Одним из наиболее широко применяемых методов создания эксплуатационных и разведывательных скважин для воды является роторное бурение. Оно обеспечивается передачей вращательных движений с поверхностного ротора на колонну-бур.
Роторное бурение отличается тем, что у него отсутствует осевое усилие, создаваемое приводом. В ходе процесса осуществляется промывка выработки (забоя) от породных отходов с помощью воды и специальных растворов. Рассмотрим способ подробнее.
Историческая справка
Роторное бурение используется уже более ста сорока лет. Технологию этого способа пробивания скважин впервые применили в Соединенных Штатах Америки в начале восьмидесятых годов девятнадцатого столетия. С того времени он практически не изменился за исключением мелких новаций, которые привели к большей эффективности. Изменения коснулись породоразрушающих инструментов – они совершенствовались, создавались новые жидкие среды для промыва скважин, усиливалась прочность частей механизма.
Роторное бурение скважин – это один из видов бурения методом вращения. Принцип таков, что инструмент для разрушения породы, располагаясь внутри скважины, работает от усилия, передаваемого ему электродвигателем или газотурбинным оборудованием. Этот метод достаточно простой и эффективный. С его помощью бурят эксплуатационные нефтяные и разведочные скважины. Компактные размеры установки позволяют применять ее на частной земле для создания водяных скважин.
Способы бурения
В настоящее время бурение скважин для воды осуществляется породоразрушающими методами с применением специальных механизмов. Подача грунта наверх может осуществляться двумя способами:
- С помощью механизмов – сухой метод.
- Струей воды под большим напором либо самотеком – гидравлический.
В общем случае механическое бурение проводится одним из трех способов:
- Вращательное роторное бурение – почва бурится вращательными движениями.
- Ударное – грунт разрушается ударами бурового снаряда.
- Вибрационное – почва разбивается колебаниями высоких частот.
Первый метод является самым применяемым в силу своей простоты, дешевизны и одновременно производительности.
Когда применяется метод
Бурение роторным способом используется когда разрабатываются полускальные и скальные грунты для устройства скважин глубиной до ста пятидесяти метров. Для успешного бурения скал необходимо правильно подобрать бурильный инструмент – долото и утяжеленные трубы. По словам специалистов, для эффективной работы роторное бурение следует применять, если соблюдаются такие условия:
- Изучение гидрогеологического разреза участка проведено достаточно подробно.
- Известно, что почва состоит из скальных пород.
- Есть данные об уровне залегания водоносной жилы.
- Имеется хороший напор подземной воды.
- Есть возможность постоянной доставки промывочной жидкости.
Кроме того, следует учитывать, что условия южных районов позволяют проводить буровые работы круглогодично, а в северных областях работы ограничены температурными показателями внешней среды, при которых замерзает жидкость для промывки.
Оборудование для бурения скважин
Технология роторного бурения предусматривает использование специальных установок – смонтированных на основе самоходного транспорта или стационарных. И те, и другие должны иметь следующие комплектующие:
- Двигатель.
- Вышку.
- Привод.
- Вертлюг – систему, подающую жидкость в забой.
- Бурильную колонну.
- Ротор.
- Поршневой насос.
- Подъемный механизм, включающий блок и кроноблок.
- Напорную магистраль
- Систему возврата и очистки жидкости, содержащую гидроциклоны, желоб и вибросито.
Преимущества и недостатки метода
Роторный способ бурения скважин имеет ряд преимуществ перед другими методами. Среди них нужно отметить следующие:
- По производительности превышает остальные: в пять раз – ударный и в десять – вибрационный способ.
- Имеет высокую скорость выполнения работ.
- За счет применения разнообразных съемных долот может применяться на грунтах различной сложности.
- Установка имеет компактные размеры, поэтому может функционировать в ограниченном пространстве.
- За счет возможности расположения на платформе агрегат вполне мобилен.
- Дает возможность бурения глубоких скважин и забора воды из трещиноватого известняка.
- Метод обладает хорошими качествами вскрытия водоноса.
- Позволяет устраивать скважины до двухсот сантиметров в диаметре.
Наряду с такими преимуществами роторное управляемое бурение имеет следующие минусы:
- Необходимо обязательно учитывать тип почв, чтобы подобрать правильное долото.
- Наличие супертвердых частиц породы на пути может быть преградой, требующей применения более разрушающих механизмов.
- Помехой может выступить глинистая почва.
- Серьезное препятствие для проведения буровых работ – мерзлая земля.
- Мощность зависит от установленного в данный момент ротора.
- Необходимость постоянного наличия большого количества жидкости для промывки.
Несмотря на определенные минусы, плюсов у этого метода значительно больше.
Принцип действия роторных установок
Роторное бурение скважин выполняется специальной установкой – рамной или решетчатой вышкой, закрепленной на платформе. К ней крепятся все остальные системы, позволяющие поднимать и опускать бурильную колонну профилированной формы. Такая колонна собирается из нескольких труб, соединяемых разборными муфтами.
Двигательной силой является электродвигатель автомобиля или отдельный генератор, который через приводной вал и зубчатую передачу передает вращение от колонны ротору. Вращаясь, ротор приводит в действие долото, которое рабочими краями в скважине разрушает почвенный слой. Диапазон поворотов может регулироваться. Кромки долота могут быть алмазными, композитными или твердосплавными. Их форма может варьироваться.
Выработанный слой грунта прямой или обратной промывкой вытесняется из шахты самотеком либо под давлением с применением насосных установок. После промывки скважины в нее устанавливаются обсадные трубы. Посредством вертлюга и пустотелых труб бурильной колонны к долоту поступает жидкость для промывки, размывающая почву под долотом. Через зазор между трубами и стволом жидкость выносит грунт наружу. На поверхности через специальные фильтры жидкость собирается и очищается, чтобы ее снова можно было пустить в работу с помощью поршневых насосов.
Особенности технологии роторного бурения скважин
Процесс бурения организован так, что из-за вымывания слоя почвы из шахты буровая колонна с каждым движением углубляется все ниже. Периодически ее необходимо наращивать добавлением других труб.
Процесс бурения выполняется ступенчато:
- Пройдя первые рыхлые слои грунта, колонну поднимают, а в шахту опускают обсадную трубу.
- Зазор по кругу заполняют раствором цемента.
- После застывания цемента в шахту подают долото с меньшим диаметром, и работа продолжается дальше.
Таких аналогичных шагов может выполняться несколько, а затем в шахту опускается перфорированная на конце эксплуатационная труба. В зависимости от качества почвенного пласта и глубины выбирают количество и массу труб, вид долота, скорость его вращения и материал кромок, давление промывочной жидкости. Специфика такова:
- Легкие породные пласты проходят с максимальной скоростью и наибольшей промывкой.
- Скалистые почвы требуют пониженной частоты и уменьшенного давления жидкости.
Помешать работам могут грунтовые твердые включения – валуны – на пути ротора, который может заклинило, или почвы, активно поглощающие промывку. Также замедляет процесс нехватка воды в месте проведения работ и наличие большого глинистого слоя. Глина, смешиваясь с водой, закупоривает водяное русло и требует дополнительной тщательной промывки.
Обсадные трубы
После бурения скважины важно укрепить ее стенки. Грунт является ненадежным и может сместиться, что негативно отразится на забое.
Чтобы земная порода не обвалилась, устанавливается обсадная колонна. Она помогает предотвратить обсыпание грунта и препятствует просачиванию воды. Первую колонну называют «кондуктором». Она монтируется для перекрытия неустойчивых пород. Установка происходит на расстоянии не раньше отметки в 30 метров и не позже 600 метров. Для нефтяной скважины колонна ставится на расстоянии, максимально приближенном к поверхности.
Поскольку роторное бурение применяется практически для любых типов грунта, то в процессе установки колонн рабочие ориентируются на геологические условия. Иногда приходится использовать несколько обсадных колонн, чтобы укрепить забой.
Наименьшая по диаметру из них опускается глубже, чем остальные и называется – эксплуатационная. Перфорация производится снизу, именно через эти отверстия масса газа, воды или нефти будет в нее поступать.
Значение промывочной жидкости в буровых работах
Правильно подобранный метод промывки при роторном бурении скважины может значительно повысить эффективность процесса. В работах такого типа применяются:
- Полимерные растворы.
- Нефтяные эмульсии.
- Аэрированные растворы.
- Вода.
Также широко распространено применение метода продувки воздухом. Если работы проводятся на участках с низким пластовым давлением, то рабочие применяют особый газ. Промывка помогает избавиться от лишних примесей и предметов, осыпавшихся пород, что неизбежно в процессе бурения. Жидкость, попавшая на долото, охлаждает его. Что продлевает срок службы инструмента.
Роторное бурение скважин происходит в три этапа:
- Разрушение земных пород с применением долота.
- Запуск воды для выноса разрушенной породы. Процесс может производиться как обратной, так и прямой промывкой, все зависит от глубины скважины, объема используемой воды и типа грунта. В частных хозяйствах пользуется популярностью метод прямой промывки.
- Укрепление стенок новой скважины с помощью обсадных труб.
Бурение скважин роторным способом является трудоемким процессом, при проведении которого необходимо учитывать множество факторов. Несмотря на это, он считается достаточно эффективным и применяется в различных условиях.
