Способы бурения скважин: Методы бурения скважин

Методы бурения скважин

В данной статье рассматривается способы и методы бурения скважин применительно к водоснабжению, за исключением  бурения на нефть, газ, геолого-разведочное бурение и т.д.

Роторное бурение
Это бурение применяют в основном с помощью буровых машин, например УРБ-2А2. Породу в этом случае разрушаетшарошечное долото, а размельченную породу наверх поднимает буровой раствор. То есть это бурение с промывкой. С помощью этого метода можно пробурить прослойки известняка, скальные включения, так называемые морены. Для вращения буровых штанг используется крутящий момент ротора, который располагается на буровой машине. От двигателя внутреннего сгорания, расположенного на машине идет привод к ротору. Чтобы долото смогло бурить на него необходимо дать значительную нагрузку сверху. Это осуществляется, в том числе с помощью утяжеленных бурильных штанг.

Ударно-канатное бурение

Известно еще со времен древнего Китая. Правда бурение в древнем Китае отличается от современного. В Китае с некоторой высоты кидался конусообразный груз, который раздвигал и уплотнял грунт. Сейчас же для ударно-канатного бурения используют желонки и забивные стаканы. Желонка – это снаряд, который кидается с высоты в скважину. При ударе о дно скважины в желонку входит грунт, который остается в ней за счет наличия клапана. Потом желонку вытаскивают на поверхность, вытряхивают из нее грунт, и снова кидают. Забивной стакан – по сути это тоже желонка, с той лишь разницей, что  в стакане нет клапана, и грунт застревает в стакане за счет силы трения. С помощью желонки бурят, обводненные грунты, песчаные. С помощью забивного стакана бурят глинистые грунты, суглинистые, то есть достаточно вязкие, которые при отрыве стакана от грунта застревают в стакане. Ударно-канатное бурение – это довольно длительный и трудоемкий процесс. Иногда, для прохождения каменистых слоев используют ударно-канатное бурение с помощью бурового патрона, для пробивки каменистых отложений. Шлам из скважины достают с помощью желонки. С помощью ударно-канатного бурения можно бурить довольно глубокие скважины – глубиной до 300 метров. Но, при большой глубине скважины уже нужно использовать телескопическую структуру. То есть верхняя часть скважины делается из трубы максимального диаметра, затем после определенной глубины идет труба меньшего диаметра, потом еще меньше, и так далее. Существуют переносные буровые станки, для бурения ударно-канатным способом.
Ударно-канатное бурение значительно медленнее и с большей трудоемкостью, чем шнековое, однако для его производства требуется минимум оборудования и места.

Канатно-вращательное бурение (гидробурение с забурником)

В этом случае грунт бурится с помощью полой штанги, на конце которой расположен забурник. Разрыхленный грунт поднимается на поверхность с помощью промывки буровым раствором. Буровой раствор направляется в шламоотстойник. Таким образом бурение происходит оборотной водой. Этот метод можно использовать с помощью переносных буровых установок типа вологодской, минской, курганской. Бурить можно в труднодоступных местах, в подвалах домов. Этим способом можно пробурить скважины на песок, глубиной до 50 метров. Бурение производится не чистой водой, а специальным буровым раствором, с бентонитовой глиной. Использование бентонита позволяет укрепить стенки скважины и предотвратить ее обрушение. После того, как пробурили скважину вытаскивается буровой инструмент, опускаются пластиковые трубы и фильтр до дна скважины. При этом диаметр трубы – 125мм, а диаметр скважины – около 200 мм. В пространство между трубой и стенкой скважины насыпается щебенка с фракцией 5-20. Гравийная обсыпка улучшает показатели скважины, увеличивает срок службы. Таким способом можно делать довольно глубокие скважины – до 300 метров. Однако скважины глубиной более 30 метров будут иметь телескопическую структуру.

Гидробурение

По сути, мало отличается от канатно-вращательного. Отличает отсутствие забурника. Грунт размывается большим напором воды. Подходит для рыхлых почв, песков, супесей. Имеет ряд недостатков. Невозможно пробурить прослойки юрской глины. При попадании на плывун происходит большое поглощение воды, оседающий песок тормозит бурение. Процесс бурения довольно краткий. Поэтому необходимо заранее подготовить обсадную колонну для опускания в скважину. В буровой воде должна содержаться хлористоводородная кислота, в концентрации 1:20 000, которая предупреждает загрязнение водоносного пласта
Сам процесс бурения занимает совсем немного времени, но обсадная колонна должна быть заранее подготовлена к установке до начала бурения. Водяной поток должен содержать, по крайней мере, 50 миллионных долей соли хлористоводородной кислоты для предупреждения загрязнения водоносного пласта.С помощью гидробурения можно пробурить скважины глубиной максимум 15 метров, с диаметром  50-300 мм. После установки обсадных труб цементируют столб скважины снаружи от трубы, на глубину как минимум 3м от земли.

Шнековое бурение

Это вращательное бурение. Например, «Мастер-Бур»: Шнек же поднимает разрушенную породу наверх. Шнековое бурение это довольно быстрый способ бурения. За один день таким способом можно пройти до 40 метров. Но столько можно пройти только, если порода относительно мягкая. Таким способом бурят геологоразведочные скважины (при инженерно-геологических изысканиях для строительства), скважины на песок, но таким способом невозможно пробурить на большую глубину сыпучие грунты, например пески, так как стенки скважины могут обсыпаться до того, как установят обсадные трубы. Шнековое бурение хорошо для суглинистых и глинистых почв. Диаметр скважины, пробуренной шнеком может быть от 77 до 160 мм. При выемке шнеков по грунту, что остается на шнеке видно, на какой глубине находится  слой водоносного песка. Водоносный песок – это песок с очень крупными песчинками, может быть с  вкраплениями гальки. В денежном отношении это наиболее дешевый способ. Однако если при таком способе наткнуться на подземные валуны, прослойки известняка, то пробурить этим способом уже будет невозможно.

Перфоративное бурение

Это умное название означает ни что иное, как бурение абиссинского колодца. Это железная труба из отрезков различной длины (длина отрезков от 1 метра до 3), отрезки соединены между собой муфтами герметично, по форме напоминает копьё, поэтому и одно из названий — скважина игла. Герметичности резьбовых соединений добиваются использованием сантехнического льна и силикона. Для его производства сначала забуриваются до начала обводненного грунта (плывуна), диаметр скважины в сухом грунте — 50 — 80 мм. Затем в эту скважину вставляют фильтр и трубы и начинают забивать. Снизу этой составной трубы находиться фильтр. Он, представляет из себя трубу такого же диаметра, в которой просверлены много отверстий диаметром 8 — 10 мм, а снаружи обмотана специальная фильтровая сетка, которая пропускает воду и не пропускает песок. Через такую сетку галунного плетения могут пройти только частицы диаметром меньше 0,25 мм. Чтобы забить такую трубу в землю на глубину 8-12 метров пользуются различными приспособлениями: штанги и бабки.

Забивание штангой

Штанга — это металлический прут 16-22 мм в диаметре, который можно наращивать по мере заглубления абиссинской скважины. Этим прутом наносят удары непосредственно по наконечнику фильтра, таким образом на все резьбовые соединения прикладывается растягивающая нагрузка, в результате резьбы не деформируются, а вся нагрузка по раздвижению плотного грунта приходится на наконечник.

Забивание бабкой

Бабка — специальное приспособление, ударная нагрузка от которого ложиться на ствол скважины. На оголовок скважины накручивается специальная насадка, по которой наносятся удары бабкой — груз с отверстием внутри. В этом способе вся ударная нагрузка ложиться на резьбы. Поэтому иногда бывает, что резьбы ломаются и скважина остается в земле. И для того и для другого способа очень большие требования к качеству резьбы. Они должны быть строго соосны с осью самой трубы. К сожалению в большинстве кустарных производств такую резьбу сделать трудно, поэтому если мастер нарезал резьбы на ближайшей металлобазе, то он рискует тем, что трубы сломаются, материал он из земли не вытащит и денег с хозяина не получит. Если же резьбы нарезаны на токарном станке с хорошей соосностью, то такая резьба будет гораздо более прочная, особенно при забивании бабкой. Насос для такой скважины используется самовсасывающий, который подключается непосредственно к трубе и создает в ней разрежение (вакуум), и этот вакуум и поднимает воду на поверхность.

Основные способы бурения скважин

Разработка различных месторождений и изучение горных пород предполагает бурение скважин. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, поэтому специалисты учитывают все нюансы, с которыми они столкнутся во время работы и выбирают оптимальный способ, гарантирующий получение нужного результата с минимальными затратами. Разработку месторождений могут выполнять только квалифицированные компании, которые имеют нужную аккредитацию. Несмотря на то, что существует не так много способов бурения скважин, не так просто подобрать оптимальный метод, поэтому без привлечения специалистов по бурению обойтись нельзя.

Виды бурения скважин

Способы бурения разделяют на механические и немеханические виды. Немеханические способы слабо изучены, поэтому практически не используются на практике. Механические методы бурения применяются при разработке скважин различного назначения. Пробуривание происходит при помощи специальных долот, что обеспечивает получение ствола скважины нужного размера.  Механические способы бурения также разделяются на несколько разновидностей:

• Вращательный.
• Ударный.
• Вибрационный.

Каждый из способов имеет особенности, но каждый из них позволяет добиться нужного результата. Наиболее эффективным способом бурение считается вращательный, так как позволяет извлекать породу скважины без остановки процесса. Также вращательный метод является самым дешевым, поэтому большинство работ выполняется при помощи именно этого вида бурения. Так как вращательный метод является основным способом бурения скважин, то его стоит рассмотреть подробнее. Вращательный метод делится на три способа:

• Колонковый.
• Шнековый.
• Роторный.

Вращательный способ бурения может использоваться на грунтах различной плотности, поэтому выделяют три подвида, каждый из которых имеет свое предназначение и особенности. Общий процесс бурения скважин вращательным способом не сильно отличается, но каждый метод оптимален только при наличии некоторых критериев.

Особенности колонкового бурения

Колонковое бурение применяется преимущественно на песчаных или неплотных глинистых грунтах. Почва извлекается в виде керна, а бурение происходит при помощи специального долота также углубление скважины может происходить при помощи специальная коронки, которая монтируется на трубу. Вращательный момент передаётся поверхности земли при помощи труб, имеющих надежное крепление. Если бурение происходит на плотных породах, то при буровых работах дополнительно подаётся промывочная жидкость. К твердым породам относятся:

• Суглинки.
• Скальные виды.
• Тяжёлые глины.

При помощи большого количества воды также возможно удалить шлам из забоя. В некоторых случаях вместо промывки используется продувка сжатым воздухом, который поставляется внутрь трубы при помощи специального компрессора. При колонковом бурении можно разработать скважину диаметром 8-20 сантиметров и глубиной до километра. Основные работы проводятся при помощи буровых установок, которые установлены на автомобиле КАМАЗ или КрАЗ.

Особенности шнекового бурения

Шнековое бурение применяется при разработке водоносных скважин в частных домохозяйствах. Бурение при помощи шнека предполагает ввинчивания в породу, благодаря чему одновременно с углублением скважины происходит извлечение грунта. Шнек является стержнем с лопастями. Такая конструкция не позволяет полностью извлечь из забоя отработанную породу, поэтому метод эффективен только при прохождении верхних слоёв.

Чаще всего способ подходит для создания скважин, глубина которых не превышает 30 м на мягких почвах и 20 м на средне-плотных грунтах. После того как из забоя извлекается шнек, ствол укрепляется обсадкой, а сама скважина очищается от остатков пород. Использование шнека при бурении в плотных и скальных породах нецелесообразно, поэтому метод может комбинироваться с другими способами бурения.

Особенности роторного бурения

Роторное бурение используется для пробуривания скважин в скальных и полускальных почвах на глубину до 150 м. Роторная установка чаще всего оснащается помимо долота сальные утяжеленные трубами для бурения. Обязательно при роторном бурении используется промывочная жидкость, поэтому в холодных регионах зимой невозможно использовать способ из-за замерзания технологических компонентов. Среди достоинств метода стоит отметить:

• Возможность организации скважины, диаметр которой будет до 2 м.
• Высокое качество бурения при разработке водяных скважин.
• Быстрый процесс бурения при небольших затратах ресурсов.

Обсадная труба монтируется после очищение ствола скважины от отработанных пород, что позволяет добиться хороших результатов и надежности разработки. 

Нужно провести бурение? Компания «Горгеомех» уже много лет занимается инженерно-геологическим бурением скважин и готова вам в этом помочь!

Различные способы бурения скважин. Услуги по бурению скважин от компании Вода-Ст.

При водоснабжении загородного дома бурение скважин на воду является наиболее экономически оправданным способом добычи воды, а в ряде случаев – и единственным. Отсутствие центрального водоснабжения на территории, где вода необходима, зачастую требует применения такого метода, как вертикальное бурение скважин.

Кроме того, скважины бывают необходимы в том случае, если требуется снизить уровень грунтовых вод, чтобы защитить от подтопления заглубленные сооружения, при выполнении мелиоративных работ или добыче полезных ископаемых. В этом случае выполняют дренажное бурение скважины, цены которого зависят от степени затопляемости и необходимого количества производимых работ.

Для обустройства водозаборной скважины могут применяться разные способы бурения. При выборе специалисты ориентируются на тип грунта, назначение и глубину скважины. Например, при бурении твердых пород применяют вибрационные или вращательные технологии.

Чтобы определить, какой метод подойдет в конкретном случае, рассмотрим особенности всех существующих способов.

Виды буровых механизмов

Сегодня очень редко скважины бурят ручным способом, так как механизация процесса позволила добиться большей эффективности. Для получения шахт нужного диаметра и глубины применяют соответствующее долото. Подача грунта на поверхность осуществляется либо сухим (при помощи воздуха), либо гидравлическим (под напором воды) методом.

Выделяют три разновидности механизированного бурения:

• ударное — порода разрушается ударами бура;
• вращательное — порода разбивается вращением бура;
• вибрационное — на почву воздействуют высокочастотные колебания.

Наиболее популярен вращательный способ, так как он недорогой, простой и может осуществляться при помощи ручного инструмента. При этом он остается самым эффективным — в 5 раз быстрее ударного и в 10 раз вибрационного методов.

Вращательный метод разделяется на подвиды: колонковый, шнековый и роторный (шарошечный).

Техника бурения вращательным способом одинакова, но каждый вариант требует использования специального оборудования и применяется на определенных грунтах.

Специфика колонкового бурения

Колонковое бурение эффективно на песчаных и глинистых почвах. Грунт извлекается цельным куском при помощи долота. Буровым снарядом служит толстостенная труба, на конце которой крепится кольцеобразная коронка.

При бурении твердого пласта почвы в процессе дополнительно подается вода или глинистый раствор. Шлам также удаляется подачей воды либо продувкой трубы сжатым воздухом.

Данный способ бурения подходит для создания глубоких скважин на воду до 1 км. Буровые установки крепят на машины типа КАМАЗ и КРаз.

Колонковый бур применяется при бурении разведочных скважин. Основной плюс этого способа — производительность. К достоинствам также относят:

• высокую скорость;
• возможность бурить скважины большого диаметра;
• компактные размеры буровой установки.

Единственный недостаток использования колонковой трубы — невозможность проходки рыхлого и насыщенного влагой грунтового пласта. А продвижение по скальным породам возможно при помощи алмазной коронки.

Специфика шнекового бурения

Это популярный вариант обустройства скважин на воду в частных домохозяйствах. Рабочий элемент установки — шнек, представляющий собой металлический стержень с лопастями. В процессе происходит ввинчивание стержня в землю, а лопасти помогают поднять ее на поверхность. Такая система не позволяет полностью очистить забой от отработанной породы, поэтому применяется только для обработки верхнего пласта почвы. Угол наклона лопастей составляет от 30 до 90 градусов в зависимости от грунтового состава.

Шнековые установки применяют для скважин глубиной до 30 метров на мягких почвах и до 20 метров на среднеплотных. После погружения на глубину около 2 метров шнек извлекают и устанавливают обсадные трубы для предотвращения обрушения стенок.

Из-за особенностей конструкции шнековые установки категорически запрещено использовать для разработки скальных пород.

Применение шнека позволяет быстро пробурить скважину без больших затрат. К преимуществам также относят:

• простую конструкцию;
• высокую скорость погружения в грунт;
• подъем грунта сразу в процессе бурения;
• возможность обустройства водоносных скважин на небольших частных территориях при помощи ручного инструмента.

Из недостатков отмечают невозможность работы на твердых и сыпучих почвах, а также необходимость применения дополнительного оборудования для очистки ствола скважины от отработанной породы.

Специфика ударно-канатного бурения

Этот способ создания автономного источника водоснабжения относится к одним из самых старых. Сегодня его часто используют вместе с другими методами бурения. В работе применяют забивные стаканы и желонки. Желонка ударяется о почву и благодаря клапану врезается в поверхность. После этого снаряд поднимают, извлекают отработанную породу и повторяют процесс пока скважина не заглубится до нужного уровня.

Такой метод помогает пробурить скважину на обводных грунтах, в песках, на глинистой, вязкой земле или суглинке. Глубина скважины составляет до 300 метров. Для работы применяют буровые установки УКС-22М2, УГБ-1ВС, УГБ-50.

Канатно-вращательное бурение подходит для обработки слабоизученной почвы и обладает следующими преимуществами:

• позволяет вскрыть водоносный горизонт на большой глубине;
• не требует использования глинистого раствора;
• широкая сфера применения на разных типах грунта.

Основной недостаток — сложность и трудозатратность. Весь процесс занимает много времени, но не требует специально оборудованного места.

Специфика шарошечного бурения

Роторное бурение подходит для создания скважин глубиной до 150 метров в скальных и полускальных породах. Рабочим механизмом служит долото, подключенное к ротору буровой установки. Отработанную породу вымывают из забоя методом прямой или обратной промывки.

Для эффективной разработки твердых пород данным способом необходимо соблюдение нескольких условий:

• Достаточно информации о геологических особенностях участка: тип пород, глубина расположения подземных вод.
• Водоносный слой отличается хорошим напором, характерным для артезианских скважин.
• Обеспечена постоянная поставка технической воды для очистки скважины.

Из-за необходимости бесперебойной подачи воды роторное бурение не используют при минусовой температуре воздуха.

Среди преимуществ выделяют:

• высокое качество и скорость;
• диаметр скважин достигает 2 метров;
• минимальные затраты энергоресурсов.

К недостаткам относят необходимость подачи воды для промывки скважин, что ограничивает возможности применения роторных установок.

Выбор способа бурения

Каждый из перечисленных способов применяют для обустройства водоносных скважин только в определенных условиях:

• Колонковое бурение эффективно при разработке пластичной глинистой земли. В сложных случаях можно комбинировать этот способ с канатным.
• Шнековое бурение применяют на мягких и среднеплотных грунтах. Из-за сложностей с очисткой ствола требуется использование дополнительного оборудования для промывки скважины.
• Шарошечное бурение показывает эффективность на твердых и особо твердых почвах. Главное правило — постоянная подача промывочного раствора.

Компания «Вода-СТ» более 10 лет занимается бурением водоносных скважин. Надежное оборудование, квалифицированные мастера и большой опыт позволяют гарантировать качественное выполнение работ. Цена зависит от геологических особенностей местности, выбранного метода бурения, типа скважины и используемых материалов. Для уточнения информации по услугам и предварительного расчета стоимости оставьте заявку на сайте или свяжитесь с менеджером по телефону.

Другие статьи

Способы бурения скважин на воду в Московской области

Существует несколько способов бурения скважин на воду: механическое бурение, гидродинамическое бурение, термическое и т.д.

По принципам разрушения горных пород бурение скважин может производиться разными способами, которые сильно отличаются по физической природе. При бурении скважин требуется сделать расчет системы водоснабжения, так как требуется комплексный подход к услуге водоснабжения любого объекта

Механическое бурение порода разрушающими инструментами

При этом способе порода разрушается механическим воздействием на породу.

Достоинства механического бурения:

• Можно отбирать натуральные образцы породы и проводить всесторонний анализ;
• Хорошие условия для вскрытия водоносных горизонтов;
• Возможность бурить скважины в заданном направлении.

Недостатки механического бурения:

• Быстрый износ порода разрушающих инструментов;
• Малый коэффициент использования энергии, если двигатель расположен на поверхности.

Гидродинамическое бурение

В этом случае бурение осуществляется струей жидкости, которую подают под высоким давлением. Гидродинамическое бурение делят на два вида:

• Забой полностью разрушается струей воды и формируется ствол скважины;
• Водой разрушается только часть породы, а ствол скважины формируется долотом.

Термическое или огнеструйное бурение

Разрушение горной породы производится при помощи воздействия высокими температурами. Температура достигает 2300 градусов. Создается при сгорании струи керосина в струе кислорода вылетающее из горелки. Горелка охлаждается водой.

Термомеханическое бурение

При помощи местного нагрева порода ослабляется, а остальное бурение производиться при помощи обычного инструмента.

Электротермическое бурение

Это бурение применяют в условиях Антарктиды для плавления льда. Таким способом можно пробурить скважину глубиной 1000 метров и диаметром 300 мм. В установке предусмотрен специальный насос для откачки воды.

Здесь рассмотрены не все виды бурения. Были попытки использовать такие виды как (ультразвук, плазма, лазер) но все эти способы не вышли дальше экспериментов.

Способы бурения скважин

Бурить скважины можно механическим, термическим, электроимпульсным и другими способами (несколько десятков), Однако промышленное применение находят только способы механического бурения – ударное и вращательное. Остальные пока не вышли из стадии экспериментальной разработки.

УДАРНОЕ БУРЕНИЕ

 Ударное бурение. Из его всех разновидностей наибольшее распространение получило ударно-канатное бурение (Рис. 2   ).

       Буровой снаряд, который состоит из долота 1, ударной штанги 2, раздвижной  штанги-ножниц 3 и канатного замка 4 , спускают в скважину на канате 5, который, огибая блок 6, оттяжной ролик 8 и наравляющий ролик 10, сматывается с барабана 11 бурового станка. Скорость спуска бурового снаряда регулируют тормозом 12. Блок 6 установлен на вершине мачты 18. Для гашения вибраций, возникающих при бурении, применяются амортизаторы 7.

      Кривошип 14 при помощи шатуна 15 приводит в колебательное движение балансирную раму 9. При опускании рамы оттяжной ролик 8 натягивает канат и поднимает буровой

снаряд над забоем. При подъеме рамы канат опускается, снаряд падает, и при ударе долота о породу последняя разрушается.

      По мере углубления скважины канат удлиняют, сматывая его с барабана 11. Цилиндричность

скважины обесечивается поворотом долота в результате раскручивания каната под нагрузкой ( во время приподъема бурового снаряда) и скручивания его при снятии нагрузки (во время удара долота о породу).

      Эффективность разрушения породы при ударно-канатном бурении прямо пропорциональна массе бурового снаряда, высоте его падения, ускорению падения, числу ударов долота о забой в единицу времени и обратно пропорциональна квадрату диаметра скважины.

      В процессе разбуривания трещиноватых и вязких пород возможно заклинивание долота. Для освобождения долота в буровом снаряде применяют штангу-ножницы, изготовленные в виде двух удлиненных колец, соединенных друг с другом подобно звеньям цепи.

       Процесс бурения будет тем эффективнее, чем меньшее сопротивление долоту бурового снаряда оказывает накапливающаяся на забое скважины выбуренная порода, перемешанная с пластовой жидкостью. При отсутствии или недостаточном притоке пластовой жидкости в скважину с устья периодически доливают воду. Равномерное распределение частиц выбуренной породы в воде достигается периодическим расхаживанием (приподъемом и опусканием) бурового снаряда. По мере накопления на забое разрушеной породы (шлама) возникает необходимость в очистке скважины. Для этого с помощью барабана поднимают буровой снаряд из скважины и многократно спускают в нее желонку 13 на канате 17, сматываемом с барабана 16. В днище желонки имеется клапан. При погружении желонки в зашламленную жидкость клапан открывается и желонка заполняется этой смесью, при подъеме желонки клапан закрывается. Поднятую

Рис. 3.  Схема вращательного бурения скважин

на поверхность зашламленную жидкость выливают в сборную емкость. Для полной очистки скважины приходится спускать желонку несколько раз подряд.

      После очистки забоя в скважину опускают буровой снаряд, и процесс бурения продолжается.

      При ударном бурении скважина, как правило, не заполнена жидкостью. Поэтому, во избежание обрушения породы с ее стенок, спускают обсадную колонну, состоящую из металлических обсадных труб, соединенных друг с другом с помощью резьбы или сварки. По мере углубления скважины обсадную колону продвигают к забою и периодически удлиняют (наращивают) на одну трубу.

      Ударный способ более 50 лет не применяется на нефтегазовых промыслах России. Однако в разведочном бурении на россыпных месторождениях, при инженерно-геологических изысканиях, бурении скважин на воду и т.п. находит свое применение.

ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ СКВАЖИН

. При вращательном бурении разрушение породы происходит в результате одновременного воздействия на долото нагрузки и крутящего момента. Под действием нагрузки долото внедряется в породу, а под влиянием крутящего момента скалывает ее.

     Существует две разновидности вращательного бурения – роторный и с забойными двигателями.

       При роторном бурении (Рис.  4) мощность от двигателей  9 передается через лебедку  8 к ротору 16  — специальному вращательному механизму, установленному над устьем скважины в центре вышки. Ротор вращает бурильную колонну и привинченное к ней долото 1. Бурильная колонна состоит из ведущей трубы 15  и привинченных к ней с помощью специального переводника 6 бурильных труб 5.

Следовательно, при роторном бурении углубление долота в породу происходит при движении вдоль оси скважины вращающейся бурильной колонны, а при бурении с забойным двигателем – невращающейся бурильной колонны. Характерной особенностью вращательного бурения является промывка

 При бурении с забойным двигателем долото 1 привинчено к валу, а бурильная колонна – к корпусу двигателя 2. При работе двигателя вращается его вал  с долотом, а бурильная колонна воспринимает реактивный момент вращения корпуса  двигателя , который гасится  невращающимся ротором (в ротор устанавливают специальную заглушку).

скважины  буровым раствором в течение всего времени работы долота на забое.

  Для этого буровой насос 20, приводящийся в работу от двигателя 21, нагнетает буровой раствор по манифольду (трубопроводу высокого давления ) 19 в стояк  — трубу 17, вертикально установленную в правом углу вышки, далее в гибкий буровой шланг(рукав) 14, вертлюг 10 и в бурильную колонну. Дойдя до долота, промывочная жидкость проходит через имеющиеся в нем отверстия и по кольцевому  пространству между стенкой скважины и бурильной колонной поднимается на поверхность. Здесь в  системе емкостей 18 и очистительных механизмах (на рисунке не показаны) буровой раствор очищается  от выбуренной породы, затем поступает в приемные емкости 22 буровых насосов и вновь закачивается в скважину.

      В настоящее время применяют три вида забойных двигателей – турбобур, винтовой двигатель и электробур (последний применяют крайне редко).

     При бурении с турбобуром или винтовым двигателем гидравлическая энергия потока бурового раствора , двигающегося вниз по  бурильной колонне, преобразуется в механическую на валу забойного двигателя, с которым соединено долото.

      При  бурении с электробуром электрическая энергия  подается по кабелю, секции которого смонтированы внутри бурильной колонны и преобразуется  электродвигателем в механическую энергию на валу , которая непосредственно передается долоту.

       По мере углубления скважины бурильная колонна, подвешенная к полиспастной системе, состоящей из кронблока (на рисунке не показан), талевого блока 12, крюка 13 и талевого каната11, подается в скважину. Когда  ведущая труба 15 войдет в ротор 16 на всю длину, включают лебедку , поднимают бурильную колонну на длину ведущей трубы и подвешивают бурильную колонну с помощью клиньев на столе ротора. Затем отвинчивают ведущую трубу 15 вместе  с вертлюгом 10 и спускают  ее в шурф (обсадную трубу, заранее установленную в специально пробуренную наклонную скважину) длиной, равной длине ведущей трубы. Скважина под шурф бурится заранее в правом углу вышки примерно на середине расстояния от центра до ее ноги. После этого бурильную колонну удлиняют (наращивают)  путем привинчивания к ней  двухтрубной или трехтрубной свечи (двух или трех свинченных между собой бурильных труб), снимают ее с клиньев, спускают в скважину  на длину свечи, подвешивают с помощью клиньев на стол ротора, поднимают из шурфа  ведущую трубу с вертлюгом, привинчивают ее к бурильной колонне, освобождают бурильную колонну от клиньев, доводят долото до забоя и продолжают бурение.

       Для замены изношенного долота поднимают из скважины всю бурильную колонну, а затем вновь спускают ее. Спуско-подъемные работы ведут также с помощъю полиспастной системы. При вращении барабана лебедки талевый канат наматывается на барабан или сматывается с него, что и обеспечивает подъем или спуск талевого блока и крюка. К последнему с помощью штропов и элеватора подвешивают поднимаемую или спускаемую бурильную колонну.

    При подъеме БК развинчивают на свечи и устанавливают их внутри вышки нижними концами на  подсвечники, а верхние заводят за специальные пальцы на на балконе верхового рабочего. Спускают БК в скважину в обратной последовательности.

      Таким образом процесс работы долота на забое скважины прерывается нарашиванием бурильной колонны и спуско- подъемными операциями (СПО)для смены изношенного долота.

      Как правило, верхние участки разреза скважины представляют собой  легкоразмываемые отложения. Поэтому пред бурением скважины сооружают ствол (шурф) до устойчивых пород (3-30 м ) и в него спускают трубу 7 или несколько свинченных труб ( с вырезанным окном в верхней части) длиной на 1-2 м больше глубины шурфа. Затрубное пространство цементируют или бетонируют. В результате устье скважины надежно укрепляется.

      К окну в трубе приваривают короткий металлический желоб, по которому в процессе бурения буровой раствор направляется  в систему емкостей 18 и далее, пройдя через очистительные механизмы (на рисунке не показаны), поступает в приемную емкость 22 буровых насосов .

      Трубу (колонну труб) 7, установленную в шурфе, называют направлением. Установка направления и ряд других работ, выполняемых до начала бурения , относятся к подготовительным. После их выполнения составляют акт о вводе в эксплуатацию буровой установки и приступают к бурению скважины.

      Пробурив неустойчивые, мягкие, трещиноватые и кавернозные породы, осложняющие процесс бурения  (обычно 400-800 м), перекрывают эти горизонты  кондуктором 4 и цементируют затрубное пространство 3 до устья. При дальнейшем углублении могут встретиться горизонты  также подлежащие изоляции, такие горизонты перекрываются  промежуточными (техническими) обсадными колоннами.

      Пробурив скважину до проектной глубины, спускают и цементируют эксплуатационную колонну (ЭК).

      После этого все обсадные колонны на устье скважины обвязывают друг с другом, применяя специальное оборудование. Затем против продуктивного пласта  в ЭК и цементном камне пробивают несколько десятков (сотен) отверстий, по которым в процессе испытания , освоения и последующей эксплуатации нефть (газ) будут поступать в скважину.

      Сущность освоения скважины сводится к тому, чтобы давление столба бурового раствора, находящегося в скважине, стало меньше пластового. В результате создавшегося перепада давления нефть (газ) из пласта начнет поступать в скважину. После комплекса исследовательских работ скважину сдают в эксплуатацию.

      На каждую скважину заводится паспорт, где точно отмечаются ее конструкция, местоположение устья, забоя и пространственное положение ствола по данным инклинометрических измерений ее отклонений от вертикали  (зенитные углы) и азимута (азимутальные углы). Последние данные особенно важны при кустовом бурении наклонно-направленных скважин во избежание попадания ствола бурящейся скважины в ствол ранее пробуренной или уже эксплуатирующейся скважины. Фактическое отклонение забоя от  проектного не должно превышать заданных допусков.

      Буровые работы должны выполняться с соблюдением законов об охране труда и окружающей природной среды. Строительство площадки под буровую , трасс для передвижения буровой установки, подъездных путей , линий электропередач, связи, трубопроводов для водоснабжения,сбора нефти и газа , земляных амбаров, очистных устройств, отвал шлама должны осуществляться лишь на специально отведенной соответствующими организациями территории. После завершения строительства скважины или куста скважин все амбары и траншеи должны быть засыпаны, вся площадка под буровую – максимально восстановлена (рекультивирована) для хозяйственного использования.

Дотянуться до глубин — Журнал «Сибирская нефть» — Приложение «Нефть. Просто о сложном» №126 (ноябрь 2015)

Хотя сама идея бурения кажется простой и понятной, в реальности этот процесс сопряжен с большим количеством трудностей. Современная скважина — сложнейший объект, строительство которого требует применения высоких технологий

От быка до турбобура

Бурить скважины люди начали давно. Известно, что в эпоху династии Хань (202 до н. э. — 220 н. э.) китайцы уже умели строить скважины, достигавшие 600 м в глубину. Судя по сохранившимся изображениям, при этом использовался ударно-вращательный метод бурения: быки поворачивали долото, а группа людей синхронными прыжками загоняла его глубже в землю. Первая информация о бурении скважин в России относится к IX веку и связана с добычей растворов поваренной соли в районе Старой Руссы.

Официально принято считать, что первую скважину глубиной около 500 м, предназначенную для коммерческой добычи нефти, построил в 1859 году в штате Пенсильвания Эдвин Дрейк. Однако известно, что как минимум за 10 лет до этого нефтяные скважины успешно строили в Баку, и это не единственный пример, позволяющий оспаривать пальму первенства США.

В середине XIX века при бурении скважин для добычи соляных растворов, а потом и нефти применялось в основном ударное бурение. При этом разрушение (дробление) породы происходит под действием ударов падающего снаряда либо ударов по самому неподвижному снаряду. С увеличением глубины бурения эта технология становится все менее эффективной — сложнее промывать скважину, жидкость создает дополнительное сопротивление падающему долоту, а при бурении без промывки много времени уходит на очистку и крепление скважины. Поэтому на смену ударному пришло вращательное бурение.

Внедрение технологии механического роторного бурения в начале ХХ века стало одним из ключевых событий развития нефтяной промышленности. Впервые новую технологию применили на нефтяных промыслах Техаса в 1901 году. При роторном бурении долото, дробящее породу, присоединялось к колонне бурильных труб, вся эта конструкция опускалась в скважину и вращалась специальным станком с поверхности.

В 1922 году советский ученый Матвей Капелюшников создал турбобур. Турбинный двигатель, вращавший долото, стали размещать прямо на забое скважины. Изобретение усовершенствовало роторное бурение, при котором долото, прикрепленное к колонне из труб, вращалось с поверхности земли.

К окончанию первой трети XX века роторное бурение полностью завоевало нефтяную отрасль. Изменения в конструкции оборудования и технологии привели к более чем десятикратному увеличению скорости проходки и снижению себестоимости буровых работ, при этом глубину скважин удалось увеличить до 3–4 км. Впрочем, и этот способ не был лишен недостатков. Среди них — громоздкость бурового инструмента: при глубине скважины в 4 км колонна бурильных труб весила более 200 тонн, и основная часть энергии тратилась именно на вращение колонны, а не на углубление самой скважины. Решить проблему позволило размещение двигателя, вращающего долото, в глубине скважины.

Устройство нефтяной скважины

Каждая колонна обсадных труб, спускаемая в скважину, имеет свое назначение и название. Первая, самая короткая, — направление. Она предназначена для предохранения устья скважины от размыва и для направления промывочной жидкости в желобную систему в процессе бурения скважины. Следующая колонна — кондуктор — изолирует водоносные пласты, перекрывает верхние неустойчивые породы. На нее монтируется противовыбросовое оборудование. Низ кондуктора, как и низ всех спускаемых после него колонн, заканчивается короткой утолщенной трубой, называемой башмаком.

Технические колонны опускают в скважину в особо сложных случаях — они служат для перекрытия пластов при определенных геологических условиях бурения (зоны высокого поглощения, пласты, склонные к набуханию от воды, осыпанию и т.п.). Эксплуатационная колонна спускается в скважину для извлечения нефти, газа или нагнетания в продуктивный горизонт воды или газа с целью поддержания пластового давления. Она предназначена для крепления стенок скважины, разобщения продуктивных горизонтов и изоляции их от других пластов. Эта колонна спускается до продуктивного пласта.

Фильтр — участок скважины, непосредственно соприкасающийся с продуктивным нефтяным или газовым горизонтом. Через фильтр в скважину поступает жидкость. Фильтром может служить не обсаженный колонной участок ствола скважины, специальное устройство с отверстиями, заполненное гравием и песком, часть эксплуатационной колонны или хвостовика с отверстиями или щелями. На устье скважины монтируется фонтанная арматура — устройство, которое запирает скважину. Его функция — регулировать и контролировать работу скважины, предохранять от аварийных фонтанных выбросов флюида.

Прогресс двигателей

Первым такой агрегат — турбобур — создал в 1922 году советский ученый Матвей Капелюшников. Современный турбобур — это многоступенчатый гидравлический двигатель. В каждой ступени турбины (а их количество может достигать 350) имеются два диска с профильтрованными лопатками. Один из них (статор) неподвижно закреплен в корпусе турбобура, а другой (ротор) вращается. Буровой раствор, нагнетаемый в скважину для промывки забоя, вращает роторы, усилие с которых передается на долото. Позднее появились и другие виды погружных двигателей, например, электрический и винтовой. В настоящее время на бурение с применением забойных двигателей приходится более 90% работ. При этом само бурение происходит с чередованием направленного (без вращения всей колонные) и роторного режима (с вращением колонны). Именно этот способ бурения позволил строить не только вертикальные скважины.

Существенный недостаток традиционного роторного бурения — невозможность передавать на долото усилие, которое бы искривляло траекторию проходки в нужном направлении. Появление забойного двигателя решило эту проблему. Чтобы искривить ствол скважины, применяются специальные отклонители долота, при этом само долото вращается погружным двигателем. Когда угол наклона скважины изменен, прямой участок можно пройти роторным способом.

Возможность бурить скважины с разным углом наклона, в том числе и горизонтальные, стала толчком к появлению идеи строительства многоствольных скважин. То есть скважин, у которых от основного ствола отходят дополнительные под разными углами. Мало того, ответвления могут отходить и от боковых стволов. Часто боковые стволы зарезаются на уже существующих скважинах, чтобы увеличить охват разрабатываемых продуктивных пластов. В целом же строительство многоствольной скважины на залежи позволяет добраться до разобщенных зон коллектора, содержащих нефть, обеспечить более эффективное управление разработкой месторождения и избежать преждевременного обводнения, сэкономить на капзатратах на бурение. В «Газпром нефти» технологию многоствольного бурения начали осваивать в 2011 году. В 2012 году было пробурено пять таких скважин, а уже два года спустя этот показатель увеличился в шесть раз.

Роторные управляемые системы

Бурение скважин со сложной траекторией ствола требует особого подхода. Сегодня эти задачи решаются благодаря применению новых технологий, таких как роторные управляемые системы (РУС). Как и при любом роторном бурении, в случае использования РУС вращается вся бурильная колонна. Возвращение к идее роторного бурения было обусловлено тем фактом, что при проходке скважины с помощью погружного двигателя бурильная колонна не всегда вращается, буровой раствор застаивается в скважине, очистка скважины ухудшается, и в результате учащается количество прихватов оборудования. При бурении сложных горизонтальных скважин такое положение вещей может стать критическим.

Роторные управляемые системы решают проблемы традиционного роторного турбинного бурения. Чтобы уменьшить затраты энергии на трение колонны бурильных труб, применяют специальные растворы с высокими смазочными характеристиками. Изменен и принцип искривления скважины. При обычном роторном бурении отклонение бурильного инструмента от вертикали возможно только после прекращения вращения колонны и запуска погружного двигателя. При использовании РУС отклоняющее усилие на долото создается прямо в процессе вращения колонны, а управление отклоняющим блоком происходит с поверхности. В итоге технология позволяет свести к минимуму риск возникновения прихвата инструмента в скважине, повысить скорость проходки и качество ствола, улучшить очистку ствола от шлама, уменьшить его извилистость, снизить скручивающие и осевые нагрузки.

Сегодня РУС успешно применяются в «Газпром нефти». Первые испытания импортных систем прошли в «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегазе» еще в 2012 году. Тогда технология успешно зарекомендовала себя, хотя в качестве существенного недостатка специалисты отмечали отсутствие отечественных аналогов и, соответственно, дороговизну западного оборудования. В этом году в Ноябрьске при содействии специалистов «Газпромнефть НТЦ» впервые испытали роторную управляемую систему российского производства.

Буровая механика

Буровая вышка — один из главных символов нефтяной промышленности. Однако сама по себе вышка — лишь несложная конструкция, позволяющая удерживать бурильную колонну, а также поднимать и опускать в скважину бурильные и обсадные трубы. Для этого на вышке монтируются разнообразные приспособления: буровая лебедка, автомат спуска-подъема труб, талевая система, ротор и др.

Бурильная колонна — это собранный из бурильных труб ступенчатый полый вал, на конце которого находится породоразрушающий инструмент — долото. Первая труба колонны соединена с вертлюгом, подвешенным в верхней части буровой вышки, на нее передается вращение от электрического привода буровой установки. Бурильная колонна своим весом создает нагрузку на долото, которое вгрызается в породу. При роторном бурении колонна (а вместе с ней и долото) вращается с частотой 100–120 об./мин. При бурении с погружным двигателем энергия потока бурового раствора заставляет вращаться долото, и в зависимости от конструкции забойного двигателя скорость вращения может варьироваться от 40 до 1200 об./мин. У турбобуров скорость вращения — 400–2500 об./мин. Во всех случаях поток жидкости выносит на поверхность обломки породы (шлам).

Бурильные трубы, как правило, имеют длину 12,5 м и диаметр 33,5–168 мм. Между собой они соединяются бурильными замками. Две-три свинченные вместе трубы образуют свечу. По мере углубления скважины свечи навинчивают друг за другом. Для борьбы с неконтролируемым искривлением скважины применяют утяжеленные бурильные трубы.

Кроме того, комплекс бурового оборудования включает силовой блок из нескольких двигателей, которые приводят в действие ротор и подъемную лебедку, насосный блок для промывки ствола скважины, а также циркуляционную систему, состоящую из нескольких емкостей для хранения бурового раствора, блока приготовления и регулирования его свойств, перемешивателей, блока очистки.

Сила раствора

На каждые 1000 м ствола скважины приходится 50–80 тонн измельченной породы, которые необходимо извлекать на поверхность. Когда-то ее просто вычерпывали при помощи специальных приспособлений, что занимало довольно много времени.

Идею очищать ствол скважины от осколков разрушенной породы потоком жидкости предложил французский инженер Фловиль в 1833 году. С тех пор технология остается в своей основе неизменной: в процессе бурения насос постоянно закачивает в скважину специальный, чаще всего глинистый раствор. Он не только вымывает породу — с помощью раствора охлаждается инструмент, укрепляются стенки скважины, вращается вал гидравлического двигателя, а также создается давление на пласт, не давая пластовой жидкости вырваться раньше времени наружу.

Состав бурового раствора подбирается индивидуально для каждого месторождения и скважины исходя из условий бурения. Помимо глинистых растворов используются биополимерные, эмульсионные, аэрированные, в некоторых случаях даже нефть и природный газ. На скважину глубиной 1000 м надо заготовить не менее 100 м³ раствора.

В некоторых случаях, например, когда скважина проходит через породы с высокой пористостью и проницаемостью, раствор начинает просачиваться в пласты. Иногда его выход на поверхность и вовсе прекращается. Чтобы справиться с поглощением бурового раствора, в его состав добавляют различные компоненты, такие как асбест, слюда, древесные опилки, целлофан, известь или даже рисовая шелуха.

Между пластом и поверхностью

Скважина — это узкий цилиндрический канал, соединяющий пласт-коллектор с поверхностью земли. Верхняя часть скважины называется устьем, дно — забоем, а выработка между ними — стволом. Для разобщения пластов, предотвращения обвалов стенок, поглощений бурового раствора и проникновения в скважину флюидов в нее опускают обсадные трубы. Как правило, процесс этот происходит поэтапно: сначала скважину бурят до определенной глубины, затем устанавливают обсадные трубы, после чего продолжают бурение долотом меньшего диаметра. Пространство между обсадной колонной и стенками скважины заполняется цементным раствором (тампонаж), образующим цементный стакан, который предотвращает заколонные перетоки.

Скважины бывают вертикальными или наклонными, а также могут иметь различные искривления, возникающие из-за естественных причин или созданные намеренно — чтобы обойти какое-то препятствие (соляной купол, зону обвала или катастрофического поглощения бурового раствора, водоем, населенный пункт, особо охраняемую территорию, бурение на которой запрещено) или захватить более значительный участок продуктивного пласта. В последнем случае часто бурятся горизонтальные скважины. Это наклонные скважины, которые постепенно искривляются и уже в самом продуктивном пласте переходят в горизонтальную плоскость. Наличие горизонтального участка позволяет повысить коэффициент извлечения нефти. Для заданного искривления ствола скважины применяются специальные инструменты: отклонители, укороченные турбобуры, специальные переводники, забойные телеметрические системы.

Скважины, как правило, располагают кустами. В этом случае устья нескольких наклонно-направленных скважин группируются на близком расстоянии друг от друга на общей ограниченной площадке. Сами же скважины вскрывают нефтяной пласт в разных точках, местоположение которых просчитывается заранее. В настоящее время большинство эксплуатационных скважин бурится кустовым способом. Это дает возможность сократить время на монтаж вышки, снизить затраты на строительство трубопроводов, линий электропередач и другой инфраструктуры.

Особые обстоятельства

Легкодоступных запасов углеводородов в мире становится все меньше, поэтому нефтяники вынуждены разрабатывать месторождения на новых территориях, в совершенно новых внешних условиях. Например, в море. Хотя общий принцип бурения на морских месторождениях остается тем же, что и на суше, отличия все же есть.

Вариантов шельфовой добычи несколько. На небольших глубинах бурение часто ведется с насыпных островов, как это происходило, например, на Каспии, где разработка морских месторождений началась еще в 1940-х годах. Затем для этих целей стали строить стационарные платформы — первая в мире морская нефтяная платформа, Нефтяные Камни, была построена также в Каспийском море на металлических эстакадах в 1949 году в 40 км от Апшеронского полуострова. К платформам такого типа можно отнести и первую в российской Арктике нефтедобывающую платформу «Приразломная», закрепленную на дне Печерского моря.

На больших глубинах работают плавучие буровые установки, которые классифицируют по способу установки над скважиной, выделяя две основные группы: опирающиеся при бурении на морское дно и работающие в плавучем состоянии. К первой группе относят плавучие буровые установки самоподъемного и погружного типов, а ко второй — полупогружные буровые установки и буровые суда.

При бурении скважин на море приходится предпринимать особые меры безопасности и использовать оборудование, в котором наземные бурильщики просто не нуждаются. К примеру, так называемый райзер — колонну стальных труб с толщиной стенок около 20 мм, тянущуюся от судна или буровой платформы до дна. Это необходимо, чтобы предохранить буровой инструмент от воздействия окружающей среды и защитить океан от загрязнения нефтепродуктами.

С особыми сложностями может быть связано и бурение в зоне вечной мерзлоты. В верхней части геологического разреза многих северных районов (Сибирь, Аляска, Канада и др.) залегает толща многолетнемерзлых пород, мощность которой иногда превышает 500 м. В ее состав могут входить пески, галечники и другие породы, единственный цементирующий материал для которых — лед. За счет более высокой температуры бурового раствора, твердеющего цемента или добываемой нефти лед оттаивает, вызывая оседание толщи пород и заклинивания бурового инструмента. Чтобы избежать аварий, в таких случаях приходится постоянно поддерживать отрицательную температуру стенок скважины.

Геонавигация в бурении

В 2012 году в «Газпром нефти» было принято решение о создании Центра геологического сопровождения строительства скважин. Главная задача для специалистов центра — проектирование горизонтального участка скважины в максимально продуктивном участке пласта, отслеживание процесса ее бурения — и в случае необходимости корректировка ее траектории. Основной рабочий инструмент — лучшие современные программы для обработки данных и оборудование для геонавигации.

Процесс геонавигации заключается в оперативном получении информации о геологической модели месторождения по мере бурения и корректировке траектории скважины в соответствии с ней. Современные телекоммуникационные технологии позволяют передавать данные на Большую землю в реальном времени. Свежая информация отображается на имеющейся геологической модели месторождения. Фактические данные сравниваются с проектными, анализируются, и, если нужно, траектория скважины корректируется таким образом, чтобы попасть в намеченную зону нефтенасыщенного коллектора. Затем, с поступлением новой информации, цикл повторяется, обеспечивая непрерывный контроль бурения.

Для эффективной геонавигации используются передовые технологии исследования скважин во время бурения LWD (logging while drilling — каротаж в процессе бурения). В отличие от стандартных методов ГИС (геофизические исследования скважин) онлайн-каротаж LWD позволяет значительно экономить время на исследованиях, а в конечном итоге — на освоении всего пласта. Применяемый в процессе бурения азимутальный нейтронно-плотностной и азимутальный боковой каротаж высокого разрешения дает возможность более корректно оценивать состав и свойства пласта.

Разрушитель пород

Буровые долота можно разделить по типу конструкции на шарошечные и лопастные. Название «долото» историческое, оно сохранилось с тех пор, когда скважины строили ударным способом. Сегодня все долота вращаются при бурении.

Еще 15 лет назад шарошечные долота считались универсальными, их применяли для бурения нефтяных и газовых скважин, для разбуривания пород любой твердости. Однако даже для самых высокопрочных шарошечных долот длина проходки не превышает 50–100 м, после чего их нужно заменять. Поэтому сегодня практически повсеместно используются лопастные PDC-долота (polycrystalline diamond bits) с разрушающими породу поликристаллическими алмазными зернами. Эти долота обладают очень высокой износостойкостью и могут пройти без замены до нескольких километров породы.

Роторное бурение скважин – способы и технология

Роторное бурение скважин представляет собой один из видов вращательного бурения. Суть заключается в том, что породоразрушающий инструмент, расположенный внутри скважины, приводится в действие за счет электродвигателя или газотурбинного оборудования.

Роторное бурение наиболее распространенный метод, так как достаточно эффективен и прост в применении. Чаще всего он используется для бурения разведочных и эксплуатационных нефтяных скважин, однако, за счет компактности, применяется и для создания скважин с водой на частных участках

Технология роторного бурения впервые была применена в США в начале 1880-х годов, и с тех пор претерпевала незначительные изменения, положительно сказавшихся на её эффективности. В частности, совершенствовались породоразрушающие инструменты, изобретались новые промывочные жидкости, повышалась прочность отдельных элементов. Кроме того, совершенствовалась и сама технология бурения, за счет чего данный метод и является сейчас одним из основных способов создания забоя и почти полностью заменил стандартный ударный метод. Обо всем, что нужно знать о роторном способе бурения – далее в статье.

Оборудование для роторного бурения скважин

Несмотря на кажущуюся простоту, нефтяная, газовая или любая другая скважина требует довольно внушительного списка оборудования. Без любой из этих частей работа установки невозможна. В перечень элементов, необходимых для осуществления роторного бурения, входит:

• вышка;
• буровая установка;
• ротор;
• буровые поршневые насосы;
• вертлюг;
• талевая система;
• система очистки жидкостью.

Вертлюг – это элемент, через который промывочная жидкость попадает в колонну. Он подвешен на один крюк талевой системы. Кроме этого, в неё входит кроноблок и блок.

Система очистки промывочной жидкостью также состоит из ряда элементов:

• 
  вибросита;
• 
  желоба;
• 
  гидроциклонов

Роторный способ бурения скважин часто требует мобильности конструкции, поэтому её часто размещают на специальных платформах.

Роторное бурение скважин: плюсы и минусы

Бурение скважин роторным методом очень распространенно. Он имеет огромное количество преимуществ перед стандартным ударным способом:

1. Скорость. Бурение роторным способом производится значительно быстрее ударного.
2. Универсальность. Спектр применения метода гораздо шире, так как за счет применения различных долот можно работать с разными видами грунтов.
3. Размер. Вся установка занимает относительно немного места в отличие от конструкций для ударного метода.
4. Мобильность. За счет малых габаритов, установку можно разместить на подвижной платформе.

Вращательное роторное бурение скважин, тем не менее, имеет и некоторые ограничения.

Так, в зависимости от грунта и пород, следует подбирать соответствующие долота.

Наличие очень твердых объектов на пути пролегания скважины может стать помехой, если не использовать специальное породоразрушающее оборудование.

Кроме этого, проблему представляет:

1. Глинистый раствор. Он нередко вызывает проблемы при исследовании пластов, а также не всегда является рентабельным в некоторых случаях.
2. Невозможность работы в зимнее время. Промерзлый грунт является серьезным препятствием для бурения роторным способом.
3. Мощность установки. Она напрямую зависит от ротора, который является уязвимым элементом системы.

В условиях промерзлых почв, предпочтительным вариантом является ударная методика. Разумеется, нефтяная или любая другая скважина будет буриться дольше, однако в итоге желаемый результат будет получен.

Принцип осуществления роторного бурения скважин

Несмотря на кажущуюся простоту технологии, принцип работы роторного оборудования довольно сложен. Сам ротор приводится в действие за счет приводного вала, который передает вращение от электродвигателя. Иногда используется двигатель внутреннего сгорания.

Само вращение принимают ведущие вкладыши ведущих вкладышей. Их сечение полностью аналогично сечению верхней рабочей трубы, которое по своей форме может быть абсолютно разным.

Основой для бурильной колонны являются специальные трубы. Именно между ними и породоразрушающим инструментом монтируются УБТ – утяжелённые бурильные трубы. За счет их огромного веса на долото оказывается достаточная для эффективной работы нагрузка.

Верхняя часть рабочей трубы подсоединяется к вертлюгу. По этой системе подается промывочная жидкость, которая попадает на забой через насадки долота – она нужна для поддержания работоспособности всей роторной бурильной установки.

Подъем или спуск обеспечивают свечи – несколько бурильных труб с длиной от 25 до 50 метров. Под действием нагрузки, которую обеспечивают утяжеленные бурильные трубы, долото и разрушает породу. За счет регулярно поступающей жидкости инструмент охлаждается, а параллельно с этим забой прочищается от шлама. Жидкость используют повторно после её очистки.

Обсадные трубы

Разумеется, нельзя просто пробурить скважину и оставить её без малейших укрепляющих конструкций. Грунт – довольно неустойчивая субстанция, способная менять свое положение. Именно поэтому риск обрушения забоя довольно велик.

Чтобы этого не произошло, на некотором расстоянии от поверхности в бурении делается перерыв, во время которого устанавливается обсадная колонна. За счет неё исключается осыпание стенок или же завала пробуренного пути, а также препятствует проникновению воды. Самая первая колонна часто называется кондуктором и она позволяет осуществить перекрытие неустойчивых пород, тем самым придавая надежности пробуренной скважины.

Как правило, такую колону ставят не ранее отметки 30 м, и не позже отметки 600 м. Если скважина нефтяная, то обсадные конструкции устанавливаются с как можно меньшим расстоянием до поверхности.

Роторный способ бурения применяется для многих типов грунта, потому, при установке колон приходится ориентироваться на текущие геологические условия. Так, иногда возникает необходимость использовать сразу нескольких обсадных колон для повышения надежности забоя. Чем меньше диаметр трубы, тем глубже она опускается. Очевидно, что самая небольшая по диаметру будет находиться глубже всех остальных.

Наиболее глубокая колонна – эксплуатационная, перфорируется снизу. Через эти отверстия нефтяная, газовая или водяная масса в неё и поступает.

Промывочная жидкость в буровых роторных работах

Бурение скважин вращательным роторным способом можно сделать эффективнее, если использовать подходящий метод промывки. На данный момент в качестве жидкости применяются:

• полимерные растворы;
• аэрированные растворы;
• нефтяные эмульсии;
• вода.

Также применяется продувка воздухом. В случае, если работы планируются на участках с низким пластовым давлением, используется специальный газ.

С помощью промывки забой не только избавляется от лишних примесей, осыпавшихся пород и крупных предметов.

Жидкость, поступающая на долото, охлаждает его рабочую поверхность, за счет чего продлевает срок службы породоразрушающего инструмента.

Роторное бурение скважин – это довольно трудоемкий процесс, требующий учета многих факторов. Тем не менее, он является одним из самых эффективных методов и широко применяется в самых разных условиях.

Роторная буровая установка

Читайте также:

Введение в экологические и геотехнические методы бурения

Если вы планируете или только начинаете карьеру в сфере экологических услуг, вы можете быть ошеломлены различными технологиями и приложениями, которые вы пытаетесь изучить и понять. В этом сообщении блога мы рассмотрим основы каждого из основных типов экологического и геотехнического бурения.

Вы также можете посмотреть наши вебинары по запросу «Бурение 101» и «Бурение 201: акустические методологии и передовой опыт».”

ТЕХНОЛОГИЯ ПРЯМОГО НАЖАТИЯ (DPT)

Первый тип сверления — технология Direct Push или DPT. Это один из самых простых методов, так как он заключается в вдавливании серии небольших буровых штанг прямо в землю с использованием чистого веса или ударного молотка для более глубокого продвижения. По мере продвижения в землю шлам вытесняется за пределы скважины, если только проба не извлекается. В этом случае шлам (или проба) ассимилируется в пробоотборную бочку.

Что такое черенки? Шлам — это кусочки грунта на месте или обломки, которые перемещаются в процессе бурения. Что с ними происходит, зависит от используемого метода сверления.

Стабилизация ствола скважины достигается с помощью буровых штанг или обсадных труб с плоской резьбой малого диаметра.

ПЛЮСЫ: DPT является экономичным и универсальным при использовании в неглубоких, рыхлых и более мягких геологических условиях.

МИНУСЫ: DPT чувствителен к отказу от глубины.Однако иногда есть способы преодолеть отказ от DPT в зависимости от целей проекта. В случае отказа оборудования другие технологии бурения могут оказаться более безопасными, эффективными и более рентабельными для проекта в целом.

ШНЕК С ПОЛЫМ СТВОКОМ

Второй тип бурения — это шнек с полым штоком, который использует силу и крутящий момент, прилагаемые к агрессивному буровому долоту и шнекам (он похож на винт), чтобы пробивать пласт. При вращении долота шлам поднимается лопастями шнека (как резьба на винте) на поверхность для создания ствола скважины.Как следует из названия, летающие шнеки являются полыми, что позволяет стабилизировать скважину во время отбора проб или установки скважины (или инструмента). Эта технология также широко используется на рынке геотехники для сбора данных стандартных испытаний на проникновение (SPT), чтобы понять характеристики плотности почвы.

ЗА: Шнек с полым штоком — это относительно недорогая технология, которая хорошо подходит для использования в средах с песком, илом или глиной. Поскольку для удаления стружки не используются добавки, это также отличный вариант для отбора проб окружающей среды.

МИНУСЫ: Не все породы подходят для этого оборудования, так как отказ может произойти в каменистых и более плотных формациях. Кроме того, с помощью этой технологии может образовываться большое количество выбуренной породы в зависимости от диаметра ствола скважины, с которой затем необходимо бороться.

СОНИК

Звуковое бурение — это метод продвижения в геологическую среду с помощью механического резонанса ряда соединенных стальных бурильных труб. Звуковая энергия генерируется с помощью высокоспециализированной звуковой буровой головки с частотой от 50 до 150 Гц (циклов в секунду).Резонирующая бурильная труба псевдоожижает соседний пласт, чтобы преодолеть трение в стволе скважины. Вращение бурильной трубы требуется не всегда. Стабилизация достигается во время бурения, так как бурение, бурение и обсадная колонна происходят почти одновременно.

ЗА: Звуковое бурение может предоставить непрерывный образец керна из материалов на месте (неконсолидированных и консолидированных) с ограниченным отказом, что важно при попытке понять более тонкие детали геологии, лежащей в основе.Это чрезвычайно универсальный и быстрый метод бурения, который можно использовать практически во всех литологиях и заполнителях. Отходы, полученные при разведке (IDW), также сокращаются на 70-80% по сравнению с такими технологиями, как шнековое или роторное бурение. Кроме того, акустическая скважина может быть продвинута практически под любым углом до 20 градусов от горизонтали.

МИНУСЫ: Sonic — это передовая технология, и бурильщику требуется дополнительное обучение и опыт, чтобы она была эффективной. Кроме того, такие наполнители, как резина и дерево, имеют тенденцию поглощать звуковую энергию, что затрудняет бурение.В некоторых случаях могут быть спроектированы долота для облегчения бурения в этом типе заполнения.

РОТАЦИОННЫЙ

«Роторный» на самом деле относится ко многим различным методам бурения, но все они имеют несколько общих черт. Они проникают с помощью вращающегося долота, подвешенного на бурильной трубе, измельчая геологию, поскольку вес долота применяется для продвижения ствола скважины. Шлам необходимо удалять с помощью буровой среды, например, технической жидкости или сжатого воздуха.

Если используется жидкость, она подается в скважину, и обломки улавливаются и взвешиваются в ней.Благодаря вращению долота жидкость возвращается к поверхности, несущей шлам. Жидкость также может помочь стабилизировать скважину, чтобы она не разрушилась.

Если используется сжатый воздух, резкая скорость воздуха в скважине выталкивает весь шлам на поверхность и из скважины.

Когда техническая жидкость не используется для стабилизации ствола скважины, есть два других варианта — приводная обсадная колонна или, в случае коренных пород, самостабилизация.

Подробнее об отдельных видах роторного бурения >>

PROS : Роторное бурение позволяет достичь большей глубины и ширины ствола скважины, чем другие методы бурения, такие как шнек или DPT.Это также универсальный вариант, так как существует несколько различных типов ротационных методов, соответствующих потребностям проекта.

МИНУСЫ: Вращательное бурение, к сожалению, приводит к значительному внутреннему потоку, который может быть дорогостоящим и неудобным в управлении. Когда для удаления выбуренной породы используются добавки или буровой раствор, роторный метод не является идеальным вариантом для отбора проб окружающей среды, поскольку удаление IDW может быть дорогостоящим.

ПРОВОДКА И АЛМАЗНОЕ ЯДРО

Кернение с помощью канатного и алмазного керна — это почти идентичные методы, и их названия взаимозаменяемы.Оба используют вращающуюся колонковую коронку (с алмазным керном, долото импрегнировано алмазом) для проникновения в пласт. Образцы керна могут быть извлечены без снятия буровых штанг, что делает этот метод отбора проб эффективным. Шлам, не входящий в состав пробы, измельчают и вымывают из помещения жидкостью (обычно водой). Бурильная труба остается на месте в течение всего процесса бурения и отбора проб, благодаря чему достигается стабилизация ствола скважины. При бурении с помощью канатного керна ствол выводится на поверхность с помощью проволоки, в то время как при обычном алмазном бурении ствол выводится на поверхность с помощью буровых штанг.

В зависимости от литологической твердости можно выбрать долото различной конструкции, чтобы повысить эффективность бурения.

ЗА: Отбор керна на кабеле — это быстрый и эффективный способ получить геотехнически приемлемые (RQD) образцы керна горных пород. Сверление можно продвигать под углом.

МИНУСЫ: Отбор керна с помощью кабеля ограничен максимальным размером образца керна, который он может извлечь, примерно до 3,27 дюйма. Более мягкие и карстовые образования могут затруднить процесс бурения.Циркуляция жидкости необходима для подъема шлама, создавая IDW, которым необходимо управлять.

Надеюсь, теперь у вас есть представление о пяти основных методах бурения: технология прямого выталкивания (DPT), шнек с полым штоком, акустический, роторный и керновой керновый.

Если вы хотите узнать больше от наших экспертов Cascade, посмотрите веб-семинары по запросу «Drilling 101» или «Drilling 201» или подпишитесь на электронные уведомления о новых предстоящих веб-семинарах.

Drilling Method — обзор

4.2.1 Теория

Метод сверления отверстий — один из наиболее часто используемых методов измерения остаточных напряжений в металлических компонентах. Метод был первоначально предложен Матаром (1934) для измерения однородных остаточных напряжений по всей толщине в однородных изотропных материалах. Тонкая пластина бесконечной длины и ширины с круглым отверстием показана на рис. 4.2. Пластина подвергается равномерной растягивающей нагрузке, которая создает однородное напряжение σ ₀ в направлении y при r = ∞.Распределение напряжений вокруг отверстия по осям x и y может быть определено с использованием метода функции напряжений Эйриса.

4.2. Бесконечная пластина с круглым отверстием, подверженная одноосному растягивающему напряжению σ ₀ .

Граничные условия, которые должны быть выполнены:

[4.1] σrr = τrθ = 0atr = aaσyy = σ0atr = ∞bσxx = τxy = 0atr = ∞c

Для решения этих проблем обычно используются две различные функции напряжения и метод наложения. уравнения.Первая функция выбирается так, чтобы связанные с ней напряжения удовлетворяли граничному условию при r = ∞, но в целом нарушали условия на границе отверстия. Вторая функция напряжения имеет связанные напряжения, которые нейтрализуют напряжения на границе отверстия, не влияя на напряжения при r = ∞. Иллюстрация этого процесса наложения представлена ​​на рис. 4.3.

4.3. Метод наложения.

Если в пластине создается воображаемое отверстие радиуса a, напряжения σ _rr , σ _θθ и τ _rθ на границе отверстия могут быть вычислены как

[4 .2] σrrI = σ021 − cos2θσθθI = σ021 + cos2θτrθI = σ02sin2θ

В исходной задаче граничные условия при r = a были

σrr = τrθ = 0

Граничные условия, которым должны удовлетворять напряжения со второй функцией напряжения связаны

[4.3] σrr = −σ021 − cos2θatr = aaσrr = τrθ = σθθ = 0atr = ∞bτrθ = −σ02sin2θatr = ac

Подстановка и решение вышеуказанных уравнений с использованием функции напряжения Эйриса дает

[ 4.4] σrrII = −σ0a22r21 + 3a2r2−4cos2θσθθII = σ0a22r21 + 3a2r2cos2θσrθII = −σ0a22r23a2r2−2sin2θ

Требуемое решение исходной задачи получается суперпозицией как

[4.5] σrr = σrrI + σrrII = σ021 − a2r21 + 3a2r2−1cos2θσθθ = σθθI + σθθII = σ021 + a2r2 + 1 + 3a4r4cos2θτrθ = τrθI + τrθII = σ021 + 3a2r21 − a2r2 в центральном отверстии. представлен формулой. 4.4. Высвобожденные деформации, связанные с высвобожденными напряжениями, могут быть рассчитаны как

[4.6] εrr = σrrE − vσθθE = −σ0a21 + v2Er21 + 3a2r2cos2θ − 4cos2θ1 + vεθθ = σθθE − vσrrE = −σ0a21 + v2Ercos2r2 + 3aθ2 vEτrθ = −σ0a21 + v2Er23a2r2−2sin2θ

В методе сверления центрального отверстия розеточный тензодатчик устанавливается на образец, содержащий остаточные напряжения.Затем с помощью дрели в центре тензодатчика располагается отверстие малого диаметра глубиной чуть больше диаметра. Таким образом, деформации снимаются вокруг области отверстия и измеряются тремя тензодатчиками розетки. Для изотропных материалов высвобождаемые деформации, измеренные каждым тензодатчиком, расположенным под углом θ по отношению к оси x , выражаются как

[4.7] εr = Aσx + σy + Bσx − σycos2θ + Cτxysin2θ

, где θ — угол каждой произвольной точки относительно оси x , а A, B и C — постоянные значения, называемые калибровочными константами. σ _x , σ _y и τ _xy — остаточные напряжения, захваченные в образце. На рис. 4.4 показаны центральный сверлильный аппарат и тензодатчик с розеткой. Если розетка повернута по часовой стрелке, а тензодатчики расположены под углом 0, 135 и 270 градусов, то

4.4. а) тензодатчик с розеткой; цифрами от 1 до 3 показаны тензодатчики; GW и GL — это ширина и длина любого тензодатчика розетки.(б) Аппарат для бурения центральных отверстий.

[4.8] A + B0A − BA − CAA − B0A + Bσxτxyσy = ε1ε2ε3

Путем измерения деформаций ε ₁ , ε ₂ и ε ₃ и используя уравнение. 4.8 рассчитываются остаточные напряжения. Отклики тензодатчиков чувствительны к диаметру отверстия ( D _o ) и диаметру розетки ( D ) (рис. 4.4). Глубина отверстия составляет примерно 0,4 D или немного больше.Однако для материала, толщина которого меньше 1,2 D , необходимо сделать сквозное отверстие. Максимальная чувствительность для розетки возникает при максимальном диаметре отверстия. При увеличении отношения D _o / D чувствительность метода увеличивается пропорционально ( D _o / D ) ² . Следующее соотношение должно использоваться для идеального соотношения D _o / D :

[4.9] 0,3

Константы калибровки A , B и C зависят от свойств материала, геометрии розетки и глубины отверстия. Важный вопрос определения калибровочных постоянных может быть решен экспериментальными и численными методами. В изотропных материалах C = 2 B , а для розетки против часовой стрелки — C в уравнении. 4.8 заменен на C .

Методы бурения скважин на воду | Lone Star Drills

Неудивительно, что бурение скважин на воду — древнее дело.Около 8000 лет назад первые колодцы были выкопаны вручную, чтобы обеспечить безопасный, чистый и надежный источник воды для самых ранних цивилизаций. Наша потребность в воде не изменилась, но с тех пор технология бурения скважин прошла долгий путь.

В некоторых регионах мира вырытие колодца вручную по-прежнему является самым дешевым и практичным способом улучшить доступ к воде, особенно для одноразовых колодцев. Однако для подрядчиков и групп, желающих добавить или расширить свои возможности по бурению скважин на воду в долгосрочной перспективе, механическое бурение может предложить более быстрый и эффективный вариант.

При выборе оборудования для бурения скважин на воду следует учитывать две вещи: 1) Метод должен соответствовать геологии. 2) Рассмотрите затраты, как краткосрочные, так и долгосрочные. Для одной скважины ручные методы могут не стоить больших затрат, но могут ли ручные методы бурения справиться с почвенными условиями на вашем участке? И какова общая стоимость рытья нескольких колодцев? С другой стороны, варианты механического бурения скважин могут позволить выполнить работу быстро, но могут не укладываться в бюджет для операции, которая предусматривает поиск только нескольких скважин в год.

Давайте подробнее рассмотрим плюсы и минусы некоторых популярных методов ручного и механического сверления, чтобы определить, какой вариант лучше всего подходит для вашей работы.

Ручные методы

Для многих копание колодца напоминает человека в глубокой, илистой яме, пропустившего ведра с землей, и не без оснований. Копание вручную, вероятно, является самым старым и наиболее часто используемым ручным методом получения доступа к грунтовым водам, и это трудоемкая и грязная работа.

Как и другие ручные методы, в том числе шлам, ручное ударное бурение, приводная точка и ручное сверление, ручная выемка требует только простых инструментов и большого количества тяжелой работы, поэтому отдельные лица и сообщества так долго эффективно использовали эти методы. Как говорится, «не сломалось — не чини». И для районов с ограниченным доступом к тяжелому оборудованию или топливу эти методы по-прежнему являются жизнеспособным вариантом.

Плюсы:

• Требуются простые инструменты, доступные локально
• Может достигать глубины 230 футов (70 метров) или более в зависимости от метода и геологии
• Работа может выполняться быстро большими бригадами

Минусы:

• Высокий риск загрязнения поверхности
• Пробурить скальные породы или плотный грунт сложно или невозможно
• Большинство методов становятся нестабильными на расстоянии менее 33 футов (10 метров)
• Большинство методов требуют высокого уровня грунтовых вод

Возможно, самый большой недостаток ручного рытья колодцев заключается в том, насколько неэффективен этот процесс для нескольких колодцев.Установка до полудюжины колодцев на одном участке может и не обойтись, но многократный наем больших бригад может быстро сложиться. Кроме того, геологические препятствия и риск заражения с помощью ручных методов делают их менее привлекательными для подрядчиков и групп, стремящихся производить устойчивые скважины в нескольких регионах.

После рассмотрения плюсов и минусов, если ручное сверление кажется лучшим вариантом для вашего проекта, ручное ударное бурение, вероятно, является наиболее эффективным и широко используемым методом.Процесс заключается в многократном опускании тяжелого бурового долота, соединенного с тросом или кабелем, в отверстие, частично заполненное водой, чтобы разрыхлить почву и отколоть куски породы. Заостренное буровое долото и односторонний клапан в нижней части бурильной трубы могут быть добавлены для создания гибридной техники ударно-шламовой обработки для повышения эффективности. Ручное ударное бурение быстрее, чем другие ручные методы, способно проникать в породу (очень медленно) и легко герметизируется для предотвращения загрязнения. Однако механическое ударное бурение, механизировавшее ручной метод забивки скважины, является гораздо более эффективным вариантом для операций, которым требуется долгосрочное решение.

Механические методы

Если для ручного бурения требуются простые инструменты, большая рабочая бригада, упорный труд и терпение для выполнения работы, то для механического бурения используются двигатели, шестерни и топливо для прохождения скальных пород и твердых грунтов. Эти методы позволяют копать быстрее и глубже, чем ручные методы, и идеально подходят для подрядчиков и групп, которым требуется эффективное, высокоманевренное и простое в использовании оборудование. Для бурения одной скважины они могут быть неэффективными с точки зрения затрат, но для предприятий, стремящихся добавить бурение водяных скважин к своим услугам, инвестиции в правильную буровую установку для бурения водяных скважин для вашей операции могут обеспечить быструю окупаемость инвестиций и открыть новые возможности.

Существует несколько популярных методов, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы, поэтому перед тем, как переходить к механической буровой установке, рассмотрите свои потребности и геологию вашего региона.

Струя: В этом методе насос нагнетает воду по бурильной трубе и из узкого сопла, чтобы создать струю воды, которая разрыхляет осадок. Вода за пределами бурильной трубы выносит шлам на поверхность в отстойник, вырытый рядом со скважиной. Затем насос возвращает воду обратно в трубу.Бурильная труба подвешивается к треноге и вращается вручную, чтобы отверстие оставалось ровным. В мелком песке этот метод может достигать глубины 197 футов (60 метров).

Плюсы:

• Требуется всего два человека
• Только инструменты — это насос, который может создавать достаточное давление, и труба

Минусы:

• Работает только с мягкими мелкозернистыми отложениями
• Сложная установка сантехнического уплотнения для защиты от загрязнения поверхности

Инструмент для троса: Это механизированная версия ручного ударного бурения.Тяжелое буровое долото прикрепляют к стальному тросу, поднимают и опускают в скважину. Шлам по-прежнему удаляется вручную с помощью желонки, и в скважине необходимо поддерживать уровень воды в несколько метров, чтобы шлам оставался взвешенным. Оборудование варьируется от базовой лебедки на салазках со штативом до сложного набора шкивов и барабанов с большой мачтой. Большие станки для канатных инструментов устанавливаются на прицепе или платформе грузовика и используют гидравлические двигатели для подъема и опускания мачты и вращения барабанов с канатом.Эти более крупные установки способны бурить на сотни футов в глубину практически в любых геологических условиях.

Плюсы:

• Использует наименьшее количество топлива

Минусы:

• Самый медленный механический метод
• Стальной кожух, необходимый для предотвращения обрушения скважины при работе в рыхлых осадках
• Может потребоваться дополнительное оборудование, такое как аппарат для дуговой сварки и резак для корпуса привода

Буровой станок для бурового раствора: Основная концепция буровой установки для бурового раствора аналогична струйной очистке.Добавьте большое режущее долото, отрезки стальных бурильных труб с резьбовыми соединениями, двигатель для поворота и подъема бурильных труб и прочную мачту для поддержки трубы, и вы готовы к бурению вращающихся скважин. При вращательном бурении буровая установка также смешивает бентонитовую глину или другие материалы с водой для струйной обработки, чтобы улучшить ее способность поднимать шлам. Эта жидкость называется «буровой раствор», и именно она упоминается в названии метода.

Двумя основными категориями бурового роторного бурения являются: привод стола, при котором вращающийся механизм около основания буровой установки поворачивает бурильную трубу, и привод с верхней головкой, при котором ее вращает двигатель, прикрепленный к верхнему концу трубы.В обоих случаях верхний конец трубы прикреплен к подъемному механизму, который перемещает ее по мачте. Оба типа буровых установок также имеют вертлюг, прикрепленный к верхнему концу трубы, позволяющий закачивать буровой раствор по трубе во время ее вращения.

В зависимости от размера буровая установка может бурить до 3281 футов (1000 метров). Буровые установки LS100 и LS200 представляют собой буровые установки для бурового раствора в малой части размеров буровых установок, но даже эти небольшие машины могут пробурить 8-дюймовую (20-сантиметровую) скважину на глубину 197 футов (60 метров).Для большей мощности на сложных почвах компания Lone Star разработала гидравлическую серию. LS300H + способен пробурить 6-дюймовую (15 сантиметровую) скважину на глубину до 300 футов (91,4 метра).

Плюсы:

• Буровой раствор сохраняет ствол скважины открытым, что исключает необходимость использования приводных обсадных труб
• Быстрее, чем кабельный инструмент и методы струйной обработки

Минусы:

• Бурение в скальных породах возможно только с помощью более крупных буровых установок
• Несколько двигателей потребляют больше топлива в час, чем буровая установка для канатных инструментов
• Большие буровые установки требуют вспомогательных транспортных средств для транспортировки воды и бурильных труб

Air Rotary: Механические элементы пневматического бурового станка аналогичны буровому станку для бурового раствора, включая возможность привода стола или верхнего привода для вращающейся трубы.Принципиальное отличие заключается в использовании сжатого воздуха для удаления шлама, а не бурового раствора. В пневматической роторной установке используются буровые коронки того же типа, что и в буровой установке, но она также может бурить с помощью забивного молотка. Он использует сжатый воздух для дробления породы и может очень быстро бурить. Большая воздушная роторная установка может бурить более 1640 футов (500 метров) в правильных геологических условиях.

Плюсы:

• Самый быстрый метод бурения
• Более быстрая установка, чем другие методы

Минусы:

• Самый дорогой способ
• Максимальное потребление топлива в час
• Требуются вспомогательные машины и большой воздушный компрессор

Как видите, вариантов бурения скважин на воду очень много.Метод бурения, который лучше всего подходит для вас, зависит от вашего геологического строения, вашей мускулатуры и вашего бюджета.

3 Методы бурения, которые следует учитывать при испытании грунта и горных пород

В инженерно-геологических изысканиях используются различные методы бурения для лучшего понимания грунта под поверхностью. Следует учитывать три распространенных метода: шнек со сплошным штоком, шнек с полым штоком и роторный шнек. Вот что вам следует знать о каждом методе.

Способы бурения 1 — Шнек со сплошным штоком

Шнек с цельным штоком (SSA) используют шнеки непрерывного действия, которые механически выкапывают и непрерывно транспортируют шлам на поверхность.Доступны шнеки диаметром от 3 до 14 дюймов. Шнек с твердым стволом имеет ряд преимуществ. Он производит умеренное количество легко удерживаемого шлама, и в процессе бурения не требуется жидкости. Поддерживаются операции отбора проб из тонких стенок и раздельных цилиндров. Из-за более низких требований к крутящему моменту для шнека со сплошным штоком можно использовать буровые установки меньшего размера. Это упрощает маневрирование на площадке и часто снижает затраты.

Однако этот метод бурения также имеет ряд недостатков.Чтобы получить образцы почвы, необходимо извлечь твердый шнек из отверстия. Следовательно, этот метод ограничен устойчивыми почвами, которые не разрушатся при снятии шнеков. Отбор проб почвы во время бурения шнеком со сплошным штоком — трудоемкий процесс, особенно в более глубоких отверстиях, поскольку шнеки необходимо снимать с отверстия во время каждой процедуры отбора проб.

Методы бурения 2 — Шнек с полым штоком

Шнек с полым штоком (HAS) обычно используются для установки скважин для мониторинга грунтовых вод в экологических и геотехнических целях, но также могут использоваться для получения образцов почвы.При бурении шнеком с полым штоком используются шнеки большого диаметра (внешний диаметр до 14 дюймов), которые механически выкапывают и непрерывно транспортируют шлам на поверхность. Центральное долото, которое прикреплено к буровой штанге и прикручено болтами к крышке привода шнека, вставляется через режущую головку для выемки центра отверстия. По мере того, как бурение продвигается за счет добавления секций шнека, добавляются секции буровой штанги, сохраняя центральное долото на торце фрезерного долота.

Шнек с полым штоком имеет ряд преимуществ.Шнеки действуют как временная обсадная колонна во время и после завершения бурения. Это облегчает отбор проб почвы и воды и установку контрольных колодцев. Это относительно быстро, и в процессе бурения не требуется жидкости или требуется совсем немного жидкости. Кроме того, этот метод бурения легко поддерживает отбор проб из тонкостенных и раздельных стволов.

Шнек с полым штоком имеет ряд недостатков. Например, оно ограничивается бурением от плохо литифицированных до нелитифицированных отложений. Он также ограничен максимальной глубиной 150 футов.Неглубокая коренная порода или другие труднодоступные для бурения материалы могут значительно уменьшить эту глубину. Высокое гидростатическое давление при бурении скважины может вызвать проблемы с поднятием песка в шнек во время отбора проб почвы и монтажа скважины.

Методы бурения 3 — Вращающийся буровой раствор

При вращательном методе бурения используется буровое долото, которое устанавливается на конце буровой штанги и продвигается за счет быстрого вращения долота. Шлам удаляется закачкой бурового раствора (воды или воды, смешанной с бентонитом или другими усилителями жидкости) вниз через буровые штанги и долото и вверх по кольцевому пространству между стволом скважины и буровыми штангами.Буровой раствор также служит для охлаждения бурового долота и стабилизации стенок ствола скважины.

Методы роторного бурения имеют ряд преимуществ. Это очень быстрое и эффективное средство бурения — эффективные буровые установки могут производить несколько сотен футов скважин в день. Вращающийся буровой раствор можно адаптировать к широкому диапазону геологических условий. Однако исключительно большие, плохо стабилизированные валунные условия не подходят для вращательного бурения с использованием бурового раствора. Отбор проб осадка широко поддерживается, возможен отбор проб из тонкостенных и раздельных стволов.

Буровой роторный имеет ряд недостатков. Использование буровых растворов может потребовать вспомогательных транспортных средств для надлежащего управления и удержания как шлама, так и буровых растворов. Использование буровых растворов может также нарушать проницаемые зоны, что ставит под угрозу достоверность отбора проб из контрольной скважины.

Команда высококвалифицированных инженеров-геотехников RMG обладает знаниями и опытом, чтобы оценить, какой из доступных методов бурения лучше всего подходит для вашего проекта. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы узнать больше о наших услугах!

Методы бурения — Summit Drilling

Sonic Drilling — Sonic Drilling — это безопасный, чистый и малоударный метод бурения.Скважины бурятся, забиваются керном и обсаживаются за счет вращения и вибрации штанги, колонкового ствола и обсадной колонны на резонансных звуковых частотах. При ультразвуковом бурении образуется значительно меньше бурового шлама, чем при бурении шнеком, буровым раствором или воздушным ротором, что позволяет экономить дополнительные ресурсы проекта.

Сценарии использования
Акустическое бурение отличается выдающейся способностью получать непрерывные, ненарушенные образцы керна в любой геологической формации.

Air Rotary — через бурильную колонну нагнетается воздух с высоким потоком, охлаждая долото, удаляя породу из ствола скважины и стабилизируя ствол скважины во время бурения.Воздушно-вращательный метод намного более эффективен, чем другие методы бурения по горным породам (т. Е. Канатный инструмент), потому что поток воздуха с высоким потоком постоянно очищает забой скважины, что обеспечивает постоянный контакт между буровым долотом и неповрежденной коренной породой. Размер воздушного компрессора и ствола скважины определяет достижимую глубину, поскольку компрессор должен поддерживать скорость вверх по скважине приблизительно 3000 футов в минуту для эффективного удаления бурового шлама. В коренных породах, где удаление выбуренной породы затруднено, к закачиваемому воздуху можно добавить пену для увеличения вязкости и облегчения подъема выбуренной породы из ствола скважины.

Сценарии использования
Воздушно-вращательное бурение — идеальный метод продвижения скважин в консолидированных коренных породах.

Шнек с полым штоком — Для нормального продвижения отверстия через режущую головку вставляется пилотное сверло для просверливания центра отверстия. Буровая штанга прикреплена болтами к внутренней части крышки привода с помощью адаптера штанги к крышке, так что пилотное долото может вращаться вместе со шнеками. Этот метод позволяет выполнять отбор проб с помощью раздельной ложки, отбор проб из трубки Шелби, отбор проб Деннисона, дискретный отбор проб воды с помощью Hydropunch и взятие керна, оставляя шнеки на месте.

Буровые штанги обычно добавляются каждый раз при добавлении шнека. В мягких породах (грязь и песок) в конец режущей головки можно вставить коническую деревянную пробку, чтобы предотвратить подъем материала внутрь шнеков и исключить использование буровой штанги. Когда отверстие будет закончено, пробка может выбить нижнюю часть колонны шнека. Следующим шагом является установка экрана мониторинга и кожуха, который затем заливается раствором для предотвращения загрязнения сверху отверстия.

Сценарии использования
Шнековое бурение с полым штоком — идеальный метод для продвижения неглубоких скважин в рыхлых породах, особенно когда требуется отбор проб грунта во время продвижения скважины.

Ротор для бурового раствора — Буровой раствор нагнетается через бурильную колонну, охлаждая и смазывая долото, вынося шлам на поверхность для отложения в ванне для бурового раствора или в яме, что позволяет удалить шлам из бурового раствора на поверхности .Буровой раствор очистит забой ствола скважины, отложит непроницаемую корку на стенках, преодолеет давление пластовой жидкости и предотвратит обрушение стенок ствола скважины. Буровой раствор предотвратит повреждение зон продуктивной воды, позволит получить интерпретируемые каротажные диаграммы и защитит бурильную трубу от коррозии.

Сценарии использования
Роторное бурение — идеальный метод для проходки глубоких скважин в рыхлых породах.

Geoprobe / Direct Push — Технология Direct Push включает несколько типов буровых установок и бурового оборудования, которое продвигает бурильную колонну путем толкания и / или удара без вращения бурильной колонны.Хотя это не соответствует правильному определению бурения, все же достигается тот же результат — скважина. Установки прямого выталкивания включают как установки для испытаний на проникновение конуса (CPT), так и установки для отбора проб прямым выталкиванием, такие как Geoprobe. Установки прямого выталкивания обычно ограничиваются бурением рыхлых грунтовых материалов и очень мягких пород.

В буровых установках

с прямым выталкиванием используются гидроцилиндры и гидравлический молот (с азотной нагрузкой) для перемещения пробоотборника с полым керном для сбора проб почвы и грунтовых вод.Скорость и глубина проникновения в значительной степени зависят от типа почвы, размера пробоотборника, а также веса и мощности установки. Методы прямого выталкивания обычно ограничиваются извлечением пробы неглубокого грунта в рыхлых грунтовых материалах. Преимущество технологии прямого выталкивания заключается в том, что при правильном типе почвы она может быстро и дешево производить большое количество высококачественных образцов, обычно от 150 до 300 футов в день. Вместо удара, прямой толчок также можно комбинировать с акустическими (вибрационными) методами для повышения эффективности бурения.

Сценарии использования
Direct Push широко используется для менее интрузивных действий, часто для сбора огромных объемов данных о почве и грунтовых водах с минимальным временем и вмешательством в свойства и состояние почвы / грунтовых вод. Прямой толчок также используется для закачивания в почву и грунтовые воды широкого спектра химикатов для восстановления.

Краткое описание методов и технологий бурения для установки скважин CMT в неконсолидированных водоносных горизонтах

Методы и методы бурения для установки скважин

CMT в неуплотненных водоносных горизонтах

* Гранулы бентонита с покрытием не гидратируются так быстро, поэтому эти гранулы полезны для более глубоких применений, однако некоторые гранулы с покрытием выделяют этанол или ацетон и могут вызывать повышенные пределы обнаружения некоторых целевых соединений.Обычно гранулы без покрытия подходят для глубины до 100 футов воды.

Метод бурения

позволяет свести к минимуму погружение

Цель:

Было показано, что вибрационная и акустическая обратная связь, резкость сверла и плотность материала влияют на глубину врезания при сверлении через бикортикальную кость. Мы предположили, что техника бурения также может влиять на глубину погружения.

Методы:

Шесть субъектов разного уровня подготовки (от PGY1 до 16-летнего опытного хирурга) просили просверлить суррогат кортикальной кости, трубку Sawbones третьего поколения с аналогичной плотностью и модулем сжатия здоровой кортикальной кости. Используя острое сверло 4,5 мм и сверло System 6, каждый участник просверлил 30 отверстий в хирургических перчатках, чтобы имитировать тактильную обратную связь, и используя 3 различных метода (по 10 отверстий в каждом).Это были методы плавного сверления одной рукой, отскока одной рукой и плавного сверления двумя руками. Видеорегистратор высокого разрешения с частотой 60 кадров в секунду был размещен на стандартном расстоянии от модели и использовался для расчета глубины погружения. Для сравнения методов использовался дисперсионный анализ с помощью Fisher PLSD post hoc (значимость P <0,05).

Полученные результаты:

Средняя глубина погружения ± стандартное отклонение составила 13.0 ± 4,2 мм (диапазон 6,2-26,8 мм) для гладкой обработки одной рукой, 17,2 ± 5,0 мм (диапазон 8,0-28,8 мм) для отскока одной рукой и 10,6 ± 3,5 мм (диапазон 5,8-19,2) для гладкой обработки двумя руками техники. Различия между всеми 3 группами достигли статистической значимости.

Заключение:

Техника отскока имела наибольшую среднюю глубину и дисперсию. Двуручная техника продемонстрировала наименьшее падение и наименьшую дисперсию, что указывает на наивысшую степень контроля.Это исследование поддерживает использование техники двуручного сверления, если позволяют интраоперационные обстоятельства.

.