Бурильные трубы и другой инструмент при вращательном бескерновом бурении

18 декабря 2023

Вращательное бескерновое бурение

Вращательное бескерновое бурение применяется главным образом при сооружении эксплуатационных и технических скважин, но также на некоторых этапах проходки геологоразведочных скважин - при забуривании ствола под установку кондуктора, при отбуривании от основного ствола после установки отклоняющих устройств. В ограниченных объемах этот метод используется при бурении взрывных скважин сейсмической разведки.

При вращательном бурении сплошным забоем, в зависимости от геологических условий, применяются лопастные долота, шарошечные и долота с вооружением из поликристаллических алмазов, а очистка скважины от разрушенной породы может выполняться водой, буровыми растворами на основе глины и специальных химических реагентов, воздухом и газожидкостными смесями.

В технической литературе для обозначения средств очистки забоя при бурении принято общее название – «очистные агенты». Состав технических средств для вращательного бескернового бурения значительно шире, чем для ударно-канатного и шнекового бурения. В него, кроме собственно буровой установки, входят буровой насос или компрессор (а в некоторых случаях – и насос, и компрессор), емкости для жидких очистных агентов, средства транспортировки и хранения обсадных труб и материалов для приготовления буровых растворов, оборудования.

Читайте так же: Обзор и характеристика роторных буровых установок УРБ 3А3, 1БА15 и УРБ-25

Глубины скважин, сооружаемых с применением вращательного бескернового бурения могут достигать нескольких сотен метров, поэтому для повышения эффективности бурения и снижения трудозатрат желательно включать в состав буровых установок средства механизации вспомогательных операций, таких как дополнительные лебедки, захваты бурильных и обсадных труб, ручной или механизированный инструмент для свинчивания и развинчивания резьбовых соединений бурового и вспомогательного инструмента.

Вращательное бескерновое бурение с прямой циркуляцией

Прямая циркуляция очистного агента осуществляется за счет непрерывной закачки жидкости (воды или бурового раствора на основе бентонита и/или полимеров) или воздуха внутрь бурильных труб, по которым очистной агент подается к промывочным каналам породоразрушающего инструмента и далее – на забой скважины.

При прямой циркуляции буровой раствор (или очищенная вода) подаются грязевым насосом от резервуара (зумпфа) через нагнетательный рукав к буровому сальнику, смонтированному на ведущей трубе или на шпинделе подвижного вращателя и далее по каналу, образованному внутренней частью ведущей трубы и бурильных труб, через долото на забой скважины – в кольцевой зазор между наружными стенками бурильной колонны и стенками скважины.

Восходящий поток очистного агента увлекает за собой шлам и вместе с ним поднимается по кольцевому пространству на поверхность, где через систему желобов и отстойников возвращается в зумпф. Зумпф для бурового раствора может представлять собой приямок, выполненный в грунте, сварную емкость из нескольких секций с возможностью перетока между ними, а в некоторых случаях – пластиковую емкость большого объема, усиленную решетчатым металлическим кожухом.

Приготовление буровых растворов может выполняться непосредственно на рабочей площадке с использованием смесителей, монтируемых на нагнетательной линии грязевого насоса, либо доставляться на место бурения автомобильными цистернами со специального растворного узла

При прямой циркуляции атмосферный воздух сжимается компрессором и подается через осушитель и нагнетательный рукав к буровому сальнику, смонтированному на ведущей трубе или на шпинделе подвижного вращателя и далее по каналу, образованному внутренней частью ведущей трубы и бурильных труб, через долото на забое скважины – в кольцевой зазор между наружными стенками бурильной колонны и стенками скважины.

Восходящий поток воздуха очищает и охлаждает долото и забой скважины, увлекает за собой шлам и вместе с ним по кольцевому зазору поднимается на поверхность, где через воздуховодную магистраль отводится в шламосборник или в приямок, выполненный в грунте.

При вращательном бурении с промывкой и продувкой в качестве бурового инструмента применяются бурильные трубы, собираемые в бурильную колонну, обеспечивающую механическую и гидравлическую либо пневматическую связь породоразрушающего инструмента, работающего на забое скважины, с поверхностным оборудованием. Также бурильная колонна служит для доставки на забой и подъема с забоя породоразрушающего инструмента, ислледовательских устройств и инструмента для ликвидации аварий.

В процессе бурения колонна передает на породоразрушающий инструмент вращение, создает осевую нагрузку и служит частью контура циркуляции очистных агентов. Бурильная колонна включает следующие основные элементы:

1. ведущую трубу, 
2. бурильные трубы, 
3. утяжеленные бурильные трубы.

Читайте так же: Бурильные трубы и замки от производителя Геомаш

Данная схема характерна для бурильных колонн, применяемых с буровыми установками, комплектуемыми роторными столами (вращателями с нижним приводом) и шпиндельными вращателями, передающими вращение на ведущие трубы фигурного сечения. При использовании установок, комплектуемых подвижными вращателями, необходимость в ведущих трубах исключается – верхняя бурильная труба колонны соединяется непосредственно с ведущим валом вращателя (шпинделем).

При бурении глубоких скважин большого диаметра в состав бурильных колонн могут дополнительно включаться центрирующие секции. Утяжеленные бурильные трубы в составе колонны обеспечивают создание осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент и увеличивают жесткость бурильной колонны. Их применение необходимо при бурении с применением установок с роторными вращателями, не имеющих механизмов подачи. Для выбора бурильных труб для вращательного бескернового бурения с прямой циркуляцией можно воспользоваться следующей таблицей.

В комплектацию буровых установок, используемых при бурении с промывкой, должны включаться буровые насосы. Основными критериями при выборе бурового насоса являются производительность (расход очистного агента), определяющая скорость восходящего потока в затрубном пространстве, и рабочее давление. Для эффективной очистки скважины от шлама скорость восходящего потока должна находиться в пределах значений от 15 до 30 м/мин. Рабочее давление, развиваемое буровым насосом, является одним из основных факторов, определяющих предельную глубину бурения.

Установки для бурения скважин глубиной до 50-100 метров могут комплектоваться центробежными и винтовыми насосами, развивающими относительно низкое рабочее давление до 15-20 атм, но высокую производительность (до 2000 литров в минуту), благодаря которой при небольших глубинах бурения обеспечивается эффективная очистка скважины от разрушенной породы.

Для бурения скважин глубиной более 100 метров с промывкой вязкими и плотными буровыми растворами применяются плунжерные и поршневые насосы, обеспечивающие устойчивую подачу очистного агента при высоком давлении.

Применение вращательного бурения с прямой продувкой обосновано при выполнении работ в безводных районах, при низких температурах воздуха, а также в специфических геологических условиях (многолетне- и вечномерзлые породы, зоны критического поглощения, трещиноватые породы).

При сооружении неглубоких скважин водоснабжения и наблюдательных гидрогеологических скважин бурение с продувкой исключает кольматацию (закупоривание) призабойной зоны скважины буровыми растворами. Глубины вращательного бурения с продувкой ограничены в первую очередь возможностями используемых компрессоров. Так, самая мощная передвижная компрессорная станция КВ 20/20 российского производства с рабочим давлением 20 атм обеспечивает эффективную очистку скважины глубиной не более 200 метров при условии отсутствия водопритока.

Вращательное бескерновое бурение с обратной циркуляцией

Бурение с обратной циркуляцией, с очисткой забоя эрлифтом характеризуется высокой эффективностью, длительным сроком службы породоразрушающего инструмента, устойчивостью стенок скважины в сложных геологических условиях, экономичностью и низкой трудоемкостью. Данную технологию можно уверенно рекомендовать для сооружения эксплуатационных скважин на воду и скважин водопонижения диаметром 1000 мм.

Читайте так же: Шнеки для бурения скважин, буровой инструмент и технологии бурения

Для реализации технологии буровая установка комплектуется специальным буровым инструментом - лопастными или шарошечными долотами, оснащенными шламоприемными окнами, трубой-смесителем, центраторами бурильной колонны, бурильными трубами, оснащенными воздуховодными каналами.

Конструктивно бурильные трубы могут быть одностенными - со смонтированными воздуховодными трубками, или двойными с кольцевым каналом между внутренней и наружной трубами.

В состав специального поверхностного оборудования при реализации бурения с эрлифтом входит специальный двойной буровой сальник с воздуховодными каналами и центральным каналом для шлама, компрессорная станция и грузоподъемные механизмы для вспомогательных операций по наращиванию бурильной колонны.

Перед началом проходки с использованием эрлифта сооружается пилотный ствол глубиной 8-10 метров и выполняется его обсадка. На поверхности организуется система зумпфов –отстойников, соединенных с устьем пилотного ствола доливным желобом. При бурении вода непрерывно поступает из системы отстойников в кольцевое пространство между бурильными трубами и стенками скважины, поддерживая уровень, превышающий статический уровень водоносного горизонта на 3-4 метра, а сжатый воздух подается от компрессора по воздуховодным каналам бурильных труб в смеситель, размещенный между бурильными трубами и долотом. В смесителе происходит аэрация воды до состояния смеси, имеющей более низкую плотность, чем жидкость в затрубном пространстве.

Вращающееся долото разрушает горную породу на забое и шлам, захваченный газожидкостной смесью вытесняется на поверхность по центральному каналу бурильной колонны под весом столба воды в затрубном пространстве. На поверхности газожидкостная смесь, насыщенная шламом, проходит через центральный канал сальника и по шламоотводному рукаву поступает в систему отстойников. После оседания твердой фракции вода самотеком возвращается в скважину,

Скорость восходящего потока газожидкостной смеси достигает 2 метров в секунду, благодаря чему обеспечиваются высокая механическая скорость бурения и вынос крупных частиц разрушенной породы. Механическая скорость бурения возрастает по мере увеличения глубины скважины, при этом, по мнению ряда исследователей, технология бурения с эрлифтом в полной мере показывает свою эффективность начиная с глубины 50-70 метров.

По опыту китайских предприятий, выполнявших сооружение геотермальных скважин с использованием технологии вращательного бескернового бурения с очисткой забоя эрлифтом, механическая скорость бурения интервалов, представленных песчаноглинистыми отложениями составляет более 12 м/ч, при бурении песков - до 20 м/ч, при бурении гравийно-галечных прослоев 1~1,5 м/ч, и при бурении в породах IV-VI категорий по буримости - 1~3 м/ч.

В случае, если стенки ствола скважины устойчивы, то в качестве бурового раствора может дополнительно использоваться вода, поступающая из обводненных интервалов скважины. 

Как применить данные технологии

Технология бескернового вращательного бурения с обратной циркуляцией с очисткой забоя эрлифтом может быть реализована на буровых установках ЛБУ 50-30, УРБ-210 и УРБ-25 производства Геомаш при условии комплектации буровым инструментом, изготавливаемым Щигровским заводом «Геомаш», и передвижной компрессорной станцией КВ 12/12.