БУРЕНИЕ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН
Скважина – это цилиндрическая горная выработка, сооружаемая без доступа в неё человека, у которой длина намного больше диаметра. Верхняя часть скважины называется устье, дно – забой, боковая поверхность – стенка, а пространство, ограниченной стенкой – ствол. Длина скважины – расстояние от устья до забоя по оси ствола, а глубина – проекция длины на вертикальную ось. Длина и глубина численно равны для вертикальных скважин, но не совпадают для наклонных и искривленных скважин.
Бурение – это технологический процесс сооружения ствола скважины, который включает следующие основные операции:
– углубление скважины посредством разрушения горных пород буровым инструментом;
– удаление породы из скважины;
– крепление ствола скважины в процессе ее углубления;
– проведение комплекса геолого-геофизических работ по исследованию горных пород;
– спуск на проектную глубину и цементирование дна скважины.
Различают следующие виды бурения: мелкое (до 1500 м); бурение на средние глубины (1500 – 4500 м); глубокое (4500 – 6000 м) и сверхглубокое (свыше 6000 м).
Самой глубокой буровой скважиной в мире является Кольская сверхглубокая, глубина которой составляет 12262 м. Самая длинная скважина в мире пробурена на Чайвинском нефтяном месторождении проекта Сахалин-1 под острым углом к поверхности земли. Её длина 12700 метров.
При сооружении скважины сначала бурят шурф – колодец до глубины залегания устойчивых горных пород (4 – 8 м). Затем в него устанавливают трубу необходимой длины, а пространство между стенками шурфа и трубой заполняют бутовым камнем и заливают цементным раствором. Этот начальный участок скважины называют направлением.
Сразу за направлением бурится участок на глубину от 50 до 400 м диаметром 900 мм. Данный участок скважины закрепляют стальной обсадной трубой, которую называют кондуктором. Пространство за кондуктором цементируют. С помощью кондуктора изолируют неустойчивые породы, осложняющие процесс бурения.
После установки кондуктора не всегда удается пробурить скважину до проектной глубины. В таких случаях устанавливают одну или несколько промежуточных обсадных колонн. При бурении однотипного разреза прочных пород обсадная колонна может отсутствовать.
Последний участок скважины закрепляют эксплуатационной колонной. Она предназначена для подъема нефти и газа от забоя к устью скважины или для нагнетания воды в продуктивный пласт с целью поддержания в нем давления. Во избежание перетоков нефти и газа пространство между эксплуатационной колонной и стенкой скважины заполняют цементным раствором.
Для извлечения из пластов нефти и газа в нижней части эксплуатационной колонны перфорируют ряд отверстий, проходящих через стенку обсадных труб и цементную оболочку. В устойчивых породах призабойную зону скважины оборудуют различными фильтрами и не цементируют или обсадную колонну опускают до кровли продуктивного пласта, а его эксплуатацию производят без крепления ствола скважины.
Конструкция скважины называется одноколонной, если она состоит только из эксплуатационной колонны, двухколонной – при наличии одной промежуточной и эксплуатационной колонны и т.д.
Устье скважины в зависимости от её назначения оборудуют различной арматурой (колонная головка, задвижки, крестовина и др.).
При поиске, разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений бурят скважины, предназначенные для различных целей.
Опорные скважины закладываются в районах, не исследованных бурением. Они служат для установления общих закономерностей залегания геологических пород и выявления возможностей образования в этих породах месторождений нефти и газа.
Параметрические скважины бурят в относительно изученных районах с целью уточнения их геологического строения и перспектив на нефтегазоносность.
Структурные скважины закладывают для выявления перспективных площадей и их подготовки к поисково-разведочному бурению.
Поисковые скважины бурятся с целью открытия новых промышленных залежей нефти и газа.
Разведочные скважины бурятся на площадях с установленной промышленной нефтегазоносностью для изучения размеров и строения залежи, получения необходимых данных для подсчета запасов нефти и газа, а также проектирования её разработки.
Эксплуатационные скважины закладываются в соответствии со схемой разработки залежи и служат для получения нефти и газа из недр.
Нагнетательные скважины используют при воздействии на эксплуатируемый пласт различных агентов (закачки воды, газа и т.д.).
Наблюдательные скважины сооружают для систематического контроля над разработкой месторождения (изменением давления, положения водонефтяного и газонефтяного контактов и т.д.).
Способы бурения скважин
По воздействию на горные породы различают механическое и немеханическое бурение. При механическом бурении буровой инструмент непосредственно воздействует на горную породу, разрушая её. Немеханические способы (гидравлический, термический, электрофизический, взрывной) для бурения нефтяных и газовых скважин не применяются.
Механическое бурение подразделяется на ударное и вращательное. При ударном бурении разрушение горных пород производится долотом, подвешенным на канате. В настоящее время ударное бурение в России не применяется. Нефтяные и газовые скважины сооружаются методом вращательного бурения. При данном способе породы разрушаются вращающимся долотом, на которое действует осевая нагрузка. Крутящий момент передается на долото с поверхности от ротора через колонну бурильных труб (роторное бурение) или от забойного двигателя (турбобура, электробура, винтового двигателя), установленного непосредственно над долотом.
Турбобур – это многоступенчатая гидравлическая турбина, приводимая во вращение с помощью промывочной жидкости, нагнетаемой в скважину. Каждая ступень турбобура состоит из статора, жестко соединенного с корпусом и ротора, укрепленного на валу. Поток жидкости, стекая с лопаток статора, попадает на лопатки ротора, отдавая часть своей энергии на создание вращательного момента. Каждая ступень турбобура развивает относительно небольшой момент, но благодаря их большому количеству, суммарная мощность на валу турбобура достаточна, чтобы бурить самые твердые породы. Электробур представляет собой электродвигатель, защищенный от проникновения влаги, питание которого осуществляется через кабель, закрепленный внутри бурильных труб. Винтовой двигатель – это разновидность гидравлической машины, в которой для преобразования энергии потока промывочной жидкости в механическую энергию используется винтовой механизм.
В мировой практике наиболее распространено роторное бурение: почти 100% буровых работ в США и Канаде выполняется этим способом. В России широкое применение получило бурение турбобуром, но в последние годы наметилась тенденция к увеличению объемов роторного бурения.
Инструментом для механического разрушения горных пород в процессе проходки скважины является буровое долото. Различают следующие их типы:
1. Долота режуще-скалывающего действия, разрушающие породу лопастями (лопастные долота). Они предназначены для бурения мягких пород. Выпускают лопастные долота 3 типов: двухлопастные, трехлопастные и многолопастные. Под действием нагрузки на забой их лопасти врезаются в породу, а под влиянием вращающего момента скалывают её.
2. Долота дробяще-скалывающего действия, разрушающие породу зубьями (шарошечные долота). При вращении долота шарошки, перекатываясь по забою, совершают вращательное движение со скольжением. При этом зубцы шарошек наносят удары по породе, дробят и скалывают её. Эти долота предназначены для разбуривания неабразивных, абразивных, средней твёрдости, твёрдых, крепких и очень крепких пород.
3. Долота режуще-истирающего действия, разрушающие породу алмазными зернами или твердосплавными штырями, расположенными в торцевой части долота (алмазные и твердосплавные долота или цельнокорпусные долота). Их применяют для бурения неабразивных пород средней твёрдости и твёрдых пород. Применение алмазных и твердосплавных долот обеспечивает высокие скорости бурения и снижение кривизны скважин.
4. Колонковые долота для отбора керна.
При турбинном бурении долото жестко соединено с валом турбобура и вращается независимо от бурильной колонны. При бурении электробуром вместе с долотом вращается лишь вал электродвигателя, а его корпус и бурильная колонна остаются неподвижными.