6.Бурение нефтяных и газовых скважин

6.1. Краткая история развития бурения

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

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

Первые сообщения о китайских скважинах для добычи воды и со­ ляных рассолов содержатся в работах философа Конфуция, написанных около 600 г. до н. э. Скважины сооружались методом ударного бурения и достигали глубины 500 м. Это свидетельствует о том, что до этого тех­ ника бурения развивалась в течение, по крайней мере, еще нескольких сот лет. За 200 лет до нашей эры с помощью бамбуковых труб и брон­ зовой «бабы» в Китае проходили скважины глубиной до 1067 м. Иногда при бурении китайцы натыкались на нефть и газ. Так в 221...263 гг. н. э. в Сычуане из скважин глубиной около 240 м добывали газ, который ис­ пользовался для выпаривания соли.

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

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

Стенки скважин часто обваливались. Поэтому для их крепления ис­ пользовались или полые стволы деревьев или трубы, сплетенные из иво­

вой коры. В конце XIX в. стенки скважин стали крепить ж елезны ми тру­ бами. Их гнули из листового железа и склепывали. При углублении сква­ жины трубы продвигали вслед за буровым инструментом (долотом); для этого их делали меньшего диаметра, чем предшествующие. П озднее эти трубы стали называть обсадными. Конструкция их со временем была усовершенствована: вместо клепанных они стали цельнотянутыми с резь­ бой на концах.

Первая скважина в США была пробурена для добычи соляного рас­ твора близ г. Чарлстона в Западной Вирджинии в 1806 г. При дальней­ ших поисках рассолов в 1826 г. близ г. Бернсвилла в шт. Кентукки слу­ чайно была найдена нефть.

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

В декабре 1844 г. член Совета Главного Управления Закавказского края В. Н. Семенов направил своему руководству рапорт, где писал

онеобходимости «...углубления посредством бура некоторых колодцев...

ипроизведения вновь разведки на нефть также посредством бура меж ­ ду балаханскими, байбатскими и кабристанскими колодцами». Как при­ знавал сам В. Н. Семенов, эту идею подсказал ему управляющий бакин­ ских и ширванских нефтяных и соляных промыслов горный инженер Н. И. Воскобойников. В 1846 г. министерство финансов выделило необ­ ходимые средства и были начаты буровые работы. О результатах бурения говорится в докладной записке наместника Кавказа графа Воронцова от 14 июля 1848 г.: «... на Биби-Эйбате пробурена скважина, в которой най­ дена нефть». Это была первая нефтяная скважина в мире!

Незадолго до этого, в 1846 г., французский инженер Ф овель пред­ ложил способ непрерывной очистки скважин—их промывку. Сущность

метода заключалась в том, что с поверхности земли по полым трубам в скважину насосами закачивалась вода, выносящая кусочки породы на­ верх. Этот метод очень быстро получил признание, т. к. не требовал оста­ новки бурения.

Первая нефтяная скважина в США была пробурена в 1859 г. в районе г. Тайтесвилл, штат Пенсильвания. Сделал это Э. Дрейк, работавший по заданию фирмы «Сенека ойл компани». После двух месяцев непрерыв­ ного труда рабочим Дрейка удалось пробурить скважину глубиной все­ го 22 м, но она дала-таки нефть. Вплоть до недавнего времени эта скважи­

на считалась первой в мире, но найденные документы о работах под руко­ водством В. Н. Семенова восстановили историческую справедливость.

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

Число пробуренных скважин на нефтяных промыслах в конце XIX века стремительно росло. Так, если в Баку в 1873 г. их было 17, в 1885 г.— 165, в 1890 г.—356, в 1895 г - 6 0 4 , то к 1901 г . - 1740.

Одновременно значительно возросла глубина нефтяных скважин. Ес­ ли в 1872 г. она составляла 55...65 м, то в 1883 г.—105...125 м, а к концу XIX в. достигла 425...530 м.

Вконце 80-х гг. прошлого века близ г. Новый Орлеан (шт. Луизиана,

СШ А) было применено вращательное бурение на нефть с промывкой скважин глинистым раствором. В России вращательное бурение с про­ мывкой впервые применили близ г. Грозного в 1902 г. и нашли нефть на глубине 345 м.

Первоначально вращательное бурение осуществлялось вращением долота вместе со всей колонной бурильных труб непосредственно с по­ верхности. Однако при большой глубине скважин вес этой колонны весь­ ма велик. Поэтому еще в XIX в. появились первые предложения по созда­ нию забойны х двигателей, т. е. двигателей, размещаемых в нижней части бурильных труб непосредственно над долотом. Большинство из них оста­

лось нереализованными.

Впервые в мировой практике советским инженером (впоследствии членом-корреспондентом АН СССР) М. А. Капелюшниковым в 1922 г. был изобретен турбобур, представлявший собой одноступенчатую гид­ равлическую турбину с планетарным редуктором. Турбина приводи­ лась во вращение промывочной жидкостью. В 1935... 1939 гг. конструкция турбобура была усовершенствована группой ученых под руководством П. П. Шумилова. Турбобур, предложенный ими, представляет собой мно­ гоступенчатую турбину без редуктора.

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

Рис. 6.1. Конструкция скважины:

1—обсадные трубы; 2—цементный камень; 3—пласт; 4—перфорация в обсадной трубе и цементном камне; I—направление; II—кондуктор; III—промежуточная колонна; IV—эксплуатационная колонна

После установки кондуктора не всегда удается пробурить скважину до проектной глубины из-за прохождения новых осложняющих горизон­ тов или из-за необходимости перекрытия продуктивных пластов, кото­ рые не планируется эксплуатировать данной скважиной. В таких случаях устанавливают и цементируют еще одну колонну III, называемую проме­ жуточной. Если продуктивный пласт, для разработки которого предна­ значена скважина, залегает очень глубоко, то количество промежуточных колонн может быть больше одной.

Последний участок IV скважины закрепляют эксплуатационной ко­ лонной. Она предназначена для подъема нефти и газа от забоя к устью скважины или для нагнетания воды (газа) в продуктивный пласт с це­ лью поддержания давления в нем. Во избежание перетоков нефти и газа

ввышележащие горизонты, а воды в продуктивные пласты пространство между стенкой эксплуатационной колонны и стенкой скважины запол­ няют цементным раствором.

Для извлечения из пластов нефти и газа применяют различные ме­ тоды вскрытия и оборудования забоя скважины. В большинстве случаев

внижней части эксплуатационной колонны, находящейся в продуктив­ ном пласте, простреливают (перфорируют) ряд отверстий 4 в стенке об­ садных труб и цементной оболочке.

Вустойчивых породах призабойную зону скважины оборудую т раз­ личными фильтрами и не цементируют или обсадную колонну опускают только до кровли продуктивного пласта, а его разбуривание и эксплуата­ цию производят без крепления ствола скважины.

Устье скважины в зависимости от се назначения оборудуют армату­ рой (колонная головка, задвижки, крестовина и др.).

При поисках, разведке и разработке нефтяных и газовых месторож ­ дений бурят опорные, параметрические, структурные, поисковые разве­ дочные, эксплуатационные, нагнетательные, наблюдательные и другие скважины.

Опорные скважины закладываются в районах, нс исследованных бу­ рением, и служат для изучения состава и возраста слагающих их пород.

Параметрические скважины закладываются в относительно и зу ­ ченных районах с целью уточнения их геологического строения и пер­ спектив нефтегазоносности.

Структурные скважины бурятся для выявления перспективных пло­ щадей и их подготовки к поисково-разведочному бурению.

Поисковые скважины бурят с целью открытия новых промышлен­ ных залежей нефти и газа.

Разведочные скважины бурятся на площадях с установленной про­ мышленной нефтегазоносностью для изучения размеров и строения за­ лежи, получения необходимых исходных данных для подсчета запасов нефти и газа, а также проектирования се разработки.

Эксплуатационные скважины закладываются в соответствии со схе­ мой разработки залежи и служат для добычи нефти и газа из земных недр.

Нагнетательные скважины используют при воздействии на эксплуа­ тируемый пласт различных агентов (закачки воды, газа и т. д.).

Наблюдательные скважины бурят для контроля за разработкой за­ лежей (изменением давления, положения водонефтяного и газонефтяно­ го контактов и т. д.).

та с породой источника воздействия на нее. Н емеханические способы (гидравлический, термический, электрофизический) находятся в стадии разработки и для бурения нефтяных и газовых скважин в настоящ ее вре­ мя не применяются.

Механические способы бурения подразделяются на ударное и вра­ щательное.

При ударном бурении разрушение горных пород производится дол о­ том 1, подвешенным на канате (рис. 6.3). Буровой инструмент включает также ударную штангу 2 и канатный замок 3. Он подвешивается на кана­ те 4, который перекинут через блок 5, установленный на какой-либо мач­ те (условно не показана). Возвратно-поступательное движение бурового инструмента обеспечивает буровой станок 6.

Рис. 6.3. Схема ударного бурения: 1 —долото; 2—ударная штанга; 3—канатный замок; 4—канат; 5—блок; 6—буровой станок

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

Для очистки забоя от разрушенной породы буровой инструмент пе­ риодически извлекают из скважины, а в нее опускают желонку, похожую

на длинное ведро с клапаном в дне. При погружении желонки в смесь из жидкости (пластовой или наливаемой сверху) и разбуренных частиц по­ роды клапан открывается и желонка заполняется этой смесью. При подъ­ еме желонки клапан закрывается и смесь извлекается наверх.

По завершении очистки забоя в скважину вновь опускается буровой инструмент и бурение продолжается.

Во избежание обрушения стенок скважины в нее спускают обсадную трубу, длину которой наращивают по мере углубления забоя.

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

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

Турбобур —это гидравлическая турбина, приводимая во вращение с помощью нагнетаемой в скважину промывочной жидкости. Электробур представляет собой электродвигатель, защищенный от проникновения жидкости, питание к которому подается по кабелю с поверхности. Винтовой двигатель — это разновидность забойной гидравлической ма­ шины, в которой для преобразования энергии потока промывочной жид­ кости в механическую энергию вращательного движения использован винтовой механизм.

По характеру разрушения горных пород на забое различают сплош­ ное и колонковое бурение. При сплошном бурении разрушение пород производится по всей площади забоя. Колонковое бурение предусматри­ вает разрушение пород только по кольцу с целью извлечения керна—ци­ линдрического образца горных пород на всей или на части длины сква­ жины. С помощью отбора кернов изучают свойства, состав и строение горных пород, а также состав и свойства насыщающего породу флюида.

Все буровые долота классифицируются на три типа:

1)долота рсжущс-скалывающсго действия, разрушающие породу лопастями (лопастные долота):

2)долота дробяще-скалывающсго действия, разрушающие породу зубьями, расположенными на шарошках (шарошечные долота):

3)долота режущс-истирающсго действия, разрушающие породу алмаз­ ными зернами или твердосплавными штырями, которые расположе­ ны в торцевой части долота (алмазные и твердосплавные долота).