Основы техники, технологии и безопасности буровых работ


В. В. Нескоромных






                ОСНОВЫ ТЕХНИКИ, ТЕХНОЛОГИИ И БЕЗОПАСНОСТИ БУРОВЫХ РАБОТ




Учебное пособие









Инфра-Инженерия Москва - Вологда 2019

УДК 622.24 (075.8)
ББК 31.31я73
    Н 55



  ФЗ    Издание не подлежит маркировке
№436-Ф3 в соответствии сп.1ч.4 ст. 11 

Рецензенты:

канд. техн. наук, ведущий инженер Центра лабораторного анализа и технических измерений Ростехнадзора по Восточно-Сибирскомурегиону А. Д. Елисеев; д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой горных машин и комплексов Института горного дела, геологии и геотехнологий Сибирского федерального университета А. В. Гилев


     Нескоромных В. В.
Н 55 Основы техники, технологии и безопасности буровых работ: учебное пособие. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 376 с.

     ISBN978-5-9729-0302-3


     Представлены сведения о буровой технике, технологиях и правилах безопасного ведения буровых работ. Приведена информация как об отечественной буровой технике и технологиях бурения скважин, так и о зарубежных буровых установках, инструменте, бурильных колоннах и реагентах для приготовления буровых растворов. Представлены сведения о механике разрушения горных пород.
     Предназначено для студентов специальности 21.05.03 «Технология геологической разведки», в том числе во время прохождения учебной буровой практики, а также при подготовке к сдаче квалификационного экзамена по присвоению рабочей квалификации «Машинист буровой установки». Может быть полезно студентам горно-геологических специальностей.
     Содержание учебного пособия соответствует государственному образовательному стандарту.



     ISBN978-5-9729-0302-3

© Нескоромных В. В., автор, 2019
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

    ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ...........................................7
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О БУРОВОЙ ТЕХНИКЕ
          ИОБОРУДОВАНИИ............................9
      1.1. Анализ основных конструктивных схем буровых установок....................................9
      1.2. Регулирование и управление частотой вращения инструмента.................................23
      1.3. Гидропривод.....................................32
      1.4. Основные параметры буровых установок............40
      1.5. Грузоподъемноеустройство буровых установок....................................44
      1.6. Талевая система и привод лебедки буровых установок....................................53
      1.7. Основныетипы буровыхустановок для разведочного бурения на твердые полезные ископаемые.........................61
      1.7.1. Буровые установки отечественного производства.61
      1.7.2. Буровые установки зарубежного производства....67
      1.7.3. Опыт эксплуатации бурового оборудования зарубежных компаний в условиях Сибири и Крайнего Севера............................112
      1.8. Общая характеристика буровой установки УКБ-4..............................118
ГЛАВА 2. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ БУРЕНИЯ И МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ СКВАЖИН..............................147
      2.1. Способы бурения разведочных скважин............147
      2.2. Параметры заложения и траектории скважины...................................157


3

     2.3. Основныеспособызабуриванияскважин ......163
     2.4. Основные требования к конструкции скважины....................................165
     2.5. Технология бестраншейного строительсва подземных коммуникаций методом горизонтального направленного бурения.......173
     2.6. Технология прокладки трубопроводов с помощью шнековых буровых машин......................174
     2.7. Современные методы проведения подземных коммуникаций................................180
ГЛАВА 3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕХАНИЧЕСКИХ СПОСОБОВ
         РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД..................185
     3.1. Основные физико-механические свойства горных пород................................185
     3.2. Основные принципы и закономерности разрушения горных пород при бурении..........193
     3.3. Бурениеинструментомсрезцами из твердого сплава..........................207
     3.4. Бурениеинструментомсрезками
         из композиционных алмазосодержащих материалов и поликристаллических алмазов.211
     3.5. Бурение алмазным породоразрушающим инструментом................................219
     3.6. Бурениесплошнымзабоем..................221
     3.7. Комбинированное механическое разрушение горных пород................................230
     3.8. Разрушение горных пород при вибрационном бурении.....................................231
     3.9. Разрушение горных пород при шароструйном бурении.....................................231
ГЛАВА 4. ОЧИСТНЫЕ АГЕНТЫ ДЛЯ РАЗВЕДОЧНОГО БУРЕНИЯ......................................235
     4.1. Характеристика основных типов очистных агентов............................235
     4.2. Газожидкостные смеси для бурения.......244

4

ГЛАВА 5. СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БУРЕНИЯ..............................250
     5.1. Средства механизации при бурении......250
     5.2. Контрольно-измерительная аппаратура для контроля технологических параметров бурения.........................256
     5.3. Общие сведения об автоматизированных системах управления........................270
ГЛАВА 6. КОНСТРУКЦИИ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ, КОЛОНКОВЫХ СНАРЯДОВ И ДРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ БУРИЛЬНОЙ               КОЛОННЫ......278
     6.1. Конструкциибурильныхтруб и колонковых наборов......................278
     6.2. Система GEOBORS......................294
     6.3. Вспомогательные элементы бурильной колонны..........................301
     6.4. Основы механики бурильной колонны и расчет бурильных колонн на прочность.....303
ГЛАВА 7. ОСНОВЫ БЕЗОПАСНОГО ПРОИЗВОДСТВА БУРОВЫХ РАБОТ.........................335
     7.1. Обустройство поверхности и мест сооружения буровых установок..........................336
     7.2. Монтажидемонтажпередвижных и самоходныхустановок.....................344
     7.3. Бурениескважин.......................346
     7.4. Передвижение буровыхустановок........363
     7.5. Бурение с применением активных промывочных жидкостей и смазки........................366
     7.6. Креплениескважин.....................369
     7.7. Ликвидация инцидентов и аварий.......371
     7.8. Ликвидация и консервация скважин.....372
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................374

5

ЛИСТАЕМ КНИГУ С ТИТУЛОМ «ЗЕМЛЯ»


                             Листает книгу вышка буровая Внимательно грохочущим станком. Грохочет дизель, крутятся карданы, Выводят такт насоса клапана.
                             И гонит шпиндель в землю неустанно Снаряд, о трубы штангами звеня.
                             Земные недра - сколько нужно сметки, Чтоб заглянуть в глубокие слои, Чтобэти потом политыеметры До черного богатства довели.

В. Верхотуров


6

    ВВЕДЕНИЕ



     Дисциплина «Основы техники, технологии и безопасности буровых работ» может преподаваться студентам после прохождения ими учебной буровой практики с целью подготовки к сдаче квалификационного экзамена по присвоению рабочей квалификации «Машинист буровой установки» 4-го разряда.
     Таким образом, основной целью при изучении дисциплины является получение студентами
     • знаний об устройстве буровых станков, установок, бурового оборудования и инструмента, основ технологии, правил и приемов безопасного ведения буровых работ,
     • умений управлять буровым агрегатом и выполнять основные виды работ по обслуживанию бурового оборудования и выполнения основных видов работ,
     • навыков безопасного управления буровым станком и производства работ по бурению скважин.
     Исходя из поставленных задач, в учебном пособии приведены сведения о буровом оборудовании как отечественных, так и зарубежных производителей, способах бурения скважин и различных типах бурового инструмента, о технологиях бурения и ликвидации осложнений и аварий при бурении, даны сведения о требованиях безопасности буровых работ.
     Бурением скважин называется совокупность работ по проведению в горных породах выработок круглого поперечного сечения. Эти работы выполняются специальными техническими средствами (буровыми установками и инструментами] без доступа человека внутрь этих выработок. Бурение скважин, как любая техническая отрасль знания, подразделяется на технику и технологию бурения.
     Буровой скважиной называется цилиндрическая горная выработка, имеющая диаметр во много раз меньше ее глубины. Диаметр буровых

7

скважин изменяется от 16 до 1 500 мм, а в некоторых случаях, например, при бурении под шахтные стволы - до 8-10 м.
     Естественно, что при бурении разведочных скважин бурение осуществляется гораздо меньшим диаметром с целью уменьшения массы буровых установок и инструмента, увеличения скорости бурения и удешевления работ на разведку того или иного месторождения.
     Бурение скважин может производиться с земной поверхности, из подземных горных выработок, с поверхности водоемов (рек, озер, морей и океанов] и даже с поверхности других планет (например, с поверхности Луны].
     Бурение, как средство проникновения в глубь земной коры с целью ее изучения и добычи полезных ископаемых, использовалось человеком еще в древности. Самые первые шаги человеческой цивилизации были связаны с освоением минеральных богатств земных недр, которое невозможно без проходки разведочных и эксплуатационных скважин.

8

    ГЛАВА 1.

    ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О БУРОВОЙ ТЕХНИКЕ
    И ОБОРУДОВАНИИ


1.1. Анализ основных конструктивных схем
    БУРОВЫХ УСТАНОВОК

    Буровая установка — агрегат различных по назначению машин, механизмов и сооружений, предназначенных для производства процесса бурения [строительства] скважины.
    В состав буровой установки входят следующие основные механизмы: буровой станок, буровой насос и [или] компрессор, привод станка и насоса -дизель-генераторная станция, буровая вышка или мачта, буровое здание, система приготовления и очистки промывочной жидкости, система энергообеспечения, освещения и отопления буровой установки, вспомогательное оборудование, например, труборазворот, лебедки для подъема съемного керноприемника, буровые ключи и трубы [колонковые и бурильные].
    Буровой станок — основной элемент буровой установки, который осуществляет выработку [в ряде случаев трансформацию] и передачу энергии от привода на забой скважины для разрушения горной породы, подачу бурового инструмента при углубке скважины, спуско-подъемные и вспомогательные операции бурового процесса.
    Буровые установки применяются для производства буровых работ различного назначения:
    •  инженерно-геологических изысканий;
    •  бурения разведочных и эксплуатационных скважин на воду;
    •  поискового и разведочного бурения на твердые полезные ископаемые;
    •  разведочного и эксплуатационного бурения на нефть и газ;


9

     • бурения скважин специального назначения с целью:
       о сооружения свайных фундаментов и укрепления грунтов под фундаментами, вдоль береговых линий и др.;
       о прокладки подземных коммуникаций и трубопроводов методами горизонтально-направленного бурения (ГНБ);
       о бурения геотехнологических скважин;
       о тепло- и энергообеспечения объектов, например, бурения скважин на месторождениях паро-гидротерм, аккумулирования тепловой энергии, создания скважинных возобновляемых источников энергии (СВИЭ).
     Для бурения используются самоходные (на транспортной базе в виде колесного или гусеничного тягача) и передвижные буровые установки, перевозимые на прицепе или путем погрузки на тот или иной транспорт.
     Диапазон глубин бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые очень широк и охватывает скважины глубиной от нескольких метров до нескольких тысяч метров. Нижний предел этого диапазона в настоящее время превосходит глубину 3 000 м. В 1977 году в Министерство Геологии СССР введен в действие параметрический ряд буровых установок (СТ СЭВ 771-77 и СТ СЭВ 770-77), отличающихся значениями основных параметров - грузоподъемностью, глубиной бурения, мощностью привода.
     Существующий параметрический ряд подразделяет все установки на восемь классов (табл. 1.1). В качестве главного параметра, на основании которого произведено разделение установок по классам, принята номинальная глубина скважин, в данном случае заданная глубина бурения вертикальных скважин, которую должна обеспечивать данная установка при использовании основного бурового снаряда.
     В качестве основного снаряда для установок 3-8 класса был принят снаряд, включающий алмазный породоразрушающий инструмент диаметром 59 мм и стальную бурильную колонну диаметром 50 мм. Масса 1 м такого снаряда с учетом массы соединительных деталей для свечей длиной 18,6-9,5 м равна 5,5-6,9 кг.
     Номинальные геолого-технические условия характеризуются бурением скважин в вертикальном направлении при отсутствии интенсивного искривления и сужения ствола, обвалов породы со стенок, поглощений промывочной жидкости.

10

     Согласно СТ СЭВ 770-71 буровые установки 3-8 классов должны иметь максимальную грузоподъемность в 1,6 раза больше номинальной, а установки 1-2 классов в 2 раза.
     Регламентированные значения максимальной грузоподъемности выбраны с таким расчетом, чтобы они перекрывали все кратковременные динамические нагрузки и обеспечивали ликвидацию большей части осложнений, встречающихся в буровой практике.
     На основе СТ СЭВ 770-71 разработан ряд установок типа УКВ, позволяющих бурить геологоразведочные скважины на высоких скоростях, с применением всех основных видов породоразрушающего инструмента и прогрессивных буровых снарядов, в том числе снарядов со съемными керноприемниками и снарядов с гидроударными машинами.


Таблица 1.1

Параметрический ряд буровых установок для бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые

  Класс   Номинальная    Номинальная      Максимальная    Номинальная 
 буровой    глубина   грузоподъемность, грузоподъемность,   мощность  
установки бурения, м         даН               даН        привода, кВт
    1         25             125               200             3      
    2         100            630              1 000            11     
    3         300           2 000             3 200            15     
    4         500           3 200             5 000            22     
    5         800           5 000             8 000            30     
    6     1 200             8 000            12 500            45     
    7     2 000            12 500            20 000            55     
    8     3 000            20 000            32 000            75     

11

     Параметрический ряд буровых установок оснащен следующими агрегатами:
     • буровыеустановки 1 классаУКБ-1-12/25, буровой насос НБ-1;
     • установка 2 класса УКБ-2 (станки СКБ-2-50/100, БСК-100-2М, насос НБ-2];
     • установка 3 класса УКБ-3 (станок СКБ-3-200/300, насос НБ-3];
     • установка 4 класса УКБ-4 (станки СКБ-4-300/500 и СКБ-4110-300/500, насосНБ-3];
     • установка 5 класса УКБ-5 (станки СКБ-5-500/800, ЗИФ-650 М (СКТО-65], насос НБ-4];
     • установка 6 класса — станок ЗИФ-1200 МРК (СКТО-75] с насосом НБ-5;
     • установка 7 класса УКБ-7 (станок СКБ-7, насос НБ-5];
     • установка 8 класса УКБ-8.
     Основными механизмами бурового станкаявляются:
     • вращатель — механизм, который осуществляет передачу крутящего момента от привода через трансмиссию на ведущую штангу и породоразрушающий инструмент;
     • механизм подачи и регулирования осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент в процессе углубки забоя скважины;
     • грузоподъемное устройство, предназначенное для проведения спуско-подъемных операций;
     • устройство для регулирования частоты вращения вращателя и грузоподъемного устройства;
     • аппаратурауправления и контроля процесса бурения.
     Схема бурового станка определяется выбором типа вращателя.
     Вращатели станков, предназначенные для разведочных работ на твердые полезные ископаемые, могут быть следующего типа:
     • роторный (рис. 1.1];
     • шпиндельный;
     • подвижный;
     • верхний привод - как вариант подвижного вращателя, предназначенный для бурения глубоких скважин.

12

Рис. 1.1. Схема роторного вращателя:
а — общий вид; б — вид сверху;
1 — ротор; 2 — ведущая труба; 3 — лебедка; 4 — талевый канат;
5 — неподвижный конец талевой системы; 6 — вертлюг;
7 — талевый блок; 8 — кронблок; 9 — буровая вышка;
10 — вкладыши ротора; 11 — вал привода ротора

     Для роторного вращателя характерны следующие особенности:
     •  высокая грузоподъемность, что определяет использование такого типа вращателей при бурении глубоких и сверхглубоких скважин;
     •  непрерывный ход подачи h = 5-15 м (рис. 1.1);
     •  необходимость прерывать процесс углубки и циркуляции очистного агента при наращивании бурильной колонны.
     Роторный вращатель представляет собой ротор с приводом вращения 11, с крышкой (неподвижная поверхность) и столом ротора (вращающаяся часть). От вращающейся части ротора вращение передается ведущей

13