Цель работы: Изучить назначение, устройство основных узлов и агрегатов буровых установок для глубокого бурения нефтегазоносных скважин, технические характеристики установок, главные параметры, порядок проведения скважин, провести выбор класса установки, а также рассмотреть основные конструкции и параметры буровых вышек, применение вышек и расчет их параметров.

Основные положения: Нефтегазоносной скважиной (рисунок 1) называется вертикальная или наклонно-горизонтальная выработка в массиве горных пород глубиной 500-8000 м до поверхности продуктивного пласта, при этом осевая протяженность скважины значительно превышает ее диаметр. Поиск, разведка и извлечение нефти и газа более чем в 90% производится через скважины, которые создаются буровыми установками путем вращательного или ударно-вращательного бурения. Интервалы скважины (направление, кондуктор, технические промежуточные колонны, эксплуатационная колонна) после бурения обсаживаются для предотвращения обвалов стенок специальными обсадными колоннами (рисунок 2).

Рисунок 1 - Конструкция скважин:

а - профиль; б - концентрическое расположение обсадных колонн в стволе скважины; в - графическое изображение конструкции скважин; г - рабочая схема конструкции скважины

Буровая установка (рисунки 2а, 2б) - это техническая система, включающая комплекс наземного оборудования (вышка, привышечные сооружения, силовой привод, лебедка, талевая система с кронблоком и талевым блоком, вращатель - ротор, оборудование для бурового раствора, вертлюг), которая, взаимодействуя с погружным оборудованием (буровая колонна, инструмент - долото), осуществляет технологический процесс проведения скважины.

Бурение скважин было изобретено до нашей эры в Китае, а позже забыто. В разных частях света издревле применялся принцип бурения для добычи соли и питьевой воды. Но в XIX в. бурение было взято на вооружение нефтедобытчиками и вновь возродилось. Это не было принципиально новым промышленным методом добычи, скорее заимствованным у добытчиков соли и бурильщиков водяных колодцев как метод, обеспечивавший более глубокое проникновение в недра земли и более эффективную добычу "земляного масла" (нефти).

Рисунок 2а - Буровая установка

С бурения первых промышленных скважин на нефть и начинается собственно история добычи нефти.

Первой, по настоящему нефтяной скважиной, целенаправленно пробуренной для добычи "черного золота", принято считать скважину, пробуренную в США в 1859 году в местечке Тайтусвилл (штат Пенсильвания) изыскателем Эдвином Дрейком по поручению бизнесмена Джорджа Бисселя.

В России первая скважина на нефть была пробурена в 1865 году в долине реки Кудако на Кубани.

В Республике Казахстан началом промышленного освоения ее запасов считается 29 апреля 1911 года, когда после года с начала бурения на промысле Доссор в местечке Карашунгул дала нефть с глубины 225 м скважина № 3. Скважина фонтанировала в течение 30 часов и дала 16700 пудов нефти.

Техника и технология бурения постоянно совершенствуются. Основным методом бурения на суше и на шельфе моря является вращательное (роторное, погружными бурами, верхнеприводное) с использованием шарошечных долот. Самая глубокая эксплуатационная скважина на нефть пробуренная на суше имеет глубину 6300 м (США, Калифорния), а пробуренная на море, включая толщу воды, - 7700 м (Мексиканский залив). Самая глубокая газовая эксплуатационная скважина - 8900 м (США, Техас). Максимально достигнутая глубина скважины 12100 м (Россия, Кольский полуостров). Одним из важнейших технологических достижений последних лет является развитие наклонно-направленного и горизонтального бурения: если в 1988 г. в мире было пробурено 200 скважин с горизонтальным стволом, то в 2010 г. - более 6000. При этом протяженность скважин достигла 10 км.

Рисунок 2б - Схема буровой установки для глубокого вращательного бурения: 1 - талевый канат; 2 - талевый блок; 3 - вышка; 4 - крюк; 5 - буровой шланг; 6 - ведущая труба; 7 - желоба; 8 - буровой насос; 9 - двигатель насоса; 10 - обвязка насоса; 11 - приемный резервуар (емкость); 12 - бурильный замок; 13 - бурильная труба; 14 - гидравлический забойный двигатель (при роторном бурении не устанавливается); 15 - долото; 16 - ротор; 17 - лебедка; 18 - двигатели лебедки и ротора; 19 - вертлюг

Рисунок 3 - Функциональная схема буровой установки (цифрами указаны передаточные элементы)

1 - переводник и центратор; 2, 3 - переводник ведущей бурильной трубы и вертлюга; 4 - буровой крюк; 5 - ведущая ветвь каната; 6, 7, 9 - трансмиссия лебедки и роторного вращателя (ротор); 8 - линия высокого давления подачи бурового раствора в скважину; 10 - зажимы (клиновые вкладыши) ротора

Главными параметрами буровых установок являются допустимая нагрузка на буровом крюке талевой системы и глубина бурения скважины. По этим показателям буровые установки СНГ (выпуска Волгоградского завода буровой техники и Уралмаша) делятся на 11 классов (таблица 1)

Таблица 1. Технические характеристики буровых установок СНГ

Примечание: Установки БУ-10000 и БУ-12500 выпускаются заводом Уралмаш по специальному заказу.

Назначение основных узлов и агрегатов буровой установки

Буровая вышка - это сооружение над скважиной для спуска - подъема бурового инструмента, бурильных и обсадных труб, забойных двигателей, размещения бурильных свечей (соединений 2-3 бурильных труб) после подъема их из скважины, а также для защиты буровой бригады от атмосферного влияния.

нефтегазоносная скважина буровая установка

Талевая система предназначена для уменьшения натяжения талевого каната, снижения скорости движения бурового инструмента, обсадных и бурильных труб и состоит из неподвижного кронблока (рисунок 6) в верхней части вышки, талевого блока (рисунок 7), соединенного с кронблоком талевым канатом, один конец которого крепится к барабану лебедки, а другой закреплен неподвижно внизу буровой вышки и бурового крюка.

Буровая лебедка служит для выполнения следующих операций:

спуска-подъема бурильных и обсадных труб;

удержания на весу бурового инструмента;

подъема различных грузов и оборудования.

Вертлюг - это механизм, соединяющий невращающуюся талевую систему с буровым крюком с вращающейся буровой колонной и обеспечивающий подачу бурового раствора для охлаждения бурового инструмента и выноса шлама с забоя скважины.

Буровые насосы служат для нагнетания бурового раствора в скважину. При глубоком бурении используются двухцилиндровые поршневые насосы двойного действия или многоцилиндровые одинарного действия. Промывочная жидкость под давлением по напорному рукаву от насоса подается к перемещающемуся вертлюгу и далее по ведущей трубе и буровой колонне к инструменту.

Роторный вращатель (ротор) передает через ведущую буровую трубу вращение бурильной колонне и инструменту, поддерживает на весу колонну бурильных или обсадных труб и воспринимает реактивный крутящий момент бурильной колонны, при оснащении ее погружным забойным двигателем (турбобуром, электробуром, винтобуром).

Силовой привод (электрический, дизельный, дизель-электрический) обеспечивает функционирование буровой установки. Электропривод от двигателей постоянного или переменного тока прост в монтаже и эксплуатации, но применим только в электрофицированных районах. Дизельный привод применим в районах не обеспеченных электроэнергией. Дизель - электрический привод состоит из дизеля, который вращает генератор, питающий электродвигатель.

Суммарная мощность привода буровой установки составляет 1000-4500 кВт и распределяется на приводы буровой лебедки, насосов, ротора, автоматического бурового ключа, клиновых пневмозахватов.

К привышечным сооружениям относятся:

помещения для размещения привода и буровой лебедки;

насосное помещение;

приемные мостки для подачи бурового технологического оборудования;

трансформаторная площадка;

стеллажи для размещения бурильных и обсадных труб.

Спуско-подъемные операции (СПО) по подъему и спуску буровых труб и обсадных колонн занимают 18-20% времени бурения и для их сокращения разработаны специальные механизмы типа МСП, АСП, АКБ-ЗМ, клиновые захваты и др.

Магазин (свечеприемник) предназначен для размещения и удержания бурильных свечей и утяжеленных бурильных труб, которые устанавливаются на платформе буровой установки вертикально на подсвечник и в магазин. Магазин представляет собой раму, разделенную на секции в виде гребенки. В установках с ручной расстановкой свечей на определенной высоте вышки монтируется площадка верхового рабочего, а в установках с АСП - располагается механизм расстановки свечей.

Направляющие. В последние годы в связи с развитием систем верхнего привода буровые установки оснащаются специальными съемными направляющими по высоте буровой вышки, длина которых определяется длиной хода вращателя (верхнего привода). Они изготавливаются из труб или профильного проката.

Процесс проведения бурения состоит из следующих операций:

установка в вертлюг и ротор ведущей трубы с долотом и бурение скважины на ее длину (13-15м);

подъем ведущей трубы из ротора, отвинчивание долота от ведущей трубы и ведущей трубы от вертлюга и установка ведущей трубы в шурф;

подъем крюком на элеваторе бурильной трубы, навинчивания на нее долота, установка на элеваторе или на клиньях ротора бурильной трубы с долотом, навинчивание на муфту бурильной трубы ведущей трубы и закрепление ее на вертлюге, спуск буровой и ведущей труб в ротор и закрепление ведущей трубы в роторе;

запуск ротора и бурового насоса для закачки бурового раствора;

по мере углубления скважины производится наращивание бурильной колонны свечами из 2-3 труб, вновь установка ведущей трубы на вертлюг и ротор и запуск бурового раствора и ротора.

Подъем колонны состоит из повторяющихся операций, которые заключаются в подъеме свеч, установке их на специальном подсвечнике внутри вышки.

После бурения каждого интервала скважины производится ее крепление обсадными трубами с их цементированием (рисунок 4).

Рисунок 4 - Цементирование

Задача 1. Выбор класса буровой установки

При разбуривании нового нефтяного или газового месторождения большое значение имеет правильность выбора буровой установки. Исходными данными при этом являются проектная глубина и конструкция скважины.

Кроме того, для определения способа транспортировки и монтажа необходимо учитывать рельеф местности, грунтовые условия, ожидаемую скорость бурения.

Пример: Задана глубина скважины L_c. Конструкция скважины состоит из следующих обсадных колонн: направления (направляющей) диаметром D_н при толщине стенок _н и весе 1 п. м. q_н; кондуктора диаметром D_к при толщине стенок _к и весе 1 п. м. q_к; промежуточной технической колонны диаметром D_пт при толщине стенок _пт и весе 1 п. м. q_пт; эксплуатационной колонны диаметром D_э, при толщине стенок _э и весе 1п. м. q_э.

Глубины спуска интервалов: направления l_н, кондуктора l_k, промежуточной колонны l_пт, эксплуатационной l_э.

Для бурения скважин до проектной глубины использованы бурильные трубы диаметром D_б с толщиной стенки _б и весом 1п. м q_б, а также утяжеленные бурильные трубы (УБТ) диаметром D_УБТ весом 1п. м q_убт, длиной l_убт, которые устанавливаются непосредственно над инструментом-долотом для предотвращения искривления профиля скважины.

При этих условиях вес направления составит (значения параметров принимаются из таблиц исходных данных по вариантам):

вес кондуктора

вес промежуточной технической колонны

вес эксплуатационной колонны

вес бурильной колонны

вес утяжеленной бурильной колонны

По полученному значению наибольшей нагрузки из таблицы 1 "Технические характеристики буровых установок СНГ" подбирается соответствующий тип буровой установки.

Буровые вышки

По конструкции различают два типа вышек: башенные (рисунок 6) и мачтовые (рисунок 7). Их изготавливают из труб или профильной прокатной стали.

Башенная вышка представляет правильную усеченную четырехгранную пирамиду решетчатый конструкции. Ее основными элементами являются опоры 1, ворота 2, балкон 3 верхнего рабочего, подкронблочная площадка 4, монтажные стойки 5, поперечные пояса 6, стяжки 7, маршевая лестница 8.

Вышки мачтового типа бывает одноопорные и двухопорные (А-образные). В конструкцию мачтовой вышки А-образного типа входят подъемная стойка 1, секции мачты 2, 3, 4, 6, пожарная лестница 5, монтажные стойки 7 для ремонта кронблока, подкронблочная рама 8, растяжки 9, 10, 14, оттяжки 11, тоннельные лестницы 12, балкон 13 верхнего рабочего, предохранительный пояс 15, маршевая лестницы 16, шарнир 17.

Рисунок 5 - Башенная вышка ВМ - 41