Технология бурения скважин

 

Введение

Современное бурение  охватывает широкий круг вопросов, всесторонне осветить которые по принципу последовательного рассмотрения каждого технологического процесса и операции, основ проектирования и принципов реализации их на производстве сложно. Поэтому остановимся на основных способах бурения.

Бурение скважин — это процесс сооружения направленной горной выработки большой длины и малого (по сравнению с длиной) диаметра. Начало скважины на поверхности земли называют устьем, дно — забоем. Этот процесс — бурение — распространен в различных отраслях народного хозяйства.

1. Цели и задачи бурения

Нефть и газ добывают, пользуясь скважинами, основными процессами строительства которых являются бурение и крепление. Необходимо осуществлять качественное строительство скважин во все возрастающих объемах при кратном снижении сроков их проводки, а также при уменьшении трудо- и энергоемкости и капитальных затрат. Бурение скважин — единственный метод результативной разработки, приращения добычи и запасов нефти и газа.

Цикл сооружения нефтяных и газовых скважин до сдачи  их в эксплуатацию состоит из следующих  последовательных звеньев:

• строительство наземных сооружений;
• проходка ствола скважины, осуществление которой возможно только при выполнении параллельно протекающих работ двух видов — углубление забоя посредством локального разрушения горной породы и очистка ствола от разрушенной (выбуренной) породы;
• разобщение пластов, состоящее из последовательных работ двух видов — закрепление стенок ствола обсадными трубами, соединенными в обсадную колонну, и герметизация (цементирование, тампонирование) заколонного пространства;
• освоение скважины как эксплуатационного объекта.

2. Классификация и назначение скважин

Скважины можно  классифицировать по назначению, профилю ствола и фильтра, степени совершенства и конструкции фильтра, количеству обсадных колонн, расположению на поверхности земли и т.д.

• По назначению различают скважины: опорные, параметрические, структурно-поисковые, разведочные, нефтяные, газовые, геотермальные, артезианские, нагнетательные, наблюдательные, специальные.

Опорные скважины бурят для изучения геологического строения крупных регионов с целью  установления общих закономерностей залегания горных пород и выявления возможностей образования в этих породах месторождений нефти и газа.

Назначение  структурно-поисковых скважин —  установление (уточнение) тектоники, стратиграфии, литологии разреза пород, оценка возможных продуктивных горизонтов.

Разведочные скважины служат для выявления продуктивных пластов, а также для оконтуривания разрабатываемых нефтяных и газовых месторождений.

Добывающие (эксплуатационные) предназначены для добычи нефти и газа из земных недр. К этой категории относят также нагнетательные, оценочные, наблюдательные и пьезометрические скважины.

Нагнетательные  необходимы для закачки в пласт  воды, газа или пара с целью поддержания пластового давления или обработки призабойной зоны. Эти меры направлены на удлинение периода фонтанного способа добычи нефти или повышение эффективности добычи.

Назначение  оценочных скважин - определение  начальной водо-нефтенасыщенности  и остаточной нефтенасыщенности  пласта и проведение иных исследований.

Контрольные и  наблюдательные скважины служат для  наблюдения за объектом разработки, исследования характера продвижения пластовых флюидов и изменения газонефтенасыщенности пласта.

• По профилю ствола и фильтра скважины бывают: вертикальные, наклонные, направленно-ориентированные, горизонтальные.
• По степени совершенства выделяют скважины: сверхсовершенные, совершенные, несовершенные по степени вскрытия продуктивных пластов, несовершенные по характеру вскрытия продуктивных пластов.
• По конструкции фильтра скважины классифицируют на: незакрепленные, закрепленные эксплуатационной колонной, закрепленные вставным щелевым или сетчатым фильтром, закрепленные гравийно-песчаным фильтром.
• По количеству находящихся в скважине колонн выделяют скважины: одноколонные (только эксплуатационная колонна), многоколонные (двух-, трех-, n-колонные).
• По расположению на поверхности земли скважины различают: расположенные на суше, шельфовые, морские.

3. Производственные операции бурения

Бурение как производственный процесс состоит из ряда последовательных операций:

1) Транспортирование буровой установки на точку бурения;

2) монтаж буровой установки;

3) Собственно бурение (проходка ствола скважины), которое включает в себя:

а) чистое бурение, т. е. непосредственное разрушение горной породы породоразрушающим  инструментом на забое скважины;

б) очистка забоя от разрушенной породы и транспортирование ее от забоя до устья скважины. При бурении с промывкой или продувкой, а также при бурении шнеками эта операция совмещается с основной -- чистым бурением;

в) спуско-подъемные операции осуществляются для замены износившегося  породоразрушающего инструмента и для подъема керна (образцов пород).

4) Крепление стенок скважины в неустойчивых породах, т. е. способных к обрушения (трещиноватые, слабосвязанные, рыхлые, сыпучие и плывуны), что может производиться двумя способами:

а) крепление спуском  в скважину обсадных колонн труб, что требует остановки бурения;

б) крепление промывочными жидкостями, закрепляющими стенки скважины, производимое одновременно с бурением.

5) Испытания и исследования в скважине (измерение искривления, каротаж и др.)

6) Тампонирование скважин с целью разобщения и изоляции водоносных пластов с разным химическим составом вод или с целью изоляции водоносного пласта от нефтегазоносного.

7) Установки фильтра и водоподъемника в гидрогеологической скважине и производство гидрогеологических исследований (замеры уровня воды в скважине, отборы проб воды, определение дебита скважины с помощью пробных откачек).

8) Предупреждение и ликвидация аварий в скважине.

9) Извлечение обсадных труб и ликвидация скважины после выполнения задачи (ликвидационный тампонаж).

10) Демонтаж буровой установки и перемещение на новую точку бурения

Перечисленные рабочие  операции бурения являются последовательными, т. е. могут выполняться последовательно  одной и той же бригадой.

При необходимости бурения  нескольких скважин и при наличии резервных буровых установок с целью ускорения разведочных работ некоторые рабочие операции могут быть параллельными, т. е. выполняться двумя или несколькими специализированными бригадами. Так, например, буровая бригада выполняет собственно бурения и крепление скважины; монтажные бригады занимаются только транспортированием, монтажом, демонтажем буровых установок, ликвидационным тампонажем скважин; каротажная бригада занимается только каротажем и т. п.

4. Основные технологические понятия и показатели бурения

Показателями  бурения называются параметры, характеризующие количество и качество результатов проходки скважин. Главнейшими из них являются: скорость, стоимость 1 м пробуренной скважины, процент выхода керна, направление ствола скважины и др.

Режимом бурения называется сочетание параметров, которые могут изменяться бурильщиком. Так, например, при вращательном бурении основными параметрами режима бурения являются: 1) осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент; 2) частота вращения бурового снаряда;        3) качество очистного агента (воды, бурового раствора или сжатого воздуха);   4) объемный расход, т. е. объем в единицу времени очистного агента.

Различают следующие  разновидности режимов бурения: оптимальный и специальный.

Оптимальным режимом бурения называется сочетание параметров режима бурения, обеспечивающих максимальную скорость бурения в данных геолого-технических условиях при данном типоразмере породоразрушающего инструмента и при обеспечении требуемых качественных показателей: надлежащего направления ствола скважины и высокого выхода керна.

Специальным режимом бурения называется сочетание специальных технологических задач. Например, взятие керна полезного ископаемого с помощью специальных технических средств, выпрямление ствола скважины, искусственное искривление скважины в заданном направлении и др. В этом случае величина скорости бурения имеет подчиненное значение.

Рейсом бурения называется комплекс работ, затраченных на выполнение следующих рабочих операций: 1) спуск бурового снаряда в скважину; 2) чистое бурение, т. е. углубление скважины (основная операция); 3) подъем бурового снаряда из скважины.

5. Способы бурения скважин.

Существует разные способы  бурения, но промышленное распространение  получило механическое бурение. Оно  подразделяется на ударное и вращательное.

5.1 Ударное бурение

Ударное бурение по характеру  углубления в породы является бурением сплошным забоем. По способу передачи движения от станка к буровому наконечнику (долоту) оно подразделяется на :

- ударно-канатное

- ударно-штанговое

- ударно-вращательное

При ударно-канатном бурении  возвратно-поступательное движение, которое  создается станком, передается на породоразрушающий  инструмент при помощи каната. При  ударно-штанговом бурении возвратно-поступательное движение, создаваемое станком, передается на породоразрушающий инструмент при помощи бурильных труб. Ну, и при ударно-вращательном бурении разрушающее усилие образовывается за счет вращения породоразрушающего инструмента и совместного воздействия ударов.    

 При ударном способе бурения стенки скважины крепят трубами непрерывно по мере углубления забоя – с некоторым его опережением или отставанием. Обсадные трубы закручивают своими силами буровики. Данный способ бурения используется в районах, где невозможно обеспечить буровой станок водой, в районах крайнего севера или на труднодоступных территориях.           В частности на рисунке 1, ударно-канатное бурение применяется во дворах Санкт-Петербурга, где невозможен подъезд габаритных установок УРБ. Основными составляющими снаряда ударного бурения являются канатный замок, раздвижная штанга (также известная как яссы), ударная штанга и долото. 

 

 

              

Рисунок 1 – Ударно-канатный способ бурения

Преимущества данного  способа бурения в том, что  поровое пространство водоносного горизонта не засоряется и скважины дают большие дебиты воды. Также с помощью этого способа бурения можно достаточно точно отследить глубину и положение водоносного горизонта. Недостатком бурения является, низкая скорость бурения, небольшая глубина проходки, большой расход обсадных труб уменьшение удельной водоотдачи горных пород призабойной части скважины вследствие уплотнения. 

 

 

 

5.2 Вращательное бурение

Вращательное бурение, в свою очередь, подразделяется на :

• Роторное бурение
• Турбинное бурение
• Бурение винтовыми двигателями
• Бурение электробуром

 

5.2.1Роторное бурение

При роторном бурении  долото вращается вместе со всей колонной бурильных труб; вращение передается через рабочую трубу от ротора, соединенного с силовой установкой системой трансмиссий. Нагрузка на долото создается частью веса бурильных труб.

При роторном бурении  максимальный крутящий момент колонны  зависит от сопротивления породы вращению долота, сопротивлений трения колонны и вращающейся жидкости о стенку скважины, а также от инерционного эффекта упругих крутильных колебаний.

В мировой буровой  практике наиболее распространен роторный способ: почти 100 % объема буровых работ в США и Канаде выполняется этим способом. В последние годы наметилась тенденция увеличения объемов роторного бурения и в России, даже в восточных районах. Основные преимущества роторного бурения перед турбинным — независимость регулирования параметров режима бурения, возможность срабатывания больших перепадов давления на долоте, значительное увеличение проходки за рейс долота в связи с меньшими частотами его вращения и др.

5.2.2 Турбинное бурение

При турбинном  бурении долото соединяется с  валом турбины турбобура, которая  приводится во вращение движением жидкости под давлением через систему  роторов и статоров. Нагрузка создается частью веса бурильных труб.

Наибольший  крутящий момент обусловлен сопротивлением породы вращению долота. Максимальный крутящий момент, определяемый расчетом турбины (значением ее тормозного момента), не зависит от глубины скважины, частоты вращения долота, осевой нагрузки на него и механических свойств разбуриваемых пород. Коэффициент передачи мощности от источника энергии к разрушающему инструменту в турбинном бурении выше, чем в роторном.