книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

метизация устья скваж ины и вы кидной линии, поскольку при бурении большая часть ш лама поступает с забоя в виде пыли.

В связи с необходимостью сниж ения давления столба промывочной жидкости при бурении зон поглощ ения прим еняю тся аэрированны е растворы. А эрирование производится в процессе бурения нагнетанием воздуха в циркулирую щ ий буровой раствор. Для этого компрессор под­ ключается к нагнетательной линии насоса. Рабочее давление компрес­ сора определяется необходимой степенью аэрации бурового раствора. Иногда для вскры тия неф тегазоносны х пластов использую тся пены в качестве промывочной жидкости. Ч ащ е всего — это двухф азны е пены, представляющие собой аэрированны й водный раствор ПАВ.

6.7.О БО РУ Д О В А Н И Е ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ БУ РО ВЫ Х РА СТВ О РО В

Для приготовления буровы х растворов используется следу ­ ющее оборудование: блок приготовления раствора (БПР), гидроэж ек­ торные смесители, гидравлические диспергаторы, насосы, глиномеш ал­ ки, фрезерно-струйные мельницы .

БПР представляет собой единый транспортабельны й блок, на раме которого смонтированы цилиндрические емкости для порошкообразного материала. Емкости оборудованы ш иберными пневматическими разгру ­ зочными устройствами и гидроэж екторны м смесителем, которые ис­ пользуются для приготовления промывочного раствора или для его у тя ­ желения. БП Р используется такж е для приготовления цементных (там ­ понажных) растворов. При этом емкости загруж аю тся цементом.

При использовании комовой глины раствор готовится с помощью двухвальной механической м еш алки — глиномеш алки емкостью 4 м3. В глиномешалку зали вается вода, затем она запускается, после чего загружается глина. На полное диспергирование комовой глины обычно требуется около 50 мин непреры вной работы м еш алки при скорости вращения валов 70 об/мин.

Более эф ф ективны м и являю тся ф резерн о -струй н ы е м ельницы с лопастным ротором, скорость вращ ения которого 500 об/мин. М ельни­ цы используются для приготовления и у тяж елен и я растворов, а такж е для добавки в них глины.

Очистка бурового р а с т в о р а от обломков выбуренной породы (ш ла­ ма) позволяет использовать его много раз. Д ля очистки раствора исполь­ зуется комплекс механических устройств: вибрационные сита, гидро­

циклонные ш ламоотделители, сепараторы и центрифуги. В составе цир­ куляционной системы эти устройства устанавливаю тся в строгой пос­ ледовательности. Схема очистки долж на соответствовать следующей технологической цепочке: скваж ина — газовы й сепаратор — блок гру­ бой очистки (вибросито) — дегазатор — блок тонкой очистки — блок регулирования содерж ания и состава твердой ф азы (центрифуга, гид­ роциклон) — буровой насос — скважина.

Выбор оборудования и технологии очистки раствора от шлама обус­ ловлен условиями бурения. При отсутствии в буровом растворе газа ис­ ключают ступени дегазации, при использовании неутяжеленного раство­ ра не применяю т сепараторы и центрифуги, при очистке утяжеленного раствора не пользую тся гидроциклонными ш ламоотделителями.

Главными ф акторам и при очистке с помощью вибрационных сит являю тся р азм ер яч еек сетки и просеиваю щ ая поверхность. Использу­ ется набор сеток с минимальным разм ером ячейки 0,16 х 0,16 мм и час­ тотой колебаний до 1000 в минуту. Т акая сетка с рабочей поверхностью 2,7 м2 способна пропустить до 10 л /с бурового раствора.

В гидроциклонный ш лам оотделитель раствор подается насосом под давлением до 0,5 МПа по тангенциально установленному патрубку. Под влиянием центробеж ны х сил более тяж ел ы е частицы отбрасываются к периф ерии, по конусу гидроциклона спускаю тся вниз и сливаются в ш лам онакопитель. О чищ енный раствор ч ерез верхний центральный патрубок сливается в приемны й резервуар.

Д ля отделения песка м ож ет использоваться б атарея из четырех па­ раллельно работаю щ их гидроциклонов диаметром 150 мм и более. Для удаления ила из раствора в батарею м ож ет вклю чаться до 16 гидроцик­ лонов диаметром 100 мм.

Газирование промывочной ж идкости сниж ает ее плотность, созда­ ет опасность взры ва или отравления пластовы ми газами, препятствует удалению ш лама из раствора. Свободный газ удаляется из раствора в поверхностной циркуляционной системе, на виброситах и в емкостях. Растворенны й газ уд аляется с помощью газового сепаратора, работаю­ щего при избыточном давлении до 1,6 М Па, и двухкамерного вакуумно­ го дегазатора.

В п рактике проведения буровы х работ распространена такая фор­ ма организации, при которой все работы по приготовлению , очистке и контролю за качеством раствора осущ ествляю тся буровой бригадой. В последнее врем я все больш ее распространение получает сервисная ф орм а организации растворного хозяйства. Сервисное обслуживание буровой бригады всеми видами услуг, связанны м и с приготовлением,

очисткой и контролем за качеством раствора в процессе бурения, я в л я ­ ется более прогрессивной формой организации глинистого хозяйства.

Сервисным обслуж иванием заним ается специализированное пред ­ приятие. В составе этого п редприятия долж ны быть цех по компоновке химических реагентов и концентратов растворов, по обеспечению х р а ­ нения, регенерации и утилизации отработанного раствора, складские помещения для хранения м атериалов и химических реагентов, набор технологического транспорта и спецтехники, служ бу по ремонту и про­ филактическому обслуж иванию оборудования, лабораторию по конт­ ролю за параметрами раствора в процессе проводки скважин.

6.8.ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПРИ ПРОМ Ы ВКЕ СК ВА Ж И Н

Важной частью системы циркуляции является захват буро­ вым раствором обломков горной породы (бурового щлама), образую щ их­ ся на забое скваж ины , и вынос их на дневную поверхность (рис. 6.1). Буровой шлам не долж ен забивать нижнюю часть ствола скважины . Расчетный диаметр частиц породы, вы буриваемы х ш арош ечным доло­ том, определяется из вы раж ен и я (5.1).

Для полной очистки забоя от ш лама скорость вос­ ходящего потока бурового раствора VBдолж на пре­ вышать скорость падения и тверды х частиц в покоя­ щемся буровом растворе на некоторую величину го, которую называю т ск о р о стью выноса частиц р а з ­ рушенной горной породы:

Диаметр самой крупной частицы горной породы, остающейся в покоящ емся растворе во взвеш енном состоянии, определяется из зависим ости (6.2) с уче­ том коэффициента формы А\ который изм еняется в диапазоне от 1,5 до 2,5:

Рис. 6Л. Вынос бурового шлама из скважины при цирку­ ляции бурового раствора

где рп и р~р — плотность частицы горной породы и бурового раствора, соответственно; гп — статическое н апряж ение сдвига раствора.

Ч астицы крупнее значения d Qне удерж иваю тся в покоящ емся ра­ створе и вы падаю т в осадок с некоторой скоростью и. П ри этом обтека­ ние раствором падаю щ ей частицы диаметром d > d () м ож ет происхо­ дить в ламинарном и турбулентном реж им ах.

При больш их значениях этого отнош ения реж им обтекания падаю­

щей твердой частицы можно считать турбулентны м .

Ск о р о сть падения частицы породы в ламинарном реж им е опреде­ ляется по ф орм уле

где р — динамическая вязкость бурового раствора. Ф ункция /(а) имеет следую щ ие значения: при отношении а = 1,5 Да) = 0,02; при а = 2,0—0.04; при а = 2,5— 0,08; при а = 3,0— 0,12. П ри пром еж уточны х значениях от­ нош ения а значение ф ункции Д а) находится интерполяцией.

Скорость падения твердой частицы в турбулентном реж име опре­

Количество образую щ егося на забое ш лама определяется механи­ ческой скоростью проходки VM.Н еобходимая скорость подъема частиц ш лама из-под долота определяется из вы раж ения

D2V

IV ^ V м -v„ (6.9)

D i- d .тр

где De — диам етр скваж ины ; d Tp — наруж ны й диам етр бурильных труб: VT4 — объем ная доля тверды х частиц в циркулирую щ ем растворе. До­ пускаем ая объем ная доля (концентрация) ш лама в растворе VT4, при превы ш ении которой возни кает опасность образования сальников и прихватов, приним ается равной 0,05. В практике бурения достаточно, чтобы скорость выноса ю частиц превосходила скорость их падения и в растворе на величину, равную (0,1— 0,3)и.

О пределив скорость восходящ его потока V , необходимую для транс­ портирования ш лама к устью скваж ины , можно определить требуемый

расход бурового раствора, обеспечиваю щ ий вынос частиц разбури вае­ мой породы

где 5 к[1 — площ адь кольцевого пространства м еж ду стенками скваж и ­ ны и бурильных труб.

6.9.П РЕД У П РЕЖ Д ЕН И Е И Б О Р Ь Б А С ПОГЛОЩ ЕНИЯМ И БУРО ВО ГО РАСТВОРА

Поглощ ение буровы х растворов является одним из самы х распространенных видов ослож нений при бурении скважин. Р азл и ч а ­ ют поглощения малой интенсивности (до 15 м:’/ч), средней (до 60 м3/ч ) и высокой интенсивности. П ричиной возникновения поглощений могут быть как геологические ф акторы (трещ ины, каверны), так и технологи­ ческие факторы (гидравлический разры в пород).

Среди сущ ествую щ их методов предупреж дения и ликвидации по­ глощений использую тся следую щ ие: сниж ение гидростатического и гидродинамического давления на стенки скваж ины , изоляция поглощ а­ ющего пласта специальны м и там понаж ны м и растворами. И звестно большое число рецептур там понаж ны х и быстросхватываю щ ихся см е­ сей. Наиболее простой состав смеси следую щ ий: цементный раствор плотностью 1400 к г /м 3 и бентонитовый раствор плотностью 1200 к г /м 3

всоотношении 1: 2.

Вслучаях катастроф ических поглощений используется бурение без

выхода бурового раствора с последую щ им спуском буровой колонны. Вэтом случае разбуриваем ы й ш лам поднимается с забоя и уходит в ка ­ налы поглощения вместе с промывочной жидкостью . Для борьбы с по­ глощениями ш ироко применяю т пакеры , которые герметизирую т или разобщают за трубное пространство при задавливании тампонирую щ их смесей в поглощающий интервал. Тампонаж ную смесь подают в сква­ жину через спущ енную в нее бурильную колонну или через отвод пре­ вентора.

Одним из наиболее эф ф екти вн ы х способов ликвидации поглощ е­ ний является прим енение н ап о л н и тел ей , которы е или добавляю т в циркулирующий буровой раствор, или проводят разовую закачку в зону поглощения порции специальной ж идкости с наполнителем . П ри ­ меняют наполнители волокнисты е (обрезки нитей и др.) и зернисты е (керамзит и др.).

Ф изико -х им ическая кольм атация наряду с предупреж дением по­ глощ ений при бурении сниж ает вероятность прихвата колонны из-за перепада давления и обеспечивает нормальны е условия цементирова­ ния обсадной колонны*

Конец труб для закачивания тампонажных смесей устанавливается выш е кровли поглощающего пласта с целью предотвращ ения прихвата. Если ни один из способов ликвидации поглощения не дает результата, то для обеспечения нормального процесса бурения скваж ину закрепляют обсадными трубами с цементированием затрубного пространства.

6.10. КРИТЕРИИ НА ЗНА ЧЕН ИЯ ПЛОТНОСТИ БУРО ВО ГО РА СТВ О РА

При бурении скваж ин возникаю т всевозможные осложнения Основные из них — поглощ ение бурового раствора, обруш ение стенок и наруш ение целостности ствола скваж ины , газонеф тяной выброс. Эти ослож нения не возникаю т обособленно. И склю чая одно из перечислен­ ных осложнений, можно вы звать другое.

Основным способом регулирования давления в скваж ине является изменение (подбор) плотности ррбурового раствора (промывочной жид­ кости). Опасность потери устойчивости стенок ствола скважины, опас­ ность возникновения гидравлического разры ва горных пород, а также необходимость создания нормального противодавления на пласты тре­ буют одновременного обеспечения трех условий при подборе и назна­ чении плотности бурового раствора. В реальны х условиях эти требова­ ния не всегда можно удовлетворить.

Геологические и гидрогеологические условия бурения могут обеспечить следующие соотношения критических значений плотности растворов.

где рр тш — минимально допустим ая плотность раствора (5.8); /?ртах — максимально допустим ая плотность раствора (5.28); рр — плотность раствора, обеспечиваю щ ая необходимое противодавление (2.21).

В этом случае условия бурения норм альны е и рекомендуется при­ менение промывочной ж идкости с плотностью рр —рр пр, обеспечиваю­

щей нормальное противодавление на пласт.

Вт о р о е возможное со отн о ш ен и е:

(6.12)

В этом случае условия бурения осложненные и во избеж ание обру­ шения стенок скваж ины реком ендуется назначить компромиссное зн а ­ чение плотности раствора рр = рр 1П1П П ри этом возможно поглощение бурового раствора.

Третье возможное соотнош ение:

В последнем случае условия бурения очень сложные. Компромиссным значением плотности бурового раствора является р р = р вр „ . Здесь р* яв ­ ляется относительным пластовым давлением (2.20). Это тот случай, когда используется технология бурения при «сбалансированном давлении».

6.11.В Ы БО Р ТИПА БУ РО В О ГО РА СТВО РА

Успеш ная проводка скваж ин в значительной степени зави ­ сит от качества бурового раствора. П рименяемы й раствор долж ен от­ вечать следующим требованиям:

• способствовать повыш ению скорости проходки;

• исключать опасность загрязн ен и я продуктивного пласта;

• обеспечивать устойчивость ствола скважины ;

• поддерживать постоянство СНС в процессе осущ ествления СПО;

• проявлять высокую термостабильность.

К любому раствору на водной основе можно добавлять детергенты , смазочные добавки и ингибиторы коррозии. П лотность растворов на углеводородной основе можно повы ш ать добавлением карбоната каль­ ция или барита.

Перед началом бурения следует определить состав и свойства р а ­ створов для каждого разбуриваемого интервала горных пород. Д ля от­ дельных площадей, сходных по геолого-техническим условиям, р а зр а ­ батываются технологические реглам енты буровых растворов.

Технологический р егл ам ен т содержит: литологический состав пород разбуриваемого интервала, конструкцию скважин, интервалы возм ож ­ ных осложнений, пластовое давление, давление гидравлического разры ва пласта (ГРП), тем пературу пласта, рекомендуемый тип бурового раство­ ра, материалы и реагенты д л я приготовления и химической обработки раствора, их планируемый расход на один погонный метр скважины.

Технологический реглам ент составляется на основании обобщения опыта проводки разведочны х скваж ин и долж ен вклю чать в себя р а ­ створы на основе доступных реагентов и м атериалов.

Г Л А В А В Р А Щ А Т Е Л Ь Н О Е Б У Р Е Н И Е Н А Н Е Ф Т Ь

И Г А З

7.1.ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА БУРЕНИЯ ВРАЩ АТЕЛЬНЫ М СП О С О БО М

Вращ ательны й способ бурения скваж ин получил наиболь­ шее распространение. П ри этом способе скваж ина создается (вы свер­ ливается) в горной породе вращ аю щ им ся долотом, а продукты р азр у ­ шения породы вы носятся с забоя на поверхность непрерывно циркули ­ рующей промывочной ж идкостью (буровым раствором или газом).

Вращательное бурение в зависим ости от местонахож дения двига­ теля может быть роторным и с забойным двигателем. В первом случае

двигатель находится на поверхности и приводит во вращ ение долото при помощи колонны бурильны х труб (рис. 7.1). Во втором случае дви ­ гатель переносится к забою и устанавливается над долотом. О севая на­ грузка создается частью веса находящ ихся над долотом утяж еленны х бурильных труб и забойного двигателя. Н апример, на долото диам ет­ ром 215,9 мм создается нагрузка около 100— 250 кН. Частота вращ ения долота при роторном бурении составляет 20— 200 об/мин, при бурении винтовыми двигателям и — 150— 250 об/м ин, турбинном и электробу­ рении без редуцирования 250— 800 об/м ин. При бурении пород сред ­ ней твердости и м ягких скорость проходки м ож ет достигать 100 м /ч .

Процесс бурения состоит из спускоподъемны х работ и работы до­ лота на забое. Эти операции периодически преры ваю тся для спуска об­ садных труб в скваж ину, чтобы предохранить стенки скваж ины от об­ валов и разобщ ить неф тегазовы е и водные горизонты. Для выполнения перечисленных операций прим еняется буровая вышка. Одновременно выполняется ряд вспомогательных работ: отбор керна, приготовление бурового раствора, зам ер кривизны ствола, каротаж и т. п.

Верхняя труба в колонне бурильны х труб является ведущ ей буриль­ ной трубой. В больш инстве случаев она им еет квадратное сечение, про­ ходит через отверстие стола ротора и по мере заглубления скваж ины опускается вниз. Ротор пом ещ ается в центре буровой вышки.

В едущ ая т р у б а верхним концом соединяется с нижним подвижным концом вертлюга. К отверстию верхней неподвижной части вертлюга присоединяется гибкий шланг, через который в процессе бурения в сква­

жину поступает буровой раствор.

Буровой раст вор через колонну бурильны х труб, через забойный двигатель и отверстия в долоте попадает на забой скважины , подхва­

ты вает частицы разбуренной породы и через кольцевое пространство м еж ду стенками скваж ины и бурильны м и трубам и поднимается на not верхность.

В ерт лю г своей неподвижной частью подвеш ивается на крюке, свя­ занном с подвижным талевы м блоком. В процессе бурения колонна труб висит на крю ке и опускается по мере углубления скважины . При отра­ ботке долота всю колонну труб поднимают для его замены.

П ри глубине скваж ины от 50 до 600 м в нее спускаю т трубу (кондук­ тор) д ля перекры тия неустойчивы х пород и изоляции водоносных го­ ризонтов. П осле спуска кондуктора в затрубное кольцевое простран­ ство закачиваю т там понаж ны й раствор и после его затвердевания при*