Проблемы бурения нефтяных скважин. Реферат: Общее представление о бурение нефтяных и газовых скважин. Задачи и цели бурения под нефть и газ

Общие сведения о бурении нефтяных и газовых скважин

1.1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Рис. 1. Элементы конструкции скважины

Скважиной называется цилиндрическая горная выработка, сооружаемая без доступа в нее человека и имеющая диаметр во много раз меньше ее длины (Рис. 1).

Основные элементы буровой скважины:

Устье скважины (1) – пересечение трассы скважины с дневной поверхностью

Забой скважины (2) – дно буровой скважины, перемещающееся в результате воздействия породоразрушающего инструмента на породу

Стенки скважины (3) – боковые поверхности буровой скважины

Ось скважины (6) - воображаемая линия, соединяющая центры поперечных сечений буровой скважины

*Ствол скважины (5) – пространство в недрах, занимаемое буровой скважиной.

Обсадные колонны (4) – колонны соединенных между собой обсадных труб. Если стенки скважины сложены из устойчивых пород, то в скважину обсадные колонны не спускают

Скважины углубляют, разрушая породу по всей площади забоя (сплошным забоем, рис. 2 а) или по его периферийной части (кольцевым забоем рис. 2 б). В последнем случае в центре скважины остается колонка породы – керн, которую периодически поднимают на поверхность для непосредственного изучения.

Диаметр скважин, как правило, уменьшается от устья к забою ступенчато на определенных интервалах. Начальный диаметр нефтяных и газовых скважин обычно не превышает 900 мм, а конечный редко бывает меньше 165 мм. Глубины нефтяных и газовых скважин изменяются в пределах нескольких тысяч метров.

По пространственному расположению в земной коре буровые скважины подразделяются (рис. 3):

1. Вертикальнвые;

2. Наклонные;

3. Прямолинейноискривленные;

4. Искривленные;

5. Прямолинейноискривленные (с горизонтальным участком);

Рис. 3. Пространственное расположение скважин

Сложноискривленные.

Нефтяные и газовые скважины бурят на суше и на море при помощи буровых установок. В последнем случае буровые установки монтируются на эстакадах, плавучих буровых платформах или судах (рис. 4).

Рис. 4. Виды буровых скважин

В нефтегазовой отрасли бурят скважины следующего назначения:

1. Эксплуатационные – для добычи нефти , газа и газового конденсата.

2. Нагнетательные – для закачки в продуктивные горизонты воды (реже воздуха, газа ) с целью поддержания пластового давления и продления фонтанного периода разработки месторождений, увеличения дебита эксплуатационных скважин, снабженных насосами и воздушными подъемниками.

3. Разведочные – для выявления продуктивных горизонтов, оконтуривания, испытания и оценки их промышленного значения.

4. Специальные - опорные, параметрические, оценочные, контрольные – для изучения геологического строения малоизвестного района, определения изменения коллекторских свойств продуктивных пластов, наблюдения за пластовым давлением и фронтом движения водонефтяного контакта, степени выработки отдельных участков пласта, термического воздействия на пласт, обеспечения внутрипластового горения, газификации нефтей , сброса сточных вод в глубокозалегающие поглощающие пласты и др.

5. Структурно-поисковые – для уточнения положения перспективных нефте -газоносных структур по повторяющим их очертания верхним маркирующим (определяющим) горизонтам, по данным бурения мелких, менее дорогих скважин небольшого диаметра.

Сегодня нефтяные и газовые скважины представляют собой капитальные дорогостоящие сооружения, служащие много десятилетий. Это достигается соединением продуктивного пласта с дневной поверхностью герметичным, прочным и долговечным каналом. Однако пробуренный ствол скважины еще не представляет собой такого канала, вследствие неустойчивости горных пород, наличия пластов, насыщенных различными флюидами (вода, нефть , газ и их смеси), которые находятся под различным давлением. Поэтому при строительстве скважины необходимо крепить ее ствол и разобщать (изолировать) пласты, содержащие различные флюиды.

Обсадная труба

Рис.5. Обсадная труба в скважине

Крепление ствола скважины производится путем спуска в нее специальных труб, называемых обсадными. Ряд обсадных труб, соединенных последовательно между собой, составляет обсадную колонну. Для крепления скважин применяют стальные обсадные трубы (рис. 5).

Насыщенные различными флюидами пласты разобщены непроницаемыми горными породами - «покрышками». При бурении скважины эти непроницаемые разобщающие покрышки нарушаются и создается возможность межпластовых перетоков, самопроизвольного излива пластовых флюидов на поверхность, обводнения продуктивных пластов, загрязнения источников водоснабжения и атмосферы, коррозии спущенных в скважину обсадных колонн.

В процессе бурения скважины в неустойчивых горных породах возможны интенсивное кавернообразование, осыпи, обвалы и т.д. В ряде случаев дальнейшая углубка ствола скважины становится невозможной без предварительного крепления ее стенок.

Для исключения таких явлений кольцевой канал (кольцевое пространство) между стенкой скважины и спущенной в нее обсадной колонной заполняется тампонирующим (изолирующим) материалом (рис. 6). Это составы, включающие вяжущее вещество, инертные и активные наполнители, химические реагенты. Их готовят в виде растворов (чаще водных) и закачивают в скважину насосами. Из вяжущих веществ наиболее широко применяют тампонажные портландцементы. Поэтому процесс разобщения пластов называют цементированием.

Таким образом, в результате бурения ствола, его последующего крепления и разобщения пластов создается устойчивое подземное сооружение определенной конструкции.

Под конструкцией скважины понимается совокупность данных о числе и размерах (диаметр и длина) обсадных колонн, диаметрах ствола скважины под каждую колонну, интервалах цементирования, а также о способах и интервалах соединения скважины с продуктивным пластом (рис. 7).

Сведения о диаметрах, толщинах стенок и марках сталей обсадных труб по интервалам, о типах обсадных труб, оборудовании низа обсадной колонны входят в понятие конструкции обсадной колонны.

В скважину спускают обсадные колонны определенного назначения: направление, кондуктор, промежуточные колонны, эксплуатационная колонна.

Направление спускается в скважину для предупреждения размыва и обрушения горных пород вокруг устья при бурении под кондуктор, а также для соединения скважины с системой очистки бурового раствора. Кольцевое пространство за направлением заполняют по всей длине тампонажным раствором или бетоном. Направление спускают на глубину от нескольких метров в устойчивых породах, до десятков метров в болотах и илистых грунтах.

Кондуктором обычно перекрывают верхнюю часть геологического разреза, где имеются неустойчивые породы, пласты, поглощающие буровой раствор или проявляющие, подающие на поверхность пластовые флюиды, т.е. все те интервалы, которые будут осложнять процесс дальнейшего бурения и вызывать загрязнение окружающей природной среды. Кондуктором обязательно должны быть перекрыты все пласты, насыщенные пресной водой.

Рис. 7. Схема конструкции скважины

Кондуктор служит также для установки противовыбросового устьевого оборудования и подвески последующих обсадных колонн. Кондуктор спускают на глубину нескольких сотен метров. Для надежного разобщения пластов, придания достаточной прочности и устойчивости кондуктор цементируется по всей длине.

Эксплуатационная колонна спускается в скважину для извлечения нефти, газа или нагнетания в продуктивный горизонт воды или газа с целью поддержания пластового давления. Высота подъема тампонажного раствора над кровлей продуктивных горизонтов, а также устройством ступенчатого цементирования или узлом соединения верхних секций обсадных колонн в нефтяных и газовых скважинах должна составлять соответственно не менее 150-300 м и 500 м.

Промежуточные (технические) колонны необходимо спускать, если невозможно пробурить до проектной глубины без предварительного разобщения зон осложнений (проявлений, обвалов). Решение об их спуске принимается после анализа соотношения давлений, возникающих при бурении в системе «скважина-пласт».

Если давление в скважине Рс меньше пластового Рпл (давления флюидов, насыщающих пласт), то флюиды из пласта будут поступать в скважину, произойдет проявление. В зависимости от интенсивности проявления сопровождаются самоизливом жидкости (газа ) на устье скважины (переливы), выбросами, открытым (неконтролируемым) фонтанированием. Эти явления осложняют процесс строительства скважины, создают угрозу отравлений, пожаров, взрывов.

При повышении давления в скважине до некоторой величины, называемой давлением начала поглощения Рпогл, жидкость из скважины поступает в пласт. Этот процесс называется поглощением бурового раствора. Рпогл может быть близким или равным пластовому, а иногда приближается к величине вертикального горного давления, определяемого весом расположенных выше горных пород.

Иногда поглощения сопровождаются перетоками флюидов из одного пласта в другой, что приводит к загрязнению источников водоснабжения и продуктивных горизонтов. Снижение уровня жидкости в скважине вследствие поглощения в одном из пластов обуславливает понижение давления в другом пласте и возможность проявлений из него.

Давление, при котором происходит раскрытие естественных сомкнутых трещин или образование новых, называется давлением гидравлического разрыва пласта Ргрп. Такое явление сопровождается катастрофическим поглощением бурового раствора.

Характерно, что во многих нефтегазоносных районах пластовое давление Рпл близко к гидростатическому давлению столба пресной воды Рг (далее просто гидростатическое давление) высотой Нж, равной глубине Нп, на которой залегает данный пласт. Это объясняется тем, что давление флюидов в пласте чаще обусловлено напором краевых вод, область питания которых имеет связь с дневной поверхностью на значительных расстояниях от месторождения.

Поскольку абсолютные значения давлений зависят от глубины Н, их соотношения удобнее анализировать, пользуясь величинами относительных давлений, которые представляют собой отношения абсолютных значений соответствующих давлений к гидростатическому давлению Рг, т.е.:

Рпл* = Рпл / Рг;

Ргр* = Ргр / Рг;

Рпогл* = Рпогл / Рг;

Ргрп* = Ргрп / Рг.

Здесь Рпл – пластовое давление; Ргр – гидростатическое давление бурового раствора; Рпогл – давление начала поглощения; Ргрп – давление гидроразрыва пласта.

Относительное пластовое давление Рпл* часто называют коэффициентом аномальности Ка. Когда Рпл* приблизительно равно 1,0, пластовое давление считается нормальным, при Рпл* большем 1,0 – аномально высоким (АВПД), а при Рпл* меньшем 1,0 – аномально низким (АНПД).

Одним из условий нормального неосложненного процесса бурения является соотношение

а) Рпл* < Ргр* < Рпогл*(Ргрп*)

Процесс бурения осложняется, если по каким либо причинам относительные давления окажутся в соотношении:

б) Рпл* > Ргр* < Рпогл*

или

в) Рпл* < Ргр* > Рпогл* (Ргрп*)

Если справедливо соотношение б), то наблюдаются только проявления, если в), то наблюдаются и проявления и поглощения.

Промежуточные колонны могут быть сплошными (их спускают от устья до забоя) и не сплошными (не доходящими до устья). Последние называются хвостовиками.

Принято считать, что скважина имеет одноколонную конструкцию, если в нее не спускаются промежуточные колонны, хотя спущены и направление и кондуктор. При одной промежуточной колонне скважина имеет двухколонную конструкцию. Когда имеются две и более технические колонны, скважина считается многоколонной.

Конструкция скважины задается следующим образом: 426, 324, 219, 146 – диаметры обсадных колонн в мм; 40, 450, 1600, 2700 – глубины спуска обсадных колонн в м; 350, 1500 – уровень тампонажного раствора за хвостовиком и эксплуатационной колонной в м; 295, 190 – диаметры долот в мм для бурения скважины под 219 – и 146 –мм колонны.

1.2. СПОСОБЫ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

Бурить скважины можно механическим, термическим, электроимпульсным и другими способами (несколько десятков). Однако промышленное применение находят только способы механического бурения – ударное и вращательное. Остальные пока не вышли из стадии экспериментальной разработки.

1.2.1. УДАРНОЕ БУРЕНИЕ

Ударное бурение. Из его всех разновидностей наибольшее распространение получило ударно-канатное бурение (рис. 8).

Рис. 8. Схема ударно-канатного бурения скважин

Буровой снаряд, который состоит из долота 1, ударной штанги 2, раздвижной штанги-ножниц 3 и канатного замка 4 , спускают в скважину на канате 5, который, огибая блок 6, оттяжной ролик 8 и наравляющий ролик 10, сматывается с барабана 11 бурового станка. Скорость спуска бурового снаряда регулируют тормозом 12. Блок 6 установлен на вершине мачты 18. Для гашения вибраций, возникающих при бурении, применяются амортизаторы 7.

Кривошип 14 при помощи шатуна 15 приводит в колебательное движение балансирную раму 9. При опускании рамы оттяжной ролик 8 натягивает канат и поднимает буровой снаряд над забоем. При подъеме рамы канат опускается, снаряд падает, и при ударе долота о породу последняя разрушается.

По мере углубления скважины канат удлиняют, сматывая его с барабана 11. Цилиндричность скважины обеспечивается поворотом долота в результате раскручивания каната под нагрузкой (во время приподъема бурового снаряда) и скручивания его при снятии нагрузки (во время удара долота о породу).

Эффективность разрушения породы при ударно-канатном бурении прямо пропорциональна массе бурового снаряда, высоте его падения, ускорению падения, числу ударов долота о забой в единицу времени и обратно пропорциональна квадрату диаметра скважины.

В процессе разбуривания трещиноватых и вязких пород возможно заклинивание долота. Для освобождения долота в буровом снаряде применяют штангу-ножницы, изготовленные в виде двух удлиненных колец, соединенных друг с другом подобно звеньям цепи.

Процесс бурения будет тем эффективнее, чем меньшее сопротивление долоту бурового снаряда оказывает накапливающаяся на забое скважины выбуренная порода, перемешанная с пластовой жидкостью. При отсутствии или недостаточном притоке пластовой жидкости в скважину с устья периодически доливают воду. Равномерное распределение частиц выбуренной породы в воде достигается периодическим расхаживанием (приподъемом и опусканием) бурового снаряда. По мере накопления на забое разрушеной породы (шлама) возникает необходимость в очистке скважины. Для этого с помощью барабана поднимают буровой снаряд из скважины и многократно спускают в нее желонку 13 на канате 17, сматываемом с барабана 16. В днище желонки имеется клапан. При погружении желонки в зашламленную жидкость клапан открывается и желонка заполняется этой смесью, при подъеме желонки клапан закрывается. Поднятую на поверхность зашламленную жидкость выливают в сборную емкость. Для полной очистки скважины приходится спускать желонку несколько раз подряд.

После очистки забоя в скважину опускают буровой снаряд, и процесс бурения продолжается.

При ударном бурении скважина, как правило, не заполнена жидкостью. Поэтому, во избежание обрушения породы с ее стенок, спускают обсадную колонну, состоящую из металлических обсадных труб, соединенных друг с другом с помощью резьбы или сварки. По мере углубления скважины обсадную колону продвигают к забою и периодически удлиняют (наращивают) на одну трубу.

Ударный способ более 50 лет не применяется на нефтегазовых промыслах России. Однако в разведочном бурении на россыпных месторождениях, при инженерно-геологических изысканиях, бурении скважин на воду и т.п. находит свое применение.

1.2.2. ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ СКВАЖИН

При вращательном бурении разрушение породы происходит в результате одновременного воздействия на долото нагрузки и крутящего момента. Под действием нагрузки долото внедряется в породу, а под влиянием крутящего момента скалывает ее.

Существует две разновидности вращательного бурения – роторный и с забойными двигателями.

При роторном бурении (рис. 9) мощность от двигателей 9 передается через лебедку 8 к ротору 16 - специальному вращательному механизму, установленному над устьем скважины в центре вышки. Ротор вращает бурильную колонну и привинченное к ней долото 1. Бурильная колонна состоит из ведущей трубы 15 и привинченных к ней с помощью специального переводника 6 бурильных труб 5.

Следовательно, при роторном бурении углубление долота в породу происходит при движении вдоль оси скважины вращающейся бурильной колонны, а при бурении с забойным двигателем – невращающейся бурильной колонны. Характерной особенностью вращательного бурения является промывка

При бурении с забойным двигателем долото 1 привинчено к валу, а бурильная колонна – к корпусу двигателя 2. При работе двигателя вращается его вал с долотом, а бурильная колонна воспринимает реактивный момент вращения корпуса двигателя, который гасится невращающимся ротором (в ротор устанавливают специальную заглушку).

Буровой насос 20, приводящийся в работу от двигателя 21, нагнетает буровой раствор по манифольду (трубопроводу высокого давления) 19 в стояк - трубу 17, вертикально установленную в правом углу вышки, далее в гибкий буровой шланг (рукав) 14, вертлюг 10 и в бурильную колонну. Дойдя до долота, промывочная жидкость проходит через имеющиеся в нем отверстия и по кольцевому пространству между стенкой скважины и бурильной колонной поднимается на поверхность. Здесь в системе емкостей 18 и очистительных механизмах (на рисунке не показаны) буровой раствор очищается от выбуренной породы, затем поступает в приемные емкости 22 буровых насосов и вновь закачивается в скважину.

В настоящее время применяют три вида забойных двигателей – турбобур, винтовой двигатель и электробур (последний применяют крайне редко).

При бурении с турбобуром или винтовым двигателем гидравлическая энергия потока бурового раствора, двигающегося вниз по бурильной колонне, преобразуется в механическую на валу забойного двигателя, с которым соединено долото.

При бурении с электробуром электрическая энергия подается по кабелю, секции которого смонтированы внутри бурильной колонны и преобразуется электродвигателем в механическую энергию на валу, которая непосредственно передается долоту.

По мере углубления скважины бурильная колонна, подвешенная к полиспастной системе, состоящей из кронблока (на рисунке не показан), талевого блока 12, крюка 13 и талевого каната11, подается в скважину. Когда ведущая труба 15 войдет в ротор 16 на всю длину, включают лебедку, поднимают бурильную колонну на длину ведущей трубы и подвешивают бурильную колонну с помощью клиньев на столе ротора. Затем отвинчивают ведущую трубу 15 вместе с вертлюгом 10 и спускают ее в шурф (обсадную трубу, заранее установленную в специально пробуренную наклонную скважину) длиной, равной длине ведущей трубы. Скважина под шурф бурится заранее в правом углу вышки примерно на середине расстояния от центра до ее ноги. После этого бурильную колонну удлиняют (наращивают), путем привинчивания к ней двухтрубной или трехтрубной свечи (двух или трех свинченных между собой бурильных труб), снимают ее с клиньев, спускают в скважину на длину свечи, подвешивают с помощью клиньев на стол ротора, поднимают из шурфа ведущую трубу с вертлюгом, привинчивают ее к бурильной колонне, освобождают бурильную колонну от клиньев, доводят долото до забоя и продолжают бурение .

Для замены изношенного долота поднимают из скважины всю бурильную колонну, а затем вновь спускают ее. Спуско-подъемные работы ведут также с помощью полиспастной системы. При вращении барабана лебедки талевый канат наматывается на барабан или сматывается с него, что и обеспечивает подъем или спуск талевого блока и крюка. К последнему с помощью штропов и элеватора подвешивают поднимаемую или спускаемую бурильную колонну.

При подъеме БК развинчивают на свечи и устанавливают их внутри вышки нижними концами на подсвечники, а верхние заводят за специальные пальцы на балконе верхового рабочего. Спускают БК в скважину в обратной последовательности.

Таким образом процесс работы долота на забое скважины прерывается наращиванием бурильной колонны и спуско-подъемными операциями (СПО)для смены изношенного долота.

Как правило, верхние участки разреза скважины представляют собой легкоразмываемые отложения. Поэтому пред бурением скважины сооружают ствол (шурф) до устойчивых пород (3-30 м) и в него спускают трубу 7 или несколько свинченных труб (с вырезанным окном в верхней части) длиной на 1-2 м больше глубины шурфа. Затрубное пространство цементируют или бетонируют. В результате устье скважины надежно укрепляется.

К окну в трубе приваривают короткий металлический желоб, по которому в процессе бурения буровой раствор направляется в систему емкостей 18 и далее, пройдя через очистительные механизмы (на рисунке не показаны), поступает в приемную емкость 22 буровых насосов.

Трубу (колонну труб) 7, установленную в шурфе, называют направлением. Установка направления и ряд других работ, выполняемых до начала бурения , относятся к подготовительным. После их выполнения составляют акт о вводе в эксплуатацию буровой установки и приступают к бурению скважины.

Пробурив неустойчивые, мягкие, трещиноватые и кавернозные породы, осложняющие процесс бурения (обычно 400-800 м), перекрывают эти горизонты кондуктором 4 и цементируют затрубное пространство 3 до устья. При дальнейшем углублении могут встретиться горизонты, также подлежащие изоляции, такие горизонты перекрываются промежуточными (техническими) обсадными колоннами.

Пробурив скважину до проектной глубины, спускают и цементируют эксплуатационную колонну (ЭК).

После этого все обсадные колонны на устье скважины обвязывают друг с другом, применяя специальное оборудование . Затем против продуктивного пласта в ЭК и цементном камне пробивают несколько десятков (сотен) отверстий, по которым в процессе испытания, освоения и последующей эксплуатации нефть (газ ) будут поступать в скважину.

Сущность освоения скважины сводится к тому, чтобы давление столба бурового раствора, находящегося в скважине, стало меньше пластового. В результате создавшегося перепада давления нефть (газ ) из пласта начнет поступать в скважину. После комплекса исследовательских работ скважину сдают в эксплуатацию .

На каждую скважину заводится паспорт, где точно отмечаются ее конструкция, местоположение устья, забоя и пространственное положение ствола по данным инклинометрических измерений ее отклонений от вертикали (зенитные углы) и азимута (азимутальные углы). Последние данные особенно важны при кустовом бурении наклонно-направленных скважин во избежание попадания ствола бурящейся скважины в ствол ранее пробуренной или уже эксплуатирующейся скважины. Фактическое отклонение забоя от проектного не должно превышать заданных допусков.

Буровые работы должны выполняться с соблюдением законов об охране труда и окружающей природной среды. Строительство площадки под буровую, трасс для передвижения буровой установки, подъездных путей, линий электропередач, связи, трубопроводов для водоснабжения, сбора нефти и газа , земляных амбаров, очистных устройств, отвал шлама должны осуществляться лишь на специально отведенной соответствующими организациями территории. После завершения строительства скважины или куста скважин все амбары и траншеи должны быть засыпаны, вся площадка под буровую – максимально восстановлена (рекультивирована) для хозяйственного использования.

1.3. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Первые скважины в истории человечества бурили ударно-канатным способом за 2000 лет до нашей эры для добычи рассолов в Китае.

До середины 19 века нефть добывалась в небольших количествах, в основном из неглубоких колодцев вблизи естественных выходов ее на дневную поверхность. Со второй половины 19 века спрос на нефть стал возрастать в связи с широким использованием паровых машин и развитием на их основе промышленности, которая требовала больших количеств смазочных веществ и более мощных, чем сальные свечи, источников света.

Исследованиями последних лет установлено, что первая скважина на нефть была пробурена ручным вращательным способом на Апшеронском полуострове (Россия) в 1847 г. по инициативе В.Н. Семенова. В США первая скважина на нефть (25м) была пробурена в Пенсильвании Эдвином Дрейком в 1959 г. Этот год считается началом развития нефтедобывающей промышленности США. Рождение российской нефтяной промышленности принято отсчитывать от 1964 г., когда на Кубани в долине реки Кудако А.Н. Новосильцев начал бурить первую скважину на нефть (глубиной 55 м) с применением механического ударно-канатного бурения.

На рубеже 19-20 веков были изобретены дизельный и бензиновый двигатели внутреннего сгорания. Внедрение их в практику привело к бурному развитию мировой нефтедобывающей промышленности.

В 1901 г в США впервые было применено вращательное роторное бурение с промывкой забоя циркулирующим потоком жидкости. Необходимо отметить, что вынос выбуренной породы циркулирующим потоком воды изобрел в 1848 г. французский инженер Фовелль и впервые применил этот способ при бурении артезианской скважины в монастыре св. Доминика. В Росси роторным способом первая скважина была пробурена в 1902 г. на глубину 345 м в Грозненском районе.

Одной из труднейших проблем, возникших при бурении скважин, особенно при роторном способе, была проблема герметизации затрубного пространства между обсадными трубами и стенками скважины. Решил эту проблему русский инженер А.А. Богушевский, разработавший и запатентовавший в 1906 г. способ закачки цементного раствора в обсадную колонну с последующим вытеснением его через низ (башмак) обсадной колонны в затрубное пространство. Этот способ цементирования быстро распространился в отечественной и зарубежной практике бурения .

В 1923 г. выпускник Томского технологического института М.А. Капелюшников в соавторстве с С.М. Волохом и Н.А. Корнеевым изобрели гидравлический забойный двигатель – турбобур, определивший принципиально новый путь развития технологии и техники бурения нефтяных и газовых скважин. В 1924 г. в Азербайджане была пробурена первая в мире скважина с помощью одноступенчатого турбобура, получившего название турбобура Капелюшникова.

Особое место занимают турбобуры в истории развития бурения наклонных скважин. Впервые наклонная скважина была пробурена турбинным способом в 1941 г. в Азербайджане. Совершенствование такого бурения позволило ускорить разработку месторождений, расположенных под дном моря или под сильно пересеченной местностью (болота Западной Сибири). В этих случаях бурят несколько наклонных скважин с одной небольшой площадки, на строительство которой требуется значительно меньше затрат, чем на сооружение площадок под каждую буровую при бурении вертикальных скважин. Такой способ сооружения скважин получил наименование кустового бурения.

В 1937-40 гг. А.П. Островским, Н.Г. Григоряном, Н.В. Александровым и другими была разработана конструкция принципиально нового забойного двигателя – электробура.

В США в 1964 г. был разработан однозаходный гидравлический винтовой забойный двигатель, а в 1966 в России разработан многозаходный винтовой двигатель, позволяющий осуществлять бурение наклонно-направленных и горизонтальных скважин на нефть и газ .

В Западной Сибири первая скважина, давшая мощный фонтан природного газа 23 сентября 1953 г. была пробурена у пос. Березово на севере Тюменской области. Здесь, в Березовском районе зародилась в 1963 г. газодобывающая промышленность Западной Сибири. Первая нефтяная скважина в Западной Сибири зафонтанировала 21 июня 1960 г. на Мулымьинской площади в бассейне реки Конда.

Владимир Хомутко

Время на чтение: 3 минуты

А А

Методы бурения нефтяных и газовых скважин

Скважина представляет собой вертикальную или наклонную горную выработку круглого сечения, сооружение которой происходит без доступа внутрь выработки человека. Длина такой выработки в разы больше её диаметра.

Как бурят нефтяные скважины

Основными элементами любой скважины являются:

• устье (самая верхняя часть);
• ствол (промежуточная часть);
• забой (самая нижняя часть, находящаяся в продуктивном пласте).

Расстояние между устьем и забоем по оси ствола выработки называется длиной скважины, а это же расстояние, но взятое по вертикальной проекции оси называется её глубиной.

Буровая вышка

Иными словами, длина и глубина вертикальной скважины совпадают, а наклонной – нет.

Бурение нефтяных и газовых скважин, как правило. происходит с постепенным уменьшением диаметра ствола после того, как пробурили определенный участок. Начальный диаметр такой выработки, как правило, не более 900 миллиметров, а диаметр в области забоя – от 75 миллиметров и более.

Процесс углубления такой горной выработки представляет собой разрушение пород либо по всей площади забоя (так называемое сплошное бурение), либо по его периферии (колонковое). Во втором случае в стволе выработки остается кусочек породы цилиндрической формы, называемый керном. Керны периодически извлекают из скважины для изучения состава пройденных породы. Специальность человека, который занимается бурением, называется бурильщик.

Многих из вас интересует вопрос: «Как бурят скважины?»

Способы углубления горных выработок по критерию характера воздействия на проходимые породы делятся на:

• механические;
• термические;
• физико-химические;
• электрические и так далее.

При промышленном освоении месторождений применяются только механические способы. Все прочие перечисленные методики находятся на стадии экспериментальной проверки эффективности.

Механические методы бывают вращательными и ударными.

Ударный способ подразумевает механическое разрушение породы с помощью подвешенного на канате специального инструмента, который называется долото. Помимо этого, в состав такого бурильного устройства входят канатный замок и ударная штанга. Устройство подвешивают на перекинутом через блок, который ставится на мачте, канате, а возвратно-поступательное движение этому инструменту придает специальный буровой станок.

По мере увеличения глубины ствола канат постепенно удлиняют. Цилиндрическая форма ствола формируется путем поворота долота в процессе работы.

Чтобы очищать забой от пробуренной породы, инструмент необходимо периодически поднимать на поверхность. Вместо него опускается специальное приспособление, называемое желонкой. Она похожа на длинное ведро, на дне оборудованное клапаном.

Желонка погружается в жидкость (либо пластовую, либо подаваемую с поверхности) и клапан открывается. В «ведро» поступает смесь жидкости и кусочков разрушенной породы, после чего все это удаляется на поверхность (стоит желонку приподнять, как клапан тут же закрывается). После окончания очистки забоя в ствол снова опускают буровой инструмент, и процесс повторяется снова и снова.

Чтобы стенки выработки не обвалились, в нее опускают специальную трубу, называемую обсадной. Из таких труб по мере углубления горной выработки формируют целую трубную колонну.

Долото для бурение скважин

В России на сегодняшний момент ударный способ на практике не используется.

Вращательный метод подразумевает углубление инструмента в толщу пород за счет одновременного воздействия на долото крутящего момента и вертикальной нагрузки. Вертикальная нагрузка погружает долото в разбуриваемую породу, а крутящий момент позволяет инструменту скалывать, истирать и дробить горную породу.

В зависимости от того, где расположен двигатель установки, вращательное бурение делится на роторное (двигатель находится на поверхности и вращает долото посредством трубной колонны, составляемой из специальных бурильных труб) и забойное (двигатель располагается в забое и ставится непосредственно над долотом).

При роторном способе двигатель вращает ротор, который, в свою очередь, вращает бурильную колонну, на конце которой крепится долото. При забойном способе двигатель вращает само долото, а колонна бурильных труб и корпус самого двигателя остаются неподвижными.

Для вращательного метода бурения характерной особенностью является использование постоянной промывки ствола либо водой, либо специально приготовленными буровыми растворами жидкостью. С этой целью применяются специальные буровые насосы, работу которых обеспечивают двигатели разного типа. Именно эти насосные установки нагнетают промывочный жидкости через трубопровод стояк, который монтируется, как правило, в правом углу буровой вышки. Далее, посредством гибкого бурового шланга и вертлюга жидкость подается непосредственно в саму бурильную колонну.

Доходя до уровня долота, эта промывочная жидкость через отверстия, которые есть в этом инструменте, попадает в породу, а затем по кольцевому свободному пространству, которое остается между стенкой ствола скважины и колонной бурильных труб. поднимается наверх, вымывая куски разбуренной породы. Далее при помощи системы желобов и специальных очистительных устройств эта жидкость очищается от выбуренной породы, после чего попадает в ёмкость, расположенную на буровом насосе. После этого её можно использовать повторно.

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. 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 нефтьи 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. Диагностическиесигналы 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 руководителямиорганизаций, 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 вгалогенных 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.

Для большинства людей, иметь свою нефтяную или газовую скважину - значит решить финансовые проблемы на всю оставшуюся жизнь и жить ни о чем не думая.
Но так ли просто пробурить скважину? Как она устроена? Этим вопросом, к сожалению, мало кто задается.

Буровая скважины 39629Г находится совсем недалеко от Альметьевска, в поселке Карабаш. После ночного дождя, все вокруг в тумане и перед машиной то и дело пробегали зайцыJ

И вот, наконец, показывалась сама буровая. Там нас уже ждал мастер буровой - главный человек на площадке, он принимает все оперативные решения и несет ответственность за все происходящее при бурении, а также - начальник управления буровых работ.

Принципиально, бурением называют разрушение горных пород на забое (в нижней точке) и извлечение разрушенной породы на поверхность. Буровая представляет собой комплекс механизмов, таких как буровая вышка, буровые насосы, системы очистки бурового раствора, генераторы, жилые помещения и т.д.

Буровая площадка, на которой расположены все элементы (о них мы поговорим ниже) - это очищенная от плодородного слоя земли и отсыпанная песком зона. После завершения работ этот слой восстанавливают и, таким образом, существенный вред экологии не наносится. Слой песка - обязателен, т.к. глина при первых дождях превратится в непроходимую жижу. Я сам видел, как в такой жиже застревали многотонные Уралы.
Но обо всем по порядку.

На скважине 39629Г установлен станок (собственно вышка) СБУ-3000/170 (стационарная буровая установка, максимальная грузоподъемность 170 тонн). Станок произведен в Китае и выгодно отличается от того, что я видел раньше. В России тоже производятся буровые, но китайские станки дешевле как в закупке, так и в обслуживании.

На этой площадке ведется кустовое бурение, оно характерно для горизонтальных и наклонно-направленных скважин. Такой тип бурения заключается в том, что устья скважин расположены на близком расстоянии друг от друга.
Поэтому буровой станок оборудован системой самоперемещения по рельсам. Система работает по принципу «тяни-толкай» и станок как бы передвигает сам себе с помощью гидроцилиндров. На перемещение с одной точки до другой (первые десятки метров) со всеми сопутствующими операциями уходит пара часов.

Поднимаемся на рабочую площадку буровой. Здесь собственно и происходит большая часть работы буровиков. На фото видны трубы буровой колонны (слева) и гидравлический ключ, при помощи которого колонна наращивается новыми трубами и продолжает бурение. Бурение происходит благодаря долоту на конце колонны и вращению, которое передается с помощью ротора.

Особый восторг у меня вызвало рабочее место бурильщика. Когда-то давно, в Республике Коми, я видел бурильщика, который управлял всеми процессами с помощью трех ржавых рычагов и собственной интуиции. Чтобы сдвинуть рычаг с места, он буквально повисал на нем. В итоге, буровой крюк чуть было не зашиб его.
Здесь же бурильщик подобен капитану космического корабля. Он сидит в изолированной кабине, в окружении мониторов и управляет всем с помощью джойстика.

Само собой, кабина отапливается зимой и охлаждается летом. Кроме того, на крыше,тоже стеклянной, предусмотрена защитная сетка на случай падения чего-нибудь с высоты и дворник для очистки стекла. Последний вызывает у буровиков неподдельный восторг:)

Лезем наверх!

Кроме ротора, буровая оборудована системой верхнего привода (сделана в США). Эта система объединяет в себе крановый блок и ротор. Грубо говоря, это кран с приделанным к нему электродвигателем. Система верхнего привода является более удобной, быстрой и современной, нежели ротор.

Видео как работает система верхнего привода:

С вышки открывается отличный вид на площадку и окрестности:)

Кроме красивых видов, в верхней точке буровой можно обнаружить рабочее место верхового помбура (помощника бурильщика). В его обязанности входят работы по установке труб и общий контроль.

Так как верховой находится на рабочем месте всю 12-часовую смену и в любую погоду и любое время года, для него оборудована отапливаемая комната. На старых вышках этого никогда не было!

В случае нештатной ситуации, верховой может эвакуироваться с помощью троллея:

Когда скважина пробурена, ствол несколько раз промывается от разбуренной породы (шлама) и в нее спускают обсадную колонну, которая состоит из множества труб, скрученных между собой. Один из типовых внутренних диаметров обсадной колонны — 146 миллиметров. Длина скважины может достигать 2—3 километров и более. Таким образом, длина скважины превосходит её диаметр в десятки тысяч раз. Примерно такими же пропорциями обладает, например, отрезок обычной нити длиной 2—3 метра.

Трубы подаются по специальному желобу:

После спуска обсадной колонны скважину еще раз промывают и начинается цементирование затрубного пространства (пространства между стенкой скважины и обсадной колонной). Цемент подается на забой и продавливается в затрубное пространство.

После того, как цемент застывает, его проверяют зондом (прибором, спускаемым в скважину) АКЦ - акустический контроль цементажа, скважину опрессовывают (проверяют герметичность), если все ОК, то бурение продолжается - разбуривается цементный стакан на забое и долото идет дальше.

Буква «г» в номере скважины 39629Г означает, что ствол скважины - горизонтальный. От устья до определенного момента скважина бурится без отклонения, но потом с помощью шарнирного отклонителя и/или роторного отклонителя она выходит на горизонталь. Первый представляет собой трубу с шарниром, а второй - долото с направленным соплом, которое отклоняется напором бурового раствора. Обычно, на картинках, отклонение ствола изображается чуть ли не под углом 90 градусов, но в реальности этот угол составляет около 5-10 градусов на 100 метров.

За тем, чтобы ствол скважины шел туда, куда нужно, следят специальные люди - «кривильщики» или инженеры телеметрии. По показаниям естественной радиактивности горных пород, сопротивлению и другим параметрам, они контролируют и корректируют курс бурения.

Схематично все это выглядит вот так:

Любые манипуляции с чем-либо на дне (забое) скважины превращаются в очень увлекательное занятие. Если в скважину нечаянно уронить инструмент, насос или несколько труб, то вполне можно уроненное никогда не достать, после чего на скважине стоимостью в десятки или сотни миллионов рублей можно ставить крест. Покопавшись в делах и историях ремонта, можно найти настоящие скважины-жемчужины, на забое которых лежит насос, поверх которого лежит ловильный инструмент (для извлечения насоса), поверх которого лежит инструмент для извлечения ловил
ьного инструмента. При мне в скважину роняли, к примеру, кувалду:)

Чтобы нефть вообще могла поступать в скважину, нужно проделать отверстия в обсадной колонне и цементном кольце за ней, так как они, отделяют коллектор от скважины. Эти отверстия делают с помощью кумулятивных зарядов; они по сути такие же, как, например, противотанковые, только без обтекателя, потому что лететь им никуда не надо. Заряды пробивают не только обсадную колонну и цемент, но и сам пласт горной породы на несколько десятков сантиметров вглубь. Весь процесс называется перфорацией.

Для сокращения трения инструмента, выноса разрушенной породы, предотвращения осыпания стенок скважины и компенсации разницы пластового давления и давления на устье (внизу давление в разы больше) скважина заполнена буровым раствором. Его состав и плотность подбираются в зависимости от характера разреза.
Буровой раствор прокачивается компрессорной станцией и должен постоянно циркулировать в скважине во избежания осыпания стенок скважины, прихвата инструмента (ситуации, когда колонна заблокирована и ее невозможно ни вращать, ни вытащить - это одна из самых распространенных аварий при бурении) и прочего.

Спускаемся с вышки, идем смотреть насосы.

В процессе бурения буровой раствор выносит шлам (разбуренную породу) на поверхность. Анализируя шлам, буровики и геологи могу делать выводы о породах, которые сейчас проходит скважина. Затем раствор нужно очистить от шлама и снова отправить в скважину работать. Для этого оборудована система очистных установок и «амбар», где очищенный хранится шлам (амбар виден на предыдущем фото справа).

Первыми принимают раствор вибросита - они отделяют самые крупные фракции.

Затем раствор проходит ило- (слева) и пескоотделители (справа):

И, наконец, самая мелкая фракция удаляется с помощью центрифуги:

Затем раствор попадает в емкостные блоки, при необходимости восстанавливаются его свойства (плотность, состав и прочее) и оттуда с помощью насоса подается обратно в скважину.
Емкостной блок:

Буровой насос (произведен в РФ!). Красная штука сверху - гидрокомпенсатор, он сглаживает пульсацию раствора за счет противодавления. Обычно на буровых - два насоса: один рабочий, второй резервный на случай поломки.

Все этим насосным хозяйством заведует один человек. Из-за шума оборудования, всю смену он работает в берушах или защитных наушниках.

«А что у буровиков с бытом?» - спросите вы. Этот момент мы тоже не упустили из внимания!
На этой площадке буровики работают, короткими вахтами по 4 дня, т.к. бурение идет практически в черте города, но жилые модули практически ничем не отличаются от тех, что используют, к примеру, в Заполярье (разве что, в лучшую сторону).

Всего на площадке 15 вагончиков.
Часть из них - жилые, в них буровики живут по 4 человека. Вагончики разделены на тамбур с вешалкой, умывальником и шкафов и непосредственно жилую часть.

Кроме того, в отдельные вагончики (на местном сленге - «балки"») выведены баня и кухня-столовая. В последней мы прекрасно позавтракали и обсудили детали работы. Пересказывать не буду, а то вы меня обвините в совсем уж откровенной рекламе, но скажу, что мне немедленно захотелось остаться в Альметьевске… Обратите внимание на цены!

На буровой мы провели около 2,5 часов и я в очередной раз убедился, что таким сложным и опасным делом, как бурение и нефтедобыча в целом могут заниматься только хорошие люди. Еще мне объясняли, что плохие люди тут не задерживаются.

Друзья, спасибо, что дочитали до конца. Надеюсь, теперь вы представляете себе процесс бурения скважин немного лучше. Если у вас остались вопросы - задавайте их в комментариях. Я сам или с помощью экспертов - обязательно отвечу!

Тема: Бурение нефтяных и газовых скважин.

План: 1. Общие сведения о нефтегазовых операциях.

2. Способы бурения скважин.

3. Классификация скважин.

1.Общие сведения о нефтегазовых операциях.

Бурение скважин - это процесс сооружения направленной горной выработки большой длины и малого (по сравнению с длиной) диаметра. Начало скважины на по­верхности земли называют устьем, дно - забоем. Этот про­цесс - бурение - распространен в различных отраслях на­родного хозяйства.

Цели и задачи бурения

Нефть и газ добывают, пользуясь скважина­ми, основными процессами строительства которых являются бурение и крепление. Необходимо осуществлять качествен­ное строительство скважин во все возрастающих объемах при кратном снижении сроков их проводки, а также при уменьшении трудо- и энергоемкости и капитальных затрат.

Бурение скважин - единственный метод результативной разработки, приращения добычи и запасов нефти и газа.

Цикл сооружения нефтяных и газовых скважин до сдачи их в эксплуатацию состоит из следующих последовательных звеньев:

проходка ствола скважины, осуществление которой воз­можно только при выполнении параллельно протекающих работ двух видов - углубление забоя посредством локально­го разрушения горной породы и очистка ствола от разру­шенной (выбуренной) породы;

разобщение пластов, состоящее из последовательных ра­бот двух видов - закрепление стенок ствола обсадными тру­бами, соединенными в обсадную колонну, и герметизация (це­ментирование, тампонирование) заколонного пространства;

освоение скважины как эксплуатационного объекта.

2. Способы бурения скважин.

Распространенные способы вращательного бу­рения - роторное, турбинное и бурение электробуром - пред­полагают вращение разрушающего породу рабочего инстру­мента - долота. Разрушенная порода удаляется из скважины закачиваемым в колонну труб и выходящим через заколон-ное пространство буровым раствором, пеной или газом.

Роторное бурение

При роторном бурении долото вращается вместе со всей колонной бурильных труб; вращение переда­ется через рабочую трубу от ротора, соединенного с силовой установкой системой трансмиссий. Нагрузка на долото созда­ется частью веса бурильных труб.

При роторном бурении максимальный крутящий момент колонны зависит от сопротивления породы вращению доло­та, сопротивлений трения колонны и вращающейся жидкости о стенку скважины, а также от инерционного эффекта упру­гих крутильных колебаний.

В мировой буровой практике наиболее распространен ро­торный способ: почти 100 % объема буровых работ в США и Канаде выполняется этим способом. В последние годы наме­тилась тенденция увеличения объемов роторного бурения и в России, даже в восточных районах. Основные преимущества роторного бурения перед турбинным - независимость регу­лирования параметров режима бурения, возможность сраба­тывания больших перепадов давления на долоте, значитель­ное увеличение проходки за рейс долота в связи с меньшими частотами его вращения и др.

Турбинное бурение

При турбинном бурении долото соединяется с валом турбины турбобура, которая приводится во вращение движением жидкости под давлением через систему роторов и статоров. Нагрузка создается частью веса бурильных труб.

Наибольший крутящий момент обусловлен сопротивлени­ем породы вращению долота. Максимальный крутящий мо­мент, определяемый расчетом турбины (значением ее тор­мозного момента), не зависит от глубины скважины, частоты вращения долота, осевой нагрузки на него и механических свойств разбуриваемых пород. Коэффициент передачи мощ­ности от источника энергии к разрушающему инструменту в турбинном бурении выше, чем в роторном.

Однако при турбинном бурении невозможно независимое регулирование параметров режима бурения, и при этом вели­ки затраты энергии на 1 м проходки, расходы на амортиза­цию турбобуров и содержание цехов по их ремонту.

Турбинный способ бурения получил широкое распрост­ранение в России благодаря работам ВНИИБТ.

Бурение винтовыми (объемными) двигателями

Рабочие органы двигателей созданы на основе многозаходного винтового механизма, что позволяет полу­чить необходимую частоту вращения при повышенном по сравнению с турбобурами вращающем моменте.

Забойный двигатель состоит из двух секций - двигатель­ной и шпиндельной.

Рабочими органами двигательной секции являются статор и ротор, представляющие собой винтовой механизм. В эту секцию входит также двухшарнирное соединение. Статор при помощи переводника соединяется с колонной бурильных труб. Вращающий момент посредством двухшарнирного со­единения передается с ротора на выходной вал шпинделя.

Шпиндельная секция предназначена для передачи осевой нагрузки на забой, восприятия гидравлической нагрузки, дей­ствующей на ротор двигателя, и уплотнения нижней части вала, что способствует созданию перепада давления.

В винтовых двигателях вращающий момент зависит от пе­репада давления в двигателе. По мере нагружения вала разви­ваемый двигателем вращающий момент растет, увеличивается и перепад давления в двигателе. Рабочая характеристика вин­тового двигателя с требованиями эффективной отработки долот позволяет получить двигатель с частотой вращения вы­ходного вала в пределах 80-120 об/мин с увеличенным вра­щающим моментом. Указанная особенность винтовых (объемных) двигателей делает их перспективными для внед­рения в практику буровых работ.

Бурение электробуром

При использовании электробуров вращение долота осуществляется электрическим (трехфазным) двигате­лем переменного тока. Энергия к нему подается с поверхно­сти по кабелю, расположенному внутри колонны бурильных труб. Буровой раствор циркулирует так же, как и при ро­торном способе бурения. Кабель внутрь колонны труб вво­дится через токоприемник, расположенный над вертлюгом. Электробур присоединяют к нижнему концу бурильной ко­лонны, а долото крепят к валу электробура. Преимущество электрического двигателя перед гидравлическим состоит в том, что у электробура частота вращения, момент и другие параметры не зависят от количества подаваемой жидкости, ее физических свойств и глубины скважины, и в возможнос­ти контроля процесса работы двигателя с поверхности. К недостаткам относятся сложность подвода энергии к элект­родвигателю особенно при повышенном давлении и необхо­димость герметизации электродвигателя от бурового рас­твора.

Перспективные направления в развитии способов бурения в мировой практике

В отечественной и зарубежной практике ве­дутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские

работы в области создания новых методов бурения, техноло­гий, техники.

К ним относятся углубление в горных породах с исполь­зованием взрывов, разрушение пород при помощи ультра­звука, эрозионное, с помощью лазера, вибрации и др.

Некоторые из названных методов получили развитие и применяются, хотя и в незначительном объеме, зачастую на стадии эксперимента.

Гидромеханический метод разрушения горных пород при углублении скважин все чаще используется в экспе­риментальных и полевых условиях. С.С. Шавловским прове­дена классификация водяных струй, которые могут приме­няться при бурении скважин. Основа классификации - развиваемое давление, рабочая длина струй и степень их воздействия на породы различного состава, сцементирован-ности и прочности в зависимости от диаметра насадки, начального давления струи и расхода воды. Применение во­дяных струй позволяет в сравнении с механическими спосо­бами повысить технико-экономические показатели проходки скважины.

На VII Международном симпозиуме (Канада, 1984) были представлены результаты работ по использованию водяных струй в бурении. Его возможности связываются с непрерыв­ной, пульсирующей или прерывистой подачей флюида, нали­чием или отсутствием абразивного материала и технико-технологическими особенностями способа.

Эрозионное бурение обеспечивает скорости углубления в 4-20 раз больше, чем при роторном бурении (в аналогичных условиях). Это объясняется, в первую очередь, значительным увеличением мощности, подводимой к забою по сравнению с другими методами.

Сущность его состоит в том, что к долоту специальной конструкции вместе с буровым раствором подается абразив­ный материал - стальная дробь. Размер гранул - 0,42 - 0,48 мм, концентрация в растворе - 6 %. Через насадки до­лота с большой скоростью на забой подается этот раствор с дробью и забой разрушается. В бурильной колонне последо­вательно устанавливают два фильтра, предназначенные для отсева и удержания частиц, размер которых не позволяет им пройти через насадки долота.

Один фильтр - над долотом, второй - под ведущей тру­бой, где можно осуществлять очистку. Химическая обработка бурового раствора с дробью сложнее, чем обработка обыч­ного раствора, особенно при повышенных температурах.

Особенность в том, что необходимо удерживать дробь в рас­творе во взвешенном состоянии и затем генерировать этот абразивный материал.

После предварительной очистки бурового раствора от газа и шлама при помощи гидроциклонов дробь отбирают и со­храняют в смоченном состоянии. Затем раствор пропускают через гидроциклоны тонкой очистки и дегазатор и восста­навливают его утраченные показатели химической обработ­кой. Часть бурового раствора смешивают с дробью и подают в скважину, на пути смешивая с обычным буровым раство­ром (в расчетном соотношении).

Лазеры - квантовые генераторы оптического диапазона - одно из замечательных достижений науки и техники. Они нашли широкое применение во многих областях науки и техники.

По зарубежным данным в настоящее время возможна ор­ганизация производства газовых лазеров непрерывного дей­ствия с выходной мощностью 100 кВт и выше. Коэффициент полезного действия (КПД) газовых лазеров может достигать 20 - 60 %. Большая мощность лазеров при условии получения чрезвычайно высоких плотностей излучения достаточна для расплавления и испарения любых материалов, в том числе горных пород. Горная порода при этом также растрескива­ется и шелушится.

Экспериментально установлена минимальная плотность мощности лазерного излучения, достаточного для разрушения пород плавлением: для песчаников, алевролитов и глин она составляет примерно 1,2-1,5 кВт/см 2 . Плотность мощности эффективного разрушения нефтенасыщенных горных пород из-за термических процессов горения нефти, особенно при поддуве в зону разрушения воздуха или кислорода, ниже и составляет 0,7 - 0,9 кВт/см 2 .

Подсчитано, что для скважины глубиной 2000 м и диамет­ром 20 см нужно затратить около 30 млн кВт энергии лазер­ного излучения. Проводка скважин такой глубины пока не конкурентоспособна в сравнении с традиционными механи­ческими методами бурения. Однако имеются теоретические предпосылки повышения КПД лазеров: при КПД, равном 60 %, энергетические и стоимостные затраты существенно снизятся и его конкурентоспособность повысится. При использовании лазера в случае бурения скважин глубиной 100 - 200 м стои­мость работ относительно невелика. Но во всех случаях при лазерном бурении форма сечения может быть запрограмми­рованной, а стенка скважины будет формироваться из расплава горной породы и будет представлять собой стеклооб­разную массу, позволяющую повысить коэффициент вытес­нения бурового раствора цементным. В некоторых случаях можно, очевидно, обойтись без крепления скважин.

Зарубежные фирмы предлагают несколько конструкций лазеров. Основу их составляет мощный лазер, размещенный в герметичном корпусе, способном выдержать высокое дав­ление. Температуроустойчивость пока не прорабатывалась. По этим конструкциям излучение лазера передается на забой через светопроводящее волокно. По мере разрушения (плавления) горной породы лазеробур подается вниз; он мо­жет быть снабжен установленным в корпусе вибратором. При вдавливании снаряда в расплав породы стенки скважины могут уплотняться.

В Японии начат выпуск углекислотных газовых лазеров, которые при использовании в бурении существенно (до 10 раз) повысят скорость проходки.

Сечение скважины при формировании ствола этим мето­дом может иметь произвольную форму. Компьютер по раз­работанной программе дистанционно задает режим сканиро­вания лазерного луча, что позволяет запрограммировать раз­мер и форму ствола скважины.

Проведение лазеротермических работ возможно в даль­нейшем в перфорационных работах. Лазерная перфорация обеспечит управляемость процесса разрушения обсадной ко­лонны, цементного камня и породы, а также может способ­ствовать проникновению каналов на значительную глубину, что, безусловно, повысит степень совершенства вскрытия пласта. Однако оплавление пород, целесообразное при углуб­лении скважины, здесь неприемлемо, что должно быть учте­но при использовании этого метода в дальнейшем.

В отечественных работах есть предложения о создании ла-зероплазменных установок для термического бурения сква­жин. Однако транспортировка плазмы к забою скважины пока затруднена, хотя и ведутся исследования по возможнос­ти разработки световодов ("световодных труб").

Одним из наиболее интересных методов воздействия на горные породы, обладающих критерием "универсаль­ность", является метод их плавления при помощи непосред­ственного контакта с тугоплавким наконечником - пенетра-тором. Значительные успехи в создании термопрочных мате­риалов позволили перенести вопрос о плавлении горных пород в область реального проектирования. Уже при темпе­ратуре примерно 1200-1300 °С метод плавления работоспо-

собен в рыхлых грунтах, песках и песчаниках, базальтах и других породах кристаллического фундамента. В породах осадочного комплекса проходка глинистых и карбонатных пород требует, по-видимому, более высокой температуры.

Метод бурения плавлением позволяет получить на стенках скважины достаточно толстую ситалловую корку с гладкими внутренними стенками. Метод обладает высоким коэффици­ентом ввода энергии в породу - до 80-90 %. При этом мо­жет быть, хотя бы принципиально, решена проблема удале­ния расплава с забоя. Выходя по выводящим каналам или просто обтекая гладкий пенетратор, расплав, застывая, обра­зует шлам, размерами и формой которого можно управлять. Шлам выносится жидкостью, которая циркулирует выше бу­рового снаряда и охлаждает его верхнюю часть.

Первые проекты и образцы термобуров появились в 60-х годах, а наиболее активно теория и практика плавления гор­ных пород начали развиваться с середины 70-х годов. Эф­фективность процесса плавления определяется в основном температурой поверхности пенетратора и физическими свой­ствами горных пород и мало зависит от механических и прочностных свойств. Это обстоятельство обусловливает оп­ределенную универсальность метода плавления в смысле при­менимости его для проходки различных пород. Температур­ный интервал плавления этих различных полиминеральных многокомпонентных систем в основном укладывается в диа­пазон 1200-1500 °С при атмосферном давлении. В отличие от механического метод разрушения горных пород плавлением с увеличением глубины и температуры залегающих пород по­вышает свою эффективность.

Как уже говорилось, параллельно с проходкой осуществ­ляются крепление и изоляция стенок скважины в результате создания непроницаемого стекловидного кольцевого слоя. Пока еще не ясно, будет ли происходить износ поверхност­ного слоя пенетратора, каковы его механизм и интенсив­ность. Не исключено, что бурение плавлением, хотя и с не­большой скоростью, может проводиться непрерывно в пре­делах интервала, определяемого конструкцией скважины. Сама же эта конструкция из-за непрерывного крепления стенок может быть значительно упрощена, даже в сложных геологических условиях.

Можно себе представить технологические процедуры, свя­занные только с креплением и изоляцией стенок последова­тельно с проходкой ствола способом обычного механическо­го бурения. Эти процедуры могут относиться только к ин-

тервалам, представляющим опасность в связи с возможнос­тью возникновения различных осложнений.

С точки зрения технической реализации следует предус­мотреть токопровод к нагнетательным элементам пенетрато-ра аналогично используемому при электробурении.

3. Классификация скважин

Скважины можно классифицировать по на­значению, профилю ствола и фильтра, степени совершенства и конструкции фильтра, количеству обсадных колонн, распо­ложению на поверхности земли и т.д.

По назначению различают скважины: опорные, парамет­рические, структурно-поисковые, разведочные, нефтяные, га­зовые, геотермальные, артезианские, нагнетательные, наблю­дательные, специальные.

По профилю ствола и фильтра скважины бывают: верти­кальные, наклонные, направленно-ориентированные, гори­зонтальные.

По степени совершенства выделяют скважины: сверхсо­вершенные, совершенные, несовершенные по степени вскрытия продуктивных пластов, несовершенные по характе­ру вскрытия продуктивных пластов.

По конструкции фильтра скважины классифицируют на: незакрепленные, закрепленные эксплуатационной колонной, закрепленные вставным щелевым или сетчатым фильтром, закрепленные гравийно-песчаным фильтром.

По количеству находящихся в скважине колонн выделяют скважины: одноколонные (только эксплуатационная колон­на), многоколонные (двух-, трех-, п-колонные).

По расположению на поверхности земли скважины разли­чают: расположенные на суше, шельфовые, морские.

Назначение структурно-поисковых скважин - установле­ние (уточнение) тектоники, стратиграфии, литологии разреза пород, оценка возможных продуктивных горизонтов.

Разведочные скважины служат для выявления продуктив­ных пластов, а также для оконтуривания разрабатываемых нефтяных и газовых месторождений.

Добывающие (эксплуатационные) предназначены для до­бычи нефти и газа из земных недр. К этой категории отно­сят также нагнетательные, оценочные, наблюдательные и пье­зометрические скважины.

Нагнетательные необходимы для закачки в пласт воды, га­за или пара с целью поддержания пластового давления или обработки призабойной зоны. Эти меры направлены на уд­линение периода фонтанного способа добычи нефти или по­вышение эффективности добычи.

Назначение оценочных скважин-определение начальной водонефтенасыщенности и остаточной нефтенасыщенности пласта и проведение иных исследований.

Контрольные и наблюдательные скважины служат для на­блюдения за объектом разработки, исследования характера продвижения пластовых флюидов и изменения газонефтена-с ыщенности пласта.

Опорные скважины бурят для изучения геологического строения крупных регионов с целью установления общих за­кономерностей залегания горных пород и выявления возмож­ностей образования в этих породах месторождений нефти и газа.

Контрольные вопросы:

1. Как классифицируют скважины?

2. Какие известны способы бурения скважин?

3. Что представляет собой лазерное бурение? ?

Литература

1. Баграмов Р.А. Буровые машины и комплексы: Учеб. для вузов. - М.: Недра,1988. - 501 с.

2. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Заканчивание скважин: Учеб. пособие для

вузов. - М: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. - 670 с.

3. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Осложнения и аварии при бурении нефтяных

и газовых скважин: Учеб. для вузов. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. -679 с.

4. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Технология бурения нефтяных и газовых

скважин: Учеб. для вузов. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001. - 679 с.

5. Болденко Д.Ф., Болденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Винтовые забойные двигатели. - М.:Недра,