Лекция № 3

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОМЫВКИ И ПРОДУВКИ СКВАЖИН

План

• 1. Общие сведения об оборудованиях для промывки и продувки скважин
• 2. Буровые насосы.
• 3. Компрессоры
• 4. Способ промывки скважины

Цель работы: ознакомление студентов основными узлами и оборудованиями для промывки и продувки скважин.

Общие сведения об оборудованиях для промывки и продувки скважин. Буровым насосом называется машина, преобразующая механическую энергию, приложенную к его валу, в энергию жидкости для подачи и промывки буровой скважины. Основными параметрами насоса являются: подача, т. е. количество промывочной жидкости, нагнетаемой в единицу времени в скважину, максимальное давление, высота всасывания и его гидравлическая мощность. При колонковом бурении применяют в основном плунжерные насосы одинарного действия и поршневые насосы двойного действия.

Принцип действия поршневого и плунжерного насосов основан па вытеснении жидкости из цилиндра поршнем (плунжером), совершающим возвратно-поступательное движение.

В плунжерном насосе (рис. 1, а) рабочим элементом является плунжер 2, изготовленный из высококачественной стали. Он представляет собой полый открытый сверху цилиндр, сопрягающийся с сальниковым уплотнением цилиндра 1 в гидравлической части корпуса насоса. В этом насосе одинарного действия жидкость нагнетается только во время прямого хода плунжера, при его обратном ходе — жидкость всасывается.

В поршневом насосе (рис. 1, б) за один оборот коленчатого вала поршень 2 совершает два хода и, следовательно, всасывание и нагнетание жидкости повторяется по 2 раза, поэтому такие насосы называются насосами двойного действия. Возвратно-поступательное движение плунжер (поршень) получает от кривошипно-шатунного механизма или эксцентрикового вала, вращение которому передается от входного вала-шестерни.

Буровые насосы

Буровые насосы с механическим приводом, основные параметры которых указаны в ГОСТ 19 123–80, обеспечивают циркуляцию промывочной жидкости в скважинах глубиной до 2000 м при колонковом вращательном бурении различным породоразрушающнм инструментом, а также гидроударными машинами. Разведочные буровые установки комплектуются насосами с расходом от 20 до 120 л/мин (плунжерные) и 220 до 1000 л/мин (поршневые) при максимальном давлении на выходе от 1,6 до 16 МПа и мощности привода от 1,5 до 75 кВт. Для глубокого бурения применяют в основном двухцилиндровые поршневые насосы с подачей 240−2100 л/мин при Р₀=0,4ч35 МПа и мощностью до 700 кВт.

Все буровые насосы в насосные установки имеют приводной и гидравлический блоки и общую раму (салазки).

Насосная установка НБЗ-120/40 с горизонтальным расположением плунжеров предназначена для промывки скважин чистой оборотной водой и растворами, содержащими твердые частицы размером до 2 мм. Насосная установка (рис. 2), смонтированная на общей раме 1, включает в себя насос 2 и приводной блок 3 с электродвигателем 4, фрикционом 5, коробкой скоростей 6 и высокоэластичной муфтой 7.

Компрессоры (их устройство см. в первом разделе) используют так же для подачи сжатого воздуха в скважину при бурении с продувкой. В зависимости от условий и способа бурения компрессор должен нагнетать сжатый воздух при определенных значениях подачи (расходе) и давления, чтобы преодолеть сопротивление его движению в скважине.

Ниже приведены основные расчетные формулы расхода (подачи) и давления воздуха для выбора типа компрессорной установки при бурении скважин с продувкой.

При вращательном бурении твердосплавным инструментом подача Q (м³/мин) воздуха компрессором для очистки забоя от шлама рассчитывают по формуле.

.

где D и d — соответственно диаметр скважины и наружный диаметр бурильной трубы, м; k_B — коэффициент, учитывающий уменьшение подъемной силы воздуха с ростом глубины скважины; для глубины 200 м /г_в = 1,05; для 500 м — 1,11; для 1000 м—1,22.

Скорость v (м/с) восходящего потока воздуха в кольцевом зазоре между стенками скважины и колонной бурильных труб (D²—d²)n/4 равна.

где 4,8 — коэффициент пропорциональности; k= 1,1ч1,3- коэффициент увеличения скорости воздушного потока для выноса частиц породы; d_m - диаметр шара (м), равновеликий по объему частицам выбуренной породы (d_ш =0,001ч0,002 м — для твердых пород, 0,003−0,004 м — для глин, разрушенных пород); г_п — удельный вес породы, Н/м³.

Практикой установлены значения: х=10ч12 м/с — для кольцевой формы разрушения забоя и х=15ч20 м/с — для сплошной (бескерновое бурение).

При бурении погружными пневмоударниками в скважину необходимо нагнетать 7−8 м³/мин сжатого воздуха. Скорость восходящего потока должна быть в пределах 18−20 м/с, а давление 0,6−0,7 МПа.

С ростом глубины скважины давление Р (МПа) сжатого воздуха растет по линейной зависимости P = qL + Р₁ + Р₂, где Р₂ - перепад давления в пневмоударнике.

При проходке скважин в высокогорных районах расход воздуха (подача компрессора) должен быть увеличен на 15−30% в связи с уменьшением плотности воздуха.

Способы промывки (продувки) скважин

Обвязка объединяет взаимоувязанное всеми параметрами оборудование, используемое для транспортирования бурового шлама от забоя к устью скважины В распространенной практике бурения вращательными установками п установками с забойными буровыми машинами обвязка включает в себя всасывающую, нагнетательную и сливную линии.

Всасывающая линия предназначена для подачи промывочной жидкости от приемника к насосной установке. Эта линия представлена гибким рукавом н фильтром с приемным клапаном. Для геологоразведочных буровых насосов разработаны конструкции всасывающих линий ЛВ-50, ЛВ-75 и ЛВ-100 с диаметром внутреннего рукава соответственно 50, 75, 100 мм н массой 25, 45 и 65 кг при длине рукавов 8,2, 8,3, 8,4 м. Всасывающий трубопровод буровых насосов для промывки глубоких скважин монтируется из обсадных труб и резинотканевых рукавов большого диаметра. Приемный клапан-храпок устанавливается на конце приемного трубопровода. Он служит для удержания раствора в рукаве при заливке и предохранения насоса от попадания посторонних частиц. Суммарная площадь всех отверстий сетки храпка должна в 3 раза превышать площадь сечения приемного трубопровода.

Нагнетательная линия осуществляет подачу промывочной жидкости под давлением от насоса к буровой колонне. Она состоит из металлического трубопровода и резинотканевого рукава, вмонтированных в сеть, компенсатора, пусковой задвижки с пультом управления (при глубоком разведочном бурении установками роторного бурения), стояка и вертлюга. Буровые шланги предназначены для подачи промывочной жидкости от стояка к вертлюгу. Их изготавливают из резины и многослойного тканевого каркаса, обеспечивающих плотность, эластичность и прочность шлангу. Компенсаторы (воздушные колпаки) применяют для выравни-вания пульсации жидкости в сливной линии.

В бурении приме-няют пневматические компенсаторы. Компен-сатор устанавливают на нагнетательном патрубке насоса. Это устройство представляет собой блок воздушных колпаков, сообщающихся между собой, с выкидном насоса и нагнетательной линией. При колонковом бурении для сохранения насоса и трубопровода от разрушения в нагнетательной линии устанавливают предохранительные клапаны В состав сливной линии входят приемные желоба и резервуары для очистки и приготовления промывочной жидкости. Контроль режима работы циркуляционной системы осуществляют по показаниям манометра или измерителя давления (МИД-1, МИД-1А) и расходомера промывочной жидкости (ЭМР-2, ЭМР-10, ЭМР-5, РПЛ-1).

Масловлагоотделители, шламоуловители, батарейные холодильники включаются в схему обвязки оборудования соответственно для сбора масла, влаги, пылеподавления и искусственного охлаждения сжатого воздуха при бурении с продувкой.

Способ промывки скважины и соответствующая ему обвязка оборудования зависят от конструкции скважины, геологической структуры и свойств буримых пород. Различают прямой, обратный и комбинированный способы промывки.

На рис. 3 показана схема обвязки бурового оборудования при прямом способе промывки. Промывочная жидкость из зумпфа 1 насосом 2 нагнетается в колонну бурильных труб 3, охлаждает инструмент 4, захватывает с забоя 5 частицы разрушенной породы и, поднимаясь по кольцевому пространству, достигает устья скважины и выливается в желоб в циркуляционной системы, где и происходит очистка раствора отчастиц бурового шлама. При обратном способе промывки (рис. 4, а) насос 1 нагнетает раствор к забою по кольцевому пространству 2 между бурильными трубами 3 и станками скважины 4. Очищая забой от разрушенной породы, промывочный раствор поступает внутрь колонковой трубы 5 и обогащенный шламом по внутреннему каналу колонны бурильных труб достигает вертлюга-сальника 6. Из сливного рукава 7 промывочный раствор поступает в систему желобов 8 и отстойников 9.

При комбинированном способе промывки глинистый раствор над колонковой трубой движется по схеме прямой промывки, а в колонковом снаряде — по схеме обратной промывки. Для создания обратной циркуляции в призабойной части скважины всегда используется жидкость, а в верхней части может быть применен как жидкий, так и газообразный агент. Изменение направления раствора в призабойной части скважины достигается с помощью специальных технических устройств, преобразующих движение промывочной жидкости. Наиболее распространенными техническими устройствами, обеспечивающими комбинированную циркуляцию очистного агента в скважине, являются конструкции снарядов: эжекторных (струйные насосы), эрлифтных типа КОЭН и паксрных.

При бурении скважин с продувкой (рис. 4, б) устье скважины герметизируют и восходящий поток воздуха пропускают через шламоуловитель или конец рукава, который опускают в резервуар с водой.

В практике разведочного бурения способ прямой промывки имеет преимущественное распространение.

Контрольные вопросы

• 1. Какие оборудования применяется для промывки и продувки скважин?
• 2. Какие параметры являются основным для бурового насоса?
• 3. Основные принципы работы и различие между поршневым и плунжерным насосом?
• 4. Какая должна быть скорость восходящего потока при бурении скважин?
• 5. Какие способы имеются при промывки и продувки скважин?

• 1. Радионов Н. С., Ганзен Г. А. и др. Горное и буровое оборудование М., «Недра» 1983 г.
• 2. Волков А. С. буровой геологоразведочный инструмент. М., «Недра» 1979 г.

Допольнительные литературы

• 3. Куличихин Н. И., Родионов Н. С., Ганзен Г. А. Буровое оборудование. М., «Недра» 1973 г.
• 4. Володин Ю. Н. Разведочное бурение. М., «Недра» 1972 г.
• 5. Кирсанов А. Н., Зиненко В. П., Кардыш В. Г. Буровые машины и механизмы. М., «Недра» 1981 г.
• 6. Журналы («Горный вестник Узбекистана», «ТДТУ хабарлари», «Техника юлдузлари», «Горный журнал», «Горно-аналитический бюллетень», «Mining Journal», «Miming and Metallurgy», «Mining Technology»).