Основные узлы станка для колонкового бурения: а) вращатель бурового снаряда; б) многоступенчатая коробка передач для регулирования частот вращения и подъема; в) лебедка для осуществления спуско-подъемных операций; г) главный фрикцион для включения и отключения станка от двигателя; д) механизм подачи бурового снаряда и регулятор нагрузки на породоразрушающий инструмент, е) пульт управления с контрольно-измерительной аппаратурой.
Конструктивная схема станка и установки в целом существенно определяется типом вращателя и механизмом подачи. Вращатели по своей конструкции подразделяются на шпиндельные, роторные и подвижные. Вращатель бурового станка является основным рабочим механизмом, выполняющим технологические операции при бурении.
Осевую нагрузку на забой скважины регулирует механизм подачи бурового станка. В зависимости от конструкции механизма подачи буровые станки бывают: с гидравлической подачей; винтовой дифференциальной подачей; рычажной подачей; комбинированной рычажно-дифференциальной подачей; подачей с барабана лебедки (роторные станки). Преимущественно применяют шпиндельные станки с гидравлической системой подачи, Вращение и подача бурильной колонны в этом случае осуществляется с помощью шпинделя.
Установки, оборудованные шпиндельным или подвижным вращателем с гидравлической подачей, обладают следующими преимуществами:
1) могут бурить вертикальные, наклонные и восстающие скважины;
2) обеспечивают возможность регулирования осевого усилия на забой (создание принудительного усилия или разгрузки забоя);
3) позволяют производить плавную подачу бурового снаряда с требуемой скоростью;
4) позволяют определять вес снаряда в скважине;
5) гидравлическая подача может быть использована как гидравлический домкрат при извлечении труб и ликвидации аварий.
Все эти преимущества предопределили распространенность шпиндельного и подвижного вращателя с гидравлической подачей на установках колонкового бурения, используемых при разведке твердых полезных ископаемых. В роторных установках ротор (вращатель) в отличие от шпинделя вращается лишь в горизонтальной плоскости и неподвижен относительно вертикальной оси, поэтому не может обеспечить дополнительную осевую нагрузку (разгрузку на буровой снаряд).
Таблица 5.1. Технические характеристики буровых установок с гидравлической подачей
| Параметры | Классы установок | ||||||||
| УКБ-1 | УКБ-2 50/100 | УКБ-3200/300 | УКБ-4300/500 | УКБ-5 500/800 | УКБ-6 800/1200 | УКБ-71200/2000 | УКБ-8 | ||
| Глубина бурения, м | Конечный диаметр 93 мм | 12,5 | 50,0 | 200,0 | 300,0 | 500,0 | 800,0 | 1200,0 | 2000,0 |
| Конечный диаметр 59 мм | 25 | 100 | 300 | 500 | 800 | 1200 | 2000 | 3000 | |
| Начальный диаметр скважины, мм | 132 | 132; 93 * | 151; 112* | 151 | 214 | 295 | |||
| Конечный диаметр скважины, мм | Твердыми сплвами | 76 | 76 | ||||||
| Алмазами | 36 | 46 | 59 | ||||||
| Грузоподъемность на крюке, т, не менее | Номинальная | 0,12 | 0,63 | 2,00 | 3,20 | 5,00 | 8,00 | 12,50 | 20,00 |
| Максимальная | 0,25 | 1,20 | 3,20 | 5,00 | 8,00 | 12,00 | 20,00 | 32,00 | |
| Мощность приводного электродвигателя, кВт | 3 * | 11 | 15 | 22 | 30 | 45 | 55 | 75 | |
| Частота вращения бурового снаряда, об/мин | Минимальная | 250 | 200 | 160 | . 120 | 100 | 80 | 60 | |
| Максимальная | 1200 | 1500 | 1500 | 1200 | |||||
| Высота мачты, м | 7,6 | 14 | 14,7 | 19 | 26 | ||||
| Длина бурильной свечи, м | 1,6 | 4,7 | 9,5 | 9,5 | 14,0 | 14,0; 18,6 | 18,6 | 18,6; 24,0 | |
| Наибольшее усилие подачи вверх, кН | 20 | 40 | 60 | 85 | 150 | ||||
| Наибольшее усилие подачи вниз, кН | 15 | 30 | 40 | 65 | 120 | ||||
| Угол наклона вращателя, градус | 70—90 (0—360) * | 70—90 | 75—90 | 90 | |||||
| Скорость подъема бурового снаряда, м/с | Минимальная до | ' — | 0,80 | 0,55 | 0,45 | 0,40 | 0,32 | 0,30 | 0,25 |
| Максимальная от | — | 1,6 | 2,0 | ||||||
| Длина установки, м | 5,58 | 8,34 | 13,2 | 10,7 | 13,5 | ||||
| Ширина, м | 3,0 | 2,5 | 4,2 | 4,56 | 10,0 | ||||
| Высота, м | 8,33 | 11,0 | 14,7 | 19,1 | 26,0 | ||||
| Масса установки, т | 5,67 | 10,0 | 14,0 | 17,5 | 25,0 | ||||
* Для бурения из подземных горных выработок.
4.1.Промывка скважин
Колонковое бурение производится с промывкой скважины. Основным назначением промывки является:
1. Очистка забоя скважины от разбуренной породы и вынос ее на поверхность.
2. Охлаждение породоразрушающего инструмента.
3. Укрепление стенок скважины от обрушения
Существует три способа промывки скважин: с выходом промывочной жидкости на поверхность земли: прямая, обратная и комбинированная.
Прямая промывка (рис. 3.2.), когда промывочная жидкость, нагнетаемая насосом, проходит по колонне бурильных труб, затем (при бурении кольцевым забоем) между керном и колонковой трубой омывает забой, охлаждает породоразрушающий инструмент, захватывает с забоя частицы разрушенной породы, поднимается вверх по кольцевому пространству между бурильными трубами и стенками скважины и, наконец, выходит на поверхность.
Достоинства прямой промывки: 1) буровой раствор, выходя из суженных промывочных отверстий коронки приобретает большую скорость и с силой ударяет о забой, размывая разбуриваемую породу, что способствует увеличению скорости бурения; 2) применяя специальные промывочные жидкости при бурении в сыпучих, рыхлых и трещиноватых породах обеспечивает закрепление стенок скважины путем скрепления частиц неустойчивой породы.
Недостатки прямой промывки: 1) возможен размыв стенок скважины при бурении в мягких породах вследствие большой скорости восходящего потока; 2) пониженный процент выхода керна в результате динамического воздействия струи на верхний торец керна, что приводит к его размыву; 3) при бурении скважин большого диаметра повышенный расход промывочной жидкости, необходимый для создания такой скорости восходящего потока, при которой все разбуренные частицы породы будут выноситься на поверхность. Прямая промывка имеет преимущественное применение в практике разведочного бурения.
Обратная промывка, когда промывочная жидкость движется к забою по кольцевому пространству между бурильными трубами и стенками скважины, омывает забой, входит в отверстия породоразрушающего инструмента, при наличии керна проходит пo кольцевому зазору между керном и колонковой трубой, проходит по внутреннему каналу бурильной колонны и, обогащенная шламом, выходит на поверхность земли.
Достоинства обратной промывки: интенсивная очистка забоя от частиц разрушенной породы и возможность гидравлического транспорта кернов через бурильные трубы на поверхность. Основной недостаток обратной промывки — невозможность обеспечения нормального процесса бурения при наличии в разрезе поглощающих горизонтов, в которых теряется полностью или частично промывочная жидкость. В связи с более сложной организацией обратной промывки она имеет ограниченное применение.
Комбинированная промывка, когда движение промывочной жидкости над колонковой трубой осуществляется по схеме прямой промывки, а ниже с помощью специальных устройств по схеме обратной промывки. Техническое исполнение комбинированной промывки связано с применением устройств, преобразующих прямую промывку в обратную в призабойной зоне. Комбинированная промывка применяется с целью повышения выхода керна.
4.2.Основные типы промывочной жидкости и условия применения
1. Техническая вода (пресная, морская, рассолы) применяется при бурении в устойчивых породах.
2. Глинистые растворы применяются в трещиноватых, рыхлых сыпучих, плывучих и других слабоустойчивых породах для предотвращения обвалов, а также в трещиноватых скальных породах для борьбы с потерей циркуляции.
Кроме того, при бурении в особо сложных и специфических условиях применяют более сложные растворы с специальными добавками.:
1. Для приготовления легких химически аэрированных буровых растворов применяют глинопорошки, поверхностно-активные вещества (0,1—0,2%), реагенты-структурообразователи (каустическая сода 0,1—0,2%) или кальцинированная сода (0,5—2,5%).
2. Утяжеленные глинистые растворы применяются при вскрытии пластов с большим пластовым давлением для предупреждения выбросов из устья скважины фонтанной воды, нефти или газа. Для изготовления утяжеленного глинистого раствора к нему добавляют инертный порошкообразный материал — утяжелитель, изготовленный из тяжелых минералов: - барита (BaSO4); гематита (Fe2O3) и др.. После задавливания фонтана под действием гидростатического давления утяжеленного раствора, над устьем скважины устанавливают противовыбросную арматуру, промывают скважину облегченным аэрированным глинистым раствором или технической водой, удаляют утяжеленный раствор и фонтанирование скважины восстанавливается.
3. Эмульсионные буровые растворы. Эмульсией называется система, состоящая из двух (или нескольких) взаимно нерастворимых жидких фаз, одна из которых диспергирована в другой. Различают два типа эмульсии. Эмульсии первого рода — «масло в воде» (М/В), когда масло в водной среде находится в виде мельчайших шариков.