5.2 Строительство нефтяных и газовых скважин

Скважина - направленная горная выработка цилинд­рической формы, сооружаемая с поверхности земли специальными механиче­скими средствами. Характеризуется большой глубиной и малым диаметром (рис. 5.3.).

Рис. 5.3. Схема скважины

Начало скважины называют устье 1, ее дно в массиве горных пород - забой 3, цилиндрическая поверхность, называемая стенкой, образует ствол 2. Процесс создания ствола скважины в горных породах земной коры называют процессом бурения.

В законченном виде стенки скважины закреплены стальными трубами 5 и цементом 6. а продуктивный пласт имеет гидравлическое сообщение 7 со скважиной. Устье оборудуют специальной арматурой, установленной на фланце 4, на которую подвешивают скважинное оборудование.

Расстояние от устья до забоя по вертикали - глубина скважины, а по оси ствола - ее длина.

Скважину углубляют путем разрушения горных пород и извлечением обломков разрушенья и породы на поверхность.

При бурении скважин на нефть и газ во всем мире промышленное применение получил механический метод разрушения породы с частичной реали­зацией гидравлического.

Породы разрушают специальным разрушающим инструментом по всей площади забоя, или по его периферийной части, оставляя в центре скважины колонку пород (керн), которую поднимают на поверхность для изучения пород пройденного интервала.

Инструмент для разрушения породы по всей площади – долото, для отбора керна - бурильная головка и коронка [2, с. 48].

Существует 2 основных способов бурения:

1. Ударный, при котором скважину «выдалбливают» в массиве горных пород специальным долотом. Он заключается в том, что буровой снаряд, состоя­щий из долота и ударной штанги, спускают в скважину на стальном канате при помощи специальной установки, обеспечивающее возвратно-поступательное движение снаряда. Снаряд падает на забой и при ударе долотом разрушает породу.

Разрушенную породу (шлам) по мере накопления удаляют после подъема бурового снаряда специальной желонкой, спускаемой многократно в скважину на канате. После очистки углубление возобновляют. Во избежание обрушения стенок скважины в нее спускают колонну стальных труб, которую удлиняют по мере углубления и продвигают к забою при помощи специального забивающего снаряда.

2. В нефтяной промышленности в настоящее время применяется только вращательный способ бурения. Этим способом скважину «высверливают» в массиве горных пород непрерывно вращающимся долотом, закрепленном на бурильной колонне. Разрушение породы происходит в результате одновремен­ного воздействия на долото нагрузки и крутящего момента. Обломки разру­шенной породы уносит с забоя и поднимает на поверхность непрерывно пода­ваемый к долоту по бурильным трубам поток жидкости или газа.

Для бурения используют буровые установки, в состав которых входит оборудование подъемное, гидравлическое и вспомогательное.

Грузоподъемный комплекс предназначен для поддержания на весу бурильной колонны, ее подъема и спуска. Представляет вышку башенного или А-образного типа (рис. 5.4), оснащенную талевой системой и подъемной лебедкой.

Гидравлическая часть представлена поршневыми насосами, обеспечивающими гидравлический режим бурения скважины.

По исполнению установки изготавливают мобильные (оборудование размещено на платформе автомобиля), блочно-модульные, стационарные.

Класс установки характеризуется грузоподъемностью, условной глуби­ной бурения, расстоянием от поверхности земли до пола вышки [2, с. 49].

Рис. 5.4. Вышки металлические ВМ 41 (а), ВАС 42 (б)

Механизмы вращения долота могут располагаться на поверхности (ротор, си­ловой вертлюг) или на забое скважины (забойные двигатели).

Если механизм вращения расположен на поверхности, то долото вращается вмести с колонной бурильных труб, на котором оно спущено в скважину. Такой способ бурения называют роторным.

При бурении забойными двигателями долото соединяется с его вращающимся валом, а корпус двигателя - с колонной бурильных труб. Углубляется долото в породу при не вращающейся бурильной колонне.

Забойные двигатели используют гидравлические (турбобур и винтовой двигатель) и электрические (электробур).

Источником энергии гидравлических забойных двигателей, вращающим вал двигателя, является поток бурового раствора, который одновременно выно­сит с забоя выбуренную породу. К электробурам подают электроэнергию по специальному кабелю, размещенному внутри колонны бурильных труб.

Турбобур - многоступенчатая гидравлическая турбина (число ступеней до 300). Каждая ступень турбобура состоит из статора, жестко соединенного с корпусом турбобура и ротора, укрепленного на валу.

Статор - кольцо, внутренняя поверхность которого снабжена изогнутыми лопатками. Профиль лопаток ротора аналогичен профи­лю лопаток статора, но выпуклостью в другую сторону. Ротор свободно враща­ется относительно статора [2, с. 51].

Схема вращательного бурения (рис. 5.5.). Колонна бурильных труб 1, оканчивающаяся долотом 2, подвешена на талевой системе, которая включает неподвижный (кронблок) и подвижный (талевый) блок. Кронблок 3 установлен на верху выш­ки 4. Талевый блок 5 двигается внутри вышки и соединен с кронблоком сталь­ным (талевым) канатом 6. Один конец талевого каната неподвижный («мерт­вый») крепится к основанию вышки, а второй подвижный (ходовой) - к подъ­емному валу буровой лебедки 7. Использование талевой системы позволяет уменьшить нагрузку на талевый канат и силу натяжения каната, набегающего на барабан лебедки, распределить массу поднимаемого груза (колонны труб) на каждую рабочую струну (ветвь) каната, количество которых соответствует ко­личеству задействованных роликов кронблока [2, с. 53].

Рис. 5.5. Схема вращательного бурения

К талевому блоку присоединен крюк 8, на котором подвешен вертлюг 9. Вертлюг позволяет вращать присоединенную к нему колонну бурильных труб без передачи крутящего момента на талевую систему. Самая верхняя в составе бурильной колонны труба 10 имеет квадратное (шестигранное) сечение и называют ее ведущей или рабочей. Верхний конец рабочей трубы соединен со стволом вертлюга, а нижний свинчивают с трубой бурильной колонны. Веду­щая труба проходит через отверстие ротора 11, поперечное сечение которого соответствует поперечному сечению ведущей трубы. Ротор, установленный в центре нижнего основания вышки, служит для передачи крутящего момента бу­рильной колонне и в качестве опорной поверхности при спуске в скважину и подъеме из нее колонны труб.

Для привода ротора, лебедки и других механизмов, предназначена силовая установка, состоящая из двигателя 12 с приводом (редуктор - коробка передач - трансмиссии, цепные передачи). Вид привода может быть дизельный, электрический или дизель-электрический.

Для подачи в скважину бурового раствора установлены буровые насосы 13 и циркуляционная система, состоящая из желобов 14 и очистных устройств 15. Буровой раствор течет от устья скважины в приемную емкость 16 самотеком по желобам, имеющим соответствующий уклон.

Характерной особенность вращательного бурения является промывка скважины буровым раствором в течение всего времени пребывания долота на забое. Процесс углубления (бурения) скважины заключается в следующем.

Буровые насосы из приемных емкостей нагнетают буровой раствор в нагнетательную линию 17, который через стояк 18, гибкий буровой рукав 19 и вертлюг 9 попадает во внутреннюю полость рабочей трубы 10 и далее двигается внутри колонны бурильных труб 1 к долоту 2. Дойдя до долота буровой раствор, проходит через имеющиеся в нем отверстия на забой, подхватывает обломки разрушенной породы и поднимается по кольцевому пространству между стенкой скважины и бурильной колонной на поверхность. Здесь в желобной системе и в очистительных механизмах буровой раствор очищается от выбуренной породы и вновь нагнетается в скважину. Для разрушения породы необходимо обеспечить определенную нагрузку на долото, которая создается частью массы бурильной колонны. Когда рабочая труба погрузится в скважину (породу) на всю длину, колонну труб необходимо удлинить, т.е. нарастить. Для этого колонну труб поднимают на длину рабочей трубы и подвешивают ее специальными устройст­вами (элеватор, клинья) на столе ротора. Затем рабочую трубу вместе с вертлю­гом отвинчивают и устанавливают в специально подготовленный шурф, представляющий наклонную скважину в углу буровой вышки, которая бурится зара­нее при подготовительных работах. На место рабочей трубы навинчивают бу­рильную и удлиненную на одну трубу бурильную колонну снимают с элеватора (клина) и спускают в скважину. Затем навинчивают опять рабочую трубу и про­должают процесс углубления. Наращивание бурильной колонны, также как ее подъем и спуск, производится без нагнетания бурового раствора, т.е. при оста­новленных насосах.

Комплекс работ, начиная с подготовки площадки под буровую и кончая ее демонтажем после бурения, называют циклом строительства скважины, который группируется на этапы:

1. подготовительные работы к монтажу бурового оборудования;

2. монтаж бурового оборудования;

3. подготовительные работы к бурению скважин;

4. бурение, крепление обсадными колоннами и разобщение пластов;

5. вторичное вскрытие продуктивного пласта, испытание, вызов притока и сдача скважины в эксплуатацию;

6. демонтаж бурового оборудования и перевозка его на новую точку.

Долота, бурильные головки, коронки по характеру разрушения пород:

• режуще-скалывающего (PC);

• истирающе-режущего (ИР);

• дробяще-скалывающего и дробящего действия.

По конструктивному исполнению изготовляют долота лопастные, шарошечные, алмазные и твердосплавные.

Рабочие элементы долота, непосредственно контактирующие с породой, называют вооружением.

Независимо от назначения и типа долота его конструкция представляет корпус с резьбой для соединения с бурильной колонной, вооружение для разрушения породы, систему промывки и систему смазки.

Долота PC и ИР характерны выполнением вооружения в виде лопастей или секторов, приваренных к корпусу и длительным (непрерывным) его контактом с горной породой. Предназначены для бурения пород мягких и средней твердости по схеме резание, истирание, скалывание.

К долотам ИР-действия относятся долота алмазные и твердосплавные долота, оснащенные элементами вооружения из сверхтвердых материалов (ИСМ).

Долота дробяще-скалывающего и дробящего действия характерны размещением вооружения в виде зубков на вращающихся шарошках и кратковременным периодическим динамическим воздействием каждого зубка на горную породу по схеме вдавливания со сдвигом. Эти долота предназначены для бурения пород всех категорий, в т. ч. крепких и очень крепких [2, с. 55].

Самыми распространенными являются трех шарошечные долота в секционном исполнении. Каждая секция включает лапу, на цапфе которой с помощью подшипников установлена шарошка. Секции соединены сваркой. На верхнем конце секций нарезается присоединительная резьба. Имеет систему промывки и смазки опор. При вращении долота по часовой стрелке, шарошки перекатываются по забою, совершая сложное вращательное движение. В результате рабочие элементы шарошек наносят удары по породе, дробя и скалывая ее. Механические и абразивные свойства пород определяют форму шарошки, тип вооружения, схему расположения шарошек в долоте.

В зависимости от пород, для бурения которых предназначено долото, шарошки имеют вооружение - зубчатое, выполненное заодно с шарошкой фрезерованием либо в виде зубков из твердых сплавов, запрессованных в тело шарошки. Шарошки с фрезерованными зубцами используют в долотах, предназначенных для разрушения неабразивных пород, с зубками из твердых сплавов – для бурения пород с очень высокой твердостью. Параметры зубцов (длина, высота, шаг зуба, форма рабочей поверхности, утлы при вершине клина) зависят от размера и типа долота [2, с. 56].

Количество обсадных колонн, глубина спуска и высота подъема цемента за колоннами, размеры труб и долог для бурения под каждую колонну – конструкция скважины (рис.5.6.). Различают одноколонные и многоко­лонные по числу спущенных колонн, исключая направление и кондуктор.

Конструкция скважины должна обеспечить:

• долговечность ее как техни­ческого сооружения;

• сохранность запасов полезных ископаемых, добычу про­дукции пласта на режимах предусмотренных проектами разработки;

• возмож­ность проведения исследований и ремонтных работ в процессе эксплуатации скважины;

• отвечать требованиям охраны недр и окружающей среды;

• исклю­чить возможность загрязнения горизонтов с пресными (питьевыми) водами и перетоков флюидов не только в период эксплуатации, но и после ликвидации скважин.

Количество колонн проектируют исходя из наличия зон, с несовместимыми условиями бурения. Условия бурения считаются несовместимыми, если при переходе из верхней зоны к бурению нижней, плотность раствора требует­ся изменить в таких пределах, что может привести к осложнениям (поглоще­ние, проявление, осыпание) в верхней зоне. Для определения количества ко­лонн в проектах на строительство скважин составляют совмещенные графики индексов давлений [2, с. 61].

Рис. 5.6 Конструкция скважины: 1 – обсадная колонна; 2 – цементный камень; 3 – пласт; 4 – перфорация обсадной трубы; I – направление; II - кондуктор; III – промежуточная колонна; IV – эксплуатационная колонна

Проектирование конструкции начинают с выбора диаметра последней эксплуатационной колонны исходя из условий эксплуатации скважины. Для бурения ствола под эксплуатационную колонну подбирают диаметр долота. Размер последующей колонны (снизу – вверх) должен обеспечить прохождение через нее долота, которым углубляется ствол под эксплуатационную колонну и так до первой колонны от устья.