19

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

А.Н. Попов

ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ

И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

курс лекций

Уфа 2007

У ДК 622.24(075.8)

ББК 33.131

П58

Утверждено Редакционно-издательским советом УГНТУ

в качестве учебного пособия

Рецензенты:

Профессор кафедры бурения нефтяных и газовых скважин,

д-р техн. наук Л.А. Алексеев

Директор НПП "Буринтех", д-р техн. наук Г.Г. Ишбаев

Зав. лабораторией научного обоснования строительства и сервиса скважин,

д-р техн. наук Н.И. Крысин

Попов А.Н.

П58 Технология бурения нефтяных и газовых скважин: Курс лекций. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. – 125 с.

ISBN 978-5-7831-0782-5

В работе содержатся лекции по технологии бурения нефтяных и газовых скважин, которая является составной частью курса "Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин", читаемого для студентов специальности 130602 "Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов".

Курс лекций предназначен для студентов небуровых специальностей высших учебных заведений.

УДК 622.24(075.8)

ББК 33.131

ISBN 978-5-7831-0782-5  Уфимский государственный нефтяной

технический университет, 2007

 Попов А.Н., 2007

ВВЕДЕНИЕ

"Технология бурения нефтяных и газовых скважин" – одна из специальных дисциплин, определяющих профиль инженера по машинам и оборудованию нефтяных и газовых промыслов.

Предметом дисциплины являются технологические процессы и операции, а также инструменты для их осуществления при бурении скважин на нефть и газ.

Скважина и этапы ее сооружения. Схема бурения скважины

Основным средством разработки нефтяных и газовых месторождений является бурение скважин. Скважина в стадии бурения представляет собой цилиндрическую горную выработку, сооружаемую с помощью специальных инструментов без доступа в нее человека. Вход 1 в скважину (рис. 1,а) называют устьем, полость скважины 2 – стволом, дно скважины 3 – забоем, а цилиндрическую поверхность 4 ствола – стенкой скважины.

В

а б

Рис. 1. Схема скважины

законченном виде скважина представляет собой капитальное сооружение в земной коре (рис. 1, б), предназначенное для извлечения из недр земли жидких и газообразных полезных ископаемых или для других целей. Стенки скважины крепят обсадными трубами 4 и 5, пространство между трубами и стенкой скважины заполняют цементным раствором 6, который, затвердев, изолирует пласты горных пород друг от друга, а трубы от коррозии. Против продуктивного пласта 8 в трубах и цементном камне перфораторами выполняются отверстия 9 (фильтр) для гидравлического сообщения пласта со скважиной. Экологические и геологические условия бурения обусловливают необходимость спуска нескольких колонн обсадных труб (не менее двух, как показано на рис. 1, б). Первая обязательная колонна 4 называется кондуктор. Каждую последующую колонну подвешивают на предыдущей. На фланце 7 последней колонны 5, называемой эксплуатационной, подвешивают нефтегазопромысловое оборудование, спускаемое в скважину, и монтируют устьевое оборудование. Эксплуатационная колонна также является обязательной.

Цикл строительства скважины включает:

1. строительство подъездных путей, подвод воды и электроэнергии, подготовку основания, строительство и монтаж буровой;

2. последовательное бурение совместимых по геологическим условиям интервалов ствола, их крепление трубами и разобщение пластов цементом;

3. оборудование устья и перфорацию обсадной колонны в интервале продуктивных пластов;

4. освоение и испытание скважины на продуктивность;

5. демонтаж бурового оборудования.

Скважины классифицируют по нескольким признакам:

По назначению:

• структурно-поисковые - для изучения геологического строения района, перспективного с точки зрения полезных ископаемых;

• разведочные - для выявления продуктивных горизонтов (пластов) и определения их промышленного значения;

• эксплуатационные - для извлечения из продуктивных горизонтов полезных ископаемых (в частности нефти, газа);

• нагнетательные - для закачки в продуктивные пласты воды или газа с целью поддержания пластового давления в процессе эксплуатации;

• специальные (опорные, опорно-технологические, оценочные, контрольные и т.д.) - для детализации изучения геологического разреза месторождения, отработки технологии бурения, наблюдения и контроля за разработкой месторождения и других специальных задач.

По пространственному положению ствола скважины:

• вертикальные - ось скважины отклонена от вертикали не более чем на 1…2;

• наклонно-направленные - ось скважины искусственно искривляется для обеспечения проводки скважины по заданному профилю, при этом точка встречи скважины с продуктивным пластом (или проектным объектом, например, при тушении открытых фонтанов) находится на значительном расстоянии (сотни метров) от вертикали, проведенной через устье скважины;

• горизонтальные - скважины содержат хотя бы один участок, как правило, последний, ось которого отклонена от вертикали на угол, близкий к 90.

По размещению устья на месторождении:

• одиночные, как правило, вертикальные, реже наклонные или горизонтальные;

• кустовые, пробуренные последовательно с одного подготовленного основания.

Бурение скважины ведется с помощью буровых установок с применением специальных инструментов и промывочных жидкостей. Простейшая схема приведена на рис. 2. Скважина бурится долотом 1, которое приводится во вращение забойным двигателем 2 или ротором 6. Крутящий момент от ротора передается ведущей трубе 5 квадратного сечения, далее бурильным трубам 4, утяжеленным трубам 3 и долоту. Колонна труб через вертлюг 7 подвешивается на вышке 9 с помощью полиспаста 8 (талевой системы). Ходовой конец каната талевой системы может наматываться на барабан лебедки 10. Ротор и лебедка приводятся во вращение приводом 11. Во время бурения скважина промывается насосом 12, который подает промывочную жидкость к стояку 13, по буровому шлангу 14, через трубы к забойному двигателю и долоту. Жидкость выходит из отверстий долота на забой, очищает его от разрушенной породы (шлама) и по зазору между трубами и стенкой скважины выходит на поверхность. Затем по желобу 15 направляется в систему очистки от шлама (на схеме это емкость 16 для отстоя жидкости) и в приемную емкость 17 насоса 12.

Рис. 2. Простейшая схема вращательного

бурения скважины

Непосредственно бурение скважины ведется в следующей последовательности. Долото 1 на трубах 3, 4 спускают до забоя, включают промывку скважины, включают вращение долота (при бурении ротором) и плавно нагружают долото требуемой осевой нагрузкой. После углубления скважины на величину свободной части ведущей трубы 5 отключают вращение и промывку, инструмент приподнимают до выхода из скважины резьбового соединения, отвинчивают ведущую трубу, навинчивают следующую трубу, т.е. наращивают бурильную колонну, навинчивают рабочую трубу, опускают инструмент до забоя и продолжают бурение.

Тема 1. Осадочные горные породы и залегание

В НИХ НЕФТИ И ГАЗА

1.1. Характеристики осадочных горных пород

По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические породы образовались из магмы в результате ее застывания на глубине или лавы, излившейся на поверхность.

Осадочные породы образовались в результате химико-физического преобразования ранее существующих пород с последующим их переносом и отложением в виде пластов (слоев) и покрывают практически всю поверхность Земли. В эту группу также входят породы, образованные в результате жизнедеятельности организмов (органические осадочные породы).

Метаморфические породы образовались в результате преобразования магматических и осадочных пород под действием высоких давления и температуры.

Нефть и газ залегают преимущественно в осадочных породах, поэтому ниже рассматриваются только осадочные горные породы.

Осадочные горные породы различают по возрасту и литологии. Изучением возраста горных пород занимается наука стратиграфия. Вся история Земли делится на условные отрезки времени - эры. Эры делятся на периоды, периоды на эпохи и века. Горные породы, образовавшиеся в соответствующие отрезки времени, делят на группы, системы, отделы и ярусы. В табл. 1.1 показан возраст горных пород.

Таблица 1.1

Названия эр и периодов и их продолжительность

Эра (группа)	Период (система)	Продолжительность, млн. лет
Кайнозойская	Четвертичный (ая) Третичный (ая)	1 65
Мезозойская	Меловой (ая) Юрский(ая) Триасовый(ая)	70 45 40
Палеозойская	Пермский (ая) Каменноугольный (ая) (карбон) Девонский (ая) Силурийский (ая) Ордовикский (ая) Кембрийский (ая)	45 50 80 20 60 90
Протерозойская		1300
Архейская		-

Описанием горных пород по составу занимается наука литология. По литологии все породы делят на три подгруппы, характеристики которых приведены в табл. 1.2. Обломочные горные породы состоят из монокристаллических или поликристаллических обломков, не связанных между собой (рыхлые) и связанных между собой цементирующим веществом (сцементированные). Цемент может быть кремнистым, карбонатным, глинистым и битуминозным. Состав и прочность цемента во многом определяют свойства пород.

Таблица 1.2

Осадочные горные породы

Подгруппы	Вид связей	Примеры
Обломочные глинистые (54 %)	Связные Сцементированные	Глины Аргиллиты, глинистые сланцы
Обломочные мелкоземистые и песчаные (21 %)	Рыхлые Сцементированные	Алевриты, пески Алевролиты, песчаники
Кристаллические хемогенного и органогенного происхождения (24 %)	Кристаллизацион-ные	Карбонаты (известняки, доломиты) Сульфаты (ангидриты, гипсы) Галоиды (каменная соль, бишофит)

Кристаллические горные породы, как правило, мономинеральные.

Важнейшими характеристиками строения горных пород являются их пористость и проницаемость. Пористость обусловлена наличием пустот в горной породе и характеризуется коэффициентом пористости т:

т = V_пор /V_г.п.,

где V_пор – объем пор; V_г.п.- объем горной породы. Величина пористости изменяется от нуля до 0,45.

Проницаемость характеризует сообщаемость пор. Месторождения нефти и газа приурочены к пористым проницаемым горным породам, которые называют коллекторами.