Вадецкий Ю.В.

ВВЕДЕНИЕ

Автор выражает глубокую благодарность

ст. научному сотруднику ОАО «ВНИИОЭНГ» В.А.Ершовой

за помощь при подготовке рукописи к изданию

Рецензент —

главный научный сотрудник Института проблем нефти и газа РАН В. И. Игревский

Вадецкий Ю.В.

В 12 Бурение нефтяных и газовых скважин: Учебник для нач. проф. образования / Юрий Вячеславович Вадецкий. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 352с. 5-7695-1 119-2

В учебнике даются краткие сведения из общей и нефтепромысловой геологии. Описываются принципы разработки нефтяных и газовых место­рождений, а также способы эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Приводятся данные о буровых установках и методах их сооружения.

Для учащихся начальных профессиональных учебных заведений.

УДК 622.23/.24 ББК 33.131

© Вадецкий Ю.В., 2003

© Образовательно-издательский центр «Академия», 2003 5-7695-1119-2 © Оформление. Издательский центр «Академия». 2003

Бурение нефтяных или газовых скважин является сложным, а в ряде случаев и опасным процессом. Бурение нефтяных или газовых скважин может быть успешно осуществлено только при обязательном соблюдении ряда правил и положений. Таких пра­вил и положений достаточно много, и все они изложены в данном учебнике, но среди этого многообразия есть главные (их всего семь), которые следует запомнить и обязательно выполнять. Их выполне­ние гарантирует успех.

Основные положения, гарантирующие успешную проводку сква­жины. 1. Все члены буровой бригады, особенно бурильщики, долж­ны хорошо знать геолого-технический наряд (ГТН), особенности бурения в данном районе, геологический разрез (интервалы) сква­жины. Особое внимание должно быть обращено на интервалы, где возможны осложнения. При подходе к таким интервалам прини­маются необходимые меры предосторожности.

2. Коллектив буровой бригады, особенно его основного звена —
вахты, должен быть дружным и спаянным. Если в состав вахты
входит человек, по каким-либо причинам не совместимый с ос­
тальными членами коллектива, его лучше перевести в другую вах­
ту, бригаду.

Процесс бурения не всегда спокойный и безобидный, возмож­ны экстремальные ситуации (аварии, газовые выбросы, пожары и т.д.), при которых от буровой бригады (вахты) требуются мастер­ство, хладнокровие, мужество и самоотверженность. В этих усло­виях взаимоотношения между членами бригады могут играть ре­шающую роль.

3. Все члены буровой бригады, особенно бурильщики, должны
быть профессионалами своего дела. Профессионализм в бурении
достигается постоянными тренировками и повышением своей ква­
лификации.

4. Процесс бурения в значительной мере консервативен. Он состо­
ит из последовательности операций, нередко повторяющихся, ко­
торые обязательно производятся в определенном порядке. Отступ­
ление от этого правила в большинстве случаев приводит к ослож­
нениям или авариям. В этом отношении буровую вахту можно срав­
нить с экипажем самолета, когда малейшее отступление от пра­
вил приводит к катастрофе.

5. Все члены коллектива обязаны соблюдать дисциплину в про­
цессе строительства скважины. Малейшая расхлябанность, появ­
ление на работе в нетрезвом состоянии или после бурно проведен­
ного накануне дня чревато серьезными последствиями. Потеря или
притупление бдительности часто приводит к несчастным случаям,
в том числе и со смертельным исходом. Каждое отступление от
общепринятых норм не должно оставаться незамеченным.

6. Каждый член буровой бригады должен неукоснительно со­
блюдать правила техники безопасности, уметь оказать первую ме­
дицинскую помощь пострадавшему, твердо знать свои обязанно­
сти при газовом выбросе, пожаре и других экстремальных ситуа­
циях. Задача бурового мастера — постоянно проводить учения и
довести действия членов буровой бригады в этих ситуациях до пол­
ного автоматизма.

7. Каждый член буровой бригады должен выполнять только то,
что ему предписано должностной инструкцией. Все остальные дей­
ствия выполняются только по распоряжению бурового мастера
(бурильщика).

Краткие сведения из истории развития техники и технологии бу­ровых работ. Трудно установить, в каком тысячелетии до нашей эры человек впервые стал использовать нефть, но очевидно, что это произошло в очень древние времена. В первое время нефть ис­пользовалась как лечебное средство против самых разнообразных болезней: проказы, воспаления глаз и др. Большое значение в древ­ности нефть имела и как осветительный материал.

При рабовладельческом строе область применения нефти и ес­тественного битума значительно расширилась. Их использовали уже не только как лечебное средство и осветительный материал, но и для строительных целей. При сооружении стен битум широко упот­реблялся в смеси с обоженным кирпичом и галькой. Расширение сферы применения нефти в эпоху рабовладельческого строя выз­вало усовершенствование техники ее добычи. Используемый ранее способ собирания нефти в местах ее выхода на поверхность земли уже не мог обеспечить потребностей в ней. Возник ямный (или копаночный) способ добычи нефти. Копанки представляли собой неглубокие ямы (до 2 м глубиной), в которые вставлялся плетень для предохранения стенок от обвала. На дне копанки скапливалась нефть, просачивавшаяся через почву. Нефть из копанок вычерпы­валась периодически, по мере ее накопления.

Великие географические открытия и расцвет торговых отноше­ний при феодальном строе значительно способствовали росту ряда отраслей промышленности, в том числе и нефтяной. Увеличив­шийся спрос на нефть привел к разработке новой техники ее до­бычи. Старый ямный (копаночный) способ уже не мог обеспечить потребности нового общества в нефти. Появился колодезный спо­соб добычи нефти, который был совершеннее и выгоднее ямного

(копаночного), так как позволял эксплуатировать более глубокие продуктивные пласты и увеличить добычу нефти.

Отмена крепостного права устранила препятствия на пути про­мышленного развития феодально-крепостнической России. Значи­тельно возросла в этот период роль нефтяной промышленности в общем индустриальном развитии страны. Для заводов, фабрик, железнодорожного и водного транспорта было необходимо топли­во, в первую очередь — уголь и нефть. Колодезный способ уже не мог удовлетворять потребности общества с новым хозяйственным и политическим укладом. Нужен был более совершенный метод разрушения горных пород, а вместе с ним и новый способ подъ­ема нефти на поверхность земли. Таким методом явилось бурение скважин.

Считается, что первую коммерческую нефтяную скважину в 1859 г. в штате Пенсильвания (США) пробурил Эдвин Дрейк. При­мерно в то же время началось бурение скважин и в России. Первые нефтяные скважины бурились малопроизводительным ручным штанговым вращательным способом. Вскоре перешли к бурению нефтяных скважин ручным штанговым ударным способом, при­менявшимся издавна при бурении скважин на рассолы и воду.

Способ бурения на железных штангах при помощи свободно падающего инструмента (ударно-штанговый) получил широкое распространение на нефтяных промыслах Азербайджана. Ударно-канатный способ бурения получил распространение в Грознен­ском нефтяном районе.

Переход от ручного способа бурения скважин к механическому привел к необходимости решения ряда вопросов механизации бу­ровых работ. Крупный вклад в это дело внесли русские горные ин­женеры Г.Д. Романовский (1825—1906) и С.Г.Воислав (1850— 1904). По мере возрастания глубины нефтяных скважин, которая к 1900 г. дошла примерно до 300 м, все заметнее ощущались недостатки ударного способа бурения.

Разбуривание глубоко залегающих нефтяных пластов потребо­вало совершенствования техники бурения скважин. При ударном бурении долото в 1 мин делало от 26 до 40 падений и через каждые 2 ч надо было поднимать бурильный инструмент для очистки за­боя от разбуренной породы. Стенки скважины разрушались, поэто­му приходилось крепить их 12... 14 колоннами. На это расходовали огромное количество металла — свыше 0,5 т на каждый метр про­ходки. Скорость же проходки при ударном бурении была незначи­тельна. В дореволюционное время в штанговом бурении она состав­ляла не более 34,6 м/ст.-мес (метр на станок-месяц) при средней глубине скважин 300...400 м, а в Грозном достигала 90 м/ст.-мес при средней глубине скважин 600 м. На смену ударному способу пришло вращательное бурение, в результате чего были устранены Указанные недостатки. При вращательном бурении одновременно

производятся и проходка скважин, и вынос на поверхность раз­буренной породы при помощи бурового раствора (вынос выбу­ренной породы циркулирующим потоком воды изобрел в 1848 г. французский инженер Фовелль). С 1901 г., когда впервые в США было применено роторное бурение с промывкой забоя циркули­рующим потоком жидкости, начался период развития и совер­шенствования вращательного способа бурения. В России ротор­ным способом первая скважина глубиной 345 м была пробурена в 1902 г. в Грозненском районе.

Одной из труднейших проблем, возникавших 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. Богу-шевский, запатентовавший в 1906 г. способ закачки цементного раствора в обсадную колонну с последующим вытеснением его через низ (башмак) обсадной колонны в затрубное пространство. Способ Богушевского получил быстрое распространение не толь­ко в России, но и за рубежом. Однако это не помешало американ­скому инженеру Перкинсу в 1918 г. получить патент на способ це­ментирования скважин, повторяющий изобретение инженера А. А. Богушевского.

Наряду с успешным решением практических задач техники бу­рения ученые и инженеры нашего отечества много внимания уделя­ли вопросам разработки теории. Большую роль в развитии нефтя­ной техники сыграл «Горный журнал», издававшийся с 1825 г. В журнале печатались работы крупнейших специалистов-нефтяни­ков того времени: Г. Д. Романовского, С. Гулишамбарова, А. Васи­льева, Н.А.Соколовского, И.А.Тиме и др. С 1899 г. в Баку начал издаваться журнал «Нефтяное дело».

В 1904— 1911 гг. вышел в свет четырехтомный классический труд одного из крупнейших русских горных инженеров И. Н. Глушкова «Руководство к бурению скважин», который долгое время был настольной книгой всех нефтяников.

В годы Первой мировой и последующей за ней гражданской войны русская нефтяная промышленность пришла в состояние упадка. Восстановление нефтяной промышленности началось не­медленно после освобождения нефтяных районов от интервентов и белогвардейцев.

С 1924 г. в нефтяной промышленности СССР началась техни­ческая реконструкция бурения скважин. Важнейшими путями этой реконструкции были следующие:

замена ударного бурения вращательным;

использование вместо паровой электрической энергии — наи­более дешевой.

В годы довоенных пятилеток нефтяная и газовая промышлен­ность развивалась форсированными темпами. С 1928 по 1940 г. до-

быча нефти возросла с 11625 тыс. т до 31121 тыс. т, а проходка скважин на нефть и газ с 362 тыс. м до 1947 тыс. м.

В годы Великой Отечественной войны буровики-нефтяники про­явили образцы героизма в труде, организуя в трудных условиях военного времени разведку и добычу нефти и газа в восточных районах страны. Этот период характеризуется увеличением доли про­ходки в разведочном бурении с 23 % от общей проходки в 1940 г. до 42 % в 1945 г., причем доля восточных районов в общей проходке по СССР с 21,8 % в 1940 г. возросла до 52,5 % в 1944 г. и 45 % в 1945 г.

Пути развития бурения нефтяных и газовых скважин в СССР во многом определил изобретенный в 1923 г. М. А. Капелюшниковым, С. М. Волохом и Н. А. Корнеевым гидравлический забойный двига­тель — турбобур.

В 1923 г. в Азербайджане была пробурена первая в мире скважи­на с помощью одноступенчатого турбобура, получившего назва­ние турбобура Капелюшникова. Турбобуры Капелюшникова не нашли широкого применения, так как при одноступенчатой тур­бине жидкость протекала по ее лопаткам со скоростью 50... 70 м/с. Такая высокая скорость движения жидкости, несущей абразивные частицы разбуриваемых пород, приводила к исключительно быст­рой сработке лопаток турбины. Кроме того, турбобур Капелюшни­кова имел очень небольшую мощность и низкий КПД (29... 30 %). Мощность турбобуров Капелюшникова составляла всего лишь 3,5...11,0 кВт.

В 1934 г. группа инженеров во главе с П. П. Шумиловым предло­жила новый турбобур, принципиально отличавшийся от турбобу­ра Капелюшникова. В нем была предусмотрена специально разра­ботанная многоступенчатая турбина, число ступеней в которой доходило до 100... 150 шт. Это позволило увеличить мощность тур­бобура и снизить скорость вращения турбины до 8,3... 11,7 об/с и тем самым устранить необходимость в редукторе.

Первые опыты бурения многоступенчатым турбобуром, прове­денные в 1935—1936 гг., подтвердили все преимущества новой конструкции. Дальнейшая работа по созданию турбобура для буре­ния скважин в основном проводилась по линии усовершенствова­ния конструкции. Эта работа закончилась в 1939— 1940 гг. создани­ем промышленного лтта турбобура.

С 1944 г. турбинный способ бурения получил широкое примене­ние в большинстве нефтяных районов. В послевоенные годы тур­бинное бурение стало одним из основных видов бурения в Совет­ском Союзе.

Конструкция турбобуров постоянно совершенствуется. Раз­рабатываются новые типы гидравлических забойных двигателей. Так, во второй половине 1960-х гг. был разработан винтовой (объем-ный) забойный двигатель, который широко применяется и в на­стоящее время.

В 1937— 1938 гг. группой инженеров во главе с А. П. Островским была разработана конструкция забойного двигателя негидравли­ческого типа — электробура. В 1940 г. на нефтяных промыслах Азер­байджана были проведены первые испытания, показавшие целе­сообразность его применения при бурении скважин. В дальнейшем конструкция электробура была значительно усовершенствована, что позволило успешно использовать его в некоторых районах страны.

Послевоенные годы были отмечены значительным ростом проходки, улучшением конструкций бурового оборудования ин­струмента, увеличением мощности привода буровых установок, дальнейшим усовершенствованием технологии проводки сква­жин и т. п.

Несмотря на то, что в настоящее время в нашей стране более 90 % от всего объема бурения осуществляется забойными двигате­лями, потенциальные возможности роторного бурения далеко не исчерпаны, о чем свидетельствует и зарубежный опыт.

Вот уже полтора столетия человечество занимается бурением скважин на нефть и газ. Была достигнута максимальная глубина сква­жины — более 12000 м (Российская Федерация, Кольская сверх­глубокая скважина). Это свидетельствует об огромных технических трудностях, с которыми приходится сталкиваться по мере углубле­ния в недра Земли. Техника и технология бурения, изложенная в настоящем учебнике, позволит достичь глубин 15000... 16000 м, что и будет сделано уже в ближайшие десятилетия.

Терминология. Изучая настоящий учебник, читатель столкнется с целым рядом понятий (терминов), встречающихся только при производстве бурения скважин. Таких понятий не так уж много, но их надо знать, а самое главное, понимать их смысл. Ниже при­водятся основные из этих терминов.

Бурение — процесс образования горной выработки, преимуще­ственно круглого сечения, путем разрушения горных пород глав­ным образом буровым инструментом (реже термическим, гидро­эрозионным, взрывным и другими способами) с удалением про­дуктов разрушения.

Скважина (нефтяная, газовая, водяная и т.п.) — сооруже­ние, преимущественно круглого сечения, образуемое путем бу­рения и крепления и характеризуемое относительно малым раз­мером площади поперечных сечений по сравнению с размером площади боковой поверхности и заранее заданным положением в пространстве.

Буровой инструмент — общее название механизмов и приспо­соблений, применяемых при бурении скважин и ликвидации ава­рий, возникающих в скважинах.

Ударный способ бурения — способ сооружения скважин путем разрушения горных пород за счет ударов породоразрушающего инструмента по забою (дну) скважины.

Вращательный способ бурения — способ сооружения скважин путем разрушения горных пород за счет вращения прижатого к забою породоразрушающего инструмента (долото, коронка).

Буровой раствор (промывочная жидкость) — технологическое наименование сложной многокомпонентной дисперсной системы суспензионных и аэрированных жидкостей, применяемых при про­мывке скважин в процессе бурения.

Обсадные трубы — трубы, предназначенные для крепления сква­жин, а также изоляции продуктивных горизонтов при эксплуата­ции нефтяного (газового) пласта (горизонта).

Обсадная колонна — колонна, состоящая из последовательно свинченных (сваренных) обсадных труб.

Затрубное пространство — пространство между стенками сква­жины (обсадной колонны) и наружными стенками колонны бу­рильных труб, образующееся в процессе бурения.

Разведочное бурение — бурение скважин с целью разведки неф­тяных (газовых) месторождений. Входит в комплекс работ, позво­ляющий оценить промышленное значение нефтяного (газового) месторождения, выявленного на поисковом этапе, и подготовить его к разработке.

Эксплуатационное бурение — бурение скважин с целью разра­ботки нефтяного (газового) месторождения.

Турбобур — забойный гидравлический двигатель, предназначен­ный для бурения скважин в различных геологических условиях.

Турбинный способ бурения — бурение скважин при помощи тур­бобуров.

Электробур — буровая машина, приводимая в действие элек­трической энергией и сообщающая вращательное движение поро-доразрушающему инструменту.

Цементирование (тампонирование) скважины — закачка цементно­го раствора в кольцевое пространство между стенками скважины и обсадной колонны.

Бурильная колонна — ступенчатый полый вал, соединяющий буровое долото (породоразрушающий инструмент) с наземным оборудованием (буровой установкой) при бурении скважины.

Бурильная свеча — часть бурильной колонны, неразъемная во время спускоподъемных операций; состоит из двух, трех или че­тырех бурильных труб, свинченных между собой.

Буровая установка — комплекс машин и механизмов, предна­значенных для бурения и крепления скважин.

Буровая вышка — сооружение, устанавливаемое над буровой скважиной для спуска и подъема бурового инструмента, забойных двигателей, обсадных труб.

Буровая лебедка — механизм, предназначенный для спуска и подъема колонны бурильных труб, подачи бурового долота на забой скважины, спуска обсадных труб, передачи мощности на ротор.

Талевая (полиспастовая) система буровых установок — ряд ме­ханизмов (кронблок, талевый блок, крюк или кркжоблок), пре­образующих вращательное движение барабана лебедки в поступа­тельное (вертикальное) перемещение крюка.

Ротор — механизм, предназначенный для передачи вращения колонне бурильных труб в процессе бурения, поддержания ее на весу при спускоподъемных операциях и вспомогательных рабо­тах.

Вертлюг — механизм, обеспечивающий вращение бурильной колонны, подвешенной на крюке, и подачу через нее промывоч­ной жидкости.

Буровой насос — гидравлическая машина для нагнетания про­мывочной жидкости в буровую скважину.

Буровая платформа — установка для бурения на акваториях с це­лью разведки или эксплуатации минеральных ресурсов под дном моря.

Силовой привод бурения установки — комплекс машин и меха­низмов, предназначенных для преобразования электрической энер­гии или энергии топлива в механическую энергию.

Вибрационное сито (вибросито) — механизм для очистки буро­вого раствора (промывочной жидкости) от выбуренной породы и других механических примесей.

Химические реагенты — различные химические вещества, пред­назначенные для регулирования свойств буровых растворов (про­мывочной жидкости).

Ведущая бурильная труба — труба обычно квадратного сечения, которая устанавливается наверху бурильной колонны и передает ей вращение от ротора.

Шурф для ведущей трубы — неглубокая скважина, сооружаемая рядом с ротором и предназначенная для опускания ведущей трубы во время наращивания бурильных труб в периоды, когда не бурят.

Шарошечное буровое долото — механизм, состоящий из сфери­ческих или цилиндрических шарошек, смонтированных на под­шипниках качения или скольжения (или их комбинации) на цап­фах секций бурового долота.

Лопастное буровое долото — корпус с присоединительной резь­бой, к которому привариваются три и более лопастей.

Бурильные трубы — основная часть бурильной колонны. Буриль­ные трубы изготавливают бесшовными, из углеродистых или ле­гированных сталей.

Бурильные замки (замки для бурильных труб) — соединительный элемент бурильных труб для свинчивания их в колонну. Буриль­ный замок состоит из ниппеля и муфты, закрепляемых на концах бурильной трубы.

Утяжеленные бурильные трубы (УБТ) — трубы, предназначен­ные для создания нагрузки на породоразрушающий инструмент и увеличения жесткости нижней части бурильной колонны.

Индикатор массы (веса) — прибор, при помощи которого в процессе бурения определяется осевая нагрузка на долото. Этим прибором определяется также нагрузка, действующая на крюк та­левой системы.

Выше приведены только основные термины, широко исполь­зуемые при бурении нефтяных и газовых скважин. Специалист любого уровня, занимающийся бурением нефтяных и газовых сква­жин, должен свободно владеть этой терминологией.

ГЛАВА 1

Дата добавления: 2015-07-08