Бурение нефтяных и газовых скважин

С  древних  времен  человечеством  ведется  добыча  нефти,  сначала  применялись  примитивные  способы:  при  помощи  колодцев,  сбор  нефти  с  поверхности  водоемов,  обработка  известняка  или  песчаника,  пропитанного  нефтью.  В  1859  году  в  США  штат  Пенсильвания,  появляется  механическое  бурение  скважин  на  нефть,  примерно  в  это  же  время  началось  бурение  скважин  в  России.  В  1864  и  1866  годах  на  Кубани  были  пробурены  первые  скважины  с  дебитом  190  т/сут. 

Изначально  нефтяные  скважины  бурились  ручным  штанго-вращательным  способом,  вскоре  перешли  к  бурению  ручным  штанговым  ударным  способом.  Ударно-штанговый  способ  получил  широкое  распространение  на  нефтяных  промыслах  Азербайджана.  Переход  от  ручного  способа  к  механическому  бурению  скважин  привел  к  необходимости  механизации  буровых  работ,  крупный  вклад  в  развитие  которых  внесли  русские  горные  инженеры  Г.Д.  Романовский  и  С.Г.  Войслав.  В  1901  году  впервые  в  США  применено  роторное  бурение  с  промывкой  забоя  циркулирующим  потоком  жидкости  (при  помощи  бурового  раствора),  причем  подъем  выбуренной  породы  циркулирующим  потоком  воды  изобрел  французский  инженер  Фовелль  еще  в  1848  году.  С  этого  момента  начался  период  развития  и  совершенствования  вращательного  способа  бурения.  В  1902  году  в  России  роторным  способом  в  Грозненском  районе  была  пробурена  первая  скважина  глубиной  345  м  [1].

На  сегодняшний  день  США  занимает  лидирующую  позицию  в  нефтяной  индустрии,  ежегодно  пробуривается  2  млн.  скважин,  четверть  из  них  оказывается  продуктивными,  Россия  занимает  пока  только  второе  место.  В  России  и  за  рубежом  применяются:  ручное  бурение  (добыча  воды);  механическое;  управляемое  шпиндельное  бурение  (система  безопасного  бурения,  разработанная  в  Англии);  взрывные  технологии  бурения;  термическое;  физико-химическое,  электроискровые  и  другие  способы.  Кроме  этого,  разрабатывается  множество  новых  технологий  бурения  скважин,  например,  в  США  Колорадо  горный  институт  разработал  лазерную  технологию  бурения,  основанную  на  прожигании  породы. 

Технология  бурения.  Механический  способ  бурения  наиболее  распространенный,  он  осуществляется  ударным,  вращательным  и  ударно-вращательным  способами  бурения.  При  ударном  способе  бурения  разрушение  горных  пород  происходит  за  счет  ударов  породоразрушающего  инструмента  по  забою  скважины.  Разрушение  горных  пород  за  счет  вращения  прижатого  к  забою  породоразрушающего  инструмента  (долото,  коронка),  называется  вращательным  способом  бурения. 

При  бурении  нефтяных  и  газовых  скважин  в  России  применяют  исключительно  вращательный  способ  бурения.  При  использовании  вращательного  способа  бурения,  скважина  высверливается  вращающимся  долотом,  при  этом  разбуренные  частицы  породы  в  процессе  бурения  выносятся  на  поверхность  непрерывно  циркулирующей  струей  бурового  раствора  или  нагнетаемым  в  скважину  воздухом  или  газом.  В  зависимости  от  местонахождения  двигателя  вращательное  бурение  разделяют  на  роторное  бурение  и  бурение  турбобуром.  При  роторном  бурении  —  вращатель  (ротор)  находится  на  поверхности,  приводя  во  вращение  долото  на  забое  при  помощи  колонны  бурильных  труб,  частота  вращения  20—200  об/мин.  При  бурении  с  забойным  двигателем  (турбобур,  винтовой  бур  или  электробур)  —  крутящий  момент  передается  от  забойного  двигателя,  устанавливаемого  над  долотом.

Процесс  бурения  состоит  из  следующих  основных  операций:  спуск  бурильных  труб  с  долотом  в  скважину  до  забоя  и  подъем  бурильных  труб  с  отработанным  долотом  из  скважины  и  работы  долота  на  забое,  т.  е.  разрушение  породы  бурения.  Эти  операции  периодически  прерываются  для  спуска  обсадных  труб  в  скважину,  чтобы  предохранить  стенки  от  обвалов  и  разобщить  нефтяные  (газовые)  и  водяные  горизонты.  Одновременно  в  процессе  бурения  скважин  выполняется  ряд  вспомогательных  работ:  отбор  керна,  приготовление  промывочной  жидкости  (бурового  раствора),  каротаж,  замер  кривизны,  освоение  скважины  с  целью  вызова  притока  нефти  (газа)  в  скважину  и  т.  п. 

На  рисунке  1  представлена  технологическая  схема  буровой  установки.

Рисунок  1.  Схема  буровой  установки  для  вращательного  бурения:  1  —  талевый  канат;  2  —  талевый  блок;  3  —  вышка;  4  —  крюк;  5  —  буровой  шланг;  6  —  ведущая  труба;  7  —  желоба;  8  —  буровой  насос;  9  —  двигатель  насоса;  10  —  обвязка  насоса;  11  —  приемный  резервуар  (емкость);  12  —  бурильный  замок;  13  —  бурильная  труба;  14  —  гидравлический  забойный  двигатель;  15  —  долото;  16  —  ротор;  17  —  лебедка;  18  —  двигатель  лебедки  и  ротора;  19  —  вертлюг  

Буровая  установка  представляет  собой  комплекс  машин  и  механизмов,  предназначенных  для  бурения  и  крепления  скважин.  Буровой  процесс  сопровождается  спуском  и  подъемом  бурильной  колонны,  а  также  поддержанием  ее  на  весу.  Для  уменьшения  нагрузки  на  канат  и  снижения  мощности  двигателей  применяют  подъемное  оборудование,  состоящее  из  вышки,  буровой  лебедки  и  талевой  системы.  Талевая  система  состоит  из  неподвижной  части  кронблока,  устанавливаемого  наверху  фонаря  вышки  и  подвижной  части  талевого  блока,  талевого  каната,  крюка  и  штропов.  Талевая  система  предназначена  для  преобразования  вращательного  движения  барабана  лебедки  в  поступательное  перемещение  крюка.  Буровая  вышка  предназначена  для  подъема  и  спуска  бурильной  колонны  и  обсадных  труб  в  скважину,  а  также  для  удержания  на  весу  бурильной  колонны  во  время  бурения  и  равномерной  ее  подачи  и  размещения  в  ней  талевой  системы,  бурильных  труб  и  части  оборудования.  Спускоподъемные  операции  осуществляется  с  помощью  бурильной  лебедки.  Буровая  лебедка  состоит  из  основания,  на  которой  закреплены  валы  лебедки  и  соединены  между  собой  зубчатыми  передачами,  все  валы  соединены  с  редуктором,  а  редуктор  в  свою  очередь  соединен  с  двигателем.

В  наземное  буровое  оборудование  входит  приемный  мост,  предназначенный  для  укладки  бурильных  труб  и  перемещения  по  нему  оборудования,  инструмента,  материалов  и  запасных  частей.  Система  устройств  для  очистки  промывочного  раствора  от  выбуренной  породы.  И  ряд  вспомогательных  сооружений.

Бурильная  колонная  соединяет  буровое  долото  (породоразрушающий  инструмент)  с  наземным  оборудованием,  т.  е.  буровой  установкой.  Верхняя  труба  в  колонне  бурильных  труб  квадратного  сечения,  она  может  быть  шестигранной  или  желобчатой.  Ведущая  труба  проходит  через  отверстие  стола  ротора.  Ротор  помещают  в  центре  буровой  вышки.  Ведущая  труба  верхним  концом  соединяется  с  вертлюгом,  предназначенного  для  обеспечения  вращения  бурильной  колонны,  подвешенной  на  крюке  и  подачи  через  нее  промывочной  жидкости.  Нижняя  часть  вертлюга  соединяется  с  ведущей  трубой,  и  может  вращаться  вместе  с  колонной  бурильных  труб.  Верхняя  часть  вертлюга  всегда  неподвижна  [2]. 

Рассмотрим  технологию  проведения  бурового  процесса  (рисунок  1).  К  отверстию  неподвижной  части  вертлюга  19  присоединяется  гибкий  шланг  5,  через  который  закачивается  в  скважину  промывочная  жидкость  при  помощи  буровых  насосов  8.  Промывочная  жидкость  проходит  по  всей  длине  бурильной  колонны  13  и  поступает  в  гидравлический  забойный  двигатель  14,  что  приводит  вал  двигателя  во  вращение,  а  затем  жидкость  поступает  в  долото  15.  Выходя  из  отверстий  долота  жидкость,  промывает  забой,  подхватывает  частицы  разбуренной  породы  и  вместе  с  ними  через  кольцевое  пространство  между  стенками  скважины  и  бурильными  трубами  поднимается  наверх  и  направляется  в  прием  насосов.  На  поверхности  буровой  раствор  очищается  от  разбуренной  породы,  с  помощью  специального  оборудования,  после  чего  вновь  подается  в  скважину  [2].

Технологический  процесс  бурения  во  много  зависит  от  бурового  раствора,  который  в  зависимости  от  геологических  особенностей  месторождения,  готовится  на  водной  основе,  на  нефтяной  основе,  с  использованием  газообразного  агента  или  воздуха.

Вывод.  Из  выше  изложенного  видно,  что  технологии  поведения  буровых  процессов  различны,  но  подходящая  для  данных  условий  (глубины  скважины,  слагающей  ее  породы,  давлений  и  др.),  должна  быть  выбрана  исходя  из  геологических  и  климатических  условий.  Так  как,  от  качественно  проведенного  вскрытия  продуктивного  горизонта  на  месторождении,  зависит  в  дальнейшем  эксплуатационная  характеристика  скважины,  а  именно  ее  дебит  и  продуктивность.  

Список  литературы:

1.Вадецкий  Ю.В.  Бурение  нефтяных  и  газовых  скважин:  учебник  для  нач.  проф.  образования.  М.:  Издательский  центр  «Академия»,  2003.  —  352  с.  ISB№  5-7695-1119-2.

2.Вадецкий  Ю.В.  Справочник  бурильщика:  учеб.  пособие  для  нач.  проф.  образования.  М.:  Издательский  центр  «Академия»,  2008.  —  416  с.  ISB№  978-5-7695-2836-1.