Буровое оборудование

Несущая мачта — ферменная конструкция, которую собирают из трубчатых или угловых профилей низколегированной стали. Выбор материала обусловлен необходимостью выдерживать колоссальные нагрузки от веса бурильной колонны и обсадных труб.

Для защиты от коррозии в условиях влажного климата все поверхности покрывают горячим цинком или многослойными полимерными составами. Узлы крепления секций снабжают прецизионными конусными пальцами, которые гарантируют жесткость соединения при сильном ветре или вибрации. В верхней части располагают кронблок с системой стальных роликов, потому что через них проходит талевый канат диаметром до 45 мм и более. Основание мачты фиксируют к массивной подвышечной раме, распределяющей общий вес оборудования по площади бетонного фундамента.

Внутреннее пространство оснащают лестницами с защитными ограждениями и площадками для технического обслуживания вертлюга или верхнего привода. Конструкция часто включает выдвижные гидравлические опоры, которые позволяют быстро выравнивать установку относительно вертикальной оси скважины. Для снижения парусности при штормовых порывах ветра форму ферм рассчитывают с учетом аэродинамических свойств стального профиля.

Буровая лебедка оснащается двумя независимыми тормозными системами для обеспечения безопасности при спускоподъемных операциях. Основной тормоз, ленточный или дисковый, удерживает барабан с канатом в неподвижном состоянии, когда бурильная колонна находится в подвешенном положении. Тормозные колодки изготавливают из фрикционных материалов с добавлением медной стружки, потому что они должны сохранять коэффициент трения при нагреве до +300℃.

Вспомогательный тормоз — гидродинамический или электромагнитный — используют для регулирования скорости спуска тяжелого инструмента в скважину. Это устройство поглощает кинетическую энергию и преобразует ее в тепло, которое затем отводит система водяного охлаждения.

Корпус тормозного диска снабжают внутренними каналами для циркуляции жидкости, чтобы предотвратить тепловую деформацию металла при длительной работе. В современных моделях применяют автоматические системы управления, которые контролируют усилие зажатия колодок в зависимости от веса колонны. Пневматические приводы обеспечивают быстрое срабатывание защиты при возникновении аварийной ситуации или обрыве электропитания.

Трансмиссия ротора передает крутящий момент от приводного двигателя к бурильной колонне через систему конических шестерен и валов. Главный вал устанавливают на радиально-упорных подшипниках большого диаметра, которые способны выдерживать огромные осевые нагрузки. Коническую пару шестерен изготавливают из легированной стали с последующей цементацией и закалкой для достижения твердости поверхности 58–62 HRC.

Зубчатое зацепление работает в масляной ванне, что обеспечивает постоянное смазывание и эффективный отвод тепла от зоны контакта. Внутри корпуса располагают стол ротора с центральным отверстием, через которое проходят ведущая труба и бурильный инструмент. Стопорное устройство фиксирует вращающуюся часть в нужном положении при выполнении операций по наращиванию или разбору колонны.

Для передачи вращения применяют карданные валы или цепные передачи с автоматической системой натяжения, которые гасят крутильные колебания. Корпус ротора делают из литой стали с толстыми стенками, потому что он служит опорой для тяжелых клиньев при удержании труб. Лабиринтные уплотнения в верхней части защищают внутренние механизмы от попадания бурового раствора, шлама и атмосферных осадков.

Вертлюг соединяет неподвижную систему подачи бурового раствора с вращающейся бурильной колонной и работает под давлением до 35 МПа. Высоконапорные уплотнения герметизируют стык между полым стволом и неподвижным корпусом, чтобы предотвратить утечку абразивной промывочной жидкости. Их изготавливают из армированных полимеров или композитов на основе фторопласта, которые обладают низким коэффициентом трения и высокой стойкостью к износу.

Конструкция включает несколько рядов манжет и уплотнительных колец, которые плотно прилегают к зеркально отполированной поверхности сменной втулки. Когда раствор под давлением проходит через узел, уплотнения должны сохранять целостность при частоте вращения ствола до 150–200 об/мин.

Сменные втулки вертлюга проходят процедуру плазменного напыления твердых сплавов или хромирования для защиты от коррозии и механического истирания. Систему смазки уплотнений часто объединяют с общим контуром охлаждения подшипникового узла для снижения локального нагрева. Специальные нажимные гайки позволяют регулировать усилие прижима манжет по мере их естественного износа.

Буровые насосы поршневого типа нагнетают промывочную жидкость в скважину для удаления выбуренной породы и охлаждения долота на забое. Механическая часть включает коленчатый вал и крейцкопфный механизм, который преобразует вращение двигателя в возвратно-поступательное движение поршней.

В гидравлической части располагаются сменные цилиндровые втулки и клапанные коробки с всасывающими и нагнетательными клапанами. Поршни оснащают износостойкими резиновыми или полиуретановыми манжетами, потому что буровой раствор содержит большое количество твердых абразивных частиц. При движении поршня назад происходит всасывание жидкости из емкости, а при движении вперед раствор вытесняется в нагнетательную линию. Мощность таких агрегатов может достигать 1600 кВт, что позволяет подавать до 50 л жидкости в секунду.

Для сглаживания пульсаций давления на выходе устанавливают пневмокомпенсаторы, которые представляют собой стальные сферы с резиновой диафрагмой внутри. Сжатый азот за диафрагмой поглощает скачки энергии, обеспечивая равномерный поток раствора в бурильной колонне. Цилиндровые втулки изготавливают из высокохромистого чугуна или керамики для защиты от коррозии и быстрого истирания абразивом.

Бурильные трубы изготавливают из легированных бесшовных сталей, которые обладают сочетанием высокой прочности, вязкости и сопротивляемости усталостному разрушению. Обычно используют сплавы с добавлением хрома, молибдена и никеля, так как эти элементы улучшают прокаливаемость и механические свойства металла. Тело трубы подвергают термической обработке в виде закалки с последующим отпуском для получения однородной структуры сорбита.

Предел прочности таких изделий достигает 900–1100 МПа, что позволяет им выдерживать собственный вес и крутящий момент на глубине до 5000–7000 метров. Поверхность труб проходит антикоррозийную обработку и проверку на отсутствие внутренних микротрещин методом ультразвуковой дефектоскопии. Каждое изделие маркируют цифровым кодом.

Концы труб снабжают усиленными замковыми соединениями, которые приваривают методом трения для обеспечения максимальной надежности стыка. Коническая резьба на замках имеет специальный профиль, который гарантирует герметичность соединения и быструю сборку колонны. Для предотвращения заклинивания при высоких нагрузках на поверхность резьбы наносят слой фосфатного покрытия и специальную консистентную смазку.

Вибросита — первая ступень очистки бурового раствора, они служат для удаления крупных частиц выбуренной породы из циркуляционной системы. Устройство состоит из массивной стальной рамы, на которой на упругих подвесах закреплен подвижный короб с набором фильтрующих сеток.

Два вибрационных двигателя с дебалансными грузами создают направленные колебания, которые заставляют раствор активно проходить сквозь ячейки сетки. Твердый шлам при этом остается на поверхности и под действием вибрации перемещается к краю короба для выгрузки в отвал. Наклон ситового полотна можно менять с помощью винтовых или гидравлических механизмов. Использование современных композитных сеток позволяет улавливать частицы размером до 40–50 мкм без забивания проходных отверстий.

Корпус вибросита покрывают химически стойкой эмульсией, потому что он постоянно контактирует с агрессивными химическими реагентами и водой. Пружинные опоры или пневмобаллоны изолируют станину от вибраций, предотвращая разрушение фундамента и металлоконструкций циркуляционной системы. Конструкция сеток часто включает стальную подложку для повышения жесткости и продления срока службы тонкого полимерного полотна.

Превентор предназначен для герметизации устья скважины при внезапном повышении давления в пласте и предотвращения открытых фонтанов. Его основной рабочий орган — плашки, которые перемещаются навстречу друг другу под действием мощных гидравлических цилиндров.

Трубные плашки имеют вырез, соответствующий диаметру бурильной трубы, и плотно обхватывают ее, перекрывая кольцевой зазор. Глухие используют для полного закрытия отверстия, когда в скважине отсутствует инструмент, обеспечивая абсолютную герметичность системы. Корпус устройства отливают из высокопрочной легированной стали, способной выдерживать давление до 70–100 МПа в течение длительного времени.

Привод плашек осуществляется от выносной гидростанции с азотными аккумуляторами, которые гарантируют срабатывание защиты даже при отключении всех насосов. Уплотнительные элементы изготавливают из специальных марок резины, которые сохраняют эластичность при контакте с нефтью, газом и агрессивными буровыми растворами. В случае экстремальной ситуации применяют срезные плашки, которые способны перекусить стальную бурильную трубу и полностью изолировать скважину.

Крюкоблок объединяет в одном корпусе талевый блок с системой канатных роликов и грузоподъемный крюк для подвешивания вертлюга или элеватора. Ролики вращаются на мощных конических роликоподшипниках, которые смазываются через индивидуальные каналы в центральной оси.

Стальной корпус блока сваривают из толстых листов или отливают из прочного чугуна. Тяжелая масса узла нужна, чтобы канат оставался натянутым при спуске пустой талевой системы без нагрузки. Внутри крюкоблока устанавливают мощную пружину, которая выполняет роль демпфера и гасит динамические удары при отрыве колонны от забоя. Крюк имеет возможность вращения вокруг вертикальной оси для удобства выполнения манипуляций с трубами на рабочей площадке.

Для безопасности предусмотрены автоматические защелки, которые исключают случайное соскальзывание серьги вертлюга из зева крюка под нагрузкой. Механизм поворота снабжают стопорным устройством, которое фиксирует положение инструмента в восьми или двенадцати позициях. Все оси и пальцы проходят термическую обработку и проверку на твердость. Поверхности качения канатных шкивов закаливают для снижения износа и предотвращения повреждения каната.

Перемешиватели бурового раствора поддерживают однородность состава жидкости и предотвращают оседание твердых частиц утяжелителя на дно емкостей. Устройство состоит из электрического двигателя, вертикального вала и пропеллера с лопастями специальной конфигурации. Лопасти вращаются со скоростью 60–90 об/мин, создавая мощные потоки, которые поднимают осевший шлам и перемешивают химические реагенты.

Вал и винт изготавливают из нержавеющей стали или защищают износостойкими полимерными покрытиями для работы в агрессивной среде. Мощность привода подбирают исходя из объема резервуара и плотности раствора. Без постоянной работы этого оборудования раствор быстро теряет свойства, что может привести к осложнениям в скважине.

Для повышения эффективности процесса применяют гидравлические перемешиватели — перемешивающие пушки, которые подают струю раствора под большим давлением через сопла. Сочетание механического и гидравлического воздействия исключает образование мертвых зон в углах прямоугольных емкостей. Приводные редукторы имеют высокую степень защиты от попадания влаги и масляного тумана, что важно для работы на открытом воздухе.

Система верхнего привода (СВП) совмещает функции вертлюга и ротора, перемещаясь вдоль мачты по специальным направляющим рельсам. Вращение передается на бурильную колонну непосредственно от мощного электродвигателя через компактный планетарный редуктор. Такое решение позволяет вращать инструмент при спускоподъемных операциях и промывке скважины в любой точке по всей высоте мачты.

В состав СВП входит встроенный шаровой кран для быстрого перекрытия канала трубы при возникновении угрозы выброса. Конструкция также включает механизм наклона штропов, который облегчает захват свечи труб из подсвечника без участия ручного труда. Использование верхнего привода повышает скорость бурения и снижает риск заклинивания инструмента из-за возможности его постоянного вращения.

Для охлаждения силового двигателя применяют выносные вентиляторы с системой фильтрации воздуха для защиты обмоток от пыли и масляных паров. Гидравлическая система управления отвечает за работу тормозов, захватов и механизмов позиционирования трубного элеватора. Направляющие ролики каретки изготавливают из износостойких сплавов и снабжают эксцентриками для точной регулировки зазоров на рельсах.

Пневматические системы установки обеспечивают работу тормозов лебедки, механизмов ротора и систем автоматизации. Для производства воздуха применяют винтовые или поршневые компрессоры с электрическим приводом, которые способны поддерживать давление в пределах 0.8–1.0 МПа. Винтовые модели предпочтительнее для непрерывной работы, потому что они обладают низким уровнем шума и высокой энергоэффективностью.

Сжатый воздух поступает в ресиверы — стальные накопительные емкости. Перед подачей в исполнительные механизмы он проходит через систему фильтров и осушителей для удаления конденсата и капель масла. Это предотвращает коррозию пневматических цилиндров и замерзание линий в зимний период.

Корпуса компрессорных станций часто выполняют в виде отдельных модулей с теплоизоляцией и системой отопления для надежной работы при отрицательных температурах. Автоматика следит за уровнем масла в системе смазки и температурой воздуха на выходе из винтового блока. Если параметры выходят за допустимые пределы, контроллер останавливает агрегат и выводит сообщение о неисправности на пульт оператора.

Кабина бурильщика — герметичный модуль с панорамным остеклением, который защищает персонал от шума, вибрации и плохих погодных условий. Внутри устанавливают кресло с интегрированными в подлокотники джойстиками управления всеми основными агрегатами установки. На передней панели располагают сенсорные мониторы, которые отображают параметры давления, веса на крюке, частоты вращения и момента в реальном времени.

Система видеонаблюдения позволяет контролировать работу верхового рабочего и механизмов на приемочном мосту без выхода из защищенного помещения. Климатическая установка поддерживает комфортную температуру и чистоту воздуха, отфильтровывая вредные газы и пыль.

Корпус модуля изготавливают из стальных сэндвич-панелей с негорючим наполнителем, обеспечивающим высокую степень теплоизоляции и пожарной безопасности. Окна защищают металлическими решетками или ударопрочными пленками для предотвращения повреждения стекол при случайных ударах. Информационная система ведет запись всех технологических операций, создавая цифровой архив для последующего анализа качества бурения скважины.