Бурение нефтяных и газовых скважин. Буровые вышки Сооружение станка для шнекового бурения

Цель работы : Изучить назначение, устройство основных узлов и агрегатов буровых установок для глубокого бурения нефтегазоносных скважин, технические характеристики установок, главные параметры, порядок проведения скважин, провести выбор класса установки, а также рассмотреть основные конструкции и параметры буровых вышек, применение вышек и расчет их параметров.

Основные положения : Нефтегазоносной скважиной (рисунок 1) называется вертикальная или наклонно-горизонтальная выработка в массиве горных пород глубиной 500-8000 м до поверхности продуктивного пласта, при этом осевая протяженность скважины значительно превышает ее диаметр. Поиск, разведка и извлечение нефти и газа более чем в 90% производится через скважины, которые создаются буровыми установками путем вращательного или ударно-вращательного бурения. Интервалы скважины (направление, кондуктор, технические промежуточные колонны, эксплуатационная колонна) после бурения обсаживаются для предотвращения обвалов стенок специальными обсадными колоннами (рисунок 2).

Рисунок 1 - Конструкция скважин:

а - профиль; б - концентрическое расположение обсадных колонн в стволе скважины; в - графическое изображение конструкции скважин; г - рабочая схема конструкции скважины

Буровая установка (рисунки 2а, 2б) - это техническая система, включающая комплекс наземного оборудования (вышка, привышечные сооружения, силовой привод, лебедка, талевая система с кронблоком и талевым блоком, вращатель - ротор, оборудование для бурового раствора, вертлюг), которая, взаимодействуя с погружным оборудованием (буровая колонна, инструмент - долото), осуществляет технологический процесс проведения скважины.

Бурение скважин было изобретено до нашей эры в Китае, а позже забыто. В разных частях света издревле применялся принцип бурения для добычи соли и питьевой воды. Но в XIX в. бурение было взято на вооружение нефтедобытчиками и вновь возродилось. Это не было принципиально новым промышленным методом добычи, скорее заимствованным у добытчиков соли и бурильщиков водяных колодцев как метод, обеспечивавший более глубокое проникновение в недра земли и более эффективную добычу "земляного масла" (нефти).

Рисунок 2а - Буровая установка

С бурения первых промышленных скважин на нефть и начинается собственно история добычи нефти.

Первой, по настоящему нефтяной скважиной, целенаправленно пробуренной для добычи "черного золота", принято считать скважину, пробуренную в США в 1859 году в местечке Тайтусвилл (штат Пенсильвания) изыскателем Эдвином Дрейком по поручению бизнесмена Джорджа Бисселя.

В России первая скважина на нефть была пробурена в 1865 году в долине реки Кудако на Кубани.

В Республике Казахстан началом промышленного освоения ее запасов считается 29 апреля 1911 года, когда после года с начала бурения на промысле Доссор в местечке Карашунгул дала нефть с глубины 225 м скважина № 3. Скважина фонтанировала в течение 30 часов и дала 16700 пудов нефти.

Техника и технология бурения постоянно совершенствуются. Основным методом бурения на суше и на шельфе моря является вращательное (роторное, погружными бурами, верхнеприводное) с использованием шарошечных долот. Самая глубокая эксплуатационная скважина на нефть пробуренная на суше имеет глубину 6300 м (США, Калифорния), а пробуренная на море, включая толщу воды, - 7700 м (Мексиканский залив). Самая глубокая газовая эксплуатационная скважина - 8900 м (США, Техас). Максимально достигнутая глубина скважины 12100 м (Россия, Кольский полуостров). Одним из важнейших технологических достижений последних лет является развитие наклонно-направленного и горизонтального бурения: если в 1988 г. в мире было пробурено 200 скважин с горизонтальным стволом, то в 2010 г. - более 6000. При этом протяженность скважин достигла 10 км.

Рисунок 2б - Схема буровой установки для глубокого вращательного бурения: 1 - талевый канат; 2 - талевый блок; 3 - вышка; 4 - крюк; 5 - буровой шланг; 6 - ведущая труба; 7 - желоба; 8 - буровой насос; 9 - двигатель насоса; 10 - обвязка насоса; 11 - приемный резервуар (емкость); 12 - бурильный замок; 13 - бурильная труба; 14 - гидравлический забойный двигатель (при роторном бурении не устанавливается); 15 - долото; 16 - ротор; 17 - лебедка; 18 - двигатели лебедки и ротора; 19 - вертлюг

Рисунок 3 - Функциональная схема буровой установки (цифрами указаны передаточные элементы)

1 - переводник и центратор; 2, 3 - переводник ведущей бурильной трубы и вертлюга; 4 - буровой крюк; 5 - ведущая ветвь каната; 6, 7, 9 - трансмиссия лебедки и роторного вращателя (ротор); 8 - линия высокого давления подачи бурового раствора в скважину; 10 - зажимы (клиновые вкладыши) ротора

Главными параметрами буровых установок являются допустимая нагрузка на буровом крюке талевой системы и глубина бурения скважины. По этим показателям буровые установки СНГ (выпуска Волгоградского завода буровой техники и Уралмаша) делятся на 11 классов (таблица 1)

Таблица 1. Технические характеристики буровых установок СНГ

Примечание: Установки БУ-10000 и БУ-12500 выпускаются заводом Уралмаш по специальному заказу.

Назначение основных узлов и агрегатов буровой установки

Буровая вышка - это сооружение над скважиной для спуска - подъема бурового инструмента, бурильных и обсадных труб, забойных двигателей, размещения бурильных свечей (соединений 2-3 бурильных труб) после подъема их из скважины, а также для защиты буровой бригады от атмосферного влияния.

нефтегазоносная скважина буровая установка

Талевая система предназначена для уменьшения натяжения талевого каната, снижения скорости движения бурового инструмента, обсадных и бурильных труб и состоит из неподвижного кронблока (рисунок 6) в верхней части вышки, талевого блока (рисунок 7), соединенного с кронблоком талевым канатом, один конец которого крепится к барабану лебедки, а другой закреплен неподвижно внизу буровой вышки и бурового крюка.

Буровая лебедка служит для выполнения следующих операций:

спуска-подъема бурильных и обсадных труб;

удержания на весу бурового инструмента;

подъема различных грузов и оборудования.

Вертлюг - это механизм, соединяющий невращающуюся талевую систему с буровым крюком с вращающейся буровой колонной и обеспечивающий подачу бурового раствора для охлаждения бурового инструмента и выноса шлама с забоя скважины.

Буровые насосы служат для нагнетания бурового раствора в скважину. При глубоком бурении используются двухцилиндровые поршневые насосы двойного действия или многоцилиндровые одинарного действия. Промывочная жидкость под давлением по напорному рукаву от насоса подается к перемещающемуся вертлюгу и далее по ведущей трубе и буровой колонне к инструменту.

Роторный вращатель (ротор ) передает через ведущую буровую трубу вращение бурильной колонне и инструменту, поддерживает на весу колонну бурильных или обсадных труб и воспринимает реактивный крутящий момент бурильной колонны, при оснащении ее погружным забойным двигателем (турбобуром, электробуром, винтобуром).

Силовой привод (электрический, дизельный, дизель-электрический) обеспечивает функционирование буровой установки. Электропривод от двигателей постоянного или переменного тока прост в монтаже и эксплуатации, но применим только в электрофицированных районах. Дизельный привод применим в районах не обеспеченных электроэнергией. Дизель - электрический привод состоит из дизеля, который вращает генератор, питающий электродвигатель.

Суммарная мощность привода буровой установки составляет 1000-4500 кВт и распределяется на приводы буровой лебедки, насосов, ротора, автоматического бурового ключа, клиновых пневмозахватов.

К привышечным сооружениям относятся:

помещения для размещения привода и буровой лебедки;

насосное помещение;

приемные мостки для подачи бурового технологического оборудования;

трансформаторная площадка;

стеллажи для размещения бурильных и обсадных труб.

Спуско-подъемные операции (СПО) по подъему и спуску буровых труб и обсадных колонн занимают 18-20% времени бурения и для их сокращения разработаны специальные механизмы типа МСП, АСП, АКБ-ЗМ, клиновые захваты и др.

Магазин (свечеприемник) предназначен для размещения и удержания бурильных свечей и утяжеленных бурильных труб, которые устанавливаются на платформе буровой установки вертикально на подсвечник и в магазин. Магазин представляет собой раму, разделенную на секции в виде гребенки. В установках с ручной расстановкой свечей на определенной высоте вышки монтируется площадка верхового рабочего, а в установках с АСП - располагается механизм расстановки свечей.

Направляющие. В последние годы в связи с развитием систем верхнего привода буровые установки оснащаются специальными съемными направляющими по высоте буровой вышки, длина которых определяется длиной хода вращателя (верхнего привода). Они изготавливаются из труб или профильного проката.

Процесс проведения бурения состоит из следующих операций:

установка в вертлюг и ротор ведущей трубы с долотом и бурение скважины на ее длину (13-15м);

подъем ведущей трубы из ротора, отвинчивание долота от ведущей трубы и ведущей трубы от вертлюга и установка ведущей трубы в шурф;

подъем крюком на элеваторе бурильной трубы, навинчивания на нее долота, установка на элеваторе или на клиньях ротора бурильной трубы с долотом, навинчивание на муфту бурильной трубы ведущей трубы и закрепление ее на вертлюге, спуск буровой и ведущей труб в ротор и закрепление ведущей трубы в роторе;

запуск ротора и бурового насоса для закачки бурового раствора;

по мере углубления скважины производится наращивание бурильной колонны свечами из 2-3 труб, вновь установка ведущей трубы на вертлюг и ротор и запуск бурового раствора и ротора.

Подъем колонны состоит из повторяющихся операций, которые заключаются в подъеме свеч, установке их на специальном подсвечнике внутри вышки.

После бурения каждого интервала скважины производится ее крепление обсадными трубами с их цементированием (рисунок 4).

Рисунок 4 - Цементирование

Бурение скважины на участке – задача масштабная. Услуги профессиональной бригады не всякому владельцу дома по карману, а нанимать “кустарей” – это, в большинстве случаев, только деньги выбрасывать.

Проще выполнить все работы самостоятельно: и работаешь для себя старательнее, и расходов меньше. Вдобавок, если сделана буровая установка своими руками, затраты покажутся буквально смешными по сравнению с реальными ценами бурения.

Мы расскажем вам, как сделать станок для проходки вручную водозаборной выработки на участке. Представленные нами сведения опираются на практический опыт самостоятельных бурильщиков. Для полноты восприятия непростой темы предложенная информация дополнена полезными схемами, фото-подборками, видео.

Начинающему буровику нужно запастись терпением и приготовиться к выполнению не самой простой работы.

Еще понадобятся подручные средства и недорогие материалы для изготовления установки и бурового снаряда, а также здравый смысл и пара-тройка друзей в помощь.

Галерея изображений

Бурение скважин – это работа сродни искусству, поскольку результат непредсказуем, и каждое сооружение уникально. Задача состоит в том, чтобы проделать в грунте длинную и узкую шахту до водоносного слоя и опустить в нее обсадную трубу для укрепления стенок выработки.

В процессе придется извлечь немало грунта, причем грунт этот может быть очень разным: от кусков гранита до песка вперемешку с водой.

Многое зависит и от глубины водоносного слоя. Иногда до него нужно пройти менее 10 метров, а порой достигает нескольких десятков или даже сотен метров. Все это влияет на методы бурения и его сроки. Чтобы устроить скважину, существует два основных способа: ударно-канатный и вращательный, в современной интерпретации шнековый.

В первом случае с помощью узкого и тяжелого снаряда, именуемого желонкой. Ее подвешивают на канате или тросе, который перекидывают через закрепленный на треноге блок. Для вытаскивания бурового снаряда из шахты используют лебедку с мотором, хотя при желании это можно делать и вручную.

Снаряд несколько раз роняют на дно выработки с высоты в несколько метров. Он рыхлит грунт, часть которого попадает в полость желонки. После углубления в грунт примерно на 0,5 м бур извлекают из ствола. Снаряд очищают и снова бросают в шахту. Процесс повторяют до тех пор, пока не дойдут до воды.

Ударно-канатный метод очень старый, его используют в течение столетий, если не тысячелетий. Сделать желонку относительно несложно, понадобится листовая сталь толщиной 4-5 мм или толстостенная труба Ø 110-120 мм, а также навыки работы со сварочным аппаратом. А работать желонкой можно даже в одиночку, хотя с помощником дело пойдет значительно быстрее.

Преимущества ударного бурения состоят не только в его доступности. Желонка надежна, она проходит практически любой грунт кроме скальных пород. Если нужно преодолеть слой из супеси или суглинка, желонку заменяют соответствующего размера стаканом – узким цилиндром без клапана на дне.

Желонку используют для подъема всех видов несвязных грунтов: песков, щебенистых, гравийных и галечниковых отложений. Ее применяют для расчистки дна скважины и в период эксплуатации выработки для удаления илистых отложений

Стакан эффективно разрушает глинистые породы, которые за счет собственной способности уплотняться и липнуть к стенкам удерживаются в его полости.В ручном ударно-канатном бурении желонку и стакан чередуют по мере необходимости.

Как только проходка желонкой существенной сокращается, значит, она встретила кровлю суглинка или супеси, из-за чего ее меняют на стакан. Как только в полости стакана перестает задерживаться разрушенный в скважине грунт, его меняют на желонку.

За один “сеанс” можно углубить шахту на метр, хотя чаще этот показатель скромнее, примерно 20-40 см. В этом недостаток ударно-канатного метода – длительное время работы. На глинистых пластичных грунтах эффективнее использовать шнек или иначе змеевиковый бур.

В ручном бурении чаще всего приходится сочетать ударно-канатные способы с вращательными, потому лучше запастись минимальным набором снарядов, представленном на схеме

Рабочий инструмент шнековой установки представляет собой колонну штанг с буром на нижнем конце. Инструмент буквально ввинчивается в грунт, который частично удерживается на его лопастях.

Периодически шнек вместе с разрыхленным грунтом извлекают на дневную поверхность, а забой с обвалившимся отвалом расчищают желонкой. Затем снова , внедряясь все глубже в землю с каждым витком.

Штанги постепенно наращивают по мере углубления шахты. Сначала длину буровой колонны увеличивают креплением одной штанги. Когда ее верхняя часть почти выровняется с устьем скважины, присоединяют вторую, затем третью и т.д.

Вращать бур можно вручную или с помощью ротора электродвигателя. Чтобы удерживать штангу в правильном вертикальном положении, в промышленных мобильных буровых установках применяется закрепленная на станине вертикальная рама. По этому принципу можно изготовить собственный станок.

На схеме показан вариант буровой установки, изготовленной своими руками, а также результат: относительно компактное устройство для бурения скважин

Одновременно с заглублением обсаживается ствол скважины, т.е. в пробуренную выработку устанавливается труба, диаметр которой на 1-2 см больше аналогичного размера снаряда. Звенья обсады соединяются в единую конструкцию посредством навинчивания или сварки.

Если в обсаженную скважину под напором подать большое количество воды, забой можно очищать без применения желонки. Этот метод успешно применяется профессиональными бригадами. Вода размывает взрыхленный грунт и вымывает его на поверхность.

Буровой раствор ускоряет работы в несколько раз, но все вокруг будет залито водой вперемешку с грязью. Да и каменистые грунты таким способом не пройдешь. Все это нужно учитывать еще перед тем, как приступать к изготовлению собственной буровой установки. Кроме того, нужно определиться со своими целями и задачами.

Если нужен агрегат для сооружения всего одной или двух скважин, можно особо не корпеть над тщательностью исполнения. А вот солидная и прочная буровая установка может стать весомым поводом, чтобы начать собственный бизнес по бурению скважин.

Изготовление ударно-канатной буровой установки

Тренога с желонкой – конструкция простая, как и все гениальное. Ее размеры можно прикинуть “на глазок”, особо точные инженерные расчеты здесь не нужны. Например, высота треноги, на которой будет закреплена желонка, должна быть больше этого бура примерно на метр.

Если проводятся в подвале дома, размеры конструкции будут ограничены высотой потолка.

Ударно-канатное бурение выполняется с помощью тяжелого снаряда – желонки. Ее бросают вниз с высоты, грунт разрушается и заполняет полость внутри желонки, после чего устройство извлекают и очищают

На открытом пространстве желонку можно повесить и повыше, чтобы увеличить силу удара. Но не стоит делать ее слишком высокой, это не эффективно. Сама желонка должна быть достаточно тяжелой. Чтобы эффективно рыхлить грунт, на ее подошве лучше сделать зазубрины или сточить острую кромку.

Оптимальной для бурения считается длина снаряда в пределах 1,8 – 2,2 метров, чтобы буровик мог свободно дотянуться до верхушки бура для крепления или отсоединения троса. Однако в ручном бурении наилучшей длиной желонки считают 1,0 – 1,2 м. Такой размер позволяет дотянуться рукой до дна снаряда, если он не опорожняется при налипании суглинка, например.

В ударно-канатном бурении используется желонка длиной около 1,2 – 2,0 метров. Снаряд должен быть достаточно тяжелым, чтобы разбивать грунт и вытаскивать его на поверхность в большом количестве

Делают желонку чаще всего из отрезка металлической трубы, желательная толщина металла – 4 – 6 мм.

Чтобы сделать такое бурильное устройство, следует выполнить следующие операции:

1. Приготовить отрезок трубы подходящего размера.
2. Сделать клапан в нижней части снаряда.
3. Приварить сверху защитную сетку.
4. Проварить ручку или “ушки”, чтобы закрепить канат.
5. Заточить нижнюю часть снаряда или приварить несколько “зубов” из отрезков металла или из кусков толстой проволоки.
6. Сделать треногу из металлических труб.
7. Установить блок, лебедку и двигатель для подъема снаряда из шахты.
8. Привязать к желонке канат и собрать конструкцию.

Клапан желонки заслуживает отдельного внимания. В снарядах небольшого диаметра используется шаровой клапан. На его роль подойдет металлический шар, диаметром чуть больше половины диаметра желонки.

Если подходящего шарика не нашлось, его можно изготовить из подручных материалов. Например, для этих целей часто используют смесь из свинцовой дроби и эпоксидной смолы, роль отливочной формы исполняет какой нибудь детский шарик из пластика или резины.

Лепестковый клапан желонки состоит из круглого куска металла, который перекрывает просвет внизу стакана, а также пружины, удерживающей его в закрытом состоянии

Снизу приваривают шайбу с отверстием, диаметр которого меньше, чем размеры шарика, чтобы он не вылетал. Для этих же целей вверху, на некотором расстоянии от защитной решетки, ставят стопор – кусок металла, который ограничивает движение шарика вверх. Решетка из проволоки не позволяет вываливаться из желонки крупным кускам грунта.

Шарик клапана не должен опускаться ниже уровня заостренно края или металлических зубьев, иначе он будет гасить силу удара. С другой стороны, “зубы” не стоит делать слишком длинными, иначе они не позволят части грунта попасть внутрь желонки.

В верхней трети корпуса желонки вырезают окошко. Оно понадобится, когда полную желонку нужно будет очистить от набившегося внутрь грунта.

Для изготовления шарового клапана желонки нужен металлический шар диаметром около 60 мм. Такой элемент можно достать из большого подшипника

Другой вариант клапана – лепестковый. Его делают из куска металла. Лепестковый клапан выглядит как круглая дверца, закрепленная на пружине в нижней части желонки. При движении снаряда вниз клапан открывается под давлением грунта, а затем пружина его закрывает и удерживает грунт внутри. Иногда такой клапан уплотняют куском резины, но это не обязательно.

Если при бурении выясняется, что она захватывает слишком мало грунта, возможно, нужно просто немного исправить конструкцию. Иногда нужно немного расточить просвет внизу устройства. Если снаряд оказался слишком легким, его следует утяжелить.

Для этого верхнюю часть желонки иногда заливают бетоном. Но можно и просто присоединить сверху дополнительный груз на подвижном соединении.

Треногу для ударно-канатного бурения можно сделать из металлической трубы, но для недолговременного использования подойдет и прочная древесина, например брус 150-200 мм

На вязких грунтах эффективной может оказаться разновидность желонки без клапана. Плотный грунт набивается внутрь снаряда и удерживается там естественным образом. Вычищают такое устройство через узкое вертикальное отверстие на боку.

Если есть возможность и необходимость, следует сделать две разных желонки, чтобы использовать их на разных грунтах. Желонку также используют для очистки готовой скважины от песка и грязи. Но в этой ситуации нет необходимости делать такой большой снаряд, подойдет и устройство длиной около 0,8 -1,0 метра.

Сооружение станка для шнекового бурения

Каркас такой установки может быть выполнен в виде треноги, но чаще его делают из вертикальных направляющих, закрепленных на подставке и соединенных сверху горизонтальной конструкцией. Каркас станка должен надежно удерживать рабочую колонну из и наращиваемых штанг при извлечении их их их скважины.

На схеме наглядно представлено устройство буровой установки на металлическом каркасе с вертлюгом, буром, электрической лебедкой и мотором-редуктором (+)

Бур изготавливают следующим образом:

1. К отрезку узкой металлической трубы длиной около 1,5 метров приваривают пару витков из металлической полосы, чтобы получилось подобие винтовой нарезки.
2. К краям шнека присоединяют ножи, режущие кромки которых должны находиться под углом к горизонтали.
3. Ножи подвергают заточке.
4. К верхнему краю бура привинчивают или приваривают тройник с внутренней резьбой.
5. Заготавливают отрезки металлической трубы такого же диаметра. что и труба шнека, чтобы в дальнейшем наращивать длину буровой колонны. Это штанги.
6. На этих кусках трубы нарезают резьбу, чтобы соединять их или высверливают отверстие для фиксации стопорным пальцем.

Впрочем, для наращивания длины буровой штанги вполне успешно применяют и муфтовое или замковое соединение. Буровую вышку можно сделать из металлических труб, швеллера или из древесины. Главное, чтобы она надежно удерживала буровую колонну.

В верхней части каркаса устанавливают блок, который подсоединяют к лебедке для подъема колонны труб с буровым снарядом. Считается, что вышка необходима только при глубиной более восьми метров. Небольшое сооружение можно пробурить и без нее, но работы все же будут затруднены.

Наращивание длины буровой штанги существенно значительно утяжеляет колонну, поэтому для его подъема используют электромотор с лебедкой. Если предполагается выполнять “мокрое” бурение, вращение бура также осуществляют с помощью электромотора.

Специалисты считают оптимальным вариантом для этих целей типовое устройство мощностью 2,2 кВт на 60-70 оборотов, которое можно запитать от обычной розетки на 220 V. Подходящими могут оказаться модели типа 3МП 31,5, 3МП 40 или 3МП 50.

Вертлюгом называют элемент, с помощью которого движущий момент передается с электродвигателя на буровую штангу. Через него также выполняют подачу бурового раствора в шахту. Буровые штанги закрепляют на подвижной части этого устройства. Для бурового раствора предназначен специальный герметичный патрубок.

На схеме изображена конструкция вертлюга для малогабаритной буровой установки. Через боковой патрубок внутрь шахты подается промывочная жидкость (+)

Поскольку вертлюг во время бурения постоянно движется, при некачественном исполнении он может очень быстро сломаться. Чтобы этого не произошло, следует соблюдать два правила: использовать для его изготовления только высокопрочную сталь и обеспечить минимальный зазор между статичными и подвижными элементами устройства.

Как уже упоминалось, каких-то сверхстрогих правил при устройстве для скважин самопальных буровых установок не существует. Чаще всего сооружается гибридная конструкция, которая позволяет одновременно использовать и ударно-канатный метод, и вращательное бурение.

В такой конструкции устраивается одна и та же рама, позволяющая переходить с одного способа на другой без внесения каких-либо конструктивных изменений.

Если есть желание профессионально заняться , то все детали лучше приобрести на стороне, а не делать самостоятельно, или взять в аренду. Можно заказать все эти элементы у опытного токаря. Понадобится купить надежный электромотор с редуктором, а мотопомпу, рукав и шланг, если предполагается выполнять работы с использованием гидронапора.

Раму и бур изготавливать лучше после того, как приобретены вертлюг, электродвигатель и лебедка. Это позволит правильно и быстро подогнать все части установки друг к другу. Чтобы получить возможность наращивать более длинные штанги на бур, рекомендуется делать раму с запасом около 3,3 м.

Для изготовления вертлюга и замков следует использовать качественную сталь, поскольку эти части конструкции переносят самые высокие нагрузки в процессе бурения.

Вертлюг для буровой установки, изготовленной своими руками, можно также сделать самостоятельно, но проще и надежнее будет использовать промышленную модель такого устройства

Закаленная сталь не слишком хорошо подходит для изготовления самодельных буровых установок, поскольку после обработки она нуждается в дополнительной шлифовке, лучше взять обычную сталь. На штангах лучше всего использовать трапециевидную, а не конусную резьбу.

Она имеет достаточные прочностные характеристики, и с выполнением такой резьбы справится любой токарь. А вот для изготовления штанги с конусной резьбой придется искать специалиста.

Для бурения на глубину более 30 метров рекомендуется делать штанги из труб со стенкой 5-6 мм толщиной. Обычные трубы со стенкой 3,5 мм таких нагрузок могут и не выдержать. Для изготовления бура лучше брать не легированную сталь, а обычную, чтобы не возникло проблем в процессе сварки.

Для бурения твердых грунтов имеет смысл использовать высокопрочный бур-долото промышленного производства. Хороший эффект дает использование снаряд с тремя лопастями. При его работе используют циклическое вращение, что позволяет выполнять рыхление грунта максимально эффективно.

Буровые инструменты для ручного производства работ бывают разными по конструкции. Различают ложковые и змеевиковые модели, а также буровое долото. Ложковые буры эффективны на пластичных грунтах: супесях, суглинках, глинах. Резец такого бура обычно выполнен в виде ковша. Такой бур можно изготовить самостоятельно из трубы подходящего диаметра.

На плотных суглинках можно использовать также змеевиковый бур. Это устройство по конструкции напоминает штопор, а режущий элемент – раздвоенный, так называемый хвост ласточки. В качестве альтернативы змеевому буру можно использовать аналог ледового бура, но он может быть не так эффективен.

На твердых породах лучше всего показывает себя буровое долото с углом заострения 110-130 градусов. Долото может иметь очень разную форму, поскольку рассчитываются на разрушение скальных пород различной степени твердости.

Буровое долото подходит для работы на твердых и мягких грунтах. Такой бур можно изготовить из подручных материалов

Для бурения сложных геологических разрезов иногда лучше использовать бурение в два этапа двумя разными бурами. Сначала производят бурение узким буром, диаметром около 80 мм. После такого разведочного бурения работы выполняют буром большего диаметра, чтобы получить скважину нужного размера.

Грузоподъемность лебедки должна быть не менее одной тонны. Помимо электрической лебедки некоторые мастера сразу же ставят еще одну, механическую. Она эффективнее справляется в некоторых случаях, например, если заклинило обсадную трубу. Для электродвигателя и лебедки рекомендуется использовать два разных пульта управления.

Выводы и полезное видео по теме

Видео #1. Наглядный обзор буровой установки, изготовленной своими руками:

Видео #2. Вариант буровой установки комбинированного типа для ударно-канатного и шнекового бурения:

Видео #3. Использование желонки для ударно-канатного бурения:

Самодельная установка для бурения скважин – не слишком сложный агрегат, оставляющий простор для работы инженерной мысли. Но следует помнить, что узлы и механизмы такого устройства в процессе бурения испытывают существенные нагрузки. Поэтому материалы должны быть прочными, а работы нужно выполнить как можно лучше.

Бурение скважин осуществляется с помощью буровых установок, оборудования и инструмента.

Буровая установка – это комплекс наземного оборудования, необходимый для выполнения операций по проводке скважин. Все буровые установки подразделены на 11 классов, для глубокого разведочного и эксплуатационного бурения. Класс буровой установки подбирается по условной глубине бурения скважин при массе 1 м бурильной колонны 30 кг.

* Наибольшее распространение в кустовом бурении получила установка БУ-3000ЭУК (с э лектроприводом, у ниверсальной монтажеспособности для к устового бурения. Также применяются буровые установки: Уралмаш-3Д-76, БУ 5000/320 ЭСК-БМЧ, БУ 3900/225 ЭЧК-БМ-3, ZJ-40(50), МБУ-125, УПА-100, АРБ-100, TD-125 и др.

В зависимости от назначения скважины, ее глубины, геологических и климатических условий района, транспортного сообщения буровые уста­новки комплектуются по-разному, при этом во всех случаях стремятся к наиболее простому набору бурового оборудования, обеспечивающему ка­чественное, безаварийное, с минимальными затратами времени и средств, сооружение скважины.

Все оборудование буровой установки можно объеди­нить в несколько основных блоков:

1 - буровая вышка с талевой системой, подъемной лебедкой, элемен­тами управления и настилом для сборки, приемки, хранения бурильных и обсадных труб;

2 - силовой блок, состоящий из нескольких дизельных или электриче­ских двигателей, предназначенный для привода ротора и подъемной ле­бедки, включающий систему трансмиссий, редукторов, карданов и шкивов;

3 - насосный блок для промывки ствола скважины, включающий один-два или три буровых насоса с электрическим или дизельным приводом.

4 - циркуляционная система, включающая несколько емкостей для хранения бурового раствора, перемешивателей с электроприводом, блок приготовления и регулирования свойств бурового раствора, блок очистки от выбуренной породы, желоба с задвижками для манипуляции с выходящим из скважины при бурении потоком жидкости.

В состав буровой установки входит:

1. Буровая вышка.

Это сооружение над скважиной для проведения СПО, размещения бурильных свечей, служит основой для размещения и монтажа бурового оборудования.

Различают два типа вышек : башенные и мачтовые . Их изготавливают из труб или прокатной стали. Башенная вышка представляет собой правильную усеченную четырехгранную пирамиду решетчатой конструкции. Вышки мачтового типа бывают одноопорные и двухопорные (А – образные). Последние наиболее распространены. А – образные вышки более трудоемки в изготовлении и менее устойчивы, но их проще перевозить с места на место и производить монтаж/демонтаж.

Основные параметры буровой вышки – грузоподъемность, высота, емкость «магазина» для установки бурильного инструмента, длина размещаемой свечи, масса вышки.

Буровая вышка либо монтируется при помощи подъемников и домкра­тов отдельными секциями с последующим их соединением, при этом пер­вым монтируют верхний пояс с кронблоком, а последним - нижний пояс, либо собирается горизонтально на земле, а затем поднимается в вертикальное положение.

После установки вышки на фундаменты или платформы ее укрепляют растяжками, затем устанавливают подъемную лебедку.

Следующим этапом монтируют силовой блок для привода лебедки и ротора, трансмиссионную систему, систему пневматических муфт и гидро­тормоза, пульт управления. Лебедку оснащают талевым канатом, другой конец которого пропускают через шкивы кронблока и талевого блока (по­лиспаста ) и прикрепляют к основанию вышки специальным приспособле­нием (мертвый конец ). Устанавливают ротор и соединяют с двигателями цепной передачей посредством пневматической муфты.

Одновременно или поочередно монтируют насосный блок и циркуля­ ционную систему . Привод насосов от двигателей осуществляют клиновыми ремнями и шкивами. Циркуляционную систему соединяют с буровыми на­сосами трубопроводами и оснащают виброситами для выделения из про­мывочного агента сравнительно крупных частиц выбуренной породы (шлама), пескоотделителями и илоотделителями для более тонкой очистки промывочного агента, дегазатором для очистки бурового раствора от газа.

На емкости для хранения бурового раствора устанавливают механиче­ские и гидравлические перемешиватели, центробежные насосы (подпорные насосы ), осуществ­ляющие подачу жидкости в буровые насосы. Отдельно устанавливают и обвязывают манифольдами с циркуляцион­ной системой блок приготовления промывочного агента (БПР ).

2. Буровая лебедка.

Буровая лебедка предназначена для спуска и подъема бурильной колонны, свинчивания и развинчивания труб, спуска обсадных колонн, удерживания на весу неподвижной колонны или медленного ее опускания (подачи) в процессе бурения.

В ряде случаев буровая лебедка используется для передачи мощности от двигателя к ротору, подтаскивания грузов и других вспомогательных работ.

3. Спуско – подъёмный комплекс буровой установки (рисунок). Представляет собой полиспастный механизм, состоящий из кронблока 4, талевого (подвижного) блока 2, стального каната 3, являющегося гибкой связью между буровой лебёдкой 6 и механизмом 7 крепления неподвижного конца каната. Кронблок 4 устанавливается на верхней площадке буровой вышки 5. Подвижный конец А каната 3 крепится к барабану лебедки 6, а неподвижный конец Б – через приспособление 7 к основанию вышки. К талевому блоку присоединяется крюк 1, на котором подвешивается на штропах элеватор для труб или вертлюг. В настоящее время талевый блок и подъёмный крюк объединены в один механизм – крюкоблок .

Талевая (полиспастовая) система буровых установок предназначена для преобразования вращательного движения барабана лебедки в поступательное (вертикальное) перемещение крюка и уменьшения нагрузки на ветви каната и буровую вышку.

Через канатные шкивы кронблока и талевого блока в определенном порядке пропускается стальной талевый канат, один конец которого («мертвый») крепится к рамному брусу вышки, а другой, называемый ходовым (ведущим) - к барабану лебедки.

По грузоподъемности и числу ветвей каната в оснастке талевые системы разделяют на различные типоразмеры. В буровых установках грузоподъемностью 50-75т применяют талевую систему с числом шкивов 2 \3 и 3\4; в установках с грузоподъемностью 100-300т – талевую систему с числом шкивов 3\4, 4\5, 5\6 и 6\7. В обозначении системы оснастки первая цифра показывает число канатных шкивов талевого блока, а вторая – число канатных шкивов кронблока.

Кронблок представляет собой раму, на которой смонтированы оси и опоры со шкивами. Иногда рама выполняется как одно целое с верхней частью вышки.

Талевый блок представляет собой сварной корпус, в котором помещаются шкивы и подшипниковые узлы.

Талевые канаты представляют собой стальные круглые, шести рядные канаты тросовой конструкции крестовой свивки. Пряди, свиваемые в канат вокруг органического или металлического сердечника, изготавливаются из высокоуглеродистой и высокомарганцовистой стали высокой прочности с числом проволок от 19 до 37. Учитывая место крепления ходового конца каната в направлении его навивки на барабан, для буровых лебедок применяют талевые канаты правой свивки диаметрами 25, 28, 32, 35, 38 мм. Наиболее распространены канаты с органическим и пластмассовым сердечником диаметрами 28 и 32 мм. При глубинах более 4000м применяют канаты с металлическим сердечником.

Буровые крюки и крюкоблоки предназначены для подвешивания на них в процессе бурения бурильного инструмента и элеваторов при спускоподъемных операциях.

Крюкоблоки (крюки, соединенные с талевым блоком) имеют ряд преимуществ: меньшую общую высоту, чем у талевого блока и крюка, вместе взятых, более компактную конструкцию. К недостаткам следует отнести их большую массу.

Крюки бывают грузоподъемностью 75, 130, 200, 225т.

.Штропы бурильные – это звенья, соединяющие крюк с элеватором, на котором подвешивается бурильный инструмент или колонна обсадных труб. Грузоподъемность штропов – 25, 50,75, 125, 200 и 300т.

Буровая установка предназначена для бурения скважин различного назначения, отличающихся глубиной, диаметральными размерами и конструкциями. Эти отличия определяются целями бурения. Скважины бурят для решения инженерных, изыскательских, геофизических, структурно-- поисковых, геологоразведочных и нефтегазодобывающих задач. При этом существенное значение имеют климатические, геологические и дорожные условия, а также среда, где проводится бурение: суша или море.

Такое многообразие факторов предполагает необходимость разработки системного ряда буровых установок. Наличие такого ряда позволяет осуществить единственно целесообразный выбор типоразмера буровой установки для заданных условий бурения.

В связи с этим все типы буровых установок подразделяют на две категории:

первая -- для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения;

вторая -- для бурения неглубоких геологоразведочных, структурных и инженерного назначения скважин.

В нефтегазовой промышленности применяются буровые установки первой категории. Они обеспечивают бурение скважин вращательным способом для поисков и разведки месторождений, а также для добычи нефти и газа.

Анализируемая кинематическая схема.

В соответствии с заданной кинематической схемой, выполнить описание передачи мощности от двигателей до крюка и стола ротора.

Вычислить КПД кинематической схемы от двигателей до крюка и стола ротора.

Вычислить скорости вращения валов, барабана лебёдки и стола ротора и построить диаграмму скоростей вращения.

1. Описание участка кинематической схемы, объединяющего мощность силовых двигателей

Примеры описания участка кинематической схемы выполним, используя фрагменты несколько кинематических схем.

Для более современных буровых установок применяется схема объединения мощности двигателей с применением цепной объединяющей трансмиссии.

Эта схема с малыми изменениями применяется в большинстве буровых установок. Рассмотрим её на примере БУ 80 БрД (рисунок 1)

Движение от первого дизеля передаётся через муфту на турботрансформатор. С него через карданный вал движение передаётся на ШПМ. Здесь обе полумуфты установлены на вале объединяющей трансмиссии. Полумуфта с шиной - глухо, а полумуфта с барабаном - на подшипниках качения. Поэтому потерь при такой установке муфты - нет.

Рисунок 1

С муфты движение передаётся на вал, далее через цепную передачу на выходной вал. (По рассмотренной выше причине потери в ШПМ на выходе из объединяющей трансмиссии не учитываем). С него, через карданный вал, движение передаётся на входной вал наклонного редуктора, далее через цепную передачу на входной вал коробки скоростей.

При передаче мощности от второго двигателя на коробку передач кинематическая цепочка, по сравнению с кинематической цепочкой от первого двигателя, удлиняется на одну цепную передачу и один вал.

При передаче мощности от третьего двигателя на коробку передач кинематическая цепочка ещё удлиняется на одну цепную передачу и один вал.

Формула расчёта КПД от первого двигателя до первичного вала коробки скоростей выглядит так

зд1-кор = зм * зтт * зкв * зв * зц * зв * зкв * зв * зц

зд1-кор = 0,991 * 0,9922 *0,991 0,991 *0,993 *0,991 *0,991 *0,991 *0,993 = 0,9934 = 0,711

зд2-кор = 0,9938 = 0,682

ри передаче мощности на насосы получаем такие же кинематические цепочки, только в нумерации первый и третий двигатели меняются местами.

При расчёте суммарной мощности приводов с турботрансформаторами, мощность двигателей просто складывается.

При постоянной скорости вращения валов двигателей, вторичный вал турботрансформатора будет изменять скорость вращения в зависимости от нагрузки. В среднем скорость вторичного вала турботрансформатора вдвое меньше скорости вращения вала двигателя.

2. Коробки перемены передач

Коробки перемены передач и передачи с них на лебёдку и на ротор выполняются по-разному на установках Волгоградского завода буровой техники и Уралмаш завода.

Коробки перемены передач Волгоградского завода буровой техники с планетарными передачами рассматривать не будем ввиду их редкого применения.

Наиболее часто коробки перемены передач Волгоградского завода буровой техники выполняются по схеме, ставшей почти стандартной. Рассмотрим её на примере БУ 80 БрД (рисунок 2)

Между первичным и вторичным валами коробки имеются четыре цепных передачи с различными передаточными отношениями, что позволяет вторичному валу вращаться с четырьмя скоростями. Эти четыре скорости передаются с помощью цепной передачи 5 (z=23 - z=72) на подъёмный вал лебёдки. Эти же четыре скорости через цепную передачу (z=31 - z=31), вал, коническую передачу (z=24 - z=25), вал, карданный вал передаются на ротор.

Отметим, что числа зубьев конической передачи на данной схеме не указаны. К сожаленью почти все кинематические схемы имеют такие недостатки. Найти необходимые данные можно рассмотрев другие родственные кинематические схемы. Так установки БУ 80 БрД и БУ 80 БрЭ отличаются видом применяемых двигателей. Коробки скоростей и лебёдки в них одинаковы. Используем данные с этой кинематической схемы.

При подсчёте КПД участка кинематической схемы следует учесть, что при работе может быть включена только одна скорость. Потери в цепных передачах, вращающихся в холостую считаются пренебрежительно малыми. Полумуфты для каждой из всех муфт на рассматриваемом участке кинематической схемы находятся на одном и то же вале. Следовательно - потерь в муфтах нет.

Рисунок 2

При расчёте КПД от первичного вала до крюка последовательность учёта КПД элементов следующая: КПД первичного вала коробки, КПД цепной передачи, КПД вторичного вала коробки, КПД цепной передачи, КПД подъёмного вала, КПД талевой системы. Здесь отметим, что КПД подъёмного вала отличается от КПД других валов (см. приложение 1).

КПД талевой системы также см. в приложении 1.

При расчёте КПД от первичного вала до ротора следует учесть следующие составляющие: КПД первичного вала коробки, КПД цепной передачи, КПД вторичного вала коробки, КПД цепной передачи, КПД вала, КПД конической зубчатой передачи, КПД вала, КПД карданного вала, КПД ротора.

Математическая запись КПД, будет следующей:

зпв-крюк = зв * зц * зв * зц * зпв * зтс

зпв-крюк = 0,991 * 0,993 * 0,991 * 0,993 * 0,993 * 0,9913 = 0,9924 = 0,786

Принята оснастка 4х5

зпв-ротор = зв * зц * зв * зц * зв * з кзп * зв * зкв * зротора

зпв-ротор = 0,991 * 0,993 *0,991 0,993 *0,991 *0,993 *0,991 *0,991 *0,997 = 0,9921 = 0,81

Расчёт скоростей вращения барабана лебёдки и стола ротора

Скорость вращения выходного вала двигателей равна 750об/мин.

Для удобства описания обозначим валы на которых происходит изменение скорости вращения римскими цифрами как показано на рисунке3.

На вале 1 имеем 750об/мин.

Для расчёта скорости вращения вала 2, приводимого во вращение от вала 1через цепную передачу (z=31 - z=46), выполним вычисление:

Где 31 - число зубьев звёздочки цепной передачи, находящейся на вале 1;

46 - число зубьев звёздочки цепной передачи, находящейся на вале 2.

Действуя аналогично, подсчитаем скорость вращения первичного вала 3 коробки передач:

Рисунок 3

Вторичный вал коробки передач 4 будет иметь четыре скорости.

Первая самая низкая скорость получится при наибольшем передаточном отношении: