Автоматизация технического процесса бурения

    Существуют  следующие способы удаления частиц разрушенной породы:

• гидравлический,  при котором продукты разрушения выносятся потоком промывочной жидкости (вода, глинистый раствор, специальные промывочные жидкости на основе нефти, полимеров и др.);
• пневматический,  при котором продукты разрушения выносятся потоком сжатого воздуха или газов;
• механический, осуществляется буровым или специальным инструментом  (буровой стакан, ложковый или спиральный бур, шнек, желонка), что определяется способом бурения;
• комбинированный использует два или три перечисленных выше способов одновременно или последовательно.

    Стенки  скважины в неустойчивых породах  в процессе углубки наиболее часто  закрепляют вяжущими промывочными жидкостями (глинистые, полимерные и пр.), а также  цементом и цементосодержащими материалами, синтетическими смолами, замораживанием и др. Для крепления скважин на более длительное время в основном применяют стальные обсадные трубы, но могут использоваться трубы из нержавеющей стали, чугуна, асбоцемента, пластмасс и других материалов.

      Под сооружением скважины понимают  комплекс работ по ее подготовке, бурению и поддержанию в устойчивом состоянии, проведению в ней необходимых исследований, ликвидации или сдаче ее в эксплуатацию.

    Сооружение  скважины, кроме бурения предусматривает  выполнение следующих видов работ: монтаж буровой установки; испытание и исследования в скважине - каротаж; замер искривления и уровня жидкости, отбор проб воды, определение дебита с помощью откачек и т.п.; тампонирование скважины с целью разобщения и изоляции водоносных и поглощающих пластов; установка  фильтра и водоподъемника в гидрогеологической скважине; предупреждение и ликвидация аварий   скважины (ликвидационное тампонирование); разборка буровой установки и работы по рекультивации почвы. Перечисленные виды работ  выполняются  буровыми, монтажными, каротажными, гидрогеологическими и другими бригадами.         

    1.4. Классификация способов бурения

      Бурение скважин может осуществляться способами, принципиально отличающимися по своей физической природе разрушения горных пород: механическими, физическими и химическими.

    В основном применяют механическое бурение, которое, в зависимости от способа  воздействия на разрушаемую породу, подразделяется на вращательное, ударное  и ударно вращательное (рис. ZZ11).

    Наиболее  распространено вращательное бурение, при котором породоразрушающий инструмент получает вращение от специального механизма - шпинделя вращателя или ротора - через колонну бурильных труб или от забойного двигателя (гидравлического или электрического). В связи с этим различают бурение шпиндельное, роторное, забойными двигателями - турбобурами и электробурами.

    При бурении указанными способами породы любой твердости можно разрушать  по всей площади забоя или по кольцу с образованием в центре скважины ненарушенного столбика породы - керна. Первый способ, называемый бескерновым, широко применяется при бурении  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

эксплуатационных  и технических скважин. Второй способ называется колонковым и применяется  при поисках и разведке месторождений  полезных ископаемых.

    В зависимости от способа подъема керна из забоя скважины на поверхность различают колонковое бурение со съемными керноприемниками и гидротранспортом керна. В первом случае керн поднимается в керноприемнике на стальном тонком канате внутри гладкостовольной колонны бурильных труб, а во втором транспортируется во внутренней трубе двойной колонны труб потоком промывочной жидкости. Вращательное бурение ведется с промывкой или продувкой.

    При бурении неглубоких скважин в  мягких породах применяют вращательное шнековое и медленно вращательное бурение буровыми ложками и спиральными бурами без промывки.

    Ударное бурение используют при разведке рассыпных месторождений, бурении  гидрогеологических и различного назначения технических скважин большого диаметра в породах любой твердости (в крепких породах оно мало производительно). Сущность этого способа заключается в том, что тяжелый ударный снаряд с долотом периодически сбрасывается на канате с небольшой высоты на забой, дробя и скалывая при этом породу. После каждого удара снаряд поворачивается на некоторый угол за счет раскручивания каната. Удаление разрушенной породы проводится желонками. Ударный способ, применяющийся при проходке нефтяных и газовых скважин в некоторых странах, включая США, уже давно не применяется на нефтяных промыслах России [Н.Г. Середа, Е.М. Соловьев - Бурение нефтяных и газовых скважин - Москва "Недра" !984г.].

    При ударно-вращательном бурении по вращающемуся под постоянной осевой нагрузкой  породоразрушающему инструменту любого типа наносятся частые удары. Крепкие породы при этом разрушаются более эффективно. Для бурения ударно-вращательным способом применяют специальные забойные механизмы: гидроударники, пневмоударники, магнитострикторы и забойные вибраторы.

    Вибрационный  способ применяют при бурении  неглубоких скважин в мягких породах.

      Из  физических способов разрушения  пород при бурении практически  применяются термический, термомеханический,  элетротермический и гидравлический.

    Другие  способы разрушения пород не вышли  из стадии экспериментов. 

    1.5 Основные технико-технологические понятия процесса

    бурения

    Понятие о буровом инструменте. Инструмент, предназначенный для бурения скважин называется буровым. Буровой инструмент по назначению подразделяется на технологический, вспомогательный, аварийный и специальный. Технологический инструмент применяют 7епомредственно при бурении скважин: породоразрушающий инструмент (коронки, долота, расширители), кернорватели, колонковые трубы и соединения, УБТ, желонки, ударные штанги,шнеки, ведущие бурильные трубы. Набор технологического инструмента, соединенного в определенной последовательности, называется буровым снарядом. В зависимости от способа бурения различают колонковые, ударные, вибрационные и другие буровые снаряды. Например, в состав бурового снаряда при колонковом бурении входят колонковый набор, бурильная колонна, ведущая труба.

    Вспомогательный инструмент предназначен для закрепления  стенок скважины и обслуживания технологического инструмента. К вспомогательному инструменту  относятся обсадные трубы и соединения, хомуты, ключи элеваторы, подкладные вилки и т.д.

    Аварийный инструмент предназначен для ликвидации аварий в скважинах. К аварийному инструменту относятся различные  ловильные инструменты (метчики, колокола и т. д.), режущие инструменты (труборезы, фрезы и т. д.), силовые инструменты (выбивные бабы, вибраторы и т. д.) и др.

    Специальный инструмент служит для выполнения специальных  работ в скважинах, связанных  с исправлением искривлений, бурением в заданном направлении и т. д.

    Технологические понятия. Параметр режима бурения - это фактор, влияющий на показатели бурения, задаваемый, измеряемый и поддерживаемый бурильщиком или автоматом в процессе углубки скважины. К основным параметрам относятся: а)при вращательном бурении: осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент; частота вращения бурового снаряда; расход очистного агента; б) при ударном бурении: масса ударного снаряда; высота сбрасывания; частота ударов и др.

    Совокупность  параметров режима бурения, характеризующих  работу породоразрушающего инструмента (скорость бурения), называется технологическим режимом бурения. Технологический режим бурения выбирается в зависимости от физико-механических свойств горных пород, глубины скважины, вида породоразрушающего инструмента и технических возможностей оборудования.

    Различают следующие виды технологический режимов бурения: оптимальный , рациональный и специальный.

    Оптимальный режим бурения обеспечивает получение  наилучших технико-экономических  показателей бурения.

    Рациональный  режим бурения устанавливается  с учетом технических возможностей бурового оборудования и инструмента. Например, известно, что в монолитных крепких породах бурение импрегнированными алмазными коронками необходимо осуществлять на высоких частотах вращения (>700 - 1000 об/мин), но применяемый буровой станок не имеет этих скоростей или бурильная колонна может обрываться, следовательно, приходиться это учитывать и устанавливать рациональную частоту вращения ниже возможностей коронки.

    Специальный режим бурения применяется для  получения заданных качественных показателей бурения или решения специальных задач. Значения параметров при этом режиме отличаются от значений оптимального режима. Например, специальный режим устанавливается при бурении по полезному ископаемому, которое подвержено разрушению от механических воздействий и потока промывочной жидкости. При этом уменьшается частота вращения снаряда и расход промывочной жидкости.

    Приработка  алмазных коронок проводится также  на специальном режиме, при котором  осевая нагрузка и частота вращения ниже оптимального или рационального режимов. Иногда выделяют так называемый форсированный режим бурения.

    Скорости  бурения

    Технологические режимы влияют на показатели бурения, под которыми понимают количественные и качественные параметры сооружения скважины, скорость, стоимость 1 м пробуренной скважины, процент выхода керна, направление скважины и др.

    Выполнение  отдельных процессов при сооружении скважины может характеризоваться  определенной скоростью бурения (механическая, рейсовая, техническая, коммерческая и  цикловая).

    Механическая скорость бурения -величина углубки скважины за единицу времени чистого бурения и определяется (в м/ч) по формуле

,

где l - величина углубки скважины за время чистого бурения, м; - время чистого бурения, ч.

    Под чистым бурением понимают время, в течение  которого разрушаются породы на забое.

    В практике в зависимости от момента  определения различают начальную, конечную, среднюю, наибольшую механическую скорости.

    Механическая  скорость бурения  - основной показатель, отражающий эффективность способа бурения, качество применяемых породоразрушающих инструментов, рациональность режимов их эксплуатации, совершенство применяемой буровой технологии и т. д.

    Рейсовая  скорость бурения  - величина углубки скважины за единицу времени продолжительности рейса и определяется ( в м/ч) по формуле

,

где - величина углубки скважины за рейс; - время на выполнение спуско-подъемных и вспомогательных операций, ч.

    Рейсом называется комплекс работ, включающий в себя спуск и подъем бурового снаряда, чистое бурение, извлечение керна, замену породоразрушающего инструмента и др.

    Рейсовая  скорость зависит от механической скорости и глубины скважины и дополнительно  характеризует износоустойчивость породоразрушающих инструментов, совершенство буровых снарядов, обеспечивающих высокопроцентный отбор керна, а также степень комплексной механизации и автоматизации выполнения спускно-подъемных и вспомогательных операций в течение рейса.

    Техническая скорость бурения определяется объемом бурения, пробуренным одной бригадой (буровой установкой) за месяц с учетом времени, затраченного на чистое бурение, СПО и вспомогательные операции, крепление и цементирование, все виды исследований, планово-предупредительные ремонты и т. д. (в м/ст.-мес),

,

где L - объем бурения за 1 месяц, м; , и - время соответственно чистого бурения, СПО и дополнительных затрат (крепление, исследование, плановые ремонты и т. д.) за месяц, ч; М - продолжительность месяца, ч (применяется М = 720 или 744 ч).