Булатов А И:Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин. Техника и технология бурения нефтяных скважин Технология бурения скважин нефти и газа

По способу воздействия на горные породы различают механическое и немеханическое бурение. При механическом бурении буровой инструмент непосредственно воздействует на горную породу, разрушая ее, а при немеханическом разрушение происходит без непосредственного контакта с породой источника воздействия на нее. Немеханические способы (гидравлический, термический, электрофизический) находятся в стадии разработки и для бурения нефтяных и газовых скважин в настоящее время не применяются.

Механические способы бурения подразделяются на ударное и вращательное.

При ударном бурении разрушение горных пород производится долотом, подвешенным на канате. Буровой инструмент включает также ударную штангу и канатный замок. Он подвешивается на канате, который перекинут через блок, установленный на какой-либо мачте (условно не показана).

В настоящее время при бурении нефтяных и газовых скважин ударное бурение в нашей стране не применяют.

Нефтяные и газовые скважины сооружаются методом вращательного бурения. При данном способе породы дробятся не ударами, а разрушаются вращающимся долотом, на которое действует осевая нагрузка. Крутящий момент передается на долото или с поверхности от вращателя (ротора) через колонну бурильных труб (роторное бурение) или от забойного двигателя (турбобура, электробура, винтового двигателя), установленного непосредственно над долотом.

Турбобур - это гидравлическая турбина, приводимая во вращение с помощью нагнетаемой в скважину промывочной жидкости. Электробур представляет собой электродвигатель, защищенный от проникновения жидкости, питание к которому подается по кабелю с поверхности. Винтовой двигатель - это разновидность забойной гидравлической машины, в которой для преобразования энергии потока промывочной жидкости в механическую энергию вращательного движения использован винтовой механизм.

По характеру разрушения горных пород на забое различают сплошное и колонковое бурение. При сплошном бурении разрушение пород производится по всей площади забоя. Колонковое бурение предусматривает разрушение пород только по кольцу с целью извлечения керна - цилиндрического образца горных пород на всей или на части длины скважины. С помощью отбора кернов изучают свойства, состав и строение горных пород, а также состав и свойства насыщающего породу флюида.

Скважина - горная выработка круглого сечения, пробуренная с поверхности земли или с подземной выработки без доступа человека к забою под любым углом к горизонту, диаметр которой много меньше ее глубины. Бурение скважин проводят с помощью специального бурового оборудования

Различают вертикальные, горизонтальные, наклонные скважины. Начало скважины называется её устьем, дно - забоем, внутренняя боковая поверхность - стенками. Диаметры скважин колеблются от 25 мм до 3 м. Скважины могут иметь боковые стволы (БС), в том числе горизонтальные (БГС)

По назначению различают буровые скважины: картировочные, опорные, структурные, поисковые, разведочные, эксплуатационные, геотехнологические и инженерно-технические (горнопроходческие, вентиляционные, дренажные, барражные, взрывные и т. д.).

Скважина газовая - скважина, которая пробурена к газоносному горизонту и используется для извлечения газа и газового конденсата.

Скважина нефтяная - скважина, которая пробурена к нефтеносному горизонту или чаще всего нефтегазоносному и используется только для извлечения нефти. Скважина не может использоваться для добычи газа - это связанно с устройством самой скважины, а главное - спецификой подготовки нефти к транспортировке, газ перед транспортировкой очищается и осушается согласно СНиП, ТУ и других нормирующих документов.

ÓÄÊ 622.24:622.143(075.8) ÁÁÊ 33.131

Ð å ö å í ç å í ò û:

кафедра нефтегазового промысла Кубанского государственного технологического университета; д-р техн. наук проф. А.Т. Кошелев; ä-ð òåõí. íàóê ïðîô. Г.Т. Вартумян

Булатов А.И., Проселков Ю.М., Шаманов С.А.

Б 90 Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин: Учеб. для вузов. − М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003. − 1007 с.: ил.

ISBN 5-8365-0130-0

Освещены вопросы современной технологии бурения нефтяных и газовых скважин, в том числе наклонно направленных и горизонтальных. Описаны буровые долота и бурильные головки, бурильные трубы, турбобуры, винтобуры и электробуры, условия их работы и режимы бурения. Приведены характеристики и состав современных комплектных буровых установок, функциональное назначение и конструкции комплектующего оборудования. Особое внимание уделено специальному оборудованию для бурения скважин на море. Представлена необходимая для инженерных расчетов справочная информация. Рассмотрены некоторые методики технологических и техни- ческих расчетов.

Для студентов нефтегазовых вузов и факультетов.

Предисловие........................................................................................................................................

ЧАСТЬ 1. ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН...........................

Глава 1. Основы нефтегазопромысловой геологии....................................................................

1.1. Состав земной коры...................................................................................................................

1.2. Геохронология горных пород....................................................................................................

1.3. Осадочные горные породы и формы их залегания..............................................................

1.4. Образование залежей нефти и газа........................................................................................

1.5. Физико-химические свойства нефти и газа...........................................................................

1.6. Поиски и разведка месторождений нефти и газа................................................................

1.7. Составление геологического разреза скважины...................................................................

1.8. Состав и минерализация подземных вод................................................................................

1.9. Исследования в скважинах.......................................................................................................

Глава 2. Общие понятия о строительстве скважин...................................................................

2.1. Основные понятия и определения...........................................................................................

2.2. Геологическое обоснование места заложения и проектирование скважины как

инженерного сооружения................................................................................................................

2.3. Монтаж оборудования для сооружения скважины.............................................................

2.4. Проходка ствола скважины......................................................................................................

2.5. Буровые долота............................................................................................................................

2.6. Бурильная колонна......................................................................................................................

2.7. Привод долота..............................................................................................................................

2.8. Особенности бурения скважин на акваториях.....................................................................

2.9. Крепление скважин и разобщение пластов...........................................................................

Глава 3. Механические свойства горных пород.........................................................................

3.1. Общие положения.......................................................................................................................

3.2. Механические и абразивные свойства горных пород.........................................................

3.3. Влияние всестороннего давления, температуры и водонасыщения на некоторые

свойства горных пород.....................................................................................................................

Глава 4. Буровые долота...................................................................................................................

4.1. Шарошечные долота...................................................................................................................

4.2. Кинематика и динамика шарошечных долот.........................................................................

4.3. Алмазные долота..........................................................................................................................

4.4. Лопастные долота........................................................................................................................

Глава 5. Работа бурильной колонны.............................................................................................

5.1. Физическая модель бурильной колонны................................................................................

5.2. Устойчивость бурильной колонны...........................................................................................

5.3. Напряжения и нагрузки в трубах бурильной колонны.......................................................

Глава 6. Промывка скважин............................................................................................................

6.1. Термины и определения.............................................................................................................

6.2. Функции процесса промывки скважин..................................................................................

6.3. Требования к буровым растворам...........................................................................................

6.4. Буровые промывочные растворы............................................................................................

6.5. Приготовление и очистка буровых растворов......................................................................

6.6. Технология химической обработки бурового раствора......................................................

6.7. Гидравлический расчет промывки скважины несжимаемой жидкостью........................

6.8. Методы утилизации отработанных буровых растворов и бурового шлама....................

6.9. Методы обезвреживания отработанных буровых растворов и шлама............................

Глава 7. Осложнения при бурении, их предупреждение и борьба с ними.........................

7.1. Классификация осложнений.....................................................................................................

7.2. Разрушение стенок скважины..................................................................................................

7.3. Поглощения жидкостей в скважинах......................................................................................

7.4. Газонефтеводопроявления.........................................................................................................

7.5. Прихваты, затяжки и посадки колонны труб........................................................................

Глава 8. Режимы бурения................................................................................................................

8.1. Вводные понятия.........................................................................................................................

8.2. Влияние различных факторов на процесс бурения.............................................................

8.3. Влияние дифференциального и угнетающего давлений на разрушение горных

пород.....................................................................................................................................................

8.4. Рациональная отработка долот.................................................................................................

8.5. Проектирование режимов бурения.........................................................................................

8.6. Очистка бурящейся скважины от шлама...............................................................................

Глава 9. Бурение наклонно направленных и горизонтальных скважин..............................

9.1. Цели и задачи направленного бурения скважин..................................................................

9.2. Основы проектирования направленных скважин................................................................

9.3. Факторы, определяющие траекторию забоя скважины......................................................

9.4. Забойные компоновки для бурения направленных скважин.............................................

9.5. Методы и устройства контроля траектории скважин.........................................................

9.6. Особенности бурения и навигации горизонтальных скважин...........................................

Глава 10. Вскрытие и разбуривание продуктивных пластов...................................................

10.1. Разбуривание продуктивного пласта.....................................................................................

10.2. Технологические факторы, обеспечивающие бурение и вскрытие продуктивного

пласта....................................................................................................................................................

10.3. Изменение проницаемости призабойной зоны пласта. Буровые растворы для

заканчивания скважин......................................................................................................................

10.4. Опробование пластов и испытание скважин в процессе бурения.................................

Глава 11. Конструкции скважин. Фильтры..................................................................................

11.1. Основы проектирования конструкций скважин................................................................

11.2. Конструкции забоев скважин.................................................................................................

Глава 12. Крепление скважин и разобщение пластов..............................................................

12.1. Подготовка ствола скважины.................................................................................................

12.2. Технология крепления скважин обсадными колоннами....................................................

12.3. Тампонажные цементы и растворы.......................................................................................

12.4. Расчет цементирования скважин...........................................................................................

Глава 13. Вторичное вскрытие продуктивных пластов, вызов притока нефти (газа) и

освоение скважин..............................................................................................................................

13.1. Пулевая перфорация................................................................................................................

13.2. Кумулятивная перфорация......................................................................................................

13.3. Перфорация при депрессии на пласт....................................................................................

13.4. Перфорация при репрессии на пласт...................................................................................

13.5. Специальные растворы для перфорации скважин.............................................................

13.6. Буферные разделители.............................................................................................................

13.7. Технология заполнения скважины специальной жидкостью...........................................

13.8. Вызов притока путем замещения жидкости в эксплуатационной колонне...................

13.9. Вызов притока с помощью воздушной подушки................................................................

13.10. Вызов притока с использованием пусковых клапанов....................................................

13.11. Вызов притока с помощью струйных аппаратов..............................................................

13.12. Поинтервальное снижение уровня жидкости в скважине..............................................

13.13. Снижение уровня жидкости в скважине поршневанием (свабированием) ................

13.14. Вызов притока из пласта методом аэрации.......................................................................

13.15. Снижение уровня жидкости в скважине в условиях аномально низкого пластово-

го давления..........................................................................................................................................

13.16. Вызов притока из пласта с применением двухфазных пен............................................

13.17. Технология вызова притока из пласта пенами с использованием эжекторов............

13.18. Вызов притока из пласта с помощью комплектов испытательных инструментов.....

13.19. Применение газообразных агентов для освоения скважин. Освоение скважин

азотом...................................................................................................................................................

ЧАСТЬ 2. ТЕХНИКА БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН..................................

Глава 14. Буровые установки..........................................................................................................

14.1. Требования, предъявляемые к буровым установкам.........................................................

14.2. Классификация и характеристики установок.....................................................................

14.3. Комплектные буровые установки для эксплуатационного и глубокого разведочно-

го бурения............................................................................................................................................

14.4. Выбор вида и основных параметров буровой установки.................................................

14.5. Выбор схемы и компоновки оборудования буровой установки......................................

14.6. Требования к кинематической схеме буровой установки................................................

14.7. Буровые установки производства ОАО «Уралмашзавод».................................................

14.8. Буровые установки производства ОАО «Волгоградский завод буровой техники»......

Глава 15. Спускоподъемный комплекс.........................................................................................

15.1. Процесс подъема и спуска колонн. Функции комплекса.................................................

15.2. Кинематическая схема комплекса для СПО........................................................................

15.3. Талевая система.........................................................................................................................

15.4. Выбор стальных канатов для талевых систем......................................................................

15.5. Кронблоки и талевые блоки....................................................................................................

15.6. Буровые крюки и крюкоблоки...............................................................................................

15.7. Талевые механизмы буровых установок ОАО «Уралмашзавод» .....................................

15.8. Талевые механизмы буровых установок ВЗБТ....................................................................

15.9. Буровые вышки.........................................................................................................................

15.10. Буровые лебедки......................................................................................................................

15.11. Тормозные системы буровых лебедок................................................................................

15.12. Объем спускоподъемных операций.....................................................................................

15.13. Кинематика подъемного механизма....................................................................................

15.14. Динамика подъемного механизма........................................................................................

Глава 16. Оборудование системы промывки скважин..............................................................

16.1. Буровые насосы.........................................................................................................................

16.2. Манифольд..................................................................................................................................

16.3. Вертлюг........................................................................................................................................

Глава 17. Поверхностная циркуляционная система..................................................................

17.1. Параметры и комплектность циркуляционных систем.....................................................

17.2. Блоки циркуляционных систем..............................................................................................

17.3. Перемешиватели........................................................................................................................

17.4. Оборудование для очистки бурового раствора от шлама.................................................

17.5. Дегазаторы для буровых растворов.......................................................................................

17.6. Установка для обработки бурового раствора на базе центрифуги.................................

17.7. Всасывающие линии для буровых насосов..........................................................................

Глава 18. Породоразрушающий инструмент: буровые долота, бурильные головки,

расширители, калибраторы.............................................................................................................

18.1. Шарошечные долота.................................................................................................................

18.2. Лопастные долота......................................................................................................................

18.3. Фрезерные долота.....................................................................................................................

18.4. Долота ИСМ...............................................................................................................................

18.5. Алмазные долота........................................................................................................................

18.6. Шарошечные бурильные головки..........................................................................................

18.7. Лопастные и фрезерные твердосплавные бурильные головки........................................

18.8. Алмазные бурильные головки и бурильные головки ИСМ...............................................

18.9. Керноприемный инструмент...................................................................................................

18.10. Расширители.............................................................................................................................

18.11. Калибраторы-центраторы......................................................................................................

Глава 19. Бурильные трубы. Расчет бурильных колонн...........................................................

19.1. Ведущие бурильные трубы......................................................................................................

19.2. Бурильные трубы с высаженными концами и муфты к ним...........................................

19.3. Замки для бурильных труб с высаженными концами.......................................................

19.4. Бурильные трубы с приваренными замками.......................................................................

19.5. Легкосплавные бурильные трубы..........................................................................................

19.6. Утяжеленные бурильные трубы.............................................................................................

19.7. Переводники для бурильных колонн.....................................................................................

19.8. Общие принципы и методика расчета компоновки бурильных труб в колонне..........

Глава 20. Привод долота: буровые роторы, забойные двигатели...........................................

20.1. Буровые роторы........................................................................................................................

20.2. Турбобуры..................................................................................................................................

20.3. Винтовые забойные двигатели................................................................................................

20.4. Турбовинтовые забойные двигатели......................................................................................

20.5. Электробуры..............................................................................................................................

Глава 21. Устьевое оборудование бурящихся скважин.............................................................

21.1. Колонные головки.....................................................................................................................

21.2 Противовыбросовое оборудование.........................................................................................

Глава 22. Обсадные трубы. Расчет обсадных колонн................................................................

22.1. Обсадные трубы и муфты к ним............................................................................................

22.2. Расчет обсадных колонн..........................................................................................................

Глава 23. Силовой привод бурового комплекса..........................................................................

23.1. Типы приводов, их характеристики......................................................................................

23.2. Выбор двигателей силовых приводов....................................................................................

23.3. Средства искусственной приспособляемости для приводов............................................

23.4. Муфты.........................................................................................................................................

23.5. Цепные передачи буровых установок...................................................................................

23.6. Силовые агрегаты и двигатели современных буровых установок..................................

23.7. Компоновка силовых приводов и трансмиссий..................................................................

Глава 24. Оборудование для механизации и автоматизации технологических

процессов.............................................................................................................................................

24.1. Автоматизация подачи долота.................................................................................................

24.2. Автоматизация спуска-подъема (АСП)..................................................................................

24.3. Буровой ключ автоматический стационарный....................................................................

24.4. Пневматический клиновой захват..........................................................................................

24.5. Вспомогательная лебедка.........................................................................................................

Глава 25. Техника для бурения нефтяных и газовых скважин на море...............................

25.1. Особенности разработки морских нефтяных и газовых месторождений.....................

25.2. Основные виды технических средств для освоения морских нефтяных и газовых

месторождений...................................................................................................................................

25.3. Плавучие буровые средства (ПБС) ........................................................................................

25.4. Самоподъемные плавучие буровые установки (СПБУ) .....................................................

25.5. Полупогружные плавучие буровые установки (ППБУ) .....................................................

25.6. Буровые суда (БС).....................................................................................................................

25.7. Буровые вышки для ПБС.........................................................................................................

25.8. Подводное устьевое оборудование........................................................................................

25.9. Системы удержания плавучих буровых средств на точке бурения................................

25.10. Морские стационарные платформы (МСП).......................................................................

25.11. Охрана окружающей среды при бурении на море..........................................................

Список литературы............................................................................................................................

ПРЕДИСЛОВИЕ

«Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин» является одной из специальных дисциплин, определяющих профиль инженера по машинам и оборудованию нефтяных и газовых промыслов. Цель преподавания дисциплины − дать студентам знания по технологии бурения нефтяных и газовых скважин и познакомить с техникой, которая обеспе- чивает выполнение в условиях бурения всех технологических процессов и операций. Эти знания необходимы инженеру-механику при проектировании, монтаже и эксплуатации буровых установок, отдельного оборудования к ним, устройств, узлов и приспособлений, выполнения ремонтных работ.

Развитие нефтяной и газовой промышленности предполагает широкое использование буровых работ с целью поиска, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений. Бурение нефтяных и газовых скважин, как ветвь нефтегазовой отрасли, должно постоянно совершенствоваться, особенно в связи с увеличением объемов работ по глубокому и сверхглубокому бурению, в том числе на акваториях, а также с растущими потребностями бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Программой дисциплины «Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин» предусматривается изучение всех составляющих цикла строительства скважин, начиная с понятия о скважинах, их классификации, конструкциях, применяемых технических средств и технологических операций для разрушения горных пород и проходки ствола и заканчивая процессами вскрытия и опробования продуктивных горизонтов, крепления скважин обсадными колоннами и разобщения пластов тампонажными материалами, освоения и испытания скважин. Кроме того, уделяется должное внимание буровым установкам и комплектующему их оборудованию. Особое внимание уделено специальным буровым установкам, предназначенным для бурения скважин на акваториях.

Учебники, полностью удовлетворяющие требованиям программы дисциплины, отсутствуют. По отдельным разделам программы имеется учебная литература, но, к сожалению, многие ее материалы устарели, так как они не обновлялись по меньшей мере последние 15 лет.

Представленная книга призвана ликвидировать указанные пробелы в учебной литературе и представить учебный материал по бурению нефтяных и газовых скважин в современном его понимании. Она состоит из двух частей: первая часть посвящена технологии бурения нефтяных и газовых скважин, вторая − технике для сооружения этих скважин, буровому инструменту и подземному оборудованию. Отдельная глава посвящена специальному оборудованию для морского бурения скважин, которое успешно развивается как одна из ветвей нефтегазовой отрасли и по которой возможна специализация подготовки инженера-механика. Такое располо-

жение учебного материала логично, так как технология определяет требования к буровому оборудованию и инструменту для сооружения скважин.

Инженер-механик обязан уметь выполнять расчеты, необходимые как при конструировании, так и при эксплуатации бурового оборудования. Поэтому учебник в достаточной степени насыщен простейшими расчетными методиками и справочно-информационным материалом.

В конце книги приведен список использованной авторами основной литературы. Эта литература также рекомендуется для более глубокого изу- чения технологии и техники бурения нефтяных и газовых скважин.

Учебник охватывает все процессы и операции, выполняемые при бурении скважин, в том числе в осложненных геологических условиях; содержит справочную информацию, необходимую для технологических рас- четов; в нем описаны буровые установки, составляющее их буровое оборудование, породоразрушающий инструмент, бурильные и обсадные трубы; приведены технические характеристики оборудования и инструментов, необходимые при их выборе для конкретных условий сооружения скважины. В этом отношении учебник универсальный и поэтому может успешно использоваться в учебном процессе при подготовке специалистов других специальностей нефтегазового направления, в учебных планах которого предусмотрено изучение дисциплины «Бурение нефтяных и газовых скважин».

Для успешного изучения материала дисциплины студентам необходимы знания по математике, физике, химии, гидромеханике, термодинамике, теоретической и прикладной механике, сопротивлению материалов и материаловедению, а также по основам нефтяного и газового дела.

1 ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ

ЧАСТЬ СКВАЖИН

1 ОСНОВЫ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОЙ ГЛАВА ГЕОЛОГИИ

Геологическая информация является основой решения практи- чески всех вопросов проектирования сооружения скважин и управления буровыми процессами. Характеристики проходимых скважиной пород и пластовых флюидов во многом обусловливают выбор долот, бурового раствора, методов вскрытия продуктивных горизонтов, крепления стенок скважины и разобщения пластов. Для морского бурения огромное значе- ние имеют сведения о гидрометеорологических условиях, а также характеристики глубин морей, морских волнений, приливов и отливов, морских течений, ветра, ледовой обстановки.

1.1. СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Геология − наука о составе, строении и истории Земли. Предполагают, что Земля состоит из нескольких различимых по свой-

ствам оболочек: литосферы толщиной 50−70 км; мантии до глубины 2900 км; ядра в интервале глубин 2900−6380 км. Над литосферой находятся водная оболочка − гидросфера, а выше − газовая оболочка − атмосфера. Литосфера сложена горными породами, основу которых составляют различные минералы − природные вещества, приблизительно однородные по химическому составу и физическим свойствам, возникшие в результате физико-химических процессов.

Классификация горных пород по происхождению:

А. Магматические (изверженные) − кристаллические породы, образовавшиеся в результате застывания расплавленного вещества (магмы).

Б. Осадочные − породы, составленные из мельчайших кусочков различных минералов, часто сцементированных между собой, содержащие остатки животных и растительных организмов. По способу накопления в

земной коре различают механические осадки, породы химического и смешанного происхождения.

Механические осадки − результат денудационных процессов солнечноветроводяного разрушения и переноса осадков магматических пород (валуны, галечник, гравий). Химические породы (и некоторые причисляемые к осадочным породам) образовались путем химических реакций и накопления на земной поверхности сложных солей (каменная соль, ангидрид, гипс). Породы смешанного происхождения включают в себя обломочный материал, вещества органического и химического происхождения (известняки, мел, глины, пески, песчаники).

В. Метаморфические горные породы − это вторично переплавленные осадочные и изверженные породы в результате погружения их в расплавленную часть Земли (кварциты, мраморы, сланцы, гнейсы).

1.2. ГЕОХРОНОЛОГИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Для определения историко-геологических закономерностей накопления горных пород и формирования Земли как планеты используют стратиграфическую шкалу, на основе которой составлена геохронологиче- ская таблица, отражающая расположение в определенной последовательности условных отрезков времени формирования земной коры (табл. 1.1).

Ò à á ë è ö à 1.1

Геохронологическая таблица

Кайнозойская

Чертвертичный (ан-

Голоценовая

тропогеновый)

Плейстоценовая

Неогеновый

Плиоценовая

Миоценовая

Палеогеновый

Олигоценовая

Эоценовая

Палеоценовая

Мезозойская

Позднемеловая

Раннемеловая

Позднеюрская

Среднеюрская

Раннеюрская

Триасовый

Позднетриасовая

Среднетриасовая

Раннетриасовая

Палеозойская

Пермский

Позднепермская

Раннепермская

Каменноугольный

Позднекаменноугольная

Среднекаменноугольная

Раннекаменноугольная

Девонский

Позднедевонская

Среднедевонская

Раннедевонская

Силурийский

Позднесилурийская

Раннесилурийская

Ордовикский

Позднеордовикская

Среднеордовикская

Раннеордовикская

Протерозойская

Позднепротерозой-

Вендская

Позднерифейская

Среднерифейская

Раннерифейская

Среднепротерозой-

Раннепротерозойский

Архейская

1.3. ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И ФОРМЫ ИХ ЗАЛЕГАНИЯ

Основной признак осадочных горных пород − их слоистость, т.е. накопление в виде более или менее однородных пластов (слоев). Поверхность, ограничивающую пласт сверху, называют кровлей, а поверхность, ограничивающую пласт снизу, − подошвой.

Кровля нижележащего пласта является одновременно подошвой вышележащего, а подошва вышележащего − кровлей нижележащего. Первич- но образовавшиеся пласты залегали почти горизонтально, но в результате последующей деформации земной коры форма залегания часто изменялась до существенно наклонной или даже вертикальной.

Пласт характеризуется мощностью и углом падения в данной точке в конкретном направлении (рис. 1.1). Различают истинную (кратчайшее рас-

Рис. 1.1. Наклонно залегающие пласты в форме складки:

ÀÁ − горизонтальная мощность; ÀÄ − вертикальная мощность; ÀÑ − истинная мощность

Рис. 1.2. Моноклиналь

Бурение нефтяных и газовых скважин - область производства, включающая в себя совокупность средств, способов и методов, направленных на решение комплексных задач при бурении нефтяных и газовых скважин. Объектами профессиональной деятельности техника по специальности 131003 «Бурение нефтяных и газовых скважин» является техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин на всех этапах их строительства, проектно - конструкторская, технологическая и другие виды документации и информации. Техник по специальности 131003 «Бурение нефтяных и газовых скважин» в соответствии со специальной подготовкой может осуществлять следующие виды профессиональной деятельности.

Техник-технолог по бурению нефтяных и газовых скважин подготавливается для производственно-
технологической и организаторской деятельности на буровых предприятиях в должностях техника по бурению, помощника бурового мастера, бурового мастера, мастера по сложным работам, начальника буровой, инженера по бурению. Для получения практического опыта выпускники могут использоваться на рабочих местах помощника бурильщика 4-5 разряда и бурильщика. Техник-технолог должен уметь: организовывать работу буровой вахты, бригады на всех этапах процесса бурения скважины в соответствии с технологическими регламентами; предотвращать и ликвидировать все виды осложнений и аварий; проводить анализ производственно-хозяйственной деятельности подразделения, производить основные проверочные технологические расчеты, связанные с бурением скважины; оформлять техническую документацию; пользоваться средствами автоматизации, компьютерной техники, контрольно-измерительными приборами и инструментом, а также конструкторско-технологической документацией, эксплуатировать и обслуживать буровое оборудование; вести

целенаправленную работу по ресурсо-энергосбережению, осуществлять контроль за соблюдением правил охраны труда и окружающей среды.

Р азработка проектно-сметной документации на строительство наклонно направленных, горизонтальных, многозабойных скважин на месторождениях Республики Башкортостан, Западной Сибири, Оренбургской области, Демократической Республики Йемен, Ирана, Мавритании.

Р азработка проектно-сметной документации на реконструкцию старого фонда скважин методом бурения боковых стволов.

Р азработка проектно-сметной документации на строительство переходов трубопроводов через различные препятствия, в том числе под руслами рек, оврагами и т.п. методом наклонно направленного бурения.

Р азработка нормативной базы для составления проектно-сметной документации на строительство скважин, укрупненных комплексных расценок на подготовительные, строительно-монтажные работы по комплектам бурового оборудования.


Строительство горизонтальных и многозабойных скважин

Р азработка техники и технологии для строительства многозабойных скважин различного уровня сложности на конкретных месторождениях и последующее инженерное сопровождение бурения.

Б урение наклонно направленных скважин под различными препятствиями, в том числе под руслами рек, оврагами и т.п.

Морское бурение – один из самых ярких технических прорывов последних десятилетий в области строительства скважин. Мы расскажем Вам об основных технологических процессах, связанных с бурением морских скважин, о типах морских буровых платформ, об особенностях конструкции морских скважин, о мероприятиях по вызову притока жидкости из пласта в скважину, а также поговорим об экологических осложнениях и их решениях.

Бурение скважин на море требует принципиально новых конструкций бурового оборудования и технологий, которые гарантировали бы проходку скважин с соблюдением требований безопасности, экологичности и обеспечивали бы высокое качество работ при ограниченности пространства и наименьших затратах.

О курсе

Целью изучения курса является приобретение знаний в области теории основных технологических процессов, связанных со строительством нефтяных и газовых скважин с плавучих буровых установок и морских стационарных платформ на шельфе Мирового океана.

Учитывая специфичность строительства скважин на шельфе мирового океана, данный онлайн-курс будет интересен не только среди обучающихся на направлении «Нефтегазовое дело», но и среди широкого круга технических специалистов, ряда смежных направлений.

В курсе представлены самые современные технологии строительства, освоения и эксплуатации морских скважин, основанные на колоссальном опыте высококвалифицированных специалистов ГУП РК «Черноморнефтегаз».

Формат

Курс включает в себя видео-лекции, разбитые на фрагменты от 5 до 10 минут. После каждого изученного раздела запланирован промежуточный контроль для дальнейшего перехода на следующий модуль, по завершении курса предусмотрен итоговый экзамен по всему пройденному материалу. Так же в курсе предусмотрены практические задания по данному направлению.

Информационные ресурсы

1. Овчинников, В. П. Сооружение скважин на месторождениях шельфа морей и океанов: учебник / В. П. Овчинников [и др.]. – Тюмень: ТИУ, 2018. – 370 с.

2. Особенности бурения скважин на шельфе: учебное пособие / В. Г. Кузнецов, Ю. В. Лаврентьев, А. Е. Казанцев и др. ; под общ. ред. В. Г. Кузнецова. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2013. - 80 с.

Требования

Для освоения дисциплины необходимы знания по общей и органической химии, физике, математике, также необходимы первичные знания в области нефтегазового дела (конструкция скважин, способы эксплуатации скважин, геологические разрезы месторождений, способы разработки месторождений, транспорт углеводородов).

Программа курса

1. Введение в дисциплину

В данном разделе будут содержаться следующие определения: что такое шельф; нефтегазопромысловая геология; технология бурения на суше, конструкция скважины, способы добычи нефти, переработка нефти и газа, транспортировка нефтепродуктов и газов.

2. Типы морских платформ

В данном разделе дается подробная информация о типах морских платформ, а также приводятся их характеристики.

3. Конструкция морских скважин

В данном разделе даются понятия о/об скважине, конструкции скважины, основных элементах скважины, обсадной колонне, методах выбора конструкции скважин на шельфе

4. Технология строительства морских скважин

В данном разделе приводится подробная информация о свойствах, видах и типах бур.растворов, а также о способах заканчивания морских скважин и мероприятиях по вызову притока жидкости из пласта в скважину.

5. Оснащение морской буровой платформы

В данном разделе приводится подробная информация об оборудовании, служащим для управления бурением.

6. Эксплуатация морских скважин

В данном разделе приводится информация о технике и технологии эксплуатации морских скважин. Приводятся основные отличия эксплуатации морских и сухопутных скважин.

7. Осложнения при бурении морских скважин

В данном разделе приводятся причины возникновения осложнений при бурении на шельфе, а также виды осложнений и способы их предотвращения.

Результаты обучения

В результате прохождения курса слушатель:

Овладеет понятийно-терминологическим аппаратом в области бурения скважин на акваториях морей и океанов.

Будет способен ставить цели и формулировать задачи, связанные с реализацией профессиональных функций на плавучих и стационарных буровых установках;

Будет способен использовать принципы работы бурового оборудования, оборудования для эксплуатации и ремонта скважин на морских платформах

Сможет проектировать конструкции скважин с подводным устьем.

Формируемые компетенции

В результате прохождения курса обучающийся узнает:

Основные технологии нефтегазового производства на шельфе мирового океана;

Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности при строительстве скважин с морских гидротехнических сооружений;

Основное технологическое оборудование, используемое на морских буровых установках.

Научится:

Ставить цели и формулировать задачи, связанные с реализацией профессиональных функций на плавучих и стационарных буровых установках;

Использовать принципы работы бурового оборудования, оборудования для эксплуатации и ремонта скважин на морских платформах

Проектировать конструкции скважин с подводным устьем.

Овладеет :

Понятийно-терминологическим аппаратом в области бурения скважин на акваториях морей и океанов.

Курс «Техника и технология бурения морских скважин» включает в себя видеолекции, практические занятия, промежуточный контроль в виде тестовых заданий и итоговый контроль.

Решение о строительстве собственного водозаборного устройства на участке обосновано несколькими причинами, среди которых:

  • отсутствие централизованного водоснабжения;
  • желание иметь источник воды с повышенным ее качеством без обработки хлорирующими составами;
  • большая потребность в воде для полива огорода – при нынешних ценах на живительную влагу из водопроводной сети, ведение приусадебного хозяйства становится дорогостоящим удовольствием, иногда просто нерентабельным.

Независимо от того, будут ли выполняться работы сторонней организацией или самостоятельно, технология бурения скважин на воду должна быть как можно лучше знакома. Это поможет избежать обмана исполнителями и лишних затрат на реализацию замысла.

Выбор способа зависит от нескольких факторов:

  1. Наличие воды на участке. В первом приближении это можно определить наблюдениями за окружающей средой, имеется ряд признаков, свидетельствующих о ее наличии или отсутствии. Можно также произвести несколько опытов с различными предметами, чтобы получить ответ на этот вопрос.
  2. Характеристика состава грунтов, характерного для данной местности, от чего зависит выбор способа бурения. Такие данные можно получить в местной гидрогеологической организации, там же нужно уточнить собственные прогнозные оценки по наличию воды на участке.
  3. Глубина залегания верховодных (песчаных) слоев и оценка глубины залегания артезианских (известняковых) водоносных горизонтов.

При наличии таких данных можно сделать вывод о предпочтительности использования той или иной технологии бурения.

Разновидности способов прохождения стволов скважин

Роторное бурение

Рис.3. Инструмент для бурения скважин роторным способом

Обычно применялось при нефтеразведочном бурении. В последнее время, с увеличение потребности в скважинах, используется и при строительстве водяных водозаборов.

Особенностью способа является высокая энергозатратность и применяемость его на тяжелых или особо тяжелых грунтах с включением скальных образований, а также по сплошным известнякам.

При вращении ротор разрушает породу, которая выносится на поверхность промывочным раствором. В состав его входит и цемент. В результате часть участка будет безнадежно испорчено. Кроме того, по окончании работ такая скважина нуждается в длительной промывке чистой водой для удаления из пор породы цемента, входящего в состав раствора.

Для небольшого загородного участка такая технология представляется нежелательной.

Бурение гидроразмывом

Это наиболее легкая технология бурения скважин на воду. В процессе выполнения работ производится размывка грунта внутри обсадной трубы, которая опускается под собственным весом. Только в начале процесса, когда обсадная колонна еще легкая, приходится прибегать к ее проворачиванию специальным ключом.


Рис.4. Бурение с размывом грунта водой под давлением

Для осуществления такого способа понадобятся:

  • два насоса, один из них, способный подавать жидкость под давлением не менее 6 атм, второй – для откачки отработавшей воды обратно в бак, соответствующей производительности;
  • бак; емкость зависит от планируемого размера и глубины скважины и рассчитывается из соотношения:

V = R обс 2 (см) х 3,14 x H (см) , где

V – объем бака,

R – внутренний радиус обсадной трубы,

3,14 – число ПИ.

Так, для скважины диаметром 273 мм (максимально возможный диаметр ствола скважины при таком методе проходки), внутренний диаметр обсадки составит 260 мм (радиус 13 см), предполагаемая глубина скважины – 15 метров (15000 см) необходимый объем бака составит:

13 2 х 3,14 х 1500 = 756000 (см 3) = 756 (литров) .

Учитывая, что при отсутствии воды в баке работать невозможно, принимаем потребную емкость бака 2 кубометра. Этот расход не станет обузой, поскольку правильное пользование участком предполагает применение промежуточной прогревочной емкости в системе полива огорода.

  • гидромонитор – шланг с металлической трубой на конце. Выходное отверстие которой должно быть порядка 20 мм.

Выполнение процесса происходит следующим образом:

  1. Забуривание – производится садовым буром, диаметр которого больше диаметра обсадной трубы на 30 – 40 мм. Глубина предварительного отверстия порядка 1,5 метра.
  2. Установка первой секции обсадной трубы в забуренное отверстие.
  3. Гидромонитор вводится отверстие обсадной трубы, подается вода под давлением. Обсадную трубу при этом нужно проворачивать вокруг ее оси, способствуя ее проседанию по мере размывки грунта.
  4. По мере углубления ствола промывку периодически приостанавливают, чтобы установить очередную секцию обсадки.
  5. Откачку воды производят по мере ее накопления, отводя жидкость обратно в бак.

Недостатком такого способа является его применимость только на песчаных и супесных грунтах, а также существует ограничение по глубине скважины. Как правило, они бывают не глубже 12 – 15 метров, в редких случая достигают 20.

Ударный способ

Технология бурения скважин на воду ударным методом – один из самых древних способов, применявшихся еще в древнем Китае. Он состоит в следующем:

  1. Отрывается приямок глубиной порядка 1,5 метров размерами 1,5 – 1,5 метра.
  2. Производится забуривание для установки первой секции обсадной трубы глубиной до 2-х метров.
  3. Устанавливается буровая вышка – тренога высотой не менее 3-х метров. Высота буровой зависит от длины секций обсадных труб, максимальный их размер составляет 6 метров.

Рис. 5. Самодельная буровая установка для ударного бурения

Ударная часть, подвешенная на тросе от лебедки, вводится в отверстие обсадной трубы и отпускается в свободное падение. При попадании на грунт, она активно разрушает его и он, в измельченном виде попадает внутрь ударной части (изготавливается из трубы). На конце ударника нарезаны зубья и разведены как на пиле.

Внутри ударника установлен клапан, пропускающий рыхлый грунт внутрь, но препятствующий его высыпанию при очередном подъеме. При прохождении глинистых влажных слоев применяется ударник без дополнительных приспособлений (стакан), влажная глина хорошо держится в нем за счет прилипания к стенкам. После прохождения расстояния около метра, ударник нужно извлечь из ствола и очистить его полость.

В арсенале профессиональных буровиков количество модификаций ударников доходит до 10 видов и более. Различные конструкции применяются для прохождения грунтов с отличающимися свойствами. Таким образом, широкий выбор инструмента позволяет проходить практически любые грунты, кроме скальных пород. Качество скважин при этом остается самым высоким. Поэтому, не являясь производительной, технология ударной пробивки остается самой популярной.

Шнековое бурение

Такая технология бурения скважины под воду становится все более популярной по причине высокой производительности и простоте исполнения.

По сути – это сверление вращающимся инструментом, при это режущая часть разрушает грунт в направлении движения, а спиральный шнек выносит его наружу. На поверхность выноситься порядка 40 – 50 % грунт, остальной уходит на уплотнение стенок. Таким образом, есть возможность производить бурение без одновременной обсадки стенок. Обсадная колонна опускается в ствол по окончании бурения.


Рис.6. Бур шнековый

У такого способа есть определенные недостатки, не позволяющие применять на песчаных и других сыпучих грунтах, а также ограничение по глубине столов до 50 метров. Дальнейшее заглубление производится с периодическим извлечением рабочего инструмента для очистки.

Бурение производится с применением очень разнообразного оборудования, а часто и вручную своими руками для скважин на верховодку. Так, промышленностью освоены и выпускаются различные миниатюрные буровые станки, при помощи которых выполняются скважины на глубину до 50 метров по легким и средней тяжести грунтам, исключая песчаные.

Такое оборудование активно применяются для обустройства водозаборов на загородных участках, зачастую нет необходимости его приобретать, а можно взять в аренду.

В то же время мощные артезианские скважины с большим дебетом выполняются с использованием настолько же мощных буровых установок.


Рис.7. Буровая установка для промышленного бурения

Перфоративное бурение

Производится путем забивки «копья» бабкой или штангой. Применяется, как правило, для оборудования абиссинских колодцев с ручным насосом для откачки воды. Ограниченный диаметр скважины позволяет выполнение работ самостоятельно и в короткий промежуток времени.

Кроме описанных способов, наиболее популярных на практике, применяются многие приемы, комбинирующие особенности различных способов.