Бурение нефтяных скважин

Общие сведения о бурении нефтяных и газовых скважин

Бурение нефтяных и газовых скважин представляет собой комплекс инженерных и технологических операций по созданию глубоких выработок с целью добычи нефти, газа или изучения пластов. Скважина — это цилиндрическая горная выработка, включающая несколько ключевых элементов:

• Устье — точка входа скважины на поверхности земли.
• Ствол — основной канал скважины, через который добывают полезные ископаемые.
• Забой — дно скважины, где располагается буровой инструмент и происходит разрушение породы.
• Ось — воображаемая линия, соединяющая центры поперечных сечений.

Типы буровых скважин:

Скважины подразделяются на эксплуатационные (добывающие), нагнетательные, разведочные, специальные и структурно-поисковые. Выбор типа зависит от назначения скважины и условий разработки месторождения.

Этот материал обобщает информацию о подготовке, проектировании и методах бурения, необходимых документах и оборудовании для бурения нефтяных скважин.

1. Эксплуатационные — для извлечения нефти и газа.
2. Нагнетательные — для закачки жидкости (воды или газа) в продуктивные пласты для поддержания давления.
3. Разведочные — для изучения структуры и возможностей месторождения.
4. Специальные — включают контрольные и оценочные, необходимые для наблюдения и анализа пластовых характеристик

Проектирование технологии бурения скважин

Проектирование включает расчеты конструктивных параметров скважины, выбор оборудования и методов бурения. Важно предусмотреть использование обсадных колонн, которые обеспечат герметичность и устойчивость ствола скважины. Проектирование также включает определение типа бурового раствора и его состав для эффективного охлаждения и очистки бурового инструмента

Проектирование — ключевой этап в подготовке к бурению, включающий анализ геологических и технических данных для оптимизации процесса. Основные этапы проектирования включают:

• Анализ геологических условий — оценка типов пород, глубины залегания продуктивных пластов и возможных осложнений.
• Выбор конструкции скважины — определение количества и размеров обсадных колонн, ствола скважины.
• Разработка бурового раствора — определение состава для поддержания давления, предотвращения обрушения стенок и охлаждения бурового инструмента.
• Подбор оборудования — выбор буровых установок, насосов, цементировочных агрегатов и средств для бурового раствора.

Проектирование также включает график выполнения буровых работ, смету затрат и соблюдение нормативов охраны труда и экологии.

Подготовка площадки для бурения

Первым шагом в процессе бурения является подготовка площадки, где будет установлено буровое оборудование. Площадка должна быть очищена и укреплена для размещения буровой установки, оборудования для очистки бурового раствора, а также резервуаров для шлама и промывочных жидкостей. Проводится прокладка подъездных дорог, линий электропередач и водоснабжения, и создаются условия для защиты окружающей среды, включая амбары для отходов и очистные сооружения

Организация буровых работ

Организация буровых работ представляет собой комплекс мероприятий по координации этапов бурения, управлению оборудованием и трудовыми ресурсами. Ключевые аспекты:

1. Планирование и координация — установление графиков, контроль ресурсов и последовательности выполнения этапов.
2. Контроль качества и безопасности — обеспечение соблюдения стандартов безопасности, регулярное обслуживание оборудования.
3. Управление трудовыми ресурсами — распределение обязанностей между операторами буровой установки, инженерами и техническим персоналом.
4. Ведение документации — сбор и хранение данных о параметрах бурения, давлении, расходе раствора, осложнениях и происшествиях.
5. Экологическая безопасность — соблюдение природоохранных норм, контроль за утилизацией отходов бурения, рекультивация территории после завершения работ.

Типовая структура организации работ на буровой:

Организация буровых работ предусматривает строгий контроль и постоянное мониторинг всех этапов, чтобы обеспечить безопасность и эффективность процесса бурения.

Виды труб для добычи нефти

1. Насосно-компрессорные трубы (НКТ): основной тип труб, используемых для добычи нефти. Они спускаются в скважину для транспортировки нефти и газа на поверхность. Изготавливаются из высокопрочной стали и обладают стойкостью к коррозии. Примеры марок НКТ — НКТ-73, НКТ-89.

1. Бурильные трубы (БТ): используются при бурении скважин и могут быть нескольких типов:

• Станционные бурильные трубы (СБТ): применяются для сложных процессов добычи и ремонта, устойчивы к высоким нагрузкам и температурам. Используются для работы с оборудованием для управления потоком и контроля скважины.

• Утяжелённые бурильные трубы (УБТ): увеличивают нагрузку на долото для улучшения скорости бурения, обладают повышенной массой и применяются в средней части бурильной колонны.

• Обычные бурильные трубы: используются непосредственно для бурения и передачи вращательного момента от бурового станка к долоту. Стандартные размеры — БТ-89, БТ-114, БТ-127.

1. Обсадные трубы: это трубы, которые укрепляют стенки скважины и изолируют продуктивные пласты. После спуска обсадной колонны в скважину её цементируют, чтобы предотвратить контакт между различными слоями породы. Примеры обсадных труб: ОТ-146, ОТ-168, ОТ-219.

1. Линейные трубы: используются для транспортировки нефти от устья скважины к сборным пунктам или основным трубопроводам. Эти трубы часто имеют антикоррозийное покрытие, устойчивое к внешним воздействиям, особенно при наземной эксплуатации.

2. Ведущие бурильные трубы (ВБТ) — это трубы в верхней части буровой колонны, которые передают вращательный момент от привода к бурильной колонне. ВБТ обладают высокой прочностью и износостойкостью, а также часто имеют квадратное или шестиугольное сечение для лучшей передачи вращения и предотвращения проскальзывания в патроне бурового станка.

Процесс бурения нефтяных скважин

Бурение включает несколько методов разрушения горной породы на забое: механическое (вращательное и ударное), термическое, электроимпульсное и другие. На практике чаще всего применяются методы вращательного бурения с использованием долот различных типов. В процессе бурения важно контролировать давление и состав бурового раствора, чтобы избежать осложнений

Основные этапы бурения

• Создание ствола и направление: бурение верхних слоев до устойчивых пород, установка направления и кондуктора для предотвращения осыпей.
• Цементирование обсадных колонн: обсадные колонны укрепляют ствол скважины и изолируют пласты, чтобы избежать загрязнения и обводнения пластов.
• Проходка к продуктивному пласту: окончательное бурение до достижения продуктивных слоев, цементирование эксплуатационной колонны и перфорация для поступления нефти или газа в скважину

Методы бурения

1. Вращательное бурение: роторный метод и метод с использованием забойных двигателей.
2. Ударное бурение: применяется для твердых пород и включает использование тяжелых долот.
3. Специальные методы: в отдельных случаях могут использоваться термические, электроимпульсные и другие современные способы.
4. Шнековое бурение: Применяется для бурения в мягких породах и неглубоких скважинах. Использует шнеки винтовые бурильные трубы, которые выносят породу на поверхность.
5. Шарошечное бурение: Использует шарошечные долота для дробления пород. Подходит для твердых пород и чаще всего применяется при нефтяном и газовом бурении.
6. Алмазное бурение: Включает алмазные коронки для бурения твердых пород. Подходит для глубоких скважин, так как алмазы эффективно разрушают самые прочные породы.
7. Дробовое бурение: Осуществляется путем ударного дробления породы специальными пулями или дробью. Используется реже из-за сложности контроля направления и частоты ударов.
8. Перфораторное бурение: Осуществляется при помощи перфоратора, который создаёт ударное воздействие на породу. Применяется в строительстве и для неглубоких скважин в твердых породах.
9. Пневмоударное бурение: Использует сжатый воздух для приведения в действие ударного механизма, который дробит породу. Часто используется при бурении твердых пород и на карьерах.
10. Гидроударное бурение: Похоже на пневмоударное, но вместо воздуха используется вода. Подходит для скважин, где важно минимизировать пылеобразование.
11. Роторное бурение: Использует ротор для вращения бурильной колонны и разрушения породы долотом. Применяется в бурении глубоких скважин в нефтегазовой отрасли.
12. Турбинное бурение: Буровой инструмент вращается при помощи турбины, которую приводит в движение поток бурового раствора. Подходит для глубинных скважин и твердой породы.
13. Прочее: Сюда можно отнести такие методы, как электроимпульсное, термическое и лазерное бурение, которые находятся в стадии экспериментального применения и используются для специфических пород или в геологоразведке.

Эти методы различаются по применению, типам пород и глубине бурения, что позволяет выбрать оптимальный способ в зависимости от условий.

Крепление скважин

Крепление скважин осуществляется для укрепления ствола и предотвращения обрушения горных пород, утечек флюидов и загрязнения пластов. Крепление ствола выполняется путем спуска обсадных колонн, которые цементируются для изоляции различных пластов.

Этапы крепления:

1. Спуск обсадных колонн — колонны труб, которые помещаются в ствол скважины, закрепляют его и предотвращают контакт между пластами.
2. Цементирование — заполнение кольцевого пространства цементом для герметизации колонны и устойчивости ствола.
3. Испытание на герметичность — проверка прочности цементного кольца и изоляции пласта от других слоев.

Типы обсадных колонн:

Буровой инструмент

Буровой инструмент — это совокупность средств, которые используются для непосредственного разрушения горной породы на забое скважины. Выбор инструмента определяется типом породы и целями бурения. Виды бурового инструмента:

Породоразрушающий инструмент (ПРИ)

Подразделяется на три группы в зависимости от принципа разрушения породы:

• Режуще-скалывающий — применяется для вязких пород (например, долота).
• Дробяще-скалывающий — для твердых и абразивных пород.
• Истирающе-режущий — используется для бурения с чередованием пластичных и твердых пород.

Типы долот:

Долота для бурения

Наибольшее распространение в бурении нефтяных скважин получили долота дробяще-скалывающего действия с твердосплавными или стальными зубьями:

• Шарошечные долота — трехшарошечные долота различного диаметра используются для проходки скважин.

• Алмазные долота (PDC) — Долота PDC (Polycrystalline Diamond Compact) вооруженные алмазными вставками, предназначены для бурения твердых пород путем истирания.

Конструкция трехшарошечного долота:

• Шарошки — оснащены фрезерованными зубьями или вставками из твердых сплавов.
• Замковые подшипники — удерживают шарошку на цапфе и воспринимают радиальные и осевые нагрузки.
• Гидромониторная система промывки — направляет струи бурового раствора для эффективного удаления разрушенной породы.

Оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин

Для бурения скважин используется сложное оборудование, включающее буровую установку, систему циркуляции бурового раствора и очистки выбуренной породы, насосы, цементировочные агрегаты и системы управления.

Буровые установки

Буровая установка — это комплекс средств для углубления скважины и управления процессом бурения. Ключевые компоненты:

• Деррик или вышка — конструкция, обеспечивающая подъем и спуск бурильных труб и колонн.
• Ротор — вращает бурильные трубы и долото для разрушения породы.
• Лебедка — подъемное устройство для управления спускоподъемными операциями с бурильными трубами.

Насосная система

Система буровых насосов обеспечивает подачу бурового раствора в скважину. В зависимости от характеристик породы и сложности бурения используются различные составы растворов, предотвращающих обрушение стенок и охлаждающих инструмент. Насосы закачивают раствор под высоким давлением, что способствует удалению выбуренной породы и охлаждению долота.

Оборудование для цементирования

Цементирование является неотъемлемой частью процесса бурения, предназначенной для крепления обсадных колонн. Процесс включает:

1. Тампонирование — заполнение кольцевого пространства вокруг обсадной колонны цементом.
2. Подача цемента — осуществляется через насосы, которые закачивают тампонажный раствор в полость скважины.
3. Контрольные операции — замеры прочности и герметичности цементного кольца.

Эти аспекты процесса бурения и оборудования являются основой для создания продуктивной и безопасной скважины, способной выдерживать эксплуатационные нагрузки и обеспечивать длительную работу.

 Крепление скважин

Крепление скважин осуществляется для укрепления ствола и предотвращения обрушения горных пород, утечек флюидов и загрязнения пластов. Крепление ствола выполняется путем спуска обсадных колонн, которые цементируются для изоляции различных пластов.

Этапы крепления:

1. Спуск обсадных колонн — колонны труб, которые помещаются в ствол скважины, закрепляют его и предотвращают контакт между пластами.
2. Цементирование — заполнение кольцевого пространства цементом для герметизации колонны и устойчивости ствола.
3. Испытание на герметичность — проверка прочности цементного кольца и изоляции пласта от других слоев.

Типы обсадных колонн:

Направленное бурение скважин и горизонтально-направленное бурение (ГНБ)

Направленное бурение — это метод создания скважин с наклонным стволом. Этот метод необходим в случае, если невозможно бурить вертикально, либо если требуется достичь нескольких пластов с одной установки. Основные цели направленного бурения:

• Извлечение трудно доступных ресурсов под городами, природоохранными зонами и водоемами.
• Кустовое бурение — несколько скважин из одной точки для оптимизации расходов и экономии места.
• Увеличение зоны дренажа — применение горизонтального участка ствола для улучшения производительности.

Горизонтально-направленное бурение (ГНБ) — разновидность направленного бурения, применяемая для прокладки коммуникаций, трубопроводов и кабелей под землей, не нарушая ландшафт. Этот метод получил широкое распространение благодаря экономичности и снижению воздействия на окружающую среду.

Этапы ГНБ:

1. Пилотное бурение — создание пилотного канала с направлением по заданной траектории.
2. Расширение канала — бурение большего диаметра под прокладываемые коммуникации.
3. Протяжка труб — завершение бурения, протягивание трубопровода или кабеля через готовый канал.

Осложнения и аварии при бурении скважин

В процессе бурения возможно возникновение различных осложнений и аварий, которые требуют быстрого реагирования и устранения. Основные типы осложнений включают:

• Проявления — неконтролируемое поступление жидкости, газа или нефти в скважину из пласта, что может вызвать выброс.
• Поглощения бурового раствора — утечка раствора в пласт, которая приводит к снижению его уровня и риску обрушения стенок.
• Завалы и каверны — возникают при бурении в нестабильных породах, таких как глины или трещиноватые породы.
• Заклинивание бурового инструмента — блокировка долота или бурильной колонны в скважине, что требует специальных мер для извлечения.

Для предупреждения и устранения осложнений используются различные методы контроля давления, применение специальных растворов и оборудования для крепления стенок скважин.