ВВЕДЕНИЕ (Лекция 1)
Основные понятия и термины
Бурение скважин на нефть и газ представляет собой процесс строительства глубоких горных выработок круглого сечения с диаметром во много раз меньше длины без доступа в них человека.
Скважина - горная выработка, образуемая в результате бурения для размещения в ее стволе обсадных колонн и внутрискважинного технологического (эксплуатационного) оборудования.
Буровая скважина состоит из следующих элементов (рис. 1):
Рис.1. Элементы буровой скважины: 1 - устье; 2 - забой сплошной; 3 - стенки; 4 - обсадные колонны; 5 - ствол скважины, не обсаженный трубами; 5а - ствол скважины, обсаженный трубами; б - ось скважины; 7 - керн; 8 - забой кольцевой; D1 D2, D3 - диаметры интервалов скважины; d1н, d1в, d2н, d2в - диаметры обсадных труб, наружные (н) и внутренние (в); dк - диаметр керна; L1, L2 - глубины обсаженных интервалов скважины; L3- общая глубина скважины
Устье 1 - начало скважины, т.е. пересечение ее с земной поверхностью; забой 2 - дно буровой скважины, перемещающееся в результате воздействия породорозрушающего инструмента на породу; боковых поверхностей (стенок) 3; обсадных колонн 4 - колонны соединенных между собой обсадных труб, концентрически расположенные в стволе скважины и предназначенные для крепления ее стенок (в неустойчивых породах); ствол 5 - пространство в недрах земли, занимаемое буровой скважиной; ось стола 6 - воображаемая линия, соединяющая центры поперечных сечений ствола скважины; разрушение горной породы по кольцевому забою 8 с образованием керна 7. (Б); разрушение горной породы по сплошному забою (А).
Ось ствола скважины практически всегда имеет пространственное искривление, однако при небольшой интенсивности искривления (обычно менее десятой доли градуса на 10 м длины ствола) и малой суммарной величине отклонения от вертикали (<1-2°) скважину называют вертикальной. При большой интенсивности искривления и значительных общих величинах произвольного отклонения ствола от вертикали скважины называют искривленными, что в некоторых случаях отражается на качестве строительства скважины в целом. Специально искривленные скважины под необходимыми углами с заданной интенсивностью искривления называются наклоннонаправленными. При отклонении скважины от вертикали на 90° скважину называют горизонтальной. Несколько близко расположенных (несколько метров между устьями) наклонных скважин образуют куст; разбуривание месторождения (участка) таким способом называется кустовым бурением. Скважина будет многорядной, если в нее спущено несколько эксплуатационных колонн параллельно друг другу для одновременной добычи нефти и газа из нескольких горизонтов с различными пластовыми давлениями.
Для увеличения области дренирования пласта иногда от основного ствола скважины бурят несколько дополнительных наклонных стволов. Такие скважины называются многозабойными. Продуктивность таких скважин зависит от длины дополнительных стволов (ответвлений) и радиуса контура дренирования, а также от числа дополнительных стволов. При отношении Lотв/RK =0,1:0,2 (Lотв - длина ответвления; RK - радиус контура дренирования) получается удвоение добычи по сравнению с добычей из обычной скважины.
Различают скважины большого, нормального, уменьшенного и малого диаметров.
Скважины большого диаметра - скважины, диаметр которых больше диаметра отверстий роторов, обычно свыше 760 мм. Скважины, основной ствол которых под эксплуатационную колонну 140 мм бурится долотом 190,5 мм, принято относить к скважинам уменьшенного диаметра. Условно скважины глубиной менее 1000 - 1800 называются скважинами малой глубины (мелкие), от 1800 до 4500 м средней глубины, от 4500 до 6000 м - глубокими, от 6000 - 10000 м - сверхглубокими, и более 10000 м - глубинными. Последние представлены пока единственной скважиной глубиной 12262 м. Это самая глубокая скважина в мире СГ - 3 (На Кольском полуострове).
Нефтяные и газовые скважины представляют собой дорогостоящие капитальные сооружения, служащие многие десятилетия. Из скважин добывают полезные ископаемые. С их помощью нагнетают в пласты различные агенты, ведут контроль за разработкой месторождения.
Для выполнения этих процессов необходимо продуктивный пласт соединить с дневной поверхностью герметичным, прочным и долго- временным каналом. Поэтому при сооружении скважин возникает необходимость крепить ее ствол и разобщать (изолировать) пласты, содержащие различные флюиды (вода, нефть, газ, их смеси). Крепление ствола скважины производится путем спуска в нее специальных стальных труб, называемых обсадными. Ряд обсадных труб, соединенных последовательно между собой, составляет обсадную колонну.
При пересечении бурящейся скважиной различных пластов происходят перетоки флюидов из одного пласта в другой. Для исключения этого явления кольцевой канал (кольцевое пространство) между стенкой скважины и спускаемой в нее обсадной колонной заполняется тампонирующим (изолирующим) материалом. Это составы, включающие вяжущее вещество, инертные и активные наполнители, химические реагенты, называют тампонажными растворами. Их готовят обычно в виде водных растворов (смесей) и закачивают в скважину насосами. Из вяжущих веществ наиболее широко применяются тампонажные портландцементы. Поэтому процесс разобщения пластов называется цементированием.
Таким образом, в результате механического бурения, крепления скважины и разобщения пластов создается устойчивое подземное сооружение определенной конструкции.
Скважина - это капитальное сооружение.
Рис.2
Схема конструкции скважины
Под конструкцией скважины понимается совокупность данных о числе и размерах (диаметр, длина) обсадных колонн, диаметрах ствола скважины под каждую колонну, интервалах цементирования, а также о способах и интервалах соединения скважины с пластом (рис.2)
Сведения о диаметрах, толщинах стенок и марках сталей обсадных труб по интервалам, а также типах обсадной колонны входят в понятие конструкции обсадной колонны - оснастки обсадной колонны.
В скважину спускают обсадные колонны определенного назначения: направление, кондуктор, промежуточные колонны, эксплуатационную колонну.
Решение о спуске промежуточных колонн принимается после тщательного изучения и анализа геологических условий и возможностей технологии бурения. При этом существенно важен анализ соотношения давлений, возникающих при бурении в системе скважина - пласт.
Если давление в скважине рс меньше пластового рпл (давление флюидов, насыщающих пласт), то флюиды из пласта будут поступать в скважину, что называется проявлением. При повышении давления в скважине до некоторой величины, называемой давлением начала поглощения Рпогл, жидкость из скважины поступает в пласт. Это называется поглощением.
Конкретные значения давления начала поглощения зависят от величины пластового давления, прочности и пластичности пород, их пористости, проницаемости, наличия в них открытых (соединяемых) или закрытых трещин, а также свойств поступающей в пласт жидкости.
Давление, при котором происходит раскрытие естественных сомкнутых трещин или образование новых, называется давлением гидравлического разрыва пласт Рг.р.п. В этом случае Рпогл= Рг.р.п Соотношение давлений существенно влияет и на устойчивость стенок скважины. Чем больше разница между боковым горным давление и давление в скважине, тем выше напряженность горных пород вокруг ее ствола, а следовательно, и веро ятность их течения и осыпания.
Промежуточные колонны могут быть сплошными (их спускают от устья до забоя) и несплошными. Последние называются хвостовиками. Хвостовик должен перекрывать весь незакрепленный ствол скважины и, кроме того, предыдущую колонну на участке не менее 100 м. В отдельных случаях и эксплуатационная колонна может спускаться в виде хвостовика.