Технология и техника бурения в 2 частях Часть Горные породы
Download 1.32 Mb. Pdf ko'rish
|
geokniga-tehnologiya-i-tehnika-bureniya-v-2-ch-chast-1-gornye-porody-i-burovaya-tehnika
|
§ 3. С. 238–255. Введение 11 11 менять так называемые ножницы (сдвигающаяся пара звеньев при штанговом бурении). Идея сбрасывать соединенное со штангами долото привела к изобретению Киндом (1844) и Фабианом (1849) свободно падающего бурового инструмента («фрейфала»). Этот способ назвали «немецкий». В 1846 г. французский инженер Фо- вель сообщил о новом способе очистки буровых скважин водяной струей, подаваемой насосом с поверхности в полую штангу. Пер- вый успешный опыт бурения с промывкой проведен им в Перпи- ньяне (Франция). В 1859 г. Г.Д. Романовский впервые механизировал буровые ра- боты, применив паровой двигатель для бурения скважины вблизи Подольска. На нефтяных промыслах Баку первые паровые машины появи- лись в 1873 г., а через 10 лет они почти повсеместно заменили кон- ную тягу. При бурении скважин на нефть на первом этапе получил раз- витие ударный способ (бурение штанговое, канатное, быстроудар- ное с промывкой забоя). В конце 80-х гг. XIX в. в Новом Орлеане в Луизиане (США) внедряется роторное бурение с применением лопастных долот и промывкой скважины глинистым раствором. В России вращательное роторное бурение с промывкой впервые при- менили в 1902 г. в г. Грозном для бурения скважин глубиной 345 м на нефть. В 1901 г. в Сураханах (Баку) на территории завода Кокорева была заложена скважина для добычи газа. Через год в ней на глу- бине 207 м был получен газ, который использовали для отопления завода. В 1901 г. на Бакинских нефтепромыслах появились элек- тродвигатели, заменившие паровые машины при бурении. В 1907 г. была пройдена скважина вращательным бурением сплошным забо- ем с промывкой глинистым раствором. Автомат для регулирования подачи инструмента при роторном бурении был предложен в 1924 г. Хилдом (США). В начале ХХ в. разработан метод наклонного роторного бурения долотами малого диаметра для забуривания с последующим расширением скважин. Предложения по созданию забойных двигателей, т.е. размеще- нию двигателя непосредственно над буровым долотом у забоя сква- жины, появились еще в 70-е гг. XIX в. Созданием такого двигателя 12 Введение занимались крупнейшие специалисты во многих странах, проекти- руя его на принципе получения энергии от гидравлического пото- ка, позднее — на принципе использования электрической энергии. В 1873 г. американский инженер Х.Г. Кросс запатентовал ин- струмент с гидравлической одноступенчатой турбиной для буре- ния скважин. В 1883 г. Дж. Вестингаус (США) сконструировал турбинный забойный двигатель. Эти изобретения не были реали- зованы, и проблема считалась неразрешимой. В 1890 г. бакинский инженер К.Г. Симченко запатентовал ро- тационный гидравлический забойный двигатель. В начале ХХ в. польский инженер Вольский сконструировал быстроударный за- бойный гидравлический двигатель (так называемый таран Воль- ского), который нашел промышленное применение и явился про- тотипом современных гидроударников. В 1922 г. М.А. Капелюшников, С.М. Волох и Н.А. Корнев за- патентовали турбобур, примененный двумя годами позже для бурения в Сураханах. Этот турбобур был выполнен на базе одно- ступенчатой турбины и многоярусного планетарного редуктора. Турбобуры такой конструкции применялись при бурении нефтя- ных скважин до 1934 г. В 1935–1939 гг. П.П. Шумилов, Р.А. Ио- аннесян, Э.И. Тагиев и М.Т. Гусман разработали и запатентовали более совершенную конструкцию многоступенчатого безредук- торного турбобура, ставшую базовой для всех последующих типов секционных турбобуров с пониженной частотой вращения и увели- ченным вращающим моментом. Благодаря этим разработкам тур- бинный способ бурения стал основным в СССР. В 1899 г. в России был запатентован электробур на канате. В 30-х гг. ХХ в. в США прошел промышленное испытание электро- бур с якорем для восприятия реактивного момента, опускавшийся в скважину на кабеле-канате. В 1936 г. впервые в СССР Квитнер и Н.В. Александров разработали конструкцию электробура с ре- дуктором, а в 1938 г. А.П. Островский и Н.В. Александров создали электробур, долото которого приводилось во вращение погружным электродвигателем. В 1940 г. в Баку электробуром была пробурена первая скважина. В 1951–1952 гг. в Башкирии при бурении нефтяной скважи- ны по предложению А.А. Минина, А.А. Погарского и К.Ф. Чеф- ранова впервые применили электробур знакопеременного вра- Введение 13 13 щения для гашения реактивного момента, опускаемый на гибком электрокабеле-канате. В конце 1960-х гг. конструкция электробу- ра была значительно усовершенствована (повышена надежность, улучшен токопровод и др.). В 1962 г. американской фирмой «Смит Тул» был создан винто- вой забойный двигатель «Дайна-Дрилл», представляющий собой обращенный одновинтовой насос, изобретенный в 1930 г. фран- цузским инженером Р. Муано. Характеристики двигателя «Дайна- Дрилл» незначительно отличаются от характеристик современных турбобуров. Его эксплуатационные данные оказались более подхо- дящими для наклонного бурения, что и определило его распростра- нение за рубежом в этой области бурения. На выбор режимов бурения решающее значение оказали успе- хи в развитии конструкций шарошечных долот с маслонаполнен- ными опорами и вооружением из твердосплавных зубьев. Эти до- лота установили жесткие ограничения в частоте вращения долота (до 200 об./мин). Для работы на таких режимах в 1966 г. группой советских ученых (М.Т. Гусман, С.С. Никомаров, Ю.В. Захаров, В.Н. Меньшенин, Н.Д. Деркач) был предложен новый тип винто- вого двигателя, в котором многозаходные винтовые рабочие орга- ны выполняют функцию планетарного редуктора. Это позволило получить тихоходную (100–200 об./мин) машину с высоким вра- щающим моментом. В 80-е гг. ХХ в. во ВНИИБТ и его пермском филиале Д.Ф. Бал- денко, Ю.В. Вадецким, М.Т. Гусманом, Ю.В. Захаровым, А.М. Коч- невым и С.С. Никомаровым были заложены основы теории ра- бочего процесса, конструирования и технологии изготовления, разработана современная технология бурения винтовыми (объем- ными) забойными двигателями. Появление наклонного бурения относится к 1894 г., когда С.Г. Войслав провел этим способом скважину на воду вблизи Брянска. Успешная проходка скважины в бухте Ильича (Баку) по предложению Р.А. Иоаннесяна, П.П. Шумилова, Э.И. Тагиева и М.Т. Гусмана (1941 г.) турбинным наклонно-направленным бу- рением положила начало внедрению наклонного турбобурения. В 1941 г. в СССР Н.С. Тимофеев предложил в устойчивых породах применять многозабойное бурение. 14 Введение Бурение на море впервые было осуществлено в 1897 г. в Тихом океане, в районе острова Самерленд (Калифорния, США). В СССР в 1924–1925 гг. вблизи бухты Ильича на искусствен- но созданном островке вращательным способом была пробурена первая морская скважина, давшая нефть с глубины 461 м. В 1934 г. на острове Артема в Каспийском море Н.С. Тимофеевым осущест- влено кустовое бурение, при котором скважины (до нескольких десятков) бурятся с общей площадки. В 1935 г. там же сооруже- но первое морское металлическое основание для бурения в море. С 50-х гг. XX в. бурение применяется для добычи нефти и газа со дна моря. Созданы эстакады, плавающие буровые установки с зата- пливаемыми понтонами, специальные буровые суда, разработаны методы стабилизации буровых установок при бурении на больших глубинах. Развитие бурения на твердые полезные ископаемые связано с изобретением в 1862 г. швейцарским часовщиком Г. Лемо алмазно- го бура, который состоял из стального полого цилиндра, армиро- ванного алмазами и укрепленного на полой металлической штанге (по ней на забой подавалась промывочная вода). Первая работо- способная буровая установка с алмазным инструментом была соз- дана французским инженером Перретом. Она привлекла всеобщее внимание на Всемирной выставке в Париже (1867), что послужило началом распространения алмазного бурения в Европе и Америке. В 1850 г. в России был заложен ряд разведочных скважин на камен- ный уголь. В 1871 и 1872 гг. около Бахмута и Славянска пробурены пер- вые в России разведочные скважины на каменную соль глубиной 90 и 120 м. Совершенствование бурения на твердые полезные ис- копаемые связано с именем Войслава, который в 1885 г. изобрел, а в 1897 г. получил патент на бур для ручного бурения скважин большого диаметра. Бур Войслава имел расширитель, позволяю- щий увеличивать диаметр скважин, глубина которых достигла 22 м. В 1898 г. Войслав совместно с Л. Кулешом получил патент на оригинальный станок для алмазного бурения и в том же году разра- ботал новый способ вставки алмазов в коронку, позволивший при- менять мелкие алмазы. В 1899 г. в Америке инженером Дейвисом предложено дробовое бурение. Введение 15 15 В период Первой мировой войны по предложению немецкого инженера Ломана для бурения начинают применять твердые спла- вы (так называемый воломит). Позднее эти сплавы применялись при бурении разведочных скважин в районе Курской магнитной аномалии. Коренные изменения в технике бурения скважин на твер- дые полезные ископаемые произошли в России после Великой Октябрьской революции. С 1923 г. в СССР внедряется бурение с применением твердых сплавов, а в 1924–1925 гг. также и дробовое бурение; производство твердых сплавов началось в 1929 г. В 1927 г. В.М. Крейгером и Б.И. Воздвиженским при колонковом бурении была успешно применена дробь. В 1925–1926 гг. на Сормовском за- воде налажено производство ударно-канатных станков типа «Кий- стон» для разведки на золото (позднее типа «Эмпайр»). Н.И. Куличихин разработал первые в СССР буровые станки (УА-75-150) ударно-канатного бурения. В 1928–1929 гг. развер- нулось производство буровых станков колонкового вращатель- ного бурения на Ижорском заводе (Ленинград), на заводе имени Воровского (Свердловск) и др. В то время для колонкового буре- ния на глубины до 500 м в основном применялись станки КА-300 и КА-500. Начиная с 1947 г. было произведено коренное перео- борудование технических средств геологоразведочной службы: усовершенствованы бурильные, обсадные и колонковые трубы; созданы новые станки с рычажно-дифференциальной подачей (ЗИВ-75, ЗИВ-150); разработаны новые конструкции многоско- ростных станков с гидравлической подачей (ЗИФ-300, ЗИФ-650, ЗИФ-1200, ВИТР-2000 и др.), обеспечивающие бурение скважин на глубины 300–2000 м; создан ряд самоходных буровых устано- вок; разработаны средства автоматизации и механизации трудо- емких процессов и новые конструкции породоразрушающего ин- струмента. В 1935 г. советский инженер В.Н. Комаров предложил машину ударно-вращательного бурения, теоретические основы которого впоследствии были разработаны Е.Ф. Эпштейном. В 1939 г. раз- рабатывается бурение погружными пневмоударниками, а с 1940 г. внедряется вращательное бурение с транспортировкой породы из скважины шнеками (шнековое бурение), которое получило рас- 16 Введение пространение при бурении в породах невысокой крепости при гео- физических работах, инженерно-геологических изысканиях, при бурении на воду и др. В СССР была разработана технология безнасосного бурения, обеспечивающего полный выход керна в неустойчивых породах, и коренным образом усовершенствована технология дробового буре- ния (С.А. Волков). После открытия месторождений алмазов в Якутии шире при- меняют алмазный породоразрушающий инструмент, а с 1962 г. в бурении получили распространение синтетические алмазы. В со- вершенствовании технологии алмазного бурения большую роль сыграли советские ученые Ф.А. Шамшев, И.А. Уткин, Б.И. Воздви- женский, С.А. Волков. В области проходки взрывных шпуров и скважин машинное бурение взамен ручного, которое применялось до начала XIX в. для отбойки крепких пород взрывом, начало внедряться в конце XVII в., когда были изобретены первые буровые машины для свер- ления горизонтальных шпуров. В 1863 г. механик Г. Гутман предложил машинное бурение. В 1803 г. австрийский инженер Гайншинг, а в 1813 г. английский ме- ханик Травич усовершенствовали выпускаемые буровые машины. В 1849 г. Кауч (США) получил один из первых патентов на паро- вую буровую машину. В 1852 г. Колладон (Швейцария) предложил буровую машину, работающую на сжатом воздухе. При проходке Монт-Санисского тоннеля в 1861 г. Соммейе впервые применил поршневые перфора- торы для бурения шпуров, что позволило существенно сократить сроки строительства тоннеля. В конце XIX в. появились молот- ковые перфораторы, быстро вытеснившие менее производитель- ные поршневые. В дальнейшем были созданы высокочастотные и вращательно-ударные (50-е гг. XX в.) бурильные машины, уста- новочные (пневмоподдержки, манипуляторы) и подающие (авто- податчики) приспособления, буровые каретки, максимально ме- ханизировавшие труд бурильщика. Бурение ведется с удалением продуктов разрушения промывкой. Создаются легкие и мощные электро- и пневмогидросверла, высококачественный буровой ин- струмент, обеспечивающий вращательное бурение шпуров. Введение 17 17 Перспективы всех видов вращательного бурения связаны с но- вым направлением научно-технического прогресса в горном деле — колтюбинговыми технологиями, базирующимися на использова- нии специальных буровых установок (колтюбинговых агрегатов) с использованием колонны гибких труб. Именно эти технологии позволяют коренным образом изменить подходы к бурению сква- жин, внутрискважинным работам, поиску и добыче полезных ис- копаемых [18]. Колтюбинг (от англ. coiled tubing) — труба, свернутая кольцом, наматываемая на катушку. Первая попытка применить колтюбинг была осуществлена в 1944 г. во время форсирования Ла-Манша. Для того чтобы подать горючее из Англии войскам, которые высадились на материк, были изготовлены очень большие катушки труб. Разматывая их, по ним через пролив подавали горючее. В СССР обнадеживающие пробы колтюбинга при внутрисква- жинных работах начались в 50-е гг. ХХ в. В США и Канаде более или менее эффективное использование колтюбинга в этой области началось в конце 1960-х–1970-е гг. Привлекательность бурения с применением колтюбинга иллю- стрируется бурными темпами наращивания освоенных технологий и объемов пробуренных скважин: 1991 г. — три скважины (США), 1998 г. — более 230 (США и Канада), в настоящее время общее ко- личество скважин исчисляется тысячами. За этот же период раз- работано и реализуется более ста технологий выполнения буровых работ с гибкой трубой. К 2000 г. колтюбинговое бурение стало пол- ностью коммерческим способом добычи углеводородного сырья на малых глубинах и количество новых скважин, пробуренных с его использованием, например, только в Канаде возросло с нескольких сотен до нескольких тысяч в год. В России за последние десять лет количество колтюбинговых установок увеличилось более чем в три раза — с 46 до 145. Сегодня три из четырех работающих колтюбинговых установок в мире производится белорусской компанией «NOV», а три из че- тырех, работающих на территории СНГ — белорусско-российской группой компаний «Фидмаш». Большие перспективы связаны с применением колтюбинговых технологий при поиске и добыче твердых полезных ископаемых с 18 Введение использованием подземного растворения, выщелачивания, гази- фикации и других методов. Целый период истории развития буровых работ связан с меха- низированным бурением вертикальных горных выработок боль- ших поперечных размеров (диаметром больше 3,5 м) — шахтных стволов. В 1959–1960 гг. на заводе «Уралмаш» была изготовлена уста- новка УЗТМ-6,2 для бурения стволов шахт диаметром 6,2 м и глу- биной до 375 м, с помощью которой пройдено четыре ствола на Львовско-Волынском угольном месторождении [11]. В последние годы специальные способы проходки горных выработок в ослож- ненных горно-геологических условиях (сооружение ствола шахты в неустойчивых и крепких водоносных породах, трещиноватых горных породах с суфлярными и внезапными выделениями метана и др.) были значительно усовершенствованы. Исторически в горном деле применялись следующие методы бурения. Штанговое бурение: ударное бурение со свободно падающими инструментами (фрейфалами); ударное бурение с ножницами (яссом). Канатное бурение — ударное бурение со стальным или пенько- вым канатом и нож ницами. Бурение с промывкой забоя: быстроударное бурение на полых штангах; канатное бурение с промывкой забоя глинистым раствором; вращательное бурение с промывкой скважины глинистым раствором; вращательное бурение с коронкой (бурголовкой). В настоящее время главным образом используют вращатель- ный метод бурения, а в США ограниченно применяют также удар- ный способ. При ударном бурении цилиндрическое отверстие выдалбли- вается в горном массиве под ударами клинообразного разрушаю- щего инструмента — плоского долота (рис. В.1), получающего возвратно-поступательное движение от установленного на поверх- ности специального станка, имеющего шатунно-кривошипный ме- ханизм с качающимся балансиром. |
