Глубокое бурение на нефть и газ

Бурение — единственный метод, дающий окончательный ответ - есть ли в недрах залежь нефти и газа. Как метод поиска он применяется давно.

Известны скважины, пробуренные в Китае еще до нашей эры. Глубина их была в пределах сотни метров, а для бурения использовали бамбуковые стволы. В 1820-х годах первые скважины бурились на воду во Франции. В 1845 г. французский инженер А. Фовель предложил промывать забой скважины, чтобы вынести с забоя раздробленную породу на поверхность.

Считают, что нефтегазовая промышленность зародилась в 1859 г., когда полковник Фр. Дрейк (англ.) пробурил первую нефтяную скважину. Скорость проходки была 1м/сут., глубина ~ 500 м. Но эта дата условная, т.к. известны нефтяные скважины на Кубани и в Румынии, пробуренные раньше.

В начале XX в. на смену ударному бурению пришло вращательное, или роторное. Первыми применили вращательное .бурение нефтяники Баку (1911г.). При вращении долота на забое скважины порода крошится и истирается. Скорость проходки с переходом от ударного к вращательному бурению возросла до 500 и более м/скв.-мес, а глубина скважины увеличилась до 3 - 4 км. Однако, буровой инструмент был очень громоздкий: при глубине 3,5 - 4 км колонна бурильных труб весила более 200 т. При этом основная часть энергии тратилась на вращение колонны, а не на углубление скважины.

И в 1922 г. инженер М.А. Капелюшников предложил новый оригинальный метод бурения скважины - турбинный. В дальнейшем эта идея была усовершенствована учеными А.П. Шумиловым и другими, которые в 1936 г. взамен одноступенчатому турбобуру разработали многоступенчатый.

Рис. 5.1. Схема турбобура: 1 — переводник; 2 — роторная гайка; 3 — кольца подпятников; 4 — стальные диски; 5 — разделяющие кольца; 6 — корпус статора; 7 — вращающийся ротор; 8 — корпус турбобура; 9 — стальная втулка; 10 — ниппель; 11 — нижняя опора; 12 — вал

Современный турбобур - это многоступенчатый гидравлический забойный двигатель. В каждой ступени его (всего их 100 и более) имеются два диска с профилированными лопатками, Один из дисков (статор) неподвижно закреплен в корпусе турбобура, а другой (ротор) вращается. ГЛИНИСТЫЙ буровой раствор, нагнетаемый в скважину для промывки забоя, направляется в ротор. Обтекая вогнутые его лопасти, он вращает их. Каждый ротор обеспечивает относительно небольшое вращательное усилие, но суммарный эффект достаточно высок для вращения долота. Частота вращения турбины 2000-2500 об/мин. Типоразмер турбобура для бурения скважин определяется геолого-технологическими условиями проходки скважины.

Электробурение в России впервые было начато в 1941 году, но широкого применения электробуры не нашли. Вместе с тем, наблюдается общая тенденция увеличения средних глубин. При решении сложных задач бурения сверхглубоких скважин перспективы применения электробуровой техники (в районах, где есть эл. энергия) очевидны, разработана технологами и техника для возможностей электропривода.

К преимуществам электробура по сравнению с гидравлическим двигателем можно отнести; независимость частоты вращения, момента и других параметров от количества поступаемой жидкости; постоянство частоты вращения; большая перегрузочная способность электродвигателя; возможность контроля процесса работы с площадки буровой.

Винтовой объемный двигатель создан российскими учеными, впервые испытан в 1969 году. Длина этих забойных двигатели от 1,9 до 6,9 м (турбобур - 8 до 26,11 м), частота вращения вала от 90-4М об/мин. Рабочая характеристика винтобура может изменяться, и эта особенность позволяет использовать его при бурении искривленных интервалов наклонно-направленных скважин.

Бурение скважин - сложный процесс, требующий у исполнителей высокой квалификации.

На месте, где планируется пробурить скважину (на "точке" как говорят геологи) сначала подготавливают площадку под буровое оборудование, выбирают направление приемного места буровой, выполняют земляные работы под оборудование. Монтируют буровую вышку, около нее устанавливают оборудование для приготовления глинистого раствора, прокладывают водопровод, линии связи, трассы, устанавливают мощные насосы для закачки раствора в скважину. Буровое оборудование приводится в действие с помощью электропривода или блока дизелей. Для спуска и подъема бурового инструмента (труб, долота, турбобура, талевого блока) на буровой устанавливается буровая лебедка. В относительной близости от буровой сооружаются жилые дома для бригады, кернохранилище (где хранятся образцы породы, поднятые из скважины), блок для рации, мастерские, склад для инструмента и материалов.

Сложность обустройства связана с тем, что скважина, как правило, бурится далеко от основной базы бурового управления (УБР).

До начала бурения на буровой проводится пусковая конференция, на которой главные специалисты (геолог, технолог, механик и др.) (ознакамливают мастеров и буровую бригаду с особенностями геологического разреза, с технологией проводки скважины, которая рассчитана по интервалам бурения и отображена в геолого-техническом наряде на данную скважину (ГТН). До начала бурения скважины в обязательном порядке составляются ГТН, наряд-задание на бурение и другая документация.

Строительство скважин - это процесс вышкомонтажных работ непосредственно бурения, испытания скважин на продуктивность. Скважина- очень дорогое сооружение, поэтому бурение, как основной процесс ее строительства, требует высокой квалификации персонала и исполнительской технологической дисциплины.

Способ бурения для интервала пород выбирают на основании анализа статистического материала по уже пробуренным скважинам.

Для бурения скважины рассчитывают тип буровой установки, комплектность бурового оборудования, размеры и количество химреагентов, труб, долот, режимы бурения. Длина одной бурильной трубы обычно около 12,5 м.

Две-три свинченные трубы образуют "свечу". По мере углубления скважины "свечи" навинчивают друг за другом. Если бурение турбинное, то на конце первой трубы находится турбобур с долотом. Если бурение роторное, то на конце первой трубы находится долото.

Для удаления разбуренной породы и для вращения вала турбобура в скважину нагнетают под давлением глинистый раствор, который имеет плотность 1,2-1,5 г/см³. В некоторых интервалах бурения применяют утяжеленный буровой раствор, плотностью до 2 г/см³ и больше. Для этого в раствор вводят утяжелители (барит, гематит и др.)

Чтобы пробурить скважину глубиной 1000 м, надо заготовить не менее 100 м³ раствора. Через бурильную трубу раствор подается к забою скважины, подхватывает мелкие обломки породы (шлам) и выносит его на поверхность по затрубному пространству. На каждые 1000 м ствола скважины приходится 50-80 т измельченной породы.

Глинистый раствор выполняет еще одну важную функцию - создает противодавление на пласт и тем самым удерживает в нем нефть, газ или воду, не давая им вырваться раньше времени наружу. Например, на глубине 2000 м давление газа или нефти в обычном случае равно 20 МПа, При плотности глинистого раствора 1,2 г/см³ его столб на забое будет создавать давление 24 МПа. В этом случае прорыва нефти или газа не произойдет и фонтанирования не будет. Технология бурения четко рассчитывается, а несоблюдение технологических параметров приводит к авариям. Режимы бурения по интервалам скважины в ГТН на каждую буровую.

Внезапный фонтан может разнести буровую вышку и дорогостоящее оборудование, привести к травматизму. При аварии в скважине стальные трубы порой скручиваются, как проволока.

Глинистый раствор также охлаждает буровое долото, глинизирует и укрепляет стенки скважины и т.д. Попав на поверхность, раствор поступает в специальный отстойник, где оседают частицы породы, а затем раствор после обработки снова насосами подается в скважину.

Качество глинистого раствора играет большую роль. Приготовить хороший раствор непросто, в него добавляют специальные присадки, нефть, измельченную бумагу и др. Особенно сложно приготовить раствор для бурения сверхглубоких скважин, когда на забое температура достигает 170-200°С и больше. При приготовлении растворов используют отходы целлюлозно-бумажной промышленности (нитролигнин, сунил, игетан).

При бурении скважин чаще всего применяют трехшарошечные долота. Каждая шарошка долота может вращаться. Иногда зубья шарошек покрывают твердым сплавом. При проходке особо крепких пород используют алмазные долота, При бурении скважин зубья долота изнашиваются. Долота приходится заменять. Для этого поднимают и развинчивают всю бурильную колонну, т.е. производят спуско-подъемные операции (СПО). СПО - это очень трудоемкий процесс, который значительно удлиняет сроки бурения.

Чтобы стенки скважин не обваливались, в ее ствол опускают специальные стальные трубы диаметром от 114 до 426 мм, а пространство между ними и стенками скважины заполняют цементом, который закачивают в скважину цементировочный агрегатами под большим давлением. Такая колонна труб называется - "трубы обсадные".

В процессе бурения из скважины поднимают периодически керн (это порода). По всему стволу скважины керн отбирают в исключительных случаях - только при бурении параметрических скважин. Керн характеризуют геологический разрез скважины.

Но определить литологический состав и мощность пород, интервалы залегания продуктивных горизонтов и установить их коллекторские свойства можно проведением промыслово-геофизических исследований по всей длине ствола скважины. Известно более 40 видов промыслово-геофизических исследований. На основе их составляют карты, необходимые для разработки месторождения.

Наиболее распространены электрические, радиоактивные, термические, акустические, индукционные методы.

Электрические методы основаны на изучении характеристики электрического поля по стволу скважины. Специальными приборами, которые спускают в скважину, измеряют удельное электрическое сопротивление горных пород. Выделяя различные типы пород, геофизики определяют продуктивные горизонты (нефть и газ - диэлектрики).

Простой и эффективный метод исследования - кавернометрия. В этом случае приборами измеряется диаметр скважины. В рыхлых породах стенки ствола скважин размываются, отваливаются, возникают каверны.

Радиоактивные промыслово-геофизические работы очень разнообразны и все они исследуют радиацию горных пород.

Термометрический каротаж позволяет изучить температуру по стволу скважины.

Акустический каротаж регистрирует упругие колебания, искусственно возбуждаемые в скважине, что дает возможность оценить пористость пород.

Все виды промыслово-геофизических работ применяются в комплексе. Современная каротажная станция монтируется на одной машине. Средняя масса ее около 20 т. Станция оборудована бронированным кабелем, масса 1 м длины 1 т, а разрывное усилие около 8 т. Кабель имеет термостойкую изоляцию, позволяющую работать при температуре 300°С.

Вскрытие продуктивного горизонта для получения притока нефти производится путем перфорации (глюстрела). Для этого в пробуренную скважину после спуска обсадной колонны спускают перфоратор. Раньше применялись пулевые перфораторы, сейчас - комулятивные перфораторы, которые пробивают стенку скважины не пулей, а взрывными газами. После этого из скважины постепенно выбирают глинистый раствор за которым на поверхность выходят нефть и газ.

К основным проблемам, возникающим при бурении, относятся:

• прихват бурильной колонны, который может быть результатом слишком большого удельного веса раствора, создающего существенно высокий перепад давления между скважиной и пластом, что может привести к прихвату труб в скважине. Разрушение пластов и пород также могут привести к прихвату инструмента;
• разрыв бурильной колонны, который может быть результатом вибрации труб или их плохого качества;
• потеря контроля за проходкой скважины или выброс пластовой жидкости в скважину из-за нарушения технологии бурения или неверного прогноза пластового давления в скважине. Восстановительные работы подобного рода требуют больших затрат;
• выход из строя забойного оборудования, который возникает из-за нагрузок, превышающих допустимый для данного оборудования уровень, и др.

Соблюдению режимов бурения уделяется самое серьезное внимание, т.к. затраты на ликвидацию осложнений и аварий в скважинах очень большие.