Материал: История развития буровых вышек

Рисунок 8 - Вертлюг: 1 - подшипники; 2 - корпус; 3 - сальники; 4 - щтроп; 5 - напорная труба; 6 - крышка корпуса; 7 - ствол.

Буровые насосы служат для нагнетания бурового раствора в скважину. При глубоком бурении их роль, как правило, выполняют поршневые двухцилиндровые насосы двойного действия. Напорный рукав (буровой шланг) предназначен для подачи промывочной жидкости под давлением от неподвижного стояка к перемещающемуся вертлюгу.

Ротор (рисунок - 9) передает вращательное движение бурильному инструменту, поддерживает на весу колонну бурильных или обсадных труб и воспринимает реактивный крутящий момент колонны, создаваемый забойным двигателем. Ротор состоит из станины 1, во внутренней полости которой установлен на подшипнике стол 2 с укрепленным зубчатым венцом, вала 6 с цепным колесом с одной стороны и конической шестерней - с другой, кожуха 5 с наружной рифельной поверхностью, вкладышей 4 и зажимов 3 для ведущей трубы. Во время работы вращательное движение от лебедки с помощью цепной передачи сообщается валу и преобразуется в поступательное вертикальное движение ведущей трубы, зажатой в роторном столе зажимами.

Рисунок 9 - Ротор: 1 - станина; 2 - стол с укрепленным зубчатым венцом; 3 - зажимы; 4 - вкладыши; 5 - кожух; 6 - вал.

Силовой привод обеспечивает функционирование всей буровой установки - он снабжает энергией лебедку, буровые насосы и ротор.

Привод буровой установки может быть дизельным, электрическим, дизель- электрическим и дизель-гидравлическим. Дизельный привод применяют в районах, не обеспеченных электроэнергией необходимой мощности. Электрический привод от электродвигателей переменного и постоянного тока отличается простотой в монтаже и эксплуатации, высокой надежностью и экономичностью, но применим только в электрифицированных районах. Дизель-электрический привод из дизеля, который вращает генератор, питающий, в свою очередь, электродвигатель. Дизель-гидравлический привод состоит из двигателя внутреннего сгорания и турбопередачи. Последние два типа привода автономны, но в отличие от дизельного не содержат громоздких коробок перемены передач и сложных соединительных частей, имеют удобное управление, позволяют плавно изменять режим работы лебедки или ротора в широком диапазоне.

Суммарная мощность силового привода буровых установок составляет от 1000 до 4500 кВт. В процессе бурения она распределяется на привод буровых насосов и ротора. При проведении спускоподъемных операций основная энергия потребляется лебедкой, а остальная часть - компрессорами, вырабатывающими сжатый воздух, используемый в качестве источника энергии для автоматического бурового ключа, подвесного бурового ключа, пневматического клинового захвата и др.

.4 Циркуляционная система буровой установки

Циркуляционная система буровой установки служит для сбора и очистки отработанного бурового раствора, приготовления новых его порций и закачки очищенного раствора в скважину. Она включает систему отвода использованного раствора от устья скважины , механические средства отделения частичек породы, емкости для химической обработки, накопления и отстоя очищенного раствора, шламовый насос, блок приготовления свежего раствора и буровые насосы для закачки бурового раствора по нагнетательному трубопроводу в скважину. К привышечным сооружениям относятся:

) помещение для размещения двигателей и передаточных механизмов лебедки;

) насосное помещение для размещения буровых насосов и их двигателей;

) приемные мостки, предназначенные для транспортировки бурового технологического оборудования, инструмента, материалов и запасных частей;

) запасные резервуары для хранения бурового раствора;

) трансформаторная площадка для установки трансформатора;

) площадка для размещения механизмов по приготовлению бурового раствора и хранения сухих материалов для него;

) стеллажи для размещения труб.

Раздел 2. История бурения нефтяных и газовых скважин

На основании археологических находок и исследований установлено, что первобытный человек около 25 тыс. лет назад при изготовлении различных инструментов сверлил в них отверстия для прикрепления рукояток. Рабочим инструментом при этом служил кремневый бур.

В Древнем Египте вращательное бурение (сверление) применялось при строительстве пирамид около 6000 лет назад.

Первые скважины в истории человечества бурили ударно-канатным способом за 2000 лет до нашей эры для добычи соли в Китае.

До середины 19 века нефть добывалась в небольших количествах, в основном из неглубоких колодцев вблизи естественных выходов ее на дневную поверхность. Со второй половины 19 века спрос на нефть стал возрастать в связи с широким использованием паровых машин и развитием на их основе промышленности, которая требовала больших количеств смазочных веществ и более мощных, чем сальные свечи, источников света.

Бурение первых скважин в России относится к IX веку и связано с добычей растворов поваренной соли в районе г. Старая Русса. Соляной промысел получил большое развитие в XV-XVII вв., о чем свидетельствуют обнаруженные следы буровых скважин в окрестностях г. Соликамска. Их глубина достигала 100 м при начальном диаметре скважин до 1 м.

Стенки скважин часто обваливались. Поэтому для их крепления использовались или полые стволы деревьев, или трубы, сплетенные из ивовой коры. В конце XIX в. стенки скважин стали крепить железными трубами. Их гнули из листового железа и склепывали. При углублении скважины трубы продвигали вслед за буровым инструментом (долотом); для этого их делали меньшего диаметра, чем предшествующие. Позднее эти трубы стали называть обсадными. Конструкция их со временем была усовершенствована: вместо клепанных они стали цельнотянутыми с резьбой на концах.

Первая скважина в США была пробурена для добычи соляного раствора близ г. Чарлстона в Западной Вирджинии в 1806 г. При дальнейших поисках рассолов в 1826 г. близ г. Бернсвилла в шт. Кентукки случайно была найдена нефть.

В 1901 г в США впервые было применено вращательное роторное бурение с промывкой забоя циркулирующим потоком жидкости. Необходимо отметить, что вынос выбуренной породы циркулирующим потоком воды изобрел в 1848 г. французский инженер Фовелль и впервые применил этот способ при бурении артезианской скважины в монастыре св. Доминика.

Одной из труднейших проблем, возникших при бурении скважин, особенно при роторном способе, была проблема герметизации затрубного пространства между обсадными трубами и стенками скважины. Решил эту проблему русский инженер А.А. Богушевский, разработавший и запатентовавший в 1906 г. способ закачки цементного раствора в обсадную колонну.

В 1923 г. выпускник Томского технологического института М.А. Капелюшников в соавторстве с С.М. Волохом и Н.А. Корнеевым изобрели гидравлический забойный двигатель - турбобур, определивший принципиально новый путь развития технологии и техники бурения нефтяных и газовых скважин. В 1924 г. в Азербайджане была пробурена первая в мире скважина с помощью одноступенчатого турбобура, получившего название турбобура Капелюшникова.

В 1937-40 гг.А.П. Островским, Н.Г. Григоряном, Н.В. Александровым и другими была разработана конструкция принципиально нового забойного двигателя - электробура.

.1 Промышленная добыча нефти в России

.1.1 Бурение нефтяных скважин на Тамани

Первые упоминания о применении бурения для поисков нефти относятся к 30-м годам XIX века. На Тамани, прежде чем рыть нефтяные колодцы, производили предварительную разведку буравом. Очевидец оставил следующее описание: «Когда предполагают выкопать в новом месте колодец, то сначала пробуют буравом землю, вдавливая оный и подливая немного воды, дабы он входил и по вынятию оного, если будет держаться нефть, то на сем месте начинают копать четырехугольную яму».

В 1864 г. на Тамани началось бурение на землях, арендованных полковником Ардалионом Новосильцевым (1818 - 1878). Первая буровая с приводом от паровой машины была заложена на левом берегу р. Кудако в 15 км от станицы Крымской и в 5 км от р. Кубани. В 1866 г. с глубины 38 м был получен первый фонтан нефти, что стало предвестником открытия нефтяных богатств Кубанского края. В память об этих событиях в 1964 г. отмечалось столетие проведения первых буровых работ, а первое воскресенье сентября стало праздником работников нефтяной и газовой промышленности страны.

Нефтяные промыслы на Таманском полуострове и в Кубанской области продолжали развиваться и после смерти их открывателя А.Н. Новосильцева. В 1886 г. там насчитывалось 67 буровых скважин. Самая глубокая из них была пробурена на 365 м. Добыча нефти в этом районе в 1889 г. составила 21 800 т.

.1.2 Бурение нефтяных скважин в Грозненском районе

г. Основание крепости «Грозной», ставшей центром формирования казачьих станиц на Северном Кавказе. Эта крепость дала новый толчок развитию колодезной добычи нефти, которая известна с конца XVIII - начала XIX веков. С 1833 по 1893 г. из колодцев извлечено более 50 тыс. т нефти. Колодезную добычу нефти начали учитывать с 1833 г., когда нефтяные участки стали сдавать в аренду.

Началом промышленного развития района принято считать день 6 октября 1893 года, когда из скважины № 1 глубиной 133 м, пробуренной предпринимателем Ахвердовым на Ермоловском участке в Мамакаевской балке (Старогрозненский район), был получен мощный фонтан качественной нефти с дебитом 500 тысяч пудов в сутки. Первые скважины, заложенные в 1892 году, бурились вручную, а затем (с 1893 года) с приводом от паровых машин ударно-штанговым (бакинским) способом, сущность которого заключалась в том, что порода разрушалась за счет периодических ударов по дну (забою) скважины специальным инструментом. Инструмент состоял из долота (типа плотничьего), расширителя, ударной штанги с направляющими фонарями, раздвижной штанги, буровых (подъемных) штанг, идущих от забоя до устья скважины (жестко соединенных между собой), и подвесной цепи. С помощью цепи инструмент подвешивался к балансиру станка, похожего на современный станок-качалку. При работе станка инструмент - несколько поднимался над забоем и вновь сбрасывался, нанося удар по дну скважины. В момент подъема долота над забоем рабочий поворачивал инструмент в точке его подвески на некоторый угол, что обеспечивало получение цилиндрической скважины. Долото наносило по забою 25-30 ударов в минуту. Чистка скважины от разрушенной породы осуществлялась периодически при помощи цилиндрического ведра с откидным дном - желонки, спускавшейся в скважину на канате.

Крепление стенок скважины осуществлялось непрерывно вслед за углублением ее клепаными металлическими трубами. По мере углубления скважины внутрь одной обсадной колонны опускалась следующая - меньшего диаметра. Начальный диаметр скважины на грозненских промыслах составлял 0,65 - 0,9 м, а конечный - 0,15 - 0,2 м.

Вследствие того, что бурение приостанавливали для чистки и крепления скважины, скорости проходки были низкими. Средняя месячная скорость углубления скважины углубления увеличилась до 68 м при глубине скважин 850 м и до 51 м при глубине их 1050 м. Для крепления в скважину опускалось обычно 8-10, а иногда и более обсадных колонн.

В 1896 году общество «Стукен и Шпис» впервые применило в Грозном ударное канатное бурение, которое отличалось от ударного штангового лишь тем, что здесь вместо буровых штанг долото крепилось к канату (сначала пеньковому, а с 1902 года - металлическому). К 1907 году ударное канатное бурение почти полностью вытеснило бакинский способ, так как в условиях грозненских месторождений оно оказалось более рентабельным. Впоследствии, ударное канатное бурение стали называть грозненским способом, который использовался здесь вплоть до 1932 года. К 1914 году этим способом уже было пробурено 1000 скважин. На грозненских промыслах в то время испытывались и другие способы бурения, но распространения они не получили.

К началу 1901 г. в Грозненском районе имелось около 200 скважин, из которых 120 эксплуатировались и давали 34,1 млн. пудов в год, что составляло 4,5% общероссийской добычи нефти.

Мощные фонтаны и высокое качество нефти способствовали широкому развертыванию буровых работ. За период 1898-1917 годов было пробурено 539 200 м. Наибольшая проходка приходится на 1914 год (85 000 м).

.1.3 Бурение нефтяных скважин в Азербайджане

Впервые в мире в 1803 г. бакинец Гаджи Касымбек Мансурбеков начинает морскую добычу нефти в Биби-Эйбатской бухте из двух колодцев в 18 м и 30 м от берега. Существование первого морского промысла прекратилось в 1825 г., когда сильный шторм на Каспии разрушил колодцы.

В 1834 г. директор бакинских нефтепромыслов Николай Воскобойников (1801-1860 гг.) изобрел особый перегонный снаряд для получения керосина из белой и черной нефти.

В 1837 г. в Балаханах, начал действовать первый на Апшероне и в мире нефтеперегонный завод Николая Воскобойникова (первый аналогичный завод в США будет построен в 1855 г. Самюэлем Кайером). На этом заводе впервые в мире была применена перегонка нефти вместе с водяным паром, а нефть подогревалась с помощью природного газа.

В 1846 г. в Баку на Биби-Эйбате, по предложению члена Главного управления Закавказским краем Василия Семенова (1801-1863 гг.) пробурена первая в мире скважина глубиной 21 м для разведки нефти; то есть, впервые в мире было осуществлено бурение на нефть с положительным результатом. Работа была осуществлена под руководством директора Бакинских нефтяных промыслов, Корпуса горных инженеров майора Алексеева.

В 1847 г. 8-14 июля в своих документах наместник на Кавказе, князь Михаил Воронцов (1782-1856 гг.), официально подтвердил факт окончания бурения первой в мире нефтяной скважины на берегу Каспийского моря (Биби-Эйбат) с положительным результатом.

В 1848 г. в бакинском поселке Балаханы был заложен колодец, давший 110 пудов нефти в сутки.

В 1849 г. промышленник М.Г. Селимханов на склоне горы Биби-Эйбат заложил колодец, из которого добывал 17-18 тыс. пудов нефти в год.

В России официально запрещалось бурение нефтяных скважин до 1869 г. (правительство прислушивалось к выводам иностранных специалистов, доказывающих непригодность и бесперспективность бурения для добычи нефти). К примеру; когда в 1866 г. Закавказское торговое общество ходатайствовало перед правительством о разрешении начать буровые работы, то получило отказ.

В 1869 г. откупщик И.М. Мирзоев пробурил свою первую скважину глубиной 64 м, в Балаханах, но неудачно. В 1871 г., почти на том же месте он пробуривает вторую скважину глубиной 45м, которая оказалась очень результативной: она давала в среднем до 2 тыс. пудов нефти в сутки.

С 1872 г. начинается интенсивное строительство скважин глубиной до 45-50 м, что приводит к почти полному прекращению строительства в бакинском районе новых колодцев.

С отменой откупа в бакинском районе началось усиленное бурение нефтяных скважин. Число их быстро возрастало: в 1872 г. была одна скважина, в 1873 г, - 17, в 1874 г. - 50, в 1875 г. - 65, а в 1876 г. - 101 скважина. Появились мощные фонтаны, показавшие изобилие нефти в Балаханах, Романах, Сабунчах, Забрате, Биби-Эйбате.

Первые скважины бурились вручную вращательным способом. Затем стали применять ударно-штанговое бурение с паровым приводом. При бурении в твердых горных породах использовали балансир, к одному концу которого присоединялся буровой инструмент. Другой конец балансира был соединен с ведущим шкивом посредством кривошипа. Шкив вращался паровой машиной. При бурении глубоких скважин применяли раздвижные штанги, или ножницы. Глубокие скважины крепили обсадными трубами.

Спуск и подъем бурового инструмента и обсадных труб, долбление горной породы, спуск и подъем желонки для извлечения разбуренной породы обеспечивал буровой станок, главный вал которого вращался от паровой машины. От главного вала получал движение цепной барабан, при помощи которого поднимался и опускался буровой инструмент. Балансир приводился в движение шатуном с кривошипом, насаженным на долбежном валу.

Первая установка для вращательного бурения с буровой вышкой высотой 15 м появилась в Баку в 1902 г. Станок ее состоял из трансмиссионного вала и трех шестерен. К одной шестерне передавалось движение от паровой машины единой передачей, от двух других шестерен передавалось движение барабану лебедки и ротору. Глинистый раствор для выноса разбуренной породы подавался к бурильным трубам паровым насосом.

Добыча нефти из буровых скважин производилась с помощью цилиндрических ведер длиной до 6 м. В дне ведра был устроен клапан, открывающийся вверх. Такое ведро, предназначенное для очистки скважин, называлось желонкой, а способ добычи нефти желонкой именовался тартальным.

Первые опыты по применению глубинных насосов для добычи нефти в Баку были сделаны в 1876 г. Но эти насосы быстро засорялись песком, и нефтепромышленники вернулись к привычной желонке. В 70-х гг. 19 в. В.Г. Шухов предложил компрессорный способ добычи нефти из скважин, при котором сжатый воздух использовался для подъема нефти (эрлифт). Этот способ был испытан в Баку в 1897 г. Другой способ подъема нефти из скважин - газлифт - был предложен М.М. Тихвинским в 1914 г. Из всех известных способов добычи нефти главным оставался тартальный. С его помощью в 1913 г. добывали 95 % всей нефти.