Лекции 1-3

ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Лектор – доктор технических наук, профессор СИМОНЯНЦ Сергей Липаритович

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Лекция 1. Общие сведения о строительстве скважин. Нефтегазовые месторождения. Понятие о скважине. Способы бурения.

В 2007 году:

добыто нефти - 494 млн. тонн

добыто газа - 660 млрд. куб. м

пробурено - 14 млн. метров

Скважина – цилиндрическая горная выработка, имеющая длину во много раз больше диаметра, сооружаемая без доступа в нее человека Схема скважины 1- устье, 2 – стенка (ствол), 3 - ось, 4 – забой

Основные понятия скважины:

• устье скважины – место на поверхности земли, с которой началось бурение скважины.

• ось скважины – воображаемая линия, проходящая через условные центры поперечных сечений скважины.

• стенка скважины – боковая поверхность скважины.

• забой – поверхность дна скважины, по которой происходит разрушение горной породы буровым инструментом в процессе углубления скважины.

• ствол скважины – пространство в массиве горных пород, ограниченное контурами скважины, т.е. ее устьем, стенкой и забоем. Имеет условно цилиндрическую форму.

• глубина скважины - расстояние от устья до забоя, измеренное по вертикали.

• длина ствола скважины - расстояние от устья до забоя, измеренное по оси скважины.

КЛАССИФИКАЦИЯ СКВАЖИН

По назначению скважины классифицируются:

1) Опорные скважины – для изучения геологического строения и условий залегания горных пород.

2) Параметрические скважины – для более детального изучения геологического строения разреза месторождения, для уточнения стратиграфического разреза.

3) Структурные скважины – для тщательного изучения структур и подготовки проекта поисково-разведочного бурения.

4) Поисковые скважины – для поиска новых залежей на открытых ранее месторождениях и для открытия новых месторождений.

5) Разведочные скважины – для оконтуривания месторождений с установленной промышленной нефтегазоносностью, сбора данных для проектирования разработки месторождения, исследования разреза и нефтегазоносности.

6) Эксплуатационные скважины – для добычи и организации эффективной разработки разведанного месторождения.

- оценочные скважины – для уточнения режима работы пласта, схемы разработки месторождения и др.;

- нагнетательные скважины – для организации законтурного и внутриконтурного нагнетания в эксплуатационный пласт воды, газа или воздуха;

- наблюдательные скважины – для систематического контроля за режимом разработки месторождения.

7) Специальные скважины – для взрывных работ, сброса промысловых вод, добычи воды, подземных газохранилищ, ликвидации нефтегазовых фонтанов и др.

По форме оси скважины классифицируются:

1) Вертикальная – скважина, отклонение оси которой от вертикали, проходящей через ее устье, находится в допустимых пределах.

2) Наклонно-направленная – скважина, которая целенаправленно бурится по заданной траектории с отклонением забоя от вертикали, проходящей через устье скважины.

3) Горизонтальная – наклонно-направленная скважина, конечный интервал которой проходит по простиранию горизонтального пласта или с незначительным отклонением от горизонтали.

ЦИКЛ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИНЫ:

1. Подготовительные работы к строительству буровой. Строительство подъездных путей, линий электропередач, связи, трубопроводов. Выравнивание площадки, обваловка, бурение скважины на воду и др.

2. Строительно-монтажные работы. Сборка буровой установки и наземного оборудования.

3. Подготовительные работы к бурению. Наладка оборудования, бурение и крепление шурфа, установка направления скважины.

4. Проводка ствола и крепление скважины.

5. Оборудование устья, испытание скважины на приток, сдача скважины в эксплуатацию.

6. Демонтаж буровой установки, транспортировка на новую точку, восстановление площадки, рекультивация земель.

Способы бурения нефтяных и газовых скважин

По способу воздействия на горные породы различают механическое и немеханическое бурение.

При механическом бурении буровой инструмент непосредственно воздействует на горную породу, разрушая ее, а при немеханическом разрушение происходит без непосредственного контакта с породой источника воздействия на нее.

Немеханические способы (гидравлический, термический, электрофизический) находятся в стадии разработки и для бурения нефтяных и газовых скважин в настоящее время не применяются.

Промышленное применение находят только способы механического бурения — ударное и вращательное.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СПОСОБОВ: - вращательное бурение; - ударное бурение.

• КЛАССИФИКАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВРАЩАТЕЛЬНЫХ СПОСОБОВ

• - роторное бурение;

• - бурение забойными двигателями.

 

• КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ:

• - гидравлические забойные двигатели (ГЗД);

• - электрические забойные двигатели (электробуры).

• КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ГЗД):

• - турбобуры;

• - винтовые забойные двигатели.

Ударное бурение скважин

Из всех разновидностей ударного способа наибольшее распространение получило ударно-канатное бурение.

При ударном бурении скважина, как правило, не заполнена жидкостью. Поэтому, во избежание обрушения породы с ее стенок, в скважину 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).

В настоящее время ударный способ не применяется при строительстве нефтяных и газовых скважин.

Вращательное бурение скважин

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

При вращательных способах бурения углубление долота в породу происходит при движении вдоль оси скважины вращающейся бурильной колонны, а при бурении с забойными двигателями - не вращающейся бурильной колонны. Характерной особенностью вращательного бурения является одновременная промывка скважины.

Основные виды вращательного бурения:

• роторный способ (бурение ротором или верхним силовым приводом - ВСП);

• турбинный способ (бурение турбобурами);

• бурение винтовыми забойными двигателями;

• бурение электробурами.

При роторном бурении мощность от двигателей буровой установки через трансмиссию передается ротору. Ротор вращает бурильную колонну с укрепленным на ее конце долотом. При использовании ВСП бурильную колонну вращает силовой вертлюг. Бурильная колонна состоит из ведущей трубы и привинченных к ней с бурильных труб.

При бурении с забойным двигателем долото привинчено

к валу, а бурильная колонна — к корпусу забойного двигателя (ЗД).

При работе ЗД вращается его вал с долотом, а бурильная колонна воспринимает реактивный момент на корпусе ЗД.

В настоящее время применяют три вида забойных двигателей:

• турбобур;

• винтовой двигатель:

• электробур.

Турбобур и винтовой двигатель являются разновидностями гидравлических забойных двигателей, наиболее широко применяемых при бурении и капитальном ремонте нефтегазовых скважин.

При бурении с гидравлическим забойным двигателем (ГЗД) гидравлическая энергия потока бурового раствора, двигающегося от бурового насоса по бурильной колонне, преобразуется в механическую энергию вращения вала ГЗД, с которым соединено долото.

При бурении с электробуром электрическая энергия передается по кабелю, смонтированному внутри бурильной колонны и преобразуется электродвигателем в механическую энергию вращения вала электробура, которая непосредственно передается долоту.

Лекция 2. Основы строительства нефтегазовых скважин.

Требования к наземному буровому оборудованию.

Строительство скважины осуществляется в соответствии с проектом ее конструкции.

Конструкция скважины состоит из ствола, пробуренного в горных породах и нескольких обсадных колонн (ОК), закрепленных в этих породах с помощью цемента.

Конструкция скважины характеризуется:

· глубиной (протяженностью) скважины и интервалов под каждую ОК;

· диаметром ствола скважины под каждую ОК;

· количеством ОК, спускаемых в скважину, глубиной их спуска, их длиной, диаметром и интервалами их цементирования.

Скважина - горнотехническое сооружение

обсаженный интервал (изолированная часть ствола скважины) – интервал скважины, в котором ее стенки закреплены (перекрыты) обсадной колонной;

необсаженный интервал (открытый ствол) – интервал скважины, где нет обсадной колонны;

выход из под башмака - расстояние от башмака (низа обсадной колонны) до забоя скважины.

Бурение – технологический процесс создания и крепления ствола скважины.

Создают ствол скважины при ее углублении путем разрушения горных пород на забое и удаления обломков выбуренной породы (шлама) из скважины.

Пробуренные интервалы ствола скважины закрепляют с целью предотвращения разрушения стенки и разобщения пластов путем спуска и цементирования обсадных колонн.

Углубление (проходка, проводка) ствола скважины осуществляется путем реализации двух технологических процессов:

• основного - разрушение горной породы на забое скважины с помощью породоразрушающего инструмента - долота;

• вспомогательного - удаление обломков горной породы с забоя и из скважины с помощью промывки буровым раствором.

По мере углубления скважины ведущая труба опускается вниз. При заглублении ведущей трубы на всю длину осуществляют наращивание, то есть присоединение бурильной трубы:

• первый раз между ведущей трубой и долотом,

• каждый последующий раз - между ведущей трубой и предыдущей бурильной трубой.

Наращивание осуществляют всякий раз, когда верх ведущей трубы спускается до уровня ротора. Полученная таким образом непрерывная система бурильных труб называется бурильной колонной (бурильным инструментом).

Углубление скважины осуществляется до износа долота (об этом судят по падению механической скорости проходки). Для замены долота бурильную колонну извлекают из скважины (поднимают бурильную колонну), заменяют износившееся долото новым и спускают его в скважину.

Для сокращения продолжительности спускоподъемных операций (СПО) бурильную колонну поднимают и опускают в скважину не отдельными бурильными трубами, а свечами.

Свеча - неразборный комплект из двух-четырех бурильных труб.

Как правило, долотом бурят до полного его износа, то есть до выработки ресурса долота.

Долота современных конструкций, особенно безопорные алмазные, имеют большой ресурс и их можно последовательно использовать в нескольких скважинах.

Долото разрушает горную породу на забое под действием осевой нагрузки и крутящего момента, приложенного с определенной частотой вращения.

Осевая нагрузка на долото создается массой нижней (сжатой) части бурильной колонны.

Крутящий момент создается при вращении долота ротором с помощью бурильной колонны или гидравлическим забойным двигателем, непосредственно вращающим долото.

Промывка осуществляется с помощью буровых насосов, подающих буровой раствор в бурильную колонну, в ГЗД и в долото.

Крепление скважины

В процессе бурения возникает необходимость закрепления стенок скважины в интервалах неустойчивых пород, предотвращения межпластовых перетоков флюидов и т.д.

Если углубление следующего участка ствола скважины без крепления предыдущего интервала обсадной колонной становится невозможным, то эти участки ствола скважины называют интервалами с несовместимыми условиями бурения.

Крепление скважины обсадной колонной (ОК)

Включает технологические операции:

• подготовка ствола, обсадных труб и оборудования к спуску ОК;

• спуск ОК;

• цементирование ОК; • проверка качества цементирования и герметичности ОК.

Заканчивание скважины

Заканчивание скважины включает следующие основные виды работ: · первичное вскрытие продуктивного пласта; · конструктивное оформление ствола скважины в интервале продуктивного пласта и изоляция его от соседних интервалов с водоносными и проницаемыми пластами; · вторичное вскрытие продуктивного пласта (создание гидродинамической связи продуктивного пласта со скважиной);

· исследование продуктивных пластов, освоение продуктивных пластов с промышленными запасами, специальные работы в скважине.

Заключительные работы по окончании бурения и заканчивания скважины

Демонтаж бурового оборудования, вышки и прочих сооружений и подготовка их к транспортированию на новую точку бурения.

Отправка демонтированного оборудования и имущества на новую точку бурения.

Утилизация и захоронение производственных отходов, рекультивация земельного участка

Параллельно с демонтажем БУ проводят очистку территории от металлолома и строительного мусора, выполняют работы по охране окружающей среды - утилизацию и захоронение производственных отходов, рекультивацию земельного участка (восстановление нарушенного слоя почвы).

Скважину по акту передают на баланс Заказчика (недропользователя), который несет ответственность за ее техническое состояние на протяжении всего периода ее эксплуатации, а также после ликвидации скважины.

Назначение и функциональная схема буровой установки

При механическом бурении буровая установка выполняет три основные функции:

• грузовую,

• приводную,

• циркуляционную.

Классификация и общая характеристика буровых установок

По конструктивному исполнению буровые установки классифицируют на:

• стационарные и мобильные; • морские; • для бурения с использованием гибких труб (колтюбинговые).

Привод буровых установок

Приводом называют двигатели, передачи (трансмиссии) и системы управления, передающие энергию исполнительным органам буровой установки.

Двигатели преобразуют тепловую, электрическую или гидравлическую энергию в механическую.

Передачи предназначены для соединения двигателей с исполнительными органами с целью передачи энергии и согласования параметров энергетического потока двигателя с параметрами каждого исполнительного органа.

Система управления предназначена для регулирования параметров привода в ручном или автоматическом режиме в зависимости от хода технологического процесса с целью реализации оптимальных технологических параметров.

По назначению приводы разделяют на основной и вспомогательный.

• Основным является привод основных органов (лебедка, ротор, буровые насосы).

• Вспомогательный привод предназначен для привода механизмов выполняющих вспомогательные функции (механизмы циркуляционной системы, средства механизации СПО, погрузочно-разгрузочных работ и др.). Число таких механизмов и устройств в современной буровой установке достигает 30 единиц.

По конструкции приводы классифицируется в зависимости от типа используемых двигателей, способа распределения энергии, числа двигателей, а также конструкции силовой передачи (трансмиссии).

В зависимости от типа двигателей, различают приводы:

• дизельный, электрический, газотурбинный (для привода основных механизмов);

• электрический, пневматический, гидравлический (для привода вспомогательных механизмов).

Верхний силовой привод

Выполняет функции ротора, вертлюга, крюка, противовыбросовой фонтанной арматуры и частично свинчивания труб.

ВСП должны оснащаться БУ для бурения скважин

• с глубиной более 4500 м;

• с ожидаемым содержанием в пластовом флюиде сероводорода свыше 6% (объемных);

• наклонно направленных с радиусом кривизны менее 30 м;

• горизонтальных с глубиной по вертикали более 3000 м и горизонтальным положением ствола более 300 м.

Достоинства ВСП

• наращивание инструмента при бурении производится свечами длиной 25-27 м, а не "однотрубками", чем исключается два наращивания из трех - достигается значительная экономия времени;

• возможность (при необходимости) производить СПО с вращением колонны труб и с циркуляцией в скважине даже при большом угле наклона, чем уменьшается вероятность прихватов;

• возможность быстрой и надежной герметизации скважины двумя шаровыми кранами в процессе бурения и при СПО.

Буровые насосы

Буровой насос служит для подачи промывочной жидкости в скважину, а также для подведения гидравлической мощности к работающему в скважине турбобуру, к винтовому забойному двигателю и к долоту гидромониторного типа.

Буровой насос состоит из двух частей – механической и гидравлической, смонтированных на единой станине.

Механическая часть предназначена для преобразования вращательного движения приводного (трансмиссионного) вала в возвратно-поступательное движение, которое передается на гидравлическую часть.

Гидравлическая часть предназначена для всасывания приготовленного бурового раствора из емкостей и нагнетания его в скважину.

Лекция 3. Механические свойства горных пород. Механика их разрушения.

Напряженное состояние горных пород.

Горные породы - это природные агрегаты минералов, слагающие земную кору и сформировавшиеся в результате геологических процессов. Горные породы подразделяются на : - магматические, образовавшиеся в результате извержения, охлаждения и затвердевания магмы; - метаморфические, которые образуются в результате изменения внутреннего строения, химического состава и физических свойств пород под влиянием высоких температур и давления; - осадочные, образовавшиеся в результате разрушения земной коры, которые бывают кристаллическими и обломочными.

Нефтяные и газовые месторождения приурочены к осадочным горным породам: глины, глинистые сланцы, аргиллиты, мергели, глинистые пески, песчаники, алевролиты, известняки, мел, доломиты, ангидриты, гипсы, соли и др.

Сложность задачи бурения скважины состоит в необходимости разрушения горных пород на забое при обеспечении устойчивости стенки ее открытого ствола.

Механические свойства горных пород -способность горных пород реагировать на внешнее воздействие.

Основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения:

• упругость;

• пластичность;

• прочность (твердость);

• абразивность;

• сплошность.

Упругость - способность горных пород изменять форму и объем под влиянием силовых воздействий и полностью восстанавливать первоначальное состояние после устранения воздействий.

Упругие свойства горных пород характеризуются модулем упругости (модуль Юнга) и коэффициентом Пуассона. Модуль упругости горных пород зависит от их минералогического состава, вида нагружения и величины приложенной нагрузки, от структуры, текстуры и глубины залегания пород, от состава и строения цементирующего вещества, от степени влажности, песчаности и карбонатности пород.

Пластичность - способность горных пород изменять форму и объем под влиянием силовых воздействий и сохранять остаточные деформации после устранения воздействий.

Разрушению некоторых пород предшествует пластическая деформация. Она начинается, как только напряжения в породе превысят предел упругости. Пластичность зависит от минералогического состава горных пород и уменьшается с увеличением содержания кварца, полевого шпата и некоторых других минералов. Высокими пластическими свойствами обладают глины и некоторые породы, содержащие соли.

Прочность – способность горной породы сопротивляться механическому разрушению.

Основным показателем прочностных свойств горной породы является Твердость – способность породы сопротивляться внедрению в нее постороннего тела.

Твердость по штампу – местная прочность на вдавливание в образец породы стального штампа, имеющего плоскую опорную поверхность.

По характеру деформации под штампом все осадочные породы поделены на 12 категорий:

Мягкие (категории 1 – 3) М

Средние (категории 4 – 5) С

Твердые (категории 6 – 7) Т

Крепкие (категории 8 – 9) К

Очень крепкие (категории 10 – 12) ОК

Абразивность – способность горной породы изнашивать контактирующий с ней породоразрушающий инструмент в процессе их взаимодействия.

Оценивается по интенсивности износа эталонного образца при взаимодействии с породой.

Среди горных пород наибольшей абразивностью обладают кварцевые и полевошпатовые песчаники и алевролиты (сцементированные обломочные породы с обломочными зернами размером от 0,01 до 0,1 мм).

По показателю абразивности все горные породы поделены на 8 категорий (от малоабразивных до высокоабразивных)

Сплошность характеризует структурное состояние горных пород, которое зависит от внутриструктурных нарушений (трещин, пор, поверхностей рыхлого контакта зерен и т. д.).

Сплошность определяется пористостью горной породы и характеризует возможность передачи внутрь породы давления внешней жидкостной или газовой среды.

Разделяют четыре категории сплошности:

1- породы, внутрь которых может проникнуть исходный глинистый раствор;

2- породы, внутрь которых проникает не только жидкость, но и твердые (глинистые) частицы;

3- породы, внутрь которых передается давление только маловязкой жидкости (типа воды);

4- породы, внутрь которых внешнее гидравлическое давление не передается.

Анизотропность горных пород – неравнозначность их механических свойств в разных направлениях. Анизотропность связана со структурой и с текстурой горных пород.

Осадочные горные породы состоят из твердого скелета – зерен, кристаллов, обломков различных минералов и вещества, связывающего (цементирующего) эти частицы, а также пор (пустот), заполненных пластовым флюидом – жидкостью или газом.

Коэффициент пористости m = Vп / V

Vп - общий объем пустот в горной породе;

V - объем горной породы.

Процессы разрушения горных пород

Резание – непрерывный процесс отделения и снятия тонкого слоя горной породы с забоя. Разрушению резанием поддаются слабосвязанные пластичные ГП с низкой контактной прочностью.

Раздавливание – процесс разрушения ГП под воздействием контактного давления породоразрушающего инструмента, перемещающегося в постоянном контакте с забоем.

Дробление – дискретный процесс разрушения ГП под воздействием контактного давления, появившегося в момент соприкосновения рабочего органа с забоем (ударная нагрузка).

Скалывание – периодический процесс отделения частиц ГП от забоя под воздействием усилия сдвига со стороны внедрившегося в забой инструмента. Скалыванию предшествует раздавливание или дробление ГП под рабочим органом инструмента.

Истирание (микроскалывание) – процесс разрушения ГП, когда в результате применения рабочих органов очень малых размеров (мелкие алмазные зерна) удается создать чрезвычайно высокое контактное давление и вызвать пластическое деформирование ГП под индентором с одновременным микроскалыванием в прилегающей зоне.

Способы разрушения горных пород

Горная порода разрушается долотом в основном посредством резания, скалывания или дробления.

При резании осевая нагрузка действует непрерывно и ее можно считать статической. В процессе скалывания и дробления приложенное усилие действует на забой прерывно, что вызывает дополнительные динамические нагрузки на забой (удары).

Резание может осуществляться лопастными долотами и долотами с алмазно-твердосплавными пластинами PDC. Скалывание происходит при использовании лопастных или шарошечных долот. Дробление может осуществляться только шарошечными долотами. Алмазные долота разрушают породу путем истирания и резания.

Напряженное состояние горных пород

Горные породы в условиях естественного залегания находятся в сложном напряженном состоянии. На них давит вес вышележащих пород и пластовое давление насыщающих их флюидов.

Давление в проницаемых породах – коллекторах, называется пластовым, а в непроницаемых породах – поровым.

Пластовое давление с глубиной возрастает. В нормальных условиях оно равно гидростатическому давлению столба воды от рассматриваемой точки до поверхности моря.

Коэффициент аномальности пластового давления

Kа = Pпл / ρв g zпл

Pпл - пластовое давление;

ρв - плотность воды (1000 кг/м³);

g - ускорение свободного падения;

Zпл - глубина пласта.

При 1,0 < Kа < 1,1 пластовое давление нормальное.

При Kа > 1,1 пластовое давление аномально высокое.

При Kа < 1,0 пластовое давление аномально низкое.

При увеличении глубины залегания горных пород

• Растет уплотнение горных пород, снижается их пористость.

• Увеличивается температура горных пород.

• Растут горное и пластовое давления, увеличивается прочность пород.

• Растет разность давления столба бурового раствора на забой скважины и пластового давления – дифференциальное давление.

Схема влияние дифференциального давления на разрушение горной породы

1 – вдавливание клина (зубка долота);

2 – ядро всестороннего сжатия (предразрушенная порода);

3 – боковые трещины.