книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

Двигатель им еет ротор и статор. Стальной статор им еет внутри р е ­ зиновую обкладку с винтовыми зубьям и левого направления. На сталь­ ном роторе такж е нарезаны винтовые зубья. Число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора. Ось ротора 2 смещ ена относи­ тельно оси статора 1 на величину эксцентриситета (рис. 7.11). Ш аги вин­ товых линий ротора и статора пропорциональны числу зубьев. П роф иль зубьев обеспечивает их непреры вны й контакт и образует на длине шага статора единичные рабочие камеры .

/2

Рис. 7.11. Рабочие органы винтового забойного двигателя

Буровой раствор мож ет пройти к долоту только в том случае, если ротор поворачивается относительно статора, перекаты ваясь под дей ­ ствием неуравновешенных гидростатических сил. Ротор, соверш ая пла­ нетарное движение, поворачивается по часовой стрелке, а его ось п ере­ мещается относительно оси статора против часовой стрелки. В составе ВЗД между секцией двигателя и ш пиндельной секцией им еется к ар ­ данный вал.

Выпускаются забойные двигатели с наруж ны м диаметром от 88 до 195 мм.

По своим энергетическим характеристикам ВЗД позволяю т созда­ вать на долоте больш ие осевые нагрузки (до 300 кН). По м ере износа

рабочей пары двигателя для сохранения его рабочей характеристики следует увеличивать расход промывочной ж идкости на 20 % от началь­ ной величины . Д вигатель долж ен запускаться при давлении на выходе насоса не более 2,5 МПа.

При увеличении осевой нагрузки от нулевого значения до макси­ мального перепад давления в двигателе увеличивается на 3—4 МПа. Этой особенностью пользую тся для контроля процесса бурения.

7.8.5* О с о б е н н о с ти р е ж и м а б у р е н и я эл ек тр о б у р а м и

Э л ек тр о б у р — это буровая забойная маш ина, приводимая а дей­ ствие электрической энергией. Электробур с долотом опускается в сква­ ж ину на бурильны х трубах. Э лектроэнергия к электробуру подается по кабелю , пролож енному внутри колонны бурильны х труб и вмонти­ рованному в бурильны е трубы отрезкам и. П ри свинчивании труб от­ резки кабеля автом атически соединяю тся контактны м и муфтами, ук­ репленны ми в бурильны х замках.

Электробур состоит из маслонаполненного асинхронного двигателя

иш пинделя. Д ля сниж ения частоты вращ ения долота и повышения кру­ тящ его момента м еж ду двигателем и ш пинделем устанавливается ре­ дуктор-вставка. П еред навинчиванием долота на вал электробура про­ веряю т осевой л ю ф т вала ш пинделя и сопротивление изоляции обмот­ ки двигателя относительно корпуса.

Таблица 7.12. Технические характеристики трех типов электробуров

М ощность и частота вращ ения электробура не зависят от расхода бурового раствора и глубины погруж ения долота. За нагрузкой на до­ лото можно наблю дать по ваттм етру и тем самым предупреж дать ава­ рии с долотом. О тсутствие вращ ения бурильной колонны позволяет при

помощи специальной погруж ной аппаратуры осущ ествлять контроль угла наклона и азим ута в процессе бурения наклонных скважин.

При частоте переменного тока 50 Гц частота вращ ения вала эл ект­ робура изменяется в диапазоне 660— 750 мин- '. Для разбуривания груп­ пы пород мягких и средней твердости, пластичны х и абразивны х ука­ занные обороты велики. В таки х случаях частоту вращ ения электробу­ ра снижают с помощью редуктора-вставки .

При бурении электробуром , как и при роторном бурении, расход раствора может устанавливаться независимо от других реж им ны х п а ­ раметров, а избыточная энергия давления насосов м ож ет быть исполь­ зована в насадках гидромониторных долот.

7.8.6. К онтроль п а р а м е т р о в р е ж и м а б у р е н и я

и к а р о т а ж н ы е р аб о ты

И змерения в процессе бурения определяю т парам етры ре­ жимов бурения, направление ствола скваж ины , а каротаж в процессе бурения ставит целью изучение свойств пород и пластовы х флюидов.

К аротаж н ая диаграм м а — это отображ ение какого-либо парам ет­ ра состояния скваж ины в табличной или граф ической форме. Н аиболее часто для оценки пластов прим еняю тся следую щ ие виды каротаж а: анализ бурового раствора; исследование керна; изм ерение давления; кабельный каротаж .

Текущий контроль парам етров бурения осущ ествляется с помощью индикатора массы (веса), манометра, моментомера, тахом етра и д р у ­ гих приборов.

Основная часть индикатора веса (ИВ) — трансф орм атор давления (рис. 7.12). Н еподвижный конец талевого каната проходит через роли­ ковые опоры трансф орматора. Б лагодаря изгибу оси каната возникаю т усилия, действую щ ие на заполненную ж идкостью камеру. Восприни­ маемое жидкостью усилие передается через систему трубок на запи ­ сывающий манометр. По индикаторной диаграмме изучается процесс бурения и контролируется соблю дение заданны х парам етров реж има.

где G — нагрузка на крю ке; т — количество рабочих ш кивов талевого блока.

Для определения массы (веса) бурильной колонны показание ИВ нужно корректировать в зависимости от оснастки талевой системы. При

Рис. 7.12. Трансформатор давления индикатора вес!

подъеме колонны усилие в ведущ ем конце та­ левого каната больше, чем в неподвижном кон­ це примерно на 2 %, а при спуске — наоборот.

С помощью ИВ определяю т нагрузку на крюк талевой системы. О севая нагрузка на долото в каж ды й момент времени определяется как разность меж ду весом ко­

лонны и нагрузкой на крю к талевой системы. На круговой диаграмме ИВ отмечаю тся все изм енения нагрузки (колебания веса инструмента) на подъемном крю ке в течение суток.

Д авление бурового раствора изм еряется датчиком, который монти­ руется на стояке нагнетательной линии насосов. Ч астота вращения ро­ тора изм еряется тахометрами. И мею тся такж е приборы по измерению механической скорости проходки, числа оборотов вала турбобура, про­ странственного полож ения забоя скважины . Все эти приборы входят в комплект наземного контроля процесса бурения.

Подача и н ст р ум ен т а — это вертикальное перемещ ение (опуска­ ние) ведущ ей бурильной трубы в ротор в резул ьтате ослабления тор­ моза лебедки. П огруж ение долот а — это глубина внедрения долота в породу после подачи инструм ента на поверхности. Глубина погруже­ ния долота всегда меньш е величины подачи инструмента, так как ко­ лонна бурильны х труб не явл яется абсолютно ж есткой системой.

П роизводимая бурильщ иком подача инструмента должна быть плав­ ной и обеспечиваю щ ей такое давление долота на забой, которое превы­ ш ает сопротивляемость горных пород разруш ению . В большинстве слу­ чаев передача веса инструм ента на забой осущ ествляется вручную Ручная подача утом ляет бурильщ ика, которому приходится, держась за ручку тормоза, одновременно следить за приборами, напрягать зре­ ние и слух. М астерство бурильщ ика постигается годами.

А втом атизация и м еханизация буровых работ является основным путем облегчения труда бурильщ ика и обеспечения безопасности ра-

тям и бурятся сланцы, с наиболее низкими скоростями — карбонатные породы. М оменты резкого изм енения скорости бурения свидетельству­ ют о внедрении долота в кровлю другого пласта.

Втечение смены буровой м астер заполняет буровой журнал, в ко­ тором содерж ится описание всех операций. Источником проб для ли­ тологического анализа служ ит преимущ ественно буровой ш лам — кус­ ки изм ельченной породы, которые откалы ваю тся долотом и выносятся на поверхность буровым раствором. При бурении разведочной скважи­ ны образцы ш лама отбираю т ч ерез равны е интервалы вдоль всего ство­ ла скважины . К рупны е обломки породы остаю тся на вибрационном сите, откуда их с определенной периодичностью снимают, отмывают, мар­ кирую т и отправляю т на анализ.

Анализ проб бурового р а с т в о р а — это непреры вны й контроль час­ тиц вынесенной на поверхность породы на наличие в них следов нефти или газа. В какой -то м ере этот анализ предваряет отбор керна, опробо­ вание пластов и позволяет уточнить отм етки установки обсадных ко­ лонн. А нализ проб бурового раствора — это или инструмент для под­ тверж дения проектны х данных, или инструмент для их коррекции. Если по данным анализа оказы вается, что долото проходит через породуколлектор, то бурение прекращ аю т, отбираю т керн или проводят опро­ бование пласта.

Время отбора проб следует точно фиксировать, чтобы не пропустить нефтеносны й пласт и правильно определить глубину, с которой взяты образцы осколков породы. Н уж но принимать во внимание время запаз­ ды вания — врем я, которое требуется для выноса осколков породы с

забоя скваж ины на поверхность. В глубоких скваж инах время запаз­ ды вания м ож ет изм еряться в часах. Н апример, в скваж ине диаметром 20 см скорость восходящ его потока бурового раствора составляет при­ мерно 0,5 м /с.

Н аиболее точную инф орм ацию о коллекторе позволяет получить керн — кусок выбуренной породы цилиндрической формы. Отбор кер­ на увеличивает общ ее врем я бурения, поэтому отбор керна, как прави­ ло, проводят на участке породы -коллектора. Сплошной керн имеет ди­ ам етр от 4,5 до 13,5 см, а его длина м ож ет достигать нескольких метров. При попытке взять образцы сильнотрещ иноваты х и несцементирован­ ных пород сохранить керн не удается — потеря керна свидетельствует о наличии хорош его коллектора.

Кабельный к а р о т а ж проводится на скваж ине, когда она уже про­ бурена. Кабельный каротаж проводится с помощью приборов, спущен­ ных в скваж ину на кабеле. П осле заверш ения бурения в заполненную

буровым раствором скваж ину с самоходной каротаж ной станции спус­ кают каротажный зонд. Зонд представляет собой заполненны й прибо­ рами цилиндр диаметром до 10 см, длиной до 20 м. В наклонно-направ­ ленную скваж ину зонд спускаю т с помощью насосно-компрессорной трубы или бурильной колонны.

Данные с каротаж ного зонда передаю тся по кабелю на каротаж ную станцию и регистрирую тся на бумаж ной ленте. О бработка данны х про­ изводится позднее. К аротаж ны е исследования могут продолж аться не­ сколько суток. Б ольш ая часть диаграмм кабельного каротаж а состав­ ляется по данным изм ерений в необсаженном стволе скважины .

Первым видом кабельного каротаж а был эл ек тр и ч ески й к а р о т а ж , при котором изм еряется удельное сопротивление пород. И зм еряя со­ противление пород, можно обнаруж ить в них флю иды, водонеф тяны е и газоводяные контакты . А к у сти ч е с к и й к а р о т а ж прим еняется д л я измерения скорости звука, проходящ его в скваж ине ч ерез каж дую по­ роду. Из всех осадочных пород самы е низкие значения скорости звука соответствуют сланцам (2100— 5100 м /с), самые высокие — известня­ кам и доломитам (4500— 6000 м/с).

Кавернограмма — это кривая изм енения диам етра скваж ины вдоль ее оси. В мягких породах случаю тся обруш ения, в соляных пластах — растворение, что приводит к образованию каверн. К аверном етр осна­ щен раздвижными лапами, которые упираю тся в стенки скважины . При перемещении его вверх лапы в соответствии с изменением диам етра скважины укорачиваю тся или удлиняю тся, генерируя при этом элект­ рические сигналы. С ущ ествую т так ж е другие виды кабельного карота­ жа: термокаротаж; радиационны й; изм ерение наклона пласта и др.

7.9.НАРУШ ЕНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИ СТЕНОК СК ВА Ж И Н Ы

Осложнением назы ваю т наруш ение нормального состояния скважины, сопровож даю щ ееся затруднением или полной остановкой бурения. В больш инстве случаев при ослож нениях бурение продолж а­ ется, но с более низкой скоростью . Иногда для возобновления бурения требуется проведение специальны х работ в скваж ине (чистка, разбу ­ ривание, тампонирование, крепление и др.).

Осложнения в процессе бурения вы зы ваю тся наруш ением состоя­ ния скважины, вы раж аю щ иеся в наруш ении целостности стенок, по­ глощении бурового раствора, в н еф те-, газо- и водопроявлениях, в се­ роводородной агрессии.

Вероятность перехода осложнений в аварию сущ ествует постоян­ но, причем процесс этот, как правило, быстротечен. Накопление шлама или осыпаю щ ейся породы, отлож ение ры хлой глинистой корки, вспу­ чивание пород происходит медленно. В дальнейш ем эти процессы при­ водят к прихвату бурового снаряда.

Обвал стенок скваж ины является самым распространенным видом осложнений, вы зываю щ им прихваты бурового снаряда и обсадных труб. Н аруш ение целостности стенок скваж ины происходит в определенных геологических условиях при наличии пластичны х, сыпучих, раздроб­ ленны х и крутоза легаю щ их пород, а такж е пород, разбухаю щ их и рас­ слаиваю щ ихся при механическом и ф изико-хим ическом воздействии буровых растворов.

В частности, наруш ение целостности стенок вы зы ваю т обвалы или обруш ения, которые происходят в резул ьтате смачивания раствором глин, аргиллитов или глинистых сланцев. О бвалы и осыпи могут проис­ ходить в результате механического воздействия бурильного инструмен­ та или действия тектонических сил. Х арактерны м и признаками появ­ ления обвалов являю тся: повыш ение давления в нагнетательной линии бурового насоса, прихваты бурильной колонны и обильный вынос кус­ ков породы. О бразование каверн затруд н яет вынос ш лама и з-за умень­ ш ения скорости восходящ его потока промывочной жидкости.

Одна из основных причин, вы зы ваю щ их наруш ение целостности стенок, — достиж ение породами предельного напряж енного состояния в приствольной зоне скваж ины . При внезапной потере промывочной ж идкости ум еньш ается гидростатическое давление на стенки скважи­ ны, в результате чего последние обруш аю тся. Разм ы в и вязкопласти­ ческое течение соленосных толщ такж е ведут к потере устойчивости приствольной зоны.

Больш ое влияние на потерю устойчивости приствольной зоны ока­ зы ваю т гидродинамические процессы, протекаю щ ие при спускоподъем­ ных операциях, а такж е импульсные колебания давления при бурении. С увеличением диаметра скваж ины устойчивость ее стенок снижается. Бурение с последую щ им расш ирением ствола обеспечивает более вы­ сокую устойчивость стенок, чем углубление сразу большим диаметром. Р азруш ение наклонных стволов происходит чащ е, чем вертикальных скваж ин, поэтому с увеличением угла наклона скваж ины необходимо повы ш ать плотность промывочной жидкости.

При прохож дении монтмориллонитовых глин и аргиллитов проис­ ходит их набухание. За счет этого ствол скваж ины суж ается, что при-

7.9. Нарушение целостности стенок скважины

водит к затяж кам и прихватам бурильного инструмента. В случае про­ хождения высокопластичных пород и при недостаточном противодав­ лении на эти пласты породы ползут, заполняя ствол скважины . Вы дав­ ливание глинистых или соляны х пород в скваж ину вы зы вает д еф орм а­ цию кровли и подош вы пласта. Я вление п о л зу ч е с ти обусловливает смятие обсадных и насосно-компрессорных труб. П роявление ползуче­ сти горных пород усиливается с ростом глубины бурения и увеличени ­ ем температуры пород.

При проводке искривленны х и наклонно-направленны х скваж ин, когда велика площ адь контакта бурильной колонны со стенками сква­ жины, в стенках образую тся желоба. Н иж няя часть колонны при пере­ даче крутящего момента и осевой нагрузки подвергается продольному изгибу, сжатию и кручению , приобретая ф орму пространственной си­ нусоиды. Вращ аясь, колонна касается стенок скваж ины верш иной по­ луволны, совпадающей с замковы м соединением. В данном случае зам ­ ковое соединение действует как ф р еза, делаю щ ая сечение скваж ины эллиптическим, овальным или ещ е более сложным по геометрии. В го­ ризонтальных скваж инах ж елоба возникаю т в процессе спускоподъем ­ ных операций. Ж елобообразование развивается постепенно с увеличе­ нием числа рейсов бурильного инструмента. В этих условиях возраста­ ет опасность заклинивания инструмента. Д ля предупреж дения этого процесса следует использовать предохранительны е кольца и обеспе­ чивать максимальную проходку на долото.

Для предупреж дения и ликвидации последствий обрушений, набу­ хания и ползучести горных пород следует использовать утяж еленны е буровые растворы, обеспечивать высокие скорости проходки, не допус­ кать длительного пребы вания бурильной колонны в покое.

Еще один вид ослож нений: во врем я прохож ден ия соляны х пород происходит их р а с т в о р е н и е , что я в л я е тс я причиной кавернообразо - вания. В подобных сл у ч аях сл ед у ет прим енить один из следую щ их технологических прием ов: ф о р си р о в ать р еж и м б ур ен и я, н асы ти ть солью промывочную ж и д ко сть или п р им ен ить б езвод н ы е буровы е растворы.

Специфика ослож нений при сооруж ении скваж ин в криолитозоне обусловлена высокой чувствительностью многолетнемерзлы х пород к нарушению теплового реж им а. П рим енение рецептур промывочных жидкостей, не соответствую щ их этим особенностям, приводит к дегра­ дации мерзлоты, разруш ению стенок скваж ин, суж ению ствола, обва­ лам, некачественному цементированию и смятию обсадных колонн.

С кваж ины бурят вертикальны е и наклонные. В первом слу­ чае предпринимаю т меры, направленны е на предупреж дение искрив­ ления ствола, а во втором случае скваж ины принудительно искривля­ ют по заранее выбранному профилю . В связи с этим бурение должни осущ ествляться при строгом контроле полож ения скваж ины в про­ странстве.

В процессе бурения возмож на различн ая пространственная ориен­ тация оси скважины: ось вертикальная; ось, искривленная в одной плос­ кости; ось. имею щ ая ряд пространственны х изгибов.

В следствие м ногообразия одновременно действую щ их факторов, способствующих искривлению скваж ин, практически невозможно бу­ рить их в строго вертикальном направлении. В процессе бурения ствол скваж ины самопроизвольно и скривляется и з-за воздействия природ­ ных и технологических ф акторов: наклонное залегание пород; их слои­ стость, трещ иноватость и различн ая твердость; не горизонтальная ус­ тановка ротора; использование изогнутых труб (рис. 7.14). Поэтому все вертикальны е скваж ины в той или иной степени искривлены .

Рис. 7.14. Самопроизвольное искривление ствола скважины

В процессе бурения долото см ещ ается в сторону наиболее интенсив­ но разбуриваем ой стенки скваж ины , то есть по линии наименьшего со­ противления в породе. В стилизованном виде разруш ение анизотроп­ ных горных пород на забое показано на рис. 7.15. В случае, отраженном на рис. 7.15, б, скваж ина отклоняется в сторону восстания плоскости сланцеватости. И скривление скваж ины в анизотропны х породах про-