15.01.2021

Бурение обсадными трубами


При проходке скважин в наиболее сложных геологических условиях, в разрезах, содержащих значительное количество обломочного материала, применяются различные разновидности бурения скважин обсадной колонной, которая играет роль бурового снаряда.

Первоначально в самом простом виде он сводился к забивке обсадных труб с одновременным их вращением, как это практикуется в настоящее время при ручном бурении или в комбинированном оборудовании, предусматривающем совмещение проходки и обсадки скважин.

Для проходки наклонных до 45° и вертикальных скважин в моренных и гравийных отложениях на глубину 50—70 м широко применяется вращательный метод бурения тонкостенными обсадными трубами. Бурение обсадными трубами на всю мощность наносной толщи осуществляется последовательно несколькими колоннами труб размером AX, BX, X*.

В качестве породоразрушающего инструмента применяют тонкостенные башмачные импрегнированные алмазные коронки, средняя проходка на которую составляет 10 м. Средний срок службы обсадных труб при проходке скважин в моренных отложениях — 70—120 м.

Бурение обсадными трубами осуществляется несколькими способами. Обсадка может производиться с отставанием башмака обсадном колонны от забоя примерно на 1,5 м. Башмак нижней колонны обсадных труб обычно цементируется быстросхватывающейся смесью АМ-9. Разбурка скважины обсадной колонной осуществляется при 200 об/мин со скоростью 2,0—2,5 м/ч. Стоимость проходки 1 м скважины составляет в этом случае около 60 долл.

Другой способ проходки наносов предусматривает бурение первоначально обсадными трубами размером NX с последующим разбуриванием породы обсадными трубами BX.

Из колонны труб BX порода выбуривается снарядом АХ. Выход колонн труб BX и AX из-под башмака предыдущей колонны составляет 15—20 При этом обеспечивается только раздельная передача на каждую колонну вращения и осевого давления.

При проходки наносов обсадными трубами две колонны смежных размеров обычно находятся одна в другой. Если бурение внешней колонной по каким-либо причинам прекращается, то углубление скважины продолжают внутренней катонной, а после устранения препятствия снова разбуривают скважину внешней колонной. При этом внутренняя колонна служит как бы направляющей. Таким образом, обеспечивается своеобразное телескопическое продвижение обсадных труб в наносной толще. Для предотвращения заклинивания обсадных труб между собой в башмаке колонны большого диаметра устанавливаются распорки, которые ограничивают их соприкосновение. Промывочная жидкость нагнетается в трубу, которой производят бурение, а восходящий поток поднимается по кольцевому зазору между стенками труб или же между колонной внешних труб и стенками скважины.

При таком способе проходки наносов стоимость 1 м бурения составляет около 20 долл. Иногда в наносах обсадные трубы продвигаются с вращением вслед за расширителем.

К наиболее совершенным методам проходки наносов вращательным бурением следует отнести дуплекс-метод, разработанный шведской фирмой Крелиус. При этом способе бурильная колонна состоит из толстостенных труб, внутри которых расположены бурильные трубы. Специальный дуплекс-патрон, имеющийся на шпинделе станка, обеспечивает одновременное вращение и подачу двух колонн труб. Промывочная жидкость нагнетается во внутреннюю колонну, а поднимается по затрубному пространству между стенками скважины и колонной обсадных труб. Для замены коронки или подъема керна предусмотрена возможность раздельного извлечения из скважины бурильных и обсадных труб, что предотвращает обвалы стенок скважины. При данном методе бурения забой имеет ступенчатую форму вследствие того, что коронка внутренней колонны на 10—50 мм опережает коронку наружной колонны труб. В качестве породоразрушающего инструмента используются импрегнированные алмазные коронки, иногда для внутренней колонны применяются также и долота сплошного забоя. Поскольку алмазная коронка на обсадной трубе служит только для разбуривания ствола скважины, проходка на нее несколько выше, чем при вращательном бурении обсадными трубами. Средний срок службы внешней колонны при бурении в моренах составляет 150 м. Обычно дуплекс-метод обеспечивает перекрытие толщи наносов двумя колоннами обсадных труб. Наиболее распространенные диаметры бурения 86, 66 и 46 мм. При внешнем диаметре бурения 86 мм диаметр внешней обсадной колонны — 82 мм, внутренней бурильной колонны — 63 мм, а коронки на ней — 66 мм. С переходом на меньший диаметр бурения обсадная труба диаметром 82 мм остается в скважине в качестве направляющей колонны, а дальнейшее углубление продолжается по-прежнему двумя колоннами труб диаметром 53 и 43 мм. При этом на трубах диаметром 43 мм используются коронки диаметром 46 мм. После установки второй колонны труб диаметром 63 мм бурение ведется без обсадки коронкой диаметром 46 мм на трубах диаметром 43 мм.

Таким образом, при данном методе бурения каждая из двух колон и попеременно работает в качестве обсадных и бурильных труб.

При вращательном бурении обсадными трубами, а также и дуплекс-методе рекомендуется применять тяжелые буровые станки с гидравлической подачей, вес которых превышает 1000 кг, мощность 30 л. с. По сравнению с обычным колонковым бурение дуплексный метод требует при тех же глубинах скважин увеличения приводной мощности до 30%.

Потребный расход промывочной жидкости составляет 40—60 л/мин при давлении 10—25 кГ/см2. Технология работ предусматривает вращение бурового снаряда в основном го скоростью 170—300 об/мин. Однако при проходке некоторых разновидностей песчаных пород скорость вращения возрастает до 500—800 об/мин. Нагрузка на коронку при перебуривании твердых включений составляет 500—1300 кГ, а в мягких грунтах 200—500 кГ.

При вращательном бурении обсадными трубами или дуплекс-методом по наносам удельный вес собственно бурения в общем балансе рабочего времени на 15% выше, чем при забивке обсадных труб. При этом в связи с увеличением степени механизации работ состав смены уменьшается до двух человек.

При бурении в морене скважин под углом 45—60° глубиной 11 м производительность дуплекс-метода составляет 5,4 м/смену, с увеличением глубины до 23 м уменьшается до 2,6 м/смену и далее при 40 м составляет 2,0 м/смену.

Средняя производительность бурения дуплекс-методом скважин глубиной 60 м в моренах составляет 2,2 м/смену, а при глубине скважин порядка 10—12 м — 5,3 м/смену. Средняя стоимость проходки 1 м —12—20 долл., в том числе затраты на инструмент 6—7 долл.

Отмечается, что в США, Канаде, Швеции этот метод проходки наносов более экономичен, чем забивка обсадных труб.

Вместе с тем в сложных геологических условиях наиболее эффективно погружение обсадных труб ударно-вращательным методом.

В мягких породах нанесение ударов по колонне облегчает ее вращение, снижая необходимый для этого крутящий момент; твердые включения под действием вращения и ударов вдавливаются в стенки скважины, либо дробятся, а затем отжимаются в стороны или извлекаются на поверхность. Постоянное присутствие в скважине обсадной колонны обеспечивает сохранность ствола для дальнейшей углубки, извлечения разбуренной породы и необходимых исследовании на забое.

Указанные преимущества явились причиной создания специальных более совершенных технических средств, позволяющих осуществлять те же технологические операции значительно производительнее и эффективней.

Новый способ проходки наносных отложений предусматривает работу двумя колоннами труб. Для наружном колонны используются специальные высокопрочные обсадные труби с муфтовым соединением, имеющим канатную резьбу. В качестве внутренней колонны служит стандартная буровая сталь с полудюймовым каналом для прохода промывочной жидкости или воздуха. Совместно с обсадными трубами диаметром 127 мм применяется буровая сталь диаметром 38.1 мм и крестообразное долото диаметром 101,6 мм, армированное твердим сплавом, а с трубами 69,8 мм — буровая сталь 31,7 мм и долото 50,8 мм. Одновременно обе колонны вращаются поршневым пневматическим двигателем через систему зубчатых и цепных передач. Обеспечена возможность также и раздельной передачи на инструмент вращения, ударных нагрузок и осевого усилия.

Если крутящий момент на вращателе при бурении по наносам становится недостаточным, то наружные трубы составляют в качестве направляющей обсадной колонны, колонну труб из буровой стали диаметром 38 мм извлекают и продолжают бурение сдвоенной колонной меньшего диаметра. Вращатель и ударный механизм установки объединены в едином корпусе длиной 0,83 м, имеют вес 203 кг и перемешаются по мачте высотой 7 или 16 м. Стандартный пневмоударник ВВЕ-51 с диаметром поршня 120,6 мм обеспечивает до 2000 ударов в 1 мин. Пневмомотор вращателя имеет мощность 3 л. с. при 1000 об/мин и обеспечивает через редуктор вращение колонны со скоростью 100; 67 и 50 об/мин. Цепной механизм подачи вращателя приводится в действие четырехцилиндровым пневмомотором. Общая потребность в сжатом воздухе на привод механизмов при бурении составляет 12,4 м3/мин.

Спуско-подъемные операции осуществляются двумя лебедками с приводом от пневмодвигателей мощностью по 6,2 л. с., потребляющих по 4,6 м3/мин сжатого воздуха. Вес каждой лебедки 168 кг. Одна лебедка связана с ударно-вращательным механизмом, другая — с хомутом обсадной трубы. Свинчивание и развинчивание инструмента осуществляется механическим способом.

Если установка оснащена мачтой высотой 7 м, то спуско-подъемные операции осуществляются с бурильными трубами длиной 3,0—4,5 м. Для привода рабочих органов установки применяется компрессор производительностью 15 м3/мин и давлением 8 кГ/см2.

В процессе бурения инструментом диаметром 127 мм для очистки забоя от шлама промывочной жидкостью рекомендуется иметь насос производительностью 170 л/мин и давлением 14 кГ/см2 при очистке забоя сжатым воздухом — компрессор производительностью 3 м3/мин и давлением 6 кГ/см2.

В трудных геологических условиях наилучшие результаты получены при промывке скважины водой. Давление промывочной жидкости составляет приблизительно 12 кГ/см2.

В зависимости от условий работы буровое оборудование монтируется на специальных платформах, баржах, понтонах, колесных тележках, автомашинах или тракторах-бульдозерах. Скорость бурения этим методом в галечно-валунных моренных отложениях достигает 20 м/смену, тогда как в аналогичных условиях скорость ударно-канатного бурения не превышает 2—3 в смену.

Во время работ по сооружению канала в Швеции за 8 ч проходили скважину глубиной 13 м, в том числе 7,5 м по глине, 2,5 м в моренах и 3 м по скальной породе. В глинистых породах этот метод бурения недостаточно эффективен, поскольку глина плотно обволакивает инструмент и ухудшает условия очистки скважины от шлама.

По зарубежным данным на бурении скважины глубиной 45 м в песках и гравии с включением валунов затрачено 24 ч. На глубину 15 м скважина пройдена инструментом диаметром 127 мм, а далее 69,8 мм. Изменение скорости проходки по глубине характеризуется следующими показателями: интервал 0—24 м пройден за 7 ч, 24—33 м — за 5 ч, 33—41 м — за 9 ч и 41—45 м — за 3 ч, В конце бурения механическая скорость снизилась до 0,6 м/ч.

Стоимость буровых наконечников, отнесенных к 1 м проходки для инструмента диаметром 127 мм, составляет по башмачным твердосплавным коронкам для обсадных труб 1,7 и по крестовым долотам — 0,6 долл. Для инструмента диаметром 69,8 мм стоимость башмачных коронок и крестовых долот соответственно составляет 0,9 и 0,23 долл.

Необходимость передачи снаряду, представляющему собой двойную концентрическую колонну труб вращения и ударных нагрузок, значительно усложняет оборудование. Повышаются и требования к буровому инструменту, соединения которого должны не только передавать крутящие моменты, составляющие 1000 кГ*м и более, но и выдерживать высокие ударные нагрузки. Стремление упростить оборудование и инструмент, не снижая эффективности процесса бурения, привело к появлению метода забивки двойной колонии посредством дизель-молота. Проходка скважины в этом случае осуществляется сплошным забоем, а разрушенная порода выносится на поверхность потоком воздуха или промывочной жидкости, поднимающимся из скважины по центральному каналу внутренней колонны. С поверхности циркуляционный агент подастся в кольцевой зазор между наружной и внутренней колонной и над забоем меняет свое направление, захватывая шлам. Такая технология требует высокой энергии удара, расходуемой на разрушение забоя и преодоление сил трения в стенках скважин.

В установке, разработанной для нового метода фирмой «Беккер Дрплл» и США, погружение снаряда осуществляется дизель-молотом с энергией единичного удара более 1100 кГ*м и числом ударов около 100 в 1 мин. На работу дизель-молота расходуется около 12 л дизельного топлива и 2,5 л масла за 10-ч смену. При бурении поддерживается осевая нагрузка на забой, составляющая 100 кГ на 1 см лезвия долота. Каждая секция буровой колонны состоит из двух коаксиально расположенных труб. Наружные толстостенные трубы служат для передачи ударной нагрузки и осевого усилия при извлечении снаряда из скважины, а внутренние являются каналом, по которому выходящим потоком очистного агента транспортируется на поверхность разрушенная порода. Наружные трубы связаны между собой резьбовыми приварными замковыми соединениями, соответствующими стандарту AP1. Внутренние трубы свободно посажены в расточки муфты и ниппеля. Зазоры между наружной и внутренней трубами герметизируются уплотнениями. Наружный диаметр буровой колонны составляет 140 мм. Выпускается также колонна с наружным диаметром 168 мм и внутренним 112,7 мм. Долото имеет такой же диаметр, как и колонна, и оснащено восемью радиальными лезвиями. Внутренний диаметр долота по резням примерно на 3 мм меньше диаметра центрального канала, что обеспечивает надежный вынос разрушенной породы. Несмотря на значительную энергию удара, составляющую более 60 кГ*м на 1 см диаметра, что значительно превышает другие известные методы бурения, проходка на долото составляет до 500 м даже при использовании его в гранитной гальке. Скорость углубления обычно составляет около 9 м/ч, а в отдельных случаях достигает 100 м/ч. Отмечено, что в мелких гравийных отложениях получена скорость 1 м/ч, в моренных отложениях 3 м/ч.

Установка фирмы «Беккер» представляет собой мощный самоходный агрегат, имеющий мачту, по которой цепной подачей перемещается дизель-молот. Нa установке смонтированы также насос, компрессор, лебедки, циклон для очистки воздуха и отбора проб, гидравлический домкрат, обеспечивающий усилие до 50 T для извлечения колонны труб после завершения бурения. Установка может оснащаться вращателем с гидроприводом для бурения через колонну труб по коренным породам. При этом двойная буровая колонна остается в скважине для крепления неустойчивой наносной толщи. Возможная глубина бурения по наносам составляет около 90 м, в моренных отложениях 45 м, а по коренным породам до 150 м. Угол наклона скважин до 45°.

Установка весит 21 000 кг и может быть смонтирована на автомашине, санях или барже. Она применяется для бурения скважин при сейсморазведке, разведке строительных материалов, инженерной разведке, сооружения свайных основании, поисках и разведке угля и бокситов, для гидрогеологических целей и т. д. Кроме того, она используется для перекрытия наносов при алмазном бурении. Производительность установки составляет до 120 м за 10-ч смену. При бурении с водоема была получена производительность около 1800 м в смену.





Яндекс.Метрика