Технология бурения нефтяных и газовых скважин

A. H. Попов






                ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН




Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 622.24
ББК 33.131 П58




Рецензенты:
директор НИОКР «Перфобур» (г. Уфа) доктор технических наук А. В. Лягов; ведущий научный сотрудник ОАО НПФ «Геофизика»
доктор технических наук А. Ш. Янтурин




    Попов, А. Н.
П58 Технология бурения нефтяных и газовых скважин : учебное пособие / А. Н. Попов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 228 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1368-8

          Содержатся краткие сведения по технологии бурения нефтяных и газовых скважин. Рассматриваются механические свойства горных пород, промывка скважины и осложнения при бурении скважин. Дано понятие о режиме бурения и способах его проектирования.
          Для студентов нефтегазовых направлений подготовки небуровых специальностей высших учебных заведений. Может быть полезно инженерам-технологам нефтепромысловых предприятий.

УДК 622.24
ББК33.131












ISBN 978-5-9729-1368-8

     © Попов А. Н., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ВВЕДЕНИЕ


     «Технология бурения нефтяных и газовых скважин» - одна из специальных дисциплин, определяющих профиль инженера по машинам и оборудованию нефтяных и газовых промыслов.
     Предметом дисциплины являются технологические процессы и операции, а также инструменты для их осуществления при бурении скважин на нефть и газ.


Скважина и этапы ее сооружения. Схема бурения скважины


     Основным средством разработки нефтяных и газовых месторождений является бурение скважин. Скважина в стадии бурения представляет собой цилиндрическую горную выработку, сооружаемую с помощью специальных инструментов без доступа в нее человека. Вход 1 в скважину (рисунок 1, а) называют устьем, полость скважины 2 - стволом, дно скважины 3 - забоем, а цилиндрическую поверхность 4 ствола - стенкой скважины.

      В законченном виде скважина представляет собой капитальное сооружение в земной коре (рисунок 1, б), предназначенное для извлечения из недр земли жидких и газообразных полезных ископаемых или для других целей. Стенки скважины крепят обсадными трубами 4 и 5. Пространство между трубами и стенкой скважины заполняют цементным раствором 6, который, затвердев, изолирует пласты горных пород друг от друга, а трубы защищает от коррозии. Против продуктивного пласта 8 в трубах и цементном камне перфораторами выполняются отверстия 9

а               б
Рисунок 1 - Схема скважины

(фильтр) для гидравлического сообщения пласта со скважиной.

     Экологические и геологические условия бурения обусловливают необходимость спуска нескольких колонн обсадных труб (не менее двух, как показано на рисунке 1, б). Первая обязательная колонна 4 называется кондуктор. Каждую последующую колонну подвешивают на предыдущей. На фланце 7 последней колонны 5, называемой эксплуатационной, подвешивают нефтегазопромысловое оборудование, спускаемое в скважину, и монтируют устьевое оборудование. Эксплуатационная колонна также является обязательной.

     Цикл строительства скважины включает:
     -      строительство подъездных путей, подвод воды и электроэнергии, подготовку основания, строительство и монтаж буровой;


3

     -       последовательное бурение совместимых по геологическим условиям интервалов ствола, их крепление трубами и разобщение пластов цементом;
     -       оборудование устья и перфорацию обсадной колонны в интервале продуктивных пластов;
     -      освоение и испытание скважины на продуктивность;
     -      демонтаж бурового оборудования.
     Скважины классифицируют по нескольким признакам.
     По назначению:
     структурно-поисковые - для изучения геологического строения района, перспективного с точки зрения полезных ископаемых;
     разведочные - для выявления продуктивных горизонтов (пластов) и определения их промышленного значения;
     эксплуатационные - для извлечения из продуктивных горизонтов полезных ископаемых (в частности нефти, газа);
     нагнетательные - для закачки в продуктивные пласты воды или газа с целью поддержания пластового давления в процессе эксплуатации;
     специальные (опорные, опорно-технологические, оценочные, контрольные и т. д.) - для детализации изучения геологического разреза месторождения, отработки технологии бурения, наблюдения и контроля за разработкой месторождения и других специальных задач.
     По пространственному положению ствола скважины:
     вертикальные - ось скважины отклонена от вертикали не более чем на 1...2⁰;
     наклонно-направленные - ось скважины искусственно совмещается с заданным профилем, при этом точка встречи скважины с продуктивным пластом (или проектным объектом, например, при тушении открытых фонтанов) находится на значительном расстоянии (сотни метров) от вертикали, проведенной через устье скважины;
     горизонтальные - скважины содержат хотя бы один участок, как правило, последний, ось которого отклонена от вертикали на угол, близкий к 9QO.
     По размещению устья на месторождении:
     одиночные, как правило, вертикальные, реже наклонные или горизонтальные;
     кустовые, пробуренные последовательно с одного подготовленного основания.
     Бурение скважины ведется с помощью буровых установок с применением специальных инструментов и промывочных жидкостей. Простейшая схема приведена на рисунке 2. Скважина бурится долотом 1, которое нагружается весом бурильного инструмента и приводится во вращение забойным двигателем 2 или ротором 6. Вращение от ротора передается долоту с помощью бурильного инструмента, включающего ведущую трубу 5 квадратного сечения, бурильные 4 и утяжеленные трубы 3. Бурильный инструмент (колонна труб) через вертлюг 7 подвешивается на вышке 9 с помощью полиспаста 8 (талевой системы),


4

включающей талевый канат. Один конец каната соединен с барабаном лебедки 10 (ходовой конец каната), второй конец прикреплен к основанию буровой вышки (мертвый конец каната). Вертикальное перемещение бурильного инструмента обеспечивается наматыванием (подъем) или сматыванием (спуск) ходового конца каната при вращении барабана лебедки 10. Ротор и лебедка приводятся во вращение приводом 11 .Во время бурения скважина промывается жидкостью, которую подает насос 12 к стояку 13, по буровому шлангу 14, через трубы к забойному двигателю и долоту. Жидкость выходит из отверстий долота на забой, очищает его от разрушенной породы (шлама) и по зазору между трубами и стенкой скважины выходит на поверхность. Затем по желобу 15 направляется в систему очистки от шлама (на схеме это емкость 16 для отстоя жидкости) и в приемную емкость 17 насоса 12.


Рисунок 2 - Простейшая схема вращательного бурения скважины

     Непосредственно бурение скважины ведется в следующей последовательности. Долото 1 на трубах 3, 4 спускают до забоя, включают промывку скважины, включают вращение долота (при бурении ротором) и плавно нагружают долото требуемой осевой нагрузкой. После углубления скважины на величину свободной части ведущей трубы 5 отключают вращение и промывку, инструмент приподнимают до выхода из скважины резьбового соединения ведущей трубы и бурильного инструмента, отвинчивают ведущую трубу, навин

5

чивают следующую трубу, т. е. наращивают бурильную колонну, навинчивают рабочую трубу, опускают инструмент до забоя и продолжают бурение.
     Развитие бурения можно проиллюстрировать видом буровых установок. На рисунке 3 показан общий вид буровой установки, построенной товариществом Г.И. Зотов и К° в 1910 году. Пробуренная этой установкой скважина дала первую нефть на северном Сахалине.


Рисунок 3 - Буровая установка Г.И. Зотова

     Буровая смонтирована в деревянном сарае и была маломощной. Вышка обшита досками. Глубокие скважины в то время бурились месяцами и даже годами.


Рисунок 4 - Буровая установка Уралмаш 5000/320

6

     Современная буровая установка показана на рисунке 4. Эта установка предназначена для бурения скважин глубиной до 5000 м. Ее грузоподъемность составляет 320 тонн. Установка содержит вышку 1 и привышечные сооружения, включающие блок привода 2 и блок системы промывки 3. Такие установки позволяют пробурить скважину за несколько дней или недель.

7

Тема 1. ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ, ИХ ЗАЛЕГАНИЕ И СКОПЛЕНИЕ В НИХ НЕФТИ И ГАЗА


1.1. Характеристики осадочных горных пород

     По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические, осадочные и метаморфические.
     Магматические породы образовались из магмы в результате ее застывания на глубине или лавы, излившейся на поверхность.
     Осадочные породы образовались в результате химико-физического преобразования ранее существующих пород с последующим их переносом и отложением в виде пластов (слоев). Они покрывают практически всю поверхность Земли. В эту группу также входят породы, образованные в результате жизнедеятельности организмов (органические осадочные породы).
     Метаморфические породы образовались в результате преобразования магматических и осадочных пород под действием высоких давления и температуры.
     Нефть и газ залегают преимущественно в осадочных породах, поэтому ниже рассматриваются только осадочные горные породы.
     Осадочные горные породы различают по возрасту и литологии. Изучением возраста горных пород занимается наука стратиграфия. Вся история Земли делится на условные отрезки времени - эры. Эры делятся на периоды, периоды на эпохи и века. Осадочные горные породы, образовавшиеся в соответствующие отрезки времени, делят на группы, системы, отделы и ярусы. В табли-це1.1 показан возраст горных пород.


Таблица 1.1- Названия эр и периодов и их продолжительность

                                            Продолжительность,
 Эра (группа)        Период (система)            млн лет      
 Кайнозойская        Четвертичный(ая)               1         
                      Третичный(ая)                 65        
                       Меловой(ая)                  70        
 Мезозойская            Юрский(ая)                  45        
                      Триасовый(ая)                 40        
                       Пермский(ая)                 45        
               Каменноугольный(ая) (карбон)         50        
 Палеозойская         Девонский(ая)                 80        
                     Силурийский(ая)                20        
                     Ордовикский(ая)                60        
                     Кембрийский(ая)                90        
Протерозойская                                     1300       
  Архейская                                         -         

8

     Описанием горных пород по составу занимается наука литология. По литологии все породы делят на три подгруппы, характеристики которых приведены в таблице 1.2. В скобках показано примерное распространение пород в разрезах нефтяных и газовых месторождений. Обломочные горные породы состоят из монокристаллических или поликристаллических обломков, не связанных между собой (рыхлые) и связанных между собой цементирующим веществом (сцементированные). Цемент может быть кремнистым, карбонатным, глинистым и битуминозным. Состав и прочность цемента во многом определяют прочностные свойства обломочных горных пород.


Таблица 1.2- Осадочные горные породы

   Подгруппы        Вид связей               Примеры          
  Обломочные         Связные                  Глины           
глинистые (54%)  Сцементированные  Аргиллиты, глинистые сланцы
  Обломочные                                                  
 мелкоземистые        Рыхлые             Алевриты, пески      
  и песчаные     Сцементированные     Алевролиты, песчаники   
    (21 %)                                                    
                                     Карбонаты (известняки,   
Кристаллические                             доломиты)         
  хемогенного   Кристаллизационные    Сульфаты (ангидриты,    
и органогенного                              гипсы)           
 происхождения                       Галоиды (каменная соль,  
    (24 %)                           калийная соль, бишофит)  

     Обломочные горные породы, как правило, полиминеральные, а кристаллические горные породы мономинеральные.
     Важнейшими характеристиками строения горных пород являются их пористость и проницаемость. Пористость обусловлена наличием пустот в горной породе и характеризуется коэффициентом пористости т:

т = Vₘₚ /Уг.„,                       (1.1)

где Упор - объем пор; Уг.п.- объем горной породы. Величина пористости в долях единицы изменяется от нуля до 0,45. Пустоты (поры и трещины) заполнены жидкостями, газами и газожидкостными смесями, для которых используют общий термин - флюиды.
     Проницаемость характеризует сообщаемость пор, которая обеспечивает возможность перемещения флюидов в пласте при наличии перепада давления. Перемещение жидкости в пласте описывается формулой Дарси:
v=— ■ м/с,                           (1.2)

    ц dL

где v - скорость движения флюидов по пласту; — - коэффициент проницаемости; ц - вязкость флюида; dP/dL - градиент давления при испытании.


9

     Месторождения нефти и газа приурочены к пористым проницаемым горным породам, которые называют коллекторами.


1.2. Горное и пластовое давления. Модели осадочных горных пород. Аномалии пластового давления


     Горные породы находятся в естественном напряженном состоянии, называемом горным давлением. Это давление создается весом вышележащих пород (рисунок 1.1). Вертикальная компонента называется геостатическим давлени-емрг, а горизонтальная - боковым давлением ре:

!’ = Рgz;

(1.3)

ре = X рг,

(1.4)

где р - плотность горных пород (р = 1900...3000 кг/м³); g - ускорение силы тяжести; X - коэффициент бокового распора, зависящий от упругих свойств горной породы; z - глубина залегания горной породы (в осадочных горных породах X лежит в пределах от 0,1 до 1,0).



Рисунок 1.1- Компоненты горного давления

     Осадочные горные породы двухкомпонентные системы - скелет горной породы (твердая часть) и пластовый флюид в порах породы. В механике грунтов горные породы рассматриваются как зернистые системы, погруженные в жидкость (рисунок 1.2, а).
     Зернистая модель характерна для обломочных несцементированных горных пород с точечным контактом обломков друг с другом. Обломки горной породы 1 находятся во флюиде 2 и теряют часть своего веса в соответствии с законом Архимеда. Поэтому для зернистой модели горной породы введено понятие об эффективных напряжениях, равных разности между горным давлением, как в сплошной среде, и пластовым или поровым давлением:


рэф = рг - рп.


(1.5)

     Действие закона Архимеда возможно, если имеет место как горизонтальная, так и вертикальная проницаемость горных пород на всю глубину. При бурении такие условия выполняются только для поверхностных отложений.


10