Буровая установка – это комплекс наземного оборудования, необходимый для выполнения операций по проводке скважины. В состав буровой установки входят:
– буровая вышка;
– оборудование для механизации спуско-подъемных операций;
– оборудование для вращения бурильной колонны;
– силовой привод;
– циркуляционная система бурильного раствора;
– оборудование для приготовления и очистки бурильного раствора;
– привышечные сооружения (склады, трансформаторная площадка, стеллажи для размещения труб и др.).
Буровая вышка – это сооружение над скважиной для спуска и подъема бурового инструмента, забойных двигателей, бурильных и обсадных труб. Различают два типа буровых вышек: башенные и мачтовые. Их изготавливают из труб или прокатной стали.
Башенная вышка представляет собой усеченную четырехгранную пирамиду решетчатой конструкции. Вышки мачтового типа бывают одноопорные и двухопорные (А – образные). Последние более распространены. Двухопорные вышки трудоемки в изготовлении и менее устойчивы, но их проще перевозить с места на место и монтировать.
Основные параметры вышки – грузоподъемность, высота, ёмкость «магазинов» (хранилищ для бурильных труб), размеры верхнего и нижнего оснований, масса.
Грузоподъемность вышки – это предельно допустимая вертикальная статическая нагрузка, которая не должна быть превышена в процессе проводки скважины.
Соединение двух или трех бурильных труб между собой называют свечой. Высота вышки определяет длину свечи, которую можно извлечь из скважины. Чем больше длина свечи, тем на меньшее число частей необходимо разбирать колонну бурильных труб при смене бурового инструмента. С ростом глубины бурения высота и грузоподъемность вышек увеличиваются. Для бурения скважин на глубину 300 – 500 м используются вышки высотой 16 – 18 м, на глубину 2000 – 3000 м вышки высотой 42 м и на глубину 4000 – 6500 м вышки высотой 53 м.
Ёмкость «магазинов» показывает, какая суммарная длина бурильных труб диаметром 114 – 168 мм может быть размещена в них.
Размеры верхнего и нижнего оснований характеризуют условия работы буровой бригады с учетом размещения необходимого оборудования. Размер верхнего основания вышек составляет 2×2 м или 2,6×2,6 м, нижнего – 8×8 м или 10×10 м.
Оборудование для механизации спуско-подъемных операций включает талевую систему и буровую лебедку. Талевая система состоит из неподвижного кронблока, закрепленного в верхней части буровой вышки, талевого блока, соединенного с кронблоком, и бурового крюка.
Буровая лебедка предназначена для выполнения следующих операций:
1) Спуска и подъема бурильных и обсадных труб;
2) Удержания на весу бурильного инструмента;
3) Подъема оборудования и вышек в процессе монтажа установок.
Наземное оборудование, используемое при бурении, включает вертлюг, буровые насосы, напорный рукав и ротор. Вертлюг – это механизм, соединяющий не вращающуюся талевую систему и буровой крюк с вращающимися бурильными трубами, а также обеспечивающий ввод в них промывочной жидкости под давлением. Буровые насосы служат для нагнетания бурового раствора в скважину. Напорный рукав (буровой шланг) предназначен для подачи промывочной жидкости под давлением от неподвижного стояка к перемещающемуся вертлюгу. Ротор передает вращательное движение бурильному инструменту, поддерживает на весу колонну бурильных или обсадных труб и воспринимает крутящий момент колонны, создаваемый забойным двигателем.
Силовой привод обеспечивает функционирование всей буровой установки, он снабжает энергией лебедку, буровые насосы и ротор.
Привод буровой установки может быть дизельным, электрическим, дизель-электрическим или дизель-гидравлическим. Дизельный привод применяют в районах, не обеспеченных электроэнергией необходимой мощности. Электрический привод от электродвигателей постоянного и переменного тока отличается простотой в монтаже и эксплуатации, надежностью и экономичностью, но может использоваться только в электрифицированных районах. Дизель-электрический привод состоит из дизеля, который вращает генератор, питающий электродвигатель. Дизель-гидравлический привод состоит из двигателя внутреннего сгорания и турбопередачи. Последние два типа привода автономны, не содержат сложных соединительных частей, имеют удобное управление. Суммарная мощность силового привода буровых установок составляет от 1000 до 4500 кВт.
Циркуляционная система буровой установки служит для сбора и очистки отработанного бурового раствора, приготовления его новых порций и закачки очищенного раствора в скважину.
Бурильные трубы предназначены для передачи вращения долоту при роторном бурении и восприятия реактивного момента двигателя при бурении забойными двигателями, а также для создания нагрузки на долото, подачи бурильного раствора на забой скважины и др.
Бурильные трубы отличаются повышенной толщиной стенки и соединяются между собой с помощью бурильных замков. По способу изготовления трубы могут быть цельными и с приварными соединительными концами.
При глубоком бурении используют стальные и легкосплавные бурильные трубы с номинальными диаметрами от 60 до 140 мм. Толщина стенки труб составляет от 7 до 11 мм, а их длина 6, 8 и 11,5 м.
Наряду с обычными используют утяжеленные бурильные трубы (УБТ). Их назначением является создание нагрузки на долото и повышение устойчивости нижней части бурильной колонны.
Бурильные трубы и вертлюг соединяются между собой с помощью ведущей трубы. Эта труба, как правило, имеет квадратное сечение и проходит через квадратное отверстие в роторе. Ведущая труба предназначена для передачи вращения от ротора к бурильной колонне (роторное бурение) или передачи реактивного момента от бурильной колонны ротору (бурение с забойным двигателем).
Для соединения труб предназначены бурильные замки. Они состоят из замкового ниппеля и замковой муфты.
Непрерывная система оборудования, расположенная ниже вертлюга (ведущая труба, бурильные трубы с замками, забойный двигатель и долото), называется бурильная колонна. Она также включает вспомогательные элементы (переводники, протекторы, центраторы, стабилизаторы и др.).
Строительство скважин
Цикл строительства скважины включает следующие стадии:
1) Подготовительные работы;
2) Монтаж вышки и оборудования;
3) Подготовка к бурению;
4) Процесс бурения;
5) Крепление скважины обсадными трубами и её цементирование;
6) Вскрытие пласта и испытание на приток нефти и газа.
В ходе подготовительных работ выбирают место для буровой, прокладывают дорогу и подводят коммуникации (электроснабжение, водоснабжение, связь).
Монтаж вышки и оборудования производится в соответствии с принятой для данных конкретных условий схемой их размещения. Различают следующие методы монтажа: поагрегатный, мелкоблочный и крупноблочный.
При поагрегатном методе буровая установка собирается из отдельных агрегатов, для доставки которых используются автомобильный, железнодорожный или воздушный транспорт.
При мелкоблочном методе буровая установка собирается из 16 – 20 мелких блоков. Каждый из них представляет собой основание, на котором смонтированы один или несколько узлов установки.
При крупноблочном методе установка монтируется из 2 – 4 блоков, каждый из которых объединяет несколько агрегатов и узлов буровой.
Блочные методы обеспечивают высокие темпы монтажа буровых установок и качество монтажных работ. Размеры блоков зависят от способа и дальности их транспортировки.
Подготовка к бурению включает устройство направления и пробный пуск буровой установки. Буровая комплектуется необходимым оборудованием и инструментами, а также горюче-смазочными материалами, запасом воды и химических реагентов.
В ходе пробного бурения проверяется работоспособность всех элементов и узлов буровой установки.
Процесс бурения начинают, первоначально соединив ведущую трубу и долото. Вращая ротор, передают через ведущую трубу вращение долоту.
Во время бурения происходит непрерывный спуск (подача) бурильного инструмента таким образом, чтобы часть его веса передавалась на долото для обеспечения разрушения породы.
В процессе бурения скважина постепенно углубляется. После того, как ведущая труба полностью уйдет в скважину, бурильную колонну наращивают.
Крепление скважины обсадными трубами было рассмотрено в пункте 1 данной лекции. Обсадную колонну цементируют при помощи растворов, приготовляемых из тампонажных цементов и воды.
После обустройства скважины продуктивные пласты вскрывают перфорационным способом. После этого скважину осваивают, т.е. вызывают приток в неё нефти и газа. Для данной цели уменьшают давление бурового раствора на забой одним из следующих способов:
1) Промывка – замена бурового раствора более легкой жидкостью – водой или нефтью.
2) Поршневание (свабирование) – снижение уровня жидкости в скважине путем спуска насосно-компрессорной трубы и подъема на стальном канате специального поршня (сваба). Поршень имеет клапан, который открывается при спуске и пропускает через себя жидкость, заполняющую скважину. При подъеме клапан закрывается, и весь столб жидкости, находящийся над поршнем, выносится на поверхность.
После появления нефти и газа начинается эксплуатация месторождения. Процесс освоения скважины может занимать от нескольких дней до нескольких месяцев.
Промывка скважин
Одной из наиболее ответственных операций, выполняемых при бурении, является промывка скважин. Основные функции бурового раствора следующие:
1) Вынос частиц выбуренной породы из скважины;
2) Передача энергии турбобуру или винтовому двигателю;
3) Предупреждение поступления в скважину нефти, газа и воды;
4) Охлаждение и смазывание трущихся деталей долота;
5) Уменьшение трения бурильных труб о стенки скважины.
При бурении нефтяных и газовых скважин используют следующие виды промывочных жидкостей:
– растворы на водной основе (техническая вода, естественные буровые растворы, глинистые и неглинистые растворы);
– растворы на углеводородной основе;
– эмульсии;
– газообразные агенты и аэрированные растворы.
Техническая вода – наиболее доступная и дешевая промывочная жидкость. Имея малую вязкость, она легко прокачивается, хорошо удаляет выбуренную породу из забоя и охлаждает долото. Однако, она плохо удерживает частицы породы, не образует упрочняющей корки на стенке скважины, хорошо поглощается и вызывает набухание глинистых пород, ухудшает проницаемость коллекторов нефти и газа.
Естественным буровым раствором называют водную суспензию, образующуюся в скважине при диспергировании в воде частиц горных пород. Основным достоинством естественных буровых растворов является значительное сокращение потребности в привозных материалах и времени на их приготовление. Однако их качество и свойства существенно зависят от природы и состава разбуриваемых пород. Нередко в них велико содержание абразивных частиц. Поэтому естественные буровые растворы применяют в тех случаях, когда не требуется промывочная жидкость высокого качества.
Глинистые буровые растворы получили наибольшее распространение при бурении скважин. Глинистые растворы укрепляют стенки скважины, образуя тонкую плотную корку, которая препятствует проникновению жидкости в пласты. Они удерживают частицы разбуренной породы, предотвращая их оседание на забой при перерывах в промывке. Утяжеленные глинистые растворы предупреждают проникновение пластовых вод, нефти и газа в скважину.
Неглинистые растворы приготовляют химическим путем. Например, при взаимодействии ионов магния со щелочью. Химическая реакция приводит к образованию в растворе твердых частиц Mg(OH)2. После обработки раствор приобретает гелеобразную консистенцию и сохраняет устойчивость независимо от состава горных пород.
Буровые растворы на углеводородной основе представляют собой нефть или жидкие нефтепродукты, смешанные с битумом, асфальтом или специально обработанной глиной. Они не оказывают отрицательного влияния на свойства коллекторов нефти и газа, обладают смазывающей способностью. Но стоимость таких растворов довольно высока, они пожароопасны и плохо удаляются с оборудования.
В качестве буровых растворов могут использоваться эмульсии типа «вода в нефти», содержащие глину. Эмульсионные буровые растворы используются при бурении в глинистых пластах и солевых отложениях. Они обладают хорошими смазочными свойствами.
Процесс бурения с продувкой газом заключается в том, что для выноса выбуренной породы на поверхность и охлаждения долота используется сжатый воздух, естественный газ или выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Использование газообразных агентов позволяет ускорить вынос частиц выбуренной породы и увеличить скорость бурения в 10 – 12 раз. Кроме того, в этом случае увеличивается коэффициент нефтегазоотдачи пласта.
Аэрированные буровые растворы представляют собой смеси пузырьков воздуха с промывочными жидкостями (водой, нефтяными эмульсиями и др.) в соотношении до 30:1. Аэрированные буровые растворы обладают теми же свойствами, что и жидкости, из которых они приготовлены. Вместе с тем, большим преимуществом является возможность их использования в осложненных условиях бурения, например, при высоких поглощениях промывочных жидкостях или при вскрытии пластов с низким давлением.
Технология приготовления бурового раствора зависит от его рецептуры, состояния исходных материалов и технического оснащения. Такой раствор приготовляют централизованно на специальном предприятии или непосредственно на буровой. Централизованное обеспечение буровым раствором целесообразно при длительном разбуривании крупных месторождений и близком расположении буровых, когда для проводки скважин требуются растворы с одинаковыми параметрами. Когда буровые разбросаны на большой территории или имеются сложности с доставкой готового бурового раствора (например, болотистая или пересеченная местность) целесообразно готовить промывочные жидкости непосредственно на буровой. Для этих целей буровые оснащают блоком приготовления бурового раствора из порошкообразных материалов.
Готовый буровой раствор закачивается в бурильную колонну с помощью буровых насосов через напорный рукав, присоединенный к неподвижной части вертлюга. Пройдя вниз по бурильным трубам, он с большой скоростью проходит через отверстия в долоте к забою скважины, захватывая частички породы, а затем поднимается между стенками скважины и бурильными трубами. Использованный буровой раствор, после прохождения через систему очистки, вновь подается в скважину.