Бурение нефтяных и газовых скважин

Бурение нефтяных или газовых скважин является сложным, я в ряде случаев и опасным процессом. Бурение нефтяных или газовых скважин может быть успешно осуществлено только при обязательном соблюдении ряда правил и положений. Таких правил и положений достаточно много, и все они изложены в данном учебнике, но среди этого многообразия есть главные (их всего семь), которые следует запомнить и обязательно выполнять. Их выполнение гарантирует успех.

Основные положения, гарантирующие успешную проводку скважины.

1. Все члены буровой бригады, особенно бурильщики, должны хорошо знать геолого-технический наряд (ГТН), особенности бурения в данном районе, геологический разрез (интервалы) скважины. Особое внимание должно быть обращено на интервалы, где возможны осложнения. При подходе к таким интервалам принимаются необходимые меры предосторожности.

2. Коллектив буровой бригады, особенно его основного звена — вахты, должен быть дружным и спаянным. Если в состав вахты входит человек, по каким-либо причинам не совместимый с остальными членами коллектива, его лучше перевести в другую вахту, бригаду.

Процесс бурения не всегда спокойный и безобидный, возможны экстремальные ситуации (аварии, газовые выбросы, пожары и (.д.), при которых от буровой бригады (вахты) требуются мастерство, хладнокровие, мужество и самоотверженность. В этих условиях взаимоотношения между членами бригады могут играть решающую .роль.

3. Все члены буровой бригады, особенно бурильщики, должны быть профессионалами своего дела. Профессионализм в бурении достигается постоянными тренировками и повышением своей квалификации.

4. Процесс бурения в значительной мере консервативен. Он состоит из последовательности операций, нередко повторяющихся, которые обязательно производятся в определенном порядке. Отступление от этого правила в большинстве случаев приводит к осложнениям или авариям. В этом отношении буровую вахту можно сравнить с экипажем самолета, когда малейшее отступление от правил приводит к катастрофе.

5. Все члены коллектива обязаны соблюдать дисциплину в процессе строительства скважины. Малейшая расхлябанность, появление на работе в нетрезвом состоянии или после бурно проведенного накануне дня чревато серьезными последствиями. Потеря или притупление бдительности часто приводит к несчастным случаям, в том числе и со смертельным исходом. Каждое отступление от общепринятых норм не должно оставаться незамеченным.

6. Каждый член буровой бригады должен неукоснительно соблюдать правила техники безопасности, уметь оказать первую медицинскую помощь пострадавшему, твердо знать свои обязанности при газовом выбросе, пожаре и других экстремальных ситуациях. Задача бурового мастера — постоянно проводить учения и довести действия членов буровой бригады в этих ситуациях до полного автоматизма.

7. Каждый член буровой бригады должен выполнять только то, что ему предписано должностной инструкцией. Вес остальные действия выполняются только по распоряжению бурового мастера (бурильщика).

Бурение скважин применяется в различных целях, включая: изучение строения земной коры, поиски и разведку нефти, газа, воды и твёрдых полезных ископаемых, а также при строительстве дорог для изучения грунта и др. При этом при поисках нефти и газа проводится глубокое бурение, которое представляет собой сложный процесс и, как правило, трудоемкий для людей, осуществляющих бурение. Он требует больших материальных и технических средств, включая специальные инструменты, материалы, оборудование и установки.

В ряде мест нашей страны бурение на нефть и газ проводится в сложных геологических и климатических условиях с достижением продуктивных горизонтов на глубине ниже 3 км, а нередко 4—5 км.

Как указывалось ранее, бурение на большой глубине, в том числе под соленосные толщи, а также и труднодоступных районах тундры с вечной мерзлотой и тайги, конечно, требует от буровиков в современных условиях проводить выполнение всех видов работ, связанных с бурением глубоких скважин на нефть и газ, с особой ответственностью и высокой квалификацией. В противном случае во время бурения скважин возможны различные осложнения, которые могут пагубно воздействовать на людей и окружающую среду. Поэтому тщательный и ответственный подход к своим обязанностям для каждого члена буровой бригады является главным принципом безаварийной работы буровиков в процессе бурения глубоких скважин на нефть и газ.

Ряд буровых бригад в последние годы, когда началось освоение необжитых и труднодоступных районов, в том числе Западной Сибири используют вахтовый метод, т. с. бригады буровиков выезжают на место бурения скважин на короткое время, живя в походных условиях. А затем возвращаются в свои стационарные буровые организации.

Бурение глубоких скважин производится путём механического разрушения горных пород с применением специальных двигателей. При этом различают два вида механического бурения: ударное и вращательное. Ударное бурение, называемое также ударно-канатным, заключается в следующем. На канате подвешиваемся долото, которое периодически опускается на забои и разрушает породу. Канат находится на барабане буровой установки и с помощью различных приспособлений может опускаться и подниматься.

Разрушенная порода па забое, называемая шламом, периодически удаляется. Для того буровой инструмент поднимают, спускают вниз желонку (ведро с клапаном в дне). При погружении желонки клапан открывается, и она заполняется смесью пластовой пли доливаемой жидкости и разбуренной породы. Во время подъема желонки клапан закрывается. В результате многократных опусканий и подъемов желонки забой скважины очищается, и вновь продолжается бурение скважины.

При ударном способе бурения, как правило, не используют промывочную жидкость. Но с целью сохранения пробуренного ствола скважину обсаживаю, т. е. спускают обсадную колонну, состоящую из металлических труб, соединенных через резьбу или сваркой. По мере углубления скважины обсадную колонну продвигают к забою и удлиняют нулём наращивании ещё одной трубы. Если продвинуть обсадную трубу вниз невозможно, спускают внутрь вторую обсадную колонну меньшего диаметра. Для того скважину углубляют долотом, а колонну наращивают. Возможен спуск и последующих колонн меньшего диаметра, пока не будет достигнута проектная глубина.

Эффективность ударного способа бурения зависит от выбора долота для бурения определенной породы, от массы бурового инструмент, числа ударов долота о забой и других причин.

Мри ударном способе бурения используются станки с небольшой массой (до 20 т), что позволяет их легко транспортировать для бурения неглубоких скважин вдалеке от населённых пунктов.

Но при бурении нефтяных и газовых скважин ударный способ не применяется. Бурение на нефть и газ проводится путём вращательного способа бурения.

Вращательное бурение производится в результате одновременного воздействия на долото нагрузки и крутящего момента. Этот способ бурения осуществляется с использованием ротора или забойных двигателей: турбобура или электробура.

При роторном бурении мощность от двигателя передастся ротору — вращательному механизму, установленному над устьем скважины в центре вышки. Ротор вращает бурильную колонну труб с долотом.

При бурении с забойным двигателем долото привинчено к валу, а бурильная колонна — к корпусу двигателя. При работе двигателя вращается его вал и долото, а бурильная колонна не вращается. Следовательно, при роторном бурении углубление долота в породу происходит при перемещающейся вдоль оси скважины и вращающейся бурильной колонны, а при бурении с забойным двигателем — не вращающейся бурильной колонны.

При вращательном способе бурения проводится промывка скважины водой или глинистым раствором в течение всего времени работы долота на забое. Промывочная жидкость нагнетается в скважину и выносит выбуренную породу на поверхность, в специальные ёмкости (желоба), затем она очищается и очистительных механизмах и вновь поступает в приёмные ёмкости буровых насосов и закачивается в скважину.

Бурильные трубы поднимают для смены изношенного долота, их развинчивают на секции, которые называют свечами. Свечи устанавливают и фонаре вышки на подсвечнике. Затем спускают бурильную колонну в скважину в обратном порядке.

К забойным двигателям относятся: турбобур и электробур. Вращение вала турбобура происходит за счет преобразования гидравлической энергии потока промывочной жидкости по бурильной колонне, поступающей в турбобур, в механическую энергию турбобура, с которым жёстко соединено долото.

При бурении с электробуром энергия к его двигателю подаётся по кабелю, секции которого укреплены концентрично внутри бурильной колонны.

Различные способы вращательного бурения имеют специфические особенности режима бурения. Режим бурения характеризуется комплексом покупателей бурения, включая: скорость про ходки, нагрузку па забой, частоту вращении долота, расход промывочной жидкости и др.

Под оптимальным режимом бурения понимают сочетание таких параметров бурения, при которых достигается наибольший эффект, т. е. при сравнительно небольших затратах материальных и денежных средств получены высокие скорости бурения, а фактический ствол скважины близок к проектному.

Для каждой породы можно подобрать оптимальные параметры бурения: нагрузки на долото, частоты вращения долота и расхода промывочной жидкости.

В случае бурения с помощью ротора взаимосвязи параметров режима бурения не отмечается, поэтому оптимальный режим подбираю! по каждому параметру и отдельности. При этом, в зависимости от геологии разреза с учётом твёрдости пород, выбирается нагрузка на долото и частота его вращения, а также устанавливается расход промывочной жидкости в зависимости от степени очистки забоя скважины.

В отличие от роторного бурения при бурении с турбобуром существует связь между параметрами режима бурения. Например, с увеличением расхода промывочной жидкости при одинаковой нагрузке на забой также увеличивается частота вращения нала турбобура. И зависимости от твердости пород нагрузку меняют и соответственно меняется частота вращения долота, что и приводит к оптимальным показателям бурения скважины. При бурении с электробуром, в отличие от турбинного бурения не устанавливается связь между параметрами режима бурения, однако частота вращения долота высокая, что и обеспечивает оптимальный режим бурения.

В большинстве случаев по проекту бурятся вертикальные скважины, ствол которых близок к вертикали. К вертикальным относятся скважины, в которых угол между осью скважины и вертикалью (зенитный угол) по всему стволу имеет отклонение не более 2°, При отклонении более 2° скважины считаются искривлёнными.

Причины искривления скважин могут быть различными и зависящими как от природных геологических условий проводки скважин, так и от результата деятельности буровиков и других служб, связанных с бурением скважин на нефть и газ. К геологическим причинам искривления скважин относятся: наклонное залегание слоев, тектонические нарушения, наличие каперн, переслаивание пород различной твёрдости, а также твердые включения типа валунов и др. К техническим причинам относятся: искривление бурильных труб, перекос в резьбовых соединениях и др. К технологическим причинам относятся: неправильный выбор конструкции скважины, неправильное соотношение диаметров бурильных труб и скважины, применение неблагоприятного режима бурения и др.

Значительное отклонение от проектного ствола скважины приводит к большим осложнениям при бурении, в том числе к авариям.

В результате непроизвольного искривления скважины могут произойти следующие трудности: осложнение спускоподъемных работ, более интенсивное изнашивание бурильных труб и соединительных муфт, обвалы пород, истирание обсадных труб, затруднение их спуска в скважину, увеличение опасности смятия труб, осложнения при цементировании и др.

Искривлённые скважины в последующем при эксплуатации являются ненадёжными и быстро выходят из строя вследствие преждевременного изнашивания глубинно-насосного оборудования, насосных штанг и эксплуатационной колонны.

Однако в ряде случаев проводят специально наклонное и горизонтальное бурение скважин, в том числе под дно моря, под овраги, горы, на площадях, занятых заповедниками, под промышленные объекты и жилые посёлки, при тушении горящих фонтанов и ликвидации открытых выбросов нефти и газа и др.

При этом используются специальные отклонители, которые устанавливаются между турбобуром и бурильной колонной.

Для бурения скважин на нефть и газ применяют долота, представляющие собой буровые инструменты для механического разрушения горных пород. Обычно для разбуривания пород средней твёрдости, твёрдых, крепких и очень крепких пород, используются долота дробяще-скалывающего действия, так называемые шарошечные долота.

В ряде случаев используются также долота режуще-истирающего действия с алмазными и твердосплавными вставками. Они используются мри проходке разрезов, где наблюдается чередование пород различной твёрдости, включая сочетание высоко-пластичных с породами средней твёрдости.

Момент опускания долота в скважину, при котором буровики используют специальные стабилизаторы, чтобы долото точно опустилось в центр забоя.

Долота могут использоваться для сплошною бурения, когда порода разрушается по всему забою, или для кольцевого бурения, когда порода разрушается по кольцу забоя. В последнем случае долота называются колонковыми и используются для отбора керна из скважины. При этом используют бурильные головки: шарошечные, алмазные и твердосплавные. Колонковое долото состоит из бурильной головки, грунтоноски, корпуса колонкового набора и шарового клапана. С помощью грунтоноски, в которой имеются кернорватели и кернодержатели, а вверху широкой клапан, производится отбор и сохранение керна до его подъёма на поверхность.

Бурильная колонна предназначена осуществлять процесс бурения скважины. Она соединяет долото или забойный двигатель с наземным оборудованием. Бурильная колонна состоит из ряда бурильных труб. В сё верхней части имеется ведущая квадратная труба, присоединённая к вертлюгу. Бурильные трубы свинчены при помощи бурильных замков и соединительных муфт. Задача бурильной колонны заключается в передаче вращения долоту, создании нагрузки на долото, для подъёма и спуска долот, проведения различных вспомогательных работ в процессе бурения скважины и испытания пластов.

Для вращения долота на забое скважины применяются упомянутые выше механизмы: роторы, турбобуры и электробуры.

Роторы обеспечивают вращательное движение бурильной колонны и долота, а также поддерживают на весу тяжёлую бурильную колонну. Ротор, установленный на устье скважины, состоит из станины, во внутренней части которой установлен вращающийся стол. В центре стола имеется отверстие (проходное) для спуска через него долот и бурильных труб. Диаметр отверстия стола ротора варьирует от 400 до 700 мм, что определяется максимальным диаметром долота, которое проходит через него. В центральное отверстие вставляют вкладыши и зажимы, которые обеспечивают подвеску ведущей трубы квадратного сечения. К ведущей трубе крепится последующая бурильная труба, а затем и другие.

Турбобуры, являясь забойными двигателями, преобразуют гидравлическую энергию в механическую, что обеспечивает вращение вала турбобура и долота. Турбобур состоит из двух основных элементов турбины: статора, жёстко скреплённого с корпусом, и ротора, укреплённого па валу турбобура. За счёт множества ступеней (до 350) гидравлический поток, перетекая от ступени к ступени, создаёт мощную механическую энергию, которая приводит в работу долото. Чем больше ступеней в турбобуре, тем больше мощность и вращательный момент и тем эффективнее работа турбобура.

Электробуры преобразуют электрическую энергию, подаваемую с поверхности, в механическую энергию, вращающую долото на забое. Электробуры, состоящие из двух основных частей — электродвигателя и маслонаполненного шпинделя, с привинченным долотом спускают в скважину на бурильной колонне. Энергия от силового трансформатора подаётся по наружному кабелю и внутреннему кабелю, последний из которых вмонтирован в колонну бурильных труб. При этом промывочная жидкость, пройдя через систему переводников и дубрикаторов, попадает внутрь полого вала электродвигателя и затем — к долоту. И далее, как при роторном и турбинном бурении, промывочная жидкость увлекает обломки выбуренной породы и поднимает их по затрубному пространству на поверхность.

Буровые установки различаются по своим характеристикам в зависимости от глубины бурении скважин. Нагрузка на крюк буровой установки должна соответствовать весу бурильной колонны, а вес бурильной колонны должен быть больше веса обсадной колонны.

В связи с этим буровые установки различаются по параметрам (максимальной допустимой нагрузки на крюк), которые зависят от диаметра скважины и бурильных труб, а также от массы последних.

Буровые установки отличаются по характеристикам бурового и энергетического оборудования.

Общий вид буровой установки для бурения скважин на нефть и газ.

Буровая установка включает в себя ряд механизмов, которые смонтированы на общем основании, что позволяет транспортировать установку от одной скважины к другой в собранном виде. В состав обычной для роторного бурения установки включаются: вышка, кранблок, талевый блок, крюк, вертлюг, лебёдка, дизели, редуктор, буровой насос, приёмные емкости насосов, пневмо-управление, ротор. Установка имеет металлический каркас, который обшивается щитами и досок или прорезиненной ткани для защиты механизмов и людей от атмосферных осадков и ветра.

Кроме этого, в комплект установки входит циркуляционная система, которая состоит из вибрационного сига, желобов, приемных емкостей для промывочной жидкости, нагнетательных трубопроводов.

Более сложное буровое оборудование и установки используются для бурения на море. Как указывалось ранее, бурение на морс осуществляется либо со стационарных платформ, либо с плавучих платформ и специальных судов.

При этом для стационарных платформ требуется возведение металлического основания, жёстко скреплённого с морским дном. Для этого используются опорные блоки, устанавливаемые специальными охранными агрегатами, которые надёжно цементируются.

Буровые основания связываются эстакадами, а все буровые помещения размещаются на приэстакадных участках очень компактно и укрываются дли защиты оборудовании и работников буровой бригады. Строительные работы в море по возведению основания и установке бурового оборудовании очень трудоёмки и выполняются специальными организациями.

Па самых современных буровых установках имеется пульт управления процессом бурения скважин, где управление производится кнопками, смонтированными па компактной клавиатуре мембранного типа. Так, например, пульт бурильщика к приводу «Пауэр Дрилл 2000», поставляемый фирмой США «Дженерал Электрик Драйв Системе», выполнен в стиле современного промышленного дизайна и имеет закрытые клавиши, которые были специально спроектированы так, чтобы ими мог безошибочно пользоваться бурильщик в толстых рабочих рукавицах.

Флуорссцстные цифровые дисплеи — три программируемых и один диагностический — снабжают бурильщика данными о состоянии буровой установки и рабочих параметрах. Автоматическая диагностика и прямая связь с приводом «Пауэр Дрилл 2000» делают пульт уникальным подспорьем для бурильщика. Каждый раз, когда бурильщик пытается задать неразрешенную функцию, пульт информирует его о допущенной ошибке. Первой выявляется ошибка, которая с наибольшей вероятностью приводит к прекращению работы буровой установки.

Это даст бурильщику мгновенную обратную связь, позволяя ему исправить ошибку и быстрее возобновить нормальную работу. Оператор может переключать диагностические дисплеи с тем, чтобы получить больше информации о выявленных неисправностях. Состояние системы постоянно отображается простыми полными словами на легкочитаемом программном устройстве специализированной клавиатуры, установленной непосредственно на приводе. Диагностические сигналы подаются на клавиатуру при помощи легкочитаемого текста, что позволяет персоналу буровой установки, располагающему минимальными навыками в области электротехники, за несколько минут определить неисправность на любом уровне.

Помимо буровой установки с ротором, турбобура или электробура, набора долот, на буровой площадке имеется следующее оборудование и материалы:

1) буровые штанги и насосно-компрессорные трубы;

2) обсадные трубы;

3) насосы для закачки жидкостей и компрессоры для закачки газа или воздуха;

4) глина и различные химреагенты;

5) ёмкости для глинистого раствора и других промывочных жидкостей;

6) цементировочные агрегаты и цемент;

7) перфораторы и испытатели пластов и другое оборудование.

Перед бурением скважины геологической службой совместно с буровыми и проектными организациями составляется геолого-технический наряд (ГТН), в котором представлены геологическая и техническая части. К бурению скважины буровики приступают после утверждения и подписания ГТН руководителями организаций, выполняющих работы. В геологической части ГТН приводится прогнозируемый разрез отложений в месте бурения скважины. Указываются глубины вскрытия различных стратиграфических подразделений разреза, проектный разрез отложений (литологическан колонка) с указанием крепости пород,

приводятся необходимые интервалы отбора керна и испытания пластов в открытом стволе, а также указываются возможные осложнения при бурении против определённых интервалов разреза, приводится комплекс необходимых промыслово-геофизических работ.

В технической части предлагается наиболее оптимальная конструкция скважины, указываются: условия испытания колонн, запасы раствора и химреагентов, способы бурения, тип забойного двигателя, тип, размер, количество долот, режим бурения скважины (осевая нагрузка, скорость вращения ротора, подача насосов, лишение, число насосов), тип бурового раствора по интервалам разбуривания разреза, параметры промывочной жидкости, химическая обработка раствора, скорость подъёма инструмента, компоновка бурильной колонны, параметры буровой установки и др.

Конструкция скважины представляет собой систему труб различного диаметра и глубины спуска в скважину, которая обеспечивает её жёсткое крепление со стенками ствола и прилегающих горных пород. Обычно, чтобы перекрыть верхнюю часть разреза, сложенную рыхлыми породами, сооружают шурф глубиной 4—8 м и в него спускают трубу большого диаметра с окном вверху. Пространство между трубой и стенкой шурфа заполняют бу-товым камнем цементным раствором, что позволяет надёжно укрепить устье скважины. Затем к окну в трубе приваривают металлический желоб, по которому в процессе бурения скважины промывочная жидкость направляется в желобную систему. Трубу, установленную в шурфе, называют направлением.

После установки направления приступают к бурению скважины. После бурения рыхлых пород в верхней части разреза (50— 400 м) спускают обсадную колонну из стальных труб и цементируют затрубное пространство. Первая обсадная колонна называется кондуктором.

Затем продолжают бурение. Если в дальнейшем при бурении возникают осложнения из-за неустойчивых пластов, спускают вторую обсадную колонну, называемую промежуточной. 13 ряде случаев приходится спускать и третью, и четвёртую колонны, чтобы укрепить ствол скважины.

После достижения проектной глубины в скважину спускают эксплуатационную колонну и её цементируют. Она может быть предназначена либо для подъёма нефти или газа на поверхность, либо — для нагнетания воды (газа или воздуха) в продуктивный пласт для поддержания давления.

Схема расположения обсадных колонн с указанием их диаметров, глубины перехода с большего диаметра скважины на меньший, глубины спуска обсадных колонн и интервалов их цементирования позволяет представить конструкцию скважины.

По количеству спущенных обсадных колонн скважины могут быть одноколонными, двухколонными и трёхколонными. Обычно начальный диаметр скважины колеблется от 400 до 600 мм, а конечный составляет 127 мм (5").

При бурении часто наблюдались обвалы верхней части осадочного комплекса, сложенной глинами, песчаниками и галечниками; образование каверн в галогенных породах кунгура, в которых происходили поломы бурильного инструмента; возникало аномально высокое давление, требующее бурения па утяжелённом растворе (1,7 г/см'); поглощение глинистого раствора (вплоть до потери циркуляции) при проходке пористых и трещиноватых пород, что в сочетании с аномально высоким давлением грозит открытыми газовыми выбросами; образование сальников против пористых и трещиноватых пород продуктивной толщи, что приводит к прихватам и затяжкам бурильного инструмента.

После спуска обсадных колонн в скважину производят их цементирование (цементаж). Для этого в затрубное пространство заливают цемент, используя специальные тампонажные цементы. Цементные растворы готовятся в специальных цементосмесительных машинах, которые приезжают на буровую. Через цементировочные агрегаты, оснащенные насосами, происходит продавка цемента из обсадной колонны в затрубное пространство скважины до определенной высоты подъёма цемента, указанной в ГТН.

Разбуривание продуктивных горизонтов в разведочных скважинах проводится колонковыми долотами с целью отбора и последующего изучения керна. После окончания бурения продуктивных пластов проводится полный объём промыслово-геофизических исследований скважин (ГИС).

Затем опробуют пласты с помощью испытателей пластов, которые основаны на вызове притока нефти из пласта за счёт резкого перепада давления в системе пласт-бурильная колонна.

Обычно скважину пробуривают несколько ниже подошвы продуктивного горизонта, спускают эксплуатационную колонну и цементируют один или два раза. Затем после затвердения цемента перфорируют стенку колонны, включая цементное кольцо, напротив продуктивного пласта для установления связи колонны с пластом. Для этого используют различные перфораторы (кумулятивные, торпедные или пулевые). Наиболее часто используют кумулятивные перфораторы, основанные на действии кумулятивной струи, возникающей за счёт взрыва медной облицовки заряда и ударной волны. При этом тонкая металлическая струя выбрасывается со скоростью 8000—10 000 м/с и пробивает отверстия в колонне и цементном камне. Перфоратор спускают в скважину и производят рассчитанную сеть отверстий против продуктивного пласта.

Подземный ремонт скважин проводится как в процессе бурения, так и при их последующей эксплуатации специальными бригадами подземного ремонта, которые выполняют капитальный и текущий ремонты скважин. Бригады ремонтников обычно работают вахтами (сменами), как и буровые бригады.