Бурение нефтяных и газовых скважин

       Буровая установка — это комплекс буровых  машин, механизмов и оборудования, смонтированный на точке бурения и обеспечивающий с помощью бурового инструмента самостоятельное выполнение технологических операций по строительству скважин. Современные буровые установки включают следующие составные части:

буровое оборудование (талевый механизм, насосы, буровая лебедка, вертлюг, ротор, силовой привод и т.д.);

буровые сооружения (вышка, основания, сборно-расборные  каркасно-панельные укрытия приемные мостки и стеллажи); оборудование для  механизации трудоемких работ (регулятор  подачи долота, механизмы для автоматизации спуско-подъемных операций, пневматический клиновой захват для труб, автоматический буровой ключ, вспомогательная лебедка, пневмораскрепитель, краны для ремонтных работ, пульт контроля процессов бурения, посты управления); оборудование для приготовления, очистки и регенерации бурового раствора (блок приготовления, вибросита, песко- и илоотделители, подпорные насосы, емкости для химических реагентов, воды и бурового раствора); манифольд (нагнетательная линия в блочном исполнении, дроссельно-запорные устройства, буровой рукав); устройства для обогрева блоков буровой установки (тепло генераторы, отопительные радиаторы и коммуникации для развода теплоносителя).

       Состав  и компоновка буровой установки  показаны на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 — Буровая установка  

2.4.1 Кустовые основания  

       Строительство буровой установки, монтаж ее на точке  бурения скважины задача не простая. Западная Сибирь покрыта многочисленными  болотами и реками. Летом болота практически непроходимы для наземного транспорта, а в зимнее время промораживаются не более чем на 20 – 30 см из-за высоких теплоизолирующих свойств торфяного слоя. Весной высокие речные паводковые воды подтопляют нефтяные площади. Быстрая изменчивость погоды, неравномерное выпадение осадков и труднодоступность 80 – 85 % территории — отличительные особенности Западной Сибири.

       В нефтепромысловом районах Томской  области, например, насчитывается 573 реки (превышающих в длину 20 км), крупных  озер 35 (площадью 5 и более км²), а знаменитое Васюганское болото занимает 53 000 км², что в 1.5 раза больше площади озера Байкал.

       Эти условия на первых порах значительно  осложнили организацию буровых  работ в новом нефтяном регионе. При освоении месторождений основные объемы бурения выполнялись в зимнее время. Все необходимое оборудование завозилось заранее по зимним трассам, и после окончания строительства скважин консервировалось до наступления следующего зимнего сезона и ввода трасс в эксплуатацию.

       Сезонность  в строительстве нефтяных скважин вызвала необходимость разработки и создания на заболоченных и затопляемых участках специальных искусственных сооружений для круглогодичного ведения буровых работ с последующей многолетней эксплуатацией при нефтедобыче. Возрастающие объемы буровых работ и большие затраты ресурсов на строительство искусственных сооружений привели к целесообразности их сочетания с кустовым бурением.

       Высокие темпы и масштабы освоения нефтяных месторождений Западной Сибири выявили  ряд научно-технических проблем, решение которых позволило разработать технические средства для проводки наклонно-направленных скважин и контроля их пространственного положения, различные конструкции крупноблочных буровых оснований, специальные буровые установки для строительства кустовых скважин.

Кустовое  строительство скважин имеет  ряд существенных достоинств. Прежде всего это значительное сокращение материальных и трудовых затрат на строительство и инженерное обустройство кустовых оснований, подъездных путей  и трасс, особенно в условиях заболоченных территорий и бездорожья. Кроме того, существенно уменьшаются затраты на промысловое обустройство скважин, сооружение нефтегазосборных сетей, энергоснабжение промысловых объектов, ремонт и эксплуатационно-техническое обслуживание скважин.

       Для кустового бурения скважин в  Западной Сибири предназначена установка  БУ-3000 ЭУК-1М с эшелонным расположением  оборудования.

       Минимальное расстояние между соседними нефтяными  скважинами — 5 м, между батареями  скважин — 15 м.  

2.4.2 Буровая вышка  

       Буровая вышка — это сооружение над скважиной для спуска и подъема бурового инструмента, забойных двигателей, бурильных и обсадных труб, размещения бурильных свечей (соединение двух-трех бурильных труб между собой длиной 25 – 36 м.) 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 четырехгранную пирамиду решетчатой конструкции.

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

       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» (хранилищ для свечей бурильных труб), 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 спускоподъемных операций. Чем больше длина свечи, тем на меньшее число частей необходимо разбирать колонну бурильных труб при смене бурового инструмента. Сокращается и время последующей сбор-грузоподъемность вышек увеличиваются. Так, для бурения скважин на глубину 300 ... 500 м используется вышка высотой 16 ... 18 м, глубину 2000 ... 3000 м — высотой — 42 м и на глубину 4000 ... 6500 м — 53 м.

       Емкость «магазинов» показывает, какая суммарная длина бурильных труб диаметром 114 ... 168 мм 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 спускоподъемных операций. Размер верхнего основания вышек составляет 2x2 м или 2.6x2.6 м, нижнего 8x8 м или 10x10 м.

       Общая масса буровых вышек составляет несколько десятков тонн.

 

 

2.4.3 Спуско-подъемный  комплекс буровой  установки

 

 

       Спускоподъёмный комплекс буровой установки (Рисунок 2.10) представляет собой полиспастный механизм, состоящий из кронблока 4, талевого (подвижного) блока 2, стального каната 3, являющегося гибкой связью между буровой лебёдкой 6 и механизмом 7 крепления неподвижного конца каната. Кронблок 4 устанавливается на верхней площадке буровой вышки 5. Подвижный конец А каната 3 крепится к барабану лебедки 6, а неподвижный конец Б — через приспособление 7 к основанию вышки. К талевому блоку присоединяется крюк 1, на котором подвешивается на штропах элеватор для труб или вертлюг. В настоящее время талевый блок и подъёмный крюк объединены в один механизм — крюкоблок.  

Рисунок 2.10 — Спускоподъемный комплекс буровой  установки 

2.4.4 Комплекс для вращения бурильной колонны

 

 

На рисунке 2.11 представлен комплекс для вращения бурильной колонны. В его состав входит ротор 2, расположенный на полу буровой 1, вертлюг 6, подвешенный на крюке крюкоблока 8. Вертлюг посредством  гибкого бурового рукава 4 и стояка 7 передаёт буровой раствор под давлением в бурильную колонну. Посредством вращателя 2 и квадратной ведущей трубы 3 крутящий момент ротора передаётся бурильной колонне и не передаётся талевой системе.  

Рисунок 2.11 — Комплекс для вращения бурильной колонны  

2.4.5 Насосно – циркуляционный  комплекс буровой  установки  

На рисунке 2.12 показана схема циркуляции бурового раствора и примерное распределение  потерь напора в отдельных элементах  циркуляционной системы скважины глубиной 3000 м. Из резервуаров 13 очищенный и подготовленный раствор поступает в подпорные насосы 14, которые подают его в буровые насосы 1. Последние перекачивают раствор под высоким давлением (до 30 МПа) по нагнетательной линии, через стояк 2, гибкий рукав 3, вертлюг 4, ведущую трубу 5 к устью скважины 6. Часть давления насосов при этом расходуется на преодоление сопротивлений в наземной системе. Далее буровой раствор проходит по бурильной колонне 7 (бурильным трубам, УБТ и забойному двигателю 9) к долоту 10. На этом пути давление раствора снижается вследствие затрат энергии на преодоление гидравлических сопротивлений.

       Затем буровой раствор вследствие разности давлений внутри бурильных труб и  на забое скважины с большой скоростью  выходит из насадок долота, очищая забой и долото от выбуренной породы. Оставшаяся часть энергии раствора затрачивается на подъём выбуренной породы и преодоление сопротивлений в затрубном кольцевом пространстве 8.

       Поднятый  на поверхность к устью 6 отработанный раствор проходит по растворопроводу 11 в блок очистки 12, где из него удаляются в амбар 15 частицы выбуренной породы и поступает в резервуары 13 с устройствами 16 для восстановления его параметров; и снова направляется в подпорные насосы.

       Нагнетательная  линия (манифольд) состоит из трубопровода высокого давления, по которому раствор подаётся от насоса 1 к стояку 2 и гибкому рукаву 3, соединяющему стояк 2 с вертлюгом 4. Манифольд оборудуется задвижками и контрольно-измерительной аппаратурой. Для работы в районах с холодным климатом предусматривается система обогрева трубопроводов.   

Рисунок 2.12 — Схема циркуляции бурового раствора  

2.5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ  

2.5.1 Породоразрушающий  инструмент  

       Породоразрушающий инструмент (ПРИ) предназначен для разрушения горной породы на забое при бурении скважины.

       По  принципу разрушения породы ПРИ подразделяется на 3 группы:

v      ПРИ режуще-скалывающего действия — применяется для разбуривания вязких, пластичных и малоабразивных пород небольшой твердости;

v      ПРИ дробяще-скалывающего действия — применяется для разбуривания неабразивных и абразивных пород средней твердости, твердых, крепких и очень крепких;

v      ПРИ истирающе-режущего действия — применяется для бурения в породах средней твердости, а также при чередовании высокопластичных маловязких пород с породами средней твердости и даже твердыми.

       По  назначению ПРИ подразделяется:

¨       Для бурения сплошным забоем (без отбора керна) — буровые долота;

¨       Для бурения по кольцевому забою (с отбором керна) — бурголовки;

¨       Для специальных работ в пробуренной скважине (выравнивание и расширение ствола) и в обсадной колонне (разбуривание цементного камня и т.д.).

       По  конструктивному исполнению ПРИ  делится на три группы:

Ø      Лопастной (См. пункт 2.5.1.1);

Ø      Шарошечный (См. пункт 2.5.1.2);

Ø      Секторный (См. пункт 2.5.1.3).

По материалу  породоразрушающих элементов ПРИ  делится на четыре группы:

·         Со стальным вооружением;

·         С твердосплавным вооружением;

·         С алмазным вооружением;

·         С алмазно-твердосплавным вооружением.