Бурение и конструкция скважин

Понятие о скважинах.

Скважина – горная выработка крупного сечения, глубиной от нескольких метров до нескольких километров и диаметром свыше 75мм.

Элементы скважины: устье – выход на поверхность; забой – дно; ствол или стенобокая поверхность. Расстояние от устья до забоя по оси ствола – длина скважины, а по проекции оси на вертикаль – глубина.

 

 

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

Углубление скважины осуществляется путем разрушения породы по всей площади забоя (сплошное бурение) или его периферийной части (колонновое бурение).

Способы бурения нефтяных скважин.

Способы бурения скважин классифицируются по характеру воздействия на горные породы: механическая, термическая, физико-химическая, электрическая и т.д. Однако промышленное применение находя только способы бурения, обеспечивающие механическое разрушение горной породы. Способы бурения скважин осуществляются с использованием мускульной силы человека (ручное бурение), либо с применением двигателей (механическое бурение). Ручное бурение применяют при инженерно-геологических исследованиях и при решении проблем с водоснабжением.

Наиболее распространены два вида механического бурения: ударное и вращательное.

Ударное бурение.

Из всех разновидностей ударного бурения применяется только ударно-канатное.

Буровой инструмент состоит из долота (1), ударной штанги (2) и канатного замка (3). Он подвешивается на канате (4), который перекидывается через блок (5) мачты (12), оттяжной ролик (7) балажира (6), вспомогательный ролик (8). Канат навивается на барабан (11) бурового станка. При вращении шестеренки (10) шатун (9), совершая возвратно-поступательные движения, приподнимается и

 

опускает балажирную раму (6). При опускании рамы оттяжной ролик (7) подтягивает канат и поднимает буровой инструмент над забоем. При подъеме рамы канат опускается, долото подается на забой и разрушает породу.

 

По мере углубления скважины канат удлиняют. Цилиндричность скважины обеспечивается поворотом долота во время работы самого по себе, т.к. канат раскручивается под нагрузкой (во время подъема) и скручивается при снятии нагрузки (во время удара долота о породу).

По мере положения на забое разрушенной породы (шлака) возникает необходимость его очистки. Для этого поднимают буровой инструмент из скважины и опускают в нее жезлонку. При погружении желонки в смесь из титановой жидкости (или доливаемой в скважину) и разбуренных частиц породы. Клапан открывается и жезлонка наполняется этой смесью. Во время подъема жезлонки клапан закрывается, жезлонка опускается столько раз, сколько необходимо для очистки забоя от выбуренной породы. После очистки забоя в скважину опускают инструмент, и процесс бурения продолжается.

При ударном бурении скважина не заполняется жидкостью, во избежание разрушении породы с ее стенки скважину опускают обсадную колонку, состоящую из металлических обсадных труб, соединенных с помощью резьбы или сварки. По мере углубления скважины обсадную колонну продвигают к забою и периодически удлиняют. С увеличением длины обсадной колонки продвижение ее к забою замедляется. Когда обсадную колонку невозможно опускать вниз даже с помощью специального забивного устройства. В этом случае спущенную обсадную колонку оставляют в скважине, внутрь ее опускают вторую обсадную колонку, скважину углубляют долотом меньшего диаметра. Вновь наступает момент, когда вторя обсадная колонка не спускается, тогда опускают третью и т.д., пока не будет достигнута проектная глубина. Эффективность ударно-канатного бурения прямопропорциональна массе бурового инструмента, высоте его падения, числу ударов долота о забой и обратнопропрорциональна квадрату диаметра скважин.

Вращательное бурение.

При вращательном бурении разрушение породы происходит в результате одновременного воздействия на долото нагрузки и крутящего момента. Под воздействием нагрузки долото внедряется в породу, а под влиянием крутящего

 

момента смалывает, дробит и тирает ее. Характерная особенность вращательного бурения – промывка скважины водой. Для этого с помощью двух буровых насосов, приводящихся в работу от двигателей, наливается промывочная жидкость. По трубопроводу в стояк-трубу, установленной в правом углу вышки, далее в гибкий буровой шланг, вертлюг и бурильную колонку. Дойдя до долота, промывочная жидкость проходит через отверстие, имеющееся в нем, и по кольцевому пространству между стенкой скважины и бурильной колонкой поднимается вверх. Затем очищается от выбуренных пород, поступает в приемные емкости буровых насосов и вновь закачивается в скважину. Широко применяются два вида работных двигателей: турбобур и электробур.

При бурении с турбобуром вращение вала происходит за счет промывочной жидкости по бурильной колонке, поступающий в турбобур, в механическую энергию по валу турбобура, с которой жестко соединено долото.

При бурении электробуром энергия по двигателю подается по кабелю, секция которого укреплена концентрично в бурильной колонке.

Бурить скважину начинают только после того, как предпримут меры против разрушения породы под основанием буровой. Для этого сооружают до начала бурения скважины шурф до устойчивых пород (4-8 м) и в него спускают трубу с вырезанным окном в его верхней части. Пространство между шурфом и трубой заполняют буровым камнем и цементным раствором. В результате устье скважины надежно укреплено. К окну в трубке приваривают короткий металлический желоб, по которому в процессе бурения скважины промывочная жидкость направлена в желобную систему и очистительным механизмом. Трубу, установленную в шурфе, называют направлением.

Прорубив неустойчивые, трещиновидные породы, осложняющие процесс бурения (обычно 50-400м) перерывают и изолируют, для чего в скважину опускают обсадную колонку, состоящую извинченных стальных труб, а ее зарубное пространство цементируют. Первая обсадная колонка получила название кондуктор. Не всегда удается пробурить до проектной глубины, но в таких случаях возникает потребность в спуске и в последующие цементирование второй обсадной колонки, называемой промежуточной.

Пробурив скважину до проектной глубины, опускают и цементируют эксплуатационную колонку, предназначенную для подъема нефти и газа от забоя к устью скважины.

В результате развития техники и технологии бурения, конструирование нефтяных и газовых скважин претерпели значительные изменения конструкции скважин сокращается расход металла на скважину.

 

Процесс добычи нефти и газа

Нефть и газ залегают в породах всех возрастов даже в трещиноватых и выветрелых приповерхностных зонах докембрийского кристаллического фундамента. Наиболее продуктивные породы-коллекторы Северной Америки были сформированы в ордовикском, каменноугольном и третичном периодах. В других частях света добывают нефть в основном из отложений третичного возраста.

Месторождения нефти и газа приурочены к структурно-приподнятым участкам, таким, как антиклинали, но в региональном плане большинство месторождений располагается в крупных впадинах, так называемых осадочных бассейнах, куда за геологическое время вносятся большие объемы песков, глин и карбонатных осадков. Многочисленны такие нефтяные месторождения по краям континентов, где реки откладывают приносимый ими материал в морские глубины. Примерами подобных районов являются Северное море в Европе, Мексиканский залив в Америке, Гвинейский залив в Африке и регион Каспийского моря. Здесь бурятся скважины при глубине моря до 1500 м.

Впервые нефтяная скважина была пробурена в 1865 году. Однако систематическая добыча нефти в мире началась лишь спустя 20 лет. И по сей день бурение скважин – это единственный способ пробиться к залежам нефти. После бурения скважины и появления доступа к его месторождению. Из-за давления внутри пласта, нефть, как правило начинает фонтанировать на поверхность земли.

Существуют три, самых распространённых, способа добычи нефти:

▪ фонтанный - он же самый простой способ добычи

▪ газлифтный – специфичный способ добычи

▪ насосный – часто применяемый способ добычи

Насосный способ хотелось бы выделить отдельно, так как при помощи него добывается около 85% всей добываемой на нашей планете нефти. Глубина нефтяных скважин может варьироваться от нескольких десятков (очень редко) и сотен метров до нескольких километров. Ширина скважин может достигать величины от 10 см до 1метра. На территории России залежи нефти находятся на очень больших глубинах – от 1000 до 5000 метров.

Важные нефтегазоносные области окружают Мексиканский залив и продолжаются в его подводную часть. Они включают богатые месторождения Техаса и Луизианы, Мексики, о.Тринидад, побережья и внутренних районов Венесуэлы. Крупные нефтегазоносные области располагаются в обрамлении Черного, Каспийского и Красного морей и Персидского залива. Эти районы включают богатые месторождения Саудовской Аравии, Ирана, Ирака, Кувейта, Катара и Объединенных Арабских Эмиратов, а также Баку, Туркмении и западного Казахстана. Нефтяные месторождения островов Борнео, Суматра и Ява составляют основные зоны полезных ископаемых Индонезии. Открытие в 1947 нефтяных месторождений в Западной Канаде и в 1951 в Северной Дакоте положило начало новым важным нефтегазоносным провинциям Северной Америки. В 1968 были открыты крупнейшие месторождения у северного побережья Аляски. В начале 1970-х годов крупные нефтяные месторождения были обнаружены в Северном море у берегов Шотландии, Нидерландов и Норвегии. Небольшие нефтяные месторождения имеются на побережьях большинства морей и в отложениях древних озер.

Конечно же сейчас нефть не добывают, просто дожидаясь когда же она заполнит природный колодец или выжимая известковые породы, пропитанные углеводородами. В реальных условиях способ доступа к нефтяным месторождениям мало чем изменился по отношению к чуть более чем вековой давности.