя винтового типа – это ротор и статор.
Внутренняя поверхность стального корпуса статора покрыта слоем специальной резины и имеет форму винтовой многозаходной поверхности. Ротор, изготовленный также из стали, в свою очередь, имеет форму многозаходного винта, количество винтовых линий которого меньше на одну, чем у поверхности статора.
Ротор размещается в статоре с эксцентриком. Эксцентрик, а также разница количества статорных и роторных винтовых линий позволяют контактирующим поверхностям образовывать ряд шлюзов (замкнутых полостей) – шлюзов между камерами высокого давления у верхнего конца, с пониженным значением давления у нижнего шлюза. Этими шлюзами перекрывается свободное движение через двигатель подаваемой жидкости, что позволяет создавать в шлюзах с помощью жидкостного давления передаваемый долоту вращательный момент.