Оборудование для бурения скважин полезных ископаемых

Строительство водозаборов предполагает проходку выработок с применением оборудования для бурения скважин. Гидрогеологические условия залегания водоносных пластов многообразны, чтобы добраться до воды, используют способы, основанные на разрушении мягких и твердых пород. Каждый участок недр имеет особенности, в соответствии с которыми выбирают подходящую буровую установку.

Виды скважинных установок для бурения

Проходка скважин осуществляется для строительства свайных фундаментов, инженерных изысканий, в целях геологоразведки полезных ископаемых, добычи углеводородного сырья и при бурении на воду. Глубина выработок (в зависимости от их назначения) достигает нескольких километров.

Населением востребованы водозаборные сооружения. Артезианские скважины пробивают в недрах до 100-200 м, межпластовые и на песок — от 15 до 90 м, а верховодку и грунтовые воды забирают с помощью колодцев 3-14 м. Для каждого интервала глубин подбирают наиболее подходящий к условиям тип оборудования.

Виды скважинных установок по способу бурения:

1. Роторные с промывкой разрушенной породы или продувкой сжатым воздухом.
2. Шнековые с удалением почвы по спиральным лентам.
3. Ударные устройства с извлечением грунта с помощью желонки — цилиндрического сосуда, оснащенного люком.
4. Малогабаритные буровые установки — МГБУ, предназначенные для широкого использования при обустройстве частных водозаборов. Их применяют с вращательным и ударным способами проходки.

Скважинная установка представляет собой станок — разборный или устанавливаемый на самоходное шасси — и вспомогательное оборудование. Обеспечивающие процесс бурения и эксплуатации водозаборов агрегаты: буровые и скважинные насосы, компрессоры, подъемное оборудование, инструмент.

Достоинства самодельных бурильных установок

Разборные МГБУ разработаны и выпускаются для самостоятельного обустройства водозаборов на земельных участках с ограниченными размерами, где затруднен подъезд самоходных установок.

У станков несложная конструкция, это позволяет умельцам самостоятельно изготавливать механизмы по чертежам.

К достоинствам оборудования относят:

• малые габариты и вес агрегатов;
• модульность исполнения — монтаж и демонтаж станка не вызывает затруднений;
• универсальность использования привода: ручное вращение бурильной трубы, подключение двигателя к электросети 220, 380 В, автономное питание от бензинового или дизельного мотора;
• надежность конструкции и доступная стоимость.

Небольшие станки используются для возведения водозаборов, при строительстве фундаментов, для оценки состояния подстилающих горных пород. Все работы по монтажу станка и его эксплуатации выполняются 2 бурильщиками.

Бурение ударным способом

Используется в рыхлых и мягких грунтах с галечником, разрушается горная порода по всей площади забоя под воздействием ударов бурового снаряда. Импульсы передаются сбрасыванием инструмента на тросах в скважину (канатно-ударный способ) или забиванием бура, закрепленного на штанге (ударно-штанговое бурение). Первый вариант применяется чаще. Масса снаряда 0,5-2,5 т, высота сброса 0,3-1 м, частота — 40-60 уд./мин.

Забивной снаряд — труба с режущей кромкой или долотчатой насадкой. Движение инициируется лебедкой. Удержание грунта внутри цилиндра происходит за счет сил трения.

Ударный механизм представляет собой качающуюся раму, приводимую в действие кривошипно-шатунной конструкцией, эксцентриком, гидроцилиндрами. Для лучшего дробления на сухой забой подливают воду. Буровой шлам из скважины извлекают после углубления на каждые 20-60 см.

Достоинства ударного способа:

• возможность бурения выработок большого диаметра;
• контроль уровня водоносного горизонта, исключение загрязнения реагентами для выноса шлама;
• беспроблемное использование зимой;
• продолжительный срок эксплуатации водозабора — до 50 лет.

Недостатки ударного метода: трудоемкость и невысокая скорость проходки. При искривлении скважины возникают сложности с опусканием обсадной колонны. Чтобы избежать трудностей, применяют бур длиной 2 м.

Бурение шнековым способом

Применяется в легких и рыхлых песчаных грунтах. Скальные и сыпучие горные породы не поддаются этому способу бурения. Рабочий орган состоит из металлического стержня, обвитого лентой в виде спирали — шнека. Лопасти служат для выноса разрушенной почвы на устье скважины. С одного торца бур оснащается стальными или твердосплавными резцами, с другого — устройством для присоединения следующей шнековой секции.

Аналогом шнекового станка является рыбацкий ледобур. Вращение бурильного става осуществляется вручную или с помощью привода от двигателя.

Преимущества способа:

• принцип действия знаком широкому кругу дачников, использование шнековой установки не вызывает затруднений;
• минимальное количество извлечений снаряда способствует ускорению строительства водозабора;
• низкая себестоимость проходки 1 м выработки;
• возможность бурения в стесненных условиях малого участка.

Включения крупных валунов по трассе скважины могут привести к прекращению проходки скважины с выбранного места забуривания и переходу на иную точку стояния.

Других недостатков шнековый способ не имеет, если не использовать метод в несвойственных для него горных породах.

Бурение роторным способом

Выполняется в грунтах любой степени сложности. Как и в предыдущем варианте, бурильная колонна в процессе проходки вращается, но штанги имеют гладкие стенки. Удаление шлама производится продувкой сжатым воздухом или закачиванием в скважину бурового раствора, который выносит породную мелочь на поверхность. Разрушение грунта на забое осуществляется съемными коронками, долотами различного типа, включая шарошечные — с вращающимися роликами. Армируется буровой инструмент твердыми сплавами, техническими и синтетическими алмазами.

Вращатель бурильной колонны приводится в действие электродвигателем или мотором базового автомобиля установки. Обязательная принадлежность конструкции — вышка или мачта для подъема-спуска обсадной и буровой колонн. От высоты талевой подвески зависит длина свечи — сборки из металлических труб.

Распространенность роторного способа обусловлена его качествами:

• возможность бурения скважин диаметром 80-1500 мм в породах любой твердости на глубину до километра и более;
• высокая производительность в сложных горно-геологических условиях;
• малые габариты самоходной установки, обеспечивающие бурение вблизи дачного строения.

Универсальность способа обусловливает его дороговизну. При бурении глубоких скважин этот недостаток нивелируется.

Бурение с промывкой скважины

Один из способов удаления шлама — гидравлический: буровая мелочь выносится на поверхность промывочной жидкостью. Состав раствора приготавливают в зависимости от свойств пересекаемых пород. В качестве рабочей среды используют техническую воду и глину с реагентами, укрепляющими стенки горной выработки. Другая цель подачи на забой жидкости — охлаждение разрушающего инструмента.

Промывка бывает прямой, когда раствор подается внутрь буровой колонны, и обратной: вода поступает на забой по затрубному пространству, затем через отверстие в долоте или коронке выводится по трубе с помощью эрлифта — струей сжатого воздуха от компрессора. Второй способ применяют при бурении скважин Ø300-1500 мм. Обратную промывку не применяют, если нужен меньший диаметр водозабора, когда выработка проходится в твердых породах, в разрезах с зонами поглощения раствора.

Преимущества бурения с промывкой:

• снижается сопротивляемость грунта разрушению, за счет этого увеличивается скорость проходки выработки;
• сохраняется качество внутрипластовой воды, если промывка обратная.

Прямая подача глинистого раствора приводит к глинизации стенок скважины и уменьшению водоотдачи в зоне водоносного слоя. Для восстановления пористости контакта с водоносом проводят разглинизацию ствола выработки в месте расположения фильтра. Другой недостаток промывки проявляется зимой: жидкость требует подогрева.

Сборка малогабаритной буровой установки с ручным приводом

Шнековую установку для бурения неглубокой скважины изготовить несложно. Основной элемент — шнек-бур изготавливают самостоятельно, если есть навык работы со сварочным аппаратом. Можно купить готовые винтовые секции или приспособить ненужный ледобур. В верхней части бурового снаряда прикрепляют рукоятку в виде буквы Т, чтобы вращали инструмент 2 человека.

Вспомогательное оборудование — мачту-треногу, ручной вороток с канатом для извлечения шнекового бура изготавливают из подручных материалов.

Сборка производится в таком порядке:

• треногу из 3 бревен, жердей, металлических труб устанавливают над точкой заложения скважины так, чтобы блок для каната находился на высоте 2,5-3 м от земли;
• по одной из сторон треноги монтируют вороток с рукояткой и запасом троса Ø5-6 мм;
• буровой снаряд ставят на точку забуривания.

МГБУ с ручным приводом к работе готова. После проходки первых 2 м, чтобы выдержать вертикаль скважины, в выработку ставят кондуктор — трубу диаметром большим, чем размер бура. Бурят до водоносного горизонта.

Изготовление установки для бурения с электрическим приводом

Мачту для МГБУ с электроприводом собирают из 3 металлических столбов Ø80 мм на прямоугольной раме 120х140 см в вертикальном положении с обвязкой стоек по верху из уголка 50 мм. 2 опоры используются как направляющие для каретки с мотор-редуктором или электродвигателем. Высота установки 2,5 м складывается из длины бурового снаряда — 1,5 м — и 1 м отводится на высоту оснащенного ползуна и талевой оснастки.

С противоположной вращателю стороны на стойку крепится площадка для лебедки, навешивается блок, и каркас буровой установки готов к эксплуатации. Снаряд для разрушения горной породы подбирают, исходя из горно-геологических условий участка.

Наиболее популярное оборудование для бурения скважин для воды МГБУ

Малогабаритные установки часто покупают ИП, небольшие компании и дачники. Основные черты компактных станков — малый вес, мобильность и сравнительно невысокая цена. Некоторые модели в диапазоне 70-900 тыс. р. пользуются повышенным спросом из-за возможности организовать бизнес на строительстве водозаборов, используя МГБУ.

Установка Колибри

Доступные способы бурения: шнековое диаметром <200 мм, роторное с промывкой и продувкой, сплошным забоем или колонковым. Проходка скважин в грунтах I-VI категории.

Технические характеристики:

• глубина бурения — 50-70 м;
• мощность привода — бензиновый двигатель 16,4 кВт (22 л.с.);
• масса в сборе — 270 кг.

МГБУ монтируется на прицеп, шасси УАЗ, Газель. Выпускается в модульном варианте для ручной переноски. Стоимость 900 тыс. р.

Установка Гидробур

Изготавливается для бурения скважин Ø70-320 мм в породах любой твердости на глубину 50-70 м. Состав бригады — 2 человека.

Характеристики модели Гидробур-1 Крот:

• мощность электропривода от сети 220 В — 2,2 кВт;
• средняя скорость бурения — 4-5 м/час.;
• вес без снаряда и бурового инструмента 200 кг.

Цена базового комплекта — 70 тыс. р. Отдельно поставляются приборы управления — 14 тыс. р. и электропривод на подъем и опускание колонны — 14 тыс. р.

Установка ТМ 80

Применяется в твердых породах до 12 категории прочности. Начальный диаметр <300 мм, глубина бурения шнеком 150 мм — <10 м, с продувкой до 50, промывкой — 150 м.

Параметры МГБУ ТМ 80:

• привод от двигателя ВАЗ 2106 — 80 л.с.;
• скорость бурения по песку — 15, глине — 10, твердым породам — 5 м/час.;
• масса — до 750 кг.

Станок установлен на собственном шасси, оборудован 4 выдвижными домкратами. Выпускается в 3 модификациях: Премиум, Стандарт, Бюджет. Стоимость от 570 тыс. р.

Установка УМГБ 2

Назначение — проходка выработок в крепких породах с промывкой или продувкой, в мягких грунтах устанавливают шнек. На станке установлен частотный преобразователь тока, обороты вращателя регулируются в пределах 0-110 об/мин.

Показатели:

• двигатель 3-фазный 4 кВт;
• глубина бурения шнеком — 6 м, с промывкой — до 120 м;
• масса с оснасткой на 51 м скважины — 1 т.

Модель разборная, умещается в легковом прицепе. Цена от 270 тыс. р.

Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин – это целый комплекс технологических устройств, инструментов и приспособлений, обеспечивающий сам процесс бурения  и промывку скважины с извлечением из неё остатков разбуренных пород. Центральное звено любого бурового комплекса – это буровая установка (буровая вышка).

Буровая вышка

Буровая установка для бурения нефтяных скважин представляет собой комплекс буровых механизмов, машин и оборудования, который монтируется непосредственно на точке бурения и обеспечивает весь процесс обустройства скважин.

 Загрузка …

Основными элементами современной буровой установки являются:

• вышечный блок;
• блок насосного оборудования;
• силовые  приводы;
• блок для приготовления бурового раствора;
• блок очистки бурового раствора (часто совмещен с предыдущим блоком);
• оборудование для бурения:

1. ротор;
2. вертлюг;
3. талевый механизм;
4. буровая лебедка;
5. насосы;
6. силовой привод и так далее.

• буровые сооружения:

1. буровая вышка;
2. комплект оснований;
3. укрытия сборно-разборного или каркасно-панельного типа;
4. комплект стеллажей;
5. приемные мостки.

1. устройство для регулировки подачи долота;
2. механизмы, позволяющие автоматизировать спусковые и подъемные операции;
3. клиновой пневматический захват для труб;
4. буровой автоматический ключ;
5. вспомогательная лебедка;
6. пневматический раскрепитель;
7. краны для проведения ремонта;
8. пульт для контроля за процессами бурения;
9. управляющие посты.

• оборудование, обеспечивающее приготовление, регенерацию и  очистку буровых растворов:

1. устройство для приготовления раствора;
2. комплект вибросит;
3. отделители ила и песка;
4. подпорные насосы;
5. комплект емкостей для буровых растворов, воды и  химреагентов.

• манифольд:

1. блочная нагнетательная линия;
2. запорные устройства дроссельного типа;
3. буровой рукав.

• оборудования, обеспечивающее обогрев элементов буровой установки:

1. теплогенераторы;
2. радиаторы отопления;
3. коммуникации, обеспечивающие циркуляцию теплоносителя.

Основное назначение вышечного блока:

• подвешивание талевой системы и крепящихся к ней бурильных труб;
• размещение  оборудования, обеспечивающего спуск и подъем насосно-компрессорных,  обсадных и  бурильных элементов трубных колонн;
• размещение  устройств, обеспечивающих подачу и вращение бурового  инструмента.

В блоке силового привода размещаются дизельные или электрические силовые установки, компрессоры,  редуктора и коробки передач.

В насосном блоке  расположены  насосные установки вместе со своими силовыми агрегатами.

В состав блока для приготовления и последующей регенерации буровых растворов входят:

• емкости для приема и хранения бурового раствора, как для находящегося в процессе рабочей циркуляции, так и для создания необходимого запаса этой жидкости;
• устройства, обеспечивающие приготовление раствора:
• глиномесительное оборудование;
• БПР (блок приготовления раствора) и так далее.

• очистительное оборудования для регенерации бурового раствора:
• комплект вибросит;
• отделители ила и песка;
• дегазационные устройства;
• отстойники.

Комплекс, обеспечивающий спуск и подъем оборудования на скважине, является механизмом полиспастного типа, и включает в себя следующие основные элементы:

• кронблок;
• подвижный  талевый блок;
• буровая лебедка;
• механизм крепления конца каната (неподвижного);
• сам стальной канат, который обеспечивает гибкую связь между двумя предыдущими устройствами.

Кронблок  монтируется в верхней части буровой вышки. Подвижный конец каната  закрепляется на барабане буровой лебедки, а его  неподвижный конец посредством механизма крепления закрепляется у основания вышки. На талевый блок вешается крюк, за который при помощи строп подвешивают или вертлюг, или элеватор для спуска/подъема трубных колонн.  На  современных спуско-подъемных комплексах крюк и талевый блок, как правило, объединяют в единый механизм, называемый  крюкоблоком.

Технологический инструмент, применяемый при бурении скважин

Понятие «буровой инструмент» объединяет в себе все  приспособления и механизмы, которые используются для бурения скважин и шпуров, а также при работах по  ликвидации возникающих аварийных ситуаций. По своему назначению буровой инструмент делится на:

• технологический;
• специальный;
• аварийный;
• вспомогательный.

Конструктивные особенности и номенклатура бурового инструмента меняются в зависимости от:

• области применения (какие скважины бурят – геологоразведочные, взрывные, эксплуатационные, нагнетательные и так далее);
• способа бурения;
• диаметра скважины;
• характеристик разбуриваемых пород.

При помощи технологического инструмента непосредственно осуществляется бурение, которое заключается в разрушении горных пород и транспортировке на поверхность их разрушенных остатков. Такой инструмент еще называют породоразрушающим или забойным.

В его состав входят:

• долота и коронки;
• кернорватели;
• различные виды труб (колонковые, шламовые, бурильные трубы (обычные и утяжеленные);
• комплект переходников;
• набор сальников и так далее.

Строение углеводородных месторождений нефти и газа представлено в основном горными породами осадочного вида.

Основные физико-механические свойства таких пород, которые непосредственно влияют на буровой процесс:

• упругость;
• пластичность;
• твердость;
• сплошность;
• абразивность.

Основным породоразрушающим инструментом, обеспечивающим бурение скважин, является долото.

По принципу действия, с помощью которого происходит разрушение породы, долота подразделяются на следующие виды:

• режуще-скалывающие –  разрушение породы происходит при помощи  лопастей, наклоненных в сторону вращения инструмента (используются при бурении мягких горных пород);
• дробяще-скалывающие – порода разрушается либо зубьями, либо  штырями, размещенными на шарошках; шарошки вращаются вокруг как вокруг оси долота, так и вокруг собственной оси; в процессе вращения долота, помимо дробящего воздействия штырей или зубьев, в процессе их проскальзывания по забою порода также  скалывается (срезается) породу, что значительно повышает эффективность бурового процесса;
• истирающе-режущие – разрушение породы производится при помощи  алмазных зерен или твердосплавных штырей, которые расположены на торцах долота или на лопастных кромках этого инструмента; такие долота применяют при бурении среднетвердых пород  неабразивного типа и твердых горных пород;  лопастные долота, армированные штырями из твердых сплавов или  алмазными зернами, используются для разбуривания пород, которые перемежаются по твердости и абразивности.

Лопастные виды долот

В зависимости от типа своей  конструкции, а также от оснащенности твердосплавными элементами, долота лопастного типа используют при бурении:

• мягких пород;
• пород  средней твердости;
• мягких пород, в которых есть малоабразивные средние пропластки;
• при необходимости разбурить  цементные пробки  или металлические детали нижней части  обсадных трубных колонн;
• при необходимости расширения скважинного ствола.

В настоящее время на практике применяются следующие виды лопастных долот:

• двухлопастные с проточной промывкой (диаметр варьируется от 76-ти до 165,1 миллиметра);
• трехлопастные с проточным или гидромониторным видом промывки (диаметры – от 120,6 до 469,9 миллиметров);
• трехлопастные долот с  истирающе-режущим принципом действия с проточной промывкой или промывкой с помощью гидромонитора (диаметр – от 190,5 до 269,9 миллиметров);
• шестилопастные истирающе-режущие долота с двумя типами промывки (диаметр – от 76-ти до 269,9 миллиметров);
• пикообразные с проточной промывкой (диаметр – от 98,4 до 444,5 миллиметров).

В настоящее время промышленность производит такие типы долот лопастного вида (к пикообразным – не относится):

• долота для бурения мягких пород (литера М);
• для мягких пород со среднетвердыми  пропластками (МС);
• для абразивных мягких абразивных пород со среднетвердыми  пропластками (МСЗ);
• для среднетвердых пород (С);

Пикообразные лопастные долота бывают двух видов:

• применяемые для расширения скважинного ствола (литера Р);
• для разбуривания металлических элементов и  цементных пробок в нижней части обсадной колонны (Ц).

Долота с шарошками

Как в нашей стране, так и во многих зарубежных нефтегазодобывающих странах бурение газовых и нефтяных, как правило, производится при помощи шарошечных долот  с шарошками конической формы. Долота шарошечного типа используются для производства  сплошного бурения скважин самого разного назначения (добывающих, разведочных, нагнетательных и так далее). Очистка забоя при использовании таких долот производится либо при помощи сжатого воздуха, либо промывочными растворами.

Если сравнивать такой инструмент с описанным выше лопастным, то он имеет ряд несомненных преимуществ, а именно:

• площадь непосредственного контакта с забоем у долот с шарошками гораздо меньше, чем у долот  лопастного типа, однако общая длина их рабочих кромок гораздо больше, что дает возможность существенно повысить эффективность бурового процесса;
• шарошки по забою перекатываются, а лопасти – скользят, поэтому износостойкость шарошечных долот гораздо выше, чем лопастного инструмента;
• из-за того, что шарошки по забою  перекатываются, потребляемый инструментом крутящий момент относительно мал, что сводит к минимуму возможность заклинивания шарошечных долот.

Изготовление долот шарошечного типа регламентировано  ГОСТ-ом номер 20692-75.

Согласно этому нормативному документы, такой инструмент выпускают в трех исполнениях – одно-, двух- и трехшарошечные долота. Самыми распространенными являются трехшарошечные инструменты.

По критерию конструкции и расположения на инструменте продувных и промывочных каналов, такие  долота делятся на:

• долота с центральной промывкой (литера  Ц)
• с центральной продувкой (П);
• с боковой промывкой гидромонитором (Г);
• с боковой продувкой (ПГ).

Алмазные бурильные долота

Алмазный буровой инструмент представляет собой твердосплавную алмазонесущую  рабочую матрицу в стальном корпусе, который оборудован  внутренней  присоединительной замковой резьбой конусного вида.

Такой буровой инструмент различается по форме рабочей матрицы, по качественным характеристикам используемых  алмазов, а также по применяемых промывочным системам.

Твердосплавную алмазонесущую матрицу алмазного долота  изготавливают методами порошковой металлургии из металлических порошков.

Такие металлосодержащие порошки хорошо удерживают алмазы и дают возможность изготавливать рабочие матрицы с разной твердостью и  износостойкостью. Наилучшими показателями по таким качественным характеристикам, как прочность, износостойкость и теплопроводность, обладают алмазные матрицы  на основе вольфрама.

При изготовлении бурильных головок алмазного бурового инструмента применяются так называемые технические алмазы  массой от 0,05 до 0,34 карата.  При производстве такого  долота, к примеру,  диаметром 188 миллиметров, расходуется от 400 до 650 карат (от двух до двух с половиной тысяч алмазных зёрен).

Бурильные головки алмазных долот изготавливаются в двух модификациях:

• однослойные (типы КР. КТ, ДР, ДТ т ДК), на которых алмазные зерна размещены в поверхностном слое рабочих кромок  металлических  матриц по определённым схемам;
• импрегнированные (тип ДИ)Ю на которых мелкие алмазные зерна распределены равномерно по всей матрице.

Алмазные долота бывают следующих типов:

• с поверхностным расположением алмазов;
• импрегированные (алмазы размещены на поверхности до 8 миллиметров);
• инструменты особых конструкций;
• с радиальным расположением каналов и с наружной поверхностью  биконического вида (ДР);
• с напорным каналом и  с тораидальными выступами (ДК);
• с синтетическим типом размещения  алмазных зерен (С);
• с импрегированными алмазными зернами (И);
• лопастные (ДЛ);
• с внутренним конусом (ДВ);
• импрегированные с заостренными торцами лопастей (ДИ);
• универсальные (ДУ).

Такой породоразрушающий инструмент применяется при бурении глубоких (более трех километров) скважин. Стойкость алмазного инструмента по сравнению с шарошечным выше в 20- 30 раз.

Виды забойных двигателей

В качестве таких силовых установок в процессе бурения используются турбобуры, электробуры и винтовые двигатели, которые ставятся  сразу над долотом.

Турбобур представляет собой многоступенчатую турбину с количеством ступеней до 350. В состав каждой ступени входит жестко соединенный с корпусом статор и закрепленный на валу устройства ротор. Стекая по лопаткам статора, поток жидкости воздействует на роторные   лопатки, тратя часть  энергии на получение вращательного момента.

Затем этот поток вновь натекает на статорные лопатки,