Бурение нефтяных и газовых скважин

Бурение

Введение

Центральная геолого-геофизическая  экспедиция проводит целый ряд буровых  работ различной направленности. Имеющийся парк буровой техники  и материально-техническая оснащенность позволяет решать сложнейшие задачи по бурению скважин. В настоящее время на техническом вооружении экспедиции находятся следующие виды буровых установок: УРБ-3А3, УРБ-3АМ, УРБ-2.5А, УГБ-50М, ПБУ-2, СТУ-1001Б и УГБ-3УК, которые позволяют производить бурение:

Геологоразведочных  скважин глубиной до 800 м при диаметрах  бурения с отбором керна 132, 112, 93 и 76 мм;

Скважин глубиной до 300 м на рассолы, минеральные воды с проведением цементации отсадных колонн;

Эксплуатационных  скважин для водоснабжения под  промышленные насосы типа ЭЦВ-5, 6, 8, 10;

Инженерно-геологических  скважин шнековым и колонковым способом под любые виды строительства;

Скважин под  опоры, столбы, фундаменты, ограждения глубиной 1-10 м и диаметром 300-600 мм.

Кроме того, экспедиция проводит ремонт эксплуатационных скважин:

Оборудование  скважин насосами (в том числе, замена насосов), водоподъёмными трубами, задвижками, станциями управления и защиты (СЦ-8);

Гидравлический "прострел" фильтровой части скважин  установкой АСП-ТМ

Чистка ствола скважин с извлечением и опусканием насоса.

Проведение ликвидационного тампонажа скважин, вышедших из строя.

Центральная геолого-геофизическая  экспедиция проводит буровые работы в Нижегородской области, Республиках  Татарстан, Марий Эл, Удмуртия, Мордовия и других регионах.

Экспедиция имеет  огромный опыт в производстве буровых работ, за период её существования сооружены тысячи геологоразведочных скважин, выполнивших свое геологическое задание с высоким качеством; сооружены сотни эксплуатационных скважин для водоснабжения поселков, предприятий и колхозов.

Сооружены тысячи скважин под бытовые насосы для частных лиц и садоводческих товариществ. В настоящее время скважины оборудуют под бытовые насосы типа "Малыш" и БЦП-50.

Бурение и область применения, класификация способов бурения

Бурение - процесс  сооружения горной выработки цилиндрической формы - скважины, шпура или шахтного ствола - путём разрушения горных пород на забое. Бурение осуществляется, как правило, в земной коре, реже в искусственных материалах (бетоне, асфальте и др.). В ряде случаев процесс бурения включает крепление стенок скважин (как правило, глубоких) обсадными трубами с закачкой цементного раствора в кольцевой зазор между трубами и стенками скважин.

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

Ежегодные объёмы бурения огромны: только в СССР за 1967 на нефть и газ пробурено около 12 млн. м глубоких скважин, из которых 5,8 млн. м - разведочные, свыше 20 млн. м пробурено взрывных и сейсморазведочных скважин, 10-12 млн. м - структурно-поисковых.

Классификация способов бурения. По характеру разрушения породы, применяемые способы бурения делятся на: механические - буровой инструмент непосредственно воздействует на горную породу, разрушая её, и немеханические - разрушение происходит без непосредственного контакта с породой источника воздействия на неё (термическое, взрывное и др.). Механические способы бурения подразделяют на вращательные и ударные (а также вращательно-ударные и ударно-вращательные). При вращательном бурении порода разрушается за счёт вращения прижатого к забою инструмента. В зависимости от прочности породы при вращательном бурении применяют буровой породоразрушающий инструмент режущего типа (Долото бу ровое и Коронка буровая); алмазный буровой инструмент; дробовые коронки, разрушающие породу при помощи дроби (Дробовое бурение). Ударные способы бурения разделяются на: ударное бурение или ударно-поворотное (бурение перфораторами, в том числе погружными, ударно-канатное, штанговое и т.п., при которых поворот инструмента производится в момент между ударами инструмента по забою); ударно-вращательное (погружными пневмо-и гидроударниками, а также бурение перфораторами с независимым вращением и т.п.), при котором удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту; вращательно-ударное, при котором породоразрущающий буровой инструмент находится под большим осевым давлением в постоянном контакте с породой и разрушает её за счёт вращательного движения по забою и периодически наносимых по нему ударов. Разрушение пород забоя скважины производится по всей его площади (бурение сплошным забоем) или по кольцевому пространству с извлечением керна (колонковое бурение). Удаление продуктов разрушения бывает периодическое с помощью желонки и непрерывное шнеками, витыми штангами или путём подачи на забой газа, жидкости или раствора (Глинистый раствор). Иногда бурение подразделяют по типу бурового инструмента (шнековое, штанговое, алмазное, шарошечное и т.д.); по типу буровой машины (перфораторное, пневмоударное, турбинное и т.д.), по методу проведения скважин (наклонное, кустовое и т.д.). Технические средства бурения состоят в основном из буровых машин (буровых установок) и породоразрушающего инструмента. Из немеханических способов получило распространение для бурения взрывных скважин в кварцсодержащих породах термическое бурение, ведутся работы по внедрению взрывного бурения.

Бурение развивалось  и специализировалось применительно  к трём основным областям техники: наиболее глубокие скважины (несколько км) бурятся  на нефть и газ, менее глубокие (сотни м) для поисков и разведки твёрдых полезных ископаемых, скважины и шпуры глубиной от нескольких м до десятков м бурят для размещения зарядов взрывчатых веществ (главным образом в горном деле и строительстве).

Бурение скважин на нефть  и газ.

В Китае свыше 2 тыс. лет назад впервые в мировой  практике вручную бурились скважины (диаметром 12-15 см и глубиной до 900 м) для добычи соляных растворов. Буровой инструмент (долото и бамбуковые штанги) опускался в скважину на канатах толщиной 1-4 см, свитых из индийского тростника. Бурение первых скважин в России относится к 9 в. и связано с добычей растворов поваренной соли (Старая Русса). Затем соляные промыслы развиваются в Балахне (12 в.), в Соликамске (16 в.). На русских соляных промыслах издавна применялось ударное штанговое бурение. Во избежание ржавления буровые штанги делали деревянными; стенки скважин закрепляли деревянными трубами. Первый буровой колодец, закрепленный трубами, был пробурен на воду в 1126 в провинции Артуа (Франция), отсюда глубокие колодцы с напорной водой получили название артезианских.

Развитие методов  и техники бурения в России начинается с 19 в. в связи с необходимостью снабжения крупных городов питьевой водой. В 1831 в Одессе было образовано "Общество артезианских фонтанов" и пробурены 4 скважины глубиной от 36 до 189 м. В 1831-32 бурили скважины в Петербурге (на Выборгской стороне), в 1833 в Царском Селе, в Симферополе и Керчи, в 1834 в Тамбове, Казани и Евпатории, в 1836 в Астрахани. В 1844 была заложена первая буровая скважина для артезианской воды в Киеве. В Москве первая артезианская скважина глубиной 458 м пробурена на Яузском бульваре в 1876. Первая буровая скважина в США пробурена для добычи соляного раствора близ Чарлстона в Западной Виргинии (1806).

Поворотным моментом, с которого начинается бурный прогресс в бурении, было развитие нефтедобычи. Первая нефтяная скважина была пробурена в США случайно в 1826 близ Бернсвилла в Кентукки при поисках рассолов. Первую скважину на нефть заложил в 1859 американец Дрейк близ г. Тайтесвилла в Пенсильвании. 29 августа 1859 нефть была встречена на глубине 71 фута (около 20 м), что положило начало нефтяной промышленности США. Первая скважина на нефть в России пробурена в 1864 около Анапы (Северный Кавказ).

Технические усовершенствования бурения в 19 в. открываются предложением немецкого инженера Эйгаузена (1834) применять так называемые ножницы (сдвигавшаяся пара звеньев при штанговом Б.). Идея сбрасывать соединённое со штангами долото привела к изобретению во Франции Киндом (1844) и Фабианом (1849) свободно падающего бурового инструмента ("фрейфала"). Этот способ получил название "немецкий". В 1846 французский инженер Фовель сделал сообщение о новом способе очистки буровых скважин водяной струей, подаваемой насосом с поверхности в полую штангу. Первый успешный опыт бурения с промывкой проведён Фовелем в Перпиньяне (Франция).

В 1859 Г.Д. Романовский  впервые механизировал работы, применив паровой двигатель для бурения  скважины вблизи Подольска. На нефтяных промыслах Баку первые паровые машины появились в 1873, а через 10 лет почти  повсеместно они заменили конную тягу. При бурении скважин на нефть на первом этапе получил развитие ударный способ (бурение штанговое, канатное, быстроударное с промывкой забоя). В конце 80-х гг. в Новом Орлеане в Луизиане (США) внедряется роторное бурение на нефть с применением лопастных долот и промывкой глинистым раствором. В России вращательное роторное бурение с промывкой впервые применили в г. Грозном для бурения скважины на нефть глубиной 345 м (1902). В Сураханах (Баку) на территории завода Кокорева в 1901 заложена скважина для добычи газа. Через год с глубины 207 м был получен газ, использовавшийся для отопления завода. В 1901 на Бакинских нефтепромыслах появились первые электродвигатели, заменившие паровые машины при бурении. В 1907 пройдена скважина вращательным бурением сплошным забоем с промывкой глинистым раствором.

Впервые автомат  для регулирования подачи инструмента  при роторном бурении был предложен  в 1924 Хилдом (США). В начале 20 в. в США  разработан метод наклонного роторного  бурения с долотами малого диаметра для забуривания с последующим расширением скважин.

Ещё в 70-х гг. 19 в. появились предложения по созданию забойных двигателей, то есть размещению двигателя непосредственно над  буровым долотом у забоя буримой  скважины. Созданием забойного двигателя  занимались крупнейшие специалисты во многих странах, проектируя его на принципе получения энергии от гидравлического потока, позднее - на принципе использования электрической энергии. В 1873 американский инженер Х. Г. Кросс запатентовал инструмент с гидравлической одноступенчатой турбиной для бурения скважин. В 1883 Дж. Вестингауз (США) сконструировал турбинный забойный двигатель. Эти изобретения не были реализованы, и проблема считалась неосуществимой. В 1890 бакинский инженер К. Г. Симченко запатентовал ротационный гидравлический забойный двигатель. В начале 20 в. польский инженер Вольский сконструировал быстроударный забойный гидравлический двигатель (так называемый таран Вольского), который получил промышленное применение и явился прототипом современных забойных гидроударников.

Впервые в мировой практике М. А. Капелюшниковым, С. М. Волохом и Н. А. Корневым запатентован (1922) турбобур, примененный двумя годами позже для бурения в Сураханах. Этот турбобур был выполнен на базе одноступенчатой турбины и многоярусного планетарного редуктора. Турбобуры такой конструкции применялись при бурении нефтяных скважин до 1934. В 1935-39 П.П Шумилов, Р.А.Иоаннесян, Э.И.Тагиев и М.Т.Гусман разработали и запатентовали более совершенную конструкцию многоступенчатого безредукторного турбобура, благодаря которому турбинный способ бурения стал основным в СССР. Совершенствование турбинного бурения осуществляется за счёт создания секционных турбобуров с пониженной частотой вращения и увеличенным вращающим моментом.

Турбобур, электробур

Турбобур - забойный гидравлический двигатель для бурения глубоких скважин преимущественно на нефть и газ. Многоступенчатый турбобур - машина открытого типа, вал его вращается в радиальных и осевых резинометаллических подшипниках, смазкой и охлаждающей жидкостью для которых является циркулирующая промывочная жидкость - глинистый раствор. Для получения максимальных значений кпд лопатки турбины профилируют так, чтобы безударный режим их обтекания совпадал с максимумом мощности турбины. Выполняют турбины цельнолитыми, общее число ступеней турбины достигает 120, рабочие диаметры турбобура для бурения глубоких и сверхглубоких скважин - 164, 172, 195, 215, 240, 280 мм, частота вращения вала турбины от 150 до 800-1000 об/мин. Рабочий момент на валу турбобура зависит от его диаметра и составляет от 1 до 5-6 кнм (1 нм = 0,1 кгсм). С 1950 для увеличения вращающего момента на валу применяют многосекционные турбобуры, в которых последовательно соединяются 2-3 секции турбин турбобура с общим числом ступеней 300-450. Это позволило наряду с увеличением вращающего момента снизить частоту вращения вала турбины до 300-400 об/мин (для более эффективной работы шарошечных долот). В таких турбобурах шаровая осевая опора вынесена в специальный шпиндель, присоединяемый к нижней секции турбобура. В шпинделе имеются также радиальные опоры и сальник, позволяющий использовать гидромониторные долота.

С 1970 для дальнейшего  снижения частоты вращения вала турбины  в турбобуре применяют ступени  гидродинамического торможения, позволившие  бурить при 150- 250 об/мин. С начала 70-х гг. внедряются турбобуры с независимой подвеской секции и с демпфирующими устройствами, которые обладают увеличенным сроком межремонтной работы и улучшают условия работы шарошечных долот за счёт снижения вибрации бурильной колонны. Для работы с гидромониторными долотами, без дополнительного нагружения буровых насосов, начато применение турбобуров с разделённым потоком на нижней секции, который отличается тем, что перепад давлений, срабатываемый в его нижней секции, равен перепаду давлений в штуцерах гидромониторного долота. При этом нижняя секция турбобура работает на части потока, подаваемого в скважину.

В разведочном  бурении для отбора керна в  полом валу трубобора размещается  съёмная грунтоноска. Для бурения  в условиях борьбы с кривизной  ствола скважины используют трубобор с вращающимся корпусом.

В 1899 в России был запатентован электробур на канате. В 30-х гг. в США прошёл промышленные испытания электробур с якорем для  восприятия реактивного момента, опускавшийся в скважину на кабеле-канате. В 1936 впервые в СССР Квитнером и Н. В. Александровым разработана конструкция электробура с редуктором, а в 1938 А. П. Островским и Н. В. Александровым создан электробур, долото которого приводится во вращение погружным электродвигателем. В 1940 в Баку электробуром пробурена первая скважина.