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