Что такое роторное бурение скважин

Роторное бурение является одним из самых широко распространенных методов устройства разведывательных и эксплуатационных скважин для любых сред. Такое бурение основано на передаче вращательного движения через поверхностный ротор на буровую колонну.

Схема технологии роторного бурения.

Роторное бурение скважин характеризуется отсутствием осевого усилия от привода и сопровождается промывкой забоя от породы водой или специальными растворами. Метод имеет богатую историю и активно эксплуатируется уже около 140 лет.

Состав установок

Долото для роторного и турбинного бурения.

Установки для роторного бурения могут быть стационарными или смонтированными на базе самоходного транспорта. Для различных конструкций имеются одинаковые элементы:

• вышка;
• двигатель;
• привод;
• ротор;
• бурильная колонна;
• вертлюг;
• насосы;
• напорная магистраль;
• система очистки и возврата промывающей жидкости;
• подъемное оборудование.

Принцип действия установок роторного типа

Схема роторного бурения с промывкой.

Бурение скважин роторным способом выполняется с применением решетчатой или рамной вышки, на которой крепится подъемное оборудование и другие системы установки. Она обеспечивает возможность поднимать и опускать в ствол скважины протяженные участки бурильной колонны.

В составе установки может применяться электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания. В качестве такого двигателя может использоваться ДВС транспортного средства, на котором смонтировано оборудование. Привод передает вращение от двигателя на ротор. На привод может быть возложена функция изменения диапазона оборотов вращения бурового инструмента.

Ротор с помощью зубчатой передачи преобразует вращение приводного вала во вращение детали, которую называют столом ротора. На оси стола есть отверстие для ведущей трубы бурильной колонны. Отверстие и сама колонна имеют квадратную, шестигранную или другую профилированную форму. По способу передачи усилия соединение напоминает шлицевое. Ведущая труба воспринимает крутящий момент от ротора, но сохраняет возможность свободно перемещаться в осевом направлении. Часть стола с профильным отверстием является съемной и может заменяться под различные типы труб. Эту деталь называют рабочим вкладышем.

Установка роторного бурения.

Бурильная колонна состоит из отдельных труб, что соединены с ведущей трубой и между собой – разъемными муфтами. По трубам вращение передается на долото. Долото вращается и своими рабочими кромками разрушает породу в зоне забоя. Долото может иметь разные типы рабочих органов. Могут применяться алмазные, твердосплавные, композитные материалы. Форма кромок может быть режущей или с шарошками. В разных грунтах и слоях грунта оправдано применение разных типов рабочих граней долота.

Буровая колонна не воспринимает осевое усилие от ротора. Для исключения изгиба труб колонна должна пребывать в растянутом положении. Но и давление от рабочих органов на зону забоя тоже должно присутствовать. Усилие создается непосредственно над долотом, его обеспечивает повышенная масса специальных утяжеляющих труб. Действие силы тяжести распределяется следующим образом: ¾ массы давят на долото, а ¼ растягивает подвешенную буровую колонну.

Верхний приводной вал колонны подвешен к талевой системе через вертлюг, который обеспечивает свободное вращение груза. Через вертлюг и полые трубы буровой колонны к соплам долота подается промывочная жидкость.

Напор жидкости помогает размывать грунт под долотом, подхватывает и выносит его на поверхность по зазору между стволом и бурильными трубами.

Попадая на поверхность, жидкость собирается и поступает на очистку. Удаление продуктов бурения производится с помощью вибрационных, решетчатых и инерционных фильтров.

После очистки насосы вновь закачивают жидкость в колонну. Большей частью применяются ступенчатые поршневые насосы. Бурение скважин в разных материалах и на разные ресурсы требует использование своих промывочных жидкостей. При бурении скважин на воду в скалистых породах может применяться чистая вода, а для рыхлых осыпающихся грунтов – раствор воды с глиной. В некоторых случаях скважину продувают сжатым воздухом.

Технологические особенности бурения

Схема конструкций скважин при роторном бурении.

В процессе роторного бурения скважин грунт из забоя вымывается, а колонна опускается все ниже. При углублении буровая колонна постепенно наращивается добавлением бурильных труб. Подъем колонны осуществляется талевой системой в верхней части вышки. Разборка колоны при подъеме выполняется поэтапно труба за трубой.

Процесс роторного бурения может выполняться ступенчато. После прохода первых рыхлых слоев колонна поднимается, а в скважину опускается обсадная труба. Кольцевой зазор заполняется цементным раствором. Когда он застывает, в скважину опускают долото меньшего диаметра и продвигаются дальше. Таких этапов может быть несколько. На последнем этапе в скважину опускают эксплуатационную трубу с перфорацией на конце.

Скорость вращения, интенсивность закачки жидкости, масса и количество утяжеляющих труб, тип долота зависят от глубины погружения и физико-химических характеристик пласта. Бурение скважин в легких породах производится на максимальной скорости и с максимальной подачей промывки. При прохождении скалистых слоев частота вращения снижается и уменьшается объем жидкости, необходимый для выноса выработанной породы. Диапазон изменения скорости вращения может составлять от 90 до 400 об./мин, давление на дно забоя от рабочего органа достигает 1 т/кв.см, подъем жидкости в стволе происходит со скоростью до 0,8 м/с.

Роторное бурение позволяет выполнять скважины глубиной более 10 км. Диаметр ствола может достигать 1,5 м. Передвижные установки рассчитаны на выполнение скважин до 1,5 км с диаметром до 214 мм. Преимуществами метода является высокая скорость продвижения и применимость почти для всех пород и глубин. Исключением являются пласты с включениями отдельных валунов, из-за которых может заклинить рабочий орган, и грунты, активно впитывающие промывочную жидкость.

В зимнее время применимость метода ограничивает замерзание промывочной жидкости. Роторное бурение трудно организовать в районах с дефицитом воды и глины. Использование глинистого раствора при бурении скважин на воду может закупоривать водоносный горизонт и требует последующей продолжительной промывки водой. Для рыхлых пород и больших диаметров иногда применяется обратное направление промывки, когда вода подается по стволу, а всасывается у основания колонны. При таком методе для очистки жидкости применяют отстойники.