Технологии строительства скважин в нефтяной и газовой промышленности
Скважина представляет собой направленную горную выработку цилиндрической формы, сооружаемую с поверхности земли специальными механическими средствами. Характеризуется большой глубиной и малым диаметром (рис.1).
Рис.1. Схема скважины
Начало скважины называют устье 1, ее дно в массиве горных пород - забой 3, цилиндрическая поверхность, называемая стенкой, образует ствол 2. Процесс создания ствола скважины в горных породах земной коры называют процессом бурения.
В законченном виде стенки скважины закреплены стальными трубами 5 и цементом 6, а продуктивный пласт имеет гидравлическое сообщение 7 со скважиной. Устье оборудуют специальной арматурой, установленной на фланце 4. на которую подвешивают скважинное оборудование.
Расстояние от устья до забоя по вертикали - глубина скважины, а по оси ствола - ее длина (рис.2).
Скважину углубляют путем разрушения горных пород и извлечением обломков разрушенной породы на поверхность.
скважина бурение разрушение порода
При бурении скважин на нефть и газ во всем мире промышленное применение получил механический метод разрушения породы с частичной реализацией гидравлического.
Породы разрушают специальным разрушающим инструментом по всей площади забоя, или по его периферийной части, оставляя в центре скважины колонку пород (керн), которую поднимают на поверхность для изучения пород пройденного интервала (рис.2).
Инструмент для разрушения породы по всей площади принято называть долото, для отбора керна - бурильная головка и коронка.
Рис. 2. Схемы скважин:
а, б - вертикальные; в - наклонные; а, в - бурение без отбора керна; б - бурение с отбором керна; 1 - устье; 2 - стенка (ствол); 3 - ось; 4 - забой; 5 - керн.
Существует два основных способов бурения скважин.
Ударный, при котором скважину "выдалбливают" в массиве горных пород специальным долотом.
Бурение этим способом заключается в том, что буровой снаряд, состоящий из долота и ударной штанги, спускают в скважину на стальном канате при помощи специальной установки, обеспечивающей возвратно-поступательное движение снаряда. Снаряд падает на забой и при ударе долотом разрушает породу.
Разрушенную породу (шлам) по мере накопления удаляют после подъема бурового снаряда специальной желонкой, спускаемой многократно в скважину на канате. После очистки углубление возобновляют. Во избежание обрушения стенок скважины в нее спускают колонну стальных труб, которую удлиняют по мере углубления и продвигают к забою при помощи специального забивающего снаряда.
В нефтяной промышленности в настоящее время применяется только вращательный способ бурения. Этим способом скважину "высверливают" в массиве горных пород непрерывно вращающимся долотом, закрепленном на бурильной колонне. Разрушение породы происходит в результате одновременного воздействия на долото нагрузки и крутящего момента. Обломки разрушенной породы уносит с забоя и поднимает на поверхность непрерывно подаваемый к долоту по бурильным трубам поток жидкости или газа.
Для бурения используют буровые установки, в состав которых входит оборудование подъемное, гидравлическое и вспомогательное.
Грузоподъемный комплекс предназначен для поддержания на весу бурильной колонны, ее подъема и спуска. Представляет вышку башенного или А-образного типа (рис.3), оснащенную талевой системой и подъемной лебедкой. Гидравлическая часть представлена поршневыми насосами, обеспечивающими гидравлический режим бурения скважины.
По исполнению установки изготавливают мобильные (оборудование размещено на платформе автомобиля), блочно-модульные, стационарные.
Класс установки характеризуется грузоподъемностью, условной глубиной бурения, расстоянием от поверхности земли до пола вышки.
Изготавливают буровые установки грузоподъемностью от 500 до 6000 кН (50 - 600 т) для бурения скважин глубиной от 800 до 8000 м.
Рис. 3. Вышки металлические ВМ 41 (а) и ВАС 42 (б) 1 - нога, 2 - пояс, 3 - диагональ
Рис. 4. Общий вид бурового судна: 1 - судно; 2 - грузовой кран; 3 - вертолетная площадка; 4 - буровая вышка
Для бурения скважин на море (под дно водного бассейна) сооружают специальные основания, на которых размещают буровую установку. Для бурения поисковых скважин применяют специальные буровые суда (рис.4).
Механизмы вращения долота могут располагаться на поверхности (ротор, силовой вертлюг) или на забое скважины (забойные двигатели).
Если механизм вращения расположен на поверхности, то долото вращается вместе с колонной бурильных труб, на котором оно спущено в скважину. Такой способ бурения называют роторным.
При бурении забойными двигателями долото соединяется с его вращающимся валом, а корпус двигателя - с колонной бурильных труб. Углубляется долото в породу при не вращающейся бурильной колонне.
Рис.5 а)
Ступень турбины Профили статора и ротора турбины
Забойные двигатели используют гидравлические (турбобур и винтовой двигатель) и электрические (электробур).
Источником энергии гидравлических забойных двигателей, вращающим вал двигателя является поток бурового раствора, который одновременно выносит с забоя выбуренную породу. К электробурам подают электроэнергию по специальному кабелю, размещенному внутри колонны бурильных труб.
Турбобур - многоступенчатая гидравлическая турбина (число ступеней до 300). Каждая ступень турбобура состоит из статора, жестко соединенного с корпусом турбобура и ротора, укрепленного на валу.
Статор представляет собой кольцо, внутренняя поверхность которого снабжена изогнутыми лопатками. Профиль лопаток ротора аналогичен профилю лопаток статора, но выпуклостью в другую сторону. Ротор свободно вращается относительно статора. Поток жидкости, попадая на лопатки статора, изменяет направление и истекает на лопатки ротора, заставляя ротор, а следовательно и вал турбобура, вращаться. Поток из ротора снова натекает на лопатки статора следующей ступени и так через все ступени. Благодаря большому количеству ступеней, суммарная мощность на валу турбобура достаточна для вращения долота с определенной нагрузкой. Параметры турбобура (частота вращения вала, перепад давления, вращательный момент, мощность) определяются количеством прокачиваемой через турбобур жидкости. Турбобур - машина высокоскоростная, с частотой вращения превышающей 450 об/мин.
Основными элементами винтового двигателя является статор и ротор. Статор выполнен в виде стального цилиндрического корпуса, внутренняя поверхность которого имеет вулканизированную резиновую обкладку в виде многозаходного винта. Ротор представляет стальной винт, у которого количество винтовых линий на одну больше, чем у статора. Ось ротора расположена в статоре с эксцентриситетом. Вследствие разницы числа заходов в винтовых линиях статора и ротора и эксцентриситету осей, их контактирующие поверхности образуют ряд закрытых полостей - шлюзов - которые перекрывают свободное течение жидкости через двигатель. Возникающий при этом перепад давления создает вращающий момент вала двигателя. Изменением числа заходов на рабочей паре и длины шага винтовой линии можно получить двигатель с частотой вращения вала в пределах 80 - 250 об/мин.
Рис.5. в)
Ротор: 1 - станина; 2 - стол с укрепленным зубчатым венцом; 3 - зажимы; 4 - вкладыш; 5 - кожух; 6 - вал
Рис.5. б)
Винтовой двигатель: а) общий вид; б) полости, образуемые между ротором (винтом) и статором; 1 - переводник; 2 - корпус двигательной секции; 3 - статор; 4 - ротор; 5 - карданный вал; 6 - корпус шпинделя; 7 - торцовый сальник; 8 - многорядный радиально-упорный подшипник; 9 - радиально резинометаллическая опора; 10 - вал шпинделя.
При бурении любым из указанных способов используют одни и те же технологические схемы (рис 6). Колонна бурильных труб 1, оканчивающаяся долотом 2, подвешена на талевой системе, которая включает неподвижный (кронблок) и подвижный (талевый) блок. Кронблок 3 установлен на верху вышки 4. Талевый блок 5 двигается внутри вышки и соединен с кронблоком стальным (талевым) канатом 6. Один конец талевого каната неподвижный ("мертвый") крепится к основанию вышки, а второй подвижный (ходовой) - к подъемному валу буровой лебедки 7. Использование талевой системы позволяет уменьшить нагрузку на талевый канат и силу натяжения каната, набегающего на барабан лебедки, распределить массу поднимаемого груза (колонны труб) на каждую рабочую струну (ветвь) каната, количество которых соответствует количеству задействованных роликов кронблока. (При оснастке талевой системы 5 6, задействовано 5 роликов талевого блока и 6 роликов кронблока - нагрузка на канат снижается в 10 раз и при весе колонны труб передаваемой на талевую систему в 2000 кН, составит всего 200 кН).
Рис.6 Схема вращательного бурения
К талевому блоку присоединен крюк 8, на котором подвешен вертлюг 9. Вертлюг позволяет вращать присоединенную к нему колонну бурильных труб без передачи крутящего момента на талевую систему. Самая верхняя в составе бурильной колонны труба 10 имеет квадратное (шестигранное) сечение и называют ее ведущей или рабочей. Верхний конец рабочей трубы соединен со стволом вертлюга, а нижний свинчивают с трубой бурильной колонны. Ведущая труба проходит через отверстие ротора 11, поперечное сечение которого соответствует поперечному сечению ведущей трубы. Ротор, установленный в центре нижнего основания вышки, служит для передачи крутящего момента бурильной колонне и в качестве опорной поверхности при спуске в скважину и подъеме из нее колонны труб.
Для привода ротора, лебедки и других механизмов, предназначена силовая установка, состоящая из двигателя 12 с приводом (редуктор - коробка передач - трансмиссии, цепные передачи). Вид привода может быть дизельный, электрический или дизель-электрический.
Для подачи в скважину бурового раствора установлены буровые насосы 13, и циркуляционная система, состоящая из желобов 14 и очистных устройств 15. Буровой раствор течет от устья скважины в приемную емкость 16 самотеком по желобам, имеющим соответствующий уклон.
Характерной особенность вращательного бурения является промывка скважины буровым раствором в течение всего времени пребывания долота на забое. Процесс углубления (бурения) скважины заключается в следующем.
Буровые насосы из приемных емкостей нагнетают буровой раствор в нагнетательную линию17, который через стояк 18, гибкий буровой рукав 19 и вертлюг 9 попадает во внутреннюю полость рабочей трубы 10 и далее двигается внутри колонны бурильных труб 1 к долоту 2. Дойдя до долота буровой раствор проходит через имеющиеся в нем отверстия на забой, подхватывает обломки разрушенной породы и поднимается по кольцевому пространству между стенкой скважины и бурильной колонной на поверхность. Здесь в желобной системе и в очистительных механизмах буровой раствор очищается от выбуренной породы и вновь нагнетается в скважину. Для разрушения породы необходимо обеспечить определенную нагрузку на долото, которая создается частью массы бурильной колонны. Когда рабочая труба погрузится в скважину (породу) на всю длину, колонну труб необходимо удлинить, т.е. нарастить. Для этого колонну труб поднимают на длину рабочей трубы и подвешивают ее специальными устройствами (элеватор, клинья) на столе ротора. Затем рабочую трубу вместе с вертлюгом отвинчивают и устанавливают в специально подготовленный шурф, представляющий наклонную скважину в углу буровой вышки, которая бурится заранее при подготовительных работах. На место рабочей трубы навинчивают бурильную и удлиненную на одну трубу бурильную колонну снимают с элеватора (клина) и спускают в скважину. Затем навинчивают опять рабочую трубу и продолжают процесс углубления. Наращивание бурильной колонны, также как и ее подъем и спуск, производится без нагнетания бурового раствора, т.е. при остановленных насосах.
Для замены изношенного долота из скважины колонну труб поднимают полностью, а затем спускают с новым долотом. При подъеме бурильную колонну развинчивают на секции, длина которых определяется высотой вышки (25 м при высоте вышки 41м). Отвинченные секции, называемые свечами, устанавливают внутри вышки на подсвечнике. Спускают колонну в обратном порядке.