Аварийным инструментом в бурении называется группа инструментов, предназначенная для ликвидации аварий с технологическим инструментом, находящимся в скважине. К сожалению, аварии при бурении скважин бывают довольно часто, а ликвидировать их бывает иногда весьма сложно и долго. Это объясняется тем, что работа по бурению скважины происходит вне видимости «в темную» и судить о том, что происходит в скважине можно только по косвенным признакам. Аварии в скважине могут быть весьма разнообразны, большинство их сводится к пяти – шести видам: прихват снаряда, прижег коронки, обрыв бурильных труб, урон снаряда в скважину, поломка коронки или долота, урон посторонних предметов в скважину и другие. В большинстве случаев задача ликвидации аварии сводится к извлечению из скважины, оставшегося там технологического инструмента или его частей (поэтому аварийный инструмент часто называют «ловильный). Если верх попавшего в аварию бурового снаряда на поверхности, а поднять его из скважины лебедкой или вращателем бурового станка не удается - прихват, прижег, ), то сначала применяют аварийный инструмент, используемый на поверхности. Это прежде всего шарнирные хомуты (рис. 29) и гидравлические домкраты, ( рис. 30) (по правилам безопасности для ликвидации прихватов запрещается создавать нагрузку одновременно гидравликой и лебедкой станки и использовать винтовые домкраты), (рис. 30) и ударная или выбивная «баба » с выбивным наголовником, (рис.31 а,б).
Рис. 29.
Рис. 30.
| 
|
а б в
Рис. 31.
Если домкратом вытащить снаряд из скважины или выбить его «бабой» не удается и он не оборвался, то при наличии в колонковом наборе отсоединительного переходника, надо попытаться отвернуть бурильные трубы и поднять из на поверхность, оставив, прихваченный колонковый набор в скважине.
Когда верхний конец оставленного в скважине снаряда в глубине скважины, то первая задача сводится к соединению ловильного инструмента с тем, что в скважине. Если скважина большого диаметра или ствол скважины сильно разработан сначала в скважину спускают «печать», обычно самодельную из отрезка дерева, забитого в короткую колонковую трубу и смазанного с торца битумной мастикой. (рис 31 в). По отпечатку на печати подбирают ловильный инструмент и, если нужно изгибают нижнюю бурильную трубу ловильного снаряда Для соединения с оставшимся в скважине снарядом используются два классических инструмента или их производные – это метчик и колокол.
Метчик наружный конус с закаленной винтовой нарезкой с острыми «заходами» предназначен для соединения с частями снаряда в скважине, имеющими открытое сверху значительное отверстие. Метчик попадает в это отверстие и за счет вращения и подачи с поверхности нарезает в отверстии резьбу, ввинчивается в нее и, как правило, обеспечивает надежное соединение с пострадавшим снарядом (бывали случаи, когда при натяжке домкратом трубы рвались в целом месте, а соединение метчика с трубой выдерживало). Метчики делаются разных диаметров и могут ловить как бурильные (рис.32 а), так и колонковые и обсадные трубы (рис. 32 б). Для лучшего попадания метчиком в отверстие применяют метчики с направляющей юбкой (рис. 32 в), а для ловли колонковой трубы с керном(после отвинчивания переходника) применяют метчик с опережающей коронкой (рис. 32 г) для разбуривания, оставшегося там керна.
а б
в г
Рис. 32.
Колокол (вывернутый на изнанку метчик) делает тоже самое, что и метчик, но применяется если верхний конец потерпевшего инструмента имеет малое или завальцованное отверстие. Колокол применим для ловли бурильных труб, в том числе и с наголовниками (если позволит диаметр скважины).На рисунке приведен колокол (рис. 33 а) и колокол с направляющей юбкой (рис. 33 б).
а б
Рис. 33.
Если трубы не прихвачены, а просто уронены в скважину, и для их подъема не потребуется большие усилия, можно применить простой ловитель-овершот (рис.34 а, б), если на конце труб муфта или замок. Если конец труб гладкий, можно применить ловушку с заклинкой (рис. 34 б). В последнем случае ловушка за счет конуса надевается на гладкий конец трубы и с поверхности в нее засыпается заклиночный материал.
а б в
Рис. 34.
Для извлечения с забоя скважины мелких предметов: обломков долота или коронки, выпавших резцов, уроненного в скважины мелкого инструмента, кусочков выпавшего керна и.т.п. можно применять шнековую ловушку рис. 34 а, магнитную ловушку рис. 34 б, просто «паук» рис. 34в, а если предмет немагнитный, применяется гидравлическая ловушка рис 34. г.
а б в г
Рис. 34.
Труболовки применяются для ловли колонковых и обсадных труб. Имеются
гидравлические (раньше были и механические) самоосвобождающиеся труболовки (рис. 35 а), В свободном состоянии плашки труболовки находятся в верхнем положении и убраны внутрь. После того, как труболовка войдет в извлекаемую трубу, включают насос, жидкость надавит на поршень и сдвинет его и с ним плашки вниз. Плашки, двигаясь по конусу, раздвинутся и прочно захватят трубу. Для освобождения труболовки выключается насос, труболовка слегка сдвигается вниз, пружина поднимает поршень и плашки вверх и плашки сдвигаются по конусу внутрь. Труборез, (рис.35 б). Если вытащить трубы труболовкой не удается, то труболовка отсоединяется и в скважину спускается гидравлический труборез, который устанавливается выше прихваченной части трубы (или колонны обсадных труб) и за счет вращения с поверхности отрезает свободную часть трубы или колонны труб. Как и труболовка труборез включается и освобождается включением и выключением насоса.
а. б.
Рис. 35.
Если заведомо предполагается, что статическим усилием вытащить прихваченный снаряд не удастся, в ловильный инструмент может включаться забойный вибратор, который за счет ударного воздействия, значительно снижая силы трения, облегчит освобождение и извлечение прихваченного инструмента. Применяются механические и гидравлические забойные вибраторы (Рис. 36 а, б) - механический вибратор создает ударные импульсы за счет относительного вращения зубчатой пары, гидравлический вибратор работает по принципу гидроударникеа за счет энергии потока очистного агента.
Рис. 36.
Поскольку извлекать оставшуюся часть бурового инструмента не всегда удается целиком, т.е. вытащить не удается, его извлекают по частям, отвинчивая свободную часть инструмента. Для этого нужно иметь возможность вращать прихваченный инструмент влево. Для развинчивания прихваченного инструмента используется специальные аварийные бурильные трубы с левыми резьбами и ловильный инструмент(метчики, колокола и др.) также с левыми резьбами
Кроме ловильного инструмента с состав аварийного входит инструмент для разрушения, оставшихся в скважине частей технологического инструмента и для извлечения остатков разрушенного инструмента. Применяются соответственно различные фрезы и ловушки, последние могут быть с использованием потока очистного агента и магнитные (смотри рис.34)
Применяются и более редкие, а иногда, и оригинальные аварийные инструменты, изготовляемые для конкретного случая на месте.
2. Буровое оборудование.
Буровое оборудование – все агрегаты, механизмы, сооружения и основания, включая транспортные средства, необходимые для сооружения буровой скважины. Основу бурового оборудования составляет «буровая установка».
Буровая установка – комплект агрегатов, механизмов, сооружений и основание собранные вместе, предназначенные собственно для бурения скважины. Кроме буровой установки в состав бурового оборудования, входит оборудование для приготовления очистных агентов, общетехнические компрессорные станции, оборудование для выполнения специальных работ в скважинах (цементировочные агрегаты, трубоподъемные установки и др.)
Ввиду большого разнообразия параметров буровых скважин, видов и разновидностей бурения, для бурения скважин применяется большое количество разнообразных буровых установок. Чтобы в них разобраться, рассмотрим группы буровых установок по различным признакам:
Первое деление установок по принципу сборки – буровые установки могут быть цельные (единые) и сборные. Цельные имеют постоянный заводской состав и представляют собой единое целое. В таких установках отдельные механизмы для бурения независимо размещены на основании, не выделяя буровой станок. Мачта буровой установки составляет неотъемлемую часть установки (отдельно применяться не может). Правда, в такие установки входят и такие отдельные независимые узлы, как буровой насос (иногда компрессор) и транспортная база. К цельным буровым установкам относится большинство самоходных буровых установок (СБУ). В большинстве установок с подвижным вращателем мачта является частью станка и в таких установках понятия станок и установка почти совпадают и их часто называют буровой станок или буровой агрегат.
К сборным установкам относятся буровые установки, собранные из отдельных, независимо выпускаемых узлов. Такая установка включает: буровойагрегат, буровую вышку или мачту, буровое здание или укрытие и основание. Сборные установки – все стационарные и некоторые передвижные и самоходные установки).
Второе деление буровых установок на группы – по транспортабельности. По этому признаку установки делятся на: переносные, включая разборные, самоходные, передвижные и стационарные. Различие в транспортабельности установок видно из названия. Общим принципом выбора установки по транспортабельности можно считать соотношение времени на бурение скважины и времени на монтаж-демонтаж и перемещение установки на новую точку. При этом глубина скважины необязательно будет играть решающую роль – например, при бескерновом бурении скважин в осадочных породах, глубина скважин, буримых самоходными буровыми установками может достигать 1000 метров и более (бурение занимает несколько дней), а при бурении в очень твердых породах даже при глубине скважин до 300 – 500 метров выгоднее применять передвижные установки (бурение может продолжаться месяц и более).
Буровой агрегат – комплект механизмов непосредственно участвующих в процессе бурения скважины, поставляемый в постоянном составе. В состав агрегата входит буровой станок, буровой насос и приводы к ним (если электромоторы или гидромоторы, то непосредственно входят в состав станка и насоса, если ДВС.- он может входить в агрегат как самостоятельный узел). В буровых агрегатах с подвижным вращателем в состав агрегата неразрывно входит буровая мачта фактически являющаяся комплектом с вращателем.
2.1 Буровой станок.
Буровой станок – единица оборудования, включающая механизмы, обеспечивающие вращение с передачей крутящего момента, поступательное перемещение бурового снаряда, регулирование осевой нагрузки на ПРИ и выполнение спускоподъемных операций с буровым снарядом.
Поскольку для механического вращательного бурения, главное действие для разрушения породы на забое скважины – вращение ПРИ и создание заданной осевой нагрузки на ПРИ, эти действия осуществляются двумя главными механизмами бурового станка (установки или агрегата) – вращателем и механизмом подачи. По принципу работы этих механизмов буровые станки делятся на принципиально различные типы.
По устройству и принципу работы вращателя станки делятся на три типа: - станки (установки) с роторным вращателем, станки со шпиндельным вращателем и станки с подвижным вращателем.
Роторный вращатель в геологоразведочном и гидрогеологическом бурении применяется в самоходных буровых установках и в одном стационарном станке разведочного бурения - СКБ-8. При бурении нефтяных и газовых скважин это основной вид вращателя (в последнее время и в нефтяном бурении стали применять подвижные вращатели в сочетании с роторным). Роторный вращатель – «ротор» представляет собой диск, жестко установленный на упорном подшипнике на платформе установки, имеющий привод для вращательного движения от двигателя и имеющий центральное фигурное (обычно квадратное или шестигранное) отверстие. Поступательного осевого движения ротор не имеет. Для осуществления бурения через квадратное (во вставных плашках) отверстие ротора пропускается ведущая труба такого же сечения. Вращение ротора передается на ведущую трубу и через нее на буровой снаряд, при этом она может свободно перемещаться в осевом направлении по мере углубки скважины или при подъеме снаряда, при этом длина хода перемещения зависит от длины ведущей трубы (до 6 – 8 метров). Сам роторный вращатель в регулировании осевой нагрузки на ПРИ участия не принимает.
Главная часть шпиндельного вращателя – шпиндель представляет собой пустотелый вал с одним или двумя зажимными патронами на верхнем или на обоих концах, имеющий шлицы или шпоночную канавку на наружной поверхности. Верхняя часть шпинделя на подшипниках закреплена в подвижной траверсе (в самых старых станках была в «кремальере»). Через коническую шестерню на шпиндель передается вращение, а шлицевое соединение с шестерней позволяет шпинделю перемещаться в осевом направлении. Ход перемещения шпинделя обычно составляет 40 – 60 см.(в некоторых зарубежных станках ход шпинделя может быть до 1,1 метра). Вращение от шпинделя на буровой снаряд передается через ведущую трубу, обычно круглого сечения, жестко закрепляемой в шпинделе зажимным патроном. При этом на ведущую трубу и далее на буровой снаряд и ПРИ, кроме вращения, передается как осевое перемещение шпинделя, так и усилия, создаваемые на шпинделе (в отличие от вращателей роторного типа) механизмом подачи, соединенным со шпинделем.
Подвижный вращатель, В отличие от предыдущих, в некоторых станках не имеет сквозного отверстия для пропуска ведущей трубы и присоединяется к верхнему концу верхней трубы бурового снаряда (ведущей трубы здесь как таковой в это случае нет). В большинстве современных станков применяется «проходной подвижный вращатель» с зажимным патроном. В этом случае бурильная труба закрепляется во вращателе, так же как и в шпинделе. Вращение подвижный вращатель получает либо от вертикального вала – в основном в установках для неглубокого бурения, либо от двигателя, как правило, гидравлического, (но могут быть и ДВС и электромотор), установленного прямо на корпусе вращателя и перемещающегося вместе с вращателем в осевом направлении. Вращатель имеет скользящее зацепление со специальной мачтой или стойкой и может перемещаться вдоль нее на всю ее длину. Таким образом, ход вращателя зависит от длины вертикального вала или длины мачты (стойки), и может составлять от 1,2 до 5 – 8 метров. В некоторых зарубежных станках разведочного бурения ход подвижного вращателя достигает 12 метров («Purpose Drill» - 5000Drill, кстати, этот станок рассчитан на бурение разведочных скважин глубиной до 4700 метров!) Регулирование осевой нагрузки на ПРИ осуществляется присоединенным к вращателю механизмом подачи.
. Второе принципиальное различие буровых станков и установок – по типу «подачи». Подача - способ создания и регулирования осевой нагрузки на ПРИ и одновременно осуществление поступательного движения бурового снаряда по мере углубки скважины. С учетом истории можно выделить следующие виды и разновидности типов подачи: - свободная (в роторных буровых установках), ручная (рычажная старая и цепная современная) механическая цепна я, винтовая или дифференциальная и гидравлическая.
Наиболее просто исполнена свободная (с тормоза лебедки) подача, характерная для установок роторного типа. При бурении такими установками осевая нагрузка на ПРИ создается весом бурового снаряда. Обычно бурение роторными буровыми установками ведется в мягких или слабых скальных породах, где не требуется больших осевых нагрузок на ПРИ. В начале бурения скважины, когда вес снаряда небольшой, или при встрече твердых пород, когда надо увеличить осевую нагрузку, в буровой снаряд включают УБТ. Когда же с увеличением глубины скважины вес снаряда станет больше нужной осевой нагрузки на ПРИ, лишнюю часть веса сдерживают натяжением троса тормозом лебедки. По мере углубки скважины трос сматывается с барабана лебедки, преодолевая усилие тормоза, так, что на ПРИ поддерживается нужная осевая нагрузка. Т.е. Cос.= Gснаряда – FТОРМОЗА. При двухструнной талевой оснастке
Сос.= Gснаряда – 2 Fтормоза. Управление величиной осевой нагрузкиздесьосуществляется вручную бурильщиком. Контроль за величиной осевой нагрузки осуществляется по прибору, установленному на свободном неподвижном конце каната, закрепленном на основании установки. Схема свободной подачи приведена на рис. 37.
.
Рис. 37
Подача с тормоза лебедки может быть автоматизирована, что обеспечивает более точную регулировку осевой нагрузки на ПРИ. Установка УКБ-8, предназначенная для бурения глубоких скважин при разведке твердых полезных ископаемых, как типично роторная, имеет свободную подачу, т.е. осевая нагрузка на ПРИ создается только весом бурового снаряда, однако учитывая важность точного регулирования осевой нагрузки и скорости углубки при алмазном бурении в твердых породах в блоке лебедки в строен автомат подачи. Его схема показана на рис.38 
Рис.38
.
Ручная рычажная подача была на первых отечественных буровых шпиндельных станках КА-2М-300 и КАМ-500. Принцип ее виден из рис. 39 и 40
Рис. 39.
. На верхней части шпинделя надета на упорных подшипниках трубка с зубчатой наружной нарезкой – кремальера, скользящая в осевом направлении в корпусе вращателя. В зацеплении с кремальерой находится шестерня, связанная с рычагом. Движение рычага и усилие, приложенное к рычагу, передается через шестерню на кремальеру, а с нее на шпиндель и на буровой снаряд. При этом, усилие, прикладываемое рабочим на конце рычага, передается на шпиндель увеличенное во столько раз, во сколько раз длина рычага больше радиуса передающей шестерни (примерно в 20 раз).
Рис. 40.
Ручная цепная подача применяется в современных буровых станках (установках) предназначенных для бурения мелких скважин глубиной до 30 метров, обычно легких и с переносным вариантом. К ним относится мотоблок М-
10, установка УКБ12,5/25 и ряд других мелких установок. Принцип действия такой ручной цепной подачи хорошо виден на схеме ручной ценой подачи установки УКБ 12,5/25. Ее схема и ее вид приведены на рис. 41.
Рис. 41.
Механическая цепная подача используется для создания дополнительной нагрузки на ПРИ в роторной буровой установке УРБ-2,5А. В отличии от других роторных буровых установок, предназначенных для бурения более глубоких скважин, установка УРБ-2,5А бурит только до 200 метров. При этом вес снаряда будет недостаточен для создания нужной осевой нагрузки почти на всем протяжении бурения. Для создания дополнительной нагрузки на ПРИ от двигателя через трансмиссию и червячную передачу передается вращение на вал с двумя звездочками, вращение которых передается на цепи, которые проходят вдоль мачты и, в свою очередь, соединены с вертлюгом-сальником на верхнем конце ведущей трубы. Рис. 40. При включении механизма подачи цепи давят на ведущую трубу, но, поскольку буровой снаряд не может двигаться вниз быстрее скорости бурения, а цепи двигаются значительно быстрее, то сила натяжения цепей будет приподнимать заднюю часть платформы буровой установки. Обычно бурильщик поднимает платформу на 15-20 см. после чего механизм подачи выключают и бурение идет с дополнительной (к весу снаряда) нагрузкой за счет веса приподнятой части платформы. Когда платформа опускается до исходного положения, операция повторяется. Очевидно, что регулирование осевой нагрузки на ПРИ здесь делается «на глаз» и она меняется по мере опускания платформы, но для бурения в мягких и полускальных породах это не имеет существенного значения. Схема механической цепной подачи приведена на рис. 42.
Рис.42.
Винтовая или дифференциальная система подачи применялась в наших старых станках ГП-1, ЗИВ-75 и ЗИВ-150. В виду определенных достоинств этой системы (компактность), винтовая подача применяется в некоторых современных зарубежных станках (Lоngyear 65; 65ENS..). Для обеспечения подачи бурового снаряда в процессе бурения в системе винтовой подачи используется принцип «винта и гайки».
Представьте жестко закрепленную гайку и вращающийся винт, естественно винт будет перемещаться в осевом направлении относительно гайки, а если на винт приложить крутящий момент, то на винт будет передаваться осевое усилие, равное сопротивлениям движению винта (и приложенному моменту). В станке с винтовой подачей (ГП-1, рис.43.) на шпинделе нарезается крупная прямоугольная левая резьба, на которую навинчена «гайка подачи», размещенная в корпусе вращателя не имеющая перемещения в осевом направлении. Вращение на шпиндель передается с приводной шестерни через продольную шпоночную канавку, а на гайку подачи – через редуктор, состоящий из двух шестерен, промежуточного вала и фрикциона. Шестерни подобраны таким образом, что гайка подачи может вращаться значительно быстрее шпинделя, а за счет управления фрикционом частота вращения гайки подачи может изменяться от нуля до максимума. (Термин «дифференциальная подача» означает принцип разных скоростей вращения шпинделя и гайки подачи). Когда гайка вращается быстрее шпинделя, шпиндель как бы вывинчивается и перемещается вниз со скоростью углубки, а регулирование фрикционом крутящего момента позволяет при этом регулировать осевую нагрузку на ПРИ. (в данной схеме только дополнительную нагрузку). Достоинства станков с винтовой подачей их компактность, меньший вес и стоимость за счет отсутствия гидравлической системы.
Рис. 43.
Гидравлическая подача применяется в большинстве современных буровых станков для разведочного бурения. Ее несколько большая сложность и стоимость вполне окупается целым рядом достоинств и преимуществ по сравнению с другими системами подачи. Принцип работы гидравлической подачи будет рассмотрен на примере буровых станков со щпиндельным (СКБ-4, СКБ-5) и с подвижным вращателем (УРБ-2А-2)
Достоинства гидравлической подачи:
1. Гидравлическая подача обеспечивает более качественное регулирование
осевой нагрузки и скорости углубки, чем другие варианты подачи (свободная, винтовая, цепная);
– она универсальна – позволяет создавать усилия на вращателе и вниз и вверх;
- она может создавать весьма значительные усилия до 15 тонн и более;
- она позволяет очень легко и точно изменять и регулировать усилие подачи;
- она позволяет точно регулировать скорость углубки независимо от условий бурения;
2. Гидравлическая подача, как правило, является частью гидравлической системы станка (установки), которая, в свою очередь, позволяет механизировать и автоматизировать ряд операций, выполняемых при бурении и спуско-подъемных операциях. (автоматическое перекрепление зажимных патронов, перемещение станка, работа гидродвигателя подвижного вращателя, подъем и опускание мачты, работа гидроприводного труборазворота и трубодержателя и другие).
Гидравлическую систему подачи имеют все отечественные шпиндельные станки и станки с подвижным вращателем, за исключением самого маленького станка УКБ-12,5/25 с ручной цепной подачей. (В роторных установках обычно применяется свободная подача с тормоза лебедки, кроме одной роторной установки - УРБ-2,5А с механической цепной подачей и установки УКБ-8, где подача с тормоза лебедки не «свободная», а автоматизирована.).