Историческая справка
Роторное бурение используется уже более ста сорока лет. Технологию этого способа пробивания скважин впервые применили в Соединенных Штатах Америки в начале восьмидесятых годов девятнадцатого столетия. С того времени он практически не изменился за исключением мелких новаций, которые привели к большей эффективности. Изменения коснулись породоразрушающих инструментов – они совершенствовались, создавались новые жидкие среды для промыва скважин, усиливалась прочность частей механизма.
Роторное бурение скважин – это один из видов бурения методом вращения. Принцип таков, что инструмент для разрушения породы, располагаясь внутри скважины, работает от усилия, передаваемого ему электродвигателем или газотурбинным оборудованием. Этот метод достаточно простой и эффективный. С его помощью бурят эксплуатационные нефтяные и разведочные скважины. Компактные размеры установки позволяют применять ее на частной земле для создания водяных скважин.
Как проводится ударное бурение?
Главной особенностью этого способа, как видно из названия, заключается в том, что ударное бурение осуществляется за счет воздействия на забой ударных нагрузок. Основными элементами применяемых нашей компанией установок, с помощью которых мы осуществляем ударное бурение скважин, являются:
мачта со шкивным устройством;
бурильный инструмент (снаряд);
электродвигатель для подъема бурильного инструмента в исходное положение;
трос (канат), удерживающий инструмент.
Ударно-канатное бурение скважин осуществляется путем резкого опускания на забой бурового снаряда, прикрепленного к канату. Грунт разрушается за счет динамического воздействия на него веса снаряда. После каждого удара бурильщик нашей бригады приподнимает инструмент над забоем в исходное положение и вновь приводит его в движение. Вес применяемых нами буровых снарядов может достигать нескольких тонн. Когда мы составляем программу инженерно-геологических изысканий, наш специалист, отвечающий за технологию работ, определяет оптимальную массу снаряда, соответствующую ожидаемым на изучаемом участке геологическим условиям.
Канатное бурение и опробование инженерно-геологических скважин
Важный элемент процесса бурения инженерно-геологических скважин – их опробование с отбором кернового материала. Пригодный для анализа и лабораторных испытаний керн можно получать не только в процессе колонкового бурения. В условиях, когда геологический разрез представлен грунтами невысокой прочности:
мы с успехом применяем для отбора керна канатное бурение с кольцевым забоем. Для этого в компоновку бурового снаряда наши специалисты по технологии бурения включают:
бурильный башмак (ударный аналог коронки, используемой при колонковом бурении);
ложечный керноотборник с продольной прорезью (для облегчения вынимания из него керна);
кернорватель (приспособление для отрыва от забоя и удерживания керна при подъеме инструмента).
Важно! При проходке очень рыхлых грунтов, грозящих обвалом стенок скважины с прихватом бурового снаряда, мы ведем ударно-канатное бурение с обсадной трубой, спускаемой в скважину по мере ее углубления. Это предохраняет ствол скважины от осыпания
Применять канатное бурение для опробования грунтов мы можем, только если программой инженерно-геологических изысканий предусмотрены горные выработки вертикального направления (в силу специфики данного метода, основанного на силе падения бурового снаряда). Для бурения горизонтальных скважин или имеющих значительный угол наклона, мы используем другие способы. Например, ударно-вращательное бурение.
Усовершенствованный метод ударного бурения – ударно вращательное бурение
Недостатков канатного бурения, не позволяющих отклонять инженерно-изыскательские выработки от вертикального направления, лишено ударно-вращательное бурение скважин. В качестве инструмента, передающего нагрузку на забой, при этом способе бурения мы используем не канат, а трубы. Колонна труб приводится в движение роторным или шпиндельным механизмом, а ударная нагрузка создается гидравлической или пневматической системой, использующей в качестве рабочей среды, соответственно, жидкость либо сжатый воздух.
Когда применяется метод
Бурение роторным способом используется когда разрабатываются полускальные и скальные грунты для устройства скважин глубиной до ста пятидесяти метров. Для успешного бурения скал необходимо правильно подобрать бурильный инструмент – долото и утяжеленные трубы. По словам специалистов, для эффективной работы роторное бурение следует применять, если соблюдаются такие условия:
- Изучение гидрогеологического разреза участка проведено достаточно подробно.
- Известно, что почва состоит из скальных пород.
- Есть данные об уровне залегания водоносной жилы.
- Имеется хороший напор подземной воды.
- Есть возможность постоянной доставки промывочной жидкости.
Проблемные траектории
Роторные управляемые системы (РУС) — самая продвинутая технология в наклонно-направленном бурении. Она позволяет строить скважины сложной конфигурации с очень длинными горизонтальными стволами и делать это быстрее и точнее, чем любые другие существующие способы. Когда нужно пробурить горизонтальный ствол длиной 10 км и даже больше, когда надо попасть в тонкий нефтяной пласт толщиной 1 м или пройти по сложной, жестко заданной траектории, где незначительное отклонение может привести к существенному снижению показателей скважины, огромным затратам на перебуривание, а то и к полной ее потере, — в таких случаях РУС фактически безальтернативное решение.
Такие системы появились в 1990-х годах и позволили преодолеть некоторые существенные сложности, сдерживавшие развитие наклонно-направленного бурения. Ранее для этих целей применялся
винтовой забойный двигатель (ВЗД)
Винтовой забойных двигатель (ВЗД) —
наиболее распространенный сегодня вид бурового двигателя, расположенный непосредственно за долотом и преобразующий во вращение энергию потока бурового раствора.
, установленный под некоторым углом к оси бурильной колонны. В этом случае, чтобы добиться нужной траектории, режимы бурения чередуют: то вращают всю колонну, как при роторном бурении, и тогда бурение происходит по прямой. То запускают забойный двигатель, который находится сразу за долотом и вращает только его, в то время как вся бурильная колонна остается неподвижной, — и за счет того самого угла, на который двигатель отклонен от оси колонны, ствол начинает загибаться в нужную сторону.
При таком способе с увеличением длины горизонтального ствола риск осложнений заметно возрастает. Кроме того, смена режимов бурения создает в стволе разнообразные неровности, изгибы, изменения диаметра, что также может затруднить бурение, проведение каротажа, спуск обсадной колонны и заканчивание. Многочисленные операции по спуску и подъему оборудования, без которых при бурении на ВЗД не обойтись, требуют времени, а на промывку скважины тратится очень много электроэнергии.
Наконец, при бурении длинного горизонтального ствола с ВЗД обеспечить высокую точность попадания в нужный интервал достаточно сложно, а сегодня это все чаще становится непременным условием успеха. Бурильная колонна хоть и состоит из стальных труб, на самом деле достаточно гибкая, и чем дальше ее приходится проталкивать по горизонтальному стволу, тем сложнее управлять долотом на ее конце. С ростом протяженности горизонтального ствола возрастает и масса бурильной колонны, и сила трения ее о стенки скважины. С какого-то момента дальнейшее продвижение по заданной траектории оказывается невозможным.
Промывочная жидкость в буровых роторных работах
Жидкие среды, используемые для бурения, укрепляют стенки выработки в рыхлых породах, удерживают буровой шлам во взвеси, не давая ему осаждаться, и выносят его на поверхность, не загрязняют подземную воду. Трение колонны о стенки скважины и охлаждение долота, способствование разрушению породы на забое — это тоже функции промывки.
В качестве буровых растворов применяются следующие жидкости:
- Вода техническая. Применяется при строительстве водозабора в устойчивых породах и песках, где статический уровень жидкости ≥3 м. Диаметр скважин <200 мм.
- Глинистый раствор. Для его приготовления используют каолиновые и бентонитовые глины. При смешивании с водой частицы породы слипаются между собой и образуют гелеобразную жидкость, в которой влага находится внутри пространственной структуры ячеек.
- Раствор аэрированный. Применяется в интервалах с поглощением промывки и при входе в слабонапорные водоносные пласты. Представляет собой обогащенную воздухом техническую воду или глинистый раствор. Аэрация осуществляется 2 способами: реагентным (добавлением в жидкость поверхностно активных веществ) и подачей сжатого воздуха от компрессора. Обогащение промывки воздухом способствует снижению загрязненности водоносного горизонта элементами промывочной жидкости.
- Нестабильный раствор технического крахмала. Перемешивается 1 час в глиномешалке с добавлением к 1 м³ воды 40-50 г сухого порошка. Смесь распадается через 3-4 дня. Используется при бурении низконапорных пластов, включающих мелкозернистые пески, что позволяет не проводить разглинизацию скважины, как в случае применения раствора глины.
- Водные растворы гипана — гидролизованного полиакрилонитрила. Его использование в песчаных горизонтах снижает водоотдачу пласта из-за образования эластичной корки на стенках скважины.
Схема роторного бурение скважины с прямой промывкой.
Принцип осуществления роторного бурения скважин
Проходка выработки для водозабора непрерывным вращением бурового снаряда заключается в разрушении горных пород на забое скважины долотом, присоединенным к колонне, вращающейся вокруг оси ствола ротором. Удаление шлама и охлаждение режущего инструмента осуществляются жидкостью или сжатым воздухом.
Порядок работы оборудования:
- Вращатель приводится в действие двигателем электрическим или внутреннего сгорания.
- Усилие от вала принимают ведущие вкладыши, расположенные по контуру верхней рабочей трубы, они же передают крутящий момент на колонну.
- Давление разрушающего инструмента на забой передается по звеньям сборки. За счет массы конструкции создается нагрузка, достаточная для резания породы.
- Буровой шлам удаляется из скважины промывочной жидкостью, которая одновременно охлаждает дробящий инструмент. Раствор после очистки используется вновь.
По мере износа долота его заменяют новым, для этого колонна по секциям извлекается из выработки. Длина свечи, вытаскиваемой за один прием, зависит от высоты подвески кронблока и составляет 25-50 м.
Схема роторного бурение скважины.
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.
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.
Технологическая схема роторного бурение скважин
Роторное бурение скважин необходимо для организации автономного устройства системы водоснабжения участка. Такое бурение представляет собой разновидность технологии с вращением механизма.
Роторное вращение подразумевает движение внутри скважины. В некоторых ситуациях дополнительно к ротору используются насадные элементы. Но в целом принцип работы роторного двигателя довольно простой.
Электродвигатель вращает ротор через вал горизонтального направления, а ротор вращает рабочую часть, которая осуществляет бурение.
Двигатель не является обязательным элементом роторной установки, существует возможность бурения посредством газотурбинного аппарата.
Бурение роторным способом нуждается в промывке скважины впоследствии, также требуется продувка. Для начала необходимо добиться стабильности скважины, то есть работы без обрушения грунта, и только потом производится промывка.
Бурение роторным способом производится любым доступным способом: либо сжатым воздухом, либо напором воды. Воздух подают под высоким давлением с помощью компрессора.
Преимуществом роторного бурения является высокая скорость получения желаемого результата. Это одно из качеств, которое пользуется наибольшим спросом. В сравнении с ударной технологией преимуществ еще больше. Если сравнивать скорость, то ударная технология проигрывает в несколько раз.
К тому же роторная технология бурения дает больше возможностей для применения, а ударная имеет множество ограничений. Удобно использовать роторные установки и из-за небольших габаритов, они имеют небольшой вес, их можно легко перевозить, причем без заказа спецмашин для этих целей. Установка может быть размещена даже на небольшом участке открытого пространства.
Роторные буровые. Назначение и принцип действия
Роторное бурение – это технология, используемая не только во время монтажа буронабивных свай. Она является распространенным методом устройства скважин для любой среды. В частности, именно ротор представляет собой основу оборудования для подготовки разведывательных и эксплуатационных свай под добычу нефти и газа. Он используется на установках, грузоподъемность которых варьируется в пределах от 10-ти до 500 тонн. Глубина скважин, которые можно пробурить благодаря роторному буровому станку, составляет 100-15 тыс. метров.
Основывается бурение на передаче вращательного усилия на буровую колонну от поверхностного ротора с периодическим проворачиванием инструмента. Такое оборудование незаменимо и при необходимости удержания колонны труб, которые могут быть как обсадными, так и бурильными, в процессе выполнения спускоподъемных операций. Ротор представляет собой редуктор, вращение от которого передается на колонну вертикальных труб посредством вала трансмиссий, установленного горизонтально.
- неподвижное;
- вертикально перемещающееся путем выполнения возвратно-поступательных движений относительно основания скважины.
За приведение ротора в действие отвечают передачи от лебедки, отдельно взятый мотор или коробка передач. Изменение скорости вращения зависит от того, какой привод лежит в основе работы устройства. С целью восприятия реактивного крутящего момента производители оснащают роторы специальными стопорными механизмами, которые монтируются на столе либо на быстроходном валу.
Для исключения риска преждевременного выхода деталей из строя вследствие трения все подвижные элементы принудительно смазываются. На рынок оборудование поступает в двух вариантах исполнения – с так называемым ПКР (пневматическим клиновым захватом) или без него. Захват используется для фиксации труб.
Говоря конкретнее о сфере применения установок, ставших предметом нашего разговора, необходимо упомянуть, что они привлекаются для достижения следующих целей:
- Устройство скважин под воду, даже если водный пласт залегает очень глубоко.
- Сооружение отверстий для дальнейшей добычи нефти, газа и прочих полезных ископаемых.
- Установка свай глубокого погружения при строительстве фундаментов.
- Выполнение различного рода поисково-разведывательных операций.
Принцип действия оборудования сводится к тому, что сам процесс бурения представляет собой последовательное и непрерывное разрушение почвы на месте выполнения работ с параллельной транспортировкой этой почвы на-гора. Вращение рабочих механизмов осуществляется одновременно с эвакуацией отработанного грунта, которая выполняется наиболее оптимальным из перечисленных ниже способов:
- Путем прямой промывки глиняным раствором. Плюс такого метода состоит в оперативности очистки скважины от отработанного грунта, но есть и минус – необходимость постоянного подвоза хорошей глины. Этот способ нельзя использовать при бурении скважин для обеспечения водоснабжения, так как глина усложняет процесс определения качества воды.
- Обратной водой, которая подается в отверстие под огромным напором, размывает почву на дне и выводит на поверхность грязевую массу.
- Потоком сжатого воздуха. Как правило, таким образом отработанный грунт выводится наружу зимой, когда из-за мороза невозможно использовать другие способы отвода.
- Путем применения механического шнека.
Важно обратить внимание на то, что применение для промывки скважин воды и сжатого воздуха, помимо всего прочего, способствует охлаждению буровой установки, а это положительно сказывается на увеличении срока ее эксплуатации
Обсадные трубы
Пересекаемые скважиной породы частично укрепляются за счет применения глинистого раствора, но полноценное предотвращение осыпания стенок выработки достигается их обсадкой стальными трубами. Закончив бурение в заданном интервале, проходку скважины приостанавливают для монтажа обсадной колонны. Ближайшая к поверхности часть конструкции называется кондуктором.
При укреплении стенок выработки придерживаются следующих правил:
- диаметр обсадной трубы должен быть меньше сечения выработки: колонна опускается в скважину свободно;
- глубина, начиная с которой делают перерыв в бурении для установки обсадной крепи, находится в пределах 30-600 м;
- стенки водозаборных выработок обсаживают цельнотянутыми трубами длиной 6-13 м, для изготовления кондуктора используют сварные стояки Ø426-478 мм;
- затрубное пространство заполняется цементной тампонажной смесью.
В сложных геологических условиях устанавливают несколько обсадных колонн разного диаметра. Трубы меньшего размера располагаются в глубоких горизонтах.
Обсадные трубы
Методы бурения
Методы бурения классифицируют по двум параметрам.
В зависимости от применяемого механизма бурение может быть:
- Механическое;
- Ручное.
Варианты исполнения скважины
В зависимости от принципа работы буры:
- Ударно-вращательный метод;
- Ударный;
- Вращательный.
Рассмотрим, чем примечательная каждая технология бурения скважин на воду и как она выполняется.
Ручной способ
Ручное бурение скважины вполне подходит для самостоятельного выполнения процесса при наличии всех нужных инструментов. Такой колодец будет не более тридцати метров, почву пробивают до достижения слоя воды.
Для этого понадобятся обсадные трубы, штанги, лебедка и буровые головки разных параметров. При создании более глубокой скважины, нужна бурильная вышка для подъема и погружения бура.
Если штанги не нашлось, сделать ее можно, соединив трубы шпоном или резьбой. К концу нижней штанги крепят буровую головку. Процесс выглядит следующим образом:
Шнек-бур и станок для бурения скважин своими руками
- Над местом предполагаемой скважины размещают вышку так, чтоб она была несколько выше длины штанги.
- Лопатой выкапывают небольшое углубление для бура.
- Вставить бур в углубление и вращать его. Возможно, понадобится помощь, потому что при углублении движение бура будет затрудняться.
- Пробив полметра, остановитесь, выньте бур и прочистите его от налипшей земли.
- Достигнув водяного слоя, откачайте три-четыре ведра грунтовой воды.
Последнее действие необходимо для устранения грязной воды и может быть выполнено погружным насосом.
Роторный способ
Это вращательный метод, который чаще всего используется при бурении глубокой скважины. Для этого понадобится специальная установка, оснащенная трубой. В этой трубе имеется вращающийся вал и долото. Воздействие на долото выполняется за счет гидравлической установки. Грунт из пробуренной скважины вымывают специальным раствором.
Таким образом, труба располагается над местом бурения и при вращении вала и долота пробивает почву. Жидкость может подаваться по стволу сверху вниз, тогда раствор, вымывая землю, выходит наружу через затрубное пространство. Такой способ называют прямой промывкой.
Может быть применена и обратная промывка, при которой раствор самотеком идет в затрубное пространство и после пробивания выкачивается погружным насосом.
Ударно-канатный способ
Метод основан на падении максимально тяжелого инструмента, обычно забивного стакана, с вышки в месте предполагаемой скважины. При желании самостоятельно применить ударно-канатную технологию, потребуется:
- Прочный канат;
- Забойный стакан – обычно прочная металлическая труба, подвешенная на канате;
- Инструменты для уборки грунта.
Технология и последовательность действий:
Ударно-канатный способ — технология бурения
- Изготавливают вышку в форме треноги из стальных труб или крепких бревен. Высота зависит от длины забойного стакана и должна превышать ее на 1,5 метра.
- Забойный стакан изготавливают из стальной трубы, на конце которой находится режущее приспособление.
- К верхней части стакана крепят трос.
- Регулируя трос, стакан быстро отпускают на место пробоя.
- Землю из стакана извлекают через каждые пробуренные полметра.
Для создания глубокого колодца привлекают установки типа УГБ-1ВС.
Шнековый способ
Бурение скважины шнеком
Метод взял свое название от основного применяемого инструмента – шнека или Архимедового винта. Он выглядит как буровая штанга, к которой приваривают лопасти спирально. Вращая такой шнек, земля выносится на поверхность и собирается.
Для более глубокого колодца понадобится аренда малогабаритной легкоперевозимой буровой установки, так как самостоятельно изготовленный шнек бурит не более чем на десять метров в глубину.
Стоит отметить, что шнековый способ подойдет только в том случае, если грунт богат песчаной породой. Кроме того, если шнек сталкивается на своем пути с камнем, придется искать другое место для пробивания грунта и остановить работу.
Колонковый способ
Колонковая технология все реже используется в наши дни для бурения скважин под воду. Чаще применяется для гидрогеологических исследований. Для этого используется оборудование типа ЗиФ-650, которое извлекает столб грунта, создавая так называемую колонку.
Схема колонкового долота для бурения скважины под воду
Разрушение грунта проводится кольцевым способом, затем он вымывается. Скорость такого обустройства достаточно высокая, кроме того, позволяет пробивать твердые породы, но требует больших затрат на аренду серьезного геологического оборудования.
Бурение ударным способом
Ударный способ бурения самый простой по сравнению с двумя предыдущими. Собрать такую установку можно даже самому. Независимо от производителя, она состоит из:
- треноги, которая устанавливается прямо над местом бурения;
- ударного элемента – представляет собой заостренную трубу вестом до 80 кг;
- гибкого металлического троса, к которому крепится груз;
- лебедки для подъема и опускания груза.
Принцип действия установки понятен из названия. Лебедка резко опускает ударный элемент с высоты треноги, нанося удар о землю. Затем груз поднимается в исходное положение и снова опускается. Поскольку удар приходится каждый раз в одно и то же место, то грунт постепенно разрушается и образуется углубление.
Ударное бурение применяется не только для скважин, но и для формирования шпуров. Это цилиндрическое углубление в породе длинно до 5 м и диаметром до 75 мм.
Один из главных недостатков этого способа – риск преждевременного осыпания грунта. Поэтому после окончания работ в скважину обязательно спускаются обсадные трубы.
Еще один из минусов – это трудоемкость процесса. Поэтому в случае большой глубины залегания вод работы могут затянуться надолго.
К достоинствам ударного бурения относят:
- возможность работы при отрицательных температурах;
- большой объем разовой выемки почвы;
- возможность разработать скважину большого диаметра;
- небольшие затраты на проведение работ.
Значение промывочной жидкости в буровых работах
Правильно подобранный метод промывки при роторном бурении скважины может значительно повысить эффективность процесса. В работах такого типа применяются:
- Полимерные растворы.
- Нефтяные эмульсии.
- Аэрированные растворы.
- Вода.
Также широко распространено применение метода продувки воздухом. Если работы проводятся на участках с низким пластовым давлением, то рабочие применяют особый газ. Промывка помогает избавиться от лишних примесей и предметов, осыпавшихся пород, что неизбежно в процессе бурения. Жидкость, попавшая на долото, охлаждает его. Что продлевает срок службы инструмента.
Роторное бурение скважин происходит в три этапа:
- Разрушение земных пород с применением долота.
- Запуск воды для выноса разрушенной породы. Процесс может производиться как обратной, так и прямой промывкой, все зависит от глубины скважины, объема используемой воды и типа грунта. В частных хозяйствах пользуется популярностью метод прямой промывки.
- Укрепление стенок новой скважины с помощью обсадных труб.
Бурение скважин роторным способом является трудоемким процессом, при проведении которого необходимо учитывать множество факторов. Несмотря на это, он считается достаточно эффективным и применяется в различных условиях.
