РазделIi

Бурение нефтяных и газовых скважин

Г л а в аIспособы бурения скважин

§ 1. Понятие о скважине

Скважина — горная выработка (вертикальная или наклонная) круглого сечения глубиной от нескольких метров до нескольких километров и диаметром свыше 75 мм, сооружаемая в толще горных пород (рис. 17).

Элементы скважины: устье — выход на поверхность; забой — дно; ствол или стенка — боковая поверхность. Расстояние от устья до забоя по оси ствола — длина скважины, а по проекции оси на вертикаль — ее глубина.

Скважины бурят, как правило, с уменьшением диаметра от интервала к интервалу. Начальный диаметр обычно не превышает 900 мм, а конечный редко бывает меньше 75 мм.

Углубление скважин осуществляется путем разрушения породы по всей площади забоя (сплошное бурение) или по его периферийной части (колонковое бурение). В последнем случае в центре скважины остается керн (цилиндрический столбик породы), который периодически поднимают на поверхность для изучения пройденного разреза пород.

Рис. 17. Скважины:

а, б — вертикальнее; в — наклонная; а, в — сплошное бурение; б — колонковое бурение; / — устье; 2 — стенка (ствол); 3 — ось; 4 — забой; 5 — керн

Скважины бурят на суше и на море при помощи специальных буровых установок.

Непрерывный рост добычи нефти и газа возможен лишь при условии бурения тысяч скважин, обеспечивающих разведку и ввод в эксплуатацию десятков новых нефтяных и газовых месторождений.

Однако бурение скважин применяется не только в нефтяной и газовой промышленности. Развитие других отраслей промышленности и сельскохозяйственного производства немыслимо в настоящее время без буровых работ.

Угольная и горнорудная промышленность. В этих отраслях промышленности бурение скважин преследует следующие цели;

1) поиск и разведка твердых полезных ископаемых;

2) вентиляция горных выработок;

3) откачка воды из горных выработок;

4) спуск в горные выработки крепежного материала;

5) замораживание грунта при проходке шахт;

6) подземная газификация углей;

7) тушение подземных пожаров;

8) взрывные работы при карьерной и подземной разработке полезных ископаемых и т. д.

Химическая промышленность. В коллекторах земной коры иногда содержатся в растворенном состоянии значительные количества солей, брома, иода и других химических веществ. В целях добычи растворов, содержащих эти вещества, приходится бурить скважины.

Медицина. Всем известны целебные свойства различных минеральных вод. В целях удовлетворения потребностей страны в лечебных водах ежегодно бурится большое число разведочных и эксплуатационных скважин.

Промышленное и гражданское строительство. Без буровых работ немыслимо изыскание трасс шоссейных и железных дорог, исследование грунтов на месте предполагаемого возведения плотин, мостов, заводов, домов. Кроме того, скважины бурят в целях промышленного водоснабжения различных объектов.

§ 2. Способы бурения нефтяных и газовых скважин

Способы бурения скважин классифицируются по характеру воздействия на горные породы: механическое, термическое, физико-химическое, электрическое и т. д. Однако промышленное применение находят только способы бурения, обеспечивающие механическое разрушение горной породы. Другие же способы бурения пока еще не вышли из стадии экспериментальной разработки.

Способы бурения скважин, связанные с механическим воздействием на горную породу, осуществляются либо с использованием мускульной силы человека (ручное бурение), либо с применением двигателей (механическое бурение).

Ручное бурение применяют в основном при инженерно-геологических исследованиях и при решении проблем водоснабжения, когда бурят скважины небольшого диаметра (100— 200 мм) на незначительную глубину (до 20—30 м).

[Наиболее распространены два вида механического бурения с использованием энергии двигателей — ударное и вращательное.

Ударное бурение

Из всех разновидностей ударного бурения применяется только ударно-канатное (рис. 18.)

Рис. 18. Схема ударно - канат­ного бурения

Буровой инструмент состоит из долота /, ударной штанги 2 и канатного замка 3. Он подвешивается на канате 4, который перекидывается через блок 5 мачты 12, оттяжной ролик 7 балансира 6, вспомогательный ролик 8. Канат навивается на барабан 11 бурового станка. При вращении шестерен 10 шатун 9, совершая возвратно-поступательное движение, приподнимает и опускает балансирную раму 6. При опускании рамы оттяжной ролик 7 натягивает канат и поднимает буровой инструмент над забоем. При подъеме рамы канат опускается, долото падает на забой и разрушает породу.

По мере углубления скважины канат удлиняют (свинчивают с барабана 11). Цилиндричность скважины обеспечивается поворотом долота во время его подъема над забоем. Долото поворачивается во время работы само по себе, так как канат раскручивается под нагрузкой (во время подъема) и скручивается при снятии нагрузки (во время удара долота о породу).

По мере накопления на забое разрушенной породы (шлама) возникает необходимость в его очистке. Для этого поднимают буровой инструмент из скважины и спускают в нее желонку (ведро с клапаном в дне). При погружении желонки в смесь из пластовой жидкости (или доливаемой в скважину) и разбуренных частиц породы клапан открывается и желонка заполняется этой смесью. Во время подъема желонки клапан закрывается. Желонка опускается в скважину столько раз, сколько необходимо для очистки забоя от выбуренной породы. После очистки забоя в скважину спускают буровой инструмент и процесс бурения продолжается.

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

С увеличением длины обсадной колонны продвижение ее к забою затрудняется. Наступает такой момент, когда обсадную колонну невозможно опустить вниз даже с помощью специального забивного устройства. В этом случае спущенную обсадную колонну оставляют в скважине, внутрь ее спускают вторую обсадную колонну, скважину углубляют долотом меньшего диаметра, а колонну наращивают. Вновь наступает момент, когда и вторая обсадная колонна не опускается, что вынуждает спускать третью колонну еще меньшего диаметра и т. д. до тех пор, пока не будет достигнута проектная глубина. Таким образом в скважину может быть спущено несколько обсадных колонн.

Эффективность ударно-канатного бурения прямо пропорциональна массе бурового инструмента, высоте его падения, ускорению свободного его падения, числу ударов долота о забой и обратно пропорциональна квадрату диаметра скважины. Однако при всех прочих равных условиях производительность ударно-канатного бурения в значительной степени зависит от правильности выбора для данной породы типа долота.

При бурении в породах мягких и средней твердости наилучшие результаты получают, если используют двутавровые долота (рис. 19, а). Они имеют широкое и сравнительно тонкое лезвие с двутавровой формой боковых поверхностей лопасти ' долота.

При бурении в твердых породах целесообразно использовать зубильные тяжелые долота (рис. 19,6). Эти долота по сравнению с двутавровыми более массивны. Для срезания выступов на стенке скважины долоту придают округленную форму.

При бурении в твердых трещиноватых породах больший эффект дают крестовые долота (рис. 19, в).

Увеличение высоты падения инструмента приводит, с одной стороны, к повышению эффективности удара, а с другой стороны,— к уменьшению числа ударов в единицу времени. Практика показала, что оптимальная длина хода оттяжного ролика составляет 350—1000 мм, а число ударов в минуту 40__50

Ускорение свободного падения инструмента в скважине зависит от высоты столба жидкости, обогащенной частицами выбуренной породы, а также от плотности этой жидкости. Следовательно, для увеличения эффективности ударно-канатного бурения необходимо своевременно очищать забой скважины от выбуренной породы.

Станки, используемые при ударно-канатном бурении, имеют сравнительно небольшую массу (7— 20 т), поэтому их легко транспортировать, что важно для организации буровых работ в отдаленных от населенных пунктов районах.

При бурении нефтяных и газовых скважин ударный способ в СССР не применяют. Однако его используют при проходке скважин для добычи воды, а также в угольной и горнорудной промышленности (вентиляционные стволы и т. д.).

Вращательное бурение

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

Существуют два способа бурения — роторный и с применением забойных двигателей (турбобура или электробура).

При роторном бурении (рис. 20) мощность от двигателей 11 передается через лебедку к ротору 4 — вращательному механизму, установленному над устьем скважины в центре вышки 19. Ротор вращает бурильную колонну с долотом 1. Бурильная колонна состоит из ведущей трубы 5 и привинченных к ней с помощью переводника 3 бурильных труб 2.

При бурении с забойным двигателем долото 1 привинчено к валу, а бурильная колонна к корпусу двигателя 18. При работе двигателя вращаются его вал и долото, а бурильная колонна, как правило, ротором во вращение не приводится.

Рис. 19. Долота для ударного бурения: 1 — лопасть; 2 — шейка; 3 — резьбовая головка; 4 — лезвие; 5 — резьба; а — угол заострения лопасти

Следовательно, при роторном бурении углубление долота в породу происходит при перемещающейся вдоль оси скважины вращающейся бурильной колонны, а при бурении с забойным двигателем — невращающейся бурильной колонны.

Рис 20. Установка для бурения скважин роторным и турбинным способами и при помощи электробура: / — долото; 2 — бурильные трубы; 3 — переводник; 4 — ротор; 5 —ведущая труба; 6 — вертлюг; 7 — крюк; 8 — талевый блок; 9 — талевый канат; 10 — лебедка; 11 — двигатели лебедки и ротора; 12 — буровой насос; 13 — двигатель насоса; 14 — приемная емкость; 15 — желоба; 16 — нагнетательный трубопровод; 17 — буровой шланг; 18 — забойный двигатель (при роторном бурении не применяется); 19 — вышка; 20 — обсадные трубы; 21 — цементная оболочка вокруг обсадных труб; 22 — шахтовое направление

Характерная особенность вращательного бурения — промывка скважины водой или специально приготовленной жидкостью в течение всего времени работы долота на забое. Для этого с помощью двух (реже одного или трех) буровых насосов 12, приводящихся в работу от двигателей 13, нагнетается промывочная жидкость по трубопроводу 16 в стояк-трубу, установленный в правом углу вышки 19, далее в гибкий буровой шланг 17, вертлюг 6 и бурильную колонну. Дойдя до долота, промывочная жидкость проходит через отверстия, имеющиеся в нём, и по кольцевому пространству между стенкой скважины и бурильной колонной поднимается на поверхность. Здесь в желобах 15 и в очистительных механизмах (на рисунке не показаны) промывочная жидкость очищается от выбуренной породы, затем поступает в приемные емкости 14 буровых насосов и вновь закачивается в скважину.

По мере углубления скважины бурильная колонна, подвешенная к полиспастной системе, состоящей из кронблока (на рисунке не показан), талевого блока 8, крюка 7 и талевого каната 9, подается в скважину. Когда ведущая труба 5 войдет в ротор 4 на всю длину, включают лебедку, поднимают бурильную колонну на длину ведущей трубы и подвешивают бурильную колонну с помощью элеватора или клиньев на столе ротора. Затем отвинчивают ведущую трубу 5 вместе с вертлюгом 6 и спускают ее в обсадную трубу, установленную заранее в слегка наклонную скважину (шурф) длиной, равной длине ведущей трубы. Скважина эта бурится заранее в правом углу вышки, примерно посредине расстояния от центра до ее ноги. После этого бурильную колонну удлиняют (наращивают) путем привинчивания к ней так называемой двухтрубки (двух свинченных труб или одной трубы длиной около 12 м), снимают ее с элеватора или клиньев, спускают в скважину на длину двухтрубки, подвешивают с помощью элеватора или клиньев на стол ротора, поднимают из шурфа ведущую трубу с вертлюгом, привинчивают ее к бурильной колонне, освобождают бурильную колонну от клиньев или элеватора, 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 навивается на барабан или свивается с него, что и обеспечивает подъем или спуск талевого блока и крюка. К последнему с помощью штропов и элеватора подвешивают поднимаемую и спускаемую бурильную колонну.

При подъеме бурильную колонну развинчивают на секции, длина которых определяется высотой вышки (около 25 м при высоте вышки 41 м). Отвинченные секции, называемые свечами, устанавливают в фонаре вышки на подсвечнике.

Спускают бурильную колонну в скважину в обратном порядке.

Следовательно, процесс работы долота на забое скважины прерывается наращиванием бурильной колонны и спуско-подъемными работами для замены изношенного долота.

Широко применяют два вида забойных двигателей — ту р -бобур и электробур.А

При бурении с турбобуром вращение вала турбобура происходит за счет преобразования гидравлической энергии потока промывочной жидкости по бурильной колонне, поступающей в турбобур, в механическую энергию на валу турбобура, с которым жестко соединено долото.

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

Как правило, верхние участки разреза скважины представлены современными отложениями, легко размывающимися в процессе бурения циркулирующим потоком жидкости. Поэтому бурить скважину начинают только после того, как предпримут соответствующие меры против размывания породы под основанием буровой. [Для этого до бурения скважины сооружают шурф до устойчивых пород (4—8 м) и в него спускают трубу с вырезанным окном в ее верхней части. Пространство между трубой и стенкой шурфа заполняют бутовым камнем и цементным раствором. В результате устье скважины надежно укрепляется. К окну в трубе приваривают короткий металлический желоб, по которому в процессе бурения скважины промывочная жидкость направляется в желобную систему и к очистительным механизмам. (Трубу, установленную в шурфе, называют направление м.\

После установки направления и проведения ряда других работ (контрольный осмотр оборудования, монтаж и наладка приборов, оснастка полиспастной системы, бурение шурфа под ведущую трубу) составляют акт о готовности смонтированной буровой и приступают к бурению скважины.

Пробурив неустойчивые, мягкие, трещиноватые и кавернозные породы, осложняющие процесс бурения (обычно 50—400 м), .. перекрывают и изолируют эти горизонты, для чего в скважину спускают обсадную колонну, состоящую из свинченных стальных труб, а ее затрубное пространство цементируют. Первая обсадная колонна получила название кондуктор.

После спуска кондуктора не всегда удается пробурить скважину до проектной глубины из-за прохождения новых осложняющих горизонтов или из-за необходимости перекрытия продуктивных пластов, не подлежащих эксплуатации данной скважиной. В таких случаях возникает потребность в спуске и последующем цементировании второй обсадной колонны, называемой промежуточной.

При дальнейшем углублении скважины вновь могут встретиться горизонты, подлежащие изоляции. Тогда спускают и цементируют третью обсадную колонну, называемую второй промежуточной колонной. В этом случае ранее спущенная обсадная колонна будет называться первой промежуточной колонной. В осложненных условиях бурения таких промежуточных колонн может быть три и даже четыре.

Пробурив скважину до проектной глубины, спускают и цементируют эксплуатационную колонну, предназначенную для подъема нефти или газа от забоя к устью скважины или для нагнетания воды (газа) в продуктивный пласт в целях поддержания давления в нем.

После спуска и цементирования эксплуатационной колонны проверяют качество цементного кольца, образовавшегося в за-трубном пространстве, и все обсадные колонны на устье скважины обвязывают друг с другом, применяя специальное оборудование.

Расположение обсадных колонн с указанием их диаметров, глубины перехода с большего диаметра скважины на меньший, глубины спуска обсадных колонн и интервалов их цементирования составляет понятие о конструкции скважины.

Если в скважину, кроме направления и кондуктора, спускают только эксплуатационную колонну, конструкцию называют одноколонной. Если в скважину, кроме направления и кондуктора, спускают промежуточные и эксплуатационные колонны, то конструкцию называют двухколонной (при одной промежуточной колонне) или трехколонной (при двух промежуточных колоннах).

На рис. 21 показана двухколонная конструкция скважины. Конструкцию скважины выбирают с учетом геологических особенностей месторождения (глубины залегания зон обвалов, поглощений, водопроявлений, глубины расположения продуктивных горизонтов), вида добываемого продукта (нефть или газ), способов эксплуатации и бурения, техники и технологии бурения.

После спуска последней эксплуатационной колонны приступают к работам, выполнение которых обеспечит вызов притока нефти из пласта в эксплуатационную колонну и сдачу скважины в эксплуатацию.

В результате развития техники и технологии бурения конструкции нефтяных и газовых скважин за последние десятилетия претерпели значительные изменения в сторону упрощения и облегчения.

Под упрощением конструкции скважины следует понимать уменьшение зазоров между стенкой скважины и обсадными колоннами, что приводит к уменьшению объема выбуриваемой породы и сокращению расхода цемента для цементирования скважины.

Под облегчением конструкции скважины следует понимать уменьшение диаметра эксплуатационной колонны, а следовательно, и диаметров других колонн; отказ от применения вспомогательных колонн (кондуктора, промежуточной колонны); уменьшение глубин спуска колонн. В итоге при облегчении конструкции скважины сокращается расход металла на скважину.

В деле упрощения и облегчения конструкции скважины положительную роль сыграло внедрение вращательного способа бурения. Если при ударном способе бурения в скважину спускали большое число концентрически располагающихся обсадных колонн (иногда до 10—12), то вращательный способ бурения позволил ограничиться спуском только двух-четырех обсадных колонн. Объясняется это тем, что при ударном способе бурения, характеризующемся отсутствием выноса выбуренной породы промывочной жидкостью, обсадные колонны спускали в целях сохранения ствола скважины через каждые 50—150 м проходки.

Рис. 21. Двухколонная конструкция скважины: D\, D2, D3 — диаметры долот, применяемых соответственно при бурении под кондуктор, промежуточную и эксплуатационную колонны; d\, d2, d3, dt —- диаметр направления кондуктора, промежуточной и эксплуатационной колонны; hi, кг, Лз, ^ — интервалы цементирования затрубного пространства за направлением, кондуктором, промежуточной и эксплуатационной колоннами; £ь I2, is. Lt — глубина спуска направления, кондуктора, промежуточной и эксплуатационной колонн

Вынос выбуренной породы на поверхность циркулирующим потоком промывочной жидкости и создание давления столба жидкости на стенку скважины при вращательном бурении создали условия для увеличения интервала бурения без закрепления ствола скважины обсадной колонной.

После спуска скважины в эксплуатацию буровое и энергетическое оборудование демонтируют и перевозят на вновь строящуюся буровую.

Всем процессом бурения скважины руководит квалифицированный специалист — буровой мастер. На буровой круглосуточно работает буровая бригада, состоящая из сменяющих друг друга трех основных вахт и одной дополнительной вахты, подменяющей основные в выходные дни. Каждая вахта состоит из 4 человек.