1 Основи технології буріння нафтових і газових свердловин
1.1 Cпособи буріння свердловин
1.1.1 Поняття про свердловину
Свердловиною називається кругле вертикальне або похилоспрямоване гірське вироблення в земній корі, обсаджене трубами, з дуже великою довжиною порівнюючи з перерізом. У випадку виявлення продуктивного пласта свердловина утворює канал для підйому продукції з пласта на поверхню.
Елементи свердловини: устя – вихід на поверхню; вибій – дно; стовбур або стінка – бокова поверхня. Відстань від устя до вибою вздовж осі стовбура – довжина свердловини, а її проекція на вертикаль – глибина (рис. 1.1).
Свердловини бурять із зменшенням діаметра від інтервалу до інтервалу. Початковий діаметр, зазвичай, не перевищує 900 мм, а кінцевий практично не буває менший за 140 мм (рис. 1.2).
а б в
Рисунок 1.1 – Конструкції свердловини:
а, б – вертикальні; в – похила;
а, в – свердловини з суцільним вибоєм; б – свердловина з кільцевим вибоєм; 1 – устя; 2 – стовбур; 3 - вісь; 4 – вибій;
5 – керн
Першість у питаннях розвідувального буріння в пошуках нафти, зазвичай, приписують Американському нафтовику Едвіну Лорентайну Дрейку, який 27 серпня 1858 року на глибині 21 м буром досягнув нафти. Її почали викачувати за допомогою звичайного насоса. Тепер свердловина Дрейка в місті Тайтусвілл – музей.
Поглиблення
свердловин відбувається шляхом
руй-нування породи по всій площі вибою
(буріння суцільним вибоєм) або по його
периферійній частині (буріння кільцевим
вибоєм). У останньому випадку в центрі
сверд-ловини залишається керн (стовпчик
породи), який пері-одично піднімають на
поверхню для вивчення пройденого
розрізу.
Свердловини бурять на су-ходолі і на морі за допомогою спеціальних бурових установок.
Безперервне зростання ви-добутку нафти і газу можливе тільки за умови буріння тисяч свердловин, що забезпечує роз-відування і введення в експлу-атацію десятків нових нафтових і газових покладів. На Прикар-патті, в околицях села Шевчен-кове, що недалеко від селища Вигода, у 1984 р. була пробу-рена свердловина “Карпатський Раточин-1” на 7520 м.
В
Рисунок
1.2 – Конструкція свердловини:
1 –
eксплуатаційна
колона; 2 – технічна колона;
3 –
кондуктор; 4 – направлення;
5 –
цементне кільце; 6 – інтервал перфорації
1.1.2 Способи буріння нафтових і газових свердловин
Широке промислове застосування знайшли способи буріння, які забезпечують механічне руйнування гірської породи. Інші способи мають характер експериментальних досліджень. Буріння свердловин, пов’язані з механічною дією на гірську породу, проводиться із застосуванням двигунів (механічне буріння). Розповсюдженим способом механічного бурінням з використанням енергії двигунів є обертове буріння. З поміж інших різних способів механічного буріння інколи використовується ударно-канатне буріння.
Ударно-канатне буріння. На рис. 1.3 показана схема установки ударно-канатного буріння.
|
|
а б
Рисунок 1.3 – Схема установки ударно-канатного буріння:
а – схема установки; б – загальний вигляд установки; 1 – долото;
2 – штанга ударна; 3 – замок; 4 – канат; 5 – шків канатний;
6 – балансир; 7 – шків канатний відтяжний; 8 – шків канатний допоміжний; 9 – шатун; 10 – колесо; 11 – барабан бурової лебідки; 12 – щогла
Буровий інструмент складається з долота 1, ударної штанги 2 і канатного замка 3. Він підвішується до канату 4, який перекидається через канатний шків 5 на щоглі 12, відтяжний канатний шків 7 на балансирі 6 і допоміжний канатний шків 8. Канат намотується на барабан 11 бурової лебідки. При обертанні колеса 10 шатун 9, рухаючись зворотно-поступально, підводить і опускає балансирну раму 6. При опусканні рами відтяжний канатний шків 7 натягує канат і піднімає буровий інструмент над вибоєм. При підйомі рами канат опускається, долото падає на вибій і руйнує породу. У міру поглиблення свердловини канат подовжують (змотують з барабана 11). Циліндричність свердловини забезпечується провертанням долота під час його підйому над вибоєм. Долото провертається під час роботи самовільно, оскільки канат розкручується під навантаженням (під час підйому) і скручується при знятті навантаження (під час удару долота у породу).
У міру накопичення на вибої зруйнованої породи (шламу) виникає необхідність в його очищенні. Для цього піднімають буровий інструмент із свердловини і спускають желонку (відро з клапаном в дні). При зануренні желонки в суміш з пластової рідини і розбурених частинок породи, клапан відкривається, і желонка заповнюється цією сумішшю. Під час підйому желонки клапан закривається. Желонка опускається в свердловину стільки разів, скільки необхідно для очищення вибою від розбуреної породи. Після очищення вибою в свердловину спускають буровий інструмент, і процес буріння триває.
При ударному бурінні свердловина, зазвичай, не заповнюється рідиною. Тому, щоб уникнути обвалення породи, в свердловину спускають обсадну колону, яка складається з металевих обсадних труб, сполучених нарізним з’єднанням або зварюванням. У міру поглиблення свердловини обсадну колону просувають до вибою і періодично нарощують на одну трубу.
Із збільшенням довжини обсадної колони просування її до вибою стає все важчим і врешті-решт неможливо опустити вниз навіть за допомогою спеціального забивного пристрою. У цьому випадку опущену обсадну колону залишають у свердловині, всередину її спускають другу обсадну колону, свердловину поглиблюють долотом меншого діаметра, а колону нарощують. Якщо і друга обсадна колона вже не просувається, то спускають третю колону ще меншого діаметра і так далі, доки не буде досягнута проектна глибина. Так у свердловину може бути опущено декілька обсадних колон.
Ефективність ударно-канатного буріння прямо про-порційна масі бурового інструменту, висоті його падіння, прискоренню вільного падіння, частоті ударів долота і обернено пропорційна квадрату діаметра свердловини. Проте продуктивність ударно-канатного буріння у великій мірі залежить від правильності вибору для заданої породи типу долота. При бурінні в породах м’яких і середньої твердості найкращі результати отримують використовуючи двотаврові долота (рис. 1.4, а). Вони мають широке і відносно тонке лезо з двотавровою формою бокових поверхонь лопаті. При бурінні в твердих породах доцільно використовувати зубильні важкі долота (рис. 1.4, б). Ці долота порівнюючи з двотавровими – масивніші. Для зрізання виступів на стінці свердловини долоту надають закруглену форму. При бурінні в твердих тріщинуватих породах ефективніші хрестові долота (рис. 1.4, в).
а б в г
Рисунок 1.4 – Долота для ударного буріння:
а – двотаврове ; б – зубильне; в – хрестове; г – зовнішній вигляд інструмента на ранніх стадіях ударного буріння;
1 – лезо; 2 – лопать; 3 – шийка; 4 – головка ; 5 – конічна нарізь;
α – кут загострення лопаті
Збільшення висоти падіння інструмента призводить, з одного боку, до підвищення ефективності удару, а з іншого – до зменшення частоти ударів. Практика показала, що оптимальна довжина ходу відтяжного канатного шківа становить 350...1000 мм, а частота ударів – 40...50 хв-1. Сила удару інструмента залежить від висоти стовпа рідини, забрудненої частинками розбуреної породи, а також від густини цієї рідини.
Отже, для підвищення ефективності ударно-канатного буріння необхідно своєчасно очищати вибій свердловини від розбуреної породи. Верстати для ударно-канатного буріння мають відносно невелику масу (7...20 т), тому їх легко транспортувати, що важливо для організації бурових робіт у віддалених від населених пунктів районах.
При бурінні нафтових і газових свердловин ударний спосіб в Україні не застосовують. Проте його викорис-товують при бурінні свердловин для видобутку води, а також у вугільній і гірничорудній промисловості (буріння вентиляційних стовбурів).
Обертове буріння. На рис. 1.5 показана схема бурової установки для обертового буріння.
Обертовим бурінням руйнування породи відбувається завдяки одночасній дії на долото осьового навантаження і обертового моменту. Під впливом навантаження долото заглиблюється в породу, а під впливом обертового моменту, сколює, подрібнює і стирає її.
Існують два способи обертового буріння – роторний (в т.ч. за допомогою системи верхнього приводу) та із застосуванням вибійних двигунів (турбобура, електробура, гвинтового або турбогвинтового двигуна).
При роторному бурінні (рис. 1.6) потужність від двигунів 5 передається через лебідку до ротора 14 – обер-тового механізму, встановленого над устям свердловини – в центрі вежі 12.
Ротор обертає бурильну колону з долотом 1. Бурильна колона складається з ведучої труби 7 і згвинчених до неї за допомогою перехідника 20 бурильних труб 21.
Система верхнього приводу (СВП) – механізм нового типу, який виконує функції вертлюга і ротора (рис. 1.7).
Система складається з установки обертання, яка містить комплекс засобів механізації і пристроїв для роботи з бурильними трубами при виконанні спуско-підйомних операцій (СПО). Основні переваги застосування СВП: заощадження часу в процесі нарощування труб при бурінні; зменшення імовірності прихвату бурового інструменту; пророблення стовбура свердловини при спуску і підйомі інструмента; підвищення точності проходки свердловин при направленому бурінні; підвищення безпеки бурової бригади.
Рисунок 1.5 – Схема установки для обертового буріння:
1 – приймальний резервуар; 2 – вібросито; 3 – вхідний трубопровід бурового насоса; 4 – буровий насос; 5 – двигуни;
6 – вихідний трубопровід насоса; 7 – лебідка; 8 – стояк;
9 – буровий рукав; 10 – патрубок; 11 – талевий блок; 12 – талевий канат; 13 – кронблок; 14 – вежа; 15 – балкон; 16 – бурильні труби; 17 – площадка для труб; 18 – вертлюг; 19– ведуча труба;
20 – ротор; 21 – поміст бурової; 22 – устя свердловини;
23– превентор універсальний; 24 – превентор плашковий;
25 – бурильна колона; 26 – вибій свердловини; 27 – колонна головка; 28 – вихід промивної рідини; 29 – стіл ротора;
30 – вкладиші; 31 – муфта; 32 – долото
Рисунок 1.6 – Установка та інструмент для буріння свердловин роторним способом і вибійними двигунами:
1 – долото; 2 – обсадні труби; 3 – шахтне направлення;
4 – лебідка; 5 – двигуни лебідки і ротора; 6 – вертлюг; 7 – ведуча труба; 8 – буровий рукав; 9 – гак; 10 – талевий блок; 11 – талевий канат; 12 – вежа; 13 – стояк; 14 – ротор; 15 – жолоби;
16 – вихідний трубопровід; 17 – буровий насос; 18 – двигун насоса; 19 – приймальний резервуар; 20 – перехідник;