Бурение скважин на нефть и газ

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основные понятия и термины

бурение скважина геологический

Бурение скважин на нефть и газ представляет собой процесс строительства глубоких горных выработок круглого сечения с диаметром во много раз меньше длины без доступа в них человека.

Скважина - горная выработка, образуемая в результате бурения для размещения в ее стволе обсадных колонн и внутрискважинного технологического (эксплуатационного) оборудования.

Буровая скважина состоит из следующих элементов (рис. 1):

Рис. 1. Элементы буровой скважины: 1 - устье; 2 - забой сплошной; 3 - стенки; 4 - обсадные колонны; 5 - ствол скважины, не обсаженный трубами; 5а - ствол скважины, обсаженный трубами; б - ось скважины; 7 - керн; 8 - забой кольцевой; D1 D2, D3 - диаметры интервалов скважины; d1н, d1в, d2н, d2в - диаметры обсадных труб, наружные (н) и внутренние (в); dк - диаметр керна; L1, L2 - глубины обсаженных интервалов скважины; L3- общая глубина скважины

Устье 1 - начало скважины, т.е. пересечение ее с земной поверхностью; забой 2 - дно буровой скважины, перемещающееся в результате воздействия породорозрушающего инструмента на породу; боковых поверхностей (стенок) 3; обсадных колонн 4 - колонны соединенных между собой обсадных труб, концентрически расположенные в стволе скважины и предназначенные для крепления ее стенок (в неустойчивых породах); ствол 5 - пространство в недрах земли, занимаемое буровой скважиной; ось стола 6 - воображаемая линия, соединяющая центры поперечных сечений ствола скважины; разрушение горной породы по кольцевому забою 8 с образованием керна 7. (Б); разрушение горной породы по сплошному забою (А).

Ось ствола скважины практически всегда имеет пространственное искривление, однако при небольшой интенсивности искривления (обычно менее десятой доли градуса на 10 м длины ствола) и малой суммарной величине отклонения от вертикали (<1-2°) скважину называют вертикальной. При большой интенсивности искривления и значительных общих величинах произвольного отклонения ствола от вертикали скважины называют искривленными, что в некоторых случаях отражается на качестве строительства скважины в целом. Специально искривленные скважины под необходимыми углами с заданной интенсивностью искривления называются наклонно направленными. При отклонении скважины от вертикали на 90° скважину называют горизонтальной. Несколько близко расположенных (несколько метров между устьями) наклонных скважин образуют куст; разбуривание месторождения (участка) таким способом называется кустовым бурением. Скважина будет многорядной, если в нее спущено несколько эксплуатационных колонн параллельно друг другу для одновременной добычи нефти и газа из нескольких горизонтов с различными пластовыми давлениями.

Для увеличения области дренирования пласта иногда от основного ствола скважины бурят несколько дополнительных наклонных стволов. Такие скважины называются многозабойными. Продуктивность таких скважин зависит от длины дополнительных стволов (ответвлений) и радиуса контура дренирования, а также от числа дополнительных стволов. При отношении Lотв/R_K=0,1:0,2 (Lотв - длина ответвления; R_K - радиус контура дренирования) получается удвоение добычи по сравнению с добычей из обычной скважины.

Различают скважины большого, нормального, уменьшенного и малого диаметров.

Скважины большого диаметра - скважины, диаметр которых больше диаметра отверстий роторов, обычно свыше 760 мм. Скважины, основной ствол которых под эксплуатационную колонну 140 мм бурится долотом 190,5 мм, принято относить к скважинам уменьшенного диаметра. Условно скважины глубиной менее 1000-1800 называются скважинами малой глубины (мелкие), от 1800 до 4500 м средней глубины, от 4500 до 6000 м - глубокими, от 6000-10000 м - сверхглубокими, и более 10000 м - глубинными. Последние представлены пока единственной скважиной глубиной 12262 м. Это самая глубокая скважина в мире СГ - 3 (На Кольском полуострове).

Нефтяные и газовые скважины представляют собой дорогостоящие капитальные сооружения, служащие многие десятилетия. Из скважин добывают полезные ископаемые. С их помощью нагнетают в пласты различные агенты, ведут контроль за разработкой месторождения.

Для выполнения этих процессов необходимо продуктивный пласт соединить с дневной поверхностью герметичным, прочным и долго- временным каналом. Поэтому при сооружении скважин возникает необходимость крепить ее ствол и разобщать (изолировать) пласты, содержащие различные флюиды (вода, нефть, газ, их смеси). Крепление ствола скважины производится путем спуска в нее специальных стальных труб, называемых обсадными. Ряд обсадных труб, соединенных последовательно между собой, составляет обсадную колонну.

При пересечении бурящейся скважиной различных пластов происходят перетоки флюидов из одного пласта в другой. Для исключения этого явления кольцевой канал (кольцевое пространство) между стенкой скважины и спускаемой в нее обсадной колонной заполняется тампонирующим (изолирующим) материалом. Это составы, включающие вяжущее вещество, инертные и активные наполнители, химические реагенты, называют тампонажными растворами. Их готовят обычно в виде водных растворов (смесей) и закачивают в скважину насосами. Из вяжущих веществ наиболее широко применяются тампонажные портландцементы. Поэтому процесс разобщения пластов называется цементированием.

Таким образом, в результате механического бурения, крепления скважины и разобщения пластов создается устойчивое подземное сооружение определенной конструкции.

Скважина - это капитальное сооружение.

Под конструкцией скважины понимается совокупность данных о числе и размерах (диаметр, длина) обсадных колонн, диаметрах ствола скважины под каждую колонну, интервалах цементирования, а также о способах и интервалах соединения скважины с пластом (рис. 2)

Сведения о диаметрах, толщинах стенок и марках сталей обсадных труб по интервалам, а также типах обсадной колонны входят в понятие конструкции обсадной колонны - оснастки обсадной колонны.

В скважину спускают обсадные колонны определенного назначения: направление, кондуктор, промежуточные колонны, эксплуатационную колонну.

Решение о спуске промежуточных колонн принимается после тщательного изучения и анализа геологических условий и возможностей технологии бурения. При этом существенно важен анализ соотношения давлений, возникающих при бурении в системе скважина - пласт.

Если давление в скважине р_с меньше пластового р_пл (давление флюидов, насыщающих пласт), то флюиды из пласта будут поступать в скважину, что называется проявлением. При повышении давления в скважине до некоторой величины, называемой давлением начала поглощения Рпогл, жидкость из скважины поступает в пласт. Это называется поглощением.

Конкретные значения давления начала поглощения зависят от величины пластового давления, прочности и пластичности пород, их пористости, проницаемости, наличия в них открытых (соединяемых) или закрытых трещин, а также свойств поступающей в пласт жидкости.

Давление, при котором происходит раскрытие естественных сомкнутых трещин или образование новых, называется давлением гидравлического разрыва пласт Рг.р.п. В этом случае Рпогл= Рг.р.п Соотношение давлений существенно влияет и на устойчивость стенок скважины. Чем больше разница между боковым горным давление и давление в скважине, тем выше напряженность горных пород вокруг ее ствола, а следовательно, и веро ятность их течения и осыпания.

Рис. 2. Схема конструкции скважины

Промежуточные колонны могут быть сплошными (их спускают от устья до забоя) и несплошными. Последние называются хвостовиками. Хвостовик должен перекрывать весь незакрепленный ствол скважины и, кроме того, предыдущую колонну на участке не менее 100 м. В отдельных случаях и эксплуатационная колонна может спускаться в виде хвостовика.

2. Разновидности и назначение скважин

В нефтяной и газовой промышленности бурят скважины различного назначения:

эксплуатационные скважины бурят для разработки и эксплуатации залежей нефти и газа. В эту категорию входят оценочные (для оценки коллекторов продуктивных горизонтов), добывающих (добычные), нагнетательные (для закачки в продуктивные горизонты воды, воздуха или газа с целью поддержания пластового давления и удлинения периода естественного фонтанирования) и наблюдательные (контрольные, пьезометрические). К этой категории относят также скважины, предназначенные для термовоздействия на пласт при разработке месторождений с высоковязкими нефтями; разведочные скваокмны бурят на площадях с установленной промышленной нефтегазоносностью для оконтуривания месторождения, подсчета запасов и подготовки его к разработке;

опорные скважины бурят для изучения геологического строения и гидрогеологических условий крупных регионов, определения общих закономерностей распространения комплексов отложений, благоприятных для нефтегазонакоплений, а также приобретения опыта бурения на данной площади;

параметрические скважины бурят для изучения глубинного геологического строения и сравнительной оценки перспектив нефтега- зоносности возможных зон нефтегазонакопления, выявления наиболее перспективных районов для детальных геологических работ, а также для получения необходимых сведений о геолого-геофизической характеристике разреза отложений с целью уточнения результатов сейсмических и других геофизических исследований;

структурные скважины бурят для выявления и подготовки к поисково-разведочному бурению перспективных площадей (антиклинальные складки, зоны экранирования, выклинивания и т.д.)- По полученным в результате бурения структурных скважин данным определяют элементы залегания пластов (тектонику, стратиграфию и литологию) в разных точках и составляют профили данной площади;

поисковые скважины бурят на площадях, подготовленных геологопоисковыми работами (геологической съемкой, структурным бурением, геофизическими и геохимическими исследованиями или комплексом этих методов) с целью установления нефтегазоносности;

специальные скважины бурят для сброса промысловых вод; ликвидации открытых фонтанов нефти и газа; подготовки структур для подземных газохранилищ и закачки в них газа; разведки добычи технических вод.

К качеству строительства предъявляются в настоящее время следующие требования:

проводка скважины не должна нарушать состояния окружающей природы и недр, естественную разобщенность пластов и т.д.;

профиль скважины должен быть выдержан по интенсивности искривления и отклонению забоя в пределах заданных допусков;

естественная проницаемость пласта должна быть сохранена при бурении скважины;

эксплуатационная колонна должна иметь такой диаметр, чтобы обеспечивался пропуск ожидаемого количества нефти, газа, воды при минимальных затратах на их подъем и строительство скважины; обычно диаметр эксплуатационных колонн нефтяных скважин составляет 140,146, и 168 мм, а газовых 146,168,194,219 мм;

ствол скважины должен отвечать определенным требованиям по форме сечения и профилю, что необходимо для нормального дальнейшего углубления скважины и спуска в нее обсадных колонн.

Общее требование - буровые работы должны выполняться с соблюдением законов по охране труда и охране природы и недр.

Виды бурения (по способу разрушения породы): механическое, термомеханическое, струйное, взрывное, огневое, контактным плавлением, электрогидродинамическое, магнитострикционное, ультразвуковое и др.

При бурении скважин на нефть и газ повсеместно применяется как наиболее эффективное и экономичное механическое разрушение горных пород, сочетающееся в последнее время с активными физико- химическими и гидродинамическими воздействиями бурового раствора.

Механическое разрушение горных пород реализовано в наиболее распространенном вращательном и ударном бурении, которое предшествовало вращательному. В настоящее время ударное бурение при проходке нефтяных и газовых скважин у нас не применяется.

3. Вращательное бурение

Горная порода разрушается вращающимся долотом, на которое предается осевая нагрузка и крутящий момент. Крутящий момент предается или от вращателя (ротора) с поверхности, или у забоя от забойного двигателя. Осевая нагрузка передается в основном частью веса утяжеленных бурильных труб (УБТ) и забойного двигателя. Используются также гидравлические, гидроударные и другие способы передачи нагрузки. На долото диаметром 215,9 мм создается нагрузка около 150-250 кН (15-25 тс). Крутящий момент в зависимости от типа долота, свойств пород и других факторов при диаметре бурения 215,9 мм составляет 1000-3000 Н м (100-300 кгс-м). Частота вращения при роторном бурении 20-200 мин (об/мин); винтового двигателя 150-250 мин"; при турбинном и электробурении без редуктора 250-800 мин^-1; с редуктором 200-300 мин^-1. При общей мощности привода буровой установки 1000-1500 кВт для бурения на глубину до 4500 м на долото передается от 200 до 500 кВт. Механическая скорость бурения достигает 100 м/ч и более при бурении мягких пород и пород средней твердости. Этому способствует непрерывная промывка.

Подача буровых насосов при диаметре долота 215,9 мм составляет 20-30 л/с, давление на выкиде насосов 5-20 МПа (50-200 атм.). Установочная мощность на приводе насосов около 600 кВт.

В зависимости от объема спуско-подъемных операций (СПО) применяются свечи длиной 25 и 37 м и вышки высотой соответственно 41 и 53 м. Оснастка 2x3; 3x4; 4x5; 5x6; 6x7 по мере возрастания глубины скважины и массы колонны.

Вышки для бурения на глубину 4500 м имеют грузоподъемность около 2000 кН (200 тс).

Для облегчения СПО в России разработан комплекс механизмов спускоподъема (МСП), в котором механизированы свинчивание-развинчивание, расстановка свечей при подъеме и подаче свечей к оси скважины. Разработан автомат спуско-подъемных операций (АСП). В

настоящее время успешно применяется верхний привод, позволяющий серьезно улучшить технологический процесс бурения скважины и особенно направленных (в первую очередь горизонтальных с большим протяжением ствола). Каждая буровая установка представляет собой крупную автономную производственную единицу, требующую для своего обслуживания высококвалифицированных специалистов: буровиков-технологов, механиков - вышкомонтажников, механиков по эксплуатации, обслуживанию, ремонту бурового оборудования и инструмента, инженеров по КИП и автоматике.

4. Краткая историческая справка

Бурение, как термин определяет существо самого процесса проникновения бура в земную кору и это близко по звучанию и смыслу к словосочетанию «борение - преодоление».

Появление бурения связано с древнейшим периодом развития человеческой цивилизации. Способы бурения или сверления горных пород с помощью более твердых пород (видимо пластинчатых кремневых сверл) использовались человеком еще в каменную (неолитическую) эпоху при изготовлении бус, примитивных орудий труда, охоты и боевых действий.

Поэтому, по гипотетическим рассуждениям доктора технических наук профессора В.В. Нескоромных вполне уместно считать наиболее близким из мифических героев к буровикам бесстрашного титана Прометея, подарившего огонь людям. О принадлежности Прометея к сословию геологов-буровиков говорит и его имя. Например, в книге проф. Ребрика Б.М. «У колыбели геологии и горного дела» указано, что имя Прометей, возможно, произошло от слов «праманте, праманта» - кручение или поворачивание палки, погружение штанги. И еще, там же, приводятся слова Прометея из трагедии Эсхила (около 525 - 456 г.г. до н.э.) «... А богатства, скрытые в подземных недрах, - серебро и золото, медь - я их обнаружил первым и на свет извлек».

Как известно Прометей был прикован к скале Зевсом в наказание за, якобы, похищенный для людей огонь. Видимо Прометей похитил, все-таки, не сам огонь, а научил людей его добывать, ибо отнять, что- либо материальное всемогущий Зевс мог без труда, но вернуть назад, попавшее к людям знание было, все-таки, уже не в его силах. Видимо Прометей лишил Зевса монополии на владение волшебством огня, и именно поэтому его гнев был так велик.

Интересна история о гибели, прикованного к скале Прометея. Учитывая, что все мифы и легенды, так или иначе, основаны на реальных события и образах, часто имеют реальных прототипов для героев, можно допустить, что Прометей - реальны персонаж древних времен. Очень вероятно, был такой знающий рудное дело человек, а гибель Прометея стала результатом неудачного восхождения в горы для поисков руд и их добычи. Сорвавшись со скал, Прометей мог травмироваться, а израненный и неспособный к самостоятельному спуску вниз остаться на высокой скале. Вероятно, эту трагедию видели люди, оставшиеся внизу, но по каким-то причинам не сумевшие или не успевшие оказать ему помощь» и наблюдавшие смерть беспомощного Прометея убитого стервятниками.

Вполне возможно, что Прометей, добывающий огонь и Прометей - геолог это разные люди, чьи судьбы объединены мифом в один образ.

Миф о Прометее это Великий Памятник, созданий людьми ранних человеческих цивилизаций в знак почитания титанов - людей, сделавших великое депо - сумевших научиться и учить других добывать руды из обширных подземных кладовых, и таким образом, заложить основы построения цивилизации будущего.

Интересно, что в русском языке термины сверление и бурение различаются, а в английском и немецком - синонимы (drilling и bohren).

Ощущается связь слова на немецком bohren с русским «бурение». Какой ж изначально позаимствовал термин - русский ли, из немецкого. голландского (boor) переделав по обыкновению слово «под себя», или наоборот, трудно сказать, но в русском языке есть близкие по звучанию слова, например, буровить или борение, а в немецком?

Возможно слово-термин «бурение» возникло из слова «буровить», которое по В.И Далю означает «буровить - вспахивать, взбуравливать чем-либо материала, поэтому возможно из этого слова возникли слова «борение. борьба, оборона, борона и др.». Из этого же слова могли возникнуть и слова «бурение», а затем и «бур».

Если слова «буровить» обозначает несколько бессмысленное и малополезное действие, которое в языке еще получило значение «набуровить -- сделать, что-то вызывающе неправильное», то понятие «бурение, бурить»- действие строго организованное и полезное, т.к. направлено на выполнение некоторой технической задачи».

Технология сверления, очевидно, возникла в развитие методов и средств добывания огня трением с применением лучкового привода.

О возникновении бурения как производственной деятельности человека имеются многочисленные исторические подтверждения.

Сохранились гидрогеологические скважины - колодцы, пробуренные до нашей эры в долине реки Нил. Иногда эти памятники буровой технологии имеют высеченные на камне тексты, в которых указаны даты сооружения скважины. Первоначально бурение скважин выполнялось грубыми кремневыми долотами, крепившимися к деревянному шесту.

С развитием металлургии на смену каменному долоту пришло металлическое сверло - зубило: возраст найденных буровых инструментов достигает 5000 лет.

В древнем Китае бурили водяные скважины и там буровая технологах достигла высокой степени совершенства. Горную породу на забое разрушали тяжелым металлическим зубилом, прикрепленным к бамбуковому шесту. С помощью пенькового каната буровой инструмент приподнимали над забоем и сбрасывали вниз. Таким образом, зубило (долото) дробило породу. Частицы мелко раздробленной породы смешивались с водой и периодически вычерпывались из скважины ведром. Основоположником ударного способа бурения в Китае был великий инженер Ли Бин, пробуривший примерно 2200 лет тому назад скважину глубиной в 1000 м. Это первое известное изображение буровика в мире.

Бурение водяных скважин широко применялось во многих странах мира, в том числе и в России.

В Боспорском государстве на Керченском полуострове добывали и использовали нефть еще в 370 г.н.э.

В первой половине X в. арабский историк и путешественник Масуди письменно свидетельствует о двух главных источниках черной и белой нефти на Апшеронском полуострове.

В 1579 г. впервые с реки Ухты в Москву была доставлена нефть, которая именовалась, как «горючая вода густа».

Первый рукописный учебник по технологии бурения скважин для разведки и добычи каменной соли «Роспись, как зачать делать новую трубу на новом месте» написана в XVII в. Здесь «труба» - это скважина. Этот свод правил обобщил многовековую практику бурения скважин по Руси. В нем подробно описан инструмент, его установка и приемы бурения. О высоком уровне культуры бурения скважин в России свидетельствует факт, что в «Росписи ...» содержится 128 специальных буровых терминов только русского происхождения. Впервые упоминается даже об естественном искривлении скважин.

Первое упоминание о применении для разведки залежи нефти «земляного бура» на Тамане было сделано в 1835 г.

Первая скважина на нефть была пробурена В.Н. Семеновым в 1847 г. в Биби-Эйбате (Азербайджан).

В 1868 г. М.К. Сидоров бурит первую на Севере России нефтяную скважину.

В 1869 и 1871 гг. в Балханах Мирзоевым впервые на этой площади ручным вращательным способом были пробурены скважины на нефть на глубины 64 и 45 мм соответственно.

По мере увеличения объема бурения совершенствовалась техника. Малопроизводительный ручной вращательный способ был вытеснен ударно - канатным способом, примененным А.Н. Новосильцевым в 1864 г. при бурении на Тамани. В 1901 г. Россия занимала первое место в мире по добыче нефти (11,5 млн. т, около 50% мировой добычи). В 1903 г. в Азербайджане при ударном бурении на нефть применяли паровые машины, использованные еще в 1859 г. Г.Д. Романовским при бурении на воду. Вращательное роторное бурение впервые было применено в США в 1901 г. в сочетании с непрерывной промывкой, а в России в 1902 г.

Производительность роторного бурения на нефть многократно возросла после изобретения в 1909 г. американским инженером Говардом Юзом шарошечного долота.

Технически новая задача герметизации заколонного пространства при вращательном бурении была решена закачкой цементного раствора по методу А.А. Богушевского. Следующим крупным шагом в развитии бурения было создание гидравлических забойных двигателей - турбобуров. В 1923 г. М.А. Капелюшниковым и другими инженерами были созданы одноступенчатые турбобуры, а в 1933-1940 гг. на базе разработанной П.П. Шумиловым теории осевых многоступенчатых (100 и более ступеней) турбинных двигателей им совместно с Р.А. Иоаннесяном, Э.И. Тагиевым и М.Т. Гусманом был создан мощный турбобур с довольно большим крутящим моментом и износостойкой резинометаллической опорой.

В последующем турбобур показал особые преимущества при проводке наклонных скважин благодаря удобству ориентирования отклонителей при неподвижной, невращающейся бурильной колонне.

Развитие турбинного бурения продолжается в направлении повышения крутящего момента и мощности на долоте за счет применения редукторов, секционирования, перехода на шаровую опору.

Объем турбинного бурения по России составляет около 75-80 %.

Другим направлением в совершенствовании гидравлических забойных двигателей является создание объемного винтового двигателя, отличающегося от турбобура принципом работы и более жесткой характеристикой, большим крутящим моментом, меньшими частотами вращения (120-250 мин"¹), габаритами, расходом жидкости и перепадом давления.

Однозаходный винтовой двигатель разработан в США в 1964 г., а в России в Пермском филиале ВНИИБТ - многозаходный объемный двигатель. К настоящему времени разработаны винтовые двигатели диаметрами от 54 до 195 мм.

Новинкой сегодня является модульный турбинно-винтовой забойный двигатель сочетающий в себе положительные свойства как турбобура, так и винтового двигателя.

В 1937-1940 гг. в СССР Н.В. Александровым» А.А. Островским и другими учеными разработаны электробуры диаметрами от 164 до 290 мм с частотой вращения 700-540 мин⁴ и мощностью 50-250 кВт, дающие возможность бурить скважины с применением вязких н утяжеленных растворов плотностью до 2,2 г/см³.

В настоящее время в нашей стране вновь расширяется объем применения роторного бурения.

В осложненных условиях и для вскрытия продуктивных пластов успешно применяются растворы с низким содержанием твердой фазы, соленасыщенные, минерализованные, в том числе хлоркалиевые, алюмакалиевые. известково-калиевые, структурированные растворы, аэрированные жидкости, пена, растворы на углеводородной (нефтяной) основе, прямые и обратные (обращенные) эмульсии. Имеются довольно значительные успехи в использовании полимерных добавок. Созданы тампонажные материалы различной плотности с регулируемыми реологическими свойствами со сроками схватывания при низких и высоких температурах, с ограниченным изменением объема при твердении. Такое изменение свойств достигается преимущественно введением в тампонажные составы различных добавок. Наряду с традиционными портландцементами разработаны и успешно применяются шлакоцементы, шлакопесчаные цементы, безусадочные н расширяющиеся цементы, полимерцементы и др. Много сделано для улучшения оснастки обсадных колонн с целью их центрирования, удаления рыхлой глинистой корки со стенок скважины и т.д.

Бурение стало важнейшей отраслью народного хозяйства, от дальнейшего развития которой зависят разведка и добыча энергетических и многих других видов сырья.

Размещено на Allbest.ru