Посвящается светлой памяти профессора Василия Сергеевича Федорова

ПРЕДИСЛОВИЕ

Одной из важнейших специальных дисциплин, формирующих профиль горного инженера по специальности “Буре­ ние нефтяных и газовых скважин", является “Технология бурения нефтяных и газовых скважин".

В процессе изучения этой дисциплины студенты должны полу­ чить теоретические знания об основах технологических операций, составляющих процесс сооружения скважины; о зависимостях меж­ ду параметрами операций и характеристиками их эффективности, об их оптимизации; о методах проектирования конструкций сква­ жин и режимах работы бурового инструмента; о прогрессивных ме­ тодах управления траекторией ствола и средствах навигации для этих целей.

Студенты также должны приобрести практические навыки по составлению гидромеханической программы углубления ствола скважины, по расчету бурильных колонн и выбору компоновок, в том числе для бурения наклонно направленных и горизонтальных стволов, по решению разнообразных технологических задач.

Изучению дисциплины "Технология бурения нефтяных и газо­ вых скважин" предшествуют дисциплины общеинженерного харак­ тера: физика, химия, теоретическая и прикладная механика, мате­ матика, термодинамика, а также специальные дисциплины (геоло­ гия и геофизика, основы нефтяного и газового дела).

Основные положения, понятия и определения в области буре­ ния скважин студенты познают в курсах геология и основы нефтя­ ного и газового дела: породы и их классификация, геологические разрезы и геологические карты, структурные и тектонические эле­ менты, литология и стратиграфия, геофизические методы исследо­ вания скважин, конструкция скважины и методы ее сооружения, породоразрушающий инструмент и методы проходки ствола, методы и технические средства крепления скважинки др.

Параллельно с дисциплиной “Технология бурения нефтяных и газовых скважин" или сразу вслед за ней студенты изучают как от­ дельные дисциплины "Буровые промывочные и тампонажные рас­ творы", “Осложнения и аварии при бурении нефтяных и газовых скважин", “Заканчивание скважин", “Монтаж и эксплуатация бу­ рового оборудования", которые в большинстве своем в прошлые го­

ды зачастую входили разделами в дисциплину “Бурение нефтяных

игазовых скважин".

Всвязи с этим появилась возможность в предлагаемом учебнике "Технология бурения нефтяных и газовых скважин" сосредоточить внимание на нормальных неосложненных современных буровых процессах и существенно расширить материал по режимам буре­

ния, объемным забойным двигателям, гидравлической программе промывки скважин, научному комплексному подходу к выбору ре­ жимных параметров проходки ствола. Особое внимание уделено слабо освещенному в предшествующей учебной литературе разде­ лу по наклонно направленному и горизонтальному бурению, осо­ бенно в части приборов и систем навигации. В то же время отпала необходимость в освещении: буровых промывочных и тампонаж­ ных растворов с позиций их физико-химической сущности, компо­ нентного состава, показателей качества; осложнений и аварий, воз­ никающих в процессе бурения скважин; крепления скважин об­ садными колоннами и тампонажными материалами; испытания пластов в процессе бурения и освоение продуктивных горизонтов.

Необходимость составления нового учебника по технологии бу­ рения нефтяных и газовых скважин также продиктована несколь­ кими причинами: во-первых, появлением Образовательного стан­ дарта РФ и соответствующей ему примерной программы дисципли­ ны "Технология бурения нефтяных и газовых скважин"; во-вторых, публикацией целого ряда новых материалов по технологии бурения в учебной и справочной литературе, в монографиях, которые не от­ ражены в предшествующих учебниках.

В составлении настоящего учебника, кроме авторов, также уча­ ствовал ряд ведущих специалистов в определенных областях буре­ ния скважин, или ими была представлена исходная информация для конкретных разделов. Так, например, в написании материала по объемным забойным двигателям участвовал Д.Ф. Балденко, раздела по гидромеханике и обобщенной модели буримости — Г.Г. Габузов, раздела по бурению наклонно направленных и горизонтальных скважин —Е.Ю. Проселков.

В написании некоторых других разделов максимально использо­

бурильным трубам и колоннам, А.Г. Калинина и других по бурению наклонных и горизонтальных скважин и т.п.

Соблюдена преемственность в учебной литературе. Так, исполь­ зованы не потерявшие актуальности материалы из учебников по "Бурению нефтяных и газовых скважин" Н.И. Шацова, В.С. Федоро­ ва, Ф.И. Шищенко; Н.Г. Середы, Е.М. Соловьева; Ю.Б. Вадецкого; АГ. Калинина, А.З. Левицкого, Б.А Никитина и др.

Настоящий учебник составлен в полном соответствии с Государ­ ственным образовательным стандартом РФ (раздел СД-05) и пример­ ной программой дисциплины "Технология бурения нефтяных и га­ зовых скважин" (индекс 090800) СД 05, утвержденной 29 ноября

1995 г. УМО НГО.

Курс "Бурение нефтяных и газовых скважин" предшествует изучению дисциплин "Буровые промывочные и тампонажные рас­ творы", "Осложнения и аварии при бурении скважин", "Заканчивание скважин", "Монтаж и эксплуатация бурового оборудования" и непосредственно с ними связан.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БУРЕНИИ СКВАЖИН

Современное бурение охватывает широкий круг вопросов, всесторонне осветить которые по принципу последовательного рассмотрения каждого технологического процесса и операции, основ проектирования и принципов реализации их на производстве сложно. Следует остановить­ ся на основных способах бурения.

1.1. НАЗНАЧЕНИЕ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

Бурение скважин — это процесс сооружения направленной горной выработки большой длины и малого (по сравнению с длиной) диаметра. Начало скважины на по­ верхности земли называют устьем, дно — забоем. Этот про­ цесс — бурение — распространен в различных отраслях на­ родного хозяйства.

Цели и задачи бурения

Нефть и газ добывают, пользуясь скважина­ ми, основными процессами строительства которых являются бурение и крепление. Необходимо осуществлять качествен­ ное строительство скважин во все возрастающих объемах при кратном снижении сроков их проводки, а также при уменьшении трудо- и энергоемкости и капитальных затрат.

Бурение скважин — единственный метод результативной разработки, приращения добычи и запасов нефти и газа.

Цикл сооружения нефтяных и газовых скважин до сдачи их в эксплуатацию состоит из следующих последовательных звеньев:

Добывающие (эксплуатационные) предназначены для до­ бычи нефти и газа из земных недр. К этой категории отно­ сят также нагнетательные, оценочные, наблюдательные и пье­ зометрические скважины.

Нагнетательные необходимы для закачки в пласт воды, га­ за или пара с целью поддержания пластового давления или обработки призабойной зоны. Эти меры направлены на уд­ линение периода фонтанного способа добычи нефти или по­ вышение эффективности добычи.

Назначение оценочных скважин — определение начальной водонефтенасыщенности и остаточной нефтенасыщенности пласта и проведение иных исследований.

Контрольные и наблюдательные скважины служат для на­ блюдения за объектом разработки, исследования характера продвижения пластовых флюидов и изменения газонефтенасыщенности пласта.

Опорные скважины бурят для изучения геологического строения крупных регионов с целью установления общих за­ кономерностей залегания горных пород и выявления возмож­ ностей образования в этих породах месторождений нефти и газа.

Охрана природы

Производственная деятельность буровых пред­ приятий неизбежно связана с техногенным воздействием на объекты природной среды. В силу специфических особенно­ стей ведения горных работ процессы сооружения скважин оказывают отрицательное влияние на биосферу. Техногенез при бурении скважин носит химико-токсический и физико­ механический характер и проявляется в нарушении естест­ венного экологического равновесия экосистем, снижении ценности гидросферы, падении ресурсо- и биогенетического потенциала биосферы и деградации отдельных компонентов природной среды. Для предупреждения загрязнения окружаю­ щей среды в процессе строительства скважин должен разра­ батываться комплекс природоохранных мероприятий.

Охрана окружающей среды при строительстве скважин включает:

защиту недр от загрязнения и рациональное использова­ ние природных минеральных ресурсов;

защиту земной поверхности и воздушного бассейна от не­ гативного влияния техногенных факторов при бурении и разработке нефтегазовых месторождений.

Охрана недр — это совокупность мероприятий по наиболее полному извлечению полезного ископаемого или максимально возможному сокращению его потерь, наи­ более рациональному использованию минеральных ресур­ сов, исключающих неоправданные потери минерального сырья и топлива, а также отрицательные воздействия на

природу.

Охрана земной поверхности и воздушного бассейна — это совокупность правовых, организационных, экономичес­ ких и инженерных мероприятий по исключению загрязнения объектов гидро-, лито- и атмосферы материалами, химреа­ гентами, технологическими жидкостями, используемыми при ведении буровых работ, образующимися отходами, а также физико-механического воздействия на компоненты природ­ ной среды, приводящего к нарушению нормального функци­ онирования экосистем.

Сохранение окружающей среды в нефтегазодобывающей промышленности на экологически безопасном (нормативном) уровне имеет свои особенности, которые необходимо учиты­ вать при строительстве скважин, разработке и эксплуатации месторождений нефти и газа. К основным из них относятся следующие:

предупреждение разрушения покрова земли и раститель­ ности при строительстве скважин;

предупреждение проникновения бурового раствора (или его фильтрата) в поры и трещины пластов с полезными ис­ копаемыми. Особенно опасны гидроразрывы пластов с по­ следующим поглощением бурового раствора;

предупреждение открытых нерегулируемых газонефтеводопроявлений с целью сбережения полезных ископаемых и охраны окружающей среды;

надежное, долговечное крепление буровых скважин с со­ вершенным разобщением пластов и предупреждением погло­ щения тампонажного раствора или его фильтрата на глубину, большую, чем предусмотрено технологическими соображени­ ями;

предупреждение движения флюидов между пластами по любым причинам;

надежное тампонирование скважин, оказавшихся "сухи­ ми", истощившимися или аварийными, с целью предупрежде­ ния движения флюидов из пласта в пласт;

выполнение мероприятий, использование устройств и тех­ нологических процессов, предусматривающих разобщение всех пластов, а не их части в разрезе или герметизации толь-

ко устья с целью предупреждения продвижения флюидов к дневной поверхности;

закачка значительных объемов различных растворов и ма­ териалов в пласты при бурении в условиях поглощений;

воздействие на пласты различными методами (тепловыми, химическими, силовыми и др.) с целью увеличения и ускоре­ ния поступления флюидов к скважине;

форсированные отборы флюидов из пластов; закачка больших объемов воды в пласты для восстановле­

ния или поддержания пластовых давлений; наличие значительного количества скважин даже в преде­

лах одного и того же месторождения, что затрудняет кон­ троль за всеми объектами;

сжигание попутного газа; транспортировка нефти и газа в танкерах морем. Утечки

при этом нефти и газа, а также при бурении, добыче и ава­ риях способствуют загрязнению окружающей среды.

Перечисленные и многие другие причины обязывают ра­ ботников нефтегазовых предприятий принимать все установ­ ленные меры и предъявлять узаконенные требования в целях предупреждения нарушения охраны недр и загрязнения ок­ ружающей среды.

1.2. ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИН

Современный процесс бурения скважины — это сложный технико-технологический процесс, состоящий из цепи звеньев, выход из строя одного из которых может привести к осложнениям, авариям или даже к гибели скважи­ ны. Безотносительно к способу разрушения горных пород процесс бурения скважины включает ряд операций:

спуск бурильных труб с породоразрушающим инструмен­ том в скважину;

разрушение породы на забое; вынос разрушенной породы из скважины;

подъем бурильных труб из скважины для замены изно­ шенного долота;

крепление скважины обсадными колоннами и тампониру­ ющим материалом.

Применяются другие операции технологического и геофи­ зического характера, которые непосредственно не участвуют в проходке ствола скважины.

В мировой буровой практике наиболее распространен ро­ торный способ: почти 100 % объема буровых работ в США и Канаде выполняется этим способом. В последние годы наме­ тилась тенденция увеличения объемов роторного бурения и в России, даже в восточных районах. Основные преимущества роторного бурения перед турбинным — независимость регу­ лирования параметров режима бурения, возможность сраба­ тывания больших перепадов давления на долоте, значитель­ ное увеличение проходки за рейс долота в связи с меньшими частотами его вращения и др.

Турбинное бурение

При турбинном бурении долото соединяется с валом турбины турбобура, которая приводится во вращение движением жидкости под давлением через систему роторов и статоров. Нагрузка создается частью веса бурильных труб.

Наибольший крутящий момент обусловлен сопротивлени­ ем породы вращению долота. Максимальный крутящий мо­ мент, определяемый расчетом турбины (значением ее тор­ мозного момента), не зависит от глубины скважины, частоты вращения долота, осевой нагрузки на него и механических свойств разбуриваемых пород. Коэффициент передачи мощ­ ности от источника энергии к разрушающему инструменту в турбинном бурении выше, чем в роторном.

Однако при турбинном бурении невозможно независимое регулирование параметров режима бурения, и при этом вели­ ки затраты энергии на 1 м проходки, расходы на амортиза­ цию турбобуров и содержание цехов по их ремонту.

Турбинный способ бурения получил широкое распрост­ ранение в России благодаря работам ВНИИБТ.

Бурение винтовыми (объемными) двигателями

Рабочие органы двигателей созданы на основе многозаходного винтового механизма, что позволяет полу­ чить необходимую частоту вращения при повышенном по сравнению с турбобурами вращающем моменте.

Забойный двигатель состоит из двух секций — двигатель­ ной и шпиндельной.

Рабочими органами двигательной секции являются статор и ротор, представляющие собой винтовой механизм. В эту секцию входит также двухшарнирное соединение. Статор

работы в области создания новых методов бурения, техноло­ гий, техники.

К ним относятся углубление в горных породах с исполь­ зованием взрывов, разрушение пород при помощи ультра­ звука, эрозионное, с помощью лазера, вибрации и др.

Некоторые из названных методов получили развитие и применяются, хотя и в незначительном объеме, зачастую на

няться при бурении скважин. Основа классификации — развиваемое давление, рабочая длина струй и степень их воздействия на породы различного состава, сцементированности и прочное™ в зависимое™ от диаметра насадки, начального давления струи и расхода воды. Применение во­ дяных струй позволяет в сравнении с механическими спосо­ бами повысить технико-экономические показатели проходки скважины.

На VII Международном симпозиуме (Канада, 1984) были представлены результаты работ по использованию водяных струй в бурении. Его возможное™ связываются с непрерыв­ ной, пульсирующей или прерывистой подачей флюида, нали­ чием или отсутствием абразивного материала и технико­ технологическими особенностями способа.

Эрозионное бурение обеспечивает скороста углубления в 4 —20 раз больше, чем при роторном бурении (в аналогичных условиях). Это объясняется, в первую очередь, значительным увеличением мощноста, подводимой к забою по сравнению с другими методами.

Сущность его состоит в том, что к долоту специальной конструкции вместе с буровым раствором подается абразив­ ный материал — стальная дробь. Размер гранул — 0,42 — 0,48 мм, концентрация в растворе — 6 %. Через насадки до­ лота с большой скоростью на забой подается этот раствор с дробью и забой разрушается. В бурильной колонне последо­ вательно устанавливают два фильтра, предназначенные для отсева и удержания частац, размер которых не позволяет им пройта через насадки долота.

Один фильтр — над долотом, второй — под ведущей тру­ бой, где можно осуществлять очистку. Химическая обработка бурового раствора с дробью сложнее, чем обработка обыч­ ного раствора, особенно при повышенных температурах.

тервалам, представляющим опасность в связи с возможнос­ тью возникновения различных осложнений.

С точки зрения технической реализации следует предус­ мотреть токопровод к нагнетательным элементам пенетратора аналогично используемому при электробурении.

1.4. ВИДЫ БУРЕНИЯ

Современное бурение допускает проводку скважин самого различного назначения, диаметра, конфигу­ рации ствола и его ориентировки: бурение скважин, ствол которых строго ориентирован в пространстве, строительство скважин на суше и на море, причем в последнем случае при глубине воды, достигающей сотен метров. Получило развитие кустовое бурение.

Бурение вертикальных скважин

Строго вертикальных скважин нет — все имеют некоторую кривизну, отклонение от вертикали. Со­ временный уровень техники и технологии позволяет бурить скважины с отклонением ствола скважины от вертикали до 2°.

В.С. Федоров, изучив причины искривления скважин, пришел к выводу, что они могут быть подразделены на гео­ логические (неуправляемые) и технико-технологические (управляемые).

Кгеологическим причинам относятся: угол встречи долота

сплоскостью пласта, чередуемость пород по прочности и их мощность, угол искривления скважины (определяется углом падения пластов и не может быть больше последнего).

Ктехнико-технологическим причинам относятся: тип до­

лота, режим бурения, жесткость низа бурильной колонны, кривизна в элементах бурильного инструмента, искривление бурильных труб под нагрузкой, вертикальность и совпадение оси вышки с центром роторного стола и направления, гори­ зонтальность установки стола ротора.

Указанные причины могут быть полностью учтены и их влияние можно свести практически к нулю.

Перед началом бурения должны быть проверены и обес­ печены центрирование вышки, соответствие осей симметрии вышки и направления, горизонтальность установки стола ро­ тора, прямолинейность первых бурильных труб и ведущей трубы.

Аппарат бросают в бурильные трубы или спускают на проволоке с помощью специальной ручной или механической лебедки.

Наклонно направленное бурение

Наклонно направленная скважина отличается от вертикальной заданным смещением конечного забоя от вертикали и его направлением.

Бурение наклонных скважин возможно турбинным и ро­ торным способами. Собственно искривление ствола скважи­ ны достигается применением специальных компоновок низа бурильной колонны, обеспечивающих отклоняющую силу на долоте, или асимметричное разрушение забоя, или то и дру­ гое.

Реализация необходимого пространственного положения ствола скважины достигается с помощью ориентирования отклоняющих компоновок низа бурильной колонны перед началом и в процессе бурения. В качестве отклоняющих при турбинном бурении применяют компоновки, включающие один или несколько центраторов, два эксцентрично располо­ женных центратора, эксцентричный ниппель, кривой пере­ водник, специальные отклонители типов ОТ, ОТС, ОТШ. С помощью компоновок с одним или несколькими центрато­ рами можно управлять только значением зенитного угла скважины. Все остальные позволяют изменять также и ази­ мут скважины.

Кривой переводник — толстостенный патрубок с пересе­ кающимися продольными осями присоединительных резьбо­ вых соединений. Наиболее распространенными углами между пересекающимися осями являются 1,5 —3,5°. Увеличение ука­ занного угла сверх 3,5°, как правило, не приводит к возрас­ танию темпа набора кривизны. Кривой переводник включа­ ется в компоновку обычно между одной секцией турбобура

или укороченного турбобура и УБТ. Очевидно, что темп из­ менения кривизны зависит от угла перекоса кривого пере­ водника, а также от текущего зенитного угла ствола скважи­ ны. В соответствии с Инструкцией по бурению наклонных скважин с кустовых площадок на нефтяных месторождениях Западной Сибири (РД 39-2-171—79) при бурении предусмот­ рена следующая компоновка: долото диаметром 295 мм, тур­ бобур ЗТСШ-240-1, секция или Т12МЗБ-240, кривой перевод­ ник, УБТ диаметром 178 мм и длиной 12 мм. Зависимость ин­ тенсивности искривления Аа от текущего зенитного угла а можно представить в виде:

Да = к + Ьа2,

где к, b — эмпирические коэффициенты.

В табл. 1.3 приведены значения к и b для различных углов перекоса и типов забойных двигателей.

Возникновение отклоняющей силы в компоновках с экс­ центричным ниппелем достигается за счет монтажа на ниппе­ ле турбобура упругой (резиновой) накладки.

При бурении секционными турбобурами соединения валов и корпусов верхней и нижней секций турбобура направлены под углом 1 —2°, что и обеспечивает набор кривизны при бу­ рении ствола скважины; отклонители ОТ и ОТС представля­ ют собой искривленный переводник, установленный между ниппелем и корпусом турбобура. Вал при этом выполнен разрезным, радиальной опорой нижней части вала служит ниппель.

Отклоняющие приспособления, применяемые при ротор­ ном бурении, и технология бурения наклонно направленных скважин роторным способом имеют свои особенности. В

П р и м е ч а н и е . Коэффициент Ь — 0,0005.

момент для придания стволу нужного направления. Количест­ во установок отклоняющих приспособлений, которые необ­ ходимы для обеспечения заданного искривления скважины, определяет способность проходимых пород и их пропласт­ ков отклонять ствол скважины от проектного направления. Искусственное искривление ствола скважины осуществляется подбором соответствующих компоновок низа бурильной ко­ лонны при определенных режимах бурения. Отклоняющие приспособления (рис. 1.1) также специфичны и представляют собой клиновидные устройства с наклонным направлением для долота. Они имеют полукруглое или V-образное сечение с приспособлениями для крепления в открытом или обсажен­ ном стволе. По конструкции они бывают несъемными, неиз­ влекаемыми (длина 2,5—4,5м), оставляемыми в скважине и извлекаемыми после осуществления процесса бурения в уста-

2 3 4

Рис. 1.1. Отклоняющие приспособления в роторном бурении:

а — работа с отклоняющим клином: 1 — установка клина, 2 — забуривание ствола, 3 — извлечение клина, 4 — расширение ствола; б — работа с шар­

нирным отклонителем: 1 — установка отклонителя, 2, 3 — забуривание ствола, 4 — расширение ствола

новленном направлении (примерно 15 м нового ствола сква­ жины). Неизвлекаемые отклонители применяют в обсажен­ ных скважинах. Сверху они имеют раструб для направления долота и устройства для крепления в скважине.

Извлекаемые отклонители характеризуются наличием (для их подъема) в верхней части муфты диаметром, равным диа­ метру нижней части долота, а в нижней — остроконечного выступа, внедряющегося в породу на забое и препятствующе­ го вращению отклонителя.

Для стабилизации и уменьшения зенитного угла скважины как в роторном, так и турбинном (электро-) бурении приме­ няются компоновки с различным числом центраторов и их расположением.

Проектирование наклонно направленных скважин сводит­ ся к выбору типа профиля (вертикальной и горизонтальной проекций), расчету траектории положения оси скважины в пространстве, выбору компоновок для реализации расчетного профиля и режима бурения.

Профили скважины могут проектироваться в одной плос­ кости — это обычный тип профиля и с учетом пространст­ венного искривления — профиль пространственного типа. Последние используются, к сожалению, реже и их примене­ ние связывается со сложными геологическими условиями бу­ рения, влияние которых на самопроизвольное искривление велико.

Кустовое бурение

Под кустовым бурением понимается способ, при котором устья скважин группируются на общей площад­ ке, а конечные забои находятся в точках, соответствующих проектам разработки пласта, месторождения.

При кустовом бурении скважин значительно сокращаются строительно-монтажные работы в бурении, уменьшается объем строительства дорог, линий электропередачи, водопро­ водов и т.д. Наибольший эффект от кустового бурения обес­ печивается при бурении в условиях моря, в болотистых ме­ стностях и др. Впервые в б. СССР кустовое бурение было осуществлено под руководством Н.С. Тимофеева на о. Арте­ ма в Азербайджане. В настоящее время с куста бурят 8—24 скважины и более.

Основными подготовительными работами являются подго­ товка площадки к строительству наземных сооружений и прокладка коммуникаций. На заболоченной или затопляемой

территории технически возможны следующие методы их освоения: строительство дамб, огораживающих площадку; сооружение искусственных островов; при высоком уровне вод — сооружение эстакад.

Применяются различные типы и варианты кустований в зависимости от природных условий.

Кусты делят на локальные, т.е. не связанные постоянными дорогами с базой; кусты, расположенные вдоль транспорт­ ной магистрали, и кусты, находящиеся в центре транспорт­ ной магистрали. В первом случае скважины, как правило, на­ правляют во все стороны (веером), что позволяет собрать в куст максимальное число устьев скважин. При разбуривании многопластовых залежей число скважин в кусте увеличивает­ ся. В случае расположения кустов вдоль транспортной магис­ трали (Азербайджан — море, Западная Сибирь) число сква­ жин в кусте уменьшается по сравнению с числом скважин на локальном кусте.

Схем расположения устьев скважин может быть предло­ жено и использовано много в зависимости от геолого­ климатических условий, техники и рельефа.

Одна из основных особенностей проводки скважин куста­ ми —необходимость соблюдения условий непересечения ство­ лов скважин. Опыт показывает, что с точки зрения пересече­ ния соседних стволов опасны верхние вертикальные участки.

Важное значение имеет также установление минимальной разности вертикальных глубин точек забуривания стволов скважин в кусте. Считают, что максимальная допустимая ми­ нимальная разность глубин точек забуривания стволов сосед­ них скважин должна составлять 50 м, что и рекомендуется в качестве допуска, когда глубина места зарезки ствола не пре­ вышает 1000 м. По результатам фактического положения стволов должны вноситься соответствующие коррективы в проекты на бурение последующих скважин.

Кустовое бурение широко распространено в зарубежной и отечественной практике бурения в условиях Западной Си­ бири, на море и т.д.

К недостаткам кустового наклонно направленного способа бурения следует отнести: вынужденную консервацию уже пробуренных скважин до окончания некоторой скважины данного куста в целях противопожарной безопасности, что замедляет темпы разработки залежи; увеличение опасности пересечения стволов скважин; трудности в проведении капи­ тального и подземного ремонта скважин, а также в ликвида­ ции грифонов в условиях морского бурения и др.

Многозабойное бурение

Сущность многозабойного способа бурения состоит в том, что из основного ствола скважины с некото­ рой глубины проводят один или несколько стволов, т.е. ос­ новной ствол используется многократно. Полезная же про­ тяженность скважин в продуктивном пласте и, следовательно, зона дренирования (поверхность фильтрации) возрастают (рис. 1.2). Дополнительные стволы могут переходить в гори­ зонтальные.

Первые скважины были пробурены этим способом в 1947 г. на Краснокаменском и Ишимбаевском месторождени­ ях. В сочетании с турбобуром многозабойное бурение разви­ валось успешнее.

На Бориславском месторождении максимальный зенитный угол искривления составил 53° на длине 446 м. В Краснодар­ ском крае число дополнительных стволов в многозабойных скважинах доводилось до пяти-шести при длине 50—150м и расстоянии между крайними стволами до 300 м. Число боковых скважин может достигать 10, а длина их — 400 м и более.

Проведенный А.Г. Калининым технико-экономический ана­ лиз по одному из месторождений показал, что стоимость од­ ной многозабойной скважины в 2,4 раза превышает стои­ мость однозабойной скважины, но дебит в первом случае в 18 раз выше, чем во втором.

Преимущества многозабойного способа бурения сводятся к тому, что можно получить скважины с увеличенным деби­ том, повысить общую нефтеотдачу месторождения, сократить число скважин, вовлечь в промышленную разработку малоде­ битные месторождения с низкой проницаемостью пород, по­ высить поглощающую способность нагнетательных скважин.

Горизонтальное бурение

К настоящему времени в мировой практике достаточно четко вырисовывается область возможного при­ менения вскрытия продуктивных пластов горизонтальными и многозабойными скважинами.

Хотя объем проходки не превышает 1,0—1,5% общего объема бурения, наибольший эффект по увеличению текущей добычи и нефтеотдачи пластов достигается при вскрытии коллекторов с вертикальной трещиноватостью, большой фа­ циальной изменчивостью по простиранию, низкой пористос­ тью и проницаемостью, а также содержащих высоковязкие малоподвижные нефти.

Горизонтальные скважины могут быть использованы весь­ ма успешно и при вскрытии высокопроницаемых пластов.

Благодаря вскрытию пластов горизонтальными скважина­ ми достигаются:

интенсификация добычи нефти и увеличение нефтеотдачи пластов;

увеличение срока эффективной эксплуатации скважин за счет значительного уменьшения водогазоконусных образова­ ний;

минимальное загрязнение окружающей среды и сохранение экологически чистыми больших площадей на поверхности;

уменьшение числа скважин, необходимых для разработки и доразработки месторождений;

вовлечение в эксплуатацию месторождений, ранее считав­ шихся промышленно не рентабельными (забалансовыми).

Некоторые ограничения вызваны современным состояни­ ем техники и технологии бурения горизонтальных скважин, а также нерешенностью ряда вопросов планирования, финан­ сирования, стимулирования и организации труда.

Первая многозабойная скважина была проведена в 1953 г. на Карташевском рифовом месторождении Башкортостана. В дальнейшем в основном развивалось многозабойное бурение.

Первая горизонтальная скважина, проходящая на 130 м непосредственно по пласту мощностью около 30 м, была проведена в 1957 г. на Яблоновском месторождении Куйбы­ шевской области. Несмотря на то, что скважина была про­ бурена на сильно дренированный пласт, ее суточный дебит составил 40 т, что многократно превышало дебиты верти­ кальных скважин.

Во ВНИИБТ в результате работ по многозабойному и го­ ризонтальному бурению в первые же годы были разработаны специальные укороченные турбобуры Т12М2К, в которых впервые была применена проточная пята, отработана техно­ логия безошибочного попадания в дополнительные стволы, разработана система доставки геофизических приборов в горизонтальные стволы, которая используется с некоторыми модификациями по настоящее время как в России, так и за рубежом (система "Симфор").

ВНИИБТ разработаны технические средства и методы, позволяющие достаточно надежно проводить горизонтальные стволы в заданном направлении.

При использовании электробура в качестве забойного дви­ гателя имеющийся набор серийно выпускаемых технических средств позволяет проводить интенсивное искривление сква­ жины по радиусу 120 м и более и вести горизонтальное буре­ ние при постоянном контроле за пространственными пара­ метрами ствола.

Накопленный опыт показывает, что электробур является эффективным средством проводки горизонтальных скважин и его нужно применять там, где развита база электробурения.

Большая часть горизонтальных скважин в стране пробуре­ на с помощью гидравлических забойных двигателей. В этой области основным направлением работ в последние годы бы­ ло создание технических средств и отработка технологии бурения стволов горизонтальных скважин с минимальными отклонениями от расчетной траектории.

В указанном направлении ВНИИБТ созданы макетные об-

скважину при больших углах наклона ствола (рис. 1.4). По результатам промысловых работ конструкция отклонителя была доработана и был создан универсальный отклонитель ОШ-172 (рис. 1.5), который используется как при искривле­ нии ствола скважины, так и при бурении горизонтальных

5

Рис. 1.3. Комплекс технических средств "Горизонт-1":

1,2 — бурильные тру­ бы; 3 — долото; 4 — кабель геофизический; 5 — приспособление ддя передвижения гео­ физических приборов; 6 — соединение шар­ нирное; 7 —двигатель

Рис. 1.4. Приспособление для передвижения каротажных приборов:

рения до 100 м). Опыт бурения с легких судов на Каспийском

Позже вместо стационарных платформ практически на всех акваториях используются плавучие буровые установки (средства) — ПБС (“Сиваш", “Оха", “Хакури", “Шельф", “Каспморе/нефть" и т.д.). На Баренцевом море с 1981 г. нача­ лось разведочное бурение с буровых судов “Валентин Шашин“, "Виктор Муравленко" и “Михаил Мирчинк".

Вмировой практике производства буровых работ в море определились направления в области создания ПБС, при ко­ торых учитывают такие факторы, как глубина моря, состоя­ ние грунта, ледовая обстановка, цель бурения и т.д.

Внастоящее время плавучие буровые средства классифи­ цируют по способу их установки над скважиной в процессе бурения, выделяя две основные группы (классы): опирающие­ ся при бурении на морское дно и проводящие бурение в пла­ вучем состоянии.

Кпервой группе относят плавучие буровые установки са­ моподъемного и погружного типов (СПБУ), а ко второй —полу-

погружные буровые установки (ППБУ) и буровые суда (БС). СПБУ применяют преимущественно в разведочном буре­

нии на морских нефтяных и газовых месторождениях в ак­ ваториях с глубинами вод 30—120м. СПБУ самоподъемного типа имеют большой запас плавучести, буксируются совмест­ но с оборудованием, инструментом и материалами к точке бурения. При буксировке опоры подняты, а на точке буре­ ния опоры опускаются на дно и залавливаются в грунт, кор­ пус поднимается по опорам и фиксируется на расчетной вы­ соте над уровнем моря.

СПБУ погружного типа применяют в основном на мелко­ водье. В результате заполнения водой нижних корпусов уста­ новки они погружаются на дно моря. Рабочая платформа на­ ходится над поверхностью воды.

ППБУ в основном применяют для бурения поисковых и разведочных скважин в акваториях при глубинах моря от 100 до 300 м и более.

БС имеют высокую маневренность и скорость перемеще­ ния, большую автономность по сравнению с ППБУ и поэтому применяются для бурения поисковых и разведочных скважин в отдаленных районах при глубине моря 1500 м и более.

Основные состояния ПБС зависят от класса и назначения: перегона на новую точку, установки на точке бурения, буре­ ния и снятия с оконченной бурением скважины.

Перегон СПБУ бывает двух видов: короткий (переход) с точки на точку в пределах разведываемой структуры и дли­ тельный — буксировка на дальние расстояния за пределы разведанного района.

ППБУ перегоняют и буксируют с ограничением по погод­ ным условиям. По окончании транспортировки ППБУ наво­ дят на точку бурения и в соответствии со схемой развозят якоря и якорные цепи.

Основные технические характеристики некоторых ПБУ приведены в табл. 1.4.

Функции бурения в условиях моря и суши эквивалентны. Однако имеется ряд отличий, которые охватывают в основ­ ном крут вопросов, связанных с конструкцией верхней (подводной) части скважин, забуриванием из стволов, обору­ дованием устья противовыбросовыми устройствами, консер­ вацией скважины и др.

До бурения скважины обосновывают и выбирают ее кон­ струкцию. В понятие конструкции входит концентрическое расположение спущенных в скважину обсадных колонн с указанием их диаметра, глубины спуска, высоты подъема за­ качанного за ними в скважину цементного раствора, диамет­ ра долот, которыми бурят под каждую колонну.

Строго говоря, конструкция скважины — это совокуп­ ность элементов крепи горной выработки с поперечными размерами, несоразмерно малыми с ее глубиной и протяжен­ ностью, обеспечивающих при современном техническом и технологическом вооружении безаварийное, с учетом охраны недр, экономичное строительство герметичного пространст­ венно-устойчивого канала между флюидонасыщенными плас­ тами и остальной частью вскрытого геологического разреза, а также дневной поверхностью, эксплуатирующегося в задан­ ных режимах и времени в зависимости от назначения, — изучение геологического разреза, разведка и оценка газонефтеводоносности отложений, добыча продукции, поддержание пластовых давлений, наблюдение за режимом эксплуатации месторождения и др.

На рис. 1.6, а представлен профиль скважины, а на рис. 1.6, б графически изображена рабочая схема ее конструкции. Вверху над каждым рядом обсадных колонн пишется диаметр (в мм), а внизу — глубина установки (в м), интервал подъема цементного раствора обозначается штрихами, выше которых

отмечается высота его подъема; иногда приводится номер долота.

Каждая колонна, спускаемая в скважину, имеет свое на­ значение и название. Первая, самая короткая, называется на­ правлением. Она устанавливается до начала бурения и предо­ храняет устье скважины от размыва грунта циркулирующим

ский каркас 4 по поверхности обмазывается специальным клеем при обрезинивании. Конструкция протектора обеспе­ чивает его самозаклинивание на бурильной трубе. Протекто­ ры легко устанавливаются на бурильной трубе как над рото­ ром во время спускоподъемных операций, так и на мостках буровой.

Протектор диаметром 114 мм устанавливается на любом участке трубы и самозаклинивается при движении протекто­ ра вдоль бурильной колонны вверх и вниз; протектор диаме­ тром 140 мм устанавливается под замком бурильной трубы и самозаклинивается при движении протектора вдоль буриль­ ной колонны вверх.

Для цементирования нефтяных и газовых скважин исполь­ зуют цементный раствор — смесь вяжущих материалов (цементов), затворенных определенным количеством воды, часто с добавками химических реагентов. В связи с тем, что появились растворы, твердая фаза которых представлена не только портландцементом (а иногда и не включает последне­ го), более правильно называть их тампонажными растворами. Тампонажным растворам можно дать более общую формули­ ровку: это раствор, получаемый после затворения тампонаж­ ного цемента водой (или иной жидкостью), обработанной химическими добавками (или без них) для повышения каче­ ства раствора и камня или облегчения проведения технологи­ ческого процесса.

Тампонажным цементом называется продукт, состоящий из одного или нескольких вяжущих (портландцемента, шлака, извести, органических материалов и т.д.), минеральных (кварцевого песка, асбеста, глины, шлака или др.) или орга­ нических (хлопковых очесов, отходов целлюлозного произ­ водства и пр.) добавок, позволяющих после затворения водой или иной жидкостью получить раствор, а затем камень обус­ ловленного качества.

Успех цементировочных работ определяется техникой и технологией проведения процессов цементирования, качест­ вом подготовительных работ, тампонажного материала и полнотой замещения бурового раствора тампонажным.