Буровая установка, ее состав.

Скважину бурят при помощи буровой установки (рис.1), представляющей собой сплошной комплекс машин, механизмов, аппаратуры, металлоконструкций, средств контроля и управления, расположенных на поверхности. Оборудование стараются разместить так, чтобы обеспечить безопасность в работе, удобство в обслуживании, низкую стоимость строительно-монтажных работ и компактность в расположении элементов буровой.

В общем случае в центре буровой вышки располагают ротор, а рядом с ним лебедку. За ней находятся буровые насосы, силовой привод, площадка горюче-смазочных материалов, площадка для хранения глинпорошка и химреагентов и глиномешалка. С противоположной стороны от лебедки находится стеллаж мелкого инструмента, стеллаж для укладки бурильных труб, приемные мостки, площадка обработанных долот и площадка ловильного инструмента (его используют для ликвидации аварий). Кроме того, вокруг буровой размещаются хозяйственная будка, инструментальная площадка, очистная система для использованного бурового раствора и запасные емкости для хранения бурового раствора, химических реагентов и воды.

 

Назначение и устройство буровых машин и механизмов.

В комплект буровой установки входят: вышка для подвешивания талевой системы и размещения бурильных труб, оборудование для спуска и подъема инструментов, оборудование для подачи и вращения инструмента, насосы для прокачивания промывочной жидкости, силовой привод, механизмы для автоматизации и механизации спускоподъемных операций, контрольно-измерительные приборы и вспомогательные устройства.

При бурении вращательным способом, как и сверлении отверстия в любом материале, необходимо, чтобы разрушающему инструменту.

Буровой шланг состоит из внутреннего резинового слоя, нескольких слоев прокладок из прорезиненной ткани с соответственными числом промежуточных слоев резины, металлических и наружного слоя резины.

В настоящее время применяют буровые шланги, рассчитанные на давление 32, 25, 20, 16 и 10 МПа. Длина буровых шлангов от 10 до 18м с условными внутренними диаметрами 63, 80 и 100мм

При бурении осуществляется промывка скважины при помощи буровых насосов. Буровые насосы предназначены для подачи под давлением промывочной жидкости в скважину. Для бурения используются только горизонтальные приводные двух- и трехцилиндровые поршневые насосы.

Буровые установки приводятся в действие силовыми приводами. Под силовым приводом понимается совокупность двигателей и регулирующих их работу устройств, преобразующих тепловую или электрическую энергию в механическую, управляющих преобразованной механической энергией и передающих ее к исполнительными механизмами буровой установки (насосу, ротору, лебедке и др.).

Привод основных исполнительных механизмов буровой установки (лебедки, буровых насосов, ротора) называется главным приводом. В зависимости от вида двигателя и типа передачи он может быть электрическим, дизельным, дизельно-гидравлическим, дизельно-электрическим и газотурбинным. Наиболее широко применяются в современных буровых установках электрический, дизельный, дизельно- гидравлический и дизельно – электрический приводы.

 

Подъемный механизм буровой установки

Процесс бурения сопровождается спуском и подъемом бурильной колонны в скважину, а также поддержанием ее на весу. Масса инструмента, с которой приходится потом оперировать, достигает многих сотен килограммов. Для того, чтобы уменьшить нагрузку на канат и снизить установочную мощность двигателей применяют подъемное оборудование, состоящее из вышки, буровой лебедки и талевой системы. Талевая система, в свою очередь, состоит из неподвижной части.

Буровая вышка – это сооружение над скважиной для спуска и подъема бурового инструмента, забойных двигателей, бурильных и обсадных труб, размещение бурильных свечей (соединение двух-трех бурильных труб между собой длиной 25-36м.) после подъема их из скважины и защиты буровой бригады от ветра и атмосферных осадков.

Различают два типа вышек: башенные и мачтовые. Их изготавливают из труб или прокатной стали.

Башенная вышка представляет собой правильную усеченную пирамиду (четырехгранную) решетчатой конструкции. Ее основными элементами являются ноги, ворота, балкон верхнего рабочего, подкронблочная площадка, козлы, поперечные пояса, стяжки, маршевая лестница.

Вышки мачтового типа бывают одноопорные и двухопорные (А-образные). Последние наиболее распространенны.

А-образные вышки более трудоемки в изготовлении и поэтому более дороги. Они менее устойчивы, но их проще перевозить с места на место и затем монтировать.

Основные параметры вышки – грузоподъемность, высота, емкость «магазинов», размеры верхнего и нижнего оснований, длина свечи, масса.

Грузоподъемность вышки – это предельно допустимая вертикальная статическая нагрузка, которая не должна быть превышена в процессе всего цикла проводки скважины.

Высота вышки определяет длину свечи, которую можно извлечь из скважины и от величины которой зависит продолжительность СПО. Чем больше длина свечи, тем на меньшее число частей необходимо разбирать колонну бурильных труб при смене бурового инструмента. Поэтому с ростом глубины бурения высота и грузоподъемность вышек увеличивается. Так для бурения скважин на глубину 16-18м, глубину 2000-3000м – высоты – 42 м и на глубину 4000-6500м -52м.

Емкость магазинов показывает какая суммарная длина бурильных труб диаметром 114-168ммм может быть размещена в них. Практически вместимость магазинов показывает на какую глубину может быть осуществлено бурение с помощью конкретной вышки.

Размеры верхнего и нижнего оснований характеризуют условия работы буровой бригады, с учетом размещения бурового оборудования, бурильного инструмента и средств механизации СПО. Размер верхнего основания вышек составляет 2*2м. или 2,6*2,6, нижнего 8*8 или 10*10м.

Общая масса буровых вышек составляет нескольких десятков тонн.

 

Конструкция скважины.

Все обсадные колонны по своему назначению разделяются следующим образом.

Направление — первая колонна труб или одна труба, предназначенная для закрепления приустьевой части скважин от размыва буровым раство­ром и обрушения, а также для обеспечения циркуляции жидкости. Направ­ление, как правило, одно. Однако могут быть случаи крепления скважин двумя направлениями, когда верхняя часть разреза представлена лессовы­ми почвами, насыпным песком или имеет другие специфические особенно­сти. Обычно направление спускают в заблаговременно подготовленную шахту или скважину и бетонируют на всю длину. Иногда направления за­бивают в породу, как сваю.

Кондуктор — колонна обсадных труб, предназначенная для разобще­ния верхнего интервала разреза горных пород, изоляции пресноводных горизонтов от загрязнения, монтажа противовыбросового оборудования и подвески последующих обсадных колонн.

Промежуточная обсадная колонна служит для разобщения несовмес­тимых по условиям бурения зон при углублении скважины до намеченных глубин.

Промежуточные обсадные колонны бывают следующих видов:

сплошные — перекрывающие весь ствол скважины от забоя до ее устья независимо от крепления предыдущего интервала;

хвостовики — для крепления только необсаженного интервала сква­жины с перекрытием предыдущей обсадной колонны на некоторую вели­чину;

летучки — специальные промежуточные обсадные колонны, служащие только для перекрытия интервала осложнений и не имеющие связи с пре­дыдущими или последующими обсадными колоннами.

Секционный спуск обсадных колонн и крепление скважин хвостови­ками являются, во-первых, практическим решением проблемы спуска тя­желых обсадных колонн и, во-вторых, решением задачи по упрощению конструкции скважин, уменьшению диаметра обсадных труб, а также за­зоров между колоннами и стенками скважины, сокращению расхода ме­талла и тампонирующих материалов, увеличению скорости бурения и сни­жению стоимости буровых работ.

Для тяжелых условий бурения (искривление ствола, большое ко­личество долблений) и конструкции скважины предусматриваются спе­циальные виды промежуточных обсадных колонн — поворотные или сменные.

Эксплуатационная колонна — последняя колонна обсадных труб, ко­торой крепят скважину для разобщения продуктивных горизонтов от ос­тальных пород и извлечения из скважины нефти или газа или, наоборот, для нагнетания в пласты жидкости или газа. Иногда в качестве эксплуатационной колонны может быть использована (частично или полностью) по­следняя промежуточная колонна.

Основные параметры конструкций скважины — количество и диаметр обсадных колонн, глубина их спуска, диаметр долот, которые необходимы для бурения под каждую обсадную колонну, а также высота подъема и ка­чество тампонажного раствора за ними, обеспечение полноты вытеснения бурового раствора.

Разработка конструкции скважины базируется на следующих основ­ных геологических и технико-экономических факторах:

а) геологические особенности залегания горных пород, их физико-механическая характеристика, наличие флюидосодержащих горизонтов,
пластовые температуры и давления, а также давление гидроразрыва прохо­димых пород;

б) назначение и цель бурения скважины;

в) предполагаемый метод заканчивания скважины;

г) способ бурения скважины;

д) уровень организации техники, технологии бурения и геологическая
изученность района буровых работ;

е) уровень квалификации буровой бригады и организация материаль­но-технического обеспечения;

ж) способы и техника освоения, эксплуатации и ремонта скважины.

К объективным геологическим факторам относятся предполагаемая и фактическая стратиграфия и тектоника разреза, мощность пород с различ­ной проницаемостью, прочностью, пористостью, наличие флюидосодержа­щих пород и пластовые давления.

Геологическое строение разреза горных пород при проектировании конструкции скважин учитывается как фактор неизменный.

В процессе разработки залежи ее первоначальные пластовые характе­ристики будут изменяться, так как на пластовые давления и температуру влияют продолжительность эксплуатации, темпы отбора флюидов, способы интенсификации добычи и поддержания пластовых давлений, использова­ние новых видов воздействия на продуктивные горизонты с целью более полного извлечения нефти и газа из недр. Поэтому эти факторы необходи­мо учитывать при проектировании конструкции скважин.

Конструкция скважин должна отвечать условиям охраны окружающей среды и исключать возможное загрязнение пластовых вод и межпластовые перетоки флюидов не только при бурении и эксплуатации, но и после окончания работ и ликвидации скважины. Поэтому необходимо обеспечи­вать условия для качественного и эффективного разобщения пластов. Это один из главнейших факторов.

Все технико-экономические факторы субъективные и изменяются во времени. Они зависят от уровня и степени совершенствования всех форм организации, техники и технологии буровых работ в совокупности. Эти факторы влияют на выбор конструкции скважин, позволяют ее упростить, однако не являются определяющими при проектировании. Они изменяются в широких пределах и зависят от исполнителей работ.

Таким образом, принципы проектирования конструкций скважин прежде всего должны базироваться и определяться геологическими факто­рами.

Простая конструкция (кондуктор и эксплуатационная колонна) не во всех случаях является рациональной. В первую очередь это относится к глубоким скважинам (4000 м и более), вскрывающим комплекс разнооб­разных отложений, в которых возникают различные, иногда диаметрально противоположные по характеру и природе осложнения.

Следовательно, рациональной можно назвать такую конструкцию, ко­торая соответствует геологическим условиям бурения, учитывает назначе­ние скважины и другие, отмеченные выше факторы, и создает условия для бурения интервалов между креплениями в наиболее сжатые сроки. По­следнее условие является принципиальным, так как практика буровых ра­бот четко подтверждает, что чем меньше времени затрачивается на буре­ние интервала ствола между креплениями, тем меньше количество и тя­жесть возникающих осложнений и ниже стоимость проводки скважины.

Рассмотрим влияние некоторых перечисленных факторов на подбор рациональной конструкции скважины.

Геологические условия бурения. Чтобы обеспечить лучшие условия бурения, наиболее эффективную технологию проводки и предупредить возможные осложнения, необходимо учитывать:

а) характеристику пород, вскрываемых скважиной, с точки зрения
возможных обвалов, осыпей, кавернообразования;

б) проницаемость пород и пластовые (поровые) явления;

в) наличие зон возможных газо-, нефте- и водопроявлений и поглоще­
ний промывочной жидкости и условия, при которых эти осложнения воз­
никают;

г) температуру горных пород по стволу;

д) углы падения пород и частоту чередования их по твердости.
Детальный учет первых трех факторов позволяет определить необхо­димые глубины спуска обсадных колонн.

Породы с низкой прочностью должны быть перекрыты обсадной ко­лонной (или колоннами) сразу же после вскрытия всей их толщины, так как при бурении могут образоваться обвалы и резко осложняются работы по проходке.

Зоны с различным характером осложнений (проявления и поглоще­ния) также должны быть изолированы друг от друга, если пластовые дав­ления превосходят давления гидроразрыва пород, так как предупреждение каждого из этих осложнений достигается прямо противоположными несо­вместимыми методами.

Температура горных пород в процессе бурения значительно влияет на вязкость, статическое напряжение сдвига (СНС) и водоотдачу бурового раствора: чем выше температура горных пород, тем труднее поддерживать эти параметры в допустимых пределах. Иногда кроме термостойких реа­гентов для прохождения таких зон требуются различные несовместимые системы буровых растворов, что вызывает необходимость разобщения по­добных зон обсадными колоннами. Значительная разница температур тре­бует применения различных типов тампонажных цементов.

Углы падения горных пород и частота чередования их по твердости при прочих условиях оказывают доминирующее влияние на темп искрив­ления ствола в процессе бурения. Чем больше углы падения пород (при­мерно до 60°) и чем чаще породы с различной твердостью переслаиваются, тем выше темп набора кривизны.

Колебания зенитного и азимутного углов являются основной причиной образования желобных выработок в стволе и препятствуют достижению обсадными колоннами проектных глубин в стволе вследствие их заклинивания при спуске в желобах. Для успешного выполнения заданной про­граммы крепления необходимо, чтобы углы искривления ствола были ми­нимальными. Проектная конструкция нарушается, что, как правило, приво­дит к ликвидации скважины в результате невозможности довести ее до за­данной глубины.

Назначение скважины. Сочетание обсадных колонн различных диа­метров, составляющих конструкцию скважины, зависит от диаметра экс­плуатационной колонны.

Диаметр эксплуатационных колонн нагнетательных скважин обуслов­лен давлением, при котором будет закачиваться вода (газ, воздух) в пласт, и приемистостью пласта. При выборе диаметра эксплуатационной колонны разведочных скважин на структурах с выявленной продуктивностью нефти или газа решающим фактором является обеспечение условий для проведе­ния опробования пластов и последующей эксплуатации промышленных объектов.

В разведочных скважинах (поискового характера) на новых площадях диаметр эксплуатационной колонны зависит от необходимого количества спускаемых промежуточных обсадных колонн, качества получаемого кер-нового материала, возможности проведения электрометрических работ и испытания вскрытых перспективных объектов на приток. Скважины этой категории после спуска последней промежуточной колонны можно бурить долотами диаметром 140 мм и меньше с последующим спуском 114-мил­лиметровой эксплуатационной колонны или колонны меньшего диа­метра.

Наиболее жесткие требования, по которым определяют диаметр экс­плуатационной колонны, диктуются условиями эксплуатации скважин. Снижение уровня жидкости при добыче нефти или воды в обсадной ко­лонне и уменьшение давления газа в пласте обусловливает возникновение сминающих нагрузок. Вследствие этого обсадная колонна должна быть со­ставлена из труб такой прочности, чтобы в процессе эксплуатации не про­изошло их смятия (необходимая прочность обсадной колонны на сминаю­щие и страгивающие усилия и внутреннее давление).

При проектировании конструкций газовых и газоконденсатных сква­жин необходимо учитывать следующие особенности:

а) давление газа на устье близко к забойному, что требует обеспечения наибольшей прочности труб в верхней части колонны;

б) незначительная вязкость газа обусловливает его высокую прони­кающую способность, что повышает требования к герметичности резьбо­вых соединений и колонного пространства;

в) интенсивный нагрев обсадных колонн приводит к возникновению
дополнительных температурных напряжений на незацементированных участках колонны и требует учета этих явлений при расчете их на прочность
(при определенных температурных перепадах и некачественном цементи­ровании колонны перемещаются в верхнем колонном направлении);

г) возможность газовых выбросов в процессе бурения требует установки противовыбросового оборудования;

д) длительный срок эксплуатации и связанная с ним возможность кор­розии эксплуатационных колонн требуют применения специальных труб с
противокоррозионным покрытием и пакеров.

Общие требования, предъявляемые к конструкциям газовых и газо­конденсатных скважин, заключаются в следующем:

прочность конструкции в сочетании с герметичностью каждой обсад­ной колонны и цементного кольца в колонном пространстве;

качественное разобщение всех горизонтов и в первую очередь газо­нефтяных пластов;

достижение запроектированных режимов эксплуатации скважин, обу­словленных проектами разработки горизонта (месторождения);

максимальное использование пластовой энергии газа для его транс­портировки по внутрипромысловым и магистральным газопроводам.

Запроектированные режимы эксплуатации с максимальными дебитами и максимальное использование пластовой энергии требуют увеличения диаметра эксплуатационной колонны.

СПО. Оборудование для механизации СПО включает талевую систему и лебедку. Талевая система состоит из неподвижного кронблока, установленного в верхней части буровой вышки, талевого блока, соединенного с кронблоком талевым канатом, один конец которого крепится к барабану лебедки, а другой закреплен неподвижно, и бурового крюка. Талевая система является полиспаст (системой блоков), который в буровой установке предназначен в основном, для уменьшения скорости движения бурильного инструмента, обсадных и бурильных труб.

Иногда применяют крюкоблоки – совмещенную конструкцию талевого блока и бурового крюка. На крюке подвешивается бурильный инструмент, при бурении – с помощью вертлюга, а при СПО – с помощью элеватора.

Буровая лебедка предназначена для выполнения следующих операций: спуска и подъема бурильных и обсадных труб; удержания на весу бурильного инструмента, подтаскивание различных ударов, подъема вышек и оборудования в процессе монтажа установок и т. п. БУ комплектуются буровой лебедкой соответствующей грузоподъемности.

Для механизации операций по свинчиванию и развинчиваю замковых соединений бурильной колонны внедрены автоматические буровые ключи АКБ-3М и подвесные ключи ПБК-560, пневматический клиновой захват ПКР-560 для механизированного захвата и освобождения бурильных труб.

Ключ АКБ-3М устанавливается между лебедкой и ротором на специальном фундаменте. Блок ключа- основной механизм, непосредственно свинчивающий и развинчивающий бурильные трубы. Он смонтирован на каретке, которая перемещается при помощи двух пневматических цилиндров по направляющим: либо к бурильной трубе, либо от нее.

Ключ ПБК-1 подвешивается на канате. Высота его подвески регулируется пневматическим цилиндром с пульта управления.

Пневматический клиновой захват ПКР-560 служит для механизированного захвата и освобождения бурильных и обсадных труб. Он монтируется в роторе и имеет четыре клина, управляемых с пульта посредством пневмоцилиндра.

При бурении долото постепенно изнашивается и возникает необходимость в его замене. Для этого бурильный инструмент, как и при наращивании, поднимают на высоту, равную длине ведущей трубы, подвешивают на роторе, отсоединяют ведущую трубу от колонны и спускают ее с вертлюгом в муфт. Затем поднимают колонну бурильных труб на высоту, равную длине бурильной свечи, подвешивают колонну на роторе, свечу отсоединяют от колонны и нижний конец ее устанавливают на специальную площадку – подсвечник. В такой последовательности поднимают из скважины свечи. После того начинают спуск бурильного инструмента. Этот процесс осуществляется в порядке, обратном подъему бурильного инструмента из скважины.