Бурение скважин

Размещено на http://www.allbest.ru/

В настоящее время бурение скважин, многоцелевое производство и современная промышленность предлагает большой выбор технических средств и технологий, в которых требуется разбираться, чтобы принять правильное решение.

В условиях рыночной экономики и жесткой конкуренции между пользователями недр к специалистам геологам предъявляются соответствующие требования, так как от его квалификации и знаний, порой на уровне интуиции, может зависеть успех всего предприятия.

Общие сведения о бурении.

Бурение - процесс сооружения горной выработки цилиндрической формы - скважины, шпура или шахтного ствола - путём разрушения горных пород на забое, бурение осуществляется, как правило, в земной коре, реже в искусственных материалах (бетоне, асфальте и др.). В ряде случаев процесс бурения включает крепление стенок скважин (как правило, глубоких) обсадными трубами с закачкой цементного раствора в кольцевой зазор между трубами и стенками скважин.

Область применения бурения многогранна:

- поиски и разведка полезных ископаемых;

- изучение свойств горных пород;

- добыча жидких, газообразных и твёрдых полезных ископаемых через эксплуатационные скважины;

- производство взрывных работ;

- выемка твёрдых полезных ископаемых;

- искусственное закрепление горных пород (замораживание, битумизация, цементация и др.);

- осушение обводнённых месторождений полезных ископаемых и заболоченных районов;

- вскрытие месторождений;

- прокладка подземных коммуникаций: сооружение свайных фундаментов и др.

По характеру разрушения породы, применяемые способы бурения делятся на:

- механические - буровой инструмент непосредственно воздействует на горную породу, разрушая её;

- немеханические - разрушение происходит без непосредственного контакта с породой источника воздействия на неё (термическое, взрывное и другое).

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 разрушающий породу инструмент режущего типа;

- алмазный буровой инструмент;

- дробовые коронки, разрушающие породу при помощи дроби.

Ударные способы бурения разделяются на:

- ударное бурение или ударно-поворотное;

- ударно-вращательное, при котором удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту;

- вращательно-ударное, при котором разрушающий породу 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. Иногда бурение подразделяют:

- по типу бурового инструмента (штанговое, алмазное, шарошечное и другие);

- по типу буровой машины (перфораторное, пневматическое ударное, 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 разрушающего породу инструмента. Из немеханических способов получило распространение для бурения взрывных скважин в кварцсодержащих породах термическое бурение, ведутся работы по внедрению взрывного бурения.

Рисунок. - Способы бурения:

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

В Китае свыше 2 тыс. лет назад впервые в мировой практике вручную бурились скважины (диаметром 12-15 см., и глубиной до 900 м.) для добычи соляных растворов. Буровой инструмент (долото и бамбуковые штанги) опускался в скважину на канатах толщиной 1-4 см., свитых из индийского тростника. Бурение первых скважин в России относится к 9 в., и связано с добычей растворов поваренной соли (Старая Русса). Затем соляные промыслы развиваются в Балахне (12 в.), в Соликамске (16 в.). На русских соляных промыслах издавна применялось ударное штанговое бурение. Во избежание ржавления буровые штанги делали деревянными, стенки скважин закрепляли деревянными трубами. В 17 в., в рукописном труде «Роспись, как зачать делать новая труба на новом месте» («Известия императорского археологического общества», 1868, т. 6, отд. 1, в. 3, с. 238-55) подробно описаны методы этого периода. Первый буровой колодец, закрепленный трубами, был пробурен на воду в 1126 в провинции Артуа (Франция), отсюда глубокие колодцы с напорной водой получили название артезианских.

Развитие методов и техники бурения в России начинается с 19 в., в связи с необходимостью снабжения крупных городов питьевой водой. В 1831 в Одессе было образовано «Общество артезианских фонтанов» и пробурены 4 скважины глубиной от 36 до 189 м. В 1831-32 бурили скважины в Петербурге (на Выборгской стороне), в 1833 в Царском Селе, в Симферополе и Керчи, в 1834 в Тамбове, Казани и Евпатории, в 1836 в Астрахани. В 1844 была заложена первая буровая скважина для артезианской воды в Киеве. В Москве первая артезианская скважина глубиной 458 м пробурена на Яузском бульваре в 1876. Первая буровая скважина в США пробурена для добычи соляного раствора близ Чарлстона в Западной Виргинии (1806).

Поворотным моментом, с которого начинается бурный прогресс в бурения, было развитие нефтедобычи.

Первая нефтяная скважина была пробурена в США случайно в 1826 близ Бернсвилла в Кентукки при поисках рассолов. Первую скважину на нефть заложил в 1859 американец Дрейк близ г. Тайтесвилла в Пенсильвании. 29 августа 1859 нефть была встречена на глубине 71 фута (около 20 м), что положило начало нефтяной промышленности США. Первая скважина на нефть в России пробурена в 1864 около Анапы (Северный Кавказ).

Технические усовершенствования бурения в 19 в., открываются предложением немецкого инженера Эйгаузена (1834) применять так называемые ножницы (сдвигавшаяся пара звеньев при штанговом бурении). Идея сбрасывать соединённое со штангами долото привела к изобретению во Франции Киндом (1844) и Фабианом (1849) свободно падающего бурового инструмента («фрейфала»). Этот способ получил название «немецкий». В 1846 французский инженер Фовель сделал сообщение о новом способе очистки буровых скважин водяной струей, подаваемой насосом с поверхности в полую штангу. Первый успешный опыт бурения с промывкой проведён Фовелем в Перпиньяне (Франция).

В 1859 Г.Д. Романовский впервые механизировал работы, применив паровой двигатель для бурения скважины вблизи Подольска. На нефтяных промыслах Баку первые паровые машины появились в 1873, а через 10 лет почти повсеместно они заменили конную тягу. При бурении скважин на нефть на первом этапе получил развитие ударный способ (бурение штанговое, канатное, быстроударное с промывкой забоя). В конце 80-х гг., в Новом Орлеане в Луизиане (США) внедряется роторное бурение на нефть с применением лопастных долот и промывкой глинистым раствором.

Впервые автомат для регулирования подачи инструмента при роторном бурении был предложен в 1924 Хилдом (США). В начале 20 в., в США разработан метод наклонного роторного бурения с долотами малого диаметра для бурения с последующим расширением скважин.

Ещё в 70-х гг., 19 в., появились предложения по созданию забойных двигателей, то есть размещению двигателя непосредственно над буровым долотом у забоя буримой скважины. Созданием забойного двигателя занимались крупнейшие специалисты во многих странах, проектируя его на принципе получения энергии от гидравлического потока, позднее - на принципе использования электрической энергии. В 1873 американский инженер Х.Г. Кросс запатентовал инструмент с гидравлической одноступенчатой турбиной для бурения скважин. В 1883 Дж. Вестингауз (США) сконструировал турбинный забойный двигатель. Эти изобретения не были реализованы, и проблема считалась неосуществимой. В 1890 бакинский инженер К.Г. Симченко запатентовал ротационный гидравлический забойный двигатель. В начале 20 в., польский инженер Вольский сконструировал быстроударный забойный гидравлический двигатель (так называемый таран Вольского), который получил промышленное применение и явился прототипом современных забойных «гидро» ударников.

Впервые в мировой практике М.А. Капелюшниковым, С.М. Волохом и Н.А. Корневым запатентован (1922) турбобур, примененный двумя годами позже для бурения в Сураханах. Этот турбобур был выполнен на базе одноступенчатой турбины и многоярусного планетарного редуктора. Турбобуры такой конструкции применялись при бурении нефтяных скважин до 1934. В 1935-39 П.П. Шумилов, Р.А. Иоаннесян, Э.И. Тагиев и М.Т. Гусман разработали и запатентовали более совершенную конструкцию многоступенчатого без редукторного турбобура, благодаря которому турбинный способ бурения стал основным в СССР. Совершенствование турбинного бурения осуществляется за счёт создания секционных турбобуров с пониженной частотой вращения и увеличенным вращающим моментом.

В 1899 в России был запатентован электробур на канате. В 30-х гг., в США прошёл промышленные испытания электробур с якорем для восприятия реактивного момента, опускавшийся в скважину на кабеле-канате. В 1936 впервые в СССР Квитнером и Н.В. Александровым разработана конструкция электробура с редуктором, а в 1938 А.П. Островским и Н.В. Александровым создан электробур, долото которого приводится во вращение погруженным электродвигателем. В 1940 в Баку электробуром пробурена первая скважина. В 1951-52 в Башкирии при бурении нефтяной скважины по предложению А.А. Минина, А.А. Погарского и К.А. Чефранова впервые применили электробур знакопеременного вращения для гашения реактивного момента, опускаемый на гибком электрокабеле-канате. В конце 60-х гг. в СССР значительно усовершенствована конструкция электробура (повышена надёжность, улучшен провод).

Появление наклонного бурения относится к 1894, когда С.Г. Войслав провёл этим способом скважину на воду близ Брянска. Успешная проходка скважины в Бухте Ильича (Баку) по предложению Р.А. Иоаннесяна, П.П. Шумилова, Э.И. Тагиева, М.Т. Гусмана (1941) турбинным наклонно-направленным бурением положила начало внедрению наклонного турбобурения, ставшего основным методом направленного бурения в СССР и получившего применение за рубежом. Этим методом при пересечённом рельефе местности и на морских месторождениях бурят кусты до 20 скважин с одного основания.

В 1938-41 в СССР разработаны основы теории непрерывного наклонного регулируемого турбинного бурения при неподвижной колонне бурильных труб. Этот метод стал основным при бурении наклонных скважин в СССР и за рубежом.

В 1941 Н.С. Тимофеев предложил в устойчивых породах применять так называемое многозабойное бурение.

В 1897 в Тихом океане, в районе о. Сомерленд (Калифорния, США), впервые было осуществлено бурение на море. В 1924-25 в СССР вблизи бухты Ильича на искусственно созданном островке вращательным способом была пробурена первая морская скважина, давшая нефть с глубины 461 м.

В 1934 году Н.С. Тимофеевым осуществлено на острове Артема в Каспийском море кустовое бурение, при котором несколько скважин бурятся с общей площадки, а в 1935 там же сооружено первое морское металлическое основание для бурения в море. С 50-х гг., применяется бурение для добычи нефти и газа со дна моря. Созданы эстакады, плавающие буровые установки с затапливаемыми понтонами, специальные буровые суда, разработаны методы динамической стабилизации буровых установок при бурении на больших глубинах.

Основной метод бурения на нефть и газ в СССР (1970) - турбобурами (76% метража пробуренных скважин), электробурами пройдено 1,5% метража, остальное роторным бурением. В США преимущественно распространение получило роторное бурение. В конце 60-х гг., при проведении наклонно-направленных скважин начали применяться турбобуры. В странах Западной Европы турбобуры применяются в наклонном бурении и при бурении вертикальных скважин алмазными долотами. В 60-е гг., в СССР заметно возросли скорости и глубина бурения на нефть и газ. Так, например, в Татарии скважины, бурящиеся долотом диаметром 214 мм., на глубину 1800 м., проходятся в среднем за 12-14 дней, рекордный результат в этом районе 8-9 дней. За 1963-69 в СССР средняя глубина эксплуатационных нефтяных и газовых скважин возросла с 1627 до 1710 м. Самые глубокие скважины в мире - 7-8 км - пробурены в 60-е гг. (США). В СССР в районе г. Баку пробурена скважина на глубину 6,7 км., и в Прикаспийской низменности (район Аралсор) на глубину 6,8 км. Эти скважины пройдены в целях разведки на нефть и газ. Работы по сверхглубокому бурению для изучения коры и верхней мантии Земли ведутся по международной программе «Верхняя мантия Земли». В СССР по этой программе намечено пробурить в 5 районах ряд скважин глубиной до 15 км. Первая такая скважина начата бурением на Балтийском щите в 1970. Эта скважина проходится методом турбинного бурения.

Основное направление совершенствования бурения на нефть и газ в СССР - создание конструкций турбобуров, обеспечивающих увеличение проходки скважины на рейс долота (полное время работы долота в скважине до его подъёма на поверхность). В 1970 созданы без редукторные турбобуры, позволяющие осуществить оптимизацию режимов Б. шарошечными долотами в диапазоне наиболее эффективных оборотов (от 150 до 400 в мин) и использовать долота с перепадом давлений в насадках до 10 Мн./м² (100 атм) вместо 1-1,5 Мн./м² (10-15 атм). Создаются турбобуры с высокой частотой вращения (800-100 об/мин) для бурения алмазными долотами, обеспечивающими при глубоком бурении многократное увеличение проходки и механической скорости бурения за рейс. Разрабатываются новые конструкции низа бурильной колонны, позволяющие бурить в сложных геологических условиях с минимальным искривлением ствола скважины. Ведутся работы по химической обработке промывочных растворов для облегчения и повышения безопасности процесса бурения. Конструируются турбины с наклонной линией давления, которые позволяют получить информацию о режиме работы турбобура на забое скважины и автоматизировать процесс бурения.

Заключение

В настоящее время скважины бурят практически во всех средах для проведения:

- научных исследований и обычных нефтяных и газовых разведочных работ;

- эксплуатации месторождений газообразных, жидких и твердых полезных ископаемых;

- сброса промышленных отходов и осуществления множества других технологических процессов. бурение нефть газ

Столь широкий диапазон применения буровых скважин в различных отраслях народного хозяйства определил многообразие условий размещения устьев, способов проходки и пространственного положения стволов этих выработок в пересекаемых ими горных массивах.

В улучшении показателей бурения важную роль играли совершенствование породу разрушающего инструмента, повышение прочности бурильных и обсадных труб, создание оборудования для приготовления и очистки промывочного раствора, противовыбросового оборудования скважин, забойных винтовых двигателей и др.

Российские буровые установки приобретаются многими зарубежными странами и успешно конкурируют с буровыми установками известных капиталистических фирм.

Список литературы

1. Муравьев В.М. Эксплуатация нефтяных и газовых скважин. М., «Недра», 1973.

2. Жданов М.А. Нефтегазопромысловая геология и подсчет запасов нефти и газа. М., «Недра», 1970.

3. Максимов М.И. Геологические основы разработки нефтяных месторождений. М., «Недра», 1965.

4. Муравьев В.М., Середа Н.Г. Основы нефтяного и газового дела. М., «Недра», 1967.

5. Меньшов Б.Г. и др. Электрооборудование в нефтяной промышленности, - М.: Недра, 1990.

6. Баграмов Р.А. Буровые машины и комплексы. - М.: Недра, 1988.

Размещено на Allbest.ru