Бұрғылау қашауы. Мұнай ұңғымасын немен бұрғылайды

Бұрғылау бағанасы – бұл бұрғылау құбырларынан жиналған, ұшына қашау орналасатын қуыс білік. Өз кезегінде, бұрғылау қашауы — бұл мұнай ұңғымаларын бұрғылауға арналған, тау жыныстарын бұзатын арнайы құрал (бағаналы бұрғылау бастиегі, бұрғы бастиегі). Ұңғыманы бұрғылағаннан кейін, оны герметикалау үшін ұңғымаға тиісті орнатпалы құбырлар салынады. Жалпы, бұрғылау дегеніміз кенжардағы тау жыныстарын бұзып (бұрғыланған ұңғыманың төменгі нүктесінде), бұзылған жыныстарды жер бетіне шығаруды білдіреді. Бұрғылау қондырғысының өзі бұрғылау мұнарасы, бұрғылау сорғылары, бұрғылау ерітіндісін тазарту жүйелері, генераторлар, тұрғын үй-жайлар және т.б. сияқты механизмдер кешені болып табылады.

Бұрғылау қашауларының түрлері

Қазақстанда да, шетелде де барлық бұрғылау жұмыстарының 90%-на дейін шаржылы қашаулармен роторлы бұрғылау арқылы орындалады (ағылш. roller cone bit). Мұндай қашау шаржы мойынтіректерді бір-біріне қатысты айналдыра отырып, жыныстарды ұсақтау-қашау әдісімен бұзады. Шаржылар әртүрлі пішіндегі болат тістермен жабдықталған. Ең көп таралғаны – үш шаржылы қашаулар.

Фрезерлік қашаулар қатты қабаттарды бұрғылауда қолданылады.

Алмас қашаулар қашау үшін қажетті қысымды қамтамасыз ету мүмкін болмайтын үлкен тереңдіктегі қатты жыныстарды айналмалы бұрғылау кезінде қолданылады. Олардың беріктігі шаржылы қашаудың беріктігінен бірнеше есе көп, өйткені қозғалмалы бөліктері жоқ және құралдың бір бөлігін жоғалту қаупі болмайды.

Шаржылы қашаудың эволюциясы

Роторлы бұрғылау айналмалы бұрғылаудың механикалық процесі болып табылады, онда құбырдың ұшына бекітіліп, ұңғыманың түбімен әрекеттесетін, арнайы тау жыныстарын бұзатын (ТЖБ) құралды пайдаланылады. Тау жаныстарын бұзудың ккі негізгі түрі бар: шаржылы қашау және алмас қашау.

Бірқатар қарқынды сынақтардан кейін американдық кәсіпкер және өнертапқыш Ховард Робард Хьюз (1869-1924) инженер Уолтер Шарппен (1870-1912) бірлесе отырып, ағаштан жасалған екі конустық бұрғы прототипін жасап шығарды. Шаржылы бұрғылау қашауының алғашқы коммерциялық сәтті моделі АҚШ-та 1909 жылы 10 тамызда патенттелген. Бұл оқиға Sharp-Hughes Tool Company компаниясының құрылуына жол ашты, ол кейін Шарп қайтыс болып, оның жесірі акцияларын аға Хьюзге сатқаннан кейін Hughes Tool Company болып аталды. Хьюз қашауында фрезерленген тістері бар екі конус тәрізді болат шаржылы элементтер қолданылды.

«Тас жегіш» деген лақап атқа ие болған Хьюз екі конусты роторлы бұрғысы ортаңғы және қатты жыныстарды кез келген алдыңғы қашау жылдамдығынан он есе жылдамдықпен тесіп өтетін болған. Бұл жаңалық мұнай ұңғымаларын бұрғылауда төңкеріс болды. Келесі екі онжылдықта шаржылы қашаулармен роторлы бұрғылау мұнай кен орындарында барлық басқа бұрғылау әдістерін айтарлықтай алмастырды. 1933 жылы Hughes Tool инженерлері үш конустық айналмалы бұрғы жасап шығарды, ал 1934 жылдан 1951 жылға дейін Hughes нарығының үлесі 100%-ға жақындады. Әкесінің шаржылы қашауының арқасында кіші Хьюз әлемдегі ең бай адамдардың біріне айналды. 2009 жылдың 10 тамызында Американдық инженер-механиктер қоғамы (ASME) Хьюз екі конустық бұрғылау қашауының 100 жылдық мерейтойында оны машина жасаудағы тарихи оқиға деп таныды.

ХХ ғасырдың алғашқы отыз жылының аяғына қарай роторлы бұрғылау мұнай саласын толығымен жаулап алды. Жабдықтар мен технологиялар конструкциясындағы өзгерістер бұрғылау жылдамдығының он еседен астам өсуіне және бұрғылау жұмыстарының өзіндік құнының төмендеуіне әкелді, бұл ретте ұңғымаларды 3-4 км-ге дейін тереңдетуге қол жеткізілді. Алайда, бұл әдістің өз кемшіліктері болды, соның ішінде бұрғылау құралының көлемділігі жағынан: ұңғыманың 4 км тереңдігінде бұрғылау құбырлары бағанының салмағы 200 тоннадан асып, энергияның негізгі бөлігі ұңғыманың өзін тереңдетуге емес, бағанды айналдыруға жұмсалды. Бұл мәселе қашауды айналдыратын қозғалтқышты ұңғыманың тереңдігіне орналастыру арқылы шешімін тапты.

Мұндай алғашқы құрылғы 1922 жылы кеңес ғалымы Матвей Капелюшников (1886-1959) жасаған турбобұрғы болды. Заманауи турбобұрғы – бұл көп сатылы гидравликалық қозғалтқыш. Бұл әдіс қашауды оның дәл үстіне орналасатын қозғалтқыш арқылы басқаруға мүмкіндік береді. Бұрғылаудың бұл әдісінде бүкіл құрастырма тұтас айналмайды, тек төменгі бөлігі ғана айналады. Қозғалтқыш бұрғылау құбырлары арқылы берілетін сазды ерітіндінің қысымымен жұмыс істейді. Кенжарды жуу үшін ұңғымаға айдалатын бұрғылау ерітіндісі роторларды айналдырып, олардың күші қашауға беріледі. Кейін батырмалы қозғалтқыштардың басқа түрлері пайда болды, мысалы, электр және бұрандалы түрлері. Қазіргі уақытта кенжар қозғалтқыштары қолданылатын бұрғылау осындай жұмыстардың 90%-нан астамын құрайды. Бұл жағдайда бұрғылау бағытты режим (бүкіл бағанды айналдырусыз) және роторлы режим (бағанды айналдыру) алмастырыла отырып жүргізіледі. Дәл осы бұрғылау әдісі тек тік ұңғымалар ғана емес, сонымен қатар көлденең ұңғымалар салуға мүмкіндік берді.

Шаржылы қашаулардың ерекшеліктері

Қазіргі шаржылы қашау вольфрам карбиді сияқты ерекше берік материалдардан жасалған арнайы тістері бар үш шаржыдан тұрады. Оларға жуу құрылғылары жарамды келеді, бұл жуу құрылғылары арқылы арнайы бұрғылау ерітіндісі үлкен қысыммен беріледі. Шаржылар оңай айналады, тістері тау жыныстарын ұсақтап, бұзады.

Дұрыс бұрғылау қашауын таңдау кезінде ескерілетін негізгі факторлардың бірі – тау жыныстарының қаттылығы. Қашаудың кесуші құрылымы тау жынысына қарай өзгеріп отырады. Жұмсақ жыныстар кеңірек орналасқан ұзын шығыңқы тістері бар шаржылы қашаумен бұрғыланады. Ал қаттырақ қабаттар қысқа қашықтықтағы және тістері қысқарақ қашаулармен бұрғыланады. Шаржылы қашаулар әмбебап болып келеді және қабаттардың көптеген түрлерін кесіп тастай алады.

Сондай-ақ қашаулар ішкі мойынтіректері бойынша да қосымша жіктеледі. Әрбір қашаудың үш айналмалы конусы бар және олардың әрқайсысы бұрғылау кезінде өз осімен айналады. Бұрғылау құбыры сағат тілімен айналады, ал шаржылар сағат тіліне қарсы бағытта айналады. Әрбір шаржы мойынтірек көмегімен өз осімен айналады. Мойынтіректер негізінен үш түрге бөлінеді: ашық мойынтірегі бар қашаулар, герметикалық мойынтірегі бар қашаулар және цапфалы мойынтірегі бар қашаулар.

Ашық мойынтірегі бар қашаулар мойынтіректерге оңай қол жеткізуге мүмкіндік береді және қажет болған жағдайда оларды тез ауыстыруға мүмкіндік береді. Герметикалық мойынтіректері бар қашаулар мойынтіректерді бұрғылау ерітіндісінен және басқа сыртқы әсерлерден қорғайды, бұл олардың қызмет ету мерзімін ұзартады. Цапфалы мойынтіректері бар қашаулар жоғары жүктеме қажет болатын жағдайларда қолданылады, өйткені олар зор тұрақтылық пен беріктікті қамтамасыз етеді.

Бұрғылау технологиясы мен қашау конструкциясындағы осы инновациялар мен жақсартулардың барлығы терең және күрделі ұңғымаларды жоғары тиімділік пен сенімділікпен бұрғылауға жол ашып, мұнай өнеркәсібінде айтарлықтай ілгерілеуге ықпалын тигізді. Бұл өз кезегінде мұнай мен газды зерттеу және өндіру мүмкіндіктерін кеңейтіп, жаһандық энергетикалық инфрақұрылымды дамытуға ықпал етті.