Этапы бурения скважины на нефть. Процесс бурения нефтяных скважин

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.

Общие сведения о бурении нефтяных и газовых скважин

1.1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Рис. 1. Элементы конструкции скважины

Скважиной называется цилиндрическая горная выработка, сооружаемая без доступа в нее человека и имеющая диаметр во много раз меньше ее длины (Рис. 1).

Основные элементы буровой скважины:

Устье скважины (1) – пересечение трассы скважины с дневной поверхностью

Забой скважины (2) – дно буровой скважины, перемещающееся в результате воздействия породоразрушающего инструмента на породу

Стенки скважины (3) – боковые поверхности буровой скважины

Ось скважины (6) - воображаемая линия, соединяющая центры поперечных сечений буровой скважины

*Ствол скважины (5) – пространство в недрах, занимаемое буровой скважиной.

Обсадные колонны (4) – колонны соединенных между собой обсадных труб. Если стенки скважины сложены из устойчивых пород, то в скважину обсадные колонны не спускают

Скважины углубляют, разрушая породу по всей площади забоя (сплошным забоем, рис. 2 а) или по его периферийной части (кольцевым забоем рис. 2 б). В последнем случае в центре скважины остается колонка породы – керн, которую периодически поднимают на поверхность для непосредственного изучения.

Диаметр скважин, как правило, уменьшается от устья к забою ступенчато на определенных интервалах. Начальный диаметр нефтяных и газовых скважин обычно не превышает 900 мм, а конечный редко бывает меньше 165 мм. Глубины нефтяных и газовых скважин изменяются в пределах нескольких тысяч метров.

По пространственному расположению в земной коре буровые скважины подразделяются (рис. 3):

1. Вертикальнвые;

2. Наклонные;

3. Прямолинейноискривленные;

4. Искривленные;

5. Прямолинейноискривленные (с горизонтальным участком);

Рис. 3. Пространственное расположение скважин

Сложноискривленные.

Нефтяные и газовые скважины бурят на суше и на море при помощи буровых установок. В последнем случае буровые установки монтируются на эстакадах, плавучих буровых платформах или судах (рис. 4).

В нефтегазовой отрасли бурят скважины следующего назначения:

1. Эксплуатационные – для добычи нефти , газа и газового конденсата.

2. Нагнетательные – для закачки в продуктивные горизонты воды (реже воздуха, газа ) с целью поддержания пластового давления и продления фонтанного периода разработки месторождений, увеличения дебита эксплуатационных скважин, снабженных насосами и воздушными подъемниками.

3. Разведочные – для выявления продуктивных горизонтов, оконтуривания, испытания и оценки их промышленного значения.

4. Специальные - опорные, параметрические, оценочные, контрольные – для изучения геологического строения малоизвестного района, определения изменения коллекторских свойств продуктивных пластов, наблюдения за пластовым давлением и фронтом движения водонефтяного контакта, степени выработки отдельных участков пласта, термического воздействия на пласт, обеспечения внутрипластового горения, газификации нефтей , сброса сточных вод в глубокозалегающие поглощающие пласты и др.

5. Структурно-поисковые – для уточнения положения перспективных нефте -газоносных структур по повторяющим их очертания верхним маркирующим (определяющим) горизонтам, по данным бурения мелких, менее дорогих скважин небольшого диаметра.

Сегодня нефтяные и газовые скважины представляют собой капитальные дорогостоящие сооружения, служащие много десятилетий. Это достигается соединением продуктивного пласта с дневной поверхностью герметичным, прочным и долговечным каналом. Однако пробуренный ствол скважины еще не представляет собой такого канала, вследствие неустойчивости горных пород, наличия пластов, насыщенных различными флюидами (вода, нефть , газ и их смеси), которые находятся под различным давлением. Поэтому при строительстве скважины необходимо крепить ее ствол и разобщать (изолировать) пласты, содержащие различные флюиды.

Крепление ствола скважины производится путем спуска в нее специальных труб, называемых обсадными. Ряд обсадных труб, соединенных последовательно между собой, составляет обсадную колонну. Для крепления скважин применяют стальные обсадные трубы (рис. 5).

Насыщенные различными флюидами пласты разобщены непроницаемыми горными породами - «покрышками». При бурении скважины эти непроницаемые разобщающие покрышки нарушаются и создается возможность межпластовых перетоков, самопроизвольного излива пластовых флюидов на поверхность, обводнения продуктивных пластов, загрязнения источников водоснабжения и атмосферы, коррозии спущенных в скважину обсадных колонн.

В процессе бурения скважины в неустойчивых горных породах возможны интенсивное кавернообразование, осыпи, обвалы и т.д. В ряде случаев дальнейшая углубка ствола скважины становится невозможной без предварительного крепления ее стенок.

Для исключения таких явлений кольцевой канал (кольцевое пространство) между стенкой скважины и спущенной в нее обсадной колонной заполняется тампонирующим (изолирующим) материалом (рис. 6). Это составы, включающие вяжущее вещество, инертные и активные наполнители, химические реагенты. Их готовят в виде растворов (чаще водных) и закачивают в скважину насосами. Из вяжущих веществ наиболее широко применяют тампонажные портландцементы. Поэтому процесс разобщения пластов называют цементированием.

Таким образом, в результате бурения ствола, его последующего крепления и разобщения пластов создается устойчивое подземное сооружение определенной конструкции.

Под конструкцией скважины понимается совокупность данных о числе и размерах (диаметр и длина) обсадных колонн, диаметрах ствола скважины под каждую колонну, интервалах цементирования, а также о способах и интервалах соединения скважины с продуктивным пластом (рис. 7).

Сведения о диаметрах, толщинах стенок и марках сталей обсадных труб по интервалам, о типах обсадных труб, оборудовании низа обсадной колонны входят в понятие конструкции обсадной колонны.

В скважину спускают обсадные колонны определенного назначения: направление, кондуктор, промежуточные колонны, эксплуатационная колонна.

Направление спускается в скважину для предупреждения размыва и обрушения горных пород вокруг устья при бурении под кондуктор, а также для соединения скважины с системой очистки бурового раствора. Кольцевое пространство за направлением заполняют по всей длине тампонажным раствором или бетоном. Направление спускают на глубину от нескольких метров в устойчивых породах, до десятков метров в болотах и илистых грунтах.

Кондуктором обычно перекрывают верхнюю часть геологического разреза, где имеются неустойчивые породы, пласты, поглощающие буровой раствор или проявляющие, подающие на поверхность пластовые флюиды, т.е. все те интервалы, которые будут осложнять процесс дальнейшего бурения и вызывать загрязнение окружающей природной среды. Кондуктором обязательно должны быть перекрыты все пласты, насыщенные пресной водой.

Рис. 7. Схема конструкции скважины

Кондуктор служит также для установки противовыбросового устьевого оборудования и подвески последующих обсадных колонн. Кондуктор спускают на глубину нескольких сотен метров. Для надежного разобщения пластов, придания достаточной прочности и устойчивости кондуктор цементируется по всей длине.

Эксплуатационная колонна спускается в скважину для извлечения нефти, газа или нагнетания в продуктивный горизонт воды или газа с целью поддержания пластового давления. Высота подъема тампонажного раствора над кровлей продуктивных горизонтов, а также устройством ступенчатого цементирования или узлом соединения верхних секций обсадных колонн в нефтяных и газовых скважинах должна составлять соответственно не менее 150-300 м и 500 м.

Промежуточные (технические) колонны необходимо спускать, если невозможно пробурить до проектной глубины без предварительного разобщения зон осложнений (проявлений, обвалов). Решение об их спуске принимается после анализа соотношения давлений, возникающих при бурении в системе «скважина-пласт».

Если давление в скважине Рс меньше пластового Рпл (давления флюидов, насыщающих пласт), то флюиды из пласта будут поступать в скважину, произойдет проявление. В зависимости от интенсивности проявления сопровождаются самоизливом жидкости (газа ) на устье скважины (переливы), выбросами, открытым (неконтролируемым) фонтанированием. Эти явления осложняют процесс строительства скважины, создают угрозу отравлений, пожаров, взрывов.

При повышении давления в скважине до некоторой величины, называемой давлением начала поглощения Рпогл, жидкость из скважины поступает в пласт. Этот процесс называется поглощением бурового раствора. Рпогл может быть близким или равным пластовому, а иногда приближается к величине вертикального горного давления, определяемого весом расположенных выше горных пород.

Иногда поглощения сопровождаются перетоками флюидов из одного пласта в другой, что приводит к загрязнению источников водоснабжения и продуктивных горизонтов. Снижение уровня жидкости в скважине вследствие поглощения в одном из пластов обуславливает понижение давления в другом пласте и возможность проявлений из него.

Давление, при котором происходит раскрытие естественных сомкнутых трещин или образование новых, называется давлением гидравлического разрыва пласта Ргрп. Такое явление сопровождается катастрофическим поглощением бурового раствора.

Характерно, что во многих нефтегазоносных районах пластовое давление Рпл близко к гидростатическому давлению столба пресной воды Рг (далее просто гидростатическое давление) высотой Нж, равной глубине Нп, на которой залегает данный пласт. Это объясняется тем, что давление флюидов в пласте чаще обусловлено напором краевых вод, область питания которых имеет связь с дневной поверхностью на значительных расстояниях от месторождения.

Поскольку абсолютные значения давлений зависят от глубины Н, их соотношения удобнее анализировать, пользуясь величинами относительных давлений, которые представляют собой отношения абсолютных значений соответствующих давлений к гидростатическому давлению Рг, т.е.:

Рпл* = Рпл / Рг;

Ргр* = Ргр / Рг;

Рпогл* = Рпогл / Рг;

Ргрп* = Ргрп / Рг.

Здесь Рпл – пластовое давление; Ргр – гидростатическое давление бурового раствора; Рпогл – давление начала поглощения; Ргрп – давление гидроразрыва пласта.

Относительное пластовое давление Рпл* часто называют коэффициентом аномальности Ка. Когда Рпл* приблизительно равно 1,0, пластовое давление считается нормальным, при Рпл* большем 1,0 – аномально высоким (АВПД), а при Рпл* меньшем 1,0 – аномально низким (АНПД).

Одним из условий нормального неосложненного процесса бурения является соотношение

а) Рпл* < Ргр* < Рпогл*(Ргрп*)

Процесс бурения осложняется, если по каким либо причинам относительные давления окажутся в соотношении:

б) Рпл* > Ргр* < Рпогл*

или

в) Рпл* < Ргр* > Рпогл* (Ргрп*)

Если справедливо соотношение б), то наблюдаются только проявления, если в), то наблюдаются и проявления и поглощения.

Промежуточные колонны могут быть сплошными (их спускают от устья до забоя) и не сплошными (не доходящими до устья). Последние называются хвостовиками.

Принято считать, что скважина имеет одноколонную конструкцию, если в нее не спускаются промежуточные колонны, хотя спущены и направление и кондуктор. При одной промежуточной колонне скважина имеет двухколонную конструкцию. Когда имеются две и более технические колонны, скважина считается многоколонной.

Конструкция скважины задается следующим образом: 426, 324, 219, 146 – диаметры обсадных колонн в мм; 40, 450, 1600, 2700 – глубины спуска обсадных колонн в м; 350, 1500 – уровень тампонажного раствора за хвостовиком и эксплуатационной колонной в м; 295, 190 – диаметры долот в мм для бурения скважины под 219 – и 146 –мм колонны.

1.2. СПОСОБЫ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

Бурить скважины можно механическим, термическим, электроимпульсным и другими способами (несколько десятков). Однако промышленное применение находят только способы механического бурения – ударное и вращательное. Остальные пока не вышли из стадии экспериментальной разработки.

1.2.1. УДАРНОЕ БУРЕНИЕ

Ударное бурение. Из его всех разновидностей наибольшее распространение получило ударно-канатное бурение (рис. 8).

Буровой снаряд, который состоит из долота 1, ударной штанги 2, раздвижной штанги-ножниц 3 и канатного замка 4 , спускают в скважину на канате 5, который, огибая блок 6, оттяжной ролик 8 и наравляющий ролик 10, сматывается с барабана 11 бурового станка. Скорость спуска бурового снаряда регулируют тормозом 12. Блок 6 установлен на вершине мачты 18. Для гашения вибраций, возникающих при бурении, применяются амортизаторы 7.

Кривошип 14 при помощи шатуна 15 приводит в колебательное движение балансирную раму 9. При опускании рамы оттяжной ролик 8 натягивает канат и поднимает буровой снаряд над забоем. При подъеме рамы канат опускается, снаряд падает, и при ударе долота о породу последняя разрушается.

По мере углубления скважины канат удлиняют, сматывая его с барабана 11. Цилиндричность скважины обеспечивается поворотом долота в результате раскручивания каната под нагрузкой (во время приподъема бурового снаряда) и скручивания его при снятии нагрузки (во время удара долота о породу).

Эффективность разрушения породы при ударно-канатном бурении прямо пропорциональна массе бурового снаряда, высоте его падения, ускорению падения, числу ударов долота о забой в единицу времени и обратно пропорциональна квадрату диаметра скважины.

В процессе разбуривания трещиноватых и вязких пород возможно заклинивание долота. Для освобождения долота в буровом снаряде применяют штангу-ножницы, изготовленные в виде двух удлиненных колец, соединенных друг с другом подобно звеньям цепи.

Процесс бурения будет тем эффективнее, чем меньшее сопротивление долоту бурового снаряда оказывает накапливающаяся на забое скважины выбуренная порода, перемешанная с пластовой жидкостью. При отсутствии или недостаточном притоке пластовой жидкости в скважину с устья периодически доливают воду. Равномерное распределение частиц выбуренной породы в воде достигается периодическим расхаживанием (приподъемом и опусканием) бурового снаряда. По мере накопления на забое разрушеной породы (шлама) возникает необходимость в очистке скважины. Для этого с помощью барабана поднимают буровой снаряд из скважины и многократно спускают в нее желонку 13 на канате 17, сматываемом с барабана 16. В днище желонки имеется клапан. При погружении желонки в зашламленную жидкость клапан открывается и желонка заполняется этой смесью, при подъеме желонки клапан закрывается. Поднятую на поверхность зашламленную жидкость выливают в сборную емкость. Для полной очистки скважины приходится спускать желонку несколько раз подряд.

После очистки забоя в скважину опускают буровой снаряд, и процесс бурения продолжается.

При ударном бурении скважина, как правило, не заполнена жидкостью. Поэтому, во избежание обрушения породы с ее стенок, спускают обсадную колонну, состоящую из металлических обсадных труб, соединенных друг с другом с помощью резьбы или сварки. По мере углубления скважины обсадную колону продвигают к забою и периодически удлиняют (наращивают) на одну трубу.

Ударный способ более 50 лет не применяется на нефтегазовых промыслах России. Однако в разведочном бурении на россыпных месторождениях, при инженерно-геологических изысканиях, бурении скважин на воду и т.п. находит свое применение.

1.2.2. ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ СКВАЖИН

При вращательном бурении разрушение породы происходит в результате одновременного воздействия на долото нагрузки и крутящего момента. Под действием нагрузки долото внедряется в породу, а под влиянием крутящего момента скалывает ее.

Существует две разновидности вращательного бурения – роторный и с забойными двигателями.

При роторном бурении (рис. 9) мощность от двигателей 9 передается через лебедку 8 к ротору 16 - специальному вращательному механизму, установленному над устьем скважины в центре вышки. Ротор вращает бурильную колонну и привинченное к ней долото 1. Бурильная колонна состоит из ведущей трубы 15 и привинченных к ней с помощью специального переводника 6 бурильных труб 5.

Следовательно, при роторном бурении углубление долота в породу происходит при движении вдоль оси скважины вращающейся бурильной колонны, а при бурении с забойным двигателем – невращающейся бурильной колонны. Характерной особенностью вращательного бурения является промывка

При бурении с забойным двигателем долото 1 привинчено к валу, а бурильная колонна – к корпусу двигателя 2. При работе двигателя вращается его вал с долотом, а бурильная колонна воспринимает реактивный момент вращения корпуса двигателя, который гасится невращающимся ротором (в ротор устанавливают специальную заглушку).

Буровой насос 20, приводящийся в работу от двигателя 21, нагнетает буровой раствор по манифольду (трубопроводу высокого давления) 19 в стояк - трубу 17, вертикально установленную в правом углу вышки, далее в гибкий буровой шланг (рукав) 14, вертлюг 10 и в бурильную колонну. Дойдя до долота, промывочная жидкость проходит через имеющиеся в нем отверстия и по кольцевому пространству между стенкой скважины и бурильной колонной поднимается на поверхность. Здесь в системе емкостей 18 и очистительных механизмах (на рисунке не показаны) буровой раствор очищается от выбуренной породы, затем поступает в приемные емкости 22 буровых насосов и вновь закачивается в скважину.

В настоящее время применяют три вида забойных двигателей – турбобур, винтовой двигатель и электробур (последний применяют крайне редко).

При бурении с турбобуром или винтовым двигателем гидравлическая энергия потока бурового раствора, двигающегося вниз по бурильной колонне, преобразуется в механическую на валу забойного двигателя, с которым соединено долото.

При бурении с электробуром электрическая энергия подается по кабелю, секции которого смонтированы внутри бурильной колонны и преобразуется электродвигателем в механическую энергию на валу, которая непосредственно передается долоту.

По мере углубления скважины бурильная колонна, подвешенная к полиспастной системе, состоящей из кронблока (на рисунке не показан), талевого блока 12, крюка 13 и талевого каната11, подается в скважину. Когда ведущая труба 15 войдет в ротор 16 на всю длину, включают лебедку, поднимают бурильную колонну на длину ведущей трубы и подвешивают бурильную колонну с помощью клиньев на столе ротора. Затем отвинчивают ведущую трубу 15 вместе с вертлюгом 10 и спускают ее в шурф (обсадную трубу, заранее установленную в специально пробуренную наклонную скважину) длиной, равной длине ведущей трубы. Скважина под шурф бурится заранее в правом углу вышки примерно на середине расстояния от центра до ее ноги. После этого бурильную колонну удлиняют (наращивают), путем привинчивания к ней двухтрубной или трехтрубной свечи (двух или трех свинченных между собой бурильных труб), снимают ее с клиньев, спускают в скважину на длину свечи, подвешивают с помощью клиньев на стол ротора, поднимают из шурфа ведущую трубу с вертлюгом, привинчивают ее к бурильной колонне, освобождают бурильную колонну от клиньев, доводят долото до забоя и продолжают бурение .

Для замены изношенного долота поднимают из скважины всю бурильную колонну, а затем вновь спускают ее. Спуско-подъемные работы ведут также с помощью полиспастной системы. При вращении барабана лебедки талевый канат наматывается на барабан или сматывается с него, что и обеспечивает подъем или спуск талевого блока и крюка. К последнему с помощью штропов и элеватора подвешивают поднимаемую или спускаемую бурильную колонну.

При подъеме БК развинчивают на свечи и устанавливают их внутри вышки нижними концами на подсвечники, а верхние заводят за специальные пальцы на балконе верхового рабочего. Спускают БК в скважину в обратной последовательности.

Таким образом процесс работы долота на забое скважины прерывается наращиванием бурильной колонны и спуско-подъемными операциями (СПО)для смены изношенного долота.

Как правило, верхние участки разреза скважины представляют собой легкоразмываемые отложения. Поэтому пред бурением скважины сооружают ствол (шурф) до устойчивых пород (3-30 м) и в него спускают трубу 7 или несколько свинченных труб (с вырезанным окном в верхней части) длиной на 1-2 м больше глубины шурфа. Затрубное пространство цементируют или бетонируют. В результате устье скважины надежно укрепляется.

К окну в трубе приваривают короткий металлический желоб, по которому в процессе бурения буровой раствор направляется в систему емкостей 18 и далее, пройдя через очистительные механизмы (на рисунке не показаны), поступает в приемную емкость 22 буровых насосов.

Трубу (колонну труб) 7, установленную в шурфе, называют направлением. Установка направления и ряд других работ, выполняемых до начала бурения , относятся к подготовительным. После их выполнения составляют акт о вводе в эксплуатацию буровой установки и приступают к бурению скважины.

Пробурив неустойчивые, мягкие, трещиноватые и кавернозные породы, осложняющие процесс бурения (обычно 400-800 м), перекрывают эти горизонты кондуктором 4 и цементируют затрубное пространство 3 до устья. При дальнейшем углублении могут встретиться горизонты, также подлежащие изоляции, такие горизонты перекрываются промежуточными (техническими) обсадными колоннами.

Пробурив скважину до проектной глубины, спускают и цементируют эксплуатационную колонну (ЭК).

После этого все обсадные колонны на устье скважины обвязывают друг с другом, применяя специальное оборудование . Затем против продуктивного пласта в ЭК и цементном камне пробивают несколько десятков (сотен) отверстий, по которым в процессе испытания, освоения и последующей эксплуатации нефть (газ ) будут поступать в скважину.

Сущность освоения скважины сводится к тому, чтобы давление столба бурового раствора, находящегося в скважине, стало меньше пластового. В результате создавшегося перепада давления нефть (газ ) из пласта начнет поступать в скважину. После комплекса исследовательских работ скважину сдают в эксплуатацию .

На каждую скважину заводится паспорт, где точно отмечаются ее конструкция, местоположение устья, забоя и пространственное положение ствола по данным инклинометрических измерений ее отклонений от вертикали (зенитные углы) и азимута (азимутальные углы). Последние данные особенно важны при кустовом бурении наклонно-направленных скважин во избежание попадания ствола бурящейся скважины в ствол ранее пробуренной или уже эксплуатирующейся скважины. Фактическое отклонение забоя от проектного не должно превышать заданных допусков.

Буровые работы должны выполняться с соблюдением законов об охране труда и окружающей природной среды. Строительство площадки под буровую, трасс для передвижения буровой установки, подъездных путей, линий электропередач, связи, трубопроводов для водоснабжения, сбора нефти и газа , земляных амбаров, очистных устройств, отвал шлама должны осуществляться лишь на специально отведенной соответствующими организациями территории. После завершения строительства скважины или куста скважин все амбары и траншеи должны быть засыпаны, вся площадка под буровую – максимально восстановлена (рекультивирована) для хозяйственного использования.

1.3. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Первые скважины в истории человечества бурили ударно-канатным способом за 2000 лет до нашей эры для добычи рассолов в Китае.

До середины 19 века нефть добывалась в небольших количествах, в основном из неглубоких колодцев вблизи естественных выходов ее на дневную поверхность. Со второй половины 19 века спрос на нефть стал возрастать в связи с широким использованием паровых машин и развитием на их основе промышленности, которая требовала больших количеств смазочных веществ и более мощных, чем сальные свечи, источников света.

Исследованиями последних лет установлено, что первая скважина на нефть была пробурена ручным вращательным способом на Апшеронском полуострове (Россия) в 1847 г. по инициативе В.Н. Семенова. В США первая скважина на нефть (25м) была пробурена в Пенсильвании Эдвином Дрейком в 1959 г. Этот год считается началом развития нефтедобывающей промышленности США. Рождение российской нефтяной промышленности принято отсчитывать от 1964 г., когда на Кубани в долине реки Кудако А.Н. Новосильцев начал бурить первую скважину на нефть (глубиной 55 м) с применением механического ударно-канатного бурения.

На рубеже 19-20 веков были изобретены дизельный и бензиновый двигатели внутреннего сгорания. Внедрение их в практику привело к бурному развитию мировой нефтедобывающей промышленности.

В 1901 г в США впервые было применено вращательное роторное бурение с промывкой забоя циркулирующим потоком жидкости. Необходимо отметить, что вынос выбуренной породы циркулирующим потоком воды изобрел в 1848 г. французский инженер Фовелль и впервые применил этот способ при бурении артезианской скважины в монастыре св. Доминика. В Росси роторным способом первая скважина была пробурена в 1902 г. на глубину 345 м в Грозненском районе.

Одной из труднейших проблем, возникших при бурении скважин, особенно при роторном способе, была проблема герметизации затрубного пространства между обсадными трубами и стенками скважины. Решил эту проблему русский инженер А.А. Богушевский, разработавший и запатентовавший в 1906 г. способ закачки цементного раствора в обсадную колонну с последующим вытеснением его через низ (башмак) обсадной колонны в затрубное пространство. Этот способ цементирования быстро распространился в отечественной и зарубежной практике бурения .

В 1923 г. выпускник Томского технологического института М.А. Капелюшников в соавторстве с С.М. Волохом и Н.А. Корнеевым изобрели гидравлический забойный двигатель – турбобур, определивший принципиально новый путь развития технологии и техники бурения нефтяных и газовых скважин. В 1924 г. в Азербайджане была пробурена первая в мире скважина с помощью одноступенчатого турбобура, получившего название турбобура Капелюшникова.

Особое место занимают турбобуры в истории развития бурения наклонных скважин. Впервые наклонная скважина была пробурена турбинным способом в 1941 г. в Азербайджане. Совершенствование такого бурения позволило ускорить разработку месторождений, расположенных под дном моря или под сильно пересеченной местностью (болота Западной Сибири). В этих случаях бурят несколько наклонных скважин с одной небольшой площадки, на строительство которой требуется значительно меньше затрат, чем на сооружение площадок под каждую буровую при бурении вертикальных скважин. Такой способ сооружения скважин получил наименование кустового бурения.

В 1937-40 гг. А.П. Островским, Н.Г. Григоряном, Н.В. Александровым и другими была разработана конструкция принципиально нового забойного двигателя – электробура.

В США в 1964 г. был разработан однозаходный гидравлический винтовой забойный двигатель, а в 1966 в России разработан многозаходный винтовой двигатель, позволяющий осуществлять бурение наклонно-направленных и горизонтальных скважин на нефть и газ .

В Западной Сибири первая скважина, давшая мощный фонтан природного газа 23 сентября 1953 г. была пробурена у пос. Березово на севере Тюменской области. Здесь, в Березовском районе зародилась в 1963 г. газодобывающая промышленность Западной Сибири. Первая нефтяная скважина в Западной Сибири зафонтанировала 21 июня 1960 г. на Мулымьинской площади в бассейне реки Конда.

Бурение нефтяных или газовых скважин является сложным, я в ряде случаев и опасным процессом. Бурение нефтяных или газовых скважин может быть успешно осуществлено только при обязательном соблюдении ряда правил и положений. Бурение скважин применяется в различных целях, включая: изучение строения земной коры, поиски и разведку нефти, газа, воды и твёрдых полезных ископаемых, а также при строительстве дорог для изучения грунта и др. При этом при поисках нефти и газа проводится глубокое бурение, которое представляет собой сложный процесс и, как правило, трудоемкий для людей, осуществляющих бурение. Он требует больших материальных и технических средств, включая специальные инструменты, материалы, оборудование и установки.

В ряде мест нашей страны бурение на нефтьи газ проводится в сложных геологических и климатических условиях с достижением продуктивных горизонтов на глубине ниже 3 км, а нередко 4--5 км.

Как указывалось ранее, бурение на большой глубине, в том числе под соленосные толщи, а также и труднодоступных районах тундры с вечной мерзлотой и тайги, конечно, требует от буровиков в современных условиях проводить выполнение всех видов работ, связанных с бурением глубоких скважин на нефть и газ, с особой ответственностью и высокой квалификацией. В противном случае во время бурения скважин возможны различные осложнения, которые могут пагубно воздействовать на людей и окружающую среду. Поэтому тщательный и ответственный подход к своим обязанностям для каждого члена буровой бригады является главным принципом безаварийной работы буровиков в процессе бурения глубоких скважин на нефть и газ.

Ряд буровых бригад в последние годы, когда началось освоение необжитых и труднодоступных районов, в том числе Западной Сибири используют вахтовый метод, т. с. бригады буровиков выезжают на место бурения скважин на короткое время, живя в походных условиях. А затем возвращаются в свои стационарные буровые организации.

Бурение глубоких скважин производится путём механического разрушения горных пород с применением специальных двигателей. При этом различают два вида механического бурения: ударное и вращательное. Ударное бурение, называемое также ударно-канатным, заключается в следующем. На канате подвешиваемся долото, которое периодически опускается на забои и разрушает породу. Канат находится на барабане буровой установки и с помощью различных приспособлений может опускаться и подниматься.

Разрушенная порода па забое, называемая шламом, периодически удаляется. Для того буровой инструмент поднимают, спускают вниз желонку (ведро с клапаном в дне). При погружении желонки клапан открывается, и она заполняется смесью пластовой пли доливаемой жидкости и разбуренной породы. Во время подъема желонки клапан закрывается. В результате многократных опусканий и подъемов желонки забой скважины очищается, и вновь продолжается бурение скважины.

При ударном способе бурения, как правило, не используют промывочную жидкость. Но с целью сохранения пробуренного ствола скважину обсаживаю, т. е. спускают обсадную колонну, состоящую из металлических труб, соединенных через резьбу или сваркой. По мере углубления скважины обсадную колонну продвигают к забою и удлиняют нулём наращивании ещё одной трубы. Если продвинуть обсадную трубу вниз невозможно, спускают внутрь вторую обсадную колонну меньшего диаметра. Для того скважину углубляют долотом, а колонну наращивают. Возможен спуск и последующих колонн меньшего диаметра, пока не будет достигнута проектная глубина.

Эффективность ударного способа бурения зависит от выбора долота для бурения определенной породы, от массы бурового инструмент, числа ударов долота о забой и других причин.

Мри ударном способе бурения используются станки с небольшой массой (до 20 т), что позволяет их легко транспортировать для бурения неглубоких скважин вдалеке от населённых пунктов.

Но при бурении нефтяных и газовых скважин ударный способ не применяется. Бурение на нефть и газ проводится путём вращательного способа бурения.

Вращательное бурение производится в результате одновременного воздействия на долото нагрузки и крутящего момента. Этот способ бурения осуществляется с использованием ротора или забойных двигателей: турбобура или электробура.

При роторном бурении мощность от двигателя передастся ротору -- вращательному механизму, установленному над устьем скважины в центре вышки. Ротор вращает бурильную колонну труб с долотом.

При бурении с забойным двигателем долото привинчено к валу, а бурильная колонна -- к корпусу двигателя. При работе двигателя вращается его вал и долото, а бурильная колонна не вращается. Следовательно, при роторном бурении углубление долота в породу происходит при перемещающейся вдоль оси скважины и вращающейся бурильной колонны, а при бурении с забойным двигателем -- не вращающейся бурильной колонны.

При вращательном способе бурения проводится промывка скважины водой или глинистым раствором в течение всего времени работы долота на забое. Промывочная жидкость нагнетается в скважину и выносит выбуренную породу на поверхность, в специальные ёмкости (желоба), затем она очищается и очистительных механизмах и вновь поступает в приёмные ёмкости буровых насосов и закачивается в скважину.

Бурильные трубы поднимают для смены изношенного долота, их развинчивают на секции, которые называют свечами. Свечи устанавливают и фонаре вышки на подсвечнике. Затем спускают бурильную колонну в скважину в обратном порядке.

К забойным двигателям относятся: турбобур и электробур. Вращение вала турбобура происходит за счет преобразования гидравлической энергии потока промывочной жидкости по бурильной колонне, поступающей в турбобур, в механическую энергию турбобура, с которым жёстко соединено долото.

При бурении с электробуром энергия к его двигателю подаётся по кабелю, секции которого укреплены концентрично внутри бурильной колонны.

Различные способы вращательного бурения имеют специфические особенности режима бурения. Режим бурения характеризуется комплексом покупателей бурения, включая: скорость про ходки, нагрузку па забой, частоту вращении долота, расход промывочной жидкости и др.

Под оптимальным режимом бурения понимают сочетание таких параметров бурения, при которых достигается наибольший эффект, т. е. при сравнительно небольших затратах материальных и денежных средств получены высокие скорости бурения, а фактический ствол скважины близок к проектному.

Для каждой породы можно подобрать оптимальные параметры бурения: нагрузки на долото, частоты вращения долота и расхода промывочной жидкости.

В случае бурения с помощью ротора взаимосвязи параметров режима бурения не отмечается, поэтому оптимальный режим подбираю! по каждому параметру и отдельности. При этом, в зависимости от геологии разреза с учётом твёрдости пород, выбирается нагрузка на долото и частота его вращения, а также устанавливается расход промывочной жидкости в зависимости от степени очистки забоя скважины.

В отличие от роторного бурения при бурении с турбобуром существует связь между параметрами режима бурения. Например, с увеличением расхода промывочной жидкости при одинаковой нагрузке на забой также увеличивается частота вращения нала турбобура. И зависимости от твердости пород нагрузку меняют, и соответственно меняется частота вращения долота, что и приводит к оптимальным показателям бурения скважины. При бурении с электробуром, в отличие от турбинного бурения не устанавливается связь между параметрами режима бурения, однако частота вращения долота высокая, что и обеспечивает оптимальный режим бурения.

В большинстве случаев по проекту бурятся вертикальные скважины, ствол которых близок к вертикали. К вертикальным относятся скважины, в которых угол между осью скважины и вертикалью (зенитный угол) по всему стволу имеет отклонение не более 2°, При отклонении более 2° скважины считаются искривлёнными.

Причины искривления скважин могут быть различными и зависящими как от природных геологических условий проводки скважин, так и от результата деятельности буровиков и других служб, связанных с бурением скважин на нефть и газ. К геологическим причинам искривления скважин относятся: наклонное залегание слоев, тектонические нарушения, наличие каперн, переслаивание пород различной твёрдости, а также твердые включения типа валунов и др. К техническим причинам относятся: искривление бурильных труб, перекос в резьбовых соединениях и др. К технологическим причинам относятся: неправильный выбор конструкции скважины, неправильное соотношение диаметров бурильных труб и скважины, применение неблагоприятного режима бурения и др.

Значительное отклонение от проектного ствола скважины приводит к большим осложнениям при бурении, в том числе к авариям.

В результате непроизвольного искривления скважины могут произойти следующие трудности: осложнение спускоподъемных работ, более интенсивное изнашивание бурильных труб и соединительных муфт, обвалы пород, истирание обсадных труб, затруднение их спуска в скважину, увеличение опасности смятия труб, осложнения при цементировании и др.

Искривлённые скважины в последующем при эксплуатации являются ненадёжными и быстро выходят из строя вследствие преждевременного изнашивания глубинно-насосного оборудования, насосных штанг и эксплуатационной колонны.

Однако в ряде случаев проводят специально наклонное и горизонтальное бурение скважин, в том числе под дно моря, под овраги, горы, на площадях, занятых заповедниками, под промышленные объекты и жилые посёлки, при тушении горящих фонтанов и ликвидации открытых выбросов нефти и газа и др.

При этом используются специальные отклонители, которые устанавливаются между турбобуром и бурильной колонной.

Для бурения скважин на нефть и газ применяют долота, представляющие собой буровые инструменты для механического разрушения горных пород. Обычно для разбуривания пород средней твёрдости, твёрдых, крепких и очень крепких пород, используются долота дробяще-скалывающего действия, так называемые шарошечные долота.

В ряде случаев используются также долота режуще-истирающего действия с алмазными и твердосплавными вставками. Они используются мри проходке разрезов, где наблюдается чередование пород различной твёрдости, включая сочетание высоко-пластичных с породами средней твёрдости.

Момент опускания долота в скважину, при котором буровики используют специальные стабилизаторы, чтобы долото точно опустилось в центр забоя.

Долота могут использоваться для сплошною бурения, когда порода разрушается по всему забою, или для кольцевого бурения, когда порода разрушается по кольцу забоя. В последнем случае долота называются колонковыми и используются для отбора керна из скважины. При этом используют бурильные головки: шарошечные, алмазные и твердосплавные. Колонковое долото состоит из бурильной головки, грунтоноски, корпуса колонкового набора и шарового клапана. С помощью грунтоноски, в которой имеются кернорватели и кернодержатели, а вверху широкой клапан, производится отбор и сохранение керна до его подъёма на поверхность.

Бурильная колонна предназначена осуществлять процесс бурения скважины. Она соединяет долото или забойный двигатель с наземным оборудованием. Бурильная колонна состоит из ряда бурильных труб. В сё верхней части имеется ведущая квадратная труба, присоединённая к вертлюгу. Бурильные трубы свинчены при помощи бурильных замков и соединительных муфт. Задача бурильной колонны заключается в передаче вращения долоту, создании нагрузки на долото, для подъёма и спуска долот, проведения различных вспомогательных работ в процессе бурения скважины и испытания пластов.

Для вращения долота на забое скважины применяются упомянутые выше механизмы: роторы, турбобуры и электробуры.

Роторы обеспечивают вращательное движение бурильной колонны и долота, а также поддерживают на весу тяжёлую бурильную колонну. Ротор, установленный на устье скважины, состоит из станины, во внутренней части которой установлен вращающийся стол. В центре стола имеется отверстие (проходное) для спуска через него долот и бурильных труб. Диаметр отверстия стола ротора варьирует от 400 до 700 мм, что определяется максимальным диаметром долота, которое проходит через него. В центральное отверстие вставляют вкладыши и зажимы, которые обеспечивают подвеску ведущей трубы квадратного сечения. К ведущей трубе крепится последующая бурильная труба, а затем и другие.

Турбобуры, являясь забойными двигателями, преобразуют гидравлическую энергию в механическую, что обеспечивает вращение вала турбобура и долота. Турбобур состоит из двух основных элементов турбины: статора, жёстко скреплённого с корпусом, и ротора, укреплённого па валу турбобура. За счёт множества ступеней (до 350) гидравлический поток, перетекая от ступени к ступени, создаёт мощную механическую энергию, которая приводит в работу долото. Чем больше ступеней в турбобуре, тем больше мощность и вращательный момент и тем эффективнее работа турбобура.

Электробуры преобразуют электрическую энергию, подаваемую с поверхности, в механическую энергию, вращающую долото на забое. Электробуры, состоящие из двух основных частей -- электродвигателя и маслонаполненного шпинделя, с привинченным долотом спускают в скважину на бурильной колонне. Энергия от силового трансформатора подаётся по наружному кабелю и внутреннему кабелю, последний из которых вмонтирован в колонну бурильных труб. При этом промывочная жидкость, пройдя через систему переводников и дубрикаторов, попадает внутрь полого вала электродвигателя и затем -- к долоту. И далее, как при роторном и турбинном бурении, промывочная жидкость увлекает обломки выбуренной породы и поднимает их по затрубному пространству на поверхность.

Буровые установки различаются по своим характеристикам в зависимости от глубины бурении скважин. Нагрузка на крюк буровой установки должна соответствовать весу бурильной колонны, а вес бурильной колонны должен быть больше веса обсадной колонны.

В связи с этим буровые установки различаются по параметрам (максимальной допустимой нагрузки на крюк), которые зависят от диаметра скважины и бурильных труб, а также от массы последних.

Буровые установки отличаются по характеристикам бурового и энергетического оборудования.

Общий вид буровой установки для бурения скважин на нефть и газ.

Буровая установка включает в себя ряд механизмов, которые смонтированы на общем основании, что позволяет транспортировать установку от одной скважины к другой в собранном виде. В состав обычной для роторного бурения установки включаются: вышка, кранблок, талевый блок, крюк, вертлюг, лебёдка, дизели, редуктор, буровой насос, приёмные емкости насосов, пневмо-управление, ротор. Установка имеет металлический каркас, который обшивается щитами и досок или прорезиненной ткани для защиты механизмов и людей от атмосферных осадков и ветра.

Кроме этого, в комплект установки входит циркуляционная система, которая состоит из вибрационного сига, желобов, приемных емкостей для промывочной жидкости, нагнетательных трубопроводов.

Более сложное буровое оборудование и установки используются для бурения на море. Как указывалось ранее, бурение на морс осуществляется либо со стационарных платформ, либо с плавучих платформ и специальных судов.

При этом для стационарных платформ требуется возведение металлического основания, жёстко скреплённого с морским дном. Для этого используются опорные блоки, устанавливаемые специальными охранными агрегатами, которые надёжно цементируются.

Буровые основания связываются эстакадами, а все буровые помещения размещаются на приэстакадных участках очень компактно и укрываются дли защиты оборудовании и работников буровой бригады. Строительные работы в море по возведению основания и установке бурового оборудовании очень трудоёмки и выполняются специальными организациями.

Па самых современных буровых установках имеется пульт управления процессом бурения скважин, где управление производится кнопками, смонтированными па компактной клавиатуре мембранного типа. Так, например, пульт бурильщика к приводу «Пауэр Дрилл 2000», поставляемый фирмой США «Дженерал Электрик Драйв Системе», выполнен в стиле современного промышленного дизайна и имеет закрытые клавиши, которые были специально спроектированы так, чтобы ими мог безошибочно пользоваться бурильщик в толстых рабочих рукавицах.

Флуорссцстные цифровые дисплеи -- три программируемых и один диагностический -- снабжают бурильщика данными о состоянии буровой установки и рабочих параметрах. Автоматическая диагностика и прямая связь с приводом «Пауэр Дрилл 2000» делают пульт уникальным подспорьем для бурильщика. Каждый раз, когда бурильщик пытается задать неразрешенную функцию, пульт информирует его о допущенной ошибке. Первой выявляется ошибка, которая с наибольшей вероятностью приводит к прекращению работы буровой установки.

Это даст бурильщику мгновенную обратную связь, позволяя ему исправить ошибку и быстрее возобновить нормальную работу. Оператор может переключать диагностические дисплеи с тем, чтобы получить больше информации о выявленных неисправностях. Состояние системы постоянно отображается простыми полными словами на легкочитаемом программном устройстве специализированной клавиатуры, установленной непосредственно на приводе. Диагностическиесигналы подаются на клавиатуру при помощи легкочитаемого текста, что позволяет персоналу буровой установки, располагающему минимальными навыками в области электротехники, за несколько минут определить неисправность на любом уровне.

Помимо буровой установки с ротором, турбобура или электробура, набора долот, на буровой площадке имеется следующее оборудование и материалы:

• 1) буровые штанги и насосно-компрессорные трубы;
• 2) обсадные трубы;
• 3) насосы для закачки жидкостей и компрессоры для закачки газа или воздуха;
• 4) глина и различные химреагенты;
• 5) ёмкости для глинистого раствора и других промывочных жидкостей;
• 6) цементировочные агрегаты и цемент;
• 7) перфораторы и испытатели пластов и другое оборудование.

Перед бурением скважины геологической службой совместно с буровыми и проектными организациями составляется геолого-технический наряд (ГТН), в котором представлены геологическая и техническая части. К бурению скважины буровики приступают после утверждения и подписания ГТН руководителямиорганизаций, выполняющих работы. В геологической части ГТН приводится прогнозируемый разрез отложений в месте бурения скважины. Указываются глубины вскрытия различных стратиграфических подразделений разреза, проектный разрез отложений (литологическан колонка) с указанием крепости пород,

приводятся необходимые интервалы отбора керна и испытания пластов в открытом стволе, а также указываются возможные осложнения при бурении против определённых интервалов разреза, приводится комплекс необходимых промыслово-геофизических работ.

В технической части предлагается наиболее оптимальная конструкция скважины, указываются: условия испытания колонн, запасы раствора и химреагентов, способы бурения, тип забойного двигателя, тип, размер, количество долот, режим бурения скважины (осевая нагрузка, скорость вращения ротора, подача насосов, лишение, число насосов), тип бурового раствора по интервалам разбуривания разреза, параметры промывочной жидкости, химическая обработка раствора, скорость подъёма инструмента, компоновка бурильной колонны, параметры буровой установки и др.

Конструкция скважины представляет собой систему труб различного диаметра и глубины спуска в скважину, которая обеспечивает её жёсткое крепление со стенками ствола и прилегающих горных пород. Обычно, чтобы перекрыть верхнюю часть разреза, сложенную рыхлыми породами, сооружают шурф глубиной 4--8 м и в него спускают трубу большого диаметра с окном вверху. Пространство между трубой и стенкой шурфа заполняют бу-товым камнем цементным раствором, что позволяет надёжно укрепить устье скважины. Затем к окну в трубе приваривают металлический желоб, по которому в процессе бурения скважины промывочная жидкость направляется в желобную систему. Трубу, установленную в шурфе, называют направлением.

После установки направления приступают к бурению скважины. После бурения рыхлых пород в верхней части разреза (50-- 400 м) спускают обсадную колонну из стальных труб и цементируют затрубное пространство. Первая обсадная колонна называется кондуктором.

Затем продолжают бурение. Если в дальнейшем при бурении возникают осложнения из-за неустойчивых пластов, спускают вторую обсадную колонну, называемую промежуточной. 13 ряде случаев приходится спускать и третью, и четвёртую колонны, чтобы укрепить ствол скважины.

После достижения проектной глубины в скважину спускают эксплуатационную колонну и её цементируют. Она может быть предназначена либо для подъёма нефти или газа на поверхность, либо -- для нагнетания воды (газа или воздуха) в продуктивный пласт для поддержания давления.

Схема расположения обсадных колонн с указанием их диаметров, глубины перехода с большего диаметра скважины на меньший, глубины спуска обсадных колонн и интервалов их цементирования позволяет представить конструкцию скважины.

По количеству спущенных обсадных колонн скважины могут быть одноколонными, двухколонными и трёхколонными. Обычно начальный диаметр скважины колеблется от 400 до 600 мм, а конечный составляет 127 мм (5").

При бурении часто наблюдались обвалы верхней части осадочного комплекса, сложенной глинами, песчаниками и галечниками; образование каверн вгалогенных породах кунгура, в которых происходили поломы бурильного инструмента; возникало аномально высокое давление, требующее бурения па утяжелённом растворе (1,7 г/см"); поглощение глинистого раствора (вплоть до потери циркуляции) при проходке пористых и трещиноватых пород, что в сочетании с аномально высоким давлением грозит открытыми газовыми выбросами; образование сальников против пористых и трещиноватых пород продуктивной толщи, что приводит к прихватам и затяжкам бурильного инструмента.

После спуска обсадных колонн в скважину производят их цементирование (цементаж). Для этого в затрубное пространство заливают цемент, используя специальные тампонажные цементы. Цементные растворы готовятся в специальных цементосмесительных машинах, которые приезжают на буровую. Через цементировочные агрегаты, оснащенные насосами, происходит продавка цемента из обсадной колонны в затрубное пространство скважины до определенной высоты подъёма цемента, указанной в ГТН.

Разбуривание продуктивных горизонтов в разведочных скважинах проводится колонковыми долотами с целью отбора и последующего изучения керна. После окончания бурения продуктивных пластов проводится полный объём промыслово-геофизических исследований скважин (ГИС).

Затем опробуют пласты с помощью испытателей пластов, которые основаны на вызове притока нефти из пласта за счёт резкого перепада давления в системе пласт-бурильная колонна.

Обычно скважину пробуривают несколько ниже подошвы продуктивного горизонта, спускают эксплуатационную колонну и цементируют один или два раза. Затем после затвердения цемента перфорируют стенку колонны, включая цементное кольцо, напротив продуктивного пласта для установления связи колонны с пластом. Для этого используют различные перфораторы (кумулятивные, торпедные или пулевые). Наиболее часто используют кумулятивные перфораторы, основанные на действии кумулятивной струи, возникающей за счёт взрыва медной облицовки заряда и ударной волны. При этом тонкая металлическая струя выбрасывается со скоростью 8000--10 000 м/с и пробивает отверстия в колонне и цементном камне. Перфоратор спускают в скважину и производят рассчитанную сеть отверстий против продуктивного пласта.

Подземный ремонт скважин проводится как в процессе бурения, так и при их последующей эксплуатации специальными бригадами подземного ремонта, которые выполняют капитальный и текущий ремонты скважин. Бригады ремонтников обычно работают вахтами (сменами), как и буровые бригады.

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