Технология бурения вертикальных нефтяных скважин. Бурение нефтяных и газовых скважин

Первоначально в нашей стране использовали бурение для строительства соляных скважин. Информация о бурении скважин для поисков нефти относится к 30-м годам XIX века на Тамани. По предложению горного инженера Н.И. Воскобойникова в 1848 году на Биби-Эйбате была пробурена скважина с помощью бура, из которой получена нефть. Это была первая нефтяная скважина в мире, построенная с помощью бурения с использованием способа непрерывной очистки скважины от пробуренной породы промывкой жидкостью.

Скважины бурятся вертикальные, наклонные, горизонтальные. Широкое применение получил метод наклонно-направленного кустового бурения, когда с одной площадки бурится наклонным способом 15 и более скважин. Этот метод успешно применяется в условиях заболоченных мест, при бурении скважин с морских буровых платформ, для сохранения плодородных пахотных земель и т.д.

Понятие о скважине

Скважина - это горная выработка (вертикальная или наклонная) круглого сечения, глубиной от нескольких метров до нескольких километров, различного диаметра, сооружаемая в толще земной коры. Верхняя часть скважины называется устьем, нижняя часть скважины называется забоем, а боковая поверхность называется стволом скважины. Расстояние от устья скважины до забоя по оси ствола скважины называется длиной скважины. Проекция длины на вертикальную ось называется глубиной скважины.

Скважины бывают нефтяные, газовые, газоконденсатные, нагнетательные, наблюдательные, оценочные и т.д. Конструкция скважин должна отвечать следующим требованиям:

• 1. Обеспечивать механическую устойчивость стенок ствола скважины и надежное разобщение всех (нефть, газ, вода) пластов друг от друга, свободный доступ к забою скважин спускаемого оборудования, недопущение обрушения горных пород в стволе скважины.
• 2. Эффективную и надежную связь забоя скважины с продуктивным (нефтяным или газовым) пластом.
• 3. Возможность герметизации устья скважины и обеспечение направления извлекаемой продукции в систему сбора, подготовки и транспорта нефти и газа или нагнетания в пласт агента воздействия.
• 4. Возможность проведения в скважинах исследовательских работ, а также различных геолого-технических и ремонтно-профилактических работ.

Устойчивость стенок ствола скважин и разобщение пластов друг от друга достигается за счет бурения и спуска в скважину нескольких труб, называемых обсадными. Вначале скважина бурится на глубину 50-100 метров, в нее спускается стальная труба (1 = 500 мм и более - направление. Пространство между наружной стенкой трубы и стенкой скважины (породы) заполняется специальным тампонажным цементным раствором под давлением с целью недопущения обвала верхних пород и перетоков между верхними пластами. Затем скважина бурится меньшим диаметром долота на глубину 500-600 м, в нее спускается труба диаметром 249-273 мм и цементируется, как и направление, до устья. Эта колонна труб называется кондуктором и предназначена для предотвращения размыва верхних пластов, а также для создания канала для бурового глинистого раствора. После этого скважина бурится до проектного забоя. В нее спускается эксплуатационная колонна (стальная труба диаметром 146-168 мм), а пространство между трубой и породой под давлением заполняется цементным раствором до устья. Объем цементного раствораи давление его закачки определяются расчетом. После затвердения цементного раствора (обычно 48 часов) в межтрубном пространстве между наружной стенкой трубы и породой образуется цементный камень, который разобщает пласты между собой.

В зависимости от характеристики залежи, ее пластового давления, геологического разреза и др. конструкция скважин может быть одноколонной или многоколонной (двух или трех). Последняя колонна называется эксплуатационной.

После завершения бурения, спуска эксплуатационной колонны, ее цементации в скважине в интервале нефтяного или газового пласта делаются сквозные отверстия через стальную трубу и цементный камень с помощью специальных перфораторов.

После этого скважина осваивается и вводится в эксплуатацию. Скважина может быть с закрытым или открытым забоем. Открытый забой используется, когда продуктивный пласт сложен из плотных пород - карбонатных, известковых или плотных песчаников. При открытом забое скважина бурится до кровли продуктивного пласта, спускается эксплуатационная колонна и цементируется. Затем долотом меньшего диаметра через эксплуатационную колонну вскрывают (добуривают) продуктивный пласт. При этом не требуется перфорация, т.к. продуктивный пласт не перекрывается металлической трубой.

Если продуктивный пласт состоит из неустойчивых и слабоцементированных песчаников или известняков, то забой скважины оборудуется закрытым. При этом скважина бурится до проектной глубины (несколько ниже на 15-20 м продуктивного пласта создается так называемый «зумф»), в нее спускается эксплуатационная колонна, которая цементируется, а затем делается перфорация продуктивных участков пласта для сообщения пласта с забоем скважины. Если пласт представлен слабоцементированными песчаниками или алевролитами, то продуктивный пласт можно вскрывать при открытом забое с последующим спуском фильтра-хвостовика. Фильтр представляется в виде отверстий в эксплуатационной колонне в интервале продуктивного пласта.

Способы бурения нефтяных и газовых скважин.

Существует несколько способов бурения, но промышленное применение нашло механическое бурение. Механическое бурение подразделяется на ударное и вращательное. При ударном бурении буровой инструмент состоит из долота 1, ударной штанги 2, канатного замка 3. На бурящейся скважине устанавливается мачта 12, которая имеет в верхней части блок 5, оттяжной ролик балансира 6, вспомогательный ролик 8 и барабан бурового станка 11. Канат навивается на барабан 11 бурового станка. Буровой инструмент подвешивается на канате 4, который перекидывается через блок 5 мачты 12. При вращении шестерен 10 шатун 9, совершая возвратно-поступательное движение, приподнимает и опускает балансирную раму 6. При опускании рамы оттяжной ролик 7 натягивает канат и поднимает буровой инструмент над забоем скважины. При подъеме рамы канат опускается, долото падает на забой и разрушает породу. Для очистки забоя от разрушенной породы (шлама) поднимают буровой инструмент из скважины и спускают в нее желонку (удлиненный цилиндр типа ведра с клапаном в дне). Для повышения эффективности ударно-канатного бурения необходимо своевременно очищать забой скважины от выбуренной породы.

Вращательное бурение.

Нефтяные и газовые скважины в настоящее время бурятся методом вращательного бурения. При вращательном бурении разрушение горной породы происходит за счет вращающегося долота. Под весом инструмента долото входит в породу и под влиянием крутящего момента разрушает породу. Крутящий момент передается на долото с помощью ротора, устанавливаемого на устье скважины через колоннубурильных труб. Этот метод бурения называется роторным бурением. Если крутящий момент передается на долото от забойного двигателя (турбобура, электробура), то этот способ называют турбинным бурением.

Турбобур - это гидравлическая турбина, приводимая во вращение с помощью нагнетаемой насосами в скважину промывочной жидкости.

Электробур представляет собой электродвигатель в герметичном исполнении, электрический ток к нему подается по кабелю с поверхности.

Буровая вышка - это металлическое сооружение над скважиной для спуска и подъема бурового инструмента с долотом, забойных двигателей, обсадных труб, размещения бурильных свечей после их подъема из скважины и т.д.

Вышки выпускаются нескольких модификаций. Основные характеристики вышек - это грузоподъемность, высота, емкость «магазинов» (место длясвечей бурильных труб), размеры нижнего и верхнего оснований, вес (масса вышки).

Грузоподъемность вышки - это максимальная, предельно допустимая нагрузка на вышку в процессе бурения скважины. Высота вышки определяет длину свечи, которую можно извлечь из скважины, от величины которой зависит продолжительность спускоподъемных операций.

Для бурения скважин на глубину 400-600 м применяется вышка высотой 16-18 м, на глубину 2000-3000 м - высотой 42 м, а на глубину от 4000 до 6500 м - 53 м. Емкость «магазина» показывает, какая суммарная длина бурильных труб диаметром 114-168 мм может быть размещена в них. Размеры верхнего и нижнего оснований характеризуют условия буровой бригады с учетом размещения бурового оборудования, бурильного инструмента и средств механизации спускоподъемных операций. Размеры верхнего основания вышек составляют 2x2 или 2,6x2,6 м, а нижнего - 8x8 или 10x10 м.

Общая масса буровых вышек составляет десятки тонн.

Цикл строительства скважины.

Перед началом бурения на месте бурения скважины площадку освобождают от посторонних предметов, при наличии леса его вырубают и выкорчевывают. Если бурение будет вестись в заболоченной местности, то предварительно отсыпают дорогу до места буровой, а также отсыпают площадку, ликвидируя заболоченность, под буровой установкой. Делают планировку площадки, подводят линию электропередачи, связь и водовод.

Буровые вышки, если позволяет рельеф местности и расстояние, перевозят без разборки на специальных гусеничных тележках или на санях с полозьями, а также возможен метод пневмопередвижки. После перевозки и установки на месте буровой вышки начинают монтаж остального оборудования, т.е. монтаж поршневых насосов с дизельным приводом или насосов с электроприводом; систему очистки бурового раствора, электрощитовую, устьевое оборудование (ротор, превентор, гидравлический индикатор веса), буровое укрытие для привышечных сооружений и т.д. Если бурение начинается на новой площади, удаленной- от места ведения буровых работ, в этом случае все оборудование, включая буровую вышку, насосный блок, очистные сооружения и т.д., завозят в разобранном виде на буровую площадку и здесь начинают собирать буровую вышку и все остальное оборудование.

После монтажа буровой вышки и всего оборудования начинают проводить подготовительные работы к бурению скважины.

К подготовительным работам относятся:

• 1. Оснастка талевого блока и кронблока стальным канатом и подвеска подъемного крюка.
• 2. Установка и опробование средств малой механизации.
• 3. Сборка и подвеска к крюку вертлюга квадрата (ведущая труба), присоединение гибкого высоконапорного шланга к трубе-стояку и к вертлюгу.
• 4. Центровка вышки.
• 5. Установка ротора.
• 6. Бурение направления скважины.

Скважины бурят вертикальные, наклонно-направленные и горизонтальные. Долгое время основным видом бурения скважин было вертикальное бурение. Последние годы все чаще стал применяться метод наклонно-направленного бурения, т.е. когда, согласно проектам на бурение, скважина бурится по траектории с отклонением от вертикали. Обычно наклонные скважины целесообразно бурить под дно моря, реки, озера, а также под горы, овраги; в болотистой местности, заповедных лесах, под крупные промышленные объекты, города и села. Наклонные скважины также применяют при ликвидации открытых нефтяных и газовых фонтанов, а также в целях сохранения плодородных земель, с целью снижения стоимости бурения скважин за счет сокращения подготовительных работ и коммуникаций (связь, электроэнергия, водоводы и т.д.). Для отклонения профиля скважины от вертикали применяют специальные приспособления. К ним относятся: кривой переводник, кривая бурильная труба, различного вида отклонители и т.д. Все больше и больше в нашей стране в последние годы применяется горизонтальное бурение скважин и бурение боковых горизонтальных стволов скважин в отработанных и нерентабельных скважинах, где имеются невыработанные пропластки с нефтью.

Перфорация скважин. После того как обсадные трубы спущены в скважину и зацементированы, против продуктивной части пласта при помощи перфораторов делают отверстия в эксплуатационной колонне и цементном камне для соединения продуктивной части пласта с забоем скважины. Эта операция называется перфорацией. Применяются различные методы перфорации скважин: пулевая, торпедная, кумулятивная и гидропескоструйная.

Пулевой перфоратор (ПП) представляет собой трубу длиной 1 м и диаметром 100 мм, которая заряжается спрессованным порохом и 10 стальными пулями. На каротажном кабеле пулевой перфоратор спускают в скважину, заполненную глинистым раствором, устанавливают против заданного интервала продуктивного пласта и делают выстрелы. Глубина отверстий в породе не превышает 5-7 см. Многие пули застревают в эксплуатационной колонне, в цементном камне, и только небольшое число их пробивает колонну и цементный камень. Практически в настоящее время не находит применения.

Торпедный перфоратор (ТП). Торпедная перфорация осуществляется аппаратами, спускаемыми на кабеле и стреляющими разрывными снарядами диаметром 22 мм. Аппарат состоит из секций, в каждой из которых имеется по два горизонтальных ствола. Снаряд снабжен детонатором накольного типа. При остановке снаряда происходит взрыв внутреннего заряда и растрескивание окружающей горной породы. Глубина каналов, по данным испытаний, составляет 100-160 мм, диаметр канала 22 мм. На 1 м продуктивной части пласта делается не более четырех отверстий, так как при торпедной перфорации часто происходит разрушение обсадной колонны. Так же, как и пулевая, торпедная перфорация применяется очень ограниченно.

В настоящее время в основном применяют кумулятивную перфорацию (ПК). Кумулятивные перфораторы имеют заряды с конусной выемкой, которые позволяют фокусировать взрывные потоки газов и направлять их с большой скоростью перпендикулярно к стенкам скважины.

В кумулятивный перфоратор вставляют шашку из спрессованного порошкообразного взрывчатого вещества, которая имеет конусную выемку, облицованную металлической плашкой.

Кумулятивная перфорация осуществляется стреляющими перфораторами, не имеющими пуль или снарядов. Прострел колонны, цементного камня и породы достигается за счет сфокусированного взрыва. Такая фокусировка обусловлена конической формой поверхности заряда взрывчатого вещества (ВВ), облицованной тонким металлическим покрытием (листовая медь толщиной 0,6 мм). Энергия взрыва в виде тонкого пучка газов - продуктов облицовки - пробивает канал. Кумулятивнаяструя имеет скорость в головной части до 6-8 км/с и создает давление 3-5 тыс. мПа.

При выстреле кумулятивным зарядом в колонне и цементном камне образуется узкий перфорационный канал глубиной до 350 мм и диаметром в средней части 8-14 мм.

На нефтяных промыслах применяют также гидропескоструйный перфоратор (ГПП).

Гидропескоструйный перфоратор состоит из толстостенного корпуса, в который ввинчивается до десяти насадок из абразивно-стойкого материала (керамики, твердых сплавов) диаметрами отверстий 3-6 мм.

Гидропескоструйный перфоратор спускают в скважину на насосно-компрессорных трубах. Перед проведением перфорации скважины с поверхности в НКТ бросают шар, который перекрывает сквозное отверстие перфоратора. После этого с помощью насосных агрегатов АН-500 или АН-700 через НКТ в скважину закачивают жидкость с песком. Нагнетаемая жидкость с песком выходит только через насадки. При выходе из насадок развиваются огромные скорости абразивной струи. В результате за короткое время пробиваются отверстия в обсадных трубах, цементном камне и породе, ствол скважины соединяется с продуктивным пластом. В зависимости от диаметра насадок, их числа и скорости закачки жидкости глубина перфорационных отверстий достигает 40-60 см. При этом сохраняется герметичность цементного камня за колонной. При гидропескоструйной перфорации на устье скважины создается давление до 40 мПа. Темп прокачки жидкости с песком составляет 3-4 л/с на одну насадку. При этом объемная скорость струи в насадке достигает 200-300 м3/сут, а перепад давления 18-22 мПа. Продолжительность перфорации одного интервала - 15-20 минут. По окончании перфорации заданного интервала перфоратор поднимают и устанавливают на следующий интервал, и операция повторяется.

вызов притока в скважину.

В промысловой практике применяют следующие способы вызова притока жидкости из продуктивного пласта к забою скважины: тартание, поршневание, замена жидкости в скважине на более легкую, компрессорный метод, прокачка газожидкостной смеси, откачка глубинными насосами. Перед освоением скважины на устье устанавливается арматура. В любом случае на фланце обсадной колонны должна устанавливаться задвижка высокого давления для перекрытия ствола скважины в аварийных ситуациях.

Поршневание . При поршневании (свабировании) поршень, или сваб, спускается в НКТ на стальном канате. Поршень (сваб) представляет собой трубу диаметром 25-37,5 мм с клапаном, в нижней части открывающимся вверх. На наружной поверхности трубы (в стыках) устанавливаются резиновые манжеты (3-4 шт.), армированные проволочной сеткой. При спуске сваба под уровень жидкость в скважине перетекает через клапан в пространство над поршнем. При подъеме сваба клапан закрывается, а манжеты, распираемые давлением столба жидкости над ними, прижимаются к стенкам НКТ и уплотняются. За один подъем поршень выносит столб жидкости, равный глубине погружения его под уровень жидкости. Глубина погружения ограничивается прочностью тартального каната и обычно составляет 100-150 м.

Тартание - это извлечение жидкости из скважины желонкой, спускаемой на стальном (16 мм) канате с помощью лебедки на тракторе (автомобиле). Изготавливается желонка из трубы длиной 7,5-8 м, имеющей в нижней части клапан со штоком, открывающимся при упоре на шток. В верхней части желонки имеется скоба для крепления каната. Диаметр желонки не должен превышать 0,7 диаметра обсадной колонны. За один спуск желонка выносит из скважины жидкость объемом не более 0,06 м3.

Тартание - трудоемкий и малопроизводительный способ. В то же время тартание дает возможность извлекать глинистый раствор с забоя и контролировать уровень жидкости в скважине. Многократные спуск и подъем поршня приводят к постепенному понижению уровня жидкости в скважине. Большим недостатком этого метода является то, что приходится работать при открытом устье, что связано с опасностью выброса жидкости и открытого фонтанирования. Поэтому поршневание применяется в основном при освоении нагнетательных скважин.

Замена жидкости в скважине. Скважина, законченная бурением, обычно заполнена глинистым раствором. Если заменить глинистый раствор в скважине водой или дегазированной нефтью, то уменьшим забойное давление. Этим способом осваиваются скважины с большим пластовым давлением и хорошими коллекторскими свойствами.

Компрессорный способ освоения. Компрессорный способ имеет более широкое применение при освоении скважин. В скважину перед освоением спускаются насосно-компрессорные трубы, а устье оборудуется фонтанной арматурой. К межтрубному пространству через нагнетательный трубопровод подсоединяют передвижной компрессор или газовую линию с высоким давлением от газокомпрессорной станции. При нагнетании газа в скважину жидкость в межтрубном пространстве оттесняется до башмака НКТ или до пускового отверстия (3-4 мм) в НКТ, сделанного заранее на глубине 700-800 м от устья, и прорывается в НКТ. Газ, попадая в НКТ, газирует жидкость в них. В результате давление на забое значительно снижается. Регулируя расход газа, изменяют плотность газожидкостной смеси в трубах, а соответственно, и давление на забое скважины. При забойном давлении ниже пластового начинается приток жидкости и газа в скважину. После получения устойчивого притока скважина переводится на стационарный режим работы. Этот способ позволяет сравнительно быстро получить значительные депрессии на пласт, что особенно важно для эффективной очистки призабойной зоны скважины. В условиях крепких пород (песчаников, известняков) это приводит к интенсивной очистке порового пространства от кальматирующего (закупоривающего) материала, а в условиях рыхлых пород - к разрушению призабойной зоны пласта. Чтобы обеспечить более плавный пуск скважины, проводят закачку аэрированной нефти через межтрубное пространство с использованием компрессора, промывочного агрегата и смесителя. После выброса газожидкостной смеси через выкидную линию в приемную емкость подачу аэрированной нефти постепенно уменьшают до полного ее прекращения.

Освоение скважин сжатым воздухом в основном проводят применением передвижных компрессоров УКП-80 или КС-100. Компрессор УКП-80 развивает давление 8 МПа с подачей воздуха 8 м /мин, а КС-100 развивает давление 10 МПа с подачей воздуха 16 м3/мин. Следует отметить, что при освоении скважин сжатым воздухом возможны взрывы, так как при содержании углеводородного газа в смеси с воздухом от 6 до 15% образуется гремучая смесь.

Освоение скважин закачкой газированной жидкости.

Освоение скважин газированной жидкостью заключается в том, что вместо газа или воздуха в межтрубное пространство закачивается смесь газа с жидкостью (вода или нефть). Плотность такой газожидкостной смеси зависит от соотношения расходов закачиваемых газа и жидкости, что позволяет регулировать параметры процесса освоения. С учетом того, что плотность газожидкостной смеси больше плотности чистого газа, этот метод позволяет осваивать глубокие скважины компрессорами, которые создают меньшее давление.

Освоение нагнетательных скважин. Нагнетательные скважины должны иметь высокую приемистость по всей толщине продуктивного пласта. Этого можно достичь хорошей очисткой призабойной зоны продуктивного пласта от грязи и других кальматирующих материалов. Призабойную зону пласта очищают перед пуском нагнетательной скважины под закачку теми же способами, что и при освоении нефтедобывающих скважин, но дренирование призабойных зон пласта проводят по времени значительно дольше. Длительность промывки достигает одних суток и более и зависит от количества механических примесей, содержащихся в выходящей из скважины воде. Содержание механических примесей в конце промывки не должно превышать 10-20 мг/л.

Максимальная очистка порового пространства призабойной зоны пласта происходит с использованием таких способов дренирования, которые позволяют создавать очень высокие депрессии на пласт, обеспечивающие высокие скорости фильтрации жидкости к забоям скважин в условиях неустановившихся режимов. Чаще всего дренирование пласта проводят методами самоизлива, аэризации жидкости, откачки с применением высокопроизводительных погружных центробежных насосов и др.

При освоении нагнетательных скважин широкое применение получил метод переменных давлений (МПД). При использовании этого метода в призабойную зону пласта через НКТ с использованием насосных агрегатов в течение короткого времени периодически создают высокое давление нагнетания, которое затем резко сбрасывают через межтрубное пространство (проводят «разрядку»). При закачке жидкости с высоким давлением в призабойной зоне пласта раскрываются имеющиеся и образуются новые трещины, а при сбрасывании давления происходит приток жидкости к забою с большой скоростью. Хорошие результаты получают при использовании способа периодического дренирования призабойных зон созданием многократных мгновенных высоких депрессий на забое.

Иногда плохая приемистость нагнетательных скважин происходит или из-за низкой природной проницаемости пород пласта, или большого количества глинистых пропластков, освоить которые проведением дренажа призабойных зон не удается. В таких случаях для увеличения приемистости нагнетательных скважин используют другие методы воздействия, которые позволяют увеличивать диаметры фильтрационных каналов или создавать систему трещин в породах пласта. К таким методам относятся различные кислотные обработки, тепловые методы, гидравлический разрыв пласта, щелевая разгрузка, обработка пласта оксидатом и т.д.

В процесс бурения нефтяных и газовых скважин привлекают высокотехнологическое оборудование, обладающее высокой мощностью. Перечень проводимых работ зависит от характеристик месторождений углеводородов. Пласты с природным сырьем могут располагаться вертикального, горизонтально или наклонно, что напрямую влияет на способ его добычи.

Что такое скважина?

Скважины предназначены для добычи и газа, воды и других полезных ресурсов. Она представляет собой выработку в горной породе, имеющую цилиндрическую форму. Ее длина намного превышает диаметр. Скважина состоит из нескольких частей.

Начало цилиндрического углубления в горной породе называют устьем, стенки – стволом, дно – забоем. Диаметр скважин на нефть в верхней точке редко превышает 900 мм, а в нижней – больше 165 мм. По глубине их разделяют на мелкие (до 1500 м), средние (до 4500 м), глубокие (до 6000 м), сверхглубокие (от 6000 м).

В зависимости от назначения скважин для добычи углеводородов их разделяют на следующие разновидности:

• эксплуатационные. Напрямую используются для добычи углеводородов;
• нагнетательные. Закачивают воду для поддержки пластового давления, что позволяет продлить период разработки месторождений энергоресурсов;
• разведочные. Позволяют определить ресурс выявленных горизонтов;
• специальные. Предназначены для определения геологических характеристик территории, нефтеносного слоя, для сброса стоков в глубокие пласты;
• структурно-поисковые. Предназначены для определения точного размещения месторождений углеводородов.

Как происходит бурение?

Технология бурения нефтегазовой скважины подразумевает проведение следующих работ:

• Процесс бурения скважин с различными техническими характеристиками начинается с подготовки специализированной техники.
• Осуществляют углубление ствола скважины. В процессе работы нагнетается вода, что позволяет произвести бурение более качественно.
• Чтобы углубление в грунте не разрушилось, производят укрепление его стенок. Для этого применяются обсадные трубы. Пространство между их стенками и почвой бетонируют, что позволяет значительно укрепить цилиндрическую поверхность ствола.
• На финишном этапе работ осуществляется освоение скважины. Происходит устройство призабойной зоны, перфорация, вызов оттока нефти.

Способы проведения бурильных работ

Во время может использоваться различное оборудование, что определяет способ проведения основных работ.

Ударный способ

Подразумевает последовательное разрушение горных пород при помощи долота, подвешенного на канате. Рабочий инструмент буровой установки также состоит из ударной штанги, канатного замка. Они соединяются через переходной блок и канат с опорной мачтой. Основной рабочий инструмент совершает движения при помощи бурового станка. Чтобы углубление в грунте очистить от остатков горной породы, долото время от времени вынимают. Внутрь нагнетают специальную жидкость, которая при помощи желонки извлекается наружу вместе с мелкими частицами почвы.

Вращательный способ

Данная технология бурения приобрела большую популярность. Разрушение горных пород происходит при помощи вращения долота. На него действует осевая нагрузка, что подразумевает прямую передачу крутящего момента от приводного механизма на рабочий инструмент. При используется ротор. Он передает вращение через колонну труб. При обычном бурении в качестве приводного механизма применяют электробур, винтовой двигатель, которые устанавливаются непосредственно над долотом.

Особенности проделки горизонтальных скважин

Производится для добычи углеводородов в труднодоступных местах, где сделать это другими способами невозможно. Данный способ отличается большой производительностью. Его активно используют для добычи энергетических ресурсов со дна крупных водоемов.

В процесс проведения работ создают ствол, который наклоняется относительно вертикальной оси под определенным углом. Горизонтальное бурение происходит в несколько этапов:

1. Подготовка бурового оборудования к работе;
2. Необходимо пробурить скважину для определения характеристик горной породы, глубины залегания нефтеносных слоев, их размещение относительно вертикальной оси;
3. Создание раствора, тщательная регулировка его основных характеристик;
4. Проведение работ по глушению;
5. Герметизация устья;
6. Проведение подготовительных работ по геолого-физическому исследованию обустроенных стволов;
7. Подготовка ствола к опусканию испытателя существующих пород;
8. Взрывание снарядов, что позволяет осуществить отбор крена;
9. Освоение свежеобустроенной скважины;
10. Доставка на место добычи буровых комплексов.

Бурение горизонтальных скважин

Способы бурения скважин на море

Технология бурения скважин на водоемах отличается от применяемых методик на суше. Самый простой способ осуществления необходимых операций – установка на свайном фундаменте платформ, на которых размещают все оборудование. Устройство данной конструкции происходит на мелководье. Также установка бурильного оборудования может происходить на искусственно насыпанной суше.

При бурении скважин нефть обычно получают из разных участков океана или моря. Поэтому целесообразно устанавливать передвижные платформы. После завершения рабочего цикла они перемещаются в выбранную точку и продолжают процесс добычи углеводородов. Выделяют три типа буровых платформ.

Самоподъемная

Является понтоном. На платформе присутствует вырез, над которым размещается буровая вышка. Также на понтоне находится все необходимое оборудование, электростанция, складские и вспомогательные помещения, многоэтажная рубка. При бурении колоны опускаются, опираются на дно, что приводит к поднятию платформы над поверхностью воды.

Полупогружная

Применяются, где глубина добычи нефти достигает 300-600 м. Полупогружная платформа плавает по поверхности воды на огромных понтонах. Фиксация всего сооружения осуществляется массивными якорями весом около 15 т.

Гравитационная

Устанавливается на массивном бетонном основании, которое опирается на морское дно.

Перечисленные методы бурения скважин для добычи полезных углеводородов активно применяются во всем мире. Они все время усовершенствуются, что позволяет повысить их продуктивность.

Видео: Основы геологии нефти и газа

Завгородний Иван Александрович

студент 2 курса, механического отделения по специальности «Бурение нефтяных и газовых скважин» Астраханского государственного политехнического колледжа, г. Астрахань

E-mail:

Кузнецова Марина Ивановна

преподаватель специальных дисциплин Астраханского государственного политехнического колледжа, г. Астрахань

E-mail:

Введение. С древних времен человечеством ведется добыча нефти, сначала применялись примитивные способы: при помощи колодцев, сбор нефти с поверхности водоемов, обработка известняка или песчаника, пропитанного нефтью. В 1859 году в США штат Пенсильвания, появляется механическое бурение скважин на нефть, примерно в это же время началось бурение скважин в России. В 1864 и 1866 годах на Кубани были пробурены первые скважины с дебитом 190 т/сут.

Изначально нефтяные скважины бурились ручным штанго-вращательным способом, вскоре перешли к бурению ручным штанговым ударным способом. Ударно-штанговый способ получил широкое распространение на нефтяных промыслах Азербайджана. Переход от ручного способа к механическому бурению скважин привел к необходимости механизации буровых работ, крупный вклад в развитие которых внесли русские горные инженеры Г.Д. Романовский и С.Г. Войслав. В 1901 году впервые в США применено роторное бурение с промывкой забоя циркулирующим потоком жидкости (при помощи бурового раствора), причем подъем выбуренной породы циркулирующим потоком воды изобрел французский инженер Фовелль еще в 1848 году. С этого момента начался период развития и совершенствования вращательного способа бурения. В 1902 году в России роторным способом в Грозненском районе была пробурена первая скважина глубиной 345 м .

На сегодняшний день США занимает лидирующую позицию в нефтяной индустрии, ежегодно пробуривается 2 млн. скважин, четверть из них оказывается продуктивными, Россия занимает пока только второе место. В России и за рубежом применяются: ручное бурение (добыча воды); механическое; управляемое шпиндельное бурение (система безопасного бурения, разработанная в Англии); взрывные технологии бурения; термическое; физико-химическое, электроискровые и другие способы. Кроме этого, разрабатывается множество новых технологий бурения скважин, например, в США Колорадо горный институт разработал лазерную технологию бурения, основанную на прожигании породы.

Технология бурения. Механический способ бурения наиболее распространенный, он осуществляется ударным, вращательным и ударно-вращательным способами бурения. При ударном способе бурения разрушение горных пород происходит за счет ударов породоразрушающего инструмента по забою скважины. Разрушение горных пород за счет вращения прижатого к забою породоразрушающего инструмента (долото, коронка), называется вращательным способом бурения.

При бурении нефтяных и газовых скважин в России применяют исключительно вращательный способ бурения. При использовании вращательного способа бурения, скважина высверливается вращающимся долотом, при этом разбуренные частицы породы в процессе бурения выносятся на поверхность непрерывно циркулирующей струей бурового раствора или нагнетаемым в скважину воздухом или газом. В зависимости от местонахождения двигателя вращательное бурение разделяют на роторное бурение и бурение турбобуром. При роторном бурении - вращатель (ротор) находится на поверхности, приводя во вращение долото на забое при помощи колонны бурильных труб, частота вращения 20-200 об/мин. При бурении с забойным двигателем (турбобур, винтовой бур или электробур) - крутящий момент передается от забойного двигателя, устанавливаемого над долотом.

Процесс бурения состоит из следующих основных операций: спуск бурильных труб с долотом в скважину до забоя и подъем бурильных труб с отработанным долотом из скважины и работы долота на забое, т. е. разрушение породы бурения. Эти операции периодически прерываются для спуска обсадных труб в скважину, чтобы предохранить стенки от обвалов и разобщить нефтяные (газовые) и водяные горизонты. Одновременно в процессе бурения скважин выполняется ряд вспомогательных работ: отбор керна, приготовление промывочной жидкости (бурового раствора), каротаж, замер кривизны, освоение скважины с целью вызова притока нефти (газа) в скважину и т. п.

На рисунке 1 представлена технологическая схема буровой установки.

Рисунок 1. Схема буровой установки для вращательного бурения: 1 - талевый канат; 2 - талевый блок; 3 - вышка; 4 - крюк; 5 - буровой шланг; 6 - ведущая труба; 7 - желоба; 8 - буровой насос; 9 - двигатель насоса; 10 - обвязка насоса; 11 - приемный резервуар (емкость); 12 - бурильный замок; 13 - бурильная труба; 14 - гидравлический забойный двигатель; 15 - долото; 16 - ротор; 17 - лебедка; 18 - двигатель лебедки и ротора; 19 - вертлюг

Буровая установка представляет собой комплекс машин и механизмов, предназначенных для бурения и крепления скважин. Буровой процесс сопровождается спуском и подъемом бурильной колонны, а также поддержанием ее на весу. Для уменьшения нагрузки на канат и снижения мощности двигателей применяют подъемное оборудование, состоящее из вышки, буровой лебедки и талевой системы. Талевая система состоит из неподвижной части кронблока, устанавливаемого наверху фонаря вышки и подвижной части талевого блока, талевого каната, крюка и штропов. Талевая система предназначена для преобразования вращательного движения барабана лебедки в поступательное перемещение крюка. Буровая вышка предназначена для подъема и спуска бурильной колонны и обсадных труб в скважину, а также для удержания на весу бурильной колонны во время бурения и равномерной ее подачи и размещения в ней талевой системы, бурильных труб и части оборудования. Спускоподъемные операции осуществляется с помощью бурильной лебедки. Буровая лебедка состоит из основания, на которой закреплены валы лебедки и соединены между собой зубчатыми передачами, все валы соединены с редуктором, а редуктор в свою очередь соединен с двигателем.

В наземное буровое оборудование входит приемный мост, предназначенный для укладки бурильных труб и перемещения по нему оборудования, инструмента, материалов и запасных частей. Система устройств для очистки промывочного раствора от выбуренной породы. И ряд вспомогательных сооружений.

Бурильная колонная соединяет буровое долото (породоразрушающий инструмент) с наземным оборудованием, т. е. буровой установкой. Верхняя труба в колонне бурильных труб квадратного сечения, она может быть шестигранной или желобчатой. Ведущая труба проходит через отверстие стола ротора. Ротор помещают в центре буровой вышки. Ведущая труба верхним концом соединяется с вертлюгом, предназначенного для обеспечения вращения бурильной колонны, подвешенной на крюке и подачи через нее промывочной жидкости. Нижняя часть вертлюга соединяется с ведущей трубой, и может вращаться вместе с колонной бурильных труб. Верхняя часть вертлюга всегда неподвижна .

Рассмотрим технологию проведения бурового процесса (рисунок 1). К отверстию неподвижной части вертлюга 19 присоединяется гибкий шланг 5, через который закачивается в скважину промывочная жидкость при помощи буровых насосов 8. Промывочная жидкость проходит по всей длине бурильной колонны 13 и поступает в гидравлический забойный двигатель 14, что приводит вал двигателя во вращение, а затем жидкость поступает в долото 15. Выходя из отверстий долота жидкость, промывает забой, подхватывает частицы разбуренной породы и вместе с ними через кольцевое пространство между стенками скважины и бурильными трубами поднимается наверх и направляется в прием насосов. На поверхности буровой раствор очищается от разбуренной породы, с помощью специального оборудования, после чего вновь подается в скважину .

Технологический процесс бурения во много зависит от бурового раствора, который в зависимости от геологических особенностей месторождения, готовится на водной основе, на нефтяной основе, с использованием газообразного агента или воздуха.

Вывод. Из выше изложенного видно, что технологии поведения буровых процессов различны, но подходящая для данных условий(глубины скважины, слагающей ее породы, давлений и др.), должна быть выбрана исходя из геологических и климатических условий. Так как, от качественно проведенного вскрытия продуктивного горизонта на месторождении, зависит в дальнейшем эксплуатационная характеристика скважины, а именно ее дебит и продуктивность.

Список литературы:

1.Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин: учебник для нач. проф. образования. М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 352 с. ISB№ 5-7695-1119-2.

2.Вадецкий Ю.В. Справочник бурильщика: учеб. пособие для нач. проф. образования. М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 416 с. ISB№ 978-5-7695-2836-1.

Владимир Хомутко

Время на чтение: 3 минуты

А А

Методы бурения нефтяных и газовых скважин

Скважина представляет собой вертикальную или наклонную горную выработку круглого сечения, сооружение которой происходит без доступа внутрь выработки человека. Длина такой выработки в разы больше её диаметра.

Как бурят нефтяные скважины

Основными элементами любой скважины являются:

• устье (самая верхняя часть);
• ствол (промежуточная часть);
• забой (самая нижняя часть, находящаяся в продуктивном пласте).

Расстояние между устьем и забоем по оси ствола выработки называется длиной скважины, а это же расстояние, но взятое по вертикальной проекции оси называется её глубиной.

Буровая вышка

Иными словами, длина и глубина вертикальной скважины совпадают, а наклонной – нет.

Бурение нефтяных и газовых скважин, как правило. происходит с постепенным уменьшением диаметра ствола после того, как пробурили определенный участок. Начальный диаметр такой выработки, как правило, не более 900 миллиметров, а диаметр в области забоя – от 75 миллиметров и более.

Процесс углубления такой горной выработки представляет собой разрушение пород либо по всей площади забоя (так называемое сплошное бурение), либо по его периферии (колонковое). Во втором случае в стволе выработки остается кусочек породы цилиндрической формы, называемый керном. Керны периодически извлекают из скважины для изучения состава пройденных породы. Специальность человека, который занимается бурением, называется бурильщик.

Многих из вас интересует вопрос: «Как бурят скважины?»

Способы углубления горных выработок по критерию характера воздействия на проходимые породы делятся на:

• механические;
• термические;
• физико-химические;
• электрические и так далее.

При промышленном освоении месторождений применяются только механические способы. Все прочие перечисленные методики находятся на стадии экспериментальной проверки эффективности.

Механические методы бывают вращательными и ударными.

Ударный способ подразумевает механическое разрушение породы с помощью подвешенного на канате специального инструмента, который называется долото. Помимо этого, в состав такого бурильного устройства входят канатный замок и ударная штанга. Устройство подвешивают на перекинутом через блок, который ставится на мачте, канате, а возвратно-поступательное движение этому инструменту придает специальный буровой станок.

По мере увеличения глубины ствола канат постепенно удлиняют. Цилиндрическая форма ствола формируется путем поворота долота в процессе работы.

Чтобы очищать забой от пробуренной породы, инструмент необходимо периодически поднимать на поверхность. Вместо него опускается специальное приспособление, называемое желонкой. Она похожа на длинное ведро, на дне оборудованное клапаном.

Желонка погружается в жидкость (либо пластовую, либо подаваемую с поверхности) и клапан открывается. В «ведро» поступает смесь жидкости и кусочков разрушенной породы, после чего все это удаляется на поверхность (стоит желонку приподнять, как клапан тут же закрывается). После окончания очистки забоя в ствол снова опускают буровой инструмент, и процесс повторяется снова и снова.

Чтобы стенки выработки не обвалились, в нее опускают специальную трубу, называемую обсадной. Из таких труб по мере углубления горной выработки формируют целую трубную колонну.

Долото для бурение скважин

В России на сегодняшний момент ударный способ на практике не используется.

Вращательный метод подразумевает углубление инструмента в толщу пород за счет одновременного воздействия на долото крутящего момента и вертикальной нагрузки. Вертикальная нагрузка погружает долото в разбуриваемую породу, а крутящий момент позволяет инструменту скалывать, истирать и дробить горную породу.

В зависимости от того, где расположен двигатель установки, вращательное бурение делится на роторное (двигатель находится на поверхности и вращает долото посредством трубной колонны, составляемой из специальных бурильных труб) и забойное (двигатель располагается в забое и ставится непосредственно над долотом).

При роторном способе двигатель вращает ротор, который, в свою очередь, вращает бурильную колонну, на конце которой крепится долото. При забойном способе двигатель вращает само долото, а колонна бурильных труб и корпус самого двигателя остаются неподвижными.

Для вращательного метода бурения характерной особенностью является использование постоянной промывки ствола либо водой, либо специально приготовленными буровыми растворами жидкостью. С этой целью применяются специальные буровые насосы, работу которых обеспечивают двигатели разного типа. Именно эти насосные установки нагнетают промывочный жидкости через трубопровод стояк, который монтируется, как правило, в правом углу буровой вышки. Далее, посредством гибкого бурового шланга и вертлюга жидкость подается непосредственно в саму бурильную колонну.

Доходя до уровня долота, эта промывочная жидкость через отверстия, которые есть в этом инструменте, попадает в породу, а затем по кольцевому свободному пространству, которое остается между стенкой ствола скважины и колонной бурильных труб. поднимается наверх, вымывая куски разбуренной породы. Далее при помощи системы желобов и специальных очистительных устройств эта жидкость очищается от выбуренной породы, после чего попадает в ёмкость, расположенную на буровом насосе. После этого её можно использовать повторно.

Бурение – это процедура разламывания горных пород специальной бурильной техникой. Бурение, как и многие другие технологии, имеет несколько направлений.

Процесс бурения включает в себя разламывание горных пород при помощи бурильной техники, в результате чего получается скважина.

Эти направления зависят от положения горного пласта:

• вертикальное;
• наклонно-направленное;
• горизонтальное.

Процесс прокладывания в земле направленного цилиндрического ствола называют бурением. Впоследствии этот канал называют скважиной. В диаметре она должна быть меньше длины. Устье скважины (начало) располагается на поверхности. Забоем и стволом называют дно и стены скважины соответственно.

Подготовка к процессу

При бурении скважин сначала:

Процесс бурения невозможен без специальной бурильной техники.

1. На участок бурения подвозят бурильную технику.
2. Потом начинается процесс бурения. Он заключается в углублении ствола скважины путем промывания его и бурения.
3. Во избежание обрушения стенок скважин проводят разобщение пластов – работы по укреплению пластов земли. Для этого в пробуренную землю опускают и прокладывают трубы, которые соединяются в колонны. Затем все пространство между трубами и землей цементируют (тампонируют).
4. Последний этап работ называется освоение скважин. В него входит вскрытие последнего пласта, установка призабойной зоны, а также перфорация и вызов оттока.

Для того чтобы начать бурение сначала, нужно осуществить подготовительные работы.

Сначала оформляют документы, разрешающие вырубку и расчистку лесного массива, но для этого нужно получить согласие лесхоза. При подготовке участка для бурения проводят следующие работы:

Перед тем как начать бурение скважин, необходимо расчистить участок от деревьев.

• разбивка зон на участки по координатам;
• вырубка деревьев;
• планировка;
• возведение поселка рабочих;
• подготовка основы для буровой;
• приготовление и разметка площадки;
• установка фундаментов под цистерны на ГСМ складе;
• устройство обволоки склада, приготовление оборудования.

Следующий этап работ – это подготовка вышкомонтажного оборудования. Для этого:

• производят монтаж техники;
• монтаж линий;
• монтаж подвышечных оснований, оснований и блоков;
• монтаж и подъем вышки;
• пусконаладочные работы.

Вернуться к оглавлению

Предварительные работы

После того, как буровая машина установлена, прибывает спецкомиссия на проверку оборудования, техники и качества труда.

Когда бурильная установка готова, начинаются работы по приготовлению к бурению. Как только буровая машина установлена и возведение сооружений закончено, буровую проверяет спецкомиссия. Мастер бригады бурения, принимая комиссию, вместе с ней следит за качеством работ, проверяет технику и исполнение охраны труда.

Например, светильники по способу исполнения должны быть во взрывобезопасном кожухе, по шахте должно быть распределено аварийное освещение на 12 V. Все замечания производимые комиссией должны быть учтены до начала работ по бурению.

До того как начать буровые работы, техника оснащается соответствующим оборудованием: шурфом под квадрат, буровыми трубами, долотом, приспособлениями малой механизации, обсадными трубами под кондуктор, контрольно-измерительными приборами, водой и т. д.

На буровой должны быть домики для жилья, беседка, столовая, баня для сушки вещей, лаборатория для анализа растворов, инвентарь для тушения пожаров, вспомогательный и рабочий инструмент, плакаты по технике безопасности, аптечки и медикаменты, склад для бурильного оборудования, вода.

После того как вышка для бурения была установлена, начинается ряд работ по переоснастке талевой системы, в процессе чего осуществляется установка оборудования и апробирование средств малой механизации. Технология забуривания начинается с установки мачты. Ее направления должно быть установлено точно по центру оси вышки.

После центровки вышки производится бурение под направление. Это опускание трубы для упрочнения скважин и заливка ее верхнего конца, который должен по направлению совпадать с желобом, цементом. После того, как направление в процессе бурения скважин было установлено, еще раз проверяют центровку между осями ротора и вышки.

В центре скважины производят бурение под шурф для квадрата и в процессе обсаживают трубой. Бурение шурфа скважины исполняется турбобуром, который во избежание слишком быстрого вращения удерживается пеньковым канатом. Одним концом он крепится к ноге вышки, а второй удерживается в руках через блочок.

Вернуться к оглавлению

Завершение

После подготовительных работ, за 2 дня до пуска буровой, организуется конференция, где участвует вся администрация (главный инженер, технолог, главный геолог и т. д.). На конференции обсуждают:

Схема строения геологических пород на месте обнаружения нефти: 1 – глины, 2 – песчаники водонасыщенные, 3 – нефтяная залежь.

• строение скважины;
• строение пород в месте геологического разреза;
• осложнения, которые могут возникнуть в процессе бурения и т. д;
• затем рассматривают нормативную карту;
• обсуждаются работы по безаварийной и скоростной проводке.

Процесс бурения может быть начат при оформлении следующих документов:

• геолого-технического наряда;
• разрешения о вводе буровой в действие;
• нормативной карты;
• вахтового журнала;
• журнала по буровым растворам;
• журнала ведения охраны труда;
• учета работы дизелей.

На буровой могут применяться следующие виды механизмов и материалов:

• цементирование оборудования;
• плакаты с надписями о безопасности и об охране труда;
• каротажное оборудование;
• питьевая вода и техническая;
• вертолетная площадка;
• цементные растворы и буровые;
• химические реагенты;
• обсадные трубы и бурильные.

Бурение скважин – метод вырубания горной породы при котором образуется шахта. Такие шахты (скважины) испытывают на наличие нефти и газа. Для этого производят перфорацию ствола скважины для провоцирования притока нефти или газа из продуктивного горизонта. Затем производится демонтаж бурильной техники и всех вышек. На скважине устанавливается пломба с указанием названия и срока бурения. После этого мусор уничтожается, все амбары зарываются, а металлолом утилизируется.

Обычно вначале максимальный диаметр скважин не превышает 900 мм. В конце он редко когда достигает 165 мм. Процесс бурения представляет собой несколько процессов, в ходе которых происходит строительство ствола скважины:

• процесс углубления дна скважин посредством раскрашивания горных пород буровым инструментом;
• удаление разломанной породы их шахты скважины;
• крепление ствола скважин;
• проведение геолого-геофизических работ по исследованию породы разлома и обнаружению продуктивных горизонтов;
• спуск и цементирование глубины.

По глубине скважины бывают следующих типов:

• мелкая – глубиной 1500 м;
• средняя – глубиной до 4500 м;
• глубокая – 6000 м;
• сверхглубокая – свыше 6000 м.

Процесс бурения – это разламывание горных пород буровыми долотами. Разломанные части этой породы вычищают потоком промывочного (жидкого) раствора. Глубина скважин увеличивается в процессе разрушения забоя по всей площади.

Вернуться к оглавлению

Возникающие осложнения

Обвал стенок скважины может произойти вследствие неустойчивой структуры породы.

При процессе бурения скважины могут возникнуть некоторые осложнения. Это могут быть:

• обвалы стен шахты;
• поглощения промывочной жидкости;
• аварии;
• неточное просверливание ствола скважин и т. д.

Обвалы могут возникнуть вследствие неустойчивой структуры породы. Их признаком могут служить;

• повышенное давление;
• слишком сильная вязкость промывочной жидкости;
• слишком большое количество обломков при промывке шахты.

Поглощение промывочного раствора происходит из-за того, что раствор, залитый в шахту, полностью засасывается пластом. Обычно это происходит тогда, когда пласты имеют пористую структуру или большую проницаемость.

Бурение – это процесс, при котором вращающийся снаряд доводят до забоя, а потом поднимают снова. При этом скважины просверливаются до коренных пород, врезаясь на 0,5-1,5 м. После этого в устье опускается труба для предотвращения размыва и для того, чтобы промывочная жидкость, выходя из скважины, попадала в желоб.

Частота вращения бурового снаряда и шпинделя зависит от физических свойств горных пород, диаметра и вида буровой коронки. Скоростью вращения управляет регулятор подачи, создающий нужную нагрузку на коронку. При этом он создает определенное давление на резцы снаряда и стенки забоя.

Прежде чем начать бурение скважины нужно составить ее проектный чертеж, где указаны:

• физические свойства пород: их твердость, устойчивость и водонасыщенность;
• глубина и наклон скважины;
• конечный диаметр скважины, на который влияет твердость пород;
• способы бурения.

Составление проекта скважин начинается с выбора ее глубины, диаметра по окончании бурения, углов забуривания, структуры.

Глубина картировочных скважин зависит от геологического анализа с последующим его картированием.