Роторне буріння свердловин: технологія, принцип роботи та особливості

Одним з найбільш широко застосовуваних методів створення експлуатаційних та розвідувальних свердловин для води є роторне буріння. Воно забезпечується передачею обертальних рухів з поверхневого ротора на колону-бур. Роторне буріння відрізняється тим, що у нього відсутня осьове зусилля, створюване приводом. В ході процесу здійснюється промивка вироблення (забою) від породних відходів з допомогою води і спеціальних розчинів. Розглянемо спосіб докладніше.

Історична довідка

Роторне буріння використовується вже більше ста сорока років. Технологію цього способу пробивання свердловин вперше застосували в Сполучених Штатах Америки на початку вісімдесятих років дев'ятнадцятого століття. З того часу він практично не змінився, за винятком дрібних новацій, які призвели до більшої ефективності. Зміни торкнулися породоруйнівних інструментів – вони удосконалювалися, створювалися нові рідкі середовища для промиву свердловин, посилювалася міцність частин механізму.


Роторне буріння свердловин – це один з видів буріння методом обертання. Принцип такий, що інструмент для руйнування породи, розташовуючись всередині свердловини, працює від зусилля, переданого йому електродвигуном або газотурбінним обладнанням. Цей метод досить простий і ефективний. З його допомогою бурять експлуатаційні нафтові і розвідувальні свердловини. Компактні розміри установки дозволяють застосовувати її на приватній землі для створення водяних свердловин.

Способи буріння

В даний час буріння свердловин для води здійснюється породоруйнуючими методами з застосуванням спеціальних механізмів. Подача грунту наверх може здійснюватися двома способами:

З допомогою механізмів – сухий метод.

Струменем води під великим напором або самопливом – гідравлічний.

У загальному випадку механічне буріння проводиться одним з трьох способів:

Обертальний роторне буріння – грунт буриться обертальними рухами.

Ударне – грунт руйнується ударами бурового снаряда.

Вібраційне – грунт розбивається коливаннями високих частот.

Перший метод є найбільш застосовуються у силу своєї простоти, дешевизни і одночасно продуктивності.

Коли застосовується метод

Буріння роторним способом використовується коли розробляються полускальные і скельні грунти для пристрою свердловин глибиною до ста п'ятдесяти метрів. Для успішного буріння скель необхідно правильно підібрати бурильний інструмент – долото і обтяжені труби. За словами фахівців, для ефективної роботи роторне буріння слід застосовувати, якщо дотримуються такі умови:

Вивчення гідрогеологічного розрізу ділянки проведено досить докладно.

Відомо, що грунт складається з скельних порід.

Є дані про рівні залягання водоносної жили.

Є хороший напір підземної води.

Є можливість постійної доставки промивної рідини.

Крім того, слід враховувати, що умови південних районів дозволяють проводити бурові роботи цілий рік, а в північних областях роботи обмежені температурними показниками зовнішнього середовища, при яких замерзає рідина для промивки.

Обладнання для буріння свердловин

Технологія роторного буріння передбачає використання спеціальних установок – змонтованих на основі самохідного транспорту або стаціонарних. І ті, і інші повинні мати наступні комплектуючі:

Двигун.

Вишку.

Привід.

Вертлюг – системи, що подає рідину в забій.

Бурильну колону.

Ротор.

Поршневий насос.

Підьомний механізм, що включає блок і кроноблок.

Напірну магістраль

Систему повернення та очищення рідини, що містить гідроциклони, жолоб і вібросито.

Переваги і недоліки методу

Роторний спосіб буріння свердловин має ряд переваг перед іншими методами. Серед них слід відзначити наступні:

По продуктивності перевищує інші: у п'ять разів – ударний і в десять – вібраційний спосіб.

Має високу швидкість виконання робіт.

За рахунок застосування різноманітних знімних доліт може застосовуватися на грунтах різної складності.

Установка має компактні розміри, тому може функціонувати в обмеженому просторі.

За рахунок можливості розташування на платформі агрегат цілком мобільний.

Дає можливість буріння глибоких свердловин і забору води з трещиноватого вапняку.

Метод володіє хорошими якостями розтину водоноса.

Дозволяє влаштовувати свердловини до двохсот сантиметрів в діаметрі.

Поряд з такими перевагами роторне кероване буріння має наступні мінуси:

Необхідно обов'язково враховувати тип ґрунтів, щоб підібрати правильне долото.

Наявність супертвердих частинок породи на шляху може бути перешкодою, що вимагає застосування більш руйнівних механізмів.

Перешкодою може виступити глинистий грунт.

Серйозна перешкода для проведення бурових робіт – мерзла земля.

Потужність залежить від встановленого в даний момент ротора.

Необхідність постійної наявності великої кількості рідини для промивання.

Незважаючи на певні мінуси, плюсів у цього методу значно більше.

Принцип дії роторних установок

Роторне буріння свердловин виконується спеціальною установкою – рамної або гратчастої вишкою, закріпленої на платформі. До неї кріпляться всі інші системи, що дозволяють піднімати і опускати бурильну колону профільованої форми. Така колона збирається з декількох труб, що з'єднуються розбірними муфтами.
Рушійною силою є електродвигун автомобіля або окремий генератор, який через приводний вал і зубчасту передачу передає обертання від колони ротору. Обертаючись, ротор приводить в дію долото, яке робочими краями в свердловині руйнує грунтовий шар. Діапазон поворотів може регулюватися. Крайки долота можуть бути алмазними, композитними або твердосплавними. Їх форма може змінюватись. Вироблений шар грунту прямою або зворотною промивкою витісняється з шахти самопливом або під тиском з застосуванням насосних установок. Після промивання свердловини в неї встановлюються обсадні труби. За допомогою вертлюга і порожнистих труб бурильної колони долоту надходить рідина для промивки, размывающая грунт під долотом. Через зазор між трубами і стовбуром рідина виносить грунт назовні. На поверхні через спеціальні фільтри рідина збирається і очищається, щоб її знову можна було пустити в роботу з допомогою поршневих насосів.

Особливості технології роторного буріння свердловин

Процес буріння організований так, що через вимивання шару ґрунту з шахти бурова колона з кожним рухом поглиблюється все нижче. Періодично її необхідно нарощувати додаванням інших труб. Процес буріння виконується східчасто:

Пройшовши перші пухкі шари грунту, колону піднімають, а в шахту опускають обсадну трубу.

Зазор по колу заповнюють розчином цементу.

Після застигання цементу в шахту подають долото з меншим діаметром, і робота триває далі.

Таких аналогічних кроків може виконуватися декілька, а потім опускається в шахту перфорована на кінці експлуатаційна труба. В залежності від якості ґрунтового пласта та глибини вибирають кількість і масу труб, вид долота, швидкість його обертання і матеріал кромок, тиск промивної рідини. Специфіка така:

Легкі породні шари проходять з максимальною швидкістю і найбільшою промиванням.

Скелясті грунти вимагають зниженої частоти і зменшеного тиску рідини.

Перешкодити роботам можуть грунтові тверді включення – валуни – на шляху ротора, який може заклинило, чи ґрунту, активно поглинають промивку. Також уповільнює процес нестача води в місці проведення робіт та наявність великої глинистого шару. Глина, змішуючись з водою, закупорює водяне русло і вимагає додаткової ретельної промивки.

Обсадні труби

Після буріння свердловини важливо зміцнити її стінки. Грунт є ненадійним і може зміститися, що негативно позначиться на вибої. Щоб земна порода не обвалилася, встановлюється обсадна колона. Вона допомагає запобігти обсипання грунту і перешкоджає просочуванню води. Першу колону називають «кондуктором». Вона монтується для перекриття нестійких порід. Установка відбувається на відстані не раніше позначки в 30 метрів і не пізніше 600 метрів. Для нафтової свердловини колона ставиться на відстані, максимально наближеному до поверхні. Оскільки роторне буріння застосовується практично для будь-яких типів ґрунту, то в процесі встановлення колон робочі орієнтуються на геологічні умови. Іноді доводиться використовувати кілька обсадних колон, щоб зміцнити забій. Найменша по діаметру з них опускається глибше, ніж інші і називається – експлуатаційна. Перфорація проводиться знизу, саме через ці отвори маса газу, води або нафти буде у неї надходити.

Значення промивної рідини в бурових роботах

Правильно підібраний метод промивання при роторному бурінні свердловини може значно підвищити ефективність процесу. В роботах такого типу застосовуються:

Полімерні розчини.

Нафтові емульсії.

Аеровані розчини.

Вода.

Також широко поширене застосування методу продувки повітрям. Якщо роботи проводяться на ділянках з низьким пластовим тиском, то робочі застосовують особливий газ. Промивка допомагає позбавитися від зайвих домішок і предметів, опалого порід, що неминуче в процесі буріння. Рідина, що потрапила на долото, охолоджує його. Що подовжує термін служби інструменту. Роторне буріння свердловин відбувається в три етапи:

Руйнування земних порід із застосуванням долота.

Запуск води для виносу зруйнованої породи. Процес може здійснюватися як зворотній, так і прямою промивкою, все залежить від глибини свердловини, обсягу використовуваної води і типу грунту. В приватних господарствах користується популярністю метод прямої промивки.

Зміцнення стінок нової свердловини за допомогою обсадних труб.

Буріння свердловин роторним способом є трудомістким процесом, при проведенні якої необхідно враховувати безліч чинників. Незважаючи на це, він вважається досить ефективним і застосовується в різних умовах.