3.2. Строительство нефтяных и газовых скважин
Скважина представляет собой направленную горную выработку цилиндрической формы, сооружаемую с поверхности земли специальными механическими средствами. Характеризуется большой глубиной и малым диаметром (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Схема скважины.
Начало скважины называют устье 1, ее дно в массиве горных пород – забой 3 , цилиндрическая поверхность, называемая стенкой, образует ствол 2. Процесс создания ствола скважины в горных породах земной коры называют процессом бурения.
В законченном виде стенки скважины закреплены стальными трубами 5 и цементом 6, а продуктивный пласт имеет гидравлическое сообщение 7 со скважиной. Устье оборудуют специальной арматурой, установленной на фланце 4. на которую подвешивают скважинное оборудование.
Расстояние от устья до забоя по вертикали – глубина скважины, а по оси ствола – ее длина.
Скважину углубляют путем разрушения горных пород и извлечением обломков разрушенной породы на поверхность.
При бурении скважин на нефть и газ во всем мире промышленное применение получил механический метод разрушения породы с частичной реализацией гидравлического.
Породы разрушают специальным разрушающим инструментом по всей площади забоя, или по его периферийной части, оставляя в центре скважины колонку пород (керн), которую поднимают на поверхность для изучения пород пройденного интервала.
Инструмент для разрушения породы по всей площади принято называть долото, для отбора керна – бурильная головка и коронка.
Существует два основных способов бурения скважин.
Ударный, при котором скважину «выдалбливают» в массиве горных пород специальным долотом.
Бурение этим способом заключается в том, что буровой снаряд, состоящий из долота и ударной штанги, спускают в скважину на стальном канате при помощи специальной установки, обеспечивающей возвратно-поступательное движение снаряда. Снаряд падает на забой и при ударе долотом разрушает породу.
Разрушенную породу (шлам) по мере накопления удаляют после подъема бурового снаряда специальной желонкой, спускаемой многократно в скважину на канате. После очистки углубление возобновляют. Во избежание обрушения стенок скважины в нее спускают колонну стальных труб, которую удлиняют по мере углубления и продвигают к забою при помощи специального забивающего снаряда.
В нефтяной промышленности в настоящее время применяется только вращательный способ бурения. Этим способом скважину «высверливают» в массиве горных пород непрерывно вращающимся долотом, закрепленном на бурильной колонне. Разрушение породы происходит в результате одновременного воздействия на долото нагрузки и крутящего момента. Обломки разрушенной породы уносит с забоя и поднимает на поверхность непрерывно подаваемый к долоту по бурильным трубам поток жидкости или газа.
Процесс бурения состоит из повторяющихся операций, включающих спуск на бурильной колонне труб в скважину нового долота, разрушения долотом горных пород, наращивание колонны труб по мере углубления скважины, подъем колонны труб для замены изношенного долота.
Комплекс работ, начиная с подготовки площадки под буровую и кончая ее демонтажем после бурения, называют циклом строительства скважин, который группируется на этапы:
1) подготовительные работы к монтажу бурового оборудования,
2) монтаж бурового оборудования,
3) подготовительные работы к бурению скважин,
4) бурение, крепление обсадными колоннами и разобщение пластов,
5) вторичное вскрытие продуктивного пласта, испытание, вызов притока и сдача скважины в эксплуатацию,
6) демонтаж бурового оборудования и перевозка его на новую точку. Горные породы, слагающие разрез скважины, различны по составу, обладают различными свойствами и их разрушают резанием, скалыванием, истиранием, дроблением. Характер разрушения зависит от твердости и пластичности пород. Породы мягкие и пластичные наиболее эффективно разрушаются резанием, а твердые и хрупкие – дроблением. Поэтому для разрушения пород с определенными механическими и абразивными свойствами (12 категорий пород по буримости) применяются соответствующего типа инструменты.
Чтобы обеспечить бурение без осложнений до проектной глубины, скважину углубляют поинтервально. Пробуренный интервал закрепляют стальными трубами, которые называют обсадными, а пространство между стенками ствола и обсадной колонной заполняют цементным раствором.
Обсадные трубы (длина 6 – 12 м) собираются в колонну путем их свинчивания при помощи резьбы, нарезанной на концах каждой трубы и соединительной муфты.
Процесс заполнения кольцевого пространства между стенками скважины и обсадной колонной раствором вяжущих материалов, способных в покое превращаться в прочный непроницаемый камень называют цементированием или тампонажем. Для цементирования обсадных колонн используют тампонажные цементы.
Процесс спуска обсадных колон и их цементирование называют креплением скважины. Крепление скважины преследует надежное разобщение всех проницаемых горизонтов друг от друга и укрепление стенок скважины от осыпей и обвалов.
Верхние участки разреза представляют рыхлые наносные породы, которые легко размываются потоком бурового раствора, поэтому первый интервал скважины углубляют на длину 5-50 м и спускают первую от устья колонну труб большого диаметра, называемую направлением.
Сегодня в НГДУ «Ямашнефть» активно осуществляет научно-исследовательские проекты.
К наиболее значимым в области бурения можно отнести следующие:
Бурение в режиме депрессии/равновесия на продуктивный пласт - технология предназначена для сохранения во время бурения коллекторских свойств продуктивного пласта за счёт создания столбом бурового раствора забойного давления, равного или меньше пластового давления; применение технологии повышает механическую скорость бурения, сокращает время освоения скважины, повышает производительность скважины.
Бурение боковых наклонно направленных и горизонтальных стволов - боковой ствол предназначен для возвращения в эксплуатацию скважин аварийного фонда и повышения производительности скважины, до извлечения запасов из-за предела зоны обводнения забоя скважины; ежегодно в эксплуатационный фонд возвращается до 50 скважин аварийного и низкодебитного фонда скважин.
Бурение скважин с горизонтальным, горизонтально-разветвленным стволами - бурение горизонтальных, горизонтально-разветвленных стволов предназначено для снижения капитальных вложений в разработку нефтяных месторождений; эффективность применения - экономия капитальных вложений, повышение продуктивности скважин.
Строительство скважин малого диаметра - скважины малого диаметра предназначены для снижения затрат на строительство за счёт применения мобильных буровых установок малой грузоподъемности и снижения металлоёмкости конструкции скважин; эффективность применения - экономия затрат на строительство скважины при замене 146(168) мм эксплуатационной колонны на 114 мм - 35%.
Республика Татарстан обладает значительными запасами тяжелых высоковязких битумуных нефтей (свыше 1,4 млрд т). Выявлено около 450 залежей, основная часть которых залегает на глубине 50-250 м.
С 2007 г. начат пилотный проект на Ашальчинском месторождении по испытанию модифицированной технологии теплового воздействия через двухустьевые горизонтальные скважины. По состоянию на 1 декабря 2009 г. добыча нефти по двум парам горизонтальных скважин составила 18,3 тыс. т, жидкости - 141,1 тыс. т. Закачано 78,2 тыс. т пара. Суммарные дебиты в настоящее время достигли 33-36 т нефти в сутки.