1.2 Способи буріння нафтових і газових свердловин

Свердловиною називається циліндрична гірська виробка в земній корі, що характеризується відносно малим діаметром у порівнянні з її довжиною. Початок свердловини на поверхні Землі називається гирлом, дно свердловини вибоєм, бокові стінки свердловини утворюють її стовбур.

За єдиного цільового призначення свердловини – пошуки нафтових і газових родовищ і вилучення корисних копалин на поверхню – залежно від проміжних завдань, виділяють такі категорії.

1. О п о р н і свердловини бурять для вивчення геологічної будови і гідрогеологічних умов великих регіонів, вивчення загальних закономірностей розповсюдження комплексів відкладів, сприятливих для нафтогазонакопичення, з метою вибору найбільш перспективних напрямків геологорозвідувальних робіт на нафту і газ.

2. П а р а м е т р и ч н і свердловини бурять для вивчення глибинної геологічної будови і порівняльної оцінки перспектив нафтогазоносності можливих зон нафтогазонакопичення, виявлення найбільш перспективних районів для детальних геологічних робіт, а також для отримання необхідних відомостей про геологічно-геофізичну характеристику розрізу відкладів з метою уточнення результатів сейсмічних і інших геофізичних досліджень.

3. С т р у к т у р н і свердловини бурять для виявлення і підготовки до пошуково-розвідувального буріння перспективних структур (антиклінальні складки, зони екранування, виклинювання тощо), які можуть бути пастками для нафтонако-пичення.

4. П о ш у к о в і свердловини бурять на площах, підготовлених геологічними роботами (геологічною зйомкою, структурним бурінням, геофізичними і геохімічними дослідженнями) для відкриття нових родовищ нафти і газу.

5. Р о з в і д у в а л ь н і свердловини бурять на площах з установленою промисловою нафтогазоносністю з метою підготовки запасів нафти і газу промислових категорій і збору вихідних даних для складання проекту розробки родовища.

6. В и д о б у в н і свердловини бурять для розробки покладів нафти і газу. До цієї категорії належать оціночні (для оцінки продуктивності горизонтів по нафті і газу), видобувні, нагнітальні (для нагнітання в продуктивні пласти води або газу з метою підтримування пластового тиску і підвищення нафтовіддачі пластів) і спостережні, за допомогою яких контролюється стан тиску в різних частинах розроблюваного родовища.

7. С п е ц і а л ь н і свердловини бурять для запомповування газу в підземні сховища, скидання промислових вод, які видобуваються разом з нафтою, а також свердловини, що використовуються для ліквідації відкритих нафтогазових фонтанів.

Бурова свердловина створюється шляхом послідовного руйнування порід і винесення їх уламків на денну поверхню. Породоруйнівним інструментом при цьому є долото.

У процесі буріння глибоких свердловин гірські породи руйнуються в результаті безперервного обертання долота. Таке буріння називається обертальним. Залежно від виду механізму, який приводить в обертовий рух долото, розрізняють такі способи буріння: роторний, турбінний і електробуріння.

1. Під час роторного буріння долото приводиться в обертовий рух за допомогою механізму (ротора), встановленого на поверхні.

2. Під час турбінного буріння долото приводиться в обертання за допомогою гідравлічної турбіни, встановленої безпосередньо над долотом.

3. Під час електробуріння долото приводиться в обертання електродвигуном, встановленим над долотом.

Процес буріння свердловини складається з таких основних операцій (так званих рейсів): 1) опускання бурового інструменту у свердловину; 2) обертання долота і руйнування породи; 3) нарощування бурового інструменту з поглибленням свердловини; 4) промивання вибою глинистим розчином для видалення вибуреної породи на поверхню; 5) піднімання бурового інструменту з метою заміни зношеного долота. Операції з поглиблення свердловини періодично перериваються для опускання у свердловину обсадних труб, які оберігають стінки свердловини від обвалів і одночасно розмежовують нафтові, газові і водоносні горизонти.

Одночасно в процесі буріння свердловин виконуються допоміжні роботи: відбір керна, каротаж, вимірювання кривини стовбура свердловини, випробування окремих горизонтів на приплив, освоєння свердловин тощо.

У випадку аварії або ускладнення (пошкодження бурильних труб, прихоплення інструменту і т. п.) виникає потреба в допоміжних (аварійних) роботах.

Схему бурового устатковання для здійснення обертального методу буріння показано на рис. 1.5. Із схеми видно, що колона бурильних труб 3, яка закінчується долотом 12, підвішена на поліспасті талевої системи. Нерухомий блок поліспаста (кронблок 1) встановлюють на самому верху бурової вежі 2. Рухомий всередині блок поліспаста (талевий блок 4) з’єднаний з кронблоком за допомогою талевого каната 3. Один кінець талевого каната (“мертвий”) кріплять до основи вежі, а другий (ходовий) – до піднімального барабана бурової лебідки 8. Використання талевої системи дає змогу зменшити навантаження на талевий канат.

До талевого блока приєднано гак 5, на якому підвішено вертлюг 6, який дає змогу обертати колону бурильних труб 12, приєднану до нього, без передачі крутного моменту на талеву систему. Верхня труба 7 у складі бурильної колони, яку називають ведучою, має квадратний або шестигранний перехід. Вона проходить через отвір ротора 10. Верхній кінець ведучої труби з’єднано з вертлюгом, а нижній – з трубою бурильної колони.

Ротор 10 встановлюють у центрі нижньої основи вежі. Він призначений для передачі обертового руху колоні труб, а за їх допомогою долоту, крім того, він є опорною поверхнею під час опускання і піднімання колон труб зі свердловини.

Для приводу ротора, бурової лебідки 8 та інших механізмів застосовують силове устатковання, яке складається з двигунів 9 (електромоторів, дизелів), редуктора, коробки передач, трансмісій, ланцюгових і клинопасових передач.

Для забезпечення циркуляції бурового розчину встановлюють насоси, а також циркуляційну систему, яка включає жолоби 14 і очисні пристрої 15 (наприклад, вібросито). Буровий розчин тече від гирла свердловини до приймальної ємності 16 самопливом жолобами, що мають відповідний нахил.

Рисунок 1.5 – Принципова схема бурового устатковання

Процес буріння здійснюють таким чином. Бурові насоси подають буровий розчин з приймальних ємностей у трубопровід високого тиску 18. Потім розчин через стояк 19, буровий шланг 20 і вертлюг 6 попадає у внутрішній отвір робочої труби 7 і далі колоною бурильних труб 12 до долота 13. Витікаючи з отворів долота, буровий розчин підхоплює уламки зруйнованої породи і піднімає їх на поверхню по кільцевому простору між стінками свердловини і колоною бурильних труб. Буровий розчин, який надійшов на поверхню, за допомогою вібросита очищається від вибуреної породи і знову подається на вхід у буровий насос. Кругообіг бурового розчину за описаною схемою називають круговою циркуляцією.

Для забезпечення успішної роботи долота на вибої свердловини на нього має створюватись навантаження, що досягається передачею частини маси бурильних труб на долото. Навантаження на долото контролюється індикатором маси, встановленим на "мертвому" кінці талевого каната. У міру вибурювання породи навантаження на долото знижується і тоді бурильник проводить плавне опускання колони бурильних труб, забезпечуючи приблизно постійне навантаження на долото. У міру зношування долота швидкість проходження зменшується і, накінець, майже зупиняється, після чого піднімають бурильні труби для заміни долота.

Таким чином, процес буріння свердловини складається із таких операцій, які повторюються: опускання у свердловину нового долота на колоні бурильних труб; руйнування долотом гірських порід – механічне буріння; нарощування колони бурильних труб з поглибленням свердловини в процесі роботи долота на вибої; піднімання колони бурильних труб зі свердловини для заміни зношеного долота.

Найбільш трудомісткі операції в процесі буріння – спуско-піднімальні роботи. Для зменшення витрат ручної праці ці роботи забезпечуються засобами малої механізації для згвинчування і розгвинчування труб (пневматичні ключі) і пристроями (механізмами) для відведення і встановлення труб на спеціальний поміст.

Після досягнення певних глибин, згідно з проектом на будівництво свердловини, стовбур свердловини закріплюють сталевими трубами – обсадною колоною, яка кріпиться у стовбурі нагнітанням у простір між стовбуром свердловини і колоною цементного розчину. Після затвердіння цементу колона стає звя’заною з оточуючими її породами.

Описані операції процесу буріння є загальними для всіх способів обертального буріння.

Розглядаючи процес будівництва свердловин у повному обсязі виконаних робіт, відзначимо, що він має три етапи: I – будівництво наземних споруд і монтаж бурового обладнання; II – буріння і кріплення свердловини; III – випробування об’єктів на приплив з них нафти або газу. Слід зазначити, що II і III етапи будівництва свердловин – найбільш трудомісткі і дорогі. За звітними даними нафтової промисловості України вони можуть становити 80…90% витрат часу і засобів.