Главным техническим параметром
буровой установки является грузоподъемность,
поскольку она определяет ее возможную
глубину бурения, определяет конструкции
и характеристики бурового и энергетического
оборудования. Буровые установки характеризуются
двумя параметрами:
а) номинальной
грузоподъемностью, которая определяется длительностью
эксплуатации оборудования,
б) максимальной
грузоподъемностью, определяемой кратковременными перегрузками
оборудования.
С ростом глубины скважины разница между
номинальной и максимальной грузоподъемностью
увеличивается, так как при бурении глубоких
скважин возможности кратковременной
перегрузки оборудования должны быть
значительно больше, чем при бурении мелких
скважин.
Буровые установки
для бурения глубоких разведочных и эксплуатационных
скважин подразделяются на 11 классов (ГОСТ
16293-82 «Установки буровые комплектные
для эксплуатационного и глубокого
разведочного бурения»), главными параметрами
которых являются допускаемая нагрузка
на крюке и условный диапазон глубин
бурения. Характеристики буровых
установок приведены в таблице 1. В настоящее
время комплектные буровые установки
выпускаются Волгоградским (1000 – 2500 м)
и Уральским машиностроительным (3000 –
15000 м) заводами. Волгоградский завод буровой
техники (ВЗБТ) изготавливает ряд установок
типа БУ 2500 ЭУ, БУ 2500 ЭУК, БУ 2500 ДГУ и др.
Уральский завод тяжелого машиностроения
(УЗТМ) изготавливает ряд установок
типа БУ 3000 БД, -3000 БЭ, -3000 ЭУК, - 3000
ЭУК-1, -3000 ДГУ, -3000 ЭУ, -4000 Д-1, -4000 Э-1, -4000 ДГУ,
-4000 ЭУ, -5000 ДГУ, -5000 ЭУ, -3Д-76, -4Э-76, -6500 ДГ,
-6500 Э, -8000 ДЭ, -8000 Э, - 15000 (обозначения в шифре:
Д – дизельный привод, ДГ – дизель-гидравлический,
ЭР – электрический регулируемый,
Э – электрический на переменном
токе, ЭП – электрический на постоянном
токе, У – универсальная монтажеспособность,
К – для кустового бурения, 15000 – глубина
бурения, БУ – буровая установка, Б – блочное
исполнение, 1 – модификация).
Таблица 1. Характеристики
различных классов буровых установок
Буровые установки первой категории
(см. рис.1) обычно перевозят с одной точки
бурения на другую по частям (блоками)
в зависимости от дорожных условий и транспортных
средств. Установки второй категории выполняются мобильными, обычно все оборудование монтируется
на одном шасси или нескольких самоходных
или буксируемых гусеничных платформах.
Каждая категория буровой установки
имеет несколько классов, которые обеспечивают
наибольшую эффективность бурения скважин
определенной глубины и конструкции. Поскольку
каждой буровой установкой при определенной
мощности ее двигателей, максимально допустимой
нагрузке на крюке можно пробурить скважины
различной глубины и конструкции, то для
сравнительной оценки мощности и класса
буровой установки буровой установки
для глубокого бурения принимают допустимую
нагрузку на крюке и номинальную глубину
скважины конечного диаметра 215 мм, которые
могут быть достигнуты при использовании
бурильной колонны с бурильными трубами
диаметром 114 мм и массой 1 м труб 30 кг.
1.3 Технический уровень современных
буровых установок, выпускаемых
в Российской Федерации
Технический уровень буровых
установок (БУ) определяется нормами расчета
и проектирования, совершенством конструктивного
исполнения агрегатов и комплексов, качеством
их изготовления, оснащенностью привода
средствами искусственной приспосабливаемости
его характеристики к режимам работы исполнительных
механизмов, системой управления технологическими
операциями, регламентацией режимов работы
агрегатов, выполнением требований монтажа
оборудования и правил эксплуатации.
Выпускавшиеся ранее в СССР
буровые установки БУ 75, БУ 80, БУ 50БрД были
скомпонованы под крупноблочный метод
монтажа и транспортировки, который в
1960-1980 г.г. применялся преимущественно
в отрасли при интенсивном наращивании
в то время темпов и объемов бурения и
добычи нефти и газа, при большом дефиците
персонала вышкомонтажных бригад, при
недостаточной обустроенности новых районов
дорогами, при дефиците специальной автомобильной
техники, грузоподъемных кранов для монтажа
буровых установок. Эти буровые установки
в то время явились новым шагом вперед
в развитии советского нефтяного машиностроения.
Начиная с 80-х годов и далее
крупноблочные методы строительства,
по мере все более ужесточавшихся требований
по землепользованию, экологии и все более
проявляющихся тенденций и принципов
управления, значительного роста расходов
предприятий на возмещение ущерба, причиненного
природе, на рекультивацию и т.д., становятся
тормозом в развитии буровых работ в СССР.
И все то, что считалось ранее достоинствами
крупноблочного метода монтажа, превратилось
в свою противоположность.
В этих условиях все более проявляется
объективная необходимость отказа от
крупноблочных методов монтажа, но при
сохранении и дальнейшим развитии индустриальных
принципов строительства буровых. Волгоградский
завод буровой техники (ВЗБТ) в это время
разработал новое поколение буровых установок
так называемой "Универсальной монтажеспособности".
С 1980 года начались поставки таких буровых
установок для разведочного и эксплуатационного
(БУ 2500ЭУ, БУ 2500ЭУК) и кустового (БУ 2500ДГУ)
бурения, компоновавшиеся укрупненными
секциями и блоками, которые можно перевозить
специальным и универсальным транспортом
с точки на точку по всем видам действующих
промысловых дорог, не зависимо от сезона
года.
По такому же принципу были
разработаны и поставлялись в 80-х годах
буровые установки БУ 1600/100ЭУ и БУ 1600/100ДГУ,
грузоподъемностью 100 т на крюке, разработанные
и поставленные на производство взамен
буровых установок БУ 75, исчерпавших к
тому времени нормы надежности и энерговооруженности.
В конце 80-х и начале 90-х годов все более
расширяющиеся объемы наклонно-направленного
бурения, кустовые методы строительства
скважин, освоение и все более широкое
распространение горизонтального бурения
потребовали от буровых установок новых
качеств в части увеличения грузоподъемности
на крюке, регулирования основных приводов
исполнительных механизмов - буровых насосов,
ротора, лебедки.
В эти годы ВЗБТ, используя последние
достижения электротехнической промышленности,
на основе широкого внедрения тиристорных
приводов в других отраслях промышленности
и в сотрудничестве с ВНИИ "Электропривод"
разработал и освоил производство нового
поколения буровых установок — БУ 2500/160ЭП,
БУ 2500/160ЭПК и БУ 2500/160ДЭП с тиристорным
приводом.
По компоновке эти буровые установки
так же были универсальной монтажеспособности.
Вместе с тем такая универсальность монтажа
и транспортирования буровых установок
накладывала свой и отрицательный отпечаток
на монтажные характеристики: массу, степень
заводской готовности поставки секций,
мелких блоков, утепление и обогрев внутренних
рабочих помещений блоков. В то же время
как показал опыт применения этих установок
во многих районах, заложенная в них универсальность
монтажа и транспортирования зачастую
так и не использовалась, в т.ч. и по экономическим
соображениям.
В 90-х годах ВЗБТ разработал
концепцию блочно-модульных буровых установок,
удачно сочетающих в себе все главные
эксплуатационные качества: регулируемые
тиристорные приводы основных исполнительных
механизмов, повышенную монтажеспособность,
полную степень заводской готовности
поставки оборудования и сооружений, скомпонованные
в модули и секции с утепленными укрытиями
и обогревом, всеми коммуникациями, освещением
и т.п.
Новое поколение блочно-модульных
буровых установок грузоподъемностью
175 и 200 т. на крюке для разведочного и эксплуатационного
бурения, в т.ч. и кустового бурения - БУ
2900/175ЭПБМ, БУ 2900/175ДЭП-БМ,
БУ 2900/200ЭПК-БМ — позволяет существенно
повышать монтажеспособность, кратно
сократить сроки монтажа, увеличить коэффициент
оборачиваемости буровых установок и
на этой базе, в принципе, закрепить буровую
бригаду за буровой установкой, сократив
необходимое количество находящихся в
эксплуатации буровых установок.
На ВЗБТ с 1986 года начали создавать
мобильные буровые установки, по классу
буровых установок грузоподъемностью
100 т., это — мобильный агрегат для бурения
и капитального ремонта скважин с бурением
вторых стволов - Бр-125, а также Р-125 (подъемник
с максимальной нагрузкой на крюке 125 т.).
Вышечно-лебедочный блок таких установок
скомпонован на полно-приводном шестиосном
автомобильном шасси. Групповой привод
лебедки, ротора осуществляется от силовой
дизельной установки шасси. Все остальные
системы агрегата - система очистки и емкостная
система, насосный блок из двух модулей,
энергоблок и др.
- выполнены в
блочно-модульном исполнении полной
заводской готовности поставки
и транспортируются на платформах,
полуприцепах по дорогам всех
категорий [1].
Основные
изменения в технике бурения за послевоенные
годы характеризуются следующими показателями:
-глубина
бурения увеличена до 15000 м;
-мощность
буровых насосов возросла с 220 до 1250 кВт;
-
допускаемая нагрузка на крюке
подъемных механизмов буровых
установок возросла с 1300 до 5000 кН;
-мощность
привода буровых установок возросла с
445 до 4000 кВт;
-давление
буровых насосов возросло с 10 до 40 МПа.
1.4 Цикл работы буровой
установки
Процесс вращательного бурения
состоит из повторяющихся в строгой последовательности
операций: спуска бурильной колонны в
скважину; работы долота на забое (собственно
процесс разрушения породы, вращение и
углубление долота при циркуляции жидкости);
наращивания колонны по мере углубления
скважины; подъема колонны для смены изношенного
долота и ее спуска (СПО); вспомогательных
или аварийных работ (промывка скважины,
очистка и приготовление раствора, ликвидация
осложнений, аварий и т. д.).
На рис. 3 приведена структурная
схема буровой установки для глубокого
вращательного бурения с промывкой скважины
жидкостью (буровым раствором).
Весь цикл работы буровой установки
или рейс одного долота приведен на диаграмме
(рис.4.). Как видно из диаграммы, рейс состоит
из спуска С колонны с циклическим увеличением
нагрузки на крюк Рк до наибольшей для данной
глубины скважины, нескольких периодов
бурения Б, наращиваний Н и подъема П колонны
для смены долота Д с циклическим уменьшением
нагрузки на крюк по мере извлечения каждой
свечи. Скорость спуска бурильной колонны
лимитируется технологическими условиями
и состоянием ствола скважины и составляет
1 - 2 м/с в необсаженном стволе и до 3 м/с
в обсаженной части.
При подходе к забою скважины
спуск бурильной колонны замедляют, чтобы
не заклинить новое долото, так как изношенное
предыдущее долото изменяет диаметр и
форму скважины.
На некотором расстоянии от
забоя долото останавливают и скважину
промывают, после чего начинают вращать
долото, осторожно подводят его к забою
и с небольшой нагрузкой прирабатывают
забой к форме нового долота. После этого
нагрузку на долото плавно увеличивают,
доводя до максимальной, установленной
для данных условий бурения. Затем ее регулируют
в зависимости от характера проходимых
пород. Скорость бурения может меняться
от 0,1 до 60 м/ч и более.
После углубления скважины
на всю длину ведущей трубы бурение приостанавливают,
колонну приподнимают и скважину промывают
для того, чтобы поднять выбуренную породу
в затрубном пространстве на высоту, исключающую
возможность оседания ее на забой во время
наращивания. Промывка необходима также
для выравнивания плотности раствора
в затрубном пространстве и внутри колонны
труб.
После промывки скважины колонну
поднимают на длину ведущей трубы, устанавливают
на клиньях или элеваторе на столе ротора,
отсоединяют ведущую трубу с вертлюгом
от колонны и удлиняют (наращивают) ее
на одну трубу (одиночку) или свечу, состоящую
из двух-трех труб. Наращивание осуществляется
различно. В одном случае трубу заранее
укладывают на мостки, затем ведущую трубу
с вертлюгом устанавливают в шурф, находящийся
недалеко от ротора, и отсоединяют от крюка.
Затем захватывают добавляемую трубу
элеватором, висящим на крюке, поднимают
трубу над ротором и свинчивают с колонной,
подвешенной на столе ротора. После наращивания
бурильную колонну приподнимают, освобождают
от ротора, опускают на длину добавляемой
трубы, вновь устанавливают на ротор, захватывают
крюком стоящий в шурфе вертлюг с ведущей
трубой, поднимают их и соединяют с бурильной
колонной. В другом случае наращиваемую
трубу устанавливают вертикально во втором
шурфе, находящемся рядом с ротором, затем
поднимают бурильную колонну из скважины,
отвинчивают ведущую трубу от колонны
и, не устанавливая ее в шурф, подводят
к замку добавляемой трубы, свинчивают
их и поднимают из шурфа, после чего свинчивают
добавляемую трубу с колонной. Затем промывают
скважину, опуская колонну до забоя, и
продолжают бурение.
При бурении забойными двигателями
иногда не применяют ведущей трубы, и в
этом случае наращивание осуществляется
свечами для сокращения времени на эти
операции. Число наращиваний колонны в
процессе каждого рейса определяется
проходкой на долото и длиной добавляемой
трубы, а время работы долота на забое
- скоростью углубления и проходкой на
долото, которые зависят от конструкции
и качества изготовления долота, соответствия
его типа проходимым породам, факторов
режима бурения, глубины скважины, физико-механических
свойств буримых пород и свойств бурового
раствора, квалификации буровой бригады
и др. Однако во всех случаях по мере увеличения
глубины скважины показатели работы долота
снижаются. После срабатывания долота
поднимают бурильную колонну для его замены.
Скорость движения колонны при подъеме
ее на длину одной свечи зависит от мощности
подъемной системы, в среднем составляет
около 1 м/с и меняется в пределах 0,4 - 1,8
м/с в зависимости от массы и длины колонны.
2. Монтаж бурового оборудования.
Монтаж бурового оборудования пожалуй
один из самых трудоемких, дорогостоящих
процессов при осваивании скважин. Например,
для монтажа одной буровой установки для
бурения скважины глубиной до 3000 м используют 20-25 т цемента, 55-60 м3 лесоматериала. Для сооружения
фундаментов используется 300 т гравия и песка.
При индивидуальном монтаже затраты
не ограничиваются только материалами.
Часть средств идет на перевозку, доставку
оборудования, комплектующих, материалов,
рабочего состава. Цикл строительно-монтажных
работ при индивидуальном монтаже зачастую
растягивается по времени, соответственно
снижается оборачиваемость оборудования,
что в последствии ведет к простаиванию
рабочих бригад.
В настоящее время все нередки случаи,
когда монтаж оборудования и сооружения
оснований проводиться вдвое медленней
, чем бурение скважины.
В связи с увеличением скорости бурения
мероприятиям по строительству и монтажу
оборудования уделяют достаточно пристальное
внимания. Появляются все новые методы
строительства. Один из самых передовых
считается крупноблочный монтаж. Он сокращает
время подготовительных работ что выгодно
при освоении скважины. Также одним из
методов оптимизации монтажа считается
освоение транспортировки буровой вышки
в сборном виде с завода. Хотя это достаточно
трудоемкий процесс, зато экономит время
и бюджет подготовительных работ. Возможность
сократить материальные затраты и время
сейчас видят в идее металлических фундаментов,
которые после бурения демонтируются
и перевозятся на место вновь строящейся
скважины.
Рассмотрим подробнее каждый этап монтажа
описанный выше.