Таким образом, процесс бурения состоит из повторяющихся операций, включающих спуск на бурильной колонне труб в скважину нового долота, разрушения долотом горных пород, наращивание колонны труб по мере углубления скважины, подъем колонны труб для замены изношенного долота.
Комплекс работ, начиная с подготовки площадки под буровую и кончая ее демонтажем после бурения, называют циклом строительства скважин, который группируется на этапы:
1. подготовительные работы к монтажу бурового оборудования,
2. монтаж бурового оборудования,
подготовительные работы к бурению скважин,
4. бурение, крепление обсадными колоннами и разобщение пластов,
5. вторичное вскрытие продуктивного пласта, испытание, вызов притока и сдача скважины в эксплуатацию,
6. демонтаж бурового оборудования и перевозка его на новую точку.
Горные породы, слагающие разрез скважины, различны по составу, обладают различными свойствами и их разрушают резанием, скалыванием, истиранием, дроблением. Характер разрушения зависит от твердости и пластичности пород. Породы мягкие и пластичные наиболее эффективно разрушаются резанием, а твердые и хрупкие - дроблением. Поэтому для разрушения пород с определенными механическими и абразивными свойствами (12 категорий пород по буримости) применяются соответствующего типа инструменты.
Долота, бурильные головки и коронки по характеру разрушения пород делят на: режуще-скалывающего (РС), истирающе-режущего (ИР), дробяще-скалывающего и дробящего действия.
По конструктивному исполнению изготовляют долота лопастные, шарошечные, алмазные и твердосплавные.
Рабочие элементы долота, непосредственно контактирующие с породой, называют вооружением.
Независимо от назначения и типа долота его конструкция представляет корпус с резьбой для соединения с бурильной колонной, вооружение для разрушения породы, систему промывки и систему смазки.
Долота РС и ИР характерны выполнением вооружения в виде лопастей или секторов, приваренных к корпусу и длительным (непрерывным) его контактом с горной породой. Предназначены для бурения пород мягких и средней твердости по схеме резание, истирание, скалывание.
К долотам ИР-действия относятся долота алмазные и твердосплавные долота, оснащенные элементами вооружения из сверхтвердых материалов (ИСМ),
Долота дробяще-скалывающего и дробящего действия характерны размещением вооружения в виде зубков на вращающихся шарошках и кратковременным периодическим динамическим воздействием каждого зубка на горную породу по схеме вдавливания со сдвигом. Предназначены для бурения пород всех категорий, в т. ч. крепких и очень крепких.
Самыми распространенными являются трех шарошечные долота в секционном исполнении. Каждая секция включает лапу, на цапфе которой с помощью подшипников установлена шарошка. Секции соединены сваркой. На верхнем конце секций нарезается присоединительная резьба. Имеет систему промывки и смазки опор. При вращении долота по часовой стрелке, шарошки перекатываются по забою, совершая сложное вращательное движение. В результате рабочие элементы шарошек наносят удары по породе, дробя и скалывая ее. Механические и абразивные свойства пород определяют форму шарошки, тип вооружения, схему расположения шарошек в долоте.
В зависимости от пород, для бурения которых предназначено долото, шарошки имеют вооружение - зубчатое, выполненное заодно с шарошкой фрезерованием, либо в виде зубков из твердых сплавов, запрессованных в тело шарошки. Шарошки с фрезерованными зубцами используют в долотах предназначенных для разрушения неабразивных пород, с зубками из твердых сплавов - для бурения пород с очень высокой твердостью. Параметры зубцов (длина, высота, шаг зуба, форма рабочей поверхности, углы при вершине клина) зависят от размера и типа долота.
Режим работы долот при вращательном бурении принято характеризовать осевой нагрузкой на долото (кН), частотой вращения долота (об/мин), количеством жидкости или воздуха подаваемых в скважину для выноса разрушенной породы (л/с). По частоте вращения различают три режима работы: а) низкооборотный пд < 90 об/мин (роторное бурение), б) средняя частота вращения в двух диапазонах 90 пд 250 об/мин и 250 пд 450 об/мин (бурение винтовым двигателем), в) высокооборотный пд 450 об/мин (турбинное бурение). Опора долот представляет комбинацию подшипников шариковых, роликовых и скольжения. В каждой схеме опор обязателен шариковый подшипник, называемый замковый, который удерживает шарошку на цапфе от сползания.
Опоры долот выполняют открытыми и герметизированными с автономной системой смазки. В зависимости от режима оборотов долота при бурении различают опоры для высоких и низких частот вращения.
Система промывки реализуется по двум схемам - обычная (центральная) и гидромониторная (боковая). Гидромониторная промывка достигается включением в конструкцию долота гидромониторного узла (ГМУ), состоящего из насадки с уплотнением и элементом крепления. Скорость истечения жидкости из насадки достигает 80 - 120 м/с
Инструменты для отбора керна, независимо от их конструкции состоят из бурильной головки, корпуса колонкового долота, внутренней керноприемной трубы и специального держателя для сохранения и выноса керна. Основные показатели - диаметр керна и его сохранность (процент выноса). Долота для отбора керна изготавливают в основном для низкооборотного бурения.
К разрушающим инструментам специального назначения относятся долота для разбуривания цементных мостов, а также элементы компоновки низа бурильной колонны (КНБК) - калибрующие, стабилизирующие, центрирующие устройства и расширители.
долото ИСМ а) 1. головка, 2. переводник,. Сектор 4. зубки твердосплавные, 5. промывочные отверстия и канавки
алмазное долото. б) 1 стальной корпус, 2. замковая резьба, алмазонесущая головка (матрица),4. алмазы, 5. каналы промывочные, 6. промывочное отверстие.
Трехшарошечное долото: гидромониторное с открытой опорой;
А-А - промывочное отверстие с соплом (насадкой)
1. резьба присоединительная, 2. промывочные отверстия, кованная секция, 4. шарошка, 5. цапфа, 6. подшипник, 7. вооружение.
Рис.7 долота. а. ИСМ, б. алмазное, в. трехшарошечное.
Для связи долота, находящегося в скважине с установленным на поверхности оборудованием предназначена бурильная колонна. Она является каналом для подачи жидкости к долоту, за счет части ее веса создают нагрузку на долото, ликвидируют возникающие в процессе бурения осложнения и аварии. Бурильная колонна состоит из рабочей трубы, бурильных труб и утяжеленных бурильных труб (УБТ). Бурильные трубы стальные, с толщиной стенки 7 - 11 мм. диаметром от 60 до 168 мм, длиной 6, 8 и 12 м. Для прочности концы труб высажены внутрь или наружу на которые навернуты или приварены замковые соединения. Замок состоит из муфтовой и ниппельной части на которых нарезана специальная замковая резьба - крупная, со значительной конусностью, предназначенная для многократного свинчивания и развинчивания. Кроме стальных используют бурильные трубы из алюминиевых сплавов (ЛБТ) с внутренними концевыми утолщениями и стальными замками. Утяжеленные бурильные трубы устанавливают в нижней части бурильной колонны для увеличения ее жесткости. Для спуска и подъема труб используют набор инструментов соответствующих размеров и грузоподъемности - штропы, клинья, машинные ключи, механические ключи для свинчивания и развинчивания труб стационарного и подвесного типа, работающих в автоматическом режиме с дистанционным управлением.
Бурильный замок: а) замковый ниппель; б) замковая муфта
Бурильные трубы с приварными соединительными концами.
Рис.8. Бурильные трубы с высаженными концами: а) высадка внутрь; б) высадка наружу
Схема подвешивания бурильной трубы при спуско-подъемных операциях: 1 - бурильная труба; 2 - элеватор; 3 - штроп
Непрерывная циркуляция жидкости, которую называют буровым раствором, выполняющим ряд важнейших технологических функций:
очистка забоя и вынос выбуренной породы из скважины,
создание давления на пласты и стенки скважины,
охлаждение долота в процессе бурения,
удержание твердых частиц во взвешенном состоянии,
размыв породы при гидромониторном режиме,
поток бурового раствора - энергоноситель для привода ГЗД.
Буровые растворы применяют водные, углеводородные и газообразные. Водные растворы разделяют на растворы глинистые, полимерные малоглинистые и безглинистые, а также по признакам утяжеления, химической обработки и другим свойствам.
Растворы должны обладать тиксотропными, смазочными и антикоррозийными свойствами, быть инертны к горным породам, позволять регулирование плотности, сохранять стабильность в диапазоне температур, кольматировать поры и трещины в стенках скважины и рядом других.
Основными показателями качества буровых растворов являются плотность, условная вязкость, статическое напряжение сдвига, фильтрация, концентрация водородных ионов рН, содержание песка, нефти, газа и газового конденсата.
В качестве утяжелителей буровых растворов используют барит, гематит, мел, известняк.
В процессе бурения на буровые растворы воздействуют температура, минерализация среды, пластовые флюиды. Для сохранения качества глинистых растворов в этих условиях применяют химическую обработку. Используют реагенты разжижители для снижения вязкости и напряжения сдвига и понизители водоотдачи, а также регуляторы свойств по устойчивости к высоким температурам и воздействию солей.
Явления, при которых невозможен нормальный процесс углубления скважины, называют осложнениями. Наиболее часто встречающиеся - поглощения бурового раствора, осыпи и обвалы пород, проявления воды, нефти, газа.
Основные методы предупреждения осложнений - соответствующее качество бурового раствора и регулирование давления, создаваемого столбом раствора на стенки скважины.
Поглощения возникают при бурении проницаемых горизонтов в условиях превышения давления в скважине над пластовым давлением. Ликвидируют поглощение снижением проницаемости поглощающего горизонта или перекрытием механическими средствами. Снижение проницаемости достигается намывом в проницаемую зону инертных наполнителей, снижением проникающей способности бурового раствора.
Для предотвращения открытых фонтанов на устье скважины устанавливают противовыбросовые устройства (превенторы), с помощью которых управляют скважиной при ее проявлениях.
Самопроизвольное отклонение ствола скважины от вертикали по геологическим и техническим причинам является браком и для его предупреждения предусмотрены соответствующие технологические мероприятия.
На современном этапе разработку месторождений в большинстве случаев ведут наклонно-направленными скважинами с размещением их кустами (на площадках ограниченного размера). При этом сокращаются затраты на обустройство скважин (дороги, трубопроводы, линии электропередач, строительство насыпных и морских оснований), сохраняются пахотные земли, возможно бурение под застроенные площади. Наклонно-направленной называют скважину, ствол которой специально направлен в точку, удаленную от вертикальной проекции ее устья. Отклоняют ствол от вертикали специальными устройствами. Стационарные отклонители представляют направленный наклонный клин, установленный в заданном интервале скважины. Отклоняющими устройствами забойных двигателей является переводник с перекосом резьбы под определенным углом, установленный между долотом и двигателем или в корпусе двигателя (турбобур, винтовой двигатель, электробур). Профиль наклонно-направленной скважины включает участок набора кривизны и наклонно направленный. Основные требования - отсутствие резких изменений зенитных углов и азимутов. Траекторию ствола контролируют инклинометрами или телеметрическими системами. Инклинометрами контролируют пробуренный интервал с последующей корректировкой зенитного угла и азимута. Телеметрические системы позволяют управлять отклоняющим устройством в процессе углубления,
Чтобы обеспечить бурение без осложнений до проектной глубины, скважину углубляют поинтервально. Пробуренный интервал закрепляют стальными трубами, которые называют обсадными, а пространство между стенками ствола и обсадной колонной заполняют цементным раствором.
Обсадные трубы (длина 6 - 12 м) собираются в колонну путем их свинчивания при помощи резьбы, нарезанной на концах каждой трубы и соединительной муфты.
Процесс заполнения кольцевого пространства между стенками скважины и обсадной колонной раствором вяжущих материалов, способных в покое превращаться в прочный непроницаемый камень называют цементированием или тампонажем. Для цементирования обсадных колонн используют тампонажные цементы.