Нефть, бурение, трубопроводный транспорт

Ежегодные объёмы бурения огромны: только в СССР за 1967 на нефть и  газ пробурено около 12 млн. м глубоких скважин, из которых 5,8 млн. м - разведочные, свыше 20 млн. м пробурено взрывных и сейсморазведочных скважин, 10-12 млн. м - структурно-поисковых.

Классификация способов бурения. По характеру  разрушения породы, применяемые способы бурения делятся на: механические - буровой инструмент непосредственно воздействует на горную породу, разрушая её, и немеханические - разрушение происходит без непосредственного контакта с породой источника воздействия на неё (термическое, взрывное и др.). Механические способы бурения подразделяют на вращательные и ударные (а также вращательно-ударные и ударно-вращательные). При вращательном бурении порода разрушается за счёт вращения прижатого к забою инструмента. В зависимости от прочности породы при вращательном бурении применяют буровой породоразрушающий инструмент режущего типа (Долото бу ровое и Коронка буровая); алмазный буровой инструмент; дробовые коронки, разрушающие породу при помощи дроби (Дробовое бурение). Ударные способы бурения разделяются на: ударное бурение или ударно-поворотное (бурение перфораторами, в том числе погружными, ударно-канатное, штанговое и т.п., при которых поворот инструмента производится в момент между ударами инструмента по забою); ударно-вращательное (погружными пневмо-и гидроударниками, а также бурение перфораторами с независимым вращением и т.п.), при котором удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту; вращательно-ударное, при котором породоразрущающий буровой инструмент находится под большим осевым давлением в постоянном контакте с породой и разрушает её за счёт вращательного движения по забою и периодически наносимых по нему ударов. Разрушение пород забоя скважины производится по всей его площади (бурение сплошным забоем) или по кольцевому пространству с извлечением керна (колонковое бурение). Удаление продуктов разрушения бывает периодическое с помощью желонки и непрерывное шнеками, витыми штангами или путём подачи на забой газа, жидкости или раствора (Глинистый раствор). Иногда бурение подразделяют по типу бурового инструмента (шнековое, штанговое, алмазное, шарошечное и т.д.); по типу буровой машины (перфораторное, пневмоударное, турбинное и т.д.), по методу проведения скважин (наклонное, кустовое и т.д.). Технические средства бурения состоят в основном из буровых машин (буровых установок) и породоразрушающего инструмента. Из немеханических способов получило распространение для бурения взрывных скважин в кварцсодержащих породах термическое бурение, ведутся работы по внедрению взрывного бурения.

Бурение развивалось и специализировалось применительно к трём основным областям техники: наиболее глубокие скважины (несколько  км) бурятся на нефть и газ, менее  глубокие (сотни м) для поисков  и разведки твёрдых полезных ископаемых, скважины и шпуры глубиной от нескольких м до десятков м бурят для размещения зарядов взрывчатых веществ (главным образом в горном деле и строительстве).

 

Рис 1.  Схема установки для бурения глубоких скважин:

1-долото; 2 - надолотная утяжеленная  бурильная труба; 3,8 - переводник; 4 - центратор; 5 - муфтовый переводник; 6,7 - утяжеленные бурильные трубы;9 - предохранительное кольцо; 10 - бурильные трубы; 11 - предохранительный переводник; 12,23 - переводники штанговые, нижний и верхний; 13 - ведущая труба; 14 -редуктор; 15 - лебедка;16 – переводник вертлюга; 17 - крюк;18 -кронблок;19 - вышка;20 - талевый блок; 21 - вертлюг;22 - шланг;24 - стояк;25 - ротор;26 - шламоотделитель;27 - буровой насос

 

                           3.  Вращательное и ударное бурение

 

       Вращательное бурение от ударного отличается следующим.

1. Высокой производительностью  за счет передачи на долото  большей мощности; непрерывного разрушения горной породы и удаления ее с забоя на поверхность циркулирующим промывочным агентом.

2. Эффективностью применения  для самых различных целей:  универсальностью, возможностью вскрытия пластов с низким и высоким давлением, используя для промывки, в зависимости от условий, газообразные агенты, облегченные, нормальные или утяжеленные буровые растворы; возможностью преодолеть многие виды обвалообразований, поглощений промывочной жидкости, не прибегая к дополнительному креплению ствола скважины, возможностью предупредить в большинстве случаев проявления, выбросы и открытое фонтанирование.

3. Большой мощностью привода  буровой установки, сложностью  бурового оборудования, КИП и  системы управления, высокой начальной  стоимостью (покупная цена) и стоимостью  эксплуатации, монтажа, транспортирования  установки.

 

                          4.  БУРИЛЬНАЯ КОЛОНА

 

                     4.1  Назначение бурильной колонны

   Бурильная колонна является связующим звеном между буровым оборудованием, расположенном на дневной поверхности, и скважинным инструментом (буровое долото, испытатель пластов, ловильный инструмент и др.), используемым в рассматриваемый момент времени для выполнения какой-либо технологической операции в стволе скважины.

Функции, выполняемые бурильной  колонны определяются проводимыми  в скважине работами. Главными из них  являются следующие.

В процессе механического  бурения бурильная колонна:

является каналом для  подведения на забой энергии, необходимой  для вращения долота: механической - при роторном бурении; гидравлической – при бурении с гидравлическими забойными двигателями (турбобур, винтовой забойный двигатель); электрической – при бурении электробурами (через расположенный внутри труб кабель);

воспринимает и передает на стенки скважины (при малой текущей  глубине скважины также на ротор) реактивный крутящий момент при бурении  с забойными двигателями;

является каналом для  осуществления круговой циркуляции рабочего агента (жидкости, газожидкостной смеси, газа); обычно рабочий агент  по внутритрубному пространству движется вниз к забою, захватывает разрушенную породу (шлам), а далее по затрубному пространству движется вверх к устью скважины (прямая промывка);

служит для создания (весом  нижней части колонны) или передачи (при принудительной подаче инструмента) осевой нагрузки на долото, воспринимая одновременно динамические нагрузки от работающего долота, частично гася и отражая их обратно на долото и частично пропуская их выше;

может служить каналом  связи для получения информации с забоя или передачи управляющего воздействия на скважинный инструмент.

При спускоподъемных  операциях бурильная колонна  служит для спуска и подъема долота, забойных двигателей, различных забойных компоновок;

для пропуска скважинных контрольно-измерительных  приборов;

для проработки ствола скважины, осуществляя промежуточных промывок с 

целью удаления шламовых пробок и др.

При креплении скважины она  используется для подготовки ствола к креплению; спуска и установки секции обсадных колонн, хвостовиков, летучек; цементирования скважин с целью закрепления обсадных колонн в стволе скважины и разобщения пластов.

При ликвидации осложнений и аварий, а также проведении исследований

в скважине и испытании  пластов бурильная колонна служит:

для закачки и продавки в пласт тампонирующих материалов;

для спуска и установки пакеров  с целью проведения гидродинамических  исследований пластов путем отбора или нагнетания жидкости;

для спуска и установки  перекрывателей с целью изоляции зон поглащений,

укрепления зон осыпаний или обвалов, установки цементных  мостов и др.;

для спуска ловильного инструмента  и работы с ним.

При бурении с отбором  керна (образца горной породы) со съемной  колонковой трубой бурильная колонна служит каналом, по которому осуществляется спуск и подъем колонковой трубы.

 

                             4.2 Состав бурильной колонны

 

  Бурильная колонна (за исключением появившихся в последнее время непрерывных  труб) составляется из бурильных труб с помощью резьбового соединения. Соединение труб между собой обычно осуществляется с помощью специальных соединительных элементов – бурильных замков, хотя могут использоваться и беззамковые бурильные трубы. При подъеме бурильной колонны (с целью замены изношенного долота или при выполнении других технологических операций) бурильная колонна каждый раз разбирается на более короткие звенья с установкой последних внутри вышки на специальной площадке – подсвечнике или (в редких случаях) на стеллажах вне буровой вышки, а при спуске она вновь собирается в длинную колонну.

   Собирать и разбирать  бурильную колонну с разборкой  ее на отдельные (одиночные)  трубы было бы неудобно и  нерационально. Поэтому отдельные  трубы предварительно (при наращивании  инструмента) собираются в так  называемые бурильные свечи, которые в дальнейшем (пока бурение ведется данной бурильной колонной) не разбираются.

       Свеча  длинной 24-26 м (при  глубине  бурения 5000 м и более могут  использоваться  бурильные свечи длиной 36-38 м с буровой вышкой высотой 53-64 м) составляется из двух, трех или четырех труб при использовании труб длиной соответственно 12, 8 и м . В последнем случае в целях удобства две 6-метровые трубы предварительно соединяются с помощью соединительной муфты в двухтрубку (колено), которая в дальнейшем не разбирается.

В составе бурильной колонны  непосредственно над долотом  или над забойным двигателем всегда предусматриваются утяжеленные бурильные трубы (УБТ), которые, имея кратно большие, по сравнению с обычными бурильными трубами, массу и жесткость, позволяют создавать необходимую нагрузку на долото и обеспечивают достаточную жесткость низа инструмента во избежание его продольного изгиба и неуправляемого искривления ствола скважины.  УБТ используются также для регулирования колебаний низа бурильной колонны в сочетании с другими ее элементами.

В состав бурильной колонны  обычно включают центраторы, калибраторы, стабилизаторы, фильтры, часто – металлошламоуловители, обратные клапаны, иногда – специальные механизмы и устройства, такие как расширители, маховики, забойные механизмы подачи, волноводы, резонаторы, амортизаторы продольных и крутильных колебаний, протекторные кольца, имеющие соответствующее назначение.

Для управляемого искривления  ствола скважины в заданном направлении или же, напротив, для выправления уже искривленного ствола в состав бурильной колонной включают отклонители, а для сохранения прямолинейного направления ствола скважины используют специальные, нередко довольно сложные, компоновки нижней части бурильной колонны.

Рис 2. Принципиальная схема компоновки бурильной колонны для бурения с забойными двигателями

1 – ствол вертлюга; 2,7 – левая и правая трубные  резьбы; 3 – переводник вертлюга; 4,9 – левая и правая замковые  резьбы; 5 – верхний и нижний  штанговые переводники; 6 – ведущая труба; 10 – предохранительный переводник; 11 – замковая резьба; 12 – замковая муфта; 13 – трубная резьба; 14 – бурильная труба (6 м); 15 – соединительная муфта; 16 – переходной переводник; 17 – предохранительный клапан; 18 – утяжеленные бурильные трубы;19 – ароматизатор; 20 – муфтовый переводник; 21 – центратор; 22 – забойный двигатель; 23 – калибратор; 24 – буровое долото

 

                                     5.  БУРИЛЬНЫЕ ТРУБЫ

     Бурильные трубы могут быть классифицированы по следующим признакам.

1. По категории скважин, для бурения которых они преимущественно редназначены: бурильные трубы для структурно-поискового бурения и капитального ремонта скважин; бурильные трубы для эксплуатационного и геологоразведочного бурения.

2.  По способу бурения: для роторного бурения; для бурения с гидравлическими забойными двигателями (ГЗД); для электробурения.

3.  По назначению: бурильные трубы; ведущие бурильные трубы; утяжеленные бурильные трубы; бурильные трубы для ликвидации аварий.

4. По материалу: стальные бурильные трубы; легкосплавные бурильные трубы.

5.  По магнитным свойствам: бурильные трубы из магнитных материалов; бурильные трубы из немагнитных материалов (дюрали, немагнитной стали).

6.  По прочности материала труб: обычной прочности (для стальных труб – из сталей различных групп прочности); повышенной прочности.

7. По способу соединения между собой: бурильные трубы сборной конструкции; бурильные трубы цельной конструкции (беззамковые бурильные трубы) .в связи с появлением в последнее время длинномерных гибких труб бурильные трубы можно классифицировать также по следующему признаку.

8. По способу составления колонны бурильных труб: бурильные трубы стандартной длины; непрерывные бурильные трубы;

9. По фактическому состоянию  труб в процессе их эксплуатации: бурильные трубы 1-го класса; бурильные трубы 2-го класса; бурильные трубы 3-го класса.

                   5.1 Непрерывные бурильные трубы.                                                   

Непрерывная бурильная  труба представляет собой длинномерную колонну гибких труб (КГТ), размещенную на барабане самоходной (колтюбинговой) установки. В процессе спуска в скважину труба сматывается с барабана, а при подъеме она вновь наматывается на него. Базой установки может служить шасси автомобилей типов КРАЗ, МАЗ или других автомобилей с необходимой грузоподъемностью буровой раствор в процессе бурения циркулирует через всю трубу, и поэтому давление на устье не зависит от текущей глубокой скважины.

   Колтюбинговые установки  были впервые разработаны в  США и первоначально применялись исключительно для капитального ремонта скважин. И в настоящее время они примерно на 75% используются для этих целей: кислотных обработок пластов, очистки забоя скважины от песка и др. При этом используются КГТ диаметром 33, 38, 42 и 48 мм. В последние годы примерно 25% работ приходится на ремонтно-изоляционное цементирование скважин, каротаж, ловильные работы, расширение и углубление ствола, бурение вертикальных и горизонтальных участков скважин. В этих случаях  используются установки с трубами диаметрами 60, 73, 89 и 114 мм. Имеется также практика использования  127 мм труб.