Строение нефтяной скважины


Нефтяная скважина, виды, устройство, строительство и этапы разработки

Нефтяная скважина – это горная выработка круглого сечения диаметром 75-400 мм, сооружаемая без доступа в неё человека, предназначенная для добычи либо разведки нефти и попутного нефтяного газа.

Нефтяная скважина

Устройство нефтяной скважины

Виды нефтяных скважин. Классификация нефтяных скважин

Строительство нефтяной скважины. Бурение нефтяных скважин: ударный способ бурения, вращательный способ бурения

Этапы разработки нефтяной скважины

Первая нефтяная скважина в России и мире

Нефтяная скважина, конструкция нефтяной скважины:

Добыча нефти – одна из важнейших отраслей промышленности. Нефть и продукты, получаемые из этого природного ископаемого, лежат в основе современной жизни каждого человека на планете, независимо от того, проводится разработка непосредственного в его родном государстве или импортируется. Добыча этого ресурса осуществляется посредством бурения нефтяных скважин – специальных горных выработок в форме цилиндра, узких в диаметре и весьма глубоких.

Нефтяная скважина – это один из видов горных выработок, имеющий круглое сечение. Диаметр скважин колеблется в пределах от 75 до 400 мм. Особенность выработки в том, что в нее не может проникнуть человек, но, кроме непосредственно скважины, она также имеет колодец и шахту, куда есть доступ рабочим. Подобные скважины предназначены, прежде всего, для добычи нефти, но также с их помощью получают попутный нефтяной газ, образовывающийся в местах залежей «черного золота».

Большая часть скважин имеет вертикальное строение, в редких случаях бурение может проводиться под заданным углом.

Конструкция нефтяной скважины имеет три части:

– верхнюю – устье;

– нижнюю – забой;

– среднюю – ствол, образованный уходящими вниз стенками.

Нефтяная скважина – сложное капитальное сооружение, чье построение ведется в несколько этапов:

  1. Последовательное бурение горных пород.
  2. Удаление природного материала, образовавшегося при бурении.
  3. Дополнительные работы по укреплению стенок (проводятся при необходимости).

Непосредственно добыча нефти из нефтяных скважин также проводится двумя способами:

– фонтанированием – если нефтяные пласты обладают избыточным давлением, углеводороды в виде фонтана поднимаются на поверхность;

– нагнетательным – в скважины подается вода, газ, смеси на основе воздуха и прочие вещества и материалы для искусственного создания избыточного давления.

Разработка нефтяной скважины – длительный организационный процесс, требующий не только серьезных финансовых вложений, но и знаний, умений и опыта.

Отличительной особенностью нефтяной скважины считается соотношение ее длины и диаметра – первый параметр всегда в несколько раз больше. Так, длина – это расстояние от расположенного на земле устья до забоя (нижней части), измеряемая по оси ствола. Глубина нефтяной скважины – это проекция длины ствола на вертикальную ось. Если разработка проводится вертикально, эти показатели идентичны, в остальных случаях (наклонные, искривленные скважины) они отличаются друг от друга.

Первым этапом добычи нефти считается проектирование будущей нефтяной скважины. Разработка конструкция выполняется с учетом таких требований:

– возможность получения свободного доступа к нижней части ствола всех необходимых геофизических приборов, оборудования;

– прочное крепление стенок ствола, исключающее его обрушение;

– качественное разделение проходимых пластов, исключение возможных перетеканий ископаемого и водных горизонтов из пласта в пласт;

– наличие возможности герметизации устья.

Для пород, легко поддающихся разрушению водой, где чаще всего и залегает нефть, требуется дополнительное укрепление стволов. В этом случае схема будущей нефтяной скважины слегка меняется: рядом со стволом добавляются колонны обсадных труб, расположенных концентрически, т.е. их размеры могут быть разными, но с единым центром.

Строительство – бурение нефтяной скважины происходит поэтапно:

  1. Бурение шурфа. Пробивают колодец до начала устойчивых горных пород, в среднем это 4-8 м. В него устанавливают трубу и укрепляют ее при помощи бутовых камней, залитыми бетонным раствором, которыми заполняют пространство между внешней стороной трубы и грунтом. Так образуется направление.
  2. Создание кондуктора. Представляет собой участок из обсадных труб, которыми укрепляется следующая часть скважины – новый, более глубокой, но менее широкий шурф. Длина его колеблется в пределах от 50 до 400 м, а диаметр составляет не более 90 см. Как и в первом случае, пространство вокруг заливают цементом для большей устойчивости. Установка кондуктора позволяет перекрыть водоносные горизонты и мягкие виды горных пород, чье наличие осложняет процесс добычи.
  3. Установка промежуточной колонны обсадных труб. Ее создают в ситуациях, когда нет возможности сразу пробурить скважину до нефтесодержащих пластов: имеются сложные горизонты или продуктивные пласты, которые на данном этапе добычи не планируются для разработки. Установка промежуточной колонны проводится по аналогии с кондуктором, при необходимости (слишком глубокое залегание породы) их может быть несколько.
  4. Установка эксплуатационной колонны. Это последняя в этапе бурения колонна обсадных труб. Ее задача – перекрыть продуктивный пласт и обеспечить поступление «черного золота» в эксплуатационную трубу. Пространство вокруг нее также подлежит цементированию (бетонное кольцо), т.к. это позволяет избежать утечки нефти в другие пласты и предотвратить возможное проникновение воды в непосредственно продуктивный пласт.

После создания конструкции скважины проводится непосредственно вскрытие пласта для извлечения из него полезного ископаемого. Практически в 90 % случаев это проводится бурением до подошвы продуктивного пласта. После в нижней части эксплуатационной колонны и бетонном кольце вокруг него пробивается несколько отверстий, через которые в скважину поступит нефть. Для этого используют специальные аппараты-перфораторы.

В оставшихся 10 % случаев разрабатываемая порода представлена плотным слоем и укрепление призабойной зоны цементом не требуется. Возможен другой вариант –  не опускать эксплуатационную колонну до подошвы пласта, достаточно сделать это до ее кровли. Такой метод называется открытым забоем.

Виды нефтяных скважин. Классификация нефтяных скважин:

На выбор вида скважины, в первую очередь, влияют геологические условия, в которых расположен продуктивный пласт. Так, для разработки нефтяных месторождений используются типы выработок, различаемые по углу отклонения ствола от его вертикальной оси:

– вертикальные нефтяные скважины – не более 5 градусов;

– наклонно-направленные нефтяные скважины – превышающего 5 градусов;

– горизонтальные нефтяные скважины – составляющем около 90 градусов.

Горизонтальные нефтяные скважины имеют свои особенности. Так, строго горизонтального положения у подобных выработок не существует, т.к. пробурить прямую на пластах, залегающих под разными уклонами, просто невозможно. Хотя данное определение не совсем точно с научной точки зрения (не представляет собой строгую прямую линию), оно наиболее подходит к подобному типу разработки.

Так, намного проще и удобнее, а также эффективнее, проводить бурение вдоль траектории залегая нефтяного пласта. В связи с этим напрашивается более обширное определение: горизонтальная нефтяная скважина – это конструкция в виде протяженного ствола, бурение которого проводится по определенному азимуту. Последний рассчитывается исходя из направления целевого пласта, учитывая максимальное приближение к его залеганию.

Еще один тип скважин – многоствольные и многозабойные нефтяные скважины. К ним относят выработки, имеющие два и более стволов, т.е. ответвления от основного. В случае, когда «рукав» располагается выше продуктивного пласта, тип выработки носит название многоствольного (имеет несколько точек пробития пласта). Если же ответвления расположены в самом пласте, скважина считается многозабойной (пробитий несколько, но в одной точке).

Самый редкий тип скважины – кустовой. В этом случае устья стволов расположены на земле максимально близко друг к другу, а их стволы расходятся под землей под разными углами. Как результат – устья оказываются на разном расстоянии друг от друга, что в схематическом виде представляет собой перевернутый вверх ногами куст.

Скважины, которые бурят с целью извлечения нефти – они также называются эксплуатационные нефтяные скважины – делят на следующие категории:

– добывающие нефтяные скважины – предназначены для добычи нефти, попутного нефтяного газа или газового конденсата,

– нагнетательные нефтяные скважины – предназначены для закачки (нагнетания) в пласты воды (сжатого газа, воздуха и пр.).

Кроме основной классификации скважин (добывающие и нагнетательные нефтяные скважины), основа которых – прямое назначение выработки (она приведена выше), существует дополнительная. Так, для поиска, разведки и добычи «черного золота» используют скважины:

– опорные скважины – служат для изучения состава пластов, возраста залегающей породы;

– параметрические скважины – их закладка необходима для расчета перспективности района в плане его нефтеносности, уточнения геологических особенностей грунта;

– структурные скважины – сооружаются для определения перспективных площадей, их непосредственной подготовки к разработке и добыче;

– поисковые скважины – необходимы для обнаружения новых залежей полезных ископаемых;

– разведочные скважины – помогают изучить размеры и строение продуктивных пластов, оценить запасы залежей, получить данные для проектирования будущей эксплуатационной скважины;

– наблюдательные скважины – позволяют контролировать проведение разработки;

– дублирующие скважины – их использование начинается при прекращении работ на основном стволе (износ, авария и прочее);

– специальные (водозаборные, поглощающие и прочие) скважины – необходимы для сброса промысловых вод или добычи технических, ликвидации открытых фонтанов и прочего.

Все эти виды с успехом используются в нефтедобывающей отрасли.

Процесс бурения нефтяных скважин обусловлен характером воздействия на горные породы, среди которых залегает полезное ископаемое. В связи с этим его разделяют на:

– механическое;

– термическое;

– физико-химическое;

– электрическое и прочее.

На сегодняшний день в промышленности широко используют лишь один метод разработки – механический, который может иметь разные режимы бурения. Все остальные методики продолжают использоваться исключительно в экспериментальных целях.

Бурение механическим способом делится на:

– ударное;

– вращательное.

Ударный способ бурения нефтяных скважин:

Ударный способ бурения нефтяных скважин заключается в применении специального инструмента – долота. Последний представляет собой буровой комплекс, состоящий из канатного замка и ударной штанги. Долото подвешивается на канате, перекинутом в блок, который устанавливается непосредственно на буровой мачте. Разрушение горных пород выполняется возвратно-поступательными движениями долота, а приводит его в действие специальный буровой станок. Во время бурения долото совершает вращательные движения (повороты), благодаря чему ствол и получает форму цилиндра.

В процессе битья образуется разрушенная горная порода, удаление которой из ствола проводится при помощи желонки. Она представляет собой длинное ведро, на днище которого расположен клапан. Перед очисткой шурфа из него вынимают долото, следом опускают желонку и внизу открывают клапан. Когда ведро заполнится водой с кусочками грунта, клапан зарывается и ведро поднимается наверх. После достаточного очищения ствола бурение продолжают.

Вращательный способ бурения нефтяных скважин:

Вращательный способ бурения нефтяных скважин также основан на применении долота, но иным методом. Устройство углубляется в горные пласты, испытывая одновременно два вида воздействия: вертикальную нагрузку и крутящий момент. Таким образом, долото прорывает породу, измельчает ее методом дробления, истирания.

В свою очередь вращательный способ имеет две разновидности, которые обусловлены расположением силового агрегата на устройстве:

– роторный – двигатель расположен на поверхности земли, передача крутящего момента долоту производится посредством колонн буровых труб;

– забойный – двигатель устанавливается сразу за долотом, чем и обеспечивает исключительно его движение, без участия буровой колонны.

В России бурение нефтяных скважин производится преимущественно вращательным методом.

Разработка нефтяных скважин. Этапы разработки нефтяной скважины:

Разработка нефтяного месторождения – длительный и сложный процесс. Прежде чем начать работы по бурению скважины, проводится тщательная подготовительная работа, включающая в себя несколько этапов: разведка, необходимая для оценки перспективности разработки, оценка технических параметров планируемой скважины, определение размеров забоя и прочее.  При составлении проектной документации учитывается количество всех объектов, подлежащих разработке, последовательность, в которой будет проводится добыча, определяются методы бурения, позволяющие провести максимально эффективное освоение выбранного горизонта.

Сама же скважина разрабатывается в такой последовательности:

  1. освоение нефтяной скважины. На этом этапе происходит наиболее интенсивная добыча «черного золота». Давление в пласте снижено до минимального, обводненность тоже имеет самые низкие показатели. По мере необходимости количество скважин увеличивается, коэффициент же нефтеотдачи сохраняется в пределах 10 %. В среднем освоение скважины длится около 5 лет.
  2. обеспечение необходимого уровня добычи нефтяной скважины. Достигается поддержанием данного параметра в пределах от 3 до 17 % (показатель рассчитывается индивидуально для каждого конкретного пласта и зависит от вязкости полезного ископаемого). Продолжительность этапа колеблется от года до семи лет, количество скважин постепенно увеличивается за счет использования резервов, при этом истощенные выработки закрываются. Последнее обусловлено увеличением обводненности – она увеличивается до 65 %, повышается и нефтеотдача, в среднем до 30-50 %.
  3. снижение добычи нефтяной скважины. Нефтеотдача снова падает до показателей, не превышающих 10 %. Число резервных скважин стремится к нулю, обводненность нефти повышается до 85 %. Этап снижения – наиболее сложный при разработке скважины, т.к. требует снижения скорости откачки полезного ископаемого. В среднем продолжительность этапа составляет 3 года, а выработка перспективного слоя за это время может достигнуть 90 %.
  4. завершающий этап разработки нефтяной скважины. Отбор полезного ископаемого не превышает 1 %, обводненность достигает 98 %. Добыча нефти прекращается, а сами скважины закрываются. Завершающий этап наиболее длительный, т.к. рентабельность выработки сохраняется даже с такими низкими добывающими показателями, а это легко может продлить его на пару десятков лет.

Первая нефтяная скважина в России и мире:

Первое в мире бурение скважины для целей нефтедобычи проведено в 1846 году в посёлке Биби-Эйбат недалеко от Баку, входившем в Российскую империю. Глубина нефтяной скважины составляла 21 м. Скважина была разведочной.

В 1864 году первая в России эксплуатационная скважина была пробурена на Кубани, в селе Киевском, в долине реки Кудако.

Первую американскую нефть из буровой скважины глубиной 15 м добыли в 1857 году в Эннискиллен. Однако чаще всего считают, что первая американская нефть из промышленной скважины была получена 27 августа 1859 года.

Примечание: © Фото //www.pexels.com, //pixabay.com

карта сайта

какие есть 1 первые нефтяные газовые скважины компании бурение бурильщик рабочий оператор вакансия способы эксплуатации оборудование бурильщика капитальный ремонт освоение эксплуатация дебит исследования технология бурения работа нефтяных и газовых скважин первая нефтяная скважина в мире оборудование схема взрыв расчет нефтяной скважины устройство нефтяной скважины крепеж а2 а4 https://traiv-komplekt.ru/catalog/po-svoistvam/vysokoprochnyi-krepezh/ comments powered by HyperComments

xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai

Строительство нефтяных скважин

Под строительством нефтяных скважин понимается полный цикл работ, включающий в себя всю совокупность мероприятий от проектирования скважины в соответствии с геологическими условиями района и проведения подготовительных работ до процесса испытания на приток нефти и освоения скважины.

Основные этапы строительства нефтяной скважины

Процесс строительства нефтяных скважин можно условно разделить на несколько основных этапов (при этом более 1/2 затраченного времени занимает бурение скважины):

  • осуществление комплекса подготовительных работ, включая строительство наземных сооружений, подготовку подъездных путей, оборудование систем электроснабжения и вододобычи, обеспечение связью. Проводится техническая рекультивация участка со снятием плодородного слоя почвы и обваловываем его неплодородным слоем грунта;
  • монтаж вышки и оборудования в соответствии с проектом, обеспечивающим минимизацию затрат на проведение строительно-монтажных работ и безопасность при их осущетвлении, а также предельную компактность компоновки отдельных узлов нефтяной скважины;
  • подготовка к процессу бурения и буровые работы непосредственно. В настоящее время применяются роторный, турбинный режим бурения и применение электробуров;
  • по мере углубления скважины производится работы по укреплению скважины, спуску обсадных колонн и подготовка к цементированию с применением тампонажного раствора;
  • изоляция зон вероятностных перетоков пластовой жидкости, создание основания для монтажа устьевого оборудования;
  • вскрытие пласта с последующим проведением испытания на приток нефти и газа. Под испытанием понимаются кратковременные работы по добыче флюидов пласта с целью подтверждения нефтепроявления и обоснования последующей разработки скважины.

Смотрите также:

- Трассерные исследования скважин

- Технология повышения нефтеотдачи пластов

snkoil.com

Забой нефтяной скважины (конструкция)

Конструкции забоев скважин.

Основным направлением работ в области заканчивания скважин является обеспечение условий эффективного вскрытия продуктивного пласта в целях сохранения его коллекторских свойств. Наряду с ним, важным направлением считается разработка конструкций забоев скважины, позволяющих осуществить ее эксплуатацию в условиях, осложненных неустойчивостью коллектора, коррозионной средой, аномальными давлениями и температурами и т. д. Эти два направления взаимно связаны и преследуют одну общую цель – обеспечение оптимальных условий извлечения флюида из продуктивного пласта.

Разработаны и эксплуатируются различные конструкции забоев для осложненных и неосложненных условий. Наиболее распространенная из них – конструкция забоя с цементированной эксплуатационной колонной, перфорируемой в интервале продуктивного пласта. Простота технологии ее создания привела к тому, что практически повсеместно она является основой проектирования конструкции всей скважины.

Однако, как показала практика, такая конструкция не может удовлетворять возросшим требованиям интенсивного извлечения флюида из продуктивного пласта в условиях многообразия геологических условий и используемых технических средств для добычи нефти и газа, особенно в случае горизонтального бурения. К тому же традиционные методы обеспечения гидродинамической связи скважины с пластом при пулевой и кумулятивной перфорации нарушают целостность цементного кольца за колонной часто на значительном расстоянии от интервала перфорации, что обусловливает некачественное разобщение продуктивных пластов. Поэтому используются такие конструкции забоев, которые удовлетворяют требованиям эксплуатации скважин в конкретных геологических условиях.

Создание рациональной конструкции забоя скважин – это обоснование его наружного и внутреннего диаметров, выбор типа фильтра, обоснование (констатация) характера сообщения ствола скважины с продуктивным пластом с учетом результатов исследования механизма проявления горного давления в ПЗП и разрушения коллектора при движении флюида пласта.

Создание рациональной конструкции забоя скважин предусматривает сочетание элементов крепи скважины в интервале продуктивного пласта, обеспечивающих устойчивость ствола, разобщение пластов, проведение технико-технологических воздействий на пласт, ремонтно-изоляционные и геофизические работы, а также длительную эксплуатацию скважин при оптимальном дебите. Иными словами, в понятие конструкции забоя скважины входит набор технико-технологических решений по оборудованию забоя и призабойной зоны скважин, обеспечивающих связь с пластом, при которых скважина будет работать с оптимальным (или максимальным) дебитом, а ПЗП, не разрушаясь (или при минимальном разрушении), позволяла бы работать длительное время без ремонтных работ.

Определяющими факторами по выбору конструкции забоя и ее параметров являются тип и степень однородности продуктивного пласта, его проницаемость, устойчивость пород ПЗП, а также наличие или отсутствие близко расположенных по отношению к коллектору горизонтов с высоким или низким давлением водонефтяного контакта или газовой шапки.

По геологическим условиям залегания нефтегазовой залежи, типу коллектора и свойствам пород продуктивного пласта выделяют четыре основных вида объектов эксплуатации:

1)коллектор однородный, прочный, порового, трещинного, трещинно-порового или порово-трещинного типа; близкорасположенные напорные водоносные (газоносные) горизонты и подошвенные воды отсутствуют;

2)коллектор однородный, прочный, порового, трещинного, трещинно-порового или порово-трещинного типа; у кровли пласта имеется газовая шапка или близкорасположенные напорные объекты;

3)коллектор неоднородный, порового, трещинного, трещинно-порового или порово-трещинного типа, характеризующийся чередованием устойчивых и неустойчивых пород, водо- и газосодержащих пропластков с различными пластовыми давлениями;

4)коллектор слабосцементированный, поровый, высокой пористости и проницаемости, нормальным или низким пластовым давлением; при его эксплуатации происходит разрушение пласта с выносом песка.

Однородным считается пласт, литологически однотипный по всей толщине, который имеет примерно одинаковые фильтрационные показатели и пластовые давления в пропластках, насыщен газом, нефтью или водой. Пределы изменения коэффициента проницаемости К для однородного пласта не должны выходить за границы одного из следующих шести классов:

К > 1,0 мкм2;

К = 0,5 ¸ 1,0 мкм2;

К = 0,1 ¸ 0,5 мкм2;

К = 0,05 ¸ 0,1 мкм2;

К = 0,01 ¸ 0,05 мкм2;

К = 0,001 ¸ 0,01 мкм2.

Если пласт расчленен пропластками с изменяющейся (в каждом из шести классов) проницаемостью, имеет подошвенные воды, газовые шапки или чередование газоводонефтенасыщенных пропластков с различными пластовыми давлениями, он считается неоднородным.

Прочными коллекторами называют те, которые сохраняют устойчивость и не разрушаются под воздействием фильтрационных и геостатических нагрузок. Оценка устойчивости пород в ПЗП – весьма сложный и полностью не регламентированный результат исследовательских работ. Для случая эксплуатации скважин открытым забоем наиболее обоснованной, по нашему мнению, является методика, разработанная Н. М. Саркисовым и др.

Слабосцементированными коллекторами считают такие пласты, породы которых при эксплуатации скважин выносятся на поверхность вместе с флюидом. Здесь важно выдерживать депрессию на пласт в расчетных пределах. С точки зрения пластовых давлений коллекторы могут быть подразделены на три группы: grad Рпл > 0,1 МПа/10 м; grad Рпл = 0,1 МПа/10 м; grad Рпл < 0,1 МПа/10 м.

Пласт является высокопроницаемым, если значения коэф­фициента поровой (Кп) или трещинной (Кт) проницаемости соответственно более 0,1 и 0,01 мкм2.

Если напорный горизонт находится на расстоянии менее 5 м от продуктивного пласта, он считается близкорасположенным. Это условное расстояние, взятое из опыта.

Для оценки коллекторов по размеру песчаных зерен пласты разделяются по фракционному составу на мелко-, средне- и крупнозернистые с размером частиц соответственно 0,10 — 0,25; 0,25 — 0,50 и 0,50 — 1,0 мм.

Для оценки среднего размера зерен песка пласта используется формула:

где G – сумма частных остатков на ситах, за исключением фракций, прошедших через сито с отверстиями 0,15 мм; а1, а2, а3, а4 – частные остатки на ситах с отверстиями соответственно 0,15; 0,30; 0,60; 1,20 мм.

Конструкции забоев скважин существенно различаются в зависимости от геологических условий, технических возможностей и производственного опыта в соответствующих организациях.

Наиболее  часто  применяют  следующие  четыре  типа  конструкций (рис. 1.2) (Н. М. Саркисов и др.).

1.Конструкция ПЗП с закрытым забоем. В этом случае продуктивный пласт (пласты) перекрывается сплошной колонной или хвостовиком с последующими цементированием и перфорацией (рис. 1.2, а).

2.Конструкция ПЗП с открытым забоем. В этом случае продуктивный пласт (пласты) остается незацементированным, обсаживается либо не обсаживается фильтром (рис. 1.2, б, в, г).

Рис. 1.2. Типы конструкций забоев скважин:

1 – эксплуатационная колонна;    2 – цементное кольцо;   3 – перфорационные отверстия;  4 – перфорированный  (на поверхности)  фильтр;  5 – пакер  типа  ПДМ конструкции ВНИИБТ; 6 – забойный фильтр; 7 – зона разрушения в слабоцементированном пласте; 8 – проницаемый тампонажный материал.

3.Конструкция ПЗП смешанного типа. В этом случае нижняя часть продуктивного горизонта остается открытой (или обсаженной фильтром), а верхняя перекрывается обсадной колонной (хвостовиком) с последующими цементированием и перфорацией (рис. 1.2, д, е).

4.Конструкция ПЗП для предотвращения выноса песка. В этом случае против продуктивного пласта устанавливают забойные фильтры (рис. 1.2, ж) различных типов или используют проницаемый тампонажный материал (рис. 1.2, з).

Эффективная работа призабойной зоны во многом зависит от того, насколько конструкция забоя соответствует геологическим условиям залегания продуктивного пласта. Поэтому уделено большое внимание обоснованию и выбору рациональной конструкции забоя добывающих скважин. Результаты исследований этого вопроса сконцентрированы в разработанной б.ВНИИКРнефтью специальной методике. Методика регламентирует конструкцию забоя скважины в интервале залегания продуктивного объекта. В настоящее время она широко используется проектными м производственными предприятиями при проектировании и строительстве нефтяных добывающих скважин. Методика распространяется на вертикальные и наклонные скважины с кривизной ствола в интервале продуктивного объекта до 45°. Методика предусматривает проектирование и строительство скважин с применением выбранных по ней конструкций забоев при наличии серийно освоенных производством технических средств и технологий.

Отличительная особенность методики выбора конструкции забоя – достаточно полный учет всего комплекса факторов, включающих способ эксплуатации объекта, тип коллектора, механические свойства пород продуктивного пласта и условия его залегания.

В настоящее время продолжается работа в области совершенствования конструкций забоев скважин применительно, прежде всего, к осложненным условиям, обусловленным наличием слабосцементированных продуктивных объектов, зон АВПД, близкорасположенных напорных объектов, чередованием пород пласта с различной проницаемостью, необходимостью проведения различных способов интенсификации и др. Цементирование эксплуатационной колонны в зоне продуктивного пласта приводило к значительному увеличению сроков освоения и существенному снижению дебитов скважин по сравнению со случаем открытого забоя. Ярким примером массивной (нефтяной) залежи с коллектором трещинного типа является месторождение Самгори-Патардзеули в Грузии. Толщина продуктивного пласта составляет 350 — 600 м, раскрытость каналов у микротрещин равна 3 — 8 мкм, у макротрещин 150 — 200 мкм. Аномально низкое пластовое давление (коэффициент аномальности 0,89) обусловливает поглощение бурового раствора, в результате чего бурение частично проходит без выхода циркуляции раствора.

Конструкции забоев скважин представлены на рис. 1.3: открытый ствол (1.3, а) или спуск в интервал открытого ствола нецементируемого хвостовика-фильтра (1.3, б), или, наконец, хвостовик-фильтр (длина фильтра 30 — 90 м), цементируемый выше фильтра (рис. 1.3, в). Эти рекомендации, к сожалению, не всегда выполняются, и используются конструкции закрытого забоя. Учитывая особенности месторождения Самгори-Патардзеули (с массивной залежью и коллектором трещинного типа), наиболее приемлемыми следует считать конструкции с открытым забоем.

Рис. 1.3. Конструкции забоев скважин в среднеэоценовых отложениях месторождения Самгои-Патардзеули (Грузия)

В Чечне и Ингушетии продуктивные пласты верхнемеловых отложений представлены толщей рассеченных трещинами известняков толщиной 300 — 350 м. В пределах этой толщи выделяется шесть характерных участков по величине проницаемости. При вскрытии всего 7 — 60 м (75% фонда эксплуатационных скважин) дебиты составляют 30 — 4000 т/сут. При разработке этих залежей применяется шесть типов конструкций забоев (рис 1.4). Во всех случаях ствол бурят до кровли продуктивного пласта и обсаживают 168-мм эксплуатационной колонной. Затем вскрывается продуктивный пласт.

Наибольшее распространение получила конструкция забоя, представленная на рис. 1.4, г. Она обеспечивает значительную мощность (120 — 450 м) открытого ствола скважины. Хвостовик-фильтр имеет отверстия или по всей длине, или в отдельных интервалах. Конструкция, приведенная на рис. 1.4, а, характеризуется 114-мм хвостовиком до забоя с последующим цементированием; иногда эту колонну спускают до кровли нижней пачки с последующим цементированием, остальная часть — открытый ствол (рис. 1.4, б). Вариант этой конструкции: в нижней части — фильтр из хвостовика, спущенного до забоя (рис. 1.4, в).

Вариант, представленный на рис. 1.4, д, предусматривает весь ствол ниже башмака 168-мм эксплуатационной колонны открытым, а вариант, представленный на рис. 1.4, е, — частично открытым. Определяющими факторами при выборе варианта конструкции забоя скважины являются сложность освоения скважины, трудоемкость проведения изоляционных работ в случае появления пластовой воды, а также обеспечение устойчивости призабойной зоны при значительных депрессиях. В сводовых и присводовых скважинах, где развита трещиноватость, 83,3% скважин с открытым забоем начинают фонтанировать сразу после замены бурового (глинистого) раствора на воду. И только 16,7% скважин требуют солянокислотных обработок.

Рис. 1.4. Конструкции забоев верхнемеловых скважин месторождений Чечни.

При первом варианте конструкции забоя (см. рис. 1.4, а) такая обработка ПЗП требуется в 60% скважин, что объясняется загрязнением пласта при цементировании.

Однако в скважинах с открытым забоем не удается ликвидировать обводнения, поэтому, как считают некоторые специалисты, конструкции, представленные на рис. 1,4, а, б, в, е, имеют преимущества.

Анализ материалов по Грознефти показал, что конструкции с открытым забоем (рис. 1.4, б — е) эффективны при вызове притока нефти в том случае, когда коллектор имеет развитую трещиноватость с трещинами большой протяженности и раскрытости. В случае близкорасположенных подошвенных вод целесообразно применять конструкции смешанного типа (рис. 1.4, б, в, е).

Отложения баженовской свиты Салымского месторождения со своими уникальными характеристиками могут считаться коллекторами нового (ранее не встречавшегося) типа: свита, относящаяся к верхнеюрским отложениям, представлена глинистыми породами при чередовании тонких прослоев и линз карбонатных и кремнистых образований. Коллекторы представлены листовыми и микрослоистыми глинами с широкоразвитыми микротрещинами.

При практикуемом вскрытии буровой раствор, и особенно его фильтрат, по системе трещин проникает столь глубоко, что пласт оказывается пропитанным фильтратом.

Опыт заканчивания скважин на Салымском месторождении показывает, что наиболее рациональной конструкцией забоя для баженовской свиты является конструкция с открытым забоем.

С осыпями пород приходится мириться, хотя они и нарушают нормальную работу скважин. Анализ промысловых данных показывает, что если расстояние от башмака эксплуатационной колонны не превышает 9 — 27 м, то процессы вызова притока и последующей эксплуатации проходят нормально. Если же это расстояние возрастает в 3 раза, наблюдаются интенсивные осыпи. Практика выработала следующие четыре типа конструкций забоев скважин (рис. 1.5).

После уточнения геологического строения залежи и изучения причин осложнений перешли от конструкций, представленных на рис. 1.5, а, б, к конструкции забоев скважин, приведенной на рис. 1.5, в. Здесь уже применяют пакеры для изоляции продуктивного пласта от сыпучих пород и исключения перетоков пластового флюида. Если башмак 168-мм колонны располагается у кровли баженовской свиты или непосредственно в пласте, то его оборудуют заколонным пакером, чтобы избежать закупоривания цементным раствором (рис. 1.5, г).

Вопросы предотвращения разрушения слабосцементированных пород ПЗП при эксплуатации нефтяных и газовых скважин остаются актуальными и в настоящее время.

Промысловый опыт показывает, что рациональный путь борьбы с выносом песка – это установка фильтров. Они бывают различных конструкций: проволочные, щелевые, гравийные и др. Эффективным способом также является закрепление пород в ПЗП путем применения различных материалов: портландцементных смесей с добавками и наполнителями, смол и других органических материалов с наполнителями, химических растворов и т. д.

Рис. 1.5. Конструкции забоев скважин на Салымском месторождении: 1, 2, 3 – пакеры соответственно ПМП-142, ПМП-140 и ПДМ-195

Существует несколько  типов  конструкций  забоев  скважин,  предотвращающих вынос песка или снижающих его интенсивность и объем (рис. 1.6, а – д). Выбирают их с учетом прочности пород, технико-технологических и геологических условий. Сетчатые и проволочные фильтры быстро разрушаются агрессивными пластовыми водами. Наиболее надежными считают гравийные фильтры. Их применение в 85 – 95 % случаях дает положительные результаты, однако они не предотвращают разрушения пород и продуктивного пласта. В процессе их использования гравий в фильтре оседает и в скважину начинает поступать песок.

Низкая проницаемость прочных коллекторов – залог условий выбора конструкции скважин с открытым забоем. Сюда же следует отнести условия, когда отсутствуют высоконапорные горизонты, подошвенные воды и газовая шапка (в случае нефтяной залежи). Часто конструкция открытого забоя скважин предусматривает (в случае пористых и трещиноватых коллекторов) наличие пакеров. Они устанавливаются на перфорированном хвостовике, который не цементируется.

Использование конструкции открытого забоя скважины предусматривает однородный прочный коллектор порового, трещинного, трещино-порового или порово-трещинного типа; коллектор по своим геолого-физическим характеристикам не может быть зацементирован без резкого и значительного ухудшения его коллекторских свойств в ПЗП.

Рис. 1.6. Конструкции забоев скважин, предотвращающие вынос песка:

1, 2 – забойный и гравийный фильтры; 3 – центратор; 4 – расширенная часть ствола скважины; 5 – проницаемый тампонажный состав; 6 – открытая поверхность искусственного фильтра

Конструкция открытого забоя предусматривает раздельный способ эксплуатации. Коллектор должен сохранять устойчивость при создании депрессии на пласт.

В соответствии с методикой обоснования выбора конструкции забоев нефтяных добывающих скважин (РД 39-2-771-82, Краснодар, ВНИИКРнефть), устойчивость породы в призабойной зоне скважин определяют для следующих случаев.

1. Из пласта извлекается жидкость или газ:

                                                              (1.1)

где ð - предел прочности пород коллектора при одноосном сжатии (определяется экспериментально), МПа; Н — глубина залегания коллектора, м; рпл — пластовое давление, МПа; р — давление столба жидкости на забое скважины, МПа; g — ускорение силы тяжести, м/с2; ρ — средняя плотность вышележащих горных пород, кг/м3,

                                                                                                (1.2)

ρi – плотность горных пород i-го пласта, кг/м3; hi – толщина i-го пласта, м; n — число пластов; x — коэффициент бокового распора горных пород,

                                                                                               (1.3)

n — коэффициент Пуассона коллектора.

2. Жидкость нагнетается в пласт:

                                                             (1.4)

где р' - забойное давление при нагнетании жидкости (р' > р), МПа.

3. Движение жидкости отсутствует:

                                                                              (1.5)

В таблице 1.1 приведены значения n для основных горных пород.

Таблица 1.1

Средние значения коэффициентов Пуассона для некоторых горных пород

Порода

Коэффициент

Пуассона

Порода

Коэффициент

Пуассона

Глины пластичные

0,41

Известняки

0,31

Глины плотные

0,30

Песчаники

0,30

Глинистые сланцы

0,25

Песчаные сланцы

0,25

В случае, если кровля продуктивного объекта сложена неустойчивыми породами и не перекрыта эксплуатационной колонной, при установке хвостовика-фильтра используют заколонные пакеры ВНИИБТ, ТатНИПИнефти и другие, располагаемые в неперфорированной его части у кровли продуктивного горизонта и в башмаке эксплуатационной колонны с целью предупредить обрушения стенок скважины и зашламления открытого ствола.

Обоснование выбора конструкции забоя смешанного вида.

Конструкции забоя смешанного вида используются в однородном коллекторе порового, трещинного, трещинно-порового или порово-трещинного типа; при наличии близкорасположенных напорных горизонтов или газовой шапки у кровли пласта, а также низких значениях поровой или трещинной проницаемости пород (соответственно Кп < 0,01 мкм2 или Кт < 0,01 мкм2); если коллектор сложен прочными породами, сохраняющими устойчивость при создании депрессии на пласт при эксплуатации скважины, а также при раздельном способе эксплуатации продуктивного объекта.

Выбор конструкции забоя смешанного вида предусматривает установление соответствия условий залегания и эксплуатации продуктивного объекта с учетом его физико-механических свойств; оценку по выражению (1.4) устойчивости пород призабойной зоны пласта.

При устойчивом коллекторе применяют конструкцию забоя вида рис. 1.2, д, а при неустойчивом коллекторе – конструкцию забоя вида рис. 1.2, е.

Технологии создания конструкций забоев вида рис. 1.2, д и рис. 1.2, е по существу аналогичны. Скважину бурят до проектной глубины со вскрытием всей мощности продуктивного объекта. Эксплуатационную колонну спускают до глубины, обеспечивающей перекрытие и изоляцию близкорасположенных у кровли пласта напорных объектов, газовой шапки или верхней неустойчивой части продуктивных отложений. После цементирования колонны ее перфорируют в интервале высокопродуктивной части объекта, перед вызовом притока в случае необходимости осуществляют обработку призабойной зоны пласта. В отличие от конструкции забоя, показанной на рис. 1.2, д, в конструкции вида на рис. 1.2, е, открытый забой, представленный неустойчивыми коллекторами трещинного или порово-трещинного типа, перекрывают потайной колонной-фильтром.

Обоснование выбора конструкции закрытого забоя скважины

Конструкции с закрытым забоем применяют для крепления неоднородных коллекторов с целью изолировать близкорасположенные пласты в неоднородном коллекторе порового, трещинного, трещинно-порового или порово-трещинного типа, в котором отмечается чередование устойчивых и неустойчивых пород, водо- и газосодержащих пропластков с различными пластовыми давлениями, в случае если коллектор характеризуется высокими значениями поровой Кп или трещинной Кт проницаемости пород (Кп > 0,1 мкм2 или Кт > 0,01 мкм2), а также для обеспечения совместной, раздельной или совместно-раздельной эксплуатации объектов.

При выборе конструкции закрытого забоя (см. рис. 1.2, а) устанавливают соответствие условий залегания и эксплуатации продуктивного объекта общепринятым положениям.

Расчет основных элементов конструкции закрытого забоя производится в соответствии с действующими руководящими документами.

При заканчивании скважины с конструкцией забоя, показанного на рис. 1.2, а, продуктивный объект вскрывают совместно с вышележащими отложениями с использованием бурового раствора, не ухудшающего коллекторских свойств пласта, до забоя спускают эксплуатационную колонну, скважину цементируют, а гидродинамическую связь с пластом осуществляют, применяя кумулятивную, пулевую или гидропескоструйную перфорацию.

Обоснование выбора конструкции забоя для предотвращения выноса песка

Эта конструкция забоев применяется для предотвращения выноса песка в слабосцементированном коллекторе, представленном мелко-, средне- и крупнозернистыми песчаниками и характеризующемся разрушением призабой-ной зоны пласта и выносом песка при эксплуатации скважины, а также при раздельном способе эксплуатации продуктивного объекта.

Применяют и проницаемый полимерный тампонажный состав Контарен-2.

Материал включает состав ТС- 10, уротропин, наполнитель ШРС-С, получаемый при совместном помоле шлака, руды и соли (хлористого натрия), и водный раствор едкого натра. Начальная прочность материала при сжатии составляет не ниже 6 МПа, а после вымывания из него соли 3,5 — 5,0 МПа; соответственно проницаемость камня равна 0,12 — 0,20 и 1 — 5 мкм2. Вымывание солевого наполнителя осуществляют при прокачивании через искусственный фильтр водных растворов ПАВ с концентрацией 0,5 — 1,0% из расчета 1 — 2 м3 на 1 м интервала перфорации. Материал устойчив к воздействию кислот и не разрушается при температурах до 200° С.

Выбор конструкции забоя для предотвращения выноса песка производят в следующем порядке. Устанавливают соответствие условий залегания и эксплуатации продуктивного объекта. Определяют средний фракционный состав пластового песка по следующей схеме. Просушивают в сушильном шкафу до постоянного значения пробу песка массой 1,2 — 1,5 кг, из которой отбирают 1 кг песка и производят его рассев на ситах с размером ячеек 1,2,   0,6,   0,3 и 0,15 мм, фиксируя при этом частные и полные остатки на ситах. Результаты рассева вносятся в табл. 1.2 аналогично тому, как показано в приводимом ниже примере.

Определяют средний размер песка.

Песок является мелкозернистым.

Таблица 1.2.

Результаты рассева песка

Размеры ячеек сит, мм

Частные остатки на ситах

Полные остатки на ситах, %

часть

%

1,2

0,6

0,3

0,15

< 0,15

25

25

50

400

500

2,5

2,5

5

40

50

2,5

5

10

50

В скважинах со средне- и крупнозернистыми песчаниками используют конструкцию забоя вида рис. 1.2, ж. В скважинах с мелкозернистым песчаником применяют только конструкцию забоя вида рис. 1.2, з, которая может быть использована в скважинах со средне- и крупнозернистыми песчаниками.

Конструкция забоя вида рис. 1.2, ж включает зацементированную эксплуатационную колонну и забойный фильтр (щелевой, с проволочной обмоткой, металлокерамический, титановый), установленный в интервале перфорации.

Конструкция забоя вида 1.2, з отличается от предыдущей конструкции тем, что забойный фильтр не устанавливают, а вынос песка предотвращают путем создания в перфорационных каналах искусственного фильтра из проницаемого тампонажного материала Контарен-2. Для этого после перфорации колонны осуществляют вызов притока, отрабатывают скважину в течение 1 — 5 сут., проверяют приемистость пласта и заканчивают на поглощение тампонажный состав Контарен-2. Предельно допустимая депрессия на пласт после крепления призабойной зоны составом Контарен-2 не должна превышать 3 МПа.

Похожие статьи:

РЭНГМ → Технологические основы освоения и глушения нефяных и газовых скважин. Басарыгин Ю.М., Будников В.Ф

РЭНГМ → Учебное пособие, скважинная добыча нефти и газа

РЭНГМ → Сборник задач по технике и технологии нефтедобычи. Мищенко Т.М.

РЭНГМ → Разработка и эксплуатация нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений. Гимаутдинов Ш.К

РЭНГМ → Вскрытие продуктивных пластов перфорацией и подготовка скважин к эксплуатации. Н. Гайворонский

rengm.ru

Добыча нефти и газа

Общие сведения о бурении нефтяных и газовых скважин

1.1.               ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Рис. 1. Элементы конструкции скважины

Скважиной называется цилиндрическая горная выработка, сооружаемая без доступа в нее человека и имеющая диаметр во много раз меньше ее длины (Рис. 1).

Основные элементы буровой скважины:

•Устье скважины (1) – пересечение трассы скважины с дневной поверхностью

•Забой скважины (2) – дно буровой скважины, перемещающееся в результате воздействия породоразрушающего инструмента на породу

•Стенки скважины (3) – боковые поверхности буровой скважины

•Ось скважины (6) — воображаемая линия, соединяющая центры поперечных сечений буровой скважины

Рис. 2. Схема скважины пробуренной сплошным (а) и кольцевым (б) забоем

*Ствол скважины (5) – пространство в недрах, занимаемое буровой скважиной.

•Обсадные колонны (4) – колонны соединенных между собой обсадных труб. Если  стенки скважины сложены из устойчивых пород, то в скважину обсадные колонны не спускают

Скважины углубляют, разрушая породу по всей площади забоя (сплошным забоем, рис. 2 а) или по его периферийной части (кольцевым забоем рис. 2 б). В последнем случае в центре скважины остается колонка породы – керн, которую периодически поднимают на поверхность для непосредственного изучения.

Диаметр скважин, как правило, уменьшается от устья к забою ступенчато на определенных интервалах. Начальный диаметр нефтяных и газовых скважин обычно не превышает 900 мм, а конечный редко бывает меньше 165 мм. Глубины нефтяных и газовых скважин изменяются в пределах нескольких тысяч метров.

По пространственному расположению в земной коре буровые скважины подразделяются (рис. 3):

1.     Вертикальнвые;

2.     Наклонные;

3.     Прямолинейноискривленные;

4.     Искривленные;

5.     Прямолинейноискривленные (с горизонтальным участком);

Рис. 3. Пространственное расположение скважин

Сложноискривленные.

Нефтяные и газовые скважины бурят на суше и на море при помощи буровых установок. В последнем случае буровые установки монтируются на эстакадах, плавучих буровых платформах или судах (рис. 4).

Рис. 4. Виды буровых скважин

В нефтегазовой отрасли бурят скважины следующего назначения:

1.       Эксплуатационные – для добычи нефти, газа и газового конденсата.

2.       Нагнетательные – для закачки в продуктивные горизонты воды (реже воздуха, газа) с целью поддержания пластового давления и продления фонтанного периода разработки месторождений, увеличения дебита эксплуатационных скважин, снабженных насосами и воздушными подъемниками.

3.       Разведочные – для выявления продуктивных горизонтов, оконтуривания, испытания и оценки их промышленного значения.

4.       Специальные - опорные, параметрические, оценочные, контрольные – для изучения геологического строения малоизвестного района, определения изменения коллекторских свойств продуктивных пластов, наблюдения за пластовым давлением и фронтом движения водонефтяного контакта, степени выработки отдельных участков пласта, термического воздействия на пласт, обеспечения внутрипластового горения, газификации нефтей, сброса сточных вод в глубокозалегающие поглощающие пласты и др.

5.       Структурно-поисковые – для уточнения положения перспективных нефте-газоносных структур по повторяющим их очертания верхним маркирующим (определяющим) горизонтам, по данным бурения мелких, менее дорогих скважин небольшого диаметра.

Сегодня нефтяные и газовые скважины представляют собой капитальные дорогостоящие сооружения, служащие много десятилетий. Это достигается соединением продуктивного пласта с дневной поверхностью герметичным, прочным и долговечным каналом. Однако пробуренный ствол скважины еще не представляет собой такого канала, вследствие неустойчивости горных пород, наличия пластов, насыщенных различными флюидами (вода, нефть, газ и их смеси), которые находятся под различным давлением. Поэтому при строительстве скважины необходимо крепить ее ствол и разобщать (изолировать) пласты, содержащие различные флюиды.

Рис.5. Обсадная труба в скважине

Крепление ствола скважины производится путем спуска в нее специальных труб, называемых обсадными. Ряд обсадных труб, соединенных последовательно между собой, составляет обсадную колонну. Для крепления скважин применяют стальные обсадные трубы (рис. 5).

Насыщенные различными флюидами пласты разобщены непроницаемыми горными породами - «покрышками». При бурении скважины эти непроницаемые разобщающие покрышки нарушаются и создается возможность межпластовых перетоков, самопроизвольного излива пластовых флюидов на поверхность, обводнения продуктивных пластов, загрязнения источников водоснабжения и атмосферы, коррозии спущенных в скважину обсадных колонн.

В процессе бурения скважины в неустойчивых горных породах возможны интенсивное кавернообразование, осыпи, обвалы и т.д. В ряде случаев дальнейшая углубка ствола скважины становится невозможной без предварительного крепления ее стенок.

Для исключения таких явлений кольцевой канал (кольцевое пространство) между стенкой скважины и спущенной в нее обсадной колонной заполняется тампонирующим (изолирующим) материалом (рис. 6). Это составы, включающие вяжущее вещество, инертные и активные наполнители, химические реагенты. Их готовят в виде растворов (чаще водных) и закачивают в скважину насосами. Из вяжущих веществ наиболее широко применяют тампонажные портландцементы. Поэтому процесс разобщения пластов называют цементированием.

Рис. 6. Схема крепления скважины

Таким образом, в результате бурения ствола, его последующего крепления и разобщения пластов создается устойчивое подземное сооружение определенной конструкции.

Под конструкцией скважины понимается совокупность данных о числе и размерах (диаметр и длина) обсадных колонн, диаметрах ствола скважины под каждую колонну, интервалах цементирования, а также о способах и интервалах соединения скважины с продуктивным пластом (рис. 7).

Сведения о диаметрах, толщинах стенок и марках сталей обсадных труб по интервалам, о типах обсадных труб, оборудовании низа обсадной колонны входят в понятие конструкции обсадной колонны.

В скважину спускают обсадные колонны определенного назначения: направление, кондуктор, промежуточные колонны, эксплуатационная колонна.

Направление спускается в скважину для предупреждения размыва и обрушения горных пород вокруг устья при бурении под кондуктор, а также для соединения скважины с системой очистки бурового раствора. Кольцевое пространство за направлением заполняют по всей длине тампонажным раствором или бетоном. Направление спускают на глубину от нескольких метров в устойчивых породах, до десятков метров в болотах и илистых грунтах.

Кондуктором обычно перекрывают верхнюю часть геологического разреза, где имеются неустойчивые породы, пласты, поглощающие буровой раствор или проявляющие, подающие на поверхность пластовые флюиды, т.е. все те интервалы, которые будут осложнять процесс дальнейшего бурения и вызывать загрязнение окружающей природной среды. Кондуктором обязательно должны быть перекрыты все пласты, насыщенные пресной водой.

Рис. 7. Схема конструкции скважины

Кондуктор служит также для установки противовыбросового устьевого оборудования и подвески последующих обсадных колонн. Кондуктор спускают на глубину нескольких сотен метров. Для надежного разобщения пластов, придания достаточной прочности и устойчивости кондуктор цементируется по всей длине.

Эксплуатационная колонна спускается в скважину для извлечения нефти, газа или нагнетания в продуктивный горизонт воды или газа с целью поддержания пластового давления. Высота подъема тампонажного раствора над кровлей продуктивных горизонтов, а также устройством ступенчатого цементирования или узлом соединения верхних секций обсадных колонн в нефтяных и газовых скважинах должна составлять соответственно не менее 150-300 м и 500 м.

Промежуточные (технические) колонны необходимо спускать, если невозможно пробурить до проектной глубины без предварительного разобщения зон осложнений (проявлений, обвалов). Решение об их спуске принимается после анализа соотношения давлений, возникающих при бурении в системе «скважина-пласт».

Если давление в скважине Рс меньше пластового Рпл (давления флюидов, насыщающих пласт), то флюиды из пласта будут поступать в скважину, произойдет проявление. В зависимости от интенсивности проявления сопровождаются самоизливом жидкости (газа) на устье скважины (переливы), выбросами, открытым (неконтролируемым) фонтанированием. Эти явления осложняют процесс строительства скважины, создают угрозу отравлений, пожаров, взрывов.

При повышении давления в скважине до некоторой величины, называемой давлением начала поглощения Рпогл, жидкость из скважины поступает в пласт. Этот процесс называется поглощением бурового раствора. Рпогл может быть близким или равным пластовому, а иногда приближается к величине вертикального горного давления, определяемого весом расположенных выше горных пород.

Иногда поглощения сопровождаются перетоками флюидов из одного пласта в другой, что приводит к загрязнению источников водоснабжения и продуктивных горизонтов. Снижение уровня жидкости в скважине вследствие поглощения в одном из пластов обуславливает понижение давления в другом пласте и возможность проявлений из него.

Давление, при котором происходит раскрытие естественных сомкнутых трещин или образование новых, называется давлением гидравлического разрыва пласта Ргрп. Такое явление сопровождается катастрофическим поглощением бурового раствора.

Характерно, что во многих нефтегазоносных районах пластовое давление Рпл близко к гидростатическому давлению столба пресной воды Рг (далее просто гидростатическое давление) высотой Нж, равной глубине Нп, на которой залегает данный пласт. Это объясняется тем, что давление флюидов в пласте чаще обусловлено напором краевых вод, область питания которых имеет связь с дневной поверхностью на значительных расстояниях от месторождения.

Поскольку абсолютные значения давлений зависят от глубины Н, их соотношения удобнее анализировать, пользуясь величинами относительных давлений, которые представляют собой отношения абсолютных значений соответствующих давлений к гидростатическому давлению Рг, т.е.:

Рпл* = Рпл / Рг ;

Ргр* = Ргр / Рг ;

Рпогл* = Рпогл / Рг;

Ргрп* = Ргрп / Рг .

Здесь Рпл – пластовое давление; Ргр – гидростатическое давление бурового раствора; Рпогл – давление начала поглощения; Ргрп – давление гидроразрыва пласта.

Относительное пластовое давление Рпл* часто называют коэффициентом аномальности Ка. Когда Рпл* приблизительно равно 1,0, пластовое давление считается нормальным, при Рпл* большем 1,0 – аномально высоким (АВПД), а при Рпл* меньшем 1,0 – аномально низким (АНПД).

Одним из условий нормального неосложненного процесса бурения является соотношение

а) Рпл* < Ргр* < Рпогл*(Ргрп*)

Процесс бурения осложняется, если по каким либо причинам относительные давления окажутся в соотношении:

б) Рпл* > Ргр* < Рпогл*

или

в) Рпл* < Ргр* > Рпогл* (Ргрп*)

Если справедливо соотношение б), то наблюдаются только проявления, если в), то наблюдаются и проявления и поглощения.

Промежуточные колонны могут быть сплошными (их спускают от устья до забоя) и не сплошными (не доходящими до устья). Последние называются хвостовиками.

Принято считать, что скважина имеет одноколонную конструкцию, если в нее не спускаются промежуточные колонны, хотя спущены и направление и кондуктор. При одной промежуточной колонне скважина имеет двухколонную конструкцию. Когда имеются две и более технические колонны, скважина считается многоколонной.

Конструкция скважины задается следующим образом: 426, 324, 219, 146 – диаметры обсадных колонн в мм; 40, 450, 1600, 2700 – глубины спуска обсадных колонн в м; 350, 1500 – уровень тампонажного раствора за хвостовиком и эксплуатационной колонной в м; 295, 190 – диаметры долот в мм для бурения скважины под 219 – и 146 –мм колонны.

1.2.    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.

1.2.1.       УДАРНОЕ БУРЕНИЕ

Ударное бурение. Из его всех разновидностей наибольшее распространение получило ударно-канатное бурение (рис. 8).

Рис. 8. Схема ударно-канатного бурения скважин

Буровой снаряд, который состоит из долота 1, ударной штанги 2, раздвижной штанги-ножниц 3 и канатного замка 4 , спускают в скважину на канате 5, который, огибая блок 6, оттяжной ролик 8 и наравляющий ролик 10, сматывается с барабана 11 бурового станка. Скорость спуска бурового снаряда регулируют тормозом 12. Блок 6 установлен на вершине мачты 18. Для гашения вибраций, возникающих при бурении, применяются амортизаторы 7.

Кривошип 14 при помощи шатуна 15 приводит в колебательное движение балансирную раму 9. При опускании рамы оттяжной ролик 8 натягивает канат и поднимает буровой снаряд над забоем. При подъеме рамы канат опускается, снаряд падает, и при ударе долота о породу последняя разрушается.

По мере углубления скважины канат удлиняют, сматывая его с барабана 11. Цилиндричность скважины обеспечивается поворотом долота в результате раскручивания каната под нагрузкой (во время приподъема бурового снаряда) и скручивания его при снятии нагрузки (во время удара долота о породу).

Эффективность разрушения породы при ударно-канатном бурении прямо пропорциональна массе бурового снаряда, высоте его падения, ускорению падения, числу ударов долота о забой в единицу времени и обратно пропорциональна квадрату диаметра скважины.

В процессе разбуривания трещиноватых и вязких пород возможно заклинивание долота. Для освобождения долота в буровом снаряде применяют штангу-ножницы, изготовленные в виде двух удлиненных колец, соединенных друг с другом подобно звеньям цепи.

Процесс бурения будет тем эффективнее, чем меньшее сопротивление долоту бурового снаряда оказывает накапливающаяся на забое скважины выбуренная порода, перемешанная с пластовой жидкостью. При отсутствии или недостаточном притоке пластовой жидкости в скважину с устья периодически доливают воду. Равномерное распределение частиц выбуренной породы в воде достигается периодическим расхаживанием (приподъемом и опусканием) бурового снаряда. По мере накопления на забое разрушеной породы (шлама) возникает необходимость в очистке скважины. Для этого с помощью барабана поднимают буровой снаряд из скважины и многократно спускают в нее желонку 13 на канате 17, сматываемом с барабана 16. В днище желонки имеется клапан. При погружении желонки в зашламленную жидкость клапан открывается и желонка заполняется этой смесью, при подъеме желонки клапан закрывается. Поднятую на поверхность зашламленную жидкость выливают в сборную емкость. Для полной очистки скважины приходится спускать желонку несколько раз подряд.

После очистки забоя в скважину опускают буровой снаряд, и процесс бурения продолжается.

При ударном бурении скважина, как правило, не заполнена жидкостью. Поэтому, во избежание обрушения породы с ее стенок, спускают обсадную колонну, состоящую из металлических обсадных труб, соединенных друг с другом с помощью резьбы или сварки. По мере углубления скважины обсадную колону продвигают к забою и периодически удлиняют (наращивают) на одну трубу.

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.

1.2.2.       ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ СКВАЖИН

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 (рис. 9) 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.

Рис. 9. 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 – невращающейся 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 невращающимся 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. Спуско-подъемные 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 спуско-подъемными 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.

1.3.         КРАТКАЯ ИСТОРИЯ БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Первые скважины в истории человечества бурили ударно-канатным способом за 2000 лет до нашей эры для добычи рассолов в Китае.

До середины 19 века нефть добывалась в небольших количествах, в основном из неглубоких колодцев вблизи естественных выходов ее на дневную поверхность. Со второй половины 19 века спрос на нефть стал возрастать в связи с широким использованием паровых машин и развитием на их основе промышленности, которая требовала больших количеств смазочных веществ и более мощных, чем сальные свечи, источников света.

Исследованиями последних лет установлено, что первая скважина на нефть была пробурена ручным вращательным способом на Апшеронском полуострове (Россия) в 1847 г. по инициативе В.Н. Семенова. В США первая скважина на нефть (25м) была пробурена в Пенсильвании Эдвином Дрейком в 1959 г. Этот год считается началом развития нефтедобывающей промышленности США. Рождение российской нефтяной промышленности принято отсчитывать от 1964 г., когда на Кубани в долине реки Кудако А.Н. Новосильцев начал бурить первую скважину на нефть (глубиной 55 м) с применением механического ударно-канатного бурения.

На рубеже 19-20 веков были изобретены дизельный и бензиновый двигатели внутреннего сгорания. Внедрение их в практику привело к бурному развитию мировой нефтедобывающей промышленности.

В 1901 г в США впервые было применено вращательное роторное бурение с промывкой забоя циркулирующим потоком жидкости. Необходимо отметить, что вынос выбуренной породы циркулирующим потоком воды изобрел в 1848 г. французский инженер Фовелль и впервые применил этот способ при бурении артезианской скважины в монастыре св. Доминика. В Росси роторным способом первая скважина была пробурена в 1902 г. на глубину 345 м в Грозненском районе.

Одной из труднейших проблем, возникших при бурении скважин, особенно при роторном способе, была проблема герметизации затрубного пространства между обсадными трубами и стенками скважины. Решил эту проблему русский инженер А.А. Богушевский, разработавший и запатентовавший в 1906 г. способ закачки цементного раствора в обсадную колонну с последующим вытеснением его через низ (башмак) обсадной колонны в затрубное пространство. Этот способ цементирования быстро распространился в отечественной и зарубежной практике бурения.

В 1923 г. выпускник Томского технологического института М.А. Капелюшников в соавторстве с С.М. Волохом и Н.А. Корнеевым изобрели гидравлический забойный двигатель – турбобур, определивший принципиально новый путь развития технологии и техники бурения нефтяных и газовых скважин. В 1924 г. в Азербайджане была пробурена первая в мире скважина с помощью одноступенчатого турбобура, получившего название турбобура Капелюшникова.

Особое место занимают турбобуры в истории развития бурения наклонных скважин. Впервые наклонная скважина была пробурена турбинным способом в 1941 г. в Азербайджане. Совершенствование такого бурения позволило ускорить разработку месторождений, расположенных под дном моря или под сильно пересеченной местностью (болота Западной Сибири). В этих случаях бурят несколько наклонных скважин с одной небольшой площадки, на строительство которой требуется значительно меньше затрат, чем на сооружение площадок под каждую буровую при бурении вертикальных скважин. Такой способ сооружения скважин получил наименование кустового бурения.

В 1937-40 гг. А.П. Островским, Н.Г. Григоряном , Н.В. Александровым и другими была разработана конструкция принципиально нового забойного двигателя – электробура.

В США в 1964 г. был разработан однозаходный гидравлический винтовой забойный двигатель, а в 1966 в России разработан многозаходный винтовой двигатель, позволяющий осуществлять бурение наклонно-направленных и горизонтальных скважин на нефть и газ.

В Западной Сибири первая скважина, давшая мощный фонтан природного газа 23 сентября 1953 г. была пробурена у пос. Березово на севере Тюменской области. Здесь, в Березовском районе зародилась в 1963 г. газодобывающая промышленность Западной Сибири. Первая нефтяная скважина в Западной Сибири зафонтанировала 21 июня 1960 г. на Мулымьинской площади в бассейне реки Конда.

oilloot.ru


Смотрите также