Отдел поддержания пластового давления и повышения нефтеотдачи пласта

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Оглавление

обсадный колонна бурение пласт

1. Роль буровых работ в поиске, разведки и освоения нефтяных и газовых месторождений

2. Общие сведения о технологии бурения скважин. Организационная структура УБР

2.1 Способы бурения скважин

2.2 Цикл строительства скважины

2.3 Спуско-подъемные операции и способы их механизации и автоматизации

2.4 Буровые установки и оборудование

2.5 Породоразрушающий инструмент

2.6 Бурильные и обсадные колонны и их элементы

2.7 Забойные двигатели

2.8 Документальное обеспечение бурение скважин

3. Общие сведения о технологии добычи нефти и газа

3.1 Организационная структура предприятия (НГДУ,ЦДНГ)

3.2 Способы добычи нефти

3.3 Методы интенсификации добычи

3.4 Освоение скважин

3.5 Подземный и капитальный ремонты скважин

4. Объекты по сбору, подготовке и транспортировке нефти, газа и воды

4.1 Продукция нефтяных и газовых скважин

4.2 Автоматизированные замерные установки

4.3 Промысловые сборные трубопроводы

4.4 Резервуары и резервуарные парки

4.5 Подготовка нефти

5. Охрана труда, окружающей среды и недр в нефтегазодобывающей промышленности

1. Роль буровых работ в поиске, разведки и освоения нефтяных и газовых месторождений

Лучшим способом для выяснения геологического строения недр при плохой обнаженности является бурение.

В последние десять лет бурение сопровождает все виды геолого-поисковых работ на нефть и газ.

Бурение ведется для изучения геологического разреза недр, для прослеживания выходов горных пород под покровом новейших отложений, для выяснения формы изгиба слоев, залегающих на глубине, для изучения формы различных поверхностей разрывов, нередко рассекающих складки. Только бурением можно производить опробование нефтегазопроявлений, испытание залежей и разрешать многие другие вопросы, возникающие в процессе поисково-разведочных работ.

Уже по первой пробуренной в исследуемом районе скважине геолог узнает много весьма интересного и важного для проводимых им исследований. Из скважин вынимают образцы пород, которые обладают формой цилиндра и именуются керном.

Изучая образцы, можно определить геологический возраст пород, их последовательность в наслоении, состав пород, наличие в них пустот -- пор и т. д. Если породы слоистые, то удается определить и угол наклона пород.

Определение наклона пород в одной точке не решает задачи о форме изгиба и о месте максимального подъема слоев. Для решения этого вопроса нужно получить значительное количество высотных отметок какого-либо горизонта разреза, называемого опорным. Для этой цели бурятся скважины, именуемые структурными, так как они изучают форму изгибов слоев, или, как говорят геологи, скважинами изучается структура (строение) месторождения.

По данным этих скважин, с учетом высотных отметок, определенных в процессе геологической съемки на поверхности земли, строятся упоминавшиеся выше структурные карты, изображающие структурную форму изгиба слоев.

Когда геологическое строение площади, подлежащей разведке, выявлено, причем выяснено, что в ее недрах возможно обнаружение залежей нефти или газа, приступают к бурению поисковых скважин. Задача поисковых скважин--дать ответ, о наличии или отсутствии нефти или газа в недрах. Поисковые скважины проектируются для вскрытия толщ пород, в которых предполагается наличие залежей.

Перед скважинами, вскрывающими интересующий геологов пласт, ставятся различные геологические задачи. Каждая скважина должна решить, чем сложена и как изменяется по своему составу и мощности (толщине) покрышка пород, перекрывающая пласты, содержащие нефть. Надо определить, как изменяется сам резервуар по составу, коллекторским свойствам и мощности. Нередко пласт песчаника, хорошо проницаемый на крыле складки, в наиболее приподнятой части свода оказывается обогащенным глинистыми частицами. Из пласта, потерявшего свойства проницаемой породы, если он даже насыщен нефтью, ее не удается извлечь.

Все основные задачи поисков и разведки на нефть и газ решаются с помощью бурения скважин. В настоящее время обнаруживают и разрабатывают пласты, залегающие на очень большой глубине. Сто лет назад человеку были доступны залежи нефти только у поверхности земли. Сегодня геологи ведут поиски и разработку залежей нефти и газа на глубинах до 5000 метров! Пять тысяч метров -- 5 километров.

На 5 километров углубиться в недра земли, чтобы вскрыть скважиной залежь нефти, ширина которой не более 0,5 -- 1 километра, а длина не превышает часто глубины скважины -это не легкая задача. Геологу надо суметь определить местоположение такой залежи, а буровикам, ведущим бурение, надо попасть точно в место, которое указано геологами. Скважина, если бурить, не регулируя ее направления, искривляется и уходит в сторону от места ее заложения на много десятков, а иногда и сотен метров. Геолог указывает точку, которую надо вскрыть на глубине, а буровик должен рассчитать как с поверхности лучше добраться до этой точки. Каждая ошибка геолога и буровика обходится очень дорого государству, так как каждая глубокая скважина стоит несколько миллионов рублей.

Когда залежь нефти или газа открыта, то наступает период ее освоения. Залежь оконтуривается скважинами и вычерчивается на плане. Последующими скважинами открываются новые, более глубокие залежи. Для разработки месторождения, состоящего иногда из многих залежей, бурятся затем десятки и сотни скважин.

Перед геологами стоит задача определения местоположения залежей минимумом дорогостоящих скважин для этого требуется в первую очередь отчетливое представление о строении недр обоснованное тщательными наблюдениями и точными горно-геометрическими геологическими построениями.

Опыт разведочных работ показал, что нельзя судить о перспективах разведываемых площадей по наличию или отсутствию нефтегазопроявлений в первых разведочных скважинах. Нередко крупнейшие залежи нефти открывались на площадях, где вначале не было обнаружено значительных нефтегазопроявлений.

Удача разведки всецело зависит от отчетливого представления о строении недр и условиях залегания нефти и газа в недрах разведываемой площади.

2. Общие сведения о технологии бурения скважин. Организационная структура УБР

Строительство нефтяных и газовых скважин осуществляется буровыми предприятиями, имеющими различную организационно-правовую форму и разную степень автономности в структуре нефтегазодобывающих компаний. Примем традиционное наименование бурового предприятия: «Управление буровых работ» (УБР).

УБР представляет собой сложную технико-экономическую систему и состоит из большого числа элементов (техники, оборудования, технологических процессов и приемов, коллективов людей, зданий, сооружений и др.), функционирующих в тесном взаимодействии для достижения общей цели при наличии внешних и внутренних случайных возмущений.

Характерными особенностями УБР являются:

- наличие целей функционирования, определяющих ее назначение;

- наличие управления, представляющего собой целенаправленное воздействие на систему;

- наличие иерархической структуры, состоящей из нескольких уровней подсистем в соответствии с их взаимоотношением;

- наличие процесса функционирования, заключающегося в обмене материалами и информационными потоками в подсистемах.

Основной целью функционирования УБР является создание новых основных производственных фондов - скважин.

Строительство нефтяных и газовых скважин - сложный многостадийный процесс, включающий строительство дорог, водоводов, линий электропередач и связи, транспортирование и монтаж бурового оборудования и сооружений, бурение и крепление ствола скважины, испытание продуктивных пластов и т.д. Реализация этих этапов, часто взаимосвязанных осуществляется посредством вспомогательные, обслуживающие и управленческие процессов, которые являются базой для формирования производственной структуры УБР.

Организационная структура УБР (рисунок 1) включает производственные подразделения, участвующие в изготовлении основной продукции - скважин, и органы управления предприятием. В ней также отражены организационные, иерархические и технические особенности предприятия.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1 Организационная структура управления буровых работ

Центральная инженерно-технологическая служба (ЦИТС); районные инженерно-технологические службы (РИТС); вышкомонтажный цех (ВМЦ) или контора (ВМК); цех опробования скважин (ЦОС) или контора (КОС) относятся к структурным подразделениям основного производства.

К структурным подразделениям вспомогательного производства относятся: цех крепления скважин (ЦКС) или тампонажная контора (ТК); база производственного обслуживания (БПО), состоящая из прокатно-ремонтных цехов бурового оборудования (ПРЦБО), электроснабжения (ПРЦЭЭ), турбобуров и труб (ПРЦТТ), цеха пароводоснабжения (ЦПВС); цеха промывочной жидкости (ЦПЖ), цеха автоматизации производства (ЦАП).

К непромышленным хозяйствам относятся автотранспортная контора (АТК), строительно-монтажное управление (СМУ) или ремонтно-строительный участок (РСУ), жилищно-коммунальная контора (ЖКК), учебно-курсовой комбинат (УКК) и ряд других подразделений.

Строительство скважин представляет собой совокупность комплексов отдельных процессов, отличающихся друг от друга технологическими особенностями, применяемыми техническими средствами и выполняемыми специализированными подразделениями. Каждый комплекс во многом является самостоятельным, состоящим из основных, вспомогательных, обслуживающих и управленческих процессов. Например, в вышкомонтажном комплексе, основной процесс по строительству вышки и монтажу оборудования выполняется вышкомонтажными бригадами, а реализация вспомогательных процессов сосредоточена в цехе металлоконструкций, заготовительном, ремонтно-механическом. Обслуживающие процессы осуществляют управление производственно-технического обслуживания и комплектации оборудования (УПТО и КО), управление технологического транспорта (УТТ), центральные базы производственного обслуживания (ЦБПО), входящие в состав нефтегазодобывающих компаний. Управленческие процессы протекают в аппарате вышкомонтажного цеха, в отделах главного механика, главного энергетика и т.д.

Выполнение основных производственных процессов в строительстве скважин - бурение и крепление ствола скважины, а также иногда опробование эксплуатационных скважин - осуществляет буровая бригада.

Вспомогательные и обслуживающие процессы сосредоточены в цехах базы производственного обслуживания УБР: ПРЦБО, ПРЦЭЭ, ПРЦТТ, ЦПВС, ЦПЖ и др.

Управление всеми работами по бурению осуществляет аппарат УБР.

Аппарат УБР выполняет планово-организационные и оперативно-хозяйственные функции, которые делятся в основном на задачи планово-перспективного развития и оперативного управления производством.

В перспективном плане на пять лет и более намечаются основные направления и темпы развития буровых работ, пути совершенствования техники и технологии работ для обеспечения необходимого роста объемов бурения.

2.1 Способы бурения скважин

Бурить скважины можно механическим, термическим, электроимпульсным и другими способами (несколько десятков). Однако промышленное применение находят только способы механического бурения - ударное и вращательное. Остальные пока не вышли из стадии экспериментальной разработки.

Ударный способ более 50 лет не применяется на нефтегазовых промыслах России. Однако в разведочном бурении на россыпных месторождениях, при инженерно-геологических изысканиях, бурении скважин на воду и т.п. находит свое применение.

При вращательном бурении разрушение породы происходит в результате одновременного воздействия на долото нагрузки и крутящего момента. Под действием нагрузки долото внедряется в породу, а под влиянием крутящего момента скалывает ее.

Существует две разновидности вращательного бурения - роторный и с забойными двигателями.

При роторном бурении (рисунок 2) мощность от двигателей 9 передается через лебедку 8 к ротору 16 - специальному вращательному механизму, установленному над устьем скважины в центре вышки. Ротор вращает бурильную колонну и привинченное к ней долото 1. Бурильная колонна состоит из ведущей трубы 15 и привинченных к ней с помощью специального переводника 6 бурильных труб 5.

Рисунок 2 Схема вращательного бурения скважин

Следовательно, при роторном бурении углубление долота в породу происходит при движении вдоль оси скважины вращающейся бурильной колонны, а при бурении с забойным двигателем - не вращающейся бурильной колонны. Характерной особенностью вращательного бурения является промывка

При бурении с забойным двигателем долото 1 привинчено к валу, а бурильная колонна - к корпусу двигателя 2. При работе двигателя вращается его вал с долотом, а бурильная колонна воспринимает реактивный момент вращения корпуса двигателя, который гасится не вращающимся ротором (в ротор устанавливают специальную заглушку).

Буровой насос 20, приводящийся в работу от двигателя 21, нагнетает буровой раствор по манифольду (трубопроводу высокого давления ) 19 в стояк - трубу 17, вертикально установленную в правом углу вышки, далее в гибкий буровой шланг (рукав) 14, вертлюг 10 и в бурильную колонну. Дойдя до долота, промывочная жидкость проходит через имеющиеся в нем отверстия и по кольцевому пространству между стенкой скважины и бурильной колонной поднимается на поверхность. Здесь в системе емкостей 18 и очистительных механизмах (на рисунке не показаны) буровой раствор очищается от выбуренной породы, затем поступает в приемные емкости 22 буровых насосов и вновь закачивается в скважину.

В настоящее время применяют три вида забойных двигателей - турбобур, винтовой двигатель и электробур (последний применяют крайне редко).

При бурении с турбобуром или винтовым двигателем гидравлическая энергия потока бурового раствора, двигающегося вниз по бурильной колонне, преобразуется в механическую на валу забойного двигателя, с которым соединено долото.

При бурении с электробуром электрическая энергия подается по кабелю, секции которого смонтированы внутри бурильной колонны и преобразуется электродвигателем в механическую энергию на валу , которая непосредственно передается долоту.

По мере углубления скважины бурильная колонна, подвешенная к полиспастной системе, состоящей из кронблока (на рисунке не показан), талевого блока 12, крюка 13 и талевого каната11, подается в скважину. Когда ведущая труба 15 войдет в ротор 16 на всю длину, включают лебедку, поднимают бурильную колонну на длину ведущей трубы и подвешивают бурильную колонну с помощью клиньев на столе ротора. Затем отвинчивают ведущую трубу 15 вместе с вертлюгом 10 и спускают ее в шурф (обсадную трубу, заранее установленную в специально пробуренную наклонную скважину) длиной, равной длине ведущей трубы. Скважина под шурф бурится заранее в правом углу вышки примерно на середине расстояния от центра до ее ноги. После этого бурильную колонну удлиняют (наращивают), путем привинчивания к ней двухтрубной или трехтрубной свечи (двух или трех свинченных между собой бурильных труб), снимают ее с клиньев, спускают в скважину на длину свечи, подвешивают с помощью клиньев на стол ротора, поднимают из шурфа ведущую трубу с вертлюгом, привинчивают ее к бурильной колонне, освобождают бурильную колонну от клиньев, доводят долото до забоя и продолжают бурение.

Для замены изношенного долота поднимают из скважины всю бурильную колонну, а затем вновь спускают ее. Спускоподъемные работы ведут также с помощью полиспастной системы. При вращении барабана лебедки талевый канат наматывается на барабан или сматывается с него, что и обеспечивает подъем или спуск талевого блока и крюка. К последнему с помощью штропов и элеватора подвешивают поднимаемую или спускаемую бурильную колонну.

При подъеме БК развинчивают на свечи и устанавливают их внутри вышки нижними концами на подсвечники, а верхние заводят за специальные пальцы на балконе верхового рабочего. Спускают БК в скважину в обратной последовательности.

Таким образом процесс работы долота на забое скважины прерывается наращиванием бурильной колонны и спускоподъемными операциями (СПО)для смены изношенного долота.

Как правило, верхние участки разреза скважины представляют собой легкоразмываемые отложения. Поэтому пред бурением скважины сооружают ствол (шурф) до устойчивых пород (3-30 м) и в него спускают трубу 7 или несколько свинченных труб (с вырезанным окном в верхней части) длиной на 1-2 м больше глубины шурфа. Затрубное пространство цементируют или бетонируют. В результате устье скважины надежно укрепляется.

К окну в трубе приваривают короткий металлический желоб, по которому в процессе бурения буровой раствор направляется в систему емкостей 18 и далее, пройдя через очистительные механизмы (на рисунке не показаны), поступает в приемную емкость 22 буровых насосов.

Трубу (колонну труб) 7, установленную в шурфе, называют направлением. Установка направления и ряд других работ, выполняемых до начала бурения, относятся к подготовительным. После их выполнения составляют акт о вводе в эксплуатацию буровой установки и приступают к бурению скважины.

Пробурив неустойчивые, мягкие, трещиноватые и кавернозные породы, осложняющие процесс бурения (обычно 400-800 м), перекрывают эти горизонты кондуктором 4 и цементируют затрубное пространство 3 до устья. При дальнейшем углублении могут встретиться горизонты, также подлежащие изоляции, такие горизонты перекрываются промежуточными (техническими) обсадными колоннами.

Пробурив скважину до проектной глубины, спускают и цементируют эксплуатационную колонну (ЭК).

После этого все обсадные колонны на устье скважины обвязывают друг с другом, применяя специальное оборудование. Затем против продуктивного пласта в ЭК и цементном камне пробивают несколько десятков (сотен) отверстий, по которым в процессе испытания, освоения и последующей эксплуатации нефть (газ) будут поступать в скважину.

Сущность освоения скважины сводится к тому, чтобы давление столба бурового раствора, находящегося в скважине, стало меньше пластового. В результате создавшегося перепада давления нефть (газ) из пласта начнет поступать в скважину. После комплекса исследовательских работ скважину сдают в эксплуатацию.

На каждую скважину заводится паспорт, где точно отмечаются ее конструкция, местоположение устья, забоя и пространственное положение ствола по данным инклинометрических измерений ее отклонений от вертикали (зенитные углы) и азимута (азимутальные углы). Последние данные особенно важны при кустовом бурении наклонно-направленных скважин во избежание попадания ствола бурящейся скважины в ствол ранее пробуренной или уже эксплуатирующейся скважины. Фактическое отклонение забоя от проектного не должно превышать заданных допусков.

Буровые работы должны выполняться с соблюдением законов об охране труда и окружающей природной среды. Строительство площадки под буровую, трасс для передвижения буровой установки, подъездных путей, линий электропередач, связи, трубопроводов для водоснабжения, сбора нефти и газа, земляных амбаров, очистных устройств, отвал шлама должны осуществляться лишь на специально отведенной соответствующими организациями территории. После завершения строительства скважины или куста скважин все амбары и траншеи должны быть засыпаны, вся площадка под буровую - максимально восстановлена (рекультивирована) для хозяйственного использования.

2.2 Цикл строительства скважины

В ходе подготовительных работ выбирают место для буровой, прокладывают подъездную дорогу, подводят системы электроснабжения, водоснабжения и связи. Если рельеф местности неровный, то планируют площадку.

В цикл строительства скважины входят:

- подготовительные работы;

- монтаж вышки и оборудования;

- подготовка к бурению;

- процесс бурения;

- крепление скважины обсадными трубами и ее тампонаж;

- вскрытие пласта и испытание на приток нефти и газа.

Монтаж вышки и оборудования производится в соответствии с принятой для данных конкретных условий схемой их размещения. Оборудование стараются разместить так, чтобы обеспечить безопасность в работе, удобство в обслуживании, низкую стоимость строительно-монтажных работ и компактность в расположении всех элементов буровой.

Различают следующие методы монтажа буровых установок: поагрегатный, мелкоблочный и крупноблочный.

При поагрегатном методе буровая установка собирается из отдельных агрегатов, для доставки которых используется автомобильный, железнодорожный или воздушный транспорт.

При мелкоблочном методе буровая установка собирается из 16...20 мелких блоков. Каждый из них представляет собой основание, на котором смонтированы один или несколько узлов установки.

При крупноблочном методе установка монтируется из 2...4 блоков, каждый из которых объединяет несколько агрегатов и узлов буровой.

Блочные методы обеспечивают высокие темпы монтажа буровых установок и качество монтажных работ. Размеры блоков зависят от способа, условий и дальности их транспортировки.

После этого последовательно монтируют талевый блок с кронблоком, вертлюг и ведущую трубу, присоединяют к вертлюгу напорный рукав. Далее проверяют отцентрированность вышки: ее центр должен совпадать с центром ротора.

Подготовка к бурению включает устройство направления I (рисунок 3) и пробный пуск буровой установки.

1 - обсадные трубы; 2 - цементный камень; 3 - пласт;

4 - перфорация в обсадной трубе ицементном камне;

I - направление; II - кондуктор; III - промежуточная колонна;

IV - эксплуатационная колонна.

Рисунок 3 Конструкция скважины

Назначение направления описано выше. Его верхний конец соединяют с очистной системой, предназначенной для очистки от шлама бурового раствора, поступающего из скважины, и последующей подачи его в приемные резервуары буровых насосов. Затем бурится шурф для ведущей трубы и в него спускают обсадные трубы. Буровая комплектуется долотами, бурильными трубами, ручным и вспомогательным инструментом, горюче-смазочными материалами, запасом воды, глины и химических реагентов. Кроме того, недалеко от буровой располагаются помещение для отдыха и приема пищи, сушилка для спецодежды и помещение для проведения анализов бурового раствора.

В ходе пробного бурения проверяется работоспособность всех элементов и узлов буровой установки.

Процесс бурения начинают, привинтив первоначально к ведущей трубе квадратного сечения долото. Вращая ротор, передают через ведущую трубу вращение долоту.

Во время бурения происходит непрерывный спуск (подача) бурильного инструмента таким образом, чтобы часть веса его нижней части передавалась на долото для обеспечения эффективного разрушения породы.

В процессе бурения скважина постепенно углубляется. После того как ведущая труба вся уйдет в скважину, необходимо нарастить колонну бурильных труб. Наращивание выполняется следующим образом. Сначала останавливают промывку. Далее бурильный инструмент поднимают из скважины настолько, чтобы ведущая труба полностью вышла из ротора. При помощи пневматического клинового захвата инструмент подвешивают на роторе. Далее ведущую трубу отвинчивают от колонны бурильных труб и вместе с вертлюгом спускают в шурф - слегка наклонную скважину глубиной 15... 16 м, располагаемую в углу буровой. После этого крюк отсоединяют от вертлюга, подвешивают на крюке очередную, заранее подготовленную трубу, соединяют ее с колонной бурильных труб, подвешенной на роторе, снимают колонну с ротора, опускают ее в скважину и вновь подвешивают на роторе. Подъемный крюк снова соединяют с вертлюгом и поднимают его с ведущей трубой из шурфа. Ведущую трубу соединяют с колонной бурильных труб, снимают последнюю с ротора, включают буровой насос и осторожно доводят долото до забоя. После этого бурение продолжают.

При бурении долото постепенно изнашивается и возникает необходимость в его замене. Для этого бурильный инструмент, как и при наращивании, поднимают на высоту, равную длине ведущей трубы, подвешивают на роторе, отсоединяют ведущую трубу от колонны и спускают ее с вертлюгом в шурф. Затем поднимают колонну бурильных труб на высоту, равную длине бурильной свечи, подвешивают колонну на роторе, свечу отсоединяют от колонны и нижний конец ее устанавливают па специальную площадку - подсвечник, а верхний -на специальный кронштейн, называемый пальцем. В такой последовательности поднимают из скважины все свечи. После этого заменяют долото и начинают спуск бурильного инструмента. Этот процесс осуществляется в порядке, обратном подъему бурильного инструмента из скважины.

Крепление скважины обсадными трубами и ее тампонаж. Целью тампонажа затрубного пространства обсадных колонн является разобщение продуктивных пластов.

Хотя в процессе бурения продуктивные пласты уже были вскрыты, их изолировали обсадными трубами и тампонированием, чтобы проникновение нефти и газа в скважину не мешало дальнейшему бурению. После завершения проходки для обеспечения притока нефти и газа продуктивные пласты вскрывают вторично перфорационным способом. После этого скважину осваивают, т.е. вызывают приток в нее нефти и газа. Для чего уменьшают давление бурового раствора на забой одним из следующих способов:

- промывка - замена бурового раствора, заполняющего ствол скважины после бурения, более легкой жидкостью - водой или нефтью;

- поршневание (свабирование) - снижение уровня жидкости в скважине путем спуска в насосно-компрессорные трубы и подъема на стальном канате специального поршня (сваба). Поршень имеет клапан, который открывается при спуске и пропускает через себя жидкость, заполняющую НКТ. При подъеме же клапан закрывается, и весь столб жидкости, находящийся над поршнем, выносится на поверхность.

От использовавшихся прежде способов уменьшения давления бурового раствора на забой, продавливания сжатым газом и аэрации (насыщения раствора газом) в настоящее время отказались по соображениям безопасности.

Таким образом, освоение скважины в зависимости от конкретных условий может занимать от нескольких часов до нескольких месяцев.

После появления нефти и газа скважину принимают эксплуатационники, а вышку передвигают на несколько метров для бурения очередной скважины куста или перетаскивают на следующий куст.

После проведения цикла строительства скважины, необходима уборка после строительства, которая включает: уборку как кустовой площадки, так и прилегающей территории, подвергшейся загрязнению.

2.3 Спускоподъемные операции и способы их механизации и автоматизации

Для производства спускоподъемных операций буровая бригада должна быть оснащена, во-первых, инструментами для захвата и подвешивания колонны труб (элеваторами, клиновыми захватами и т. п.) и, во-вторых, инструментом для свинчивания и развенчивания бурильных и обсадных труб (машинные ключи, круглые ключи и т. п.).

Инструмент для захвата и подвешивания колонны труб. В качестве такого инструмента применяют элеваторы, клинья и спайдеры (элеваторы с плошечными захватами). Устройства для захвата и подвешивания колонн различаются по размерам и грузоподъемности.

Инструменты для свинчивания и развенчивания бурильных и обсадных труб.

В качестве такого инструмента применяют различные ключи. Одни из них предназначаются для свинчивания, а другие для крепления и открепления резьбовых соединений колонны, Обычно легкие круговые ключи для предварительного свинчивания рассчитаны на замки одного диаметра, а тяжелые машинные ключи для крепления и открепления резьбовых соединении на два, а иногда и более размеров бурильных труб и замков.

Механические ключи для свинчивания и крепления труб. С целью облегчения труда и ускорения процесса спуска и подъема широко применяют:

- Стационарные автоматические ключи типа АКБ, полностью механизирующие все операции по свинчиванию и развенчиванию, включая крепление и раскрепление резьбовых соединений, а также вспомогательные операции (подвод-отвод ключа, захват и освобождение трубы), что позволяет ускорить эти работы на 8-10%. Выпускаются автоматические ключи универсальные, в том числе для свинчивания и крепления обсадных труб - АКБУ. Автоматические ключи должны оснащаться моментомером;

- Подвесные пневматические ключи типа ПБК, механизирующие основные операции по свинчиванию бурильных труб. Применение ключей типа ПБК ускоряет эти работы на 3-5 %.

Основное направление автоматизации спускоподъемных операции в настоящее время-оснащение буровых установок средствами механизации и управления спускоподъемном в оптимальном режиме. Под оптимизацией спускоподъемных операции понимают минимальные затраты на спуско-подъем с учетом ограничений по технологии проводки скважин.

На основе создания ряда механизмов для автоматизации и механизации отдельных операций спускоподъемных работ в нашей стране создан автомат спуско-подъем а (АСП). Эта установка позволяет комплексно механизировать спускоподъемные операции. Комплекс механизмов АСП обеспечивает:

- совмещение во времени спуска и подъема колонны бурильных труб и ненагруженного элеватора с операциями свинчивания и развенчивания свечей, их установку на подсвечник и вынос к центру скважины;

- механизацию свинчивания и развенчивания замковых соединений свечей;

- автоматизацию захвата и освобождения колонны бурильных труб элеватором;

- механизацию установки свечей на подсвечник и выноса их к центру скважины;

- механизацию смазки резьбовых соединений свечей.

Совмещение операций достигается введением в комплект установки специальной талевой системы и механизмов для расстановки свечей. При наличии этих механизмов буровая лебедка лишь поднимает и опускает колонну труб и порожний элеватор, все операции с отвинченной свечой производятся механизмами для их расстановки. Это позволяет значительно сократить время на спускоподъемные операции.

2.4 Буровые установки и оборудование

Буровая установка или буровая -- комплекс бурового оборудования и сооружений, предназначенных для бурения скважин. Состав узлов буровой установки, их конструкция определяется назначением скважины, условиями и способом бурения.

Наземная буровая установка для разведки и разработки месторождений нефти и газа в общем виде включает следующие оборудование:

- Буровая вышка.

- Буровая лебёдка.

- Система верхнего привода или ротор с вертлюгом.

- Буровой ключ.

- Шпилевая катушка.

- Буровые насосы.

- Емкости.

- Оборудование для приготовления бурового раствора.

- Оборудование очистки бурового раствора от шлама.

- Цементировочный агрегат.

- Противовыбросовое оборудование.

- Мостки и склад хранения буровых труб, трубный кран.

- Генератор для обеспечения работы электроприводов оборудования.

Применение буровых установок;

- Бурение неглубоких (до 25 метров) скважин небольшого диаметра (76-219 мм) при сейсморазведке и инженерных изысканиях.

- Бурение скважин средней глубины (до 600 м) -- структурных и поисковых скважин на твёрдые полезные ископаемые.

- Бурение глубоких (до 6000 м) разведочных и эксплуатационных скважин на нефть и газ.

- Капитальный ремонт и испытания скважин на нефть и газ.

- Бурение скважин на воду или малая буровая установка

- Бурение неглубоких (до 32 м) скважин большого диаметра (до 1,5 м) для строительства буронабивных свай (свайные фундаменты).

- Бурение взрывных скважин на открытых горных выработках и в шахтах.

Сверхглубокое бурение (до 15000м) разведочных и эксплуатационных скважин на нефть и газ. ( В России первая сверхглубокая скважина была пробурена глубиной 12261 метров на Кольском полуострове)

Органоструктура буровых установок;

- Исполнительные органы (вышка, буровая лебёдка, СВП , ротор, талевая система, буровой насос...)

- Энергетические органы (дизельные и электродвигатели, силовая пневмо- и гидросистема, приводы)

Вспомогательные органы (металлоконструкции основания, укрытий, механизмы передвижения, мост приёмный, вспомогательная лебёдка, тали, системы освещения, водоснабжения, отопления, вентиляции, эвакуации)

- Органы управления (системы пневмо- и электроуправления)

- Органы информации (система контроля параметров бурения)

Классификация буровых установок;

По виду работ:

- для эксплуатационных работ.

- для разведочных работ.

- для технических скважин.

По способу бурения делятся на установки:

- вращательного бурения.

- вращательно-ударного бурения.

- ударного бурения.

- ударно-вращательного бурения.

- вибрационного бурения.

- огнеструйного бурения.

- разрядно-импульсного бурения.

По типу привода:

- электрические буровые установки.

- электрогидравлические буровые установки.

- дизель-электрические буровые установки.

- дизельные буровые установки.

По технике передвижения:

- самоходные буровые установки.

- передвижные буровые установки.

- стационарные буровые установки.

По вариантам дислокации:

- наземные.

- морские.

2.5 Породоразрушающий инструмент

Породоразрушающий инструмент предназначен для передачи энергии горной породе с целью ее разрушения. Эффективность разрушения породы зависит от ее механических свойств и характера воздействия породоразрушающего инструмента.

При бурении нефтяных и газовых скважин используются следующие виды породоразрушающего инструмента:

- Буровые долота для бурения скважины сплошным забоем;

- Бурильные головки для бурения скважин кольцевым забоем;

- Расширители для расширения ствола скважины;

Калибраторы, стабилизаторы, центраторы для выравнивания стенок скважины и центрирования бурильной колонны.

Стойкость долота определяется временем, в течение которого долото изнашивается до предельного состояния, когда его дальнейшее применение недопустимо или нецелесообразно. Стойкость долота измеряется в часах и зависит от таких же факторов, как износ. На износ и, следовательно, на стойкость долота наибольшее влияние оказывают частота вращения долота, осевая нагрузка, подача и качество промывочного раствора, определяющие режим бурения в заданных геологотехнических условиях.

Важные показания работы долота - проходка на долото и механическая скорость бурения. Увеличение проходки на долото способствует уменьшению объема спускоподъемных операций за период бурения скважины. При повышении механической скорости бурения сокращается занятость буровых насосов, вертлюга и ротора в строительстве скважины. В результате этого снижаются энергетические затраты и расход быстро изнашиваемых узлов и деталей подъемного механизма и оборудования циркуляционной системы буровых комплексов.

Классификация породоразрушающего инструмента. По превалирующему механизму разрушения горной породы:

- режущего и режуще-скалывающего действия,

- скалывающего и дробяще-скалывающего,

- дробящего;

- истирающего действия.

По назначению:

- инструмент для сплошного бурения (бурение без отбора керна). Разрушает горную породу по всему забою и предназначен для проходки ствола скважины. Инструмент, принадлежащий к этой группе, обычно называют долотом;

- инструмент для бурения с отбором керна (колонковое бурение). Горная порода разрушается по кольцевому забою. В осевой части забоя формируется керн -целик породы в виде колонки, который извлекают на поверхность. В зависимости от конструктивных особенностей различают коронки и бурильные головки;

- инструмент (долота) специального назначения. Применяют для разбуривания цементных стаканов в обсадных колоннах, искривления скважин, разрушения попавших на забой посторонних металлических предметов, расширения ствола скважины и выполнения различных вспомогательных работ.

По конструкции:

- опорный (шарошечный). Имеет опору, на которой закреплена шарошка, независимо вращающаяся во время вращения долота по забою. Опора может быть герметизированной (современные конструкции долот) и негерметизированной. Шарошка имеет породоразрушающие элементы - зубья (литые, кованные или фрезерованные) или твердые зубки (штыри). Шарошек может быть несколько, как правило, три.

- безопорный. Имеет лопасти или матрицу, составляющие с корпусом одно целое (лопастной, истирающе-режущий, алмазный инструмент). На лопастях или матрице закреплены породоразрушающие элементы.

По конструкции системы промывки:

- с центральной промывкой;

- с периферийной промывкой, в том числе гидромониторной.

2.6 Бурильные и обсадные колонны и их элементы.

Связующим звеном между находящимся на поверхности буровым оборудованием и инструментом для разрушения породы является бурильная колонна. Она имеет многофункциональное назначение и может использоваться для:

- направления ствола скважины;

- создания нагрузки на долото и передачи ему вращательного движения;

- восприятия крутящего момента при способе бурения забойными двигателями;

- подачи бурового раствора в забой;

- подъема и спуска забойных двигателей и долота;

- исследования пластов и др.

- проведения вспомогательных работ (проработка, расширка и промывка ствола скважины, ловильные работы и др.).

В случае возникновения аварийных ситуаций и других осложнений в скважине она служит обсадной колонной. А с применением вставного долота - каналом для его спуска.

Из-за большой протяженности бурильной колонны, при любом способе бурения, разные ее участки испытывают различные нагрузки: сжатие, кручение, растяжение, давление, продольный и поперечный изгиб. Наибольшая нагрузка растяжения приходится на самую верхнюю трубу при подъеме колонны. При способе бурения с промывкой растягивающую нагрузку увеличивает поток жидкости внутри трубы. Жидкость в затрубном пространстве наоборот, снижает ее.

Трение о стенки скважины выступающих частей колонны, прилипание ее гладких частей к глинистой корке увеличивают силу трения. Не меньше сила сопротивления увеличивается за счет кривизны ствола скважины, резких сужений.

Динамические нагрузки на бурильную колонну, которые определяют долговечность и прочность забойного двигателя, долота и бурильной трубы, наиболее тяжело учитывать. На вал забойного двигателя, низ колонны и долото эти нагрузки давят вследствие взаимодействия долота и забоя. На дальние участки колонны динамические силы действуют в процессе пульсации давящего бурового раствора, работы долота и забойного двигателя.

Причиной поперечных, продольных и крутильных колебаний очень разнообразны. В ухабистых забоях возникают продольные низкочастотные колебания. А высокочастотные колебания малой амплитуды обусловлены перекатыванием шарошек долота, скачкообразным разрушением породы и т.п.

Уводят долото в сторону поперечные силы, к которым приводит нестабильное сопротивление разрушения породы шарошками, зубьями. При этом возникает косой удар, который вызывает поперечные колебания.

Требования, предъявляемые к бурильной колонне, обусловлены технологическими особенностями способа бурения, которые определяют условия работы, а так же геологическими особенностями разреза скважины. Исходя из этого, разрабатывают рациональную конструкцию и подбирают наиболее подходящий материал для изготовления колонны.

Независимо от условий работы, должен выполняться проектный режим бурения, обеспечиваться устройство скважины проектной глубины с высокими техническими и экономическими показателями без каких-либо осложнений. Поэтому компоновка колонны обязана иметь высокую прочность своих составных элементов, способную выдерживать возможные нагрузки: ударные, инерционные, вибрационные, а так же избыточные давления - наружные и внутренние.

Конструкция составных элементов бурильной колонны (замки, муфты, трубы и т.п.) должна обеспечивать надежный захват и прочное крепление соединений. Требования к резьбовым соединениям - исключение самопроизвольного отвинчивания, но при этом легкость разборки и сборки.

В целом, колонна должна иметь минимальную массу и быть экономичной.

Изготавливают бурильную колонну из технологичных высокопрочных материалов, устойчивых к агрессивным средам и абразивному изнашиванию при трении.

Бурильная колонна - непрерывная многозвенная система инструментов, соединяющая наземное буровое оборудование (вертлюг) с долотом на забое скважины.

Состав бурильной колонны:

- вертлюг

- переводник вертлюга

- верхний переводник бурильной трубы

- ведущая труба

- нижний переводник ведущей трубы

- предохранительный переводник

- муфта бурильного замка

- бурильные трубы

- ниппель

- муфта

- переводник

- утяжеленные бурильные трубы

Вспомогательные элементы:

- Центраторы - для центрирования нижнего направляющего участка бурильной колонны в стволе скважины и предупреждения его самопроизвольного искривления - лопастные, шарошечные.

- Калибраторы - для выравнивания стенок скважины до номинального диаметра и калибрования ее ствола - лопастные, шарошечные.

- Стабилизаторы - для стабилизации работы нижнего направляющего участка бурильной колонны путем ограничения прогиба труб при наличии каверн, гашения поперечных и иных колебаний - с цельными лопастями, со сменными лопастями, с приваренными лопастями.

- Амортизаторы - для снижения амплитуды динамических нагрузок - пружинные, резинометаллические, гидравлические, газовые.

- Протекторные кольца - для защиты бурильных и обсадных труб - резиновые, резинометаллические, пластиковые, металлические.

- Обратные клапаны - для предупреждения поступления загрязненного бурового раствора в бурильную колонну.

- Фильтры - для предупреждения попадания в бурильную колонну посторонних предметов.

- Металлошламоуловители - для улавливания кусков металла и крупного шлама.

- Гидрояссы (гидроударники) - для освобождения бурильной колонны от прихватов.

- Переводники - для соединения бурильных труб и др. элементов.

Обсадная колонна -- предназначена для крепления буровых скважин, а также изоляции продуктивных горизонтов при эксплуатации; составляется из обсадных труб путём последовательного их свинчивания (иногда сваривания). Обсадные трубы, применяемые при бурении нефтяных и газовых скважин, изготовляются в основном из стали с двумя нарезанными концами и навинченной муфтой на одном конце (иногда безмуфтовые с раструбным концом). Резьба труб выполняется конической, треугольной или специального трапецеидального профиля. Для создания герметичности при высоких давлениях нефти и газа (более 30 МПа) применяются соединения с уплотнительными элементами. В CCCP обсадные трубы выпускаются по наружному диаметру от 114 до 508 мм, длиной 9,5-13 м. Толщина стенок труб в зависимости от диаметров 5-16 мм. Различают семь групп прочности обсадных труб: Д, К, Е, Л, М, R, Т с пределом текучести 379-1065 МПа. На каждой трубе наносится маркировка с указанием диаметра, группы прочности, толщины стенки, номера трубы и даты выпуска. Обсадные трубы для крепления скважин при бурении на твёрдые полезные ископаемые выпускаются в основном из стали (безниппельные и ниппельные). Безниппельные трубы диаметром от 33,5 до 89 мм, ниппельные -- от 25 до 146 мм (для отбора керна выпускаются только ниппельные диаметром 25-146 мм). Толщина стенок труб в зависимости от диаметра 3-5 мм, длина труб 1,5- 6 м. Трубы изготовляются трёх групп прочности Д, К, М с пределом текучести 380-750 МПа. Они поставляются с навинченными ниппелями. На каждой трубе указываются диаметр и группа прочности материала. Резьба труб защищается от повреждений предохранительными ниппелями и кольцами.

Обсадная колонна выполняет следующие функции:

- сдерживает давление пласта и предотвращает растрескивание верхней, менее прочной зоны;

- предохраняет скважину от обрушения;

- удерживает добываемые жидкости в стволе скважины;

- служит якорем наземному оборудованию;

- служит якорем газлифтному оборудованию;

Разделяет пласты и обеспечивает приток только из тех зон, которые определены инженером-нефтяником.

Поскольку обсадная колонна выполняет несколько различных функций, обычно устанавливают более одной колонны обсадных труб. Колонны делятся на пять категорий:

- направляющая труба;

- кондуктор;

- техническая (промежуточная) обсадная колонна;

- обсадная колонна-хвостовик;

- эксплуатационная обсадная колонна.

Направляющая труба на некоторых участках из-за состояния почвы на поверхности может потребоваться установка короткой направляющей трубы длиной обычно не более 6--15 м во избежание избыточного обрушения краев скважины. Направляющая труба служит также трубопроводом для подъема бурового раствора на достаточную высоту над уровнем земли, чтобы вернуть его в амбар. Кроме того, она предотвращает подмыв основания вышки. Направляющая труба устанавливается после того, как буровая площадка спрофилирована и подготовлена под вышку. Если будут делаться амбары для бурового раствора, они должны быть вырыты. Отверстие под направляющую трубу бурится буром, установленным на грузовом автомобиле. Затем труба вводится в скважину, а пространство вокруг нее заливается цементом. На болотах и при морской добыче трубу устанавливают с помощью сваебойной машины. При бурении с морских платформ диаметр направляющей трубы может составлять 750--1080 мм, а на суше диаметр обычно меньше - 400-500 мм.

Следующая устанавливаемая обсадная колонна называется кондуктором. Она защищает пресноводные пласты от загрязнения нефтью, газом или соленой водой из более глубоких продуктивных слоев. Поскольку водоносные слои, как правило, встречаются на небольших глубинах, обычно необходимая высота кондукторной колонны не превышает 600 м. Важная вспомогательная функция кондуктора заключается в подготовке места для размещения противовыбросового устройства (ПВУ), которое монтируется в процессе бурения, чтобы противостоять ударам или скачкам давления в стволе скважины. После закачивания скважины ПВУ заменяет добывающий коллектор или фонтанную арматуру. Кондуктор следует устанавливать довольно глубоко, чтобы достать до скальных пород, которые не будут растрескиваться или разламываться под максимальным ожидаемым весом бурового раствора на той глубине, где предполагается установить следующую колонну. Наружный диаметр кондуктора немного меньше диаметра направляющей трубы. (Кондуктор спускается внутри направляющей трубы.) Минимальная глубина обычно составляет 10% от ожидаемой суммарной глубины скважины или 150 м (выбирается большая из этих величин). Когда достигается требуемая глубина, эту колонну цементируют в окружающей направляющей трубе и таким образом фиксируют ее на месте.

Промежуточная обсадная колонна, хотя она и не всегда устанавливается, предохраняет скважину от потерь бурового раствора в пластах неглубокого залегания. При бурении в зонах с пластовым давлением, превышающим норму, или содержащих отложения, склонные к осыпям и обвалам, а также в зонах поглощения бурового раствора может потребоваться установка обсадной колонны для минимизации риска перед более глубоким бурением. Для этого служит промежуточная обсадная колонна. Строго говоря, она не нужна для правильного функционирования скважины, так что это скорее часть операции бурения, чем заканчивания скважины. Промежуточные обсадные колонны подвешиваются и герметизируются на поверхности на подвеске обсадной колонны. Нижняя часть заполняется цементом, циркулирующим вниз, вокруг забойной зоны скважины, и вверх, сквозь те пласты, где он нужен. Цементирование более подробно будет рассмотрено ниже.

В отличие от обсадной трубы, проходящей с поверхности до заданной глубины и перекрывающейся с предыдущей обсадной трубой, труба-хвостовик проходит только от конца предыдущей колонны до дна открытой скважины. Колонны-хвостовики подвешиваются с предыдущей колонны на подвеске. Они часто цементируются по всему стволу, но могут быть и подвешены в скважине без цементирования. Преимущество использования колонны-хвостовика заключается в том, что не нужно пропускать обсадную трубу до самой поверхности. Обсадные колонны стоят дорого, поэтому, используя меньшее число таких колонн, можно заметно сократить расходы. Иногда колонны-хвостовики устанавливаются в скважине в качестве защитных обсадных труб, выполняя ту же функцию, что промежуточная колонна.

Эксплуатационная обсадная колонна известна под названием нефтяной колонны или последней колонны. Она отделяет нефть и/или газ от нежелательных флюидов продуктивного пласта и от других зон, через которые проходит ствол скважины. Эта обсадная труба служит также защитным кожухом для насосно-компрессорной колонны и другого оборудования, используемого в скважине. Эксплуатационная обсадная колонна -- последнее звено обсадной колонны, вводимое в скважину. Это непрерывная труба, идущая от поверхности до продуктивных пластов.

2.7 Забойные двигатели.

При бурении нефтяных и газовых скважин применяют гидравлические и электрические забойные двигатели , преобразующие соответственно гидравлическую энергию бурового раствора и электрическую энергию в механическую на выходном валу двигателя. Гидравлические забойные двигатели выпускают гидродинамического и гидростатического типов. Первые из них называют турбобурами, а вторые - винтовыми забойными двигателями. Электрические забойные двигатели получили наименование электробуров.

Турбобур представляет собой многоступенчатую гидравлическую турбину, к валу которой непосредственно или через редуктор присоединяется долото.

Каждая ступень турбины состоит из диска статора и диска ротора.

В статоре, жестко соединенном с корпусом турбобура, поток бурового раствора меняет свое направление и поступает в ротор , где отдает часть своей гидравлической мощности на вращение лопаток ротора относительно оси турбины. При этом на лопатках статора создается реактивный вращающий момент, равный по величине и противоположный по направлению вращающему моменту ротора. Перетекая из ступени в ступень, буровой раствор отдает часть своей гидравлической мощности каждой ступени. В результате вращающие моменты всех ступеней суммируются на валу турбобура и передаются долоту. Создаваемый при этом в статорах реактивный момент воспринимается корпусом турбобура и БК.

Работа турбины характеризуется частотой вращения вала n , вращающим моментом на валу М, мощностью N, перепадом давления DР и коэфициентом полезного действия h.

Как показали стендовые испытания турбины, зависимость момента от частоты вращения ротора почти прямолинейная. Следовательно, чем больше n , тем меньше М, и наоборот.

В этой связи различают два режима работы турбины: тормозной, когда n = 0, а М достигает максимального значения , и холостой, когда n достигает максимального , а М=0. В первом случае необходимо к валу турбины приложить такую нагрузку, чтобы его вращение прекратилось, а во втором - совершенно снять нагрузку.

Максимальное значение мощности достигается при частоте вращения турбины n = n0.

Режим, при котором мощность турбины достигает максимального значения называется экстремальным. Все технические характеристики турбобуров даются для значений экстремального режима. В этом режиме работа турбобура наиболее устойчива, так как небольшое изменение нагрузки на вал турбины не приводит к сильному изменению n, следовательно, к возникновению вибраций, нарушающих работу турбобура.

Режим, при котором коэфициент полезного действия h турбины достигает максимального значения называется оптимальным. При работе на оптимальном режиме , т.е. при одной определенной частоте вращения ротора турбины для данного расхода бурового раствора Q, потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений в турбине DР минимальны.