Статьи

← все статьи

Центральная геолого-геофизическая экспедиция проводит целый ряд

буровых работ различной направленности. Имеющийся парк буровой техники и

материально-техническая оснащенность позволяет решать сложнейшие задачи по

бурению скважин. В настоящее время на техническом вооружении экспедиции

находятся следующие виды буровых установок: УРБ-3А3, УРБ-3АМ, УРБ-2.5А, УГБ-

50М, ПБУ-2, СТУ-1001Б и УГБ-3УК, которые позволяют производить бурение:

Геологоразведочных скважин глубиной до 800 м при диаметрах бурения с

отбором керна 132, 112, 93 и 76 мм;

Скважин глубиной до 300 м на рассолы, минеральные воды с проведением

цементации отсадных колонн;

Эксплуатационных скважин для водоснабжения под промышленные насосы типа ЭЦВ-

5, 6, 8, 10;

Инженерно-геологических скважин шнековым и колонковым способом под любые

виды строительства;

Скважин под опоры, столбы, фундаменты, ограждения глубиной 1-10 м и

диаметром 300-600 мм.

Кроме того, экспедиция проводит ремонт эксплуатационных скважин:

6. Оборудование скважин насосами (в том числе, замена насосов),

водоподъёмными трубами, задвижками, станциями управления и защиты

(СЦ-8);

7. Гидравлический "прострел" фильтровой части скважин установкой АСП-

ТМ

Чистка ствола скважин с извлечением и опусканием насоса.

9. Проведение ликвидационного тампонажа скважин, вышедших из строя.

Центральная геолого-геофизическая экспедиция проводит буровые работы в

Нижегородской области, Республиках Татарстан, Марий Эл, Удмуртия, Мордовия

и других регионах.

Экспедиция имеет огромный опыт в производстве буровых работ, за период

её существования сооружены тысячи геологоразведочных скважин, выполнивших

свое геологическое задание с высоким качеством; сооружены сотни

эксплуатационных скважин для водоснабжения поселков, предприятий и

колхозов.

Сооружены тысячи скважин под бытовые насосы для частных лиц и

садоводческих товариществ. В настоящее время скважины оборудуют под бытовые

насосы типа "Малыш" и БЦП-50.

I. Бурение и область применения, КЛАСИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ БУРЕНИЯ

Бурение - процесс сооружения горной выработки цилиндрической формы -

скважины, шпура или шахтного ствола - путём разрушения горных пород на

забое. Бурение осуществляется, как правило, в земной коре, реже в

искусственных материалах (бетоне, асфальте и др.). В ряде случаев процесс

бурения включает крепление стенок скважин (как правило, глубоких)

обсадными трубами с закачкой цементного раствора в кольцевой зазор между

трубами и стенками скважин.

Область применения бурения многогранна: поиски и разведка полезных

ископаемых; изучение свойств горных пород; добыча жидких, газообразных и

твёрдых (при выщелачивании и выплавлении) полезных ископаемых через

эксплуатационные скважины; производство взрывных работ; выемка твёрдых

полезных ископаемых; искусственное закрепление горных пород (замораживание,

битумизация, цементация и др.); осушение обводнённых месторождений полезных

ископаемых и заболоченных районов; вскрытие месторождений; прокладка

подземных коммуникаций: сооружение свайных фундаментов и др.

Ежегодные объёмы бурения огромны: только в СССР за 1967 на нефть и

газ пробурено около 12 млн. м глубоких скважин, из которых 5,8 млн. м -

разведочные, свыше 20 млн. м пробурено взрывных и сейсморазведочных

скважин, 10-12 млн. м - структурно-поисковых.

Классификация способов бурения. По характеру разрушения породы,

применяемые способы бурения делятся на: механические - буровой инструмент

непосредственно воздействует на горную породу, разрушая её, и

немеханические - разрушение происходит без непосредственного контакта с

породой источника воздействия на неё (термическое, взрывное и др.).

Механические способы бурения подразделяют на вращательные и ударные (а

также вращательно-ударные и ударно-вращательные). При вращательном бурении

порода разрушается за счёт вращения прижатого к забою инструмента. В

зависимости от прочности породы при вращательном бурении применяют буровой

породоразрушающий инструмент режущего типа (Долото буровое и Коронка

буровая); алмазный буровой инструмент; дробовые коронки, разрушающие породу

при помощи дроби (Дробовое бурение). Ударные способы бурения разделяются

на: ударное бурение или ударно-поворотное (бурение перфораторами, в том

числе погружными, ударно-канатное, штанговое и т.п., при которых поворот

инструмента производится в момент между ударами инструмента по забою);

ударно-вращательное (погружными пневмо-и гидроударниками, а также бурение

перфораторами с независимым вращением и т.п.), при котором удары наносятся

по непрерывно вращающемуся инструменту; вращательно-ударное, при котором

породоразрущающий буровой инструмент находится под большим осевым давлением

в постоянном контакте с породой и разрушает её за счёт вращательного

движения по забою и периодически наносимых по нему ударов. Разрушение пород

забоя скважины производится по всей его площади (бурение сплошным забоем)

или по кольцевому пространству с извлечением керна (колонковое бурение).

Удаление продуктов разрушения бывает периодическое с помощью желонки и

непрерывное шнеками, витыми штангами или путём подачи на забой газа,

жидкости или раствора (Глинистый раствор). Иногда бурение подразделяют по

типу бурового инструмента (шнековое, штанговое, алмазное, шарошечное и

т.д.); по типу буровой машины (перфораторное, пневмоударное, турбинное и

т.д.), по методу проведения скважин (наклонное, кустовое и т.д.).

Технические средства бурения состоят в основном из буровых машин (буровых

установок) и породоразрушающего инструмента. Из немеханических способов

получило распространение для бурения взрывных скважин в кварцсодержащих

породах термическое бурение, ведутся работы по внедрению взрывного бурения.

Бурение развивалось и специализировалось применительно к трём основным

областям техники: наиболее глубокие скважины (несколько км) бурятся на

нефть и газ, менее глубокие (сотни м) для поисков и разведки твёрдых

полезных ископаемых, скважины и шпуры глубиной от нескольких м до десятков

м бурят для размещения зарядов взрывчатых веществ (главным образом в

горном деле и строительстве).

II. БУРЕНИЕ СКВАЖИН НА НЕФТЬ И ГАЗ.

В Китае свыше 2 тыс. лет назад впервые в мировой практике вручную

бурились скважины (диаметром 12-15 см и глубиной до 900 м) для добычи

соляных растворов. Буровой инструмент (долото и бамбуковые штанги)

опускался в скважину на канатах толщиной 1-4 см, свитых из индийского

тростника. Бурение первых скважин в России относится к 9 в. и связано с

добычей растворов поваренной соли (Старая Русса). Затем соляные промыслы

развиваются в Балахне (12 в.), в Соликамске (16 в.). На русских соляных

промыслах издавна применялось ударное штанговое бурение. Во избежание

ржавления буровые штанги делали деревянными; стенки скважин закрепляли

деревянными трубами. Первый буровой колодец, закрепленный трубами, был

пробурен на воду в 1126 в провинции Артуа (Франция), отсюда глубокие

колодцы с напорной водой получили название артезианских.

Развитие методов и техники бурения в России начинается с 19 в. в связи

с необходимостью снабжения крупных городов питьевой водой. В 1831 в Одессе

было образовано "Общество артезианских фонтанов" и пробурены 4 скважины

глубиной от 36 до 189 м. В 1831-32 бурили скважины в Петербурге (на

Выборгской стороне), в 1833 в Царском Селе, в Симферополе и Керчи, в 1834 в

Тамбове, Казани и Евпатории, в 1836 в Астрахани. В 1844 была заложена

первая буровая скважина для артезианской воды в Киеве. В Москве первая

артезианская скважина глубиной 458 м пробурена на Яузском бульваре в 1876.

Первая буровая скважина в США пробурена для добычи соляного раствора близ

Чарлстона в Западной Виргинии (1806).

Поворотным моментом, с которого начинается бурный прогресс в бурении,

было развитие нефтедобычи. Первая нефтяная скважина была пробурена в США

случайно в 1826 близ Бернсвилла в Кентукки при поисках рассолов. Первую

скважину на нефть заложил в 1859 американец Дрейк близ г. Тайтесвилла в

Пенсильвании. 29 августа 1859 нефть была встречена на глубине 71 фута

(около 20 м), что положило начало нефтяной промышленности США. Первая

скважина на нефть в России пробурена в 1864 около Анапы (Северный Кавказ).

Технические усовершенствования бурения в 19 в. открываются

предложением немецкого инженера Эйгаузена (1834) применять так называемые

ножницы (сдвигавшаяся пара звеньев при штанговом Б.). Идея сбрасывать

соединённое со штангами долото привела к изобретению во Франции Киндом

(1844) и Фабианом (1849) свободно падающего бурового инструмента

("фрейфала"). Этот способ получил название "немецкий". В 1846 французский

инженер Фовель сделал сообщение о новом способе очистки буровых скважин

водяной струей, подаваемой насосом с поверхности в полую штангу. Первый

успешный опыт бурения с промывкой проведён Фовелем в Перпиньяне (Франция).

В 1859 Г.Д. Романовский впервые механизировал работы, применив

паровой двигатель для бурения скважины вблизи Подольска. На нефтяных

промыслах Баку первые паровые машины появились в 1873, а через 10 лет почти

повсеместно они заменили конную тягу. При бурении скважин на нефть на

первом этапе получил развитие ударный способ (бурение штанговое, канатное,

быстроударное с промывкой забоя). В конце 80-х гг. в Новом Орлеане в

Луизиане (США) внедряется роторное бурение на нефть с применением

лопастных долот и промывкой глинистым раствором. В России вращательное

роторное бурение с промывкой впервые применили в г. Грозном для бурения

скважины на нефть глубиной 345 м (1902). В Сураханах (Баку) на территории

завода Кокорева в 1901 заложена скважина для добычи газа. Через год с

глубины 207 м был получен газ, использовавшийся для отопления завода. В

1901 на Бакинских нефтепромыслах появились первые электродвигатели,

заменившие паровые машины при бурении. В 1907 пройдена скважина

вращательным бурением сплошным забоем с промывкой глинистым раствором.

Впервые автомат для регулирования подачи инструмента при роторном

бурении был предложен в 1924 Хилдом (США). В начале 20 в. в США разработан

метод наклонного роторного бурения с долотами малого диаметра для

забуривания с последующим расширением скважин.

Ещё в 70-х гг. 19 в. появились предложения по созданию забойных

двигателей, то есть размещению двигателя непосредственно над буровым

долотом у забоя буримой скважины. Созданием забойного двигателя занимались

крупнейшие специалисты во многих странах, проектируя его на принципе

получения энергии от гидравлического потока, позднее - на принципе

использования электрической энергии. В 1873 американский инженер Х. Г.

Кросс запатентовал инструмент с гидравлической одноступенчатой турбиной для

бурения скважин. В 1883 Дж. Вестингауз (США) сконструировал турбинный

забойный двигатель. Эти изобретения не были реализованы, и проблема

считалась неосуществимой. В 1890 бакинский инженер К. Г. Симченко

запатентовал ротационный гидравлический забойный двигатель. В начале 20 в.

польский инженер Вольский сконструировал быстроударный забойный

гидравлический двигатель (так называемый таран Вольского), который получил

промышленное применение и явился прототипом современных забойных

гидроударников.

Впервые в мировой практике М. А. Капелюшниковым, С. М. Волохом и Н. А.

Корневым запатентован (1922) турбобур, примененный двумя годами позже для

бурения в Сураханах. Этот турбобур был выполнен на базе одноступенчатой

турбины и многоярусного планетарного редуктора. Турбобуры такой конструкции

применялись при бурении нефтяных скважин до 1934. В 1935-39 П.П Шумилов,

Р.А.Иоаннесян, Э.И.Тагиев и М.Т.Гусман разработали и запатентовали более

совершенную конструкцию многоступенчатого безредукторного турбобура,

благодаря которому турбинный способ бурения стал основным в СССР.

Совершенствование турбинного бурения осуществляется за счёт создания

секционных турбобуров с пониженной частотой вращения и увеличенным

вращающим моментом.

III. ТУРБОБУР, ЭЛЕКТРОБУР

Турбобур - забойный гидравлический двигатель для бурения глубоких

скважин преимущественно на нефть и газ. Многоступенчатый турбобур - машина

открытого типа, вал его вращается в радиальных и осевых резинометаллических

подшипниках, смазкой и охлаждающей жидкостью для которых является

циркулирующая промывочная жидкость - глинистый раствор. Для получения

максимальных значений кпд лопатки турбины профилируют так, чтобы безударный

режим их обтекания совпадал с максимумом мощности турбины. Выполняют

турбины цельнолитыми, общее число ступеней турбины достигает 120, рабочие

диаметры турбобура для бурения глубоких и сверхглубоких скважин - 164,

172, 195, 215, 240, 280 мм, частота вращения вала турбины от 150 до 800-

1000 об/мин. Рабочий момент на валу турбобура зависит от его диаметра и

составляет от 1 до 5-6 кнм (1 нм = 0,1 кгсм). С 1950 для увеличения

вращающего момента на валу применяют многосекционные турбобуры, в которых

последовательно соединяются 2-3 секции турбин турбобура с общим числом

ступеней 300-450. Это позволило наряду с увеличением вращающего момента

снизить частоту вращения вала турбины до 300-400 об/мин (для более

эффективной работы шарошечных долот). В таких турбобурах шаровая осевая

опора вынесена в специальный шпиндель, присоединяемый к нижней секции

турбобура. В шпинделе имеются также радиальные опоры и сальник, позволяющий

использовать гидромониторные долота.

С 1970 для дальнейшего снижения частоты вращения вала турбины в

турбобуре применяют ступени гидродинамического торможения, позволившие

бурить при 150- 250 об/мин. С начала 70-х гг. внедряются турбобуры с

независимой подвеской секции и с демпфирующими устройствами, которые

обладают увеличенным сроком межремонтной работы и улучшают условия работы

шарошечных долот за счёт снижения вибрации бурильной колонны. Для работы с

гидромониторными долотами, без дополнительного нагружения буровых насосов,

начато применение турбобуров с разделённым потоком на нижней секции,

который отличается тем, что перепад давлений, срабатываемый в его нижней

секции, равен перепаду давлений в штуцерах гидромониторного долота. При

этом нижняя секция турбобура работает на части потока, подаваемого в

скважину.

В разведочном бурении для отбора керна в полом валу трубобора

размещается съёмная грунтоноска. Для бурения в условиях борьбы с кривизной

ствола скважины используют трубобор с вращающимся корпусом.

В 1899 в России был запатентован электробур на канате. В 30-х гг. в

США прошёл промышленные испытания электробур с якорем для восприятия

реактивного момента, опускавшийся в скважину на кабеле-канате. В 1936

впервые в СССР Квитнером и Н. В. Александровым разработана конструкция

электробура с редуктором, а в 1938 А. П. Островским и Н. В. Александровым

создан электробур, долото которого приводится во вращение погружным

электродвигателем. В 1940 в Баку электробуром пробурена первая скважина.

В 1951-52 в Башкирии при бурении нефтяной скважины по предложению

А.А.Минина, А.А.Погарского и К.А.Чефранова впервые применили электробур

знакопеременного вращения для гашения реактивного момента, опускаемый на

гибком электрокабеле-канате. В конце 60-х гг. в СССР значительно

усовершенствована конструкция электробура (повышена надёжность, улучшен

токопровод).

Электробур - забойная буровая машина с погружным электродвигателем,

предназначенная для бурения глубоких скважин, преимущественно на нефть и

газ. Идея электробура для ударного бурения принадлежит русскому инженеру

В.И.Дедову (1899). В 1938-40 в СССР А.П.Островским и Н.В.Александровым

создан и применен первый в мире электробур для вращательного бурения,

спускаемый в скважину на бурильных трубах.

Электробур состоит из маслонаполненного электродвигателя и шпинделя.

Мощность трёхфазного электродвигателя зависит от диаметра электробура и

составляет 75-240 квт. Для увеличения вращающего момента электробура

применяют редукторные вставки, монтируемые между двигателем и шпинделем и

снижающие частоту вращения до 350, 220, 150, 70 об/мин. Частота вращения

безредукторного электробура 455-685 об/мин. Длина электробура 12-16 м,

наружный диаметр 164-290 мм.

При бурении электробур, присоединённый к низу бурильной колонны,

передаёт вращение буровому долоту. Электроэнергия подводится к электробуру

по кабелю, смонтированному отрезками в бурильных трубах. При свинчивании

труб отрезки кабеля сращиваются специальными контактными соединениями. К

кабелю электроэнергия подводится через токоприёмник, скользящие контакты

которого позволяют проворачивать колонну бурильных труб. Для непрерывного

контроля пространственного положения ствола скважины и технологических

параметров бурения при проходке наклонно направленных и разветвлённо-

горизонтальных скважин используется специальная погружная аппаратура (в т.

ч. телеметрическая). При бурении электробурная очистка забоя осуществляется

буровым раствором, воздухом или газом.

В СССР с помощью электробура проходится свыше 300 тыс. м скважин

(свыше 2% общего объёма бурения). Использование электробура, благодаря

наличию линии связи с забоем, особенно ценно для исследования режимов

бурения.

IV. НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОЕ БУРЕНИЕ

Появление наклонного бурения относится к 1894, когда С.Г.Войслав

провёл этим способом скважину на воду близ Брянска. Успешная проходка

скважины в Бухте Ильича (Баку) по предложению Р.А.Иоаннесяна, П.П.Шумилова,

Э.И.Тагиева, М.Т.Гусмана (1941) турбинным наклонно-направленным бурением

положила начало внедрению наклонного турбобурения, ставшего основным

методом направленного бурения в СССР и получившего применение за рубежом.

Этим методом при пересечённом рельефе местности и на морских месторождениях

бурят кусты до 20 скважин с одного основания). В 1938-41 в СССР разработаны

основы теории непрерывного наклонного регулируемого турбинного бурения при

неподвижной колонне бурильных труб. Этот метод стал основным при бурении

наклонных скважин в СССР и за рубежом.

Наклонно-направленное бурение - способ проведения скважины с

отклонением от вертикали по заранее заданной кривой. Наклонно-направленное

бурение впервые осуществлено в СССР на Грозненских нефтепромыслах (1934). В

1972 в СССР наклонно-направленное бурение сооружено около 25% общего

метража скважин на нефть. Наклонно-направленное бурение оказывается

целесообразным при: сложном рельефе местности (например, при расположении

залежи под дном крупного водоёма или под капитальными сооружениями);

геологических условиях залегания полезных ископаемых, не позволяющих

вскрыть их вертикальными скважинами; кустовом бурении или многозабойном

бурении; тушении горящих нефтяных и газовых фонтанов. При

геологоразведочных работах наклонно-направленное бурение осуществляется

шпиндельными буровыми станками, причём скважина забуривается наклонно

непосредственно с земной поверхности; при вскрытии нефтяных и газовых

пластов. Наклонно-направленное бурение производится турбобурами или

роторным способом (скважина с поверхности забуривается вертикально с

последующим отклонением на заданной глубине в запроектированном

направлении).

Отклонение скважины от вертикали при наклонно-направленном бурении

(изменение зенитного угла и азимута бурения) осуществляется отклоняющими

устройствами, например турбинными отклонителями. Бурение прямолинейно-

наклонных участков производится с помощью бурильных устройств, включающих

центрирующие и калибрующие элементы. Наибольшее отклонение от вертикали при

наклонно-направленном бурение (3836 м) получено в США в заливе Кука: на

остраве Сахалин отклонение составило 2453 м (1972).

V. МНОГОЗАБОЙНОЕ БУРЕНИЕ

В 1941 Н.С.Тимофеев предложил в устойчивых породах применять так

называемое многозабойное бурение.

В 1897 в Тихом океане, в районе остров Сомерленд (Калифорния, США),

впервые было осуществлено бурение на море. В 1924-25 в СССР вблизи бухты

Ильича на искусственно созданном островке вращательным способом была

пробурена первая морская скважина, давшая нефть с глубины 461 м. В 1934

Н.С.Тимофеевым осуществлено на острове Артема в Каспийском море кустовое

бурение, при котором несколько скважин бурятся с общей площадки, а в 1935

там же сооружено первое морское металлическое основание для бурения в море.

С 50-х гг. 20 в. применяется бурение для добычи нефти и газа со дна моря.

Созданы эстакады, плавающие буровые установки с затапливаемыми понтонами,

специальные буровые суда, разработаны методы динамической стабилизации

буровых установок при бурении на больших глубинах.

Основной метод бурения на нефть и газ в СССР (1970) - турбобурами (76%

метража пробуренных скважин), электробурами пройдено 1,5% метража,

остальное роторным бурением. В США преимущественно распространение получило

роторное бурение; в конце 60-х гг. при проведении наклонно-направленных

скважин начали применяться турбобуры. В странах Западной Европы турбобуры

применяются в наклонном бурении и при бурении вертикальных скважин

алмазными долотами. В 60-е гг. в СССР заметно возросли скорости и глубина

бурения на нефть и газ. Так, например, в Татарии скважины, бурящиеся

долотом диаметром 214 мм на глубину 1800 м, проходятся в среднем за 12-14

дней, рекордный результат в этом районе 8-9 дней. За 1963-69 в СССР средняя

глубина эксплуатационных нефтяных и газовых скважин возросла с 1627 до 1710

м. Самые глубокие скважины в мире - 7-8 км - пробурены в 60-е гг. (США). В

СССР в районе г. Баку пробурена скважина на глубину 6,7 км и в

Прикаспийской низменности (район Аралсор) на глубину 6,8 км. Эти скважины

пройдены в целях разведки на нефть и газ. Работы по сверхглубокому бурению

для изучения коры и верхней мантии Земли ведутся по международной программе

"Верхняя мантия Земли". В СССР по этой программе намечено пробурить в 5

районах ряд скважин глубиной до 15 км. Первая такая скважина начата

бурением на Балтийском щите в 1970. Эта скважина проходится методом

турбинного бурения.

Основное направление совершенствования бурения на нефть и газ в СССР -

создание конструкций турбобуров, обеспечивающих увеличение проходки

скважины на рейс долота (полное время работы долота в скважине до его

подъёма на поверхность). В 1970 созданы безредукторные турбобуры,

позволяющие осуществить оптимизацию режимов бурения шарошечными долотами в

диапазоне наиболее эффективных оборотов (от 150 до 400 в мин) и

использовать долота с перепадом давлений в насадках до 10 Мн/м2(100 атм)

вместо 1-1,5 Мн/м2(10-15 атм). Создаются турбобуры с высокой частотой

вращения (800-100 об/мин) для бурения алмазными долотами, обеспечивающими

при глубоком бурении многократное увеличение проходки и механической

скорости бурения за рейс. Разрабатываются новые конструкции низа бурильной

колонны, позволяющие бурить в сложных геологических условиях с минимальным

искривлением ствола скважины. Ведутся работы по химической обработке

промывочных растворов для облегчения и повышения безопасности процесса

бурения. Конструируются турбины с наклонной линией давления, которые

позволяют получить информацию о режиме работы турбобура на забое скважины и

автоматизировать процесс бурения.

VI. ПОИСКИ И РАЗВЕДКА ТВЁРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Развитие разведочного бурения связано с изобретением швейцарского

часовщиком Г.Лешо алмазного бура (1862), который состоял из стального

полого цилиндра, армированного алмазами и укрепленного на полой

металлической штанге (по ней в забой подавалась промывочная вода). Первая

работоспособная буровая установка с алмазным инструментом создана

французским инженером Перретом и привлекла внимание на Всемирной выставке в

Париже (1867), что послужило началом распространения алмазного бурения в

Европе и Америке. В 1850 в России был заложен ряд разведочных скважин на

камен