Циркуляционная и вращающая системы буровой

Кратко о главном

Раствор движется по замкнутому кругу: ёмкости → подпорные и буровые насосы → нагнетательный манифольд → стояк → буровой рукав → вертлюг или верхний привод → колонна → долото → затрубье → жёлоб → очистка → ёмкости.
Буровой насос — поршневой, объёмного действия: за каждый ход он вытесняет определённый объём почти независимо от давления. Ход в промысловом счёте — один оборот вала: у трёхпоршневого насоса одностороннего действия за ход работают три цилиндра, у двухпоршневого двустороннего — два, каждый в обе стороны.
Фактическая подача меньше расчётной на коэффициент наполнения — около 0,9–1,0; его снижают износ клапанов и поршней, газ и плохое заполнение цилиндров.
Втулка меньшего диаметра допускает большее давление (нагрузка на шток — давление на площадь поршня), но даёт меньше подачи за ход. Мощность привода ограничивает произведение давления на подачу.
Число ходов до долота — внутренний объём колонны, делённый на подачу за ход; число ходов по затрубью — объём затрубья, делённый на неё же. Счётчик ходов показывает объём, только если верен коэффициент наполнения.
Ротор вращает колонну через ведущую трубу, и колонну наращивают по одной трубе; верхний привод вращает её сверху, позволяет бурить свечами, вращать и промывать колонну при подъёме. Мощность вращения $N_{\text{вр}} = M\omega$ .

Ключевые соотношения

V_{\text{х}} = 3\cdot\frac{\pi}{4}\,d^2 L\,\eta_v, \qquad V_{\text{х}} = \frac{\pi}{2}\left(2d^2 - d_{\text{ш}}^2\right) L\,\eta_v

подача за ход трёхпоршневого насоса одностороннего действия и двухпоршневого двустороннего

Q = \frac{V_{\text{х}}\,n}{60}, \qquad N_{\text{г}} = p\,Q, \qquad p_{\max} = \frac{F_{\text{ш}}}{\pi d^2/4}

подача, гидравлическая мощность (МПа × л/с = кВт) и допустимое давление втулки

Z_{\text{д}} = \frac{V_{\text{т}}}{V_{\text{х}}}, \qquad Z_{\text{з}} = \frac{V_{\text{з}}}{V_{\text{х}}}

число ходов до долота и по затрубью

N_{\text{вр}} = M\,\omega = \frac{2\pi\,M\,n_{\text{вр}}}{60}

мощность вращения колонны: кН·м × рад/с = кВт

Где чаще всего ошибаются

Считать подачу по ходам с паспортным коэффициентом наполнения, когда клапаны и поршни изношены: объёмы и время циркуляции «уплывают».
Бурить нижние интервалы с большими втулками: насосы упрутся в допустимое давление втулок раньше, чем в мощность.
Путать ход насоса с ходом поршня: у трёхпоршневого насоса за один ход в промысловом счёте подают три цилиндра.
Принимать момент на роторе или верхнем приводе за момент на долоте: в наклонной скважине большая его часть уходит на трение колонны о стенки.
Объяснять изменение давления на стояке одной причиной: давление падает и при промыве колонны, и при износе насоса, и при проявлении.

После урока вы сможете

описать путь раствора по наземной циркуляционной системе и назначение её элементов — ёмкостей, насосов, манифольда, стояка, бурового рукава, вертлюга или верхнего привода;
объяснить устройство поршневого бурового насоса, различие трёхпоршневого насоса одностороннего действия и двухпоршневого двустороннего, роль втулок, клапанов, компенсатора и подпорного насоса;
рассчитать подачу насоса за ход и в единицу времени с коэффициентом наполнения, допустимое давление для втулок и выбрать втулки под интервал;
посчитать число ходов до долота и по затрубью и время циркуляции, проверить коэффициент наполнения по замеру;
сравнить ротор с ведущей трубой и верхний привод и рассчитать мощность вращения колонны;
перечислить параметры, за которыми следит бурильщик, объяснить, как их измеряют и что значат их изменения.

Путь раствора и наземная циркуляционная система

Раствор циркулирует по замкнутому кругу. Подпорные центробежные насосы забирают его из приёмной ёмкости и подают на всасывание буровых насосов. Те нагнетают раствор под давлением в нагнетательный манифольд — систему труб и задвижек — и дальше в стояк (standpipe), вертикальную трубу на вышке. С верха стояка гибкий буровой рукав (rotary hose) ведёт раствор в вертлюг или верхний привод, а оттуда — в бурильную колонну. Раствор выходит через насадки долота, поднимается по затрубью, у устья попадает в жёлоб (flowline) и через очистное оборудование возвращается в ёмкости. Как по этому пути расходуется давление насосов — в уроке о потерях давления при циркуляции.

Наземная часть циркуляционной системы

Элемент: Приёмная (активная) ёмкость
Назначение: из неё насосы забирают раствор; её объём контролируют постоянно — прирост или потеря выдают проявление или поглощение

Элемент: Резервные ёмкости, ёмкость для пачек
Назначение: запас раствора, утяжелённый раствор, вязкие и другие пачки, которые закачивают отдельно

Элемент: Блок приготовления
Назначение: гидросмеситель (воронка с эжектором), бункеры барита и глинопорошка, ёмкость для химических реагентов

Элемент: Перемешиватели и гидромешалки
Назначение: держат утяжелитель и твёрдую фазу во взвеси, выравнивают свойства раствора по ёмкостям

Элемент: Подпорные насосы
Назначение: центробежные насосы, которые под давлением заполняют цилиндры буровых насосов

Элемент: Буровые насосы, манифольд, стояк
Назначение: создают давление и подачу; задвижками манифольда раствор направляют к стояку, в линию долива или в ёмкость

Элемент: Буровой рукав, вертлюг или верхний привод
Назначение: гибкая связь с подвижным талевым блоком и ввод раствора во вращающуюся колонну

Элемент: Жёлоб и очистное оборудование
Назначение: вибросита, дегазатор, гидроциклоны, центрифуги (Очистка бурового раствора от твёрдой фазы)

Элемент: Доливная ёмкость
Назначение: точный учёт объёмов при спуско-подъёмных операциях (спуско-подъёмные операции)

Элемент	Назначение
Приёмная (активная) ёмкость	из неё насосы забирают раствор; её объём контролируют постоянно — прирост или потеря выдают проявление или поглощение
Резервные ёмкости, ёмкость для пачек	запас раствора, утяжелённый раствор, вязкие и другие пачки, которые закачивают отдельно
Блок приготовления	гидросмеситель (воронка с эжектором), бункеры барита и глинопорошка, ёмкость для химических реагентов
Перемешиватели и гидромешалки	держат утяжелитель и твёрдую фазу во взвеси, выравнивают свойства раствора по ёмкостям
Подпорные насосы	центробежные насосы, которые под давлением заполняют цилиндры буровых насосов
Буровые насосы, манифольд, стояк	создают давление и подачу; задвижками манифольда раствор направляют к стояку, в линию долива или в ёмкость
Буровой рукав, вертлюг или верхний привод	гибкая связь с подвижным талевым блоком и ввод раствора во вращающуюся колонну
Жёлоб и очистное оборудование	вибросита, дегазатор, гидроциклоны, центрифуги (Очистка бурового раствора от твёрдой фазы)
Доливная ёмкость	точный учёт объёмов при спуско-подъёмных операциях (спуско-подъёмные операции)

Состав и объём ёмкостей определяет проект: раствора на поверхности должно хватать, чтобы заполнить скважину и восполнить поглощения, с запасом.

Насосы — их на буровой обычно два-три — подключены к манифольду параллельно, и их подачи складываются. Сколько из них включить, решает не только нужная подача, но и мощность: в примерах ниже 30 л/с при 12,5 МПа одному насосу уже не по силам, и оба работают с частотой ходов вдвое меньшей, чем понадобилась бы одному. Если хватает одного, второй держат готовым к пуску — отказ насоса не должен прерывать циркуляцию надолго.

Буровой насос: как он работает

Буровые насосы — поршневые, объёмного действия (reciprocating positive displacement pumps). Поршень ходит в цилиндре; при движении назад цилиндр через всасывающий клапан заполняется раствором, при движении вперёд раствор выталкивается через нагнетательный клапан. Подача почти не зависит от давления: насос вытесняет свой объём и тогда, когда давление растёт, — поэтому при перекрытой линии давление поднимается, пока не сработает предохранительный клапан. Такие насосы подходят для высоких давлений и для абразивной жидкости с твёрдой фазой, а их подачу можно считать по числу ходов.

Насос состоит из двух частей. Приводная часть (power end): коленчатый вал, шатуны и крейцкопфы превращают вращение в возвратно-поступательное движение штока. Гидравлическая часть (fluid end): сменные цилиндровые втулки (liners), поршни на штоках, всасывающие и нагнетательные клапаны с сёдлами. Втулки, поршни и клапаны изнашиваются быстрее всего, их меняют на буровой.

СхемаЦилиндр трёхпоршневого насоса одностороннего действия (слева) и двухпоршневого насоса двустороннего действия (справа) при ходе поршня вперёд. В цилиндре одностороннего действия раствор выталкивается только перед поршнем; в цилиндре двустороннего действия одновременно перед поршнем идёт нагнетание, а за ним — всасывание, на обратном ходе — наоборот, но объём за поршнем меньше на объём штока. Схема не в масштабе.

Трёхпоршневой и двухпоршневой буровые насосы

: Действие
Трёхпоршневой (триплекс): одностороннее: нагнетает при ходе вперёд
Двухпоршневой (дуплекс): двустороннее: нагнетает в обе стороны

: Цилиндров
Трёхпоршневой (триплекс): 3, со сдвигом 120°
Двухпоршневой (дуплекс): 2, со сдвигом 90°

: Частота ходов
Трёхпоршневой (триплекс): выше
Двухпоршневой (дуплекс): ниже

: Поток
Трёхпоршневой (триплекс): ровнее
Двухпоршневой (дуплекс): с сильными пульсациями

: Масса, обслуживание
Трёхпоршневой (триплекс): легче, проще и дешевле
Двухпоршневой (дуплекс): тяжелее; уплотнение штока под давлением

	Трёхпоршневой (триплекс)	Двухпоршневой (дуплекс)
Действие	одностороннее: нагнетает при ходе вперёд	двустороннее: нагнетает в обе стороны
Цилиндров	3, со сдвигом 120°	2, со сдвигом 90°
Частота ходов	выше	ниже
Поток	ровнее	с сильными пульсациями
Масса, обслуживание	легче, проще и дешевле	тяжелее; уплотнение штока под давлением

На современных буровых почти везде трёхпоршневые насосы; двухпоршневые встречаются на старых установках. Пульсации потока — в разделе для углублённого изучения.

Насос обвязан тремя важными устройствами. Компенсатор пульсаций (pulsation dampener) на нагнетательной линии — сосуд с эластичной диафрагмой, заполненный азотом: он сглаживает колебания давления от толчков поршней. Подпорный центробежный насос (charge pump) под давлением заполняет цилиндры: без него раствор не успевает войти в цилиндр за ход, особенно при высокой частоте и вязком растворе, и коэффициент наполнения падает. Предохранительный клапан на нагнетательной линии сбрасывает давление, если оно превысит допустимое для втулок и обвязки, — например, при закрытой задвижке или забитом долоте.

Подача насоса за ход и в единицу времени

В промысловом счёте ход насоса (stroke) — один оборот коленчатого вала. За этот ход у трёхпоршневого насоса каждый из трёх поршней один раз проходит вперёд — три цилиндра вытесняют каждый свой объём $\frac{\pi}{4}d^2L$ . У двухпоршневого каждый из двух поршней нагнетает и вперёд (полный объём), и назад (объём за вычетом штока). Частоту насоса указывают в ходах в минуту (strokes per minute, spm), а счётчики ходов на пульте бурильщика считают ходы с начала закачки.

Подача бурового насоса за ход и в единицу времени

\begin{gathered} V_{\text{х}} = 3\cdot\frac{\pi}{4}\,d^2 L\,\eta_v \ \ \text{(триплекс)}, \qquad V_{\text{х}} = \frac{\pi}{2}\left(2d^2 - d_{\text{ш}}^2\right) L\,\eta_v \ \ \text{(дуплекс)},\\ Q = \frac{V_{\text{х}}\,n}{60} \end{gathered}

где:

$V_{\text{х}}$ подача за ход (оборот вала), м³
$d,\ d_{\text{ш}}$ внутренний диаметр втулки (диаметр поршня) и диаметр штока, м
$L$ длина хода поршня, м
$\eta_v$ коэффициент наполнения — доля расчётного объёма, которая действительно подаётся, —
$n$ число ходов в минуту, ход/мин
$Q$ подача насоса, м³/с

Единицы: СИ; удобно брать $d$ и $L$ в дециметрах — тогда $V_{\text{х}}$ получается сразу в литрах

Справедливо, если

объём, который описывает поршень, считают по полному ходу; у двухпоршневого насоса обратный ход вытесняет объём кольца между втулкой и штоком;
коэффициент наполнения учитывает утечки через клапаны и поршни, неполное заполнение цилиндров и сжатие газа в растворе; у исправного насоса с подпорным насосом он близок к 1, у изношенного падает до 0,9 и ниже;
при нескольких насосах подачи складываются, а суммарный счётчик считает ходы всех насосов.

Подача растёт пропорционально квадрату диаметра втулки и частоте ходов. Сменой втулок меняют подачу за ход, частотой ходов — подачу в минуту.

В других системах единиц (1)

Промысловые единицы (oilfield)

V_{\text{х}}\,[\text{bbl}] = 0{,}000243\,d^2 L\,\eta_v\ \ \text{(триплекс)}, \qquad V_{\text{х}}\,[\text{bbl}] = 0{,}000162\left(2d^2 - d_{\text{ш}}^2\right) L\,\eta_v

$d$ , $d_{\text{ш}}$ и $L$ — дюймы, подача за ход — баррели; подача в галлонах в минуту: $Q = d^2 L\,\eta_v\,n/98{,}04$ (триплекс) и $(2d^2 - d_{\text{ш}}^2)L\,\eta_v\,n/147{,}1$ (дуплекс).

$0{,}000243 = (3\pi/4)/9702$ и $0{,}000162 = (\pi/2)/9702$ : в баррели 9702 кубических дюйма; $98{,}04 = 4\cdot 231/(3\pi)$ и $147{,}1 = 2\cdot 231/\pi$ : в галлоне 231 кубический дюйм.

Расчётный примерПодача за ход и частота ходов для 30 л/с

Исходные данные (условные)

Насосы: два трёхпоршневых, втулки 160 мм, ход поршня 228,6 мм (9″), не больше 140 ходов в минуту
Коэффициент наполнения: 0,95
Нужная подача: 30 л/с — как в уроках о потерях давления и о гидравлике долота

Решение

Объём одного цилиндра за ход (размеры в дециметрах): $\frac{\pi}{4}\cdot 1{,}60^2\cdot 2{,}286 = 4{,}596$ л.
Три цилиндра: $3\cdot 4{,}596 = 13{,}79$ л; с коэффициентом наполнения: $13{,}79\cdot 0{,}95 = 13{,}10$ л за ход.
Для 30 л/с нужно $30\cdot 60/13{,}10 = 137{,}4$ ход/мин — по 68,7 ход/мин на каждый из двух насосов.
Один насос дал бы 30 л/с при частоте 137,4 ход/мин, но при давлении на стояке 12,5 МПа ему пришлось бы отдать раствору $12{,}5\cdot 30 = 375$ кВт — больше, чем позволяет его привод: $0{,}90\cdot 390 = 351$ кВт.
В промысловых единицах: $13{,}10/158{,}99 = 0{,}0824$ bbl за ход; подача $30/0{,}06309 = 476$ gpm.

Ответ: Подача за ход — 13,10 л; 30 л/с дают два насоса с частотой 68,7 ход/мин каждый.

Что это значит. По этой подаче за ход счётчик ходов пересчитывают в объём, поэтому коэффициент наполнения должен быть верным: если клапаны износились и он упал, фактическая подача окажется меньше показанной — это проверяют замером (пример ниже) или расходомером. Промысловая формула даёт то же: $0{,}000243\cdot 6{,}299^2\cdot 9\cdot 0{,}95 = 0{,}0824$ bbl. Данные насоса условные; подача 30 л/с и пределы насосов — те же, что в уроках о потерях давления и о гидравлике долота.

Давление, мощность и выбор втулок

Насосы ограничены трижды. Давление ограничивает нагрузка на шток: давление раствора, действуя на площадь поршня, давит на шток и всю приводную часть, и изготовитель задаёт для насоса наибольшую нагрузку на шток. Поэтому для каждой втулки своё допустимое давление — тем больше, чем меньше её диаметр. Подачу при данной втулке ограничивает наибольшая частота ходов. Мощность ограничивает привод: гидравлическая мощность $pQ$ не может превышать мощность привода, умноженную на механический КПД насоса, — около 0,9. Сверх того, давление не должно превышать допустимое для манифольда, стояка, рукава и вертлюга, а предохранительный клапан настраивают с запасом над рабочим давлением.

Допустимое давление втулки и предел мощности

p_{\max} = \frac{F_{\text{ш}}}{\pi d^2/4}, \qquad N_{\text{г}} = p\,Q \le \eta_{\text{м}}\,N_{\text{пр}}

где:

$p_{\max}$ допустимое давление нагнетания для втулки диаметром $d$ , МПа
$F_{\text{ш}}$ наибольшая нагрузка на шток по паспорту насоса, МН
$d$ диаметр втулки, м
$N_{\text{г}}$ гидравлическая мощность, которую насосы отдают раствору, кВт (МПа × л/с)
$\eta_{\text{м}},\ N_{\text{пр}}$ механический КПД насоса и мощность его привода, —, кВт

Единицы: МН/м² = МПа; МПа × л/с = кВт

Справедливо, если

давление сверх допустимого по нагрузке на шток может ограничить и прочность гидравлической части — у малых втулок паспортное давление бывает ниже рассчитанного по штоку;
в паспортах насосов допустимое давление и подачу при наибольшей частоте указывают для каждой втулки таблицей; формула объясняет, откуда берутся эти числа.

На плоскости «подача — давление» каждая втулка даёт свою рабочую область: горизонталь допустимого давления, общая для всех втулок гипербола мощности и вертикаль наибольшей подачи. Как в этой области выбирают рабочую точку для долота — в уроке о гидравлике долота.

РасчётРабочие области двух насосов примера с втулками 160, 170 и 180 мм (числа у вертикалей): допустимое давление по нагрузке на шток 362 кН, общий предел мощности 702 кВт и наибольшая подача при 140 ход/мин. Точки: А — бурение под 215,9 мм при 30 л/с и 12,5 МПа; Б — та же скважина с новыми насадками, 30,8 л/с при 18,0 МПа; В — верхний интервал, 65 л/с при 8 МПа.

Расчётный примерКакие втулки поставить в насосы

Исходные данные (условные)

Насосы: два, ход 228,6 мм, не больше 140 ходов в минуту, нагрузка на шток 362 кН, привод 390 кВт каждый, механический КПД 0,90, коэффициент наполнения 0,95
Верхний интервал: ствол 393,7 мм: нужно 65 л/с при давлении около 8 МПа (условно)
Нижний интервал: ствол 215,9 мм: режим, выбранный в уроке о гидравлике долота, — 30,8 л/с при 18,0 МПа

Решение

Предел мощности двух насосов: $2\cdot 0{,}90\cdot 390 = 702$ кВт; верхний интервал требует $8\cdot 65 = 520$ кВт, нижний — $18{,}0\cdot 30{,}8 = 554$ кВт: мощности хватает в обоих.
Допустимое давление $p_{\max} = 0{,}362/(\pi d^2/4)$ : для 160 мм — $0{,}362/0{,}02011 = 18{,}0$ МПа, для 170 мм — 15,9 МПа, для 180 мм — 14,2 МПа.
Подача за ход одного насоса: 160 мм — 13,10 л, 170 мм — 14,79 л, 180 мм — 16,58 л; наибольшая подача двух насосов при 140 ходах: 61,1, 69,0 и 77,4 л/с.
Верхний интервал: втулки 160 мм не дадут 65 л/с (предел 61,1 л/с), 170 и 180 мм дадут, и давление 8 МПа ниже допустимого для обеих. Частота ходов для 65 л/с: $65\cdot 60/(2\cdot 14{,}79) = 132$ со втулками 170 мм и $65\cdot 60/(2\cdot 16{,}58) = 118$ со втулками 180 мм.
Нижний интервал: 18,0 МПа допускают только втулки 160 мм и меньше (у 170 мм предел 15,9 МПа); подача 30,8 л/с — при $30{,}8\cdot 60/(2\cdot 13{,}10) = 71$ ход/мин на насос.

Ответ: В верхнем интервале ставят втулки 180 мм — насосы работают с частотой 118 ход/мин вместо 132; перед бурением под 215,9 мм втулки меняют на 160 мм — самые большие из тех, что допускают 18 МПа.

Что это значит. Выбирают самую большую втулку, допустимое давление которой покрывает ожидаемое рабочее давление: с большой втулкой нужная подача достигается при меньшей частоте ходов, и клапаны, поршни и втулки изнашиваются медленнее. Смена втулок при переходе к следующему интервалу — обычная работа. Втулки 160 мм дают как раз пределы урока о гидравлике долота — 18,0 МПа и около 700 кВт; режим нижнего интервала лежит на самом пределе их давления (точка Б на рисунке выше). Предохранительный клапан настраивают не выше допустимого давления стоящих втулок, поэтому у такого режима почти нет запаса на скачки давления. Данные примера условные.

Ходы и объёмы: до долота, по затрубью, полный круг

Насос объёмного действия — одновременно и расходомер: каждый ход — известный объём. Поэтому на буровой объёмы считают в ходах. Сколько ходов нужно, чтобы закачанная с поверхности пачка дошла до долота? Сколько — чтобы раствор с забоя поднялся до устья («снизу вверх», bottoms up)? Сколько — на полный круг по скважине? Время находят делением объёма на подачу; так считают и время отставания шлама (урок о процессе бурения).

Число ходов до долота и по затрубью

Z_{\text{д}} = \frac{V_{\text{т}}}{V_{\text{х}}}, \qquad Z_{\text{з}} = \frac{V_{\text{з}}}{V_{\text{х}}}, \qquad t = \frac{V}{Q}

где:

$Z_{\text{д}},\ Z_{\text{з}}$ число ходов до долота и по затрубью от долота до устья, ходов
$V_{\text{т}}$ внутренний объём от насосов до долота: наземные линии, бурильные трубы, УБТ и прочая компоновка, м³
$V_{\text{з}}$ объём затрубья от долота до устья, по участкам, м³
$V_{\text{х}}$ фактическая подача за ход (с коэффициентом наполнения); при нескольких одинаковых насосах — подача за ход любого из них, а ходы считают суммарно, м³
$t,\ V,\ Q$ время прокачки объёма $V$ при подаче $Q$ , с, м³, м³/с

Единицы: СИ; объём ствола и труб — $\frac{\pi}{4}(D^2 - d^2)$ на метр длины

Справедливо, если

трубы и ствол номинального диаметра; каверны увеличивают объём затрубья, поэтому фактическое время проверяют трассером;
раствор несжимаем и нигде не теряется; при поглощении или притоке объёмы перестают сходиться — это и есть признак.

Число ходов не зависит от подачи, время — зависит. Поэтому графики закачки при глушении и промывки строят по ходам (график давления при глушении).

Расчётный примерХоды до долота и «снизу вверх» в скважине 3000 м

Исходные данные (условные)

Скважина: из урока о потерях давления: долото на забое 3000 м; обсадная колонна до 2300 м с внутренним диаметром 222,4 мм, ниже ствол 215,9 мм
Колонна: бурильные трубы 127 × 108,6 мм, 150 м УБТ 158,8 × 71,4 мм; наземные линии — стояк 30 м × 101,6 мм, рукав 20 м и канал верхнего привода 8 м × 76,2 мм
Насосы: два, 13,10 л за ход (втулки 160 мм, пример выше), всего 30 л/с

Решение

Внутренний объём: наземные линии 0,371 м³; бурильные трубы $2850\cdot\frac{\pi}{4}\cdot 0{,}1086^2 = 26{,}40$ м³; УБТ $150\cdot\frac{\pi}{4}\cdot 0{,}0714^2 = 0{,}601$ м³; всего 27,37 м³.
Ходов до долота: $27{,}37/0{,}01310 = 2089$ ; время при 30 л/с — $27{,}37/0{,}030 = 912$ с, около 15 мин.
Затрубье: у УБТ $150\cdot\frac{\pi}{4}(0{,}2159^2 - 0{,}1588^2) = 2{,}52$ м³; у труб в открытом стволе $550\cdot\frac{\pi}{4}(0{,}2159^2 - 0{,}127^2) = 13{,}17$ м³; в колонне $2300\cdot\frac{\pi}{4}(0{,}2224^2 - 0{,}127^2) = 60{,}21$ м³; всего 75,90 м³.
Ходов «снизу вверх»: $75{,}90/0{,}01310 = 5794$ ; время — $75{,}90/0{,}030 = 2530$ с, около 42 мин.
Полный круг по скважине — число ходов $2089 + 5794 = 7883$ , около 57 мин.

Ответ: Число ходов до долота — 2089 (около 15 мин), «снизу вверх» — 5794 (около 42 мин), на полный круг — 7883.

Что это значит. Затрубье вмещает почти втрое больше колонны, поэтому «снизу вверх» — самая долгая часть круга; перед подъёмом колонну промывают не меньше этого, чтобы вынести шлам и газ (спуско-подъёмные операции). Число ходов до долота нужно для графика глушения и чтобы точно поставить пачку у долота. Линия от насосов до стояка в объём не вошла; если подача за ход на деле меньше, реальный раствор отстаёт от счёта ходов. Данные примера условные.

Расчётный примерПроверка коэффициента наполнения по замеру

Исходные данные (условные)

Насос: один, втулки 160 мм, ход 228,6 мм — расчётный объём 13,79 л за ход
Замер: насос забирает раствор из отсечённой мерной ёмкости; за 250 ходов уровень в ней опустился на объём 3,18 м³

Решение

Фактическая подача за ход: $3180/250 = 12{,}72$ л.
Коэффициент наполнения: $12{,}72/13{,}79 = 0{,}922$ — вместо принятых 0,95.
При суммарной частоте двух таких насосов 137,4 ход/мин подача — $137{,}4\cdot 12{,}72/60 = 29{,}13$ л/с, а не 30.
«Снизу вверх» в скважине примера выше: число ходов $75{,}90/0{,}01272 = 5967$ вместо 5794; время $75{,}90/0{,}02913 = 2606$ с — около 43,4 мин вместо 42,2 мин.

Ответ: Коэффициент наполнения — около 0,922: насос подаёт на 3 % меньше, чем принято в расчётах, и число ходов «снизу вверх» на деле больше расчётного на 173.

Что это значит. Такое падение — повод осмотреть клапаны, сёдла и поршни и проверить подпорный насос. Пока насос не исправлен, объёмы считают по замеренной подаче за ход: иначе пачки встанут не там, где нужно, пробы шлама сместятся по глубине, а при глушении график давления будет построен по неверному числу ходов. Данные примера условные.

Вращение колонны: ротор, вертлюг и верхний привод

Ротор (rotary table) — вращающийся стол в центре буровой площадки с приводом от двигателя. В его отверстие вставляют вкладыши (master bushing), а в них — зажим ведущей трубы (kelly bushing): его ролики охватывают квадратную или шестигранную ведущую трубу и передают ей вращение, позволяя ей при этом скользить вниз по мере углубления. При бурении ротор вращают вправо — по часовой стрелке, если смотреть сверху. Когда колонну наращивают или поднимают, её подвешивают в роторе на клиньях (slips).

Над ведущей трубой — вертлюг (swivel). Он висит на крюке, несёт вес всей колонны и даёт ей вращаться, а через его изогнутый отвод и уплотнённую напорную трубу раствор из бурового рукава входит во вращающуюся колонну. Как устроена сама ведущая труба, её краны и переводник, — в уроке о бурильной колонне.

Верхний привод (top drive) объединяет вертлюг и двигатель: электрические (переменного или постоянного тока) или гидравлические двигатели через редуктор вращают полый вал, на который навинчивают колонну. Привод висит на талевом блоке и движется по направляющим, которые воспринимают реактивный момент. Под ним — механизм для работы с трубами: вращающаяся подвеска штропов, наклон штропов, элеватор и трубный ключ, которым свинчивают и развинчивают соединения, — и шаровые краны для перекрытия колонны (краны в колонне). Ротор при верхнем приводе остаётся — в нём сажают колонну на клинья.

Ротор с ведущей трубой и верхний привод

: Что вращает колонну
Ротор и ведущая труба: ротор через зажим ведущей трубы
Верхний привод: двигатель привода через свой вал

: Наращивание
Ротор и ведущая труба: по одной трубе, около 9–12 м: ведущую трубу отвинчивают и навинчивают на трубу из шурфа
Верхний привод: свечой из трёх труб, около 27–28 м: привод навинчивают на свечу сверху

: Подъём и спуск
Ротор и ведущая труба: ведущую трубу убирают в шурф; вращать и промывать колонну нельзя без её установки
Верхний привод: к колонне можно быстро подсоединиться на любой высоте, вращать и промывать её на ходу

: Особенности
Ротор и ведущая труба: проще и дешевле
Верхний привод: тяжелее подвижное оборудование, нужны линии питания и управления по вышке

	Ротор и ведущая труба	Верхний привод
Что вращает колонну	ротор через зажим ведущей трубы	двигатель привода через свой вал
Наращивание	по одной трубе, около 9–12 м: ведущую трубу отвинчивают и навинчивают на трубу из шурфа	свечой из трёх труб, около 27–28 м: привод навинчивают на свечу сверху
Подъём и спуск	ведущую трубу убирают в шурф; вращать и промывать колонну нельзя без её установки	к колонне можно быстро подсоединиться на любой высоте, вращать и промывать её на ходу
Особенности	проще и дешевле	тяжелее подвижное оборудование, нужны линии питания и управления по вышке

Шурф (mousehole) — гнездо в полу буровой для очередной трубы; ведущую трубу с вертлюгом на время подъёма убирают в соседний шурф (rathole).

Свинчивают и развинчивают соединения машинными ключами (tongs) — один держит трубу, другой поворачивает, — а предварительно наворачивают пневматическим или гидравлическим вращателем. На многих буровых всю эту работу делает одна машина — механизированный буровой ключ (iron roughneck): он подходит к трубе у ротора, сам наворачивает соединение и докрепляет его заданным моментом. Людям не нужно стоять с ключами у вращающихся труб, а одинаковый момент бережёт резьбы. Клинья тоже бывают с пневматическим или гидравлическим приводом.

Мощность вращения колонны

N_{\text{вр}} = M\,\omega, \qquad \omega = \frac{2\pi\,n_{\text{вр}}}{60}

где:

$N_{\text{вр}}$ мощность на валу ротора или верхнего привода, кВт
$M$ крутящий момент на колонне у поверхности, кН·м
$\omega,\ n_{\text{вр}}$ угловая скорость и частота вращения, рад/с, об/мин

Единицы: кН·м × рад/с = кВт

Справедливо, если

установившееся вращение; момент у поверхности складывается из момента на долоте и трения колонны о стенки, а в наклонной скважине трение обычно больше (сопротивление и момент);
мощность на входе привода больше на его КПД.

Верхний привод даёт полный момент при малых оборотах, а выше некоторой частоты упирается в мощность, и доступный момент убывает обратно пропорционально оборотам. Момент ограничивают ещё и прочностью колонны: предел выставляют ниже момента свинчивания самого слабого соединения (верх колонны).

В других системах единиц (1)

Промысловые единицы (oilfield)

N_{\text{вр}}\,[\text{hp}] = \frac{M\,[\text{ft·lbf}]\;n_{\text{вр}}\,[\text{об/мин}]}{5252}

момент — фут-фунты силы, частота — обороты в минуту, мощность — английские лошадиные силы.

$5252 = 33\,000/(2\pi)$ : 1 hp = 33 000 фут·фунт силы в минуту, за оборот вал проходит $2\pi$ радиан. 1 кН·м = 737,6 фут·фунта силы.

Расчётный примерСколько мощности берёт вращение колонны

Исходные данные (условные)

Момент при бурении: 15,8 кН·м — наклонно направленная скважина из урока о расчёте колонны; из них 4,0 кН·м — момент на долоте
Частота вращения: 120 об/мин
Верхний привод (условно): длительный момент 45 кН·м, мощность 600 кВт

Решение

Угловая скорость $\omega = 2\pi\cdot 120/60 = 12{,}57$ рад/с; мощность $N_{\text{вр}} = 15{,}8\cdot 12{,}57 = 198{,}6$ кВт, или $198{,}6/0{,}7457 = 266$ hp.
Проверка в промысловых единицах: $15{,}8$ кН·м $= 11\,653$ фут·фунта силы; $11\,653\cdot 120/5252 = 266$ hp.
На долото приходится $4{,}0\cdot 12{,}57 = 50{,}3$ кВт — 25 %: остальное уходит на трение колонны о стенки.
Граница постоянного момента привода: $60\cdot 600/(2\pi\cdot 45) = 127$ об/мин. При 120 об/мин привод даёт полные 45 кН·м — в 2,8 раза больше нужного; при 180 об/мин — только $600/(2\pi\cdot 180/60) = 31{,}8$ кН·м.

Ответ: Вращение колонны берёт 198,6 кВт — треть мощности привода; на долото из них приходится лишь 50,3 кВт.

Что это значит. Запас по моменту нужен не для бурения в среднем, а для пиков: при неустойчивом вращении колонны и прихватах момент кратковременно растёт в разы. Поэтому на приводе выставляют предел момента — ниже момента свинчивания самого слабого замка, — чтобы привод останавливался раньше, чем докрутит или скрутит колонну. Мощность на долоте — лишь часть мощности вращения, и в наклонных скважинах эта часть тем меньше, чем больше трение. Данные примера условные.

Контроль параметров бурения

Скважину не видно, поэтому о том, что происходит на забое, судят по приборам. Их показания сведены на пульт бурильщика, а станция геолого-технологических исследований (ГТИ) записывает их непрерывно — по времени и по глубине — и добавляет свои: газ, свойства раствора, описание шлама. Важны не столько сами значения, сколько их изменения при неизменном режиме.

Что измеряют на буровой

Параметр: Вес на крюке, нагрузка на долото
Как измеряют: датчик натяжения неподвижного конца каната; нагрузка — разница веса над забоем и на забое
Зачем: режим бурения, затяжки и посадки (вес колонны)

Параметр: Глубина, механическая скорость
Как измеряют: датчик оборотов барабана лебёдки (положение блока) и признак «колонна в клиньях»
Зачем: проходка, смена пород, резкий рост скорости

Параметр: Частота вращения, момент
Как измеряют: датчики привода ротора или верхнего привода; момент — по току двигателя или датчиком
Зачем: режим; затяжки, вибрации, неустойчивое вращение

Параметр: Давление на стояке
Как измеряют: датчик давления на манифольде стояка
Зачем: потери в системе: промыв, забитая насадка, износ насоса

Параметр: Ходы насосов
Как измеряют: счётчики ходов на каждом насосе
Зачем: подача на входе — частота ходов, умноженная на подачу за ход

Параметр: Расход на выходе
Как измеряют: датчик потока в жёлобе или расходомер
Зачем: сравнение с подачей на входе: приток или поглощение

Параметр: Объём раствора
Как измеряют: уровнемеры в ёмкостях, суммарный активный объём, доливная ёмкость
Зачем: прирост или убыль раствора

Параметр: Газ, сероводород, плотность и температура раствора
Как измеряют: газоанализаторы и датчики на выходе и входе
Зачем: газопроявления, загрязнение раствора, опасность для людей

Параметр	Как измеряют	Зачем
Вес на крюке, нагрузка на долото	датчик натяжения неподвижного конца каната; нагрузка — разница веса над забоем и на забое	режим бурения, затяжки и посадки (вес колонны)
Глубина, механическая скорость	датчик оборотов барабана лебёдки (положение блока) и признак «колонна в клиньях»	проходка, смена пород, резкий рост скорости
Частота вращения, момент	датчики привода ротора или верхнего привода; момент — по току двигателя или датчиком	режим; затяжки, вибрации, неустойчивое вращение
Давление на стояке	датчик давления на манифольде стояка	потери в системе: промыв, забитая насадка, износ насоса
Ходы насосов	счётчики ходов на каждом насосе	подача на входе — частота ходов, умноженная на подачу за ход
Расход на выходе	датчик потока в жёлобе или расходомер	сравнение с подачей на входе: приток или поглощение
Объём раствора	уровнемеры в ёмкостях, суммарный активный объём, доливная ёмкость	прирост или убыль раствора
Газ, сероводород, плотность и температура раствора	газоанализаторы и датчики на выходе и входе	газопроявления, загрязнение раствора, опасность для людей

Состав датчиков задают проект и программа работ; на современных буровых показания передают и в офис заказчика.

Как читать изменения

Что изменилось: Давление на стояке медленно падает при той же частоте ходов
Возможные причины: промыв в замке или трубе; износ насоса (падает коэффициент наполнения); лёгкий флюид в затрубье при проявлении

Что изменилось: Давление на стояке резко выросло
Возможные причины: забита насадка, сальник на компоновке, остановился забойный двигатель (перепад на долоте)

Что изменилось: Момент растёт и колеблется
Возможные причины: плохая очистка ствола, сужение ствола, неустойчивое вращение колонны, износ долота

Что изменилось: Вес при подъёме выше, при спуске ниже расчётного
Возможные причины: растёт сопротивление в стволе — шлам, уступы, сужение (сопротивление)

Что изменилось: Расход на выходе растёт, объём в ёмкостях прибывает
Возможные причины: проявление — признаки проявления

Что изменилось: Расход на выходе падает, объём убывает
Возможные причины: поглощение раствора пластом

Что изменилось	Возможные причины
Давление на стояке медленно падает при той же частоте ходов	промыв в замке или трубе; износ насоса (падает коэффициент наполнения); лёгкий флюид в затрубье при проявлении
Давление на стояке резко выросло	забита насадка, сальник на компоновке, остановился забойный двигатель (перепад на долоте)
Момент растёт и колеблется	плохая очистка ствола, сужение ствола, неустойчивое вращение колонны, износ долота
Вес при подъёме выше, при спуске ниже расчётного	растёт сопротивление в стволе — шлам, уступы, сужение (сопротивление)
Расход на выходе растёт, объём в ёмкостях прибывает	проявление — признаки проявления
Расход на выходе падает, объём убывает	поглощение раствора пластом

Ни один признак не доказывает причину сам по себе: его сверяют с другими параметрами и с тем, что делали на буровой, — перекачки, долив, добавка воды тоже меняют объём в ёмкостях.

Урок — не инструкция

Нагнетательные линии, стояк и рукав работают под давлением в десятки мегапаскалей; разрыв линии под давлением смертельно опасен. Предохранительные клапаны насосов не отключают и не загромождают, буровой рукав страхуют хомутами, а во время опрессовок и пуска насосов людей у линий не держат.
Верхний привод, ротор и ключи — вращающееся оборудование с большим моментом; работы на них ведут при отключённой и заблокированной энергии.
Признаки проявления требуют действий по утверждённым процедурам контроля скважины. Порядок работ, допустимые давления и настройки определяют паспорта оборудования, проект и программа работ, требования промышленной безопасности и процедуры буровой; работы выполняет обученный персонал.

Термины и обозначения

Буровой насос: поршневой насос объёмного действия; трёхпоршневой одностороннего или двухпоршневой двустороннего действия.
Цилиндровая втулка: сменная гильза цилиндра; от её диаметра зависят подача за ход и допустимое давление.
Ход насоса, число ходов: ход — один оборот коленчатого вала; частоту насоса указывают в ходах в минуту, объёмы считают по счётчикам ходов.
Коэффициент наполнения $\eta_v$: отношение фактической подачи к расчётной по геометрии; около 0,9–1,0, падает при износе.
Компенсатор пульсаций: сосуд с азотом за эластичной диафрагмой на нагнетательной линии; сглаживает пульсации давления.
Число ходов до долота, «снизу вверх»: внутренний объём колонны и объём затрубья, выраженные в ходах насоса.
Ротор, ведущая труба, вертлюг: вращающийся стол, многогранная труба, которую он вращает, и подвешенное на крюке устройство, через которое раствор входит во вращающуюся колонну.
Верхний привод: двигатель с вертлюгом на талевом блоке, вращающий колонну сверху; позволяет бурить свечами и вращать колонну при подъёме.
Механизированный буровой ключ: машина для свинчивания и развинчивания соединений с дозированным моментом (iron roughneck).

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Подача насоса — это ходы, умноженные на объём цилиндра».

На самом деле

У трёхпоршневого насоса за ход работают три цилиндра, у двухпоршневого — два в обе стороны, а фактическая подача меньше расчётной на коэффициент наполнения.

Неверно

«Чтобы поднять давление, надо поставить втулки побольше».

На самом деле

Наоборот: допустимое давление тем выше, чем меньше втулка, потому что нагрузка на шток — давление, умноженное на площадь поршня. Большие втулки дают большую подачу при меньшем давлении.

Неверно

«Раз давление на стояке упало, значит, раствор стал легче — можно поднять подачу».

На самом деле

Падение давления при той же частоте ходов — повод искать причину: промыв колонны, износ насоса, проявление. Сначала проверяют расход на выходе, объём в ёмкостях и насосы.

Неверно

«Момент на верхнем приводе — это момент на долоте».

На самом деле

У поверхности момент складывается из момента на долоте и трения колонны о стенки; в наклонной скважине трение часто больше.

Неверно

«Верхний привод нужен только чтобы бурить быстрее».

На самом деле

Он ещё и позволяет в любой момент подсоединиться к колонне, вращать и промывать её при подъёме — это важно при затяжках и при проявлении во время спуско-подъёма.

Подробно: для продвинутых

Почему трёхпоршневой насос подаёт ровнее

Скорость поршня меняется за оборот вала почти по синусу: в мёртвых точках она равна нулю, в середине хода наибольшая. Подача цилиндра пропорциональна скорости его поршня, пока он нагнетает. У трёхпоршневого насоса одностороннего действия три цилиндра нагнетают со сдвигом 120°: когда один поршень замедляется, разгоняется следующий, и суммарный поток колеблется лишь от 0,91 до 1,05 среднего. У двухпоршневого двустороннего действия два цилиндра сдвинуты на 90°, и каждый нагнетает в обе стороны, но обратный ход вытесняет меньше — на объём штока. Колебания здесь намного больше — от 0,71 до 1,21 среднего у насоса с втулками 170 мм и штоком 70 мм.

РасчётМгновенная подача насоса, отнесённая к средней, за один оборот вала: трёхпоршневой насос одностороннего действия и двухпоршневой двустороннего (втулки 170 мм, шток 70 мм). Расчёт по синусоидальному движению поршней (шатун много длиннее кривошипа).

Пульсации потока превращаются в пульсации давления, которые расшатывают линии, рукав и соединения и мешают передаче сигналов гидроимпульсных телесистем. Поэтому компенсатор пульсаций ставят на нагнетательную линию каждого насоса и заряжают азотом под давление, рекомендованное изготовителем для рабочего давления насоса. Реальная картина зависит ещё и от длины шатуна и от того, как открываются клапаны, но главное расчёт показывает верно: при трёх цилиндрах одностороннего действия поток в несколько раз ровнее.

Откуда берётся формула двухпоршневого насоса

При ходе вперёд поршень вытесняет из передней камеры объём $\frac{\pi}{4}d^2L$ . При ходе назад он вытесняет раствор из задней камеры, но часть её сечения занимает шток, и объём меньше: $\frac{\pi}{4}(d^2 - d_{\text{ш}}^2)L$ . За оборот вала один цилиндр подаёт сумму, $\frac{\pi}{4}(2d^2 - d_{\text{ш}}^2)L$ , а два цилиндра — вдвое больше: $\frac{\pi}{2}(2d^2 - d_{\text{ш}}^2)L$ . Поэтому у двухпоршневого насоса за один ход в промысловом счёте четыре нагнетания, а у трёхпоршневого — три.

Уплотнение штока в задней камере работает под полным давлением нагнетания и изнашивается; это одна из причин, почему двухпоршневые насосы уступили место трёхпоршневым, у которых шток со стороны привода давления раствора не видит.

Связь с другими темами

Как бурят скважину: процесс и персонал — системы буровой и время отставания шлама.
Потери давления при циркуляции — как давление насосов расходуется по пути раствора.
Оптимизация гидравлики долота — выбор подачи и насадок в рабочем окне насосов.
Очистка бурового раствора от твёрдой фазы — очистное оборудование циркуляционной системы.
Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления — признаки проявления на приборах буровой и доливная ёмкость.
Глушение скважины после проявления — число ходов до долота в графике глушения.
Буровая установка: силовая и подъёмная системы — силовая система, талевая система и вес верхнего привода на крюке.

Проверьте себя

1
В трёхпоршневые насосы примера (ход поршня 228,6 мм) поставили втулки 140 мм; коэффициент наполнения 0,95. Какова подача одного насоса за ход?
1. А.20,1 л
2. Б.10,56 л
3. В.3,34 л
4. Г.10,03 л
Показать ответ
Правильный ответ: Г. 10,03 л
Объём одного цилиндра $\frac{\pi}{4}\cdot 1{,}4^2\cdot 2{,}286 \approx 3{,}519$ л (размеры в дециметрах), за ход работают три цилиндра — 10,56 л, с коэффициентом наполнения — $10{,}56\cdot 0{,}95 \approx 10{,}03$ л. 10,56 л — расчётный объём без потерь, 3,34 л — лишь один цилиндр с потерями, 20,1 л — два насоса.
2
Почему втулки меньшего диаметра допускают большее давление нагнетания?
1. А.Они толще и прочнее
2. Б.Меньший поршень движется быстрее
3. В.Через них меньше утечки
4. Г.Нагрузка на шток равна давлению, умноженному на площадь поршня; при меньшей площади то же усилие допускает большее давление
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Нагрузка на шток равна давлению, умноженному на площадь поршня; при меньшей площади то же усилие допускает большее давление
Приводная часть рассчитана на наибольшую нагрузку на шток. При втулке меньшего диаметра это же усилие соответствует большему давлению: $p_{\max} = F_{\text{ш}}/(\pi d^2/4)$ . Зато подача за ход меньше — пропорционально $d^2$ .
3
Внутренний объём бурильной колонны 24 м³, подача насоса за ход 15 л, насос работает со скоростью 120 ходов в минуту. Сколько ходов до долота и сколько это минут?
Показать ответ
$Z_{\text{д}} = 24/0{,}015 = 1600$ ходов; при 120 ходах в минуту — $1600/120 \approx 13{,}3$ мин. Если коэффициент наполнения на деле меньше принятого, пачка дойдёт до долота позже, чем покажет счётчик.
4
При неизменной частоте ходов давление на стояке за час снизилось с 18,0 до 16,5 МПа. Что нужно проверить?
Показать ответ
Падение давления при той же частоте ходов означает, что раствор легче проходит путь или его подаётся меньше. Возможные причины: промыв в колонне (давление падает постепенно и дальше), износ насоса (меньше коэффициент наполнения), проявление (лёгкий флюид в затрубье). Сначала сверяют расход на выходе и объём в ёмкостях; если они в норме, проверяют насосы, а при подозрении на промыв колонну поднимают, чтобы найти промытую трубу раньше, чем она разрушится.
5
Ротор вращает колонну с частотой 90 об/мин, момент 12 кН·м. Какая мощность нужна на вращение?
Показать ответ
$\omega = 2\pi\cdot 90/60 = 9{,}42$ рад/с; $N_{\text{вр}} = 12\cdot 9{,}42 \approx 113$ кВт (около 152 hp). Мощность на входе привода больше на КПД передачи ротора.
6
Чем трёхпоршневой насос одностороннего действия лучше двухпоршневого двустороннего?
1. А.Его подача не зависит от коэффициента наполнения
2. Б.Он подаёт ровнее, легче, работает с большей частотой ходов и проще в обслуживании
3. В.Ему не нужен компенсатор пульсаций
4. Г.Он подаёт больше за ход при тех же втулках
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Он подаёт ровнее, легче, работает с большей частотой ходов и проще в обслуживании
Три цилиндра со сдвигом 120° дают почти ровный поток, насос легче, допускает большую частоту ходов, а уплотнение штока не работает под давлением. Компенсатор пульсаций ему всё равно ставят, а коэффициент наполнения учитывают так же.

Обновлено: 28 октября 2026 г.