Бурение Нефтяных и Газовых Скважин

 

КЛАССИФИКАЦИЯ СКВАЖИН

Скважины, бурящиеся с целью региональных исследований, поисков, разведки и разработки нефтяных месторождений, под­разделяются на следующие категории: а) опорные; б) парамет­рические; в) поисковые; г) разведочные; д) эксплуатационные.

Опорные скважины проектируются с задачей изучения ос­новных черт глубинного строения малоисследованных круп­ных регионов, определения общих закономерностей стратиг­рафического и территориального распределения отложений, благоприятных для нефтегазонакопления. В процессе и по окончании бурения в скважинах проводится комплекс иссле­дований, предусмотренных специальной инструкцией. В ре­зультате опорного бурения дается оценка прогнозных запа­сов нефти и газа.

Параметрические скважины закладываются для изучения глубинного строения и сравнительной оценки перспектив нефтегазоносности возможных зон нефтегазонакопления. В от­личие от опорных скважин в целях ускорения поисковых работ и снижения их стоимости без ущерба для решения основных геологических задач эти скважины бурятся с со­кращенным отбором керна. В результате бурения параметрических скважин могут быть уточнены прогнозные запасы и выявлены запасы нефти и газа категории С₂ [9, 30].

Поисковые скважины проектируются по данным парамет­рического бурения и геофизических работ для выяснения наличия или отсутствия залежей нефти и газа на новых площадях и выявления новых залежей на разрабатываемых месторождениях. При проводке скважины предусматривают полный отбор керна в пределах возможно продуктивных го­ризонтов и на границах стратиграфических разделов, а так­же проведение комплекса промыслово-геофизических иссле­дований и опробование возможно продуктивных горизонтов. В результате бурения поисковых скважин могут быть опреде­лены запасы категорий С, и С₂.

Разведочные скважины бурятся на площадях после выявле­ния при поисковом бурении их нефтегазоносности. На пер­вой стадии (предварительная разведка) цель бурения таких скважин — оценка промышленного значения месторождений (залежей) и составление технико-экономических докладов (ТЭД) об экономической целесообразности их разведки. Задача вто­рой стадии (детальная разведка) после утверждения ТЭД — подготовка запасов промышленных категорий (А + В + С,) и сбор исходных данных для составления проектов разработки месторождений (залежей).

При бурении разведочных скважин предусматриваются отбор керна в пределах продуктивных горизонтов, проведе­ние комплекса промыслово-геофизических исследований, в том числе отбор керна боковым грунтоносом и опробование горизонтов, включая пробную эксплуатацию.

Продуктивные разведочные скважины на месторождениях, вводимых в разработку, передаются в фонд эксплуатационных.

Эксплуатационные скважины бурятся в соответствии с про­ектами разработки нефтяных и газовых месторождений. В эту категорию входят также нагнетательные, оценочные, на­блюдательные и пьезометрические скважины. Эксплуатаци­онные скважины предназначены для извлечения нефти и газа из разрабатываемой залежи; нагнетательные — для за­качки в продуктивный пласт воды, газа или воздуха; оценоч­ные — для оценки коллекторов продуктивных горизонтов; наблюдательные и пьезометрические — для систематическо­го наблюдения за изменением давления, водонефтяного кон­такта в процессе эксплуатации скважины.

Специальные скважины. В нефтяной и газовой промыш­ленности бурятся также специальные скважины, которые пред­назначены для сброса промысловых вод, ликвидации откры­тых фонтанов нефти и газа, подготовки структур для подзем­ных газохранилищ и закачки в них газа, разведки и добычи технических вод.

 

ЭЛЕМЕНТЫ СКВАЖИН

Скважиной называется цилиндрическая горная выработка (вертикальная или наклонная) глубиной от нескольких мет­ров до нескольких километров и диаметром свыше 75 мм, сооружаемая в толще горных пород (рис. 2.1).

Элементы скважины:

устье — выход на поверхность или дно моря;

забой — дно;

ствол или стенка — боковая повер­хность.

Расстояние от устья до забоя по оси ствола — длина скважины, а по проекции оси на вертикаль — ее глубина.

Скважины бурят, как правило, с уменьшением диаметра от интервала к интервалу. Начальный диаметр обычно не превышает 900 мм, а конечный редко бывает менее 75 мм.

Углубление скважин осуществляется путем разрушения породы по всей площади забоя (сплошное бурение) или по его периферийной части (колонковое бурение). В последнем случае в центре скважины остается керн (цилиндрический столбик породы), который периодически поднимают на по­верхность для изучения пройденного разреза пород. Сква­жины бурят на суше и на море при помощи специальных буровых установок. Непрерывный рост добычи нефти и газа возможен лишь при условии бурения тысяч скважин, обес­печивающих разведку и ввод в эксплуатацию десятков но­вых нефтяных и газовых месторождений. Однако бурение применяется не только в нефтяной и газовой промышленно­сти. Развитие других отраслей промышленности и сельско­хозяйственного производства немыслимо в настоящее время без буровых работ.

Угольная и горнорудная промышленность. В этих отраслях промышленности бурение скважин ведется в следующих целях:

1) поиск и разведка твердых полезных ископаемых;

2) вентиляция горных выработок;

3) откачка воды из горных выработок;

4) спуск в горные выработки крепежного материала;

5) замораживание грунта при проходке шахт;

6) подземная газификация углей;

7) тушение подземных пожаров;

8) взрывные работы при карьерной и подземной разработ­ке полезных ископаемых.

Рис. 2.1. Скважины:

а, б — вертикальные (б — колонковое бурение); в — наклонная (а, в — сплошное бурение); 1 — устье; 2 — стенка (ствол); 3 — ось; 4 — забой; 5 — керн; Н, L — глубина и длина скважины соответственно

Химическая промышленность. В коллекторах земной коры иногда в растворенном состоянии содержатся значительные количества солей брома, йода и других химических веществ. В целях добычи растворов, содержащих эти вещества, прихо­дится бурить скважины.

Медицина. В этой отрасли скважины бурятся для добычи минеральных вод.

Промышленное и гражданское строительство. Без буро­вых работ немыслимо изыскание трасс шоссейных и желез­ных дорог, исследование грунтов на месте предполагаемого возведения плотин, мостов, заводов, домов. Кроме того, сква­жины бурят в целях промышленного водоснабжения различ­ных объектов.

 

ОБЩАЯ СХЕМА БУРЕНИЯ

Для бурения нефтяных и газовых скважин в России при­меняют только вращательный метод. При этом методе сква­жина как бы высверливается вращающимся долотом. Разбуренные частицы породы выносятся на поверхность циркули­рующей струей промывочной жидкости либо с нагнетаемым в скважину воздухом или газом. В зависимости от местона­хождения двигателя вращательное бурение разделяют на ро­торное и турбинное. При роторном бурении двигатель нахо­дится на поверхности и приводит во вращение долото на забое при помощи колонны бурильных труб. При турбинном бурении двигатель (турбобур или электробур) перенесен к забою скважины и установлен над долотом.

Процесс бурения включает в себя следующие операции: 1) спускоподъемные работы — спуск бурильных труб с до­лотом в скважину до забоя и подъем их с отработанным долотом; 2) работа долота на забое — разрушение породы долотом.

Эти операции периодически прерываются для спуска в скважину обсадных труб, которые используются для предох­ранения стенок скважины от обвалов и разобщения нефтя­ных (газовых) и водяных горизонтов [9, 30].

Одновременно в процессе бурения выполняется ряд вспо­могательных работ: отбор керна, приготовление промывоч­ной жидкости, каротаж, замер кривизны ствола скважины, освоение ее с целью вызова притока нефти или газа.

Полный цикл строительства скважины включает следую­щие основные элементы:

1) монтаж буровой вышки, бурового (силового) оборудова­ния и строительства привышечных сооружений;

2) подготовительные работы к бурению скважин;

3) процесс бурения;

4) вскрытие и разобщение пластов (спуск обсадных труб и их цементирование);

5) испытание скважины на приток нефти или газа (освое­ние);

6) демонтаж оборудования.

 

КОНСТРУКЦИЯ СКВАЖИН

Как правило, верхние участки разреза скважины пред­ставлены современными отложениями, легко размывающи­мися в процессе бурения циркулирующим потоком жидко­сти. Поэтому бурить скважину начинают только после того, как предпримут необходимые меры против размывания поро­ды под основанием буровой. Для этого до бурения скважины сооружают шурф до устойчивых пород (4 —8 м) и в него спускают трубу с вырезанным окном в ее верхней части. Пространство между трубой и стенкой шурфа заполняют бутовым камнем и цементным раствором. В результате устье скважины надежно укрепляется. К окну в трубе приварива­ют короткий металлический желоб, по которому в процессе бурения промывочная жидкость направляется в желобную систему и к очистным механизмам. Трубу, устанавливаемую в шурфе, называют направлением.

После установки направления и проведения ряда других работ (контрольный осмотр оборудования, монтаж и наладка приборов, оснастка полиспастной системы, бурение шурфа под ведущую трубу) составляют акт о готовности смонтиро­ванной буровой и приступают к бурению скважины.

Пробурив неустойчивые, мягкие, трещиноватые и кавер­нозные породы, осложняющие процесс бурения (обычно 50 — 400 м), перекрывают и изолируют эти горизонты, для чего в скважину спускают обсадную колонну, состоящую из свин­ченных стальных труб, а ее затрубное пространство цементи­руют. Первая обсадная колонна называется кондуктором.

После спуска кондуктора не всегда удается пробурить сква­жину до проектной глубины из-за прохождения новых ос­ложняющих горизонтов или из-за необходимости перекры­тия продуктивных пластов, не подлежащих эксплуатации дан­ной скважиной. В таких случаях возникает потребность в спуске и последующем цементировании второй обсадной колонны, которая называется промежуточной колонной.

При дальнейшем углублении скважины вновь могут встре­титься горизонты, подлежащие изоляции. Тогда спускают и изолируют третью обсадную колонну, называемую второй промежуточной колонной. В этом случае ранее спущенная обсадная колонна будет называться первой промежуточной. В осложненных условиях бурения таких промежуточных ко­лонн может быть три и даже четыре.

Пробурив скважину до проектной глубины, спускают и цементируют эксплуатационную колонну, предназначенную для подъема нефти или газа от забоя к устью скважины или для нагнетания воды (газа) в продуктивный пласт в целях поддер­жания давления.

После спуска и цементирования эксплуатационной колон­ны проверяют качество цементного кольца, образовавшегося в затрубном пространстве, и все обсадные колонны на устье скважины обвязывают друг с другом, применяя специальное оборудование.

Расположение обсадных колонн с указанием их диамет­ров, глубины перехода с большего диаметра скважины на меньший, глубина спуска обсадных колонн и интервалов их цементирования составляют понятие конструкции скважины. Если в скважину кроме направления и кондуктора спускают только эксплуатационную колонну, то конструкцию называ­ют одноколонной. Если в скважину, кроме направления и кондуктора, спускают промежуточные и эксплуатационные колонны, то конструкцию называют двухколонной (при одной промежуточной колонне) или трехколонной (при двух промежуточных колоннах). На рис. 2.2 показана двухколон­ная конструкция скважины.

Конструкцию скважины выбира­ют с учетом геологических особенностей месторождения (глу­бины залегания зон обвалов, поглощений, водопроявлений, глубины расположения продуктивных горизонтов), вида до­бываемого продукта (нефть или газ), способов эксплуатации и бурения, техники и технологии бурения.

Рис. 2.2. Двухколонная конструкция сква­жины: D1′ D2′ D3 — диаметры долот, применяе­мых соответственно при бурении под кон­дуктор, промежуточную и эксплутационную колонны; d1′ d2′′ d3′ d4 — диаметры соответственно направления, кондуктора, промежуточной и эксплутационной колонны; Л,, h2, hv ht — интервалы цемен­тирования затрубного пространства соот­ветственно за направлением, кондуктором, промежуточной и эксплутационной колон­нами; L1′ L2′ L3′ L4 — глубина спуска соот­ветственно направления, кондуктора, про­межуточной и эксплутационной колонн

После спуска последней эксплуатационной колонны приступают к работам, выполнение которых обеспечит вызов притока нефти из пла­ста в эксплуатационную колонну и сдачу скважины в эксплу­атацию. В результате развития техники и технологии буре­ния конструкции нефтяных и газовых скважин за последние десятилетия претерпели значительные изменения в сторону упрощения и снижения массы (облегчения). Под упрощением конструкции понимают уменьшение зазоров между стенкой скважины и обсадными колоннами, что приводит к уменьше­нию объема выбуриваемой породы и сокращению расхода цемента для цементирования скважины [9, 30].

Под облегчением конструкции скважины следует пони­мать уменьшение диаметра эксплуатационной колонны, а сле­довательно, и диаметров других колонн; отказ от применения вспомогательных колонн (кондуктора, промежуточной колон­ны); уменьшение глубины спуска колонн. В итоге при облег­чении конструкции скважины сокращается расход металла на скважину.

 

БУРОВЫЕ ДОЛОТА