Горная порода как цель, среда и предмет бурения

Основы бурения

Нефтяных и газовых скважин

лекции

 

 

Разработал

доцент кафедры бурения, к.т.н. Нор А.В.

 

 

Ухта – 2016

Содержание

От автора. 7

Введение. 8

1 Горная порода как цель, среда и предмет бурения. 12

1.1 Краткая геология нефти и газа. 12

1.1.1 Классификация горных пород по происхождению. Происхождение углеводородов. 12

1.1.2 Природные ловушки нефти и газа. Правила их вскрытия скважинами 15

1.2 Систематизация, состав и строение горных пород (для дополнительного изучения, по Спиваку А.П.) 19

1.2.1 Систематизация горных пород. 19

1.2.1 Состав осадочных горных пород. 21

1.2.2 Строение горных пород. 23

1.2.2.1 Структура горных пород. 24

1.2.2.2 Текстура осадочных пород. 27

1.2.2.3 Неоднородность горных пород. 29

1.3 Классификация горных пород по степени литификации. 30

1.4 Классификация литифицированных горных пород по соотношению породообразующих компонентов. 31

1.5 Свойства горных пород. 32

1.5.1 Плотность. 33

1.5.2 Прочность (предел прочности на сжатие) 34

1.5.3 Твёрдость (предел твёрдости) 35

1.5.4 Микротвёрдость (предел микротвёрдости) 36

1.5.5 Абразивность. 37

1.5.6 Удельная объёмная работа. 40

1.5.7 Упругость (коэффициент упругости) 41

1.5.8 Пластичность (коэффициент пластичности) 44

1.5.9 Пористость. 45

1.6 Классификация способов разрушения горных пород. 45

1.6.1 Твёрдомеханические. 46

1.6.2 Гидравлические. 48

1.6.2.1 Гидромониторный. 48

1.6.2.2 Гидроэррозионный. 48

1.6.3 Химические. 49

1.6.3.1 Растворение. 49

1.6.4 Термобарические. 49

1.6.4.1 Плазменный. 49

1.6.4.2 Электродуговой. 49

1.6.4.3 Лазерные. 50

1.6.4.4 Взрывной. 50

1.6.5 Комбинированные. 50

1.6.5.1 Буровзрывной. 50

1.6.6 Способы бурения. 50

1.7 График совмещённых давлений. 53

2 Конструкции скважин. 61

2.1 Методические понятия скважины. Чертежи, конструкции и схемы крепления скважин. 61

2.2 Расчёт диаметров обсадных колонн. 66

2.3 Классификации скважин по наибольшему углу наклона участка ствола и по количеству различных участков. 69

2.4 Классификация скважин по количеству участков с различным наклоном в одном стволе (профили скважин). 70

2.5 Кустовые и многозабойные скважины. 71

2.6 Проверка конструкции скважины по графику совмещённых давлений 73

3 Породоразрушающий инструмент. 76

3.1 Классификация породоразрушающего инструмента. 76

3.2 Буровые долота. 76

3.3 Типоразмеры и кодировка износа шарошечных долот. 82

3.4 Буровые головки. 84

4 Бурильная колонна. 85

4.1 Конструкция и принцип действия вертикальной бурильной колонны 85

4.2 Расчёт длины секций утяжелённых бурильных труб. 88

4.3 Расчёт длины секций бурильных труб. 89

5 Буровые установки и их работа. 92

5.1 Классификации буровых установок. 92

5.2 Пример буровой установки для геологоразведочного бурения УРБ-3АМ 94

5.3 Пример буровой установки для бурения на твёрдые полезные ископаемые ЗИФ-650. 97

5.4 Пример буровой установки для глубокого бурения на нефть и газ Уралмаш 3Д 98

6 Буровые промывочные жидкости. 100

6.1 Назначение. 100

6.2 Свойства промывочных жидкостей. 102

6.2.1 Плотность промывочных жидкостей. 102

6.2.2 Условная вязкость. 103

6.2.3 Статическое напряжение сдвига. 104

6.2.4 Пластическая вязкость и динамическое напряжение сдвига. 105

6.2.5 Водоотдача или фильтрация. 109

6.2.6 Толщина фильтрационной корки. 111

6.2.7 Водородный показатель. 111

6.2.8 Содержание песка. 111

6.2.9 Суточный отстой. 112

6.2.10 Показатель стабильности. 112

6.3 Классификации промывочных жидкостей. 113

7 Режимы бурения. 116

8 Управление траекторией скважины в процессе бурения. 117

9 Крепление скважин. 122

9.4 Назначение и граничное условие. 122

9.5 Принципы одно- и двухступенчатого цементирования. 124

9.6 Классификация и составы цементов. 128

9.7 Свойства цементных растворов и цементного камня. 131

9.7.1 Плотность. 132

9.7.2 Растекаемость. 132

9.7.3 Начало схватывания. 134

9.7.4 Конец схватывания. 135

9.7.5 Предел прочности на изгиб. 135

9.7.6 Равномерность изменения объёма. 136

9.7.7 Тонкость помола. 136

9.7.8 Содержание вредных примесей. 136

10 Аварии и осложнения. 137

10.1 Осложнения. 137

10.2 Аварии. 138

10.3 Предупреждение и ликвидация осложнений и аварий. 138

10.4 Ловильный инструмент. 140

11 Технико-экономические показатели. 141

12 Литература. 145

 

От автора

Задача лекций, в отличие от учебников, заключается в том, чтобы разными способами изложения, демонстрации и образности совершенствовать процесс передачи знаний, в том числе учебников, от преподавателя к аудитории. Не менее остро стоит проблема усвоения и закрепления знаний, которые часто понимаются студентами в процессе лекции, но очень быстро забываются, в том числе под действием следующих в учебном процессе лекций по другим дисциплинам. Так же остро стоит проблема сочетания интеллектуального труда и отдыха, с точки зрения перегретого учебными занятиями мозга студента, который начинает бойкотировать усвоение знаний. Из-за чего теряется смысл лекций и всего обучения вследствие массовой потери студентами своей дееспособности к учёбе, особенно к пятой паре занятий подряд в течении одного дня.

Не смотря на то, что существуют общие методики преподавания знаний, на разных кафедрах разных университетов существуют свои особенные способы передачи информации, зависящие от особенностей конкретных производственных технологий, сопровождающихся специфическими производственными впечатлениями для психики человека. Поэтому главным авторским произведением опубликованных лекций надо считать не общеизвестные учебные знания, которые лектор передаёт аудитории (иначе это можно расценивать как плагиат), а способы, методы и конкретные примеры их передачи.

Данные лекции основаны на традиционном опыте чтения лекций кафедры бурения УГТУ. в том числе, моих учителей Ахмадеева Р.Г, Буслаева В.Ф., Гержберга Ю.М., Кузнецова В. А., Уляшёвой Н.М., Фомина А.С. В данных лекциях более половины методов и способов передачи информации я унаследовал от них, за что выражаю им глубокую признательность.

Введение

Бурение нефтяных и газовых скважин является составной частью нефтегазового дела. Бурное развитие этой промышленности началось в начале 20 века, когда широко стали применять нефтяные и бензиновые двигатели внутреннего сгорания, требующие разнообразных топлив и масел. Дополнительное ускорение мировая нефтяная и газовая промышленность получила с 30-х годов 20 века, когда газ, нефть и нефтепродукты стали широко использоваться в народном хозяйстве в качестве сырья химической промышленности для производства синтетического каучука, пластмасс, синтетических волокон, спиртов, удобрений, сажи, и других продуктов.

Таким образом, нефть, газ и продукты их переработки являются товарами непрекращающегося спроса. Свидетельством тому являются показатели добычи нефти и газа. Так, в 1860 году в царской России добывалось 4 тыс. тонн нефти, в 1917 году 5530 тыс. тонн, в СССР в 1940 году – 31121 тыс. тонн, в 1960 – 147859 тыс. тонн, из них в РСФСР – 118861 тыс. тонн. В 1983 году в РСФСР добыча нефти достигла максимума в 564 млн. тонн. В настоящее время в РФ добыча нефти стабилизировалась на уровне 500 млн. тонн.

Для поддержания такого уровня добычи углеводородов в Российской Федерации, начиная с середины 90-х годов прошлого века, бурится в год не менее 900 тыс. метров глубоких скважин, через которые нефть и газ из подземных месторождений извлекается на поверхность. Однако, если учесть среднестатистический тридцатилетний цикл разработки месторождений, после которого добыча нефти из месторождений прекращается, то, судя по следующему графику, через ближайшие 10 лет глубокое разведочное бурение на нефть и газ в РФ может опять многократно возрасти до показателей бурения в СССР в 80-х годах прошлого века, поскольку придётся в массовом порядке разбуривать новые месторождения, в том числе месторождения высоковязких нефтей.

Рисунок 1 Глубокое разведочное бурение на нефть и газ в России

 

Итак, нефтегазовое бурение создаёт нефтегазовые ключи, из которых начинают свой путь речки Нефтянки, являющиеся основой бюджета нашей Родины. Поэтому я вас поздравляю с тем, что вы, наконец, решились причаститься к великому – к бурению скважин.

Бурение скважин похоже на всем известный процесс строительства ямки в золотом песке на берегу тёплого моря, где солнышко светит, волны плещут, и вам уже ничего не хочется, но любознательность никогда не пресытится! И вы начинаете исследовать окружающую действительность. Вы своей рукой копаете ямку в мокром песке до тех пор, пока в ней не появляется вода. И как только вода появляется в большом количестве, так сразу стенки ямки теряют устойчивость и рушатся. Ямка становится всё шире, а её углубление не получается. Скважины на нефть и газ так же бурят в осадочных горных породах, и такого же диаметра, только глубиной, например, три километра, и, разумеется, в разных направлениях, под разными углами наклона. То есть действительно технология бурения является очень сложной технической наукой, гораздо более сложной, чем игра в шахматы.

Однако, не всё так сложно и страшно. Например, если с одной стороны возникнет 5 факторов и с дрогой стороны возникнет 5 факторов, то при их взаимодействии, по теории вероятности, может возникнуть 5⁵ разных ситуаций, то есть практическая бесконечность! Однако если исследователь поймёт обе стороны по пять факторов, то ему достаточно будет изучить только десять факторов, чтобы понять взаимоотношения любых комбинаций из взаимодействия 5⁵ комбинаций. Главное, помнить принцип, что в сложных системах наиболее надёжно работают наиболее простые комбинации и последовательности. Например, бурение состоит из трёх основных операций:

- разрушение горных пород породоразрушающим инструментом, как правило, буровым долотом;

- вынос разрушенной горной породы на поверхность с помощью потока промывочной жидкости или газа, или с помощью бочки с клапаном, так называемой желонки;

- крепление стенок скважины с помощью стальных обсадных колонн.

Эта последовательность есть самая простейшая, а, значит, и самая надёжнейшая. Если мы её будем выполнять и обеспечивать, то мы безусловно пробурим скважину в осадочных горных породах.

В процессе бурения в осадочных породах стенки скважины могут обваливаться, заваливать забой и ствол скважины, прихватывать бурильный, геофизический или эксплуатационный инструмент. Поэтому, до момента их крепления стальными обсадными колоннами, скважины не считаются готовыми законченными сооружениями. А для того, чтобы скважину не завалило до крепления, для этого воду заменяют на буровой раствор, с технологическими свойствами как у киселя. То есть рыхлые стенки скважин очень хорошо и воистину держатся на соплях. Вообще, бурение, как и всё производство, есть явление довольно циничное. Например, хлеб родится из земли унавоженной, и никто над этим не смеётся. Потому что экономика должна быть экономной. Больше хороших товаров и по меньшей цене. И всё это будет при условии истинного отражения окружающей действительности в сознании инженеров и рабочих, при наличии у них смелости правильно называть вещи своими именами. Так как это даёт отличное внутреннее чутьё при научных исследованиях, а, стало быть, обеспечивает и производственный прогресс.

Возникает вопрос, почему нужно бурение, а не копание ямы? Ответ простой – выгода. Бурение скважин было, есть и будет до тех пор, пока есть земля, и есть желание проникать в неё глубже и дешевле. Бурение гораздо выгоднее, чем копание ямы такой же глубины. Хотя бы потому, что объём горной породы, разрушенной и поднятой на поверхность, при бурении глубокой скважины на два порядка меньше, чем при рытье соответствующей ямы.

Но, несмотря на это преимущество и многие другие (не нужна откачка грунтовых вод, не нужен серпантин дорог и так далее), бурение всё же является занятием весьма не дешёвым. Например, в восьмидесятых годах двадцатого века в Тимано-Печорской провинции стоимость строительства разведочной скважины глубиной три тысячи метров достигала трёх миллионов рублей (при стоимости килограммовой буханки хлеба в 20 копеек), а эксплуатационной – более одного миллиона двухсот тысяч рублей. Причём стоимость строительства скважины в зависимости от её глубины растёт в арифметической прогрессии.

Поэтому, прежде чем бурить, нужно определить цель, среду и предмет бурения, средства производства и предметы труда, рабочую силу и природно-климатические условия, стоимости и себестоимости различных способов бурения, и, наконец, выбрать оптимальную, то есть самую дешёвую технологию бурения, включая соответствующую конструкцию крепления скважины.

Горная порода как цель, среда и предмет бурения