6.2. Условия залегания нефти и бурение скважин
В благоприятных условиях нефть скапливается в соответствующих горных породах (коллекторах), отличающихся трещиноватостью или пористостью и способных вмещать огромные ее количества. Единичное скопление нефти в коллекторе называют залежью нефти, а их совокупность в каком-либо участке земной коры образует нефтяное месторождение. По трещинам и порам горных пород нефть может перемещаться, что создает возможность ее притока к местам добычи.
Нефть добывают из скважин – узких отверстий, пробуренных в горных породах до нефтеносного пласта.
Для прохождения скважины вращательным (роторным) бурением, строят специальные буровые вышки (рис. 6.1). На вышке устанавливают двигатель, сообщающий вращательное движение ротору – тяжелому стальному диску с квадратным отверстием в центре.
Рис. 6.1. Схема установки для вращательного бурения
1 – стальные обсадные трубы: 2 – лебедка: 3 – двигатель лебедки; 4 – вертлюг: 5 – талевый канат; 6 – талевый блок; 7 – крюк; 8 – гибкий шланг; 9 – ведущая труба (квадрат); 10 – ротор; 11 – вышка; 12 – буровой насос; 13 – двигатель насоса; 14 – приемный чан; 15 – бурильные замки (соединения бурильных труб); 16 – бурильные трубы; 17 – цементная оболочка вокруг обсадных труб; 18 – турбобур (при роторном бурении он не устанавливается); 19 – шарошка.
Ротор вращает пропущенную через квадратное отверстие такого же сечения трубу, подвешенную одним концом на вертлюге. Вертлюг висит на крюке, прикрепленном к стальному канату, пропущенному через талевую систему блоков (подъемный механизм). Ротор вращает подвешенную бурильную трубу, на нижнем конце которой укреплен буровой инструмент – долото, шарошка, коронка (рис. 6.2) – диаметром, несколько превышающим диаметр бурильной трубы. Буровой инструмент изготовляют из особо твердых сталей и сплавов. Для бурения очень твердых пород используют также алмазные насадки.
Рис. 6.2. Бурильные инструменты
1 – коронка; 2 – долото; 3 – шарошка
По мере прохождения скважины ее укрепляют, опуская в неё обсадные трубы, которые тоже постепенно наращивают.
Разрушаемую в процессе бурения породу извлекают на поверхность нагнетанием в скважину через колонну бурильных труб под давлением специального глинистого раствора. Омывая буровой инструмент, глинистый раствор поднимается на поверхность, проходя между колонной бурильных труб и стенками скважины. Постоянно циркулируя, глинистый раствор охлаждает буровой инструмент, который при работе (особенно в твердых породах) сильно нагревается, и одновременно смачивает дно скважины и размягчает породы, облегчая тем самым бурение. Затем, поднимаясь вверх, глинистый раствор увлекает с собой со дна скважины частицы разрушенной породы и выносит их на поверхность. Соприкасаясь со стенками скважины и проникая в ее поры, он отлагает на них слой глины, покрывает их как бы слоем штукатурки, что способствует их укреплению.
При бурении в твердых породах вместо глинистого раствора можно применять чистую воду.
Техника роторного бурения позволила проходить скважины глубиной в сотни и даже тысячи метров. Однако с нарастанием глубины скважин все более проявляется весьма существенный недостаток этого способа – вращающаяся колонна бурильных труб с углублением скважины становится все тяжелее и требует больших усилий для ее вращения. При этом значительная часть мощности двигателя расходуется не на вращение собственно бурового инструмента, а на вращение тяжелой колонны труб. Чтобы трубы не обрывались, необходимо их выполнять из очень прочного металла.
Широко применяется относительно новый метод бурения скважин, состоящий в том, что двигатель непосредственно соединен с буровым инструментом и опущен в скважину. В качестве двигателя применена малогабаритная многоступенчатая турбина, приводимая в движение глинистым раствором. Новая буровая машина получила название турбобура. При этом способе бурения колонна бурильных труб, опускаемая в скважину, не вращается, она только поддерживает турбобур и осуществляет поступательные движения его вниз и вверх по скважине. Следовательно, бурильные трубы могут быть менее прочными и более легкими.
Применяется также электробур, в котором вместо турбины с буровым инструментом непосредственно опускается в скважину особой конструкции электромотор. Электроэнергия к нему подается по проводникам, вмонтированным в разборную колонну бурильных труб.
Способы бурения при помощи турбобура и электробура, позволяющие проходить скважины глубиной до 5 тыс. м и более, уже широко применяются в нефтяной промышленности. Они высоко оценены и применяются также в зарубежных странах.
В настоящее время большую актуальность приобретает задача сверхглубокого бурения, так как, по новейшим представлениям нефтяной геологии, на глубинах от 5 до 10 тыс. м концентрируются наиболее значительные запасы нефти.
Благодаря совершенствованию техники скорость бурения скважин чрезвычайно выросла. Роторное бурение позволило увеличить скорость бурения до 4000 м и более в год. Применяя новейшие способы бурения, буровые мастера-скоростники проходят скважину в 2000 м менее чем за месяц
После того как скважину доведут до нефтяного пласта и вскроют его, ее окончательно закрепляют цементацией: все промежутки между обсадными трубами и стенками скважины заполняют цементным раствором.
Современная техника бурения позволяет бурить не только вертикальные и прямые скважины, но также наклонные и кривые. Это имеет очень важное значение в тех случаях, когда непосредственно над местом залегания нефти невозможно заложить скважину. В результате проходки наклонных или кривых скважин создается возможность для извлечения нефти, расположенной под важными постройками, удаление которых нецелесообразно, и даже под морским дном..
Применение наклонных скважин позволяет из одной буровой вышки проходить до 10-12 скважин (кустовое бурение), что удешевляет буровые работы.
Для получения нефти, залегающей под морским дном, бурение скважин производят и в открытом море с искусственно сооружаемых на сваях островков. На них располагают не только буровые вышки, но и благоустроенные поселки нефтяников. Такие островки созданы, например, на Каспийском море в районе Баку (Азербайджан).
На бурение скважин расходуется значительная часть капиталовложений в нефтяную промышленность. Снижение себестоимости нефти требует прежде всего снижения затрат на проходку скважин. Главным путем удешевления буровых работ является уменьшение диаметра скважин. До последнего времени диаметр буровых скважин обычно достигал 25-35 см, а сейчас бурят и скважины диаметром 15-18 см. Бурение скважин уменьшенного диаметра дает большой экономический эффект; мощность буровой установки снижается примерно в 1,5 раза; сокращается расход труб, цемента, глинистого порошка, реагентов и др. Вдвое уменьшается вес буровой установки, что дает экономию металла и облегчает транспортировку этих установок. Все это способствует ускорению как разведочного, так и эксплуатационного бурения, ускоренному развитию добычи нефти и снижению ее себестоимости.