Бурение нефти

Подаваемый для очистки забоя буровой раствор совершает непрерывный кругооборот-циркуляцию: буровой насос - нагнетательная линия - вертлюг-бурильная колонна - забойный двигатель – долото – забой – кольцевое пространство – между бурильной колонной и стенками скважины – устье скважины –желоба и другие устройства очистки бурового раствора от шлама, газа – приемная емкость для очищенного раствора – подпорный насос, всасывающая линия бурового насоса.

Рис 3.2. Схема установки для бурения глубоких скважин:

1-долото; 2 - надолотная утяжеленная бурильная труба; 3,8 - переводник; 4 - центратор; 5 - муфтовый переводник; 6,7 - утяжеленные бурильные трубы;9 - предохранительное кольцо; 10 - бурильные трубы; 11 - предохранительный переводник; 12,23 - переводники штанговые, нижний и верхний; 13 - ведущая труба; 14 -редуктор; 15 - лебедка;16 - переводник вертлюга; 17 - крюк;18 -кронблок;19 - вышка;20 - талевый блок; 21 - вертлюг;22 - шланг;24 - стояк;25 - ротор;26 - шламоотделитель;27 - буровой насос

Вращательное бурение от ударного отличается следующим.

1. Высокой производительностью за счет передачи на долото большей мощности; непрерывного разрушения горной породы и удаления ее с забоя на поверхность циркулирующим промывочным агентом.

2. Эффективностью применения для самых различных целей: универсальностью, возможностью вскрытия пластов с низким и высоким давлением, используя для промывки, в зависимости от условий, газообразные агенты, облегченные, нормальные или утяжеленные буровые растворы; возможностью преодолеть многие виды обвалообразований, поглощений промывочной жидкости, не прибегая к дополнительному креплению ствола скважины, возможностью предупредить в большинстве случаев проявления, выбросы и открытое фонтанирование.

3. Большой мощностью привода буровой установки, сложностью бурового оборудования, КИП и системы управления, высокой начальной стоимостью (покупная цена) и стоимостью эксплуатации, монтажа, транспортирования установки.

4. Бурильная колонна.

4.1 Назначение бурильной колонны

Бурильная колонна является связующим звеном между буровым оборудованием, расположенном на дневной поверхности, и скважинным инструментом (буровое долото, испытатель пластов, ловильный инструмент и др.), используемым в рассматриваемый момент времени для выполнения какой-либо технологической операции в стволе скважины.

Функции, выполняемые бурильной колонны определяются проводимыми в скважине работами. Главными из них являются следующие.

В процессе механического бурения бурильная колонна:

является каналом для подведения на забой энергии, необходимой для вращения долота: механической - при роторном бурении; гидравлической – при бурении с гидравлическими забойными двигателями (турбобур, винтовой забойный двигатель); электрической – при бурении электробурами (через расположенный внутри труб кабель);

воспринимает и передает на стенки скважины (при малой текущей глубине скважины также на ротор) реактивный крутящий момент при бурении с забойными двигателями;

является каналом для осуществления круговой циркуляции рабочего агента (жидкости, газожидкостной смеси, газа); обычно рабочий агент по внутритрубному пространству движется вниз к забою, захватывает разрушенную породу (шлам), а далее по затрубному пространству движется вверх к устью скважины (прямая промывка);

служит для создания (весом нижней части колонны) или передачи (при принудительной подаче инструмента) осевой нагрузки на долото, воспринимая одновременно динамические нагрузки от работающего долота, частично гася и отражая их обратно на долото и частично пропуская их выше;

может служить каналом связи для получения информации с забоя или передачи управляющего воздействия на скважинный инструмент.

При спускоподъемных операциях бурильная колонна служит для спуска и подъема долота, забойных двигателей, различных забойных компоновок;

для пропуска скважинных контрольно-измерительных приборов;

для проработки ствола скважины, осуществляя промежуточных промывок с

целью удаления шламовых пробок и др.

При креплении скважины она используется для подготовки ствола к креплению; спуска и установки секции обсадных колонн, хвостовиков, летучек; цементирования скважин с целью закрепления обсадных колонн в стволе скважины и разобщения пластов.

При ликвидации осложнений и аварий, а также проведении исследований

в скважине и испытании пластов бурильная колонна служит:

для закачки и продавки в пласт тампонирующих материалов;

для спуска и установки пакеров с целью проведения гидродинамических исследований пластов путем отбора или нагнетания жидкости;

для спуска и установки перекрывателей с целью изоляции зон поглащений,

укрепления зон осыпаний или обвалов, установки цементных мостов и др.;

для спуска ловильного инструмента и работы с ним.

При бурении с отбором керна (образца горной породы) со съемной колонковой трубой бурильная колонна служит каналом, по которому осуществляется спуск и подъем колонковой трубы.

4.2 Состав бурильной колонны

Бурильная колонна (за исключением появившихся в последнее время непрерывных труб) составляется из бурильных труб с помощью резьбового соединения. Соединение труб между собой обычно осуществляется с помощью специальных соединительных элементов – бурильных замков, хотя могут использоваться и беззамковые бурильные трубы. При подъеме бурильной колонны (с целью замены изношенного долота или при выполнении других технологических операций) бурильная колонна каждый раз разбирается на более короткие звенья с установкой последних внутри вышки на специальной площадке – подсвечнике или (в редких случаях) на стеллажах вне буровой вышки, а при спуске она вновь собирается в длинную колонну.

Собирать и разбирать бурильную колонну с разборкой ее на отдельные (одиночные) трубы было бы неудобно и нерационально. Поэтому отдельные трубы предварительно (при наращивании инструмента) собираются в так называемые бурильные свечи, которые в дальнейшем (пока бурение ведется данной бурильной колонной) не разбираются.

Свеча длинной 24-26 м (при глубине бурения 5000 м и более могут использоваться бурильные свечи длиной 36-38 м с буровой вышкой высотой 53-64 м) составляется из двух, трех или четырех труб при использовании труб длиной соответственно 12, 8 и м . В последнем случае в целях удобства две 6-метровые трубы предварительно соединяются с помощью соединительной муфты в двухтрубку (колено), которая в дальнейшем не разбирается.

В составе бурильной колонны непосредственно над долотом или над забойным двигателем всегда предусматриваются утяжеленные бурильные трубы (УБТ), которые, имея кратно большие, по сравнению с обычными бурильными трубами, массу и жесткость, позволяют создавать необходимую нагрузку на долото и обеспечивают достаточную жесткость низа инструмента во избежание его продольного изгиба и неуправляемого искривления ствола скважины. УБТ используются также для регулирования колебаний низа бурильной колонны в сочетании с другими ее элементами.

В состав бурильной колонны обычно включают центраторы, калибраторы, стабилизаторы, фильтры, часто – металлошламоуловители, обратные клапаны, иногда – специальные механизмы и устройства, такие как расширители, маховики, забойные механизмы подачи, волноводы, резонаторы, амортизаторы продольных и крутильных колебаний, протекторные кольца, имеющие соответствующее назначение.

Для управляемого искривления ствола скважины в заданном направлении или же, напротив, для выправления уже искривленного ствола в состав бурильной колонной включают отклонители, а для сохранения прямолинейного направления ствола скважины используют специальные, нередко довольно сложные, компоновки нижней части бурильной колонны.

Рис 4.2.1 Принципиальная схема компоновки бурильной колонны для бурения с забойными двигателями

1 – ствол вертлюга; 2,7 – левая и правая трубные резьбы; 3 – переводник вертлюга; 4,9 – левая и правая замковые резьбы; 5 – верхний и нижний штанговые переводники; 6 – ведущая труба; 10 – предохранительный переводник; 11 – замковая резьба; 12 – замковая муфта; 13 – трубная резьба; 14 – бурильная труба (6 м); 15 – соединительная муфта; 16 – переходной переводник; 17 – предохранительный клапан; 18 – утяжеленные бурильные трубы;19 – ароматизатор; 20 – муфтовый переводник; 21 – центратор; 22 – забойный двигатель; 23 – калибратор; 24 – буровое долото

5.Бурильные трубы

Бурильные трубы могут быть классифицированы по следующим признакам.

1. По категории скважин, для бурения которых они преимущественно редназначены:

бурильные трубы для структурно-поискового бурения и капитального ремонта скважин;

бурильные трубы для эксплуатационного и геологоразведочного бурения.

2.По способу бурения:

-для роторного бурения;

-для бурения с гидравлическими забойными двигателями (ГЗД);

-для электробурения.

3.По назначению:

бурильные трубы;

ведущие бурильные трубы;

утяжеленные бурильные трубы;

бурильные трубы для ликвидации аварий.

4.По материалу:

стальные бурильные трубы;

легкосплавные бурильные трубы.

5.По магнитным свойствам:

бурильные трубы из магнитных материалов;

бурильные трубы из немагнитных материалов (дюрали, немагнитной стали).

6.По прочности материала труб:

обычной прочности (для стальных труб – из сталей различных групп прочности);

повышенной прочности.

7. По способу соединения между собой:

бурильные трубы сборной конструкции;

бурильные трубы цельной конструкции (беззамковые бурильные трубы) .

в связи с появлением в последнее время длинномерных гибких труб бурильные трубы можно классифицировать также по следующему признаку.

8. По способу составления колонны бурильных труб:

бурильные трубы стандартной длины;

непрерывные бурильные трубы;

9. По фактическому состоянию труб в процессе их эксплуатации:

бурильные трубы 1-го класса;

бурильные трубы 2-го класса;

бурильные трубы 3-го класса.

5.1 Непрерывные бурильные трубы.

Непрерывная бурильная труба представляет собой длинномерную колонну гибких труб (КГТ), размещенную на барабане самоходной (колтюбинговой) установки. В процессе спуска в скважину труба сматывается с барабана, а при подъеме она вновь наматывается на него. Базой установки может служить шасси автомобилей типов КРАЗ, МАЗ или других автомобилей с необходимой грузоподъемностью буровой раствор в процессе бурения циркулирует через всю трубу, и поэтому давление на устье не зависит от текущей глубокой скважины.

Колтюбинговые установки были впервые разработаны в США и первоначально применялись исключительно для капитального ремонта скважин. И в настоящее время они примерно на 75% используются для этих целей: кислотных обработок пластов, очистки забоя скважины от песка и др. При этом используются КГТ диаметром 33, 38, 42 и 48 мм. В последние годы примерно 25% работ приходится на ремонтно-изоляционное цементирование скважин, каротаж, ловильные работы, расширение и углубление ствола, бурение вертикальных и горизонтальных участков скважин. В этих случаях используются установки с трубами диаметрами 60, 73, 89 и 114 мм. Имеется также практика использования 127 мм труб.

В настоящее время целый ряд американских фирм выпускает установки для работы с КГТ. Разработаны и выпускаются колтюбинговые установки также отечественного производства: РАНТ-10-01, М-10, Уран-20, КРАБ-01, КПРС-20 и другие для работы с трубами диаметрами 25, 33, 38, 42 и 48 мм. Значительный опыт работы с непрерывными трубами накоплен в ОАО «Сургутнефтегаз», «Уренгойгазпром». Эти установки пока используются только при капитальном ремонте скважин.

Особенностью условий работы непрерывных труб является то, что материал трубы работает за пределами упругости (для уменьшения радиуса изгиба труб). Поэтому в материале труб накапливаются остаточные деформации, что предопределяет срок службы (ресурс) труб. Достигнутый на сегодня ресурс составляет до 50 спускоподъемов. Радиус барабана (без учета высоты реборды) должен быть не менее 48 раз больше наружного диаметра труб. Для данного материала он увеличивается пропорционально диаметру труб. Для 25-мм труб диаметр барабана составляет примерно 1,5 м. Потребный объем барабана определяется длиной трубы, т.е. глубиной ее спуска в скважину. Глубина спуска (по стволу скважины ) на сегодня составляет до 4 тыс. м и более, а емкость барабана на 200-300 м больше (как запас для вырезания изношенного участка). Высота кольтюбинговой установки в транспортном положении около 4 м.

Существующие колтюбинговые установки, кроме капитального ремонта скважин, могут применяется для проводки боковых стволов и горизонтальных ответвлений из существующих эксплуатационных скважин. Вращение долота может осуществляется забойными двигателями, а нагружение долота – забойным механизмом подачи, который, при необходимости, одновременно воспринимает реактивный крутящий момент.

Главным преимуществом КГТ является обеспечение непрерывного процесса спускоподъемных работ, что кратно сокращает их продолжительность. Управление работой отклонителя может осуществляться по кабелю, встроенному в трубу. По нему же может непрерывно передаваться вся необходимая информация с забоя скважины.

Анализируя опыт применения колтюбинговых установок можно придти к заключению, что не существует принципиальных трудностей для создания буровых установок отечественного производства для работы с КГТ большего диаметра.

В мировой практике известны случаи, когда при глубине скважине 1700 м длина горизонтального участка составляла более 10 тыс. м.

5.2 Бурильные трубы.

Рассматриваемые бурильные трубы подразделяются по материалу:

Стальные и легкосплавные бурильные трубы.

По конструктивному исполнению стальные бурильные трубы сборной конструкции изготовляются следующих типов:

с высаженными внутрь концами (В);

с высаженными наружу концами (Н);

с высаженными внутрь концами и коническими стабилизирующими поясками (ВК);

с высаженными наружу концами и коническими стабилизирующими поясками(НК).

Трубы этих типов выпускаются по ГОСТ 631-75 с наружным диаметром, толщиной стенки и длиной, указанными в табл. 5.1

Таблица 5.1

Размеры труб по ГОСТ 631-75

Примечание. Цифры, стоящие на пересечении строк и столбцов, означают типы выпускаемых труб данного диаметра и толщины стенки.

Кроме того, по ТУ 14-3-713 – 78 выпускаются трубы типа ВК диаметром 139,7 мм и толщиной стенки 9, 10, 11 мм из сталей групп прочности Д, К, Е. ГОСТом установлены допустимые отклонения труб по длине, диаметру, толщине стенки, массе и др.

Две трубы длиной 6 м предварительно соединяются между собой соединительной муфтой в колено (двухтрубку). Труба имеет на концах наружную мелкую (трубную) резьбу, а соединительная муфта – внутреннюю мелкую резьбу. Соединение бурильных труб длиной 8 м и 11,5 м, а также двухтрубок осуществляется с помощью бурильных замков.

Бурильные замки изготовляют в соответствии с ГОСТ 5286-75 следующих типов размеров: 3Н-80, 95, 108, 113, 140, 172 И 198; ЗШ-108, 118, 133, 146, 178 203; ЗУ-86, 120, 146, 155 и 185. Цифры означают наружный диаметр замка в миллиметрах.

Бурильные трубы и муфты изготовляют из высококачественных углеродистых (марки 45) или легированных сталей марок 38 ХНМ, 36Г2С, 35Г2СВ и др. Для обазначения материала принят термин «группа прочности». Группа прочности стали – это условный индекс, введенный для упрощения обозначения прочностных характеристик стали. Всего принято 7 групп прочности: Д, К, Е, Л, М, Р, Т. Трубы групп прочности, кроме Л, изготовляют из легированных сталей, подвергают нормализации с отпуском; Л - из углеродистой стали, подвергают закалки с отпуском. Замки к ним изготовляют из сталей марок 40ХН или 45, или (если прочность материала трубы выше прочности сталей 40ХН или 45) из того же материала, что и трубы. В любом случае прочность материала замка не должна уступать прочности материала трубы.

Наиболее важные показатели механических свойств приведены в таблице 5.2

Таблица5.2

5.3 Буровые долота

Долото - буровой инструмент для механического разрушения горных пород на забое скважины в процессе ее проходки. По характеру воздействия на породу долота можно классифицировать следующим образом.

1.Долота режуще-скалывающие – лопастные долота, предназначенные для разбуривания вязких и пластичных пород небольшой твердости (вязких глин, малопрочных глинистых сланцев и др.) и малой абразивности.

2.Долота дробяще-скалывающего действия – шарошочные долота, предназначенные для разбуривания неабразивных и абразивных пород средней твердости, твердых, крепких и очень крепких.

3.Долота режуще-истерающего действия – долота с алмазными и твердосплавными породоразрушающими вставками. Предназначены они для бурения в породах средней твердости, а также при чередовании высокопластичных маловязких пород с породами средней твердости и даже малоабразивными твердыми.

По назначению буровые долота подразделяются на три вида:

1. долота, разрушающие горную породу сплошным забоем;

2. долота, разрушающие горную породу кольцевым забоем (колонковые долота);

3. долота специального назначения.

Долота для сплошного и колонкового бурения предназначены для углубления скважины, а специального назначения – для работы в пробуренной скважине (расширение и выравнивание ствола скважины) и в обсадной колонне (разбуривание цементного камня)

Как для сплошного, так и для колонкового бурения созданы долота, позволяющие разрушать горную породу по любому из перечисленных выше принципов. Это облегчает подбор типа долота в соответствии с физико-механическими свойствами горной породы. Выпускаются долота диаметром от 46 до 580 мм.

Рисунок 5.1 Трехшарошечные долота