Бурение скважин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Жидкое и газообразное углеводородное сырье ежегодно извлекается из недр Земли через сотни тысяч добывающих скважин, которые, будучи закреплены стальными обсадными трубами большой конструкционной прочности, выполняют роль герметичных вертикальных или наклонных трубопроводов, соединяющих глубокозалегающие нефтяные пласты с размещенными на дневной поверхности системами сбора, подготовки и транспортировки добытой нефти и газа. В технологически обусловленном сочетании с геологическими, геофизическими, геохимическими и гидродинамическими исследованиями бурение скважин различного назначения ведется на всех этапах цикла разведки и разработки нефтяного (газового, газо-конденсатного и др.) месторождения. Условия размещения, бурения, закачивания и эксплуатации всех этих скважин следует учитывать при планировании, проектировании, финансировании и организации буровых работ.

На современном этапе развития различных направлений горного дела бурение скважины осуществляется как самостоятельный цикл строительства горно - технического сооружения, например, при разведке или эксплуатации жидких и газообразных полезных ископаемых, а также и как вспомогательная операция, выполняемая при других горных и строительных работах, например во время проходки шахт в сильно водоносных породах по известному способу предварительного замораживания или цементирования грунта, для исследования грунтов при возведении крупных объектов промышленного и гражданского строительства. К числу отраслей, производственная деятельность которых находится в прямой зависимости от физических объемов и качества буровых работ, относятся Миннефтепром, Мингазпром и Министерство геологии СССР. Все скважины, сооружаемые буровыми предприятиями этих отраслей с целью геологического исследования недр на территории страны и шельфовых акваториях, проведения нефтегазопоисковых работ, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений, подразделяются на опорные, параметрические, структурные, поисковые, разведочные, эксплуатационные, оценочные, нагнетательные, наблюдательные и др. Наряду с этим буровые скважины различного назначения в довольно большом количестве сооружаются и применяются в угольной, горнорудной, химической промышленности, в сфере медицинского обслуживания населения, а также в системе промышленного и гражданского строительства.

1. Краткая история развития бурения

На основании археологических находок и исследований установлено, что первобытный человек около 25 тыс. лет назад при изготовлении различных инструментов сверлил в них отверстия для прикрепления рукояток. Рабочим инструментом при этом служил кремневый бур.

В Древнем Египте вращательное бурение (сверление) применялось при строительстве пирамид около 6000 лет назад.

Первые сообщения о китайских скважинах для добычи воды и соляных рассолов содержатся в работах философа Конфуция, написанных около 600 г. до н.э. Скважины сооружались методом ударного бурения и достигали глубины 900 м. Это свидетельствует о том, что до этого техника бурения развивалась в течение, по крайней мере, еще нескольких сот лет. Иногда при бурении китайцы натыкались на нефть и газ. Так в 221-263 гг. н.э. в Сычуане из скважин глубиной около 240 м добывали газ, который использовался для выпаривания соли.

Документальных свидетельств о технике бурения в Китае мало. Однако, судя по древней китайской живописи, барельефам, гобеленам, панно и вышивкам на шелке, эта техника находилась на довольно высокой стадии развития.

Бурение первых скважин в России относится к IX веку и связано с добычей растворов поваренной соли в районе г. Старая Русса. Соляной промысел получил большое развитие в XV-XVII вв., о чем свидетельствуют обнаруженные следы буровых скважин в окрестностях г. Соликамска. Их глубина достигала 100 м при начальном диаметре скважин до 1 м.

Стенки скважин часто обваливались. Поэтому для их крепления использовались или полые стволы деревьев или трубы, сплетенные из ивовой коры. В конце XIX в. стенки скважин стали крепить железными трубами. Их гнули из листового железа и склепывали. При углублении скважины трубы продвигали вслед за буровым инструментом (долотом); для этого их делали меньшего диаметра, чем предшествующие. Позднее эти трубы стали называть обсадными. Конструкция их со временем была усовершенствована: вместо клепанных они стали цельнотянутыми с резьбой на концах.

Первая скважина в США была пробурена для добычи соляного раствора близ г. Чарлстона в Западной Вирджинии в 1806 г. Придальнейших поисках рассолов в 1826 г. близ г. Бернсвилла в шт. Кентукки случайно была найдена нефть.

Первые упоминания о применении бурения для поисков нефти относятся к 30-м годам XIX века. На Тамани, прежде чем рыть нефтяные колодцы, производили предварительную разведку буравом. Очевидец оставил следующее описание: «Когда предполагают выкопать в новом месте колодец, то сначала пробуют буравом землю, вдавливая оный и подливая немного воды, дабы он ходше входил и по вынятию оного, есть ли будет держаться нефть, то на сем месте начинают копать четырехугольную яму».

В декабре 1844 г. член Совета Главного Управления Закавказского края В.Н. Семенов направил своему руководству рапорт, где писал о необходимости ... углубления посредством бура некоторых колодцев ... и произведения вновь разведки на нефть также посредством бура между балаханскими, байбатскими и кабристанскими колодцами». Как признавал сам В.Н. Семенов, эту идею подсказал ему управляющий бакинских и ширванских нефтяных и соляных промыслов горный инженер Н.И. Воскобойников. В 1846 г. министерство финансов выделило необходимые средства и были начаты буровые работы. О результатах бурения говорится в докладной записке наместника Кавказа графа Воронцова от 14 июля 1848 г.: « ... на Биби-Эйбате пробурена скважина, в которой найдена нефть». Это была первая нефтяная скважина в мире!

Незадолго до этого в 1846 г. французский инженер Фовель предложил способ непрерывной очистки скважин -- их промывку. Сущность метода заключалась в том, что с поверхности земли по полым трубам в скважину насосами закачивалась вода, выносящая кусочки породы наверх. Этот метод очень быстро получил признание, т.к. не требовал остановки бурения.

Первая нефтяная скважина в США была пробурена в 1859 г. Сделал это в районе г. Тайтесвилл, штат Пенсильвания Э. Дрейк, работавший по заданию фирмы «Сенека ойл компани». После двух месяцев непрерывного труда рабочим Э. Дрейка удалось пробурить скважину глубиной всего 22 м, и она дала все - таки нефть. Вплоть до недавнего времени эта скважина считалась первой в мире, но найденные документы о работах под руководством В.Н. Семенова восстановили историческую справедливость.

Многие страны связывают рождение своей нефтяной промышленности с бурением первой скважины, давшей промышленную нефть. Так, в Румынии отсчет ведется с 1857 г., в Канаде - с 1858 г., в Венесуэле - с 1863 г. В России долгое время считалось, что первая нефтяная скважина была пробурена в 1864 г. на Кубани на берегу р. Кудако под руководством полковника А.Н. Новосильцева. Поэтому в 1964 г. у нас в стране торжественно отметили 100-летие отечественной нефтяной промышленности и с тех пор каждый год отмечают «День работника нефтяной и газовой промышленности».

Число пробуренных скважин на нефтяных промыслах в конце XIX века стремительно росло. Так в Баку в 1873 г. их было 17, в 1885 г. - 165, в 1890 г. - 356, в 1895 г. - 604, то к 1901 г. - 1740. Одновременно значительно возросла глубина нефтяных скважин. Если в 1872 г. она составляла 55-65 м, то в 1883 г. - 105-125 м, а к концу XIX в. достигла 425-530 м.

В конце 80-х гг. прошлого века близ г. Новый Орлеан (шт. Луизиана, США) было применено вращательное бурение на нефть с промывкой скважин глинистым раствором. В России вращательное бурение с промывкой впервые применили близ г. Грозного в 1902 г. и нашли нефть на глубине 345 м.

Первоначально вращательное бурение осуществлялось вращением долота вместе со всей колонной бурильных труб непосредственно с поверхности. Однако при большой глубине скважин вес этой колонны весьма велик. Поэтому еще в XIX в. появились первые предложения по созданию забойных двигателей, т.е. двигателей, размещаемых в нижней части бурильных труб непосредственно над долотом. Большинство из них осталось нереализованными.

1Мстиславская Л.П. Основы нефтегазового производства. Москва: Нефть и газ, 2008. 176 с.Впервые в мировой практике советским инженером (впоследствии членом-корреспондентом АН СССР) М.А. Капелюшниковым в 1922 г. был изобретен турбобур, представлявший собой одноступенчатую гидравлическую турбину с планетарным редуктором. Турбина приводилась во вращение промывочной жидкостью. В 1935 - 1939 гг. конструкция турбобура была усовершенствована группой ученых под руководством П.П. Шумилова. Турбобур, предложенный ими, представляет собой многоступенчатую турбину без редуктора.

В 1899 г. в России был запатентован электробур, представляющий собой электродвигатель, соединенный с долотом и подвешенный на канате. Современная конструкция электробура была разработана в 1938 г. советскими инженерами А.П. Островским и Н.В. Александровым, а уже в 1940 г. электробуром была пробурена первая скважина.

В 1897 г. в Тихом океане в районе о. Сомерленд (шт. Калифорния, США) впервые было осуществлено бурение на море. В нашей стране первая морская скважина была пробурена в 1925 г. в бухте Ильича (близ г. Баку) на искусственно созданном островке. В 1934 г. Н.С. Тимофеевым на о. Артема в Каспийском море было осуществлено кустовое бурение, при котором несколько скважин (порой более 20) бурятся с общей площадки. Впоследствии этот метод стал широко применяться при бурении в условиях ограниченного пространства (среди болот, с морских буровых платформ и т.д.). С начала 60-х годов с целью изучения глубинного строения Земли в мире стали применять сверхглубокое бурение.

2. Бурение и область его применения

Бурение -- процесс сооружения горной выработки цилиндрической формы -- скважины, шпура (искусственное цилиндрическое углубление в твёрдой среде (горной породе, бетоне) диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м. Применяются для размещения зарядов при взрывных работах, для установки анкерной крепи, нагнетания воды или цемента в окружающий массив горных пород и т.п. Для бурения шпура применяются бурильные молотки, электросвёрла и др. лёгкие буровые машины) или шахтного ствола.

Бурение осуществляется, как правило, в земной коре, реже в искусственных материалах (бетоне, асфальте и др.). В ряде случаев процесс бурения включает крепление стенок скважин (как правило, глубоких) обсадными трубами с закачкой цементного раствора в кольцевой зазор между трубами и стенками скважин.

Процесс бурения скважины заключается в последовательном разрушении поверхности забоя скважины и извлечения продуктов разрушения на поверхность.

Бурение скважины -- сложный технологический процесс строительства ствола буровых скважин, состоящий из следующих основных операций:

· углубление скважины посредством разрушения горных пород буровым инструментом;

· удаление выбуренной породы из скважины;

· крепление ствола скважины в процессе ее углубления обсадными колоннами;

· проведение комплекса геолого-геофизических работ по исследованию горных пород и выявлению продуктивных горизонтов;

· спуск на проектную глубину и цементирование последней (эксплуатационной) колонны.

Выделяют 4 категории бурения скважины в зависимости от их глубин:

· мелкое бурение - до 1500 м;

· бурение на средние глубины - до 4500 м;

· глубокое бурение - до 6000 м;

· сверхглубокое бурение - глубже 6000 м.

Область применения бурения многогранна: поиски и разведка полезных ископаемых; изучение свойств горных пород; добыча жидких, газообразных и твёрдых (при выщелачивании и выплав-лении) полезных ископаемых через эксплуатационные скважины; производство взрывных работ; выемка твёрдых полезных иско-паемых; искусственное закрепление горных пород (замора-живание, битумизация, цементация и др.); осушение обводнённых месторождений полезных ископаемых и заболоченных районов; вскрытие месторождений; прокладка подземных коммуникаций: сооружение свайных фундаментов и др.

2.1 Классификация способов бурения

Бурение скважин может осуществляться способами, принципиально отличающимися по своей физической природе разрушения горных пород: по способу воздействия на горные породы, по характеру разрушения горных пород на забое, по типу долота (рис.1).

По способу воздействия на горные породы различают механическое и немеханическое бурение. При механическом бурении буровой инструмент непосредственно воздействует на горную породу, разрушая ее, а при немеханическом разрушение происходит без непосредственного контакта с породой источника воздействия на нее. Немеханические способы: гидрав-лический, термический (огнеструйное, плазменное, лазерное), электро-физический (электроимпульсное, электрогидравлическое, электромагнитное) находятся в стадии разработки и для бурения нефтяных и газовых скважин в настоящее время не применяются.



Рис. 1. Классификация способов бурения скважин на нефть и газ

Механические способы бурения подразделяются на ударное и вра-щательное.

· вращательные (роторное, турбинное, реактивно-турбинное, с использованием электробура и винтовых забойных двигателей) - горная порода разрушается в результате вращения прижатого к забою породоразрушающего инструмента (бурового долота). Вращательный способ бурения характеризуется высокой производительностью, позволяет получать скважины в несколько километров. Этот способ подразделяется на шнековое, и роторное бурение. Шнековое бурение применяют для получения скважин диаметром до 125 мм и глубиной до 30 м в мягких и мерзлых грунтах при помощи штанг в виде труб с ребордами (винтовыми наваренными полосами). Роторное бурение используется для устройства скважин большого диаметра (300-400 мм) и глубиной до 1500 м. Роторная бурильная установка состоит из вращателя - ротора, сборной вышки и оборудования для промывки скважины. Нижний конец трубы имеет шарошечные или лопастные долота, которые разрабатывают грунт. В мягких и мерзлых грунтах используют часто электрические сверлильные машины.

· ударные - ударное бурение используют при разведке рассыпных месторождений, бурении гидрогеологических и различного назначения технических скважин большого диаметра в породах любой твердости (в крепких породах оно мало производительно). Сущность этого способа заключается в том, что тяжелый ударный снаряд с долотом периодически сбрасывается на канате с небольшой высоты на забой, дробя и скалывая при этом породу. После каждого удара снаряд поворачивается на некоторый угол за счет раскручивания каната. Удаление разрушенной породы проводится желонками. Ударный способ, применяющийся при проходке нефтяных и газовых скважин в некоторых странах, включая США, уже давно не применяется на нефтяных промыслах России.

Ш ударно-поворотное - удары по забою производятся периодичес-ки поворачивающимся буровым инструментом;

Ш ударно-вращательное - по вращающемуся под постоянной осевой нагрузкой породоразрушающему инструменту любого типа наносятся частые удары. Крепкие породы при этом разрушаются более эффективно. Для бурения ударно - вращательным способом применяют специальные забойные механизмы: гидроударники, пневмоударники, магнитострикторы и забойные вибраторы.

Ш вращательно-ударное - буровой инструмент находится под большой осевой нагрузкой в постоянном контакте с забоем скважины и разрушает горную породу в результате вращения и периодически наносимых по инструменту ударов.

При Басарыгин А.В., Булатов М.С., Бурение нефтяных и газовых скважин СПб.: Интеллект, 2002. 343 с. ударном бурении разрушение горных пород производится долотом 1, подвешенным на канате (рис. 2). Буровой инструмент включает также ударную штангу 2 и канатный замок 3. Он подвешивается на канате 4, который перекинут через блок 5, установленный на какой-либо мачте (условно не показана). Возвратно-поступательное движение бурового инструмента обеспечивает буровой станок 6.

По мере углубления скважины канат удлиняют. Цилиндричность скважины обеспечивается поворотом долота во время работы.

Для очистки забоя от разрушенной породы буровой инструмент периодически извлекают из скважины, а в нее опускают желонку, похожую на длинное ведро с клапаном в дне. При погружении желонки в смесь из жидкости (пластовой или наливаемой сверху) и разбуренных частиц породы клапан открывается и желонка заполняется этой смесью. При подъеме желонки клапан закрывается и смесь извлекается наверх.

По завершении очистки забоя в скважину вновь опускается буровой инструмент и бурение продолжается. Во избежание обрушения стенок скважины в нее спускают обсадную трубу, длину которой наращивают по мере углубления забоя.

В настоящее время при бурении нефтяных и газовых скважин ударное бурение в нашей стране не применяют.

Нефтяные и газовые скважины сооружаются методом вращательного бурения. При данном способе породы дробятся не ударами, а разрушаются вращающимся долотом, на которое действует осевая нагрузка. Крутящий момент передается на долото или с поверхности от вращателя (ротора) через колонну бурильных труб (роторное бурение) или от забойного двигателя (турбобура, электробура, винтового двигателя), установленного непосредственно над долотом.



Рис. 2. Схема ударного бурения:1-- долото; 2--ударная штанга; 3--канатный замок; 4--канат; 5--блок; 6--буровой станок.

Турбобур -- забойный гидравлический двигатель для бурения глубоких скважин преимущественно на нефть и газ. Много-ступенчатый турбобур -- машина открытого типа, вал его враща-ется в радиальных и осевых резинометаллических подшипниках, смазкой и охлаждающей жидкостью для которых является цирку-лирующая промывочная жидкость -- глинистый раствор. В разве-дочном бурении для отбора керна в полом валу трубобора раз-мещается съёмная грунтоноска. Для бурения в условиях борьбы с кривизной ствола скважины используют трубобор с вращающимся корпусом.

Электробур -- забойная буровая машина с погружным электро-двигателем, предназначенная для бурения глубоких скважин, пре-имущественно на нефть и газ. Идея электробура для ударного бу-рения принадлежит русскому инженеру В.И. Дедову (1899). В 1938-40 в СССР А.П. Островским и Н.В. Александровым создан и применен первый в мире электробур для вращательного бурения, спускаемый в скважину на бурильных трубах.

По характеру разрушения горных пород на забое различают сплошное и колонковое бурение. При сплошном бурении разрушение пород производится по всей площади забоя. Колонковое бурение применяется при бурении скважин диаметром 45-130 мм глубиной до 200 м; разрушение породы осуществляется по периферийной (кольцевой) части забоя скважины с сохранением нетронутой центральной части (керна). Колонковые установки имеют устройства для вращения и подъема колонок (штанг) из труб. На конечном звене труб имеется колонковый снаряд с кольцевой коронкой, армированной резцами из твердых сплавов или алмазами.

Все буровые долота классифицируются на три типа:

1. долота режуще--скалывающего действия, разрушающие породу лопастями (лопастные долота);

2. долота дробяще--скалывающего действия, разрушающие породу зубьями, расположенными на шарошках (шарошечные долота);

3. долота режуще--истирающего действия, разрушающие породу алмазными зернами или твердосплавными штырями, которые расположены в торцевой части долота (алмазные и твердосплавные долота).

Заключение

В настоящее время скважины бурят практически во всех средах для проведения научных исследований и обычных нефтегазо-разведочных работ; эксплуатации месторождений газообразных, жидких и твердых полезных ископаемых; сброса промышленных отходов и осуществления множества других технологических процессов.

Столь широкий диапазон применения буровых скважин в различных отраслях народного хозяйства определил многообразие условий размещения устьев, способов проходки и пространственного положения стволов этих выработок в пересекаемых ими горных массивах. В соответствии с классификацией фондов социалистического материального производства нефтяная и газовая скважины относятся к основным производственным фондам. В рамках более детализированной отраслевой классификации основных производственных фондов сооружаемые в нефтяной промышленности скважины относятся к группе «Сооружения и передаточные устройства».

Скважина как строительный объект, относящийся к основным производственным фондам, характеризуется показателями, подразделя-ющимися на две условные группы: группу не изменяющихся или редко изменяющихся «условно постоянных» данных, к которым, в частности, относятся так называемые «паспортные» данные скважины; группу часто изменяющихся «условно переменных» данных, к которой относятся так называемые эксплуатационные данные» скважины.

Эти паспортные и эксплуатационные данные достаточно полно характеризуют как саму скважину, так и ее оснащение.

бурение скважина порода

Список использованных источников

1. Басарыгин А.В., Булатов М.С., Бурение нефтяных и газовых скважин СПб.: Интеллект, 2002. 589 с

2. Вадецкий Ю.В., Бурение нефтяных и газовых скважин, Москва: Недра, 2000, 424 с.

3. Мстиславская Л.П. Основы нефтегазового производства. Москва: Нефть и газ, 2008. 283с.

4. Тетельмин В.В., Язев В.А. Нефтегазовое дело. Москва: Недра, 2009. 800 с.

Размещено на Allbest.ru