Бурение нефтяных и газовых скважин

В 1951-52 в Башкирии при бурении нефтяной скважины по предложению А.А.Минина, А.А.Погарского и К.А.Чефранова впервые применили  электробур знакопеременного вращения для гашения реактивного момента, опускаемый на гибком электрокабеле-канате. В конце 60-х гг. в СССР значительно усовершенствована конструкция электробура (повышена надёжность, улучшен токопровод).

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

Электробур состоит  из маслонаполненного электродвигателя и шпинделя. Мощность трёхфазного  электродвигателя зависит от диаметра электробура и составляет 75-240 квт. Для увеличения вращающего момента  электробура применяют редукторные вставки, монтируемые между двигателем и шпинделем и снижающие частоту вращения до 350, 220, 150, 70 об/мин. Частота вращения безредукторного электробура 455-685 об/мин. Длина электробура 12-16 м, наружный диаметр 164-290 мм.

При бурении  электробур, присоединённый к низу бурильной колонны, передаёт вращение буровому долоту. Электроэнергия подводится к электробуру по кабелю, смонтированному отрезками в бурильных трубах. При свинчивании труб отрезки кабеля сращиваются специальными контактными соединениями. К кабелю электроэнергия подводится через токоприёмник, скользящие контакты которого позволяют проворачивать колонну бурильных труб. Для непрерывного контроля пространственного положения ствола скважины и технологических параметров бурения при проходке наклонно направленных и разветвлённо-горизонтальных скважин используется специальная погружная аппаратура (в т. ч. телеметрическая). При бурении электробурная очистка забоя осуществляется буровым раствором, воздухом или газом.

В СССР с помощью  электробура проходится свыше 300 тыс. м скважин (свыше 2% общего объёма бурения). Использование электробура, благодаря наличию линии связи с забоем, особенно ценно для исследования режимов бурения.

Наклонно-направленное бурение

Появление наклонного бурения относится к 1894, когда С.Г.Войслав провёл этим способом скважину на воду близ Брянска. Успешная проходка скважины в Бухте Ильича (Баку) по предложению Р.А.Иоаннесяна, П.П.Шумилова, Э.И.Тагиева, М.Т.Гусмана (1941) турбинным наклонно-направленным бурением положила начало внедрению наклонного турбобурения, ставшего основным методом направленного бурения в СССР и получившего применение за рубежом. Этим методом при пересечённом рельефе местности и на морских месторождениях бурят кусты до 20 скважин с одного основания). В 1938-41 в СССР разработаны основы теории непрерывного наклонного регулируемого турбинного бурения при неподвижной колонне бурильных труб. Этот метод стал основным при бурении наклонных скважин в СССР и за рубежом.

Наклонно-направленное бурение - способ проведения скважины с отклонением от вертикали по заранее заданной кривой. Наклонно-направленное бурение впервые осуществлено в СССР на Грозненских нефтепромыслах (1934). В 1972 в СССР наклонно-направленное бурение сооружено около 25% общего метража скважин на нефть. Наклонно-направленное бурение оказывается целесообразным при: сложном рельефе местности (например, при расположении залежи под дном крупного водоёма или под капитальными сооружениями); геологических условиях залегания полезных ископаемых, не позволяющих вскрыть их вертикальными скважинами; кустовом бурении или многозабойном бурении; тушении горящих нефтяных и газовых фонтанов. При геологоразведочных работах наклонно-направленное бурение осуществляется шпиндельными буровыми станками, причём скважина забуривается наклонно непосредственно с земной поверхности; при вскрытии нефтяных и газовых пластов. Наклонно-направленное бурение производится турбобурами или роторным способом (скважина с поверхности забуривается вертикально с последующим отклонением на заданной глубине в запроектированном направлении).

Отклонение скважины от вертикали при наклонно-направленном бурении (изменение зенитного угла и азимута бурения) осуществляется отклоняющими устройствами, например турбинными отклонителями. Бурение  прямолинейно-наклонных участков производится с помощью бурильных устройств, включающих центрирующие и калибрующие элементы. Наибольшее отклонение от вертикали при наклонно-направленном бурение (3836 м) получено в США в заливе Кука: на остраве Сахалин отклонение составило 2453 м (1972).

Многозабойное бурение

В 1941 Н.С.Тимофеев предложил в устойчивых породах  применять так называемое многозабойное  бурение.

В 1897 в Тихом  океане, в районе остров Сомерленд (Калифорния, США), впервые было осуществлено бурение  на море. В 1924-25 в СССР вблизи бухты Ильича на искусственно созданном островке вращательным способом была пробурена первая морская скважина, давшая нефть с глубины 461 м. В 1934 Н.С.Тимофеевым осуществлено на острове Артема в Каспийском море кустовое бурение, при котором несколько скважин бурятся с общей площадки, а в 1935 там же сооружено первое морское металлическое основание для бурения в море. С 50-х гг. 20 в. применяется бурение для добычи нефти и газа со дна моря. Созданы эстакады, плавающие буровые установки с затапливаемыми понтонами, специальные буровые суда, разработаны методы динамической стабилизации буровых установок при бурении на больших глубинах.

Основной метод  бурения на нефть и газ в  СССР (1970) - турбобурами (76% метража пробуренных  скважин), электробурами пройдено 1,5% метража, остальное роторным бурением. В США преимущественно распространение получило роторное бурение; в конце 60-х гг. при проведении наклонно-направленных скважин начали применяться турбобуры. В странах Западной Европы турбобуры применяются в наклонном бурении и при бурении вертикальных скважин алмазными долотами. В 60-е гг. в СССР заметно возросли скорости и глубина бурения на нефть и газ. Так, например, в Татарии скважины, бурящиеся долотом диаметром 214 мм на глубину 1800 м, проходятся в среднем за 12-14 дней, рекордный результат в этом районе 8-9 дней. За 1963-69 в СССР средняя глубина эксплуатационных нефтяных и газовых скважин возросла с 1627 до 1710 м. Самые глубокие скважины в мире - 7-8 км - пробурены в 60-е гг. (США). В СССР в районе г. Баку пробурена скважина на глубину 6,7 км и в Прикаспийской низменности (район Аралсор) на глубину 6,8 км. Эти скважины пройдены в целях разведки на нефть и газ. Работы по сверхглубокому бурению для изучения коры и верхней мантии Земли ведутся по международной программе "Верхняя мантия Земли". В СССР по этой программе намечено пробурить в 5 районах ряд скважин глубиной до 15 км. Первая такая скважина начата бурением на Балтийском щите в 1970. Эта скважина проходится методом турбинного бурения.

Основное направление  совершенствования бурения на нефть  и газ в СССР - создание конструкций  турбобуров, обеспечивающих увеличение проходки скважины на рейс долота (полное время работы долота в скважине до его подъёма на поверхность). В 1970 созданы безредукторные турбобуры, позволяющие осуществить оптимизацию режимов бурения шарошечными долотами в диапазоне наиболее эффективных оборотов (от 150 до 400 в мин) и использовать долота с перепадом давлений в насадках до 10 Мн/м2(100 атм) вместо 1-1,5 Мн/м2(10-15 атм). Создаются турбобуры с высокой частотой вращения (800-100 об/мин) для бурения алмазными долотами, обеспечивающими при глубоком бурении многократное увеличение проходки и механической скорости бурения за рейс. Разрабатываются новые конструкции низа бурильной колонны, позволяющие бурить в сложных геологических условиях с минимальным искривлением ствола скважины. Ведутся работы по химической обработке промывочных растворов для облегчения и повышения безопасности процесса бурения. Конструируются турбины с наклонной линией давления, которые позволяют получить информацию о режиме работы турбобура на забое скважины и автоматизировать процесс бурения.

Поиски  и разведка твёрдых  полезных ископаемых

Развитие разведочного бурения связано с изобретением швейцарского часовщиком Г.Лешо алмазного бура (1862), который состоял из стального полого цилиндра, армированного алмазами и укрепленного на полой металлической штанге (по ней в забой подавалась промывочная вода). Первая работоспособная буровая установка с алмазным инструментом создана французским инженером Перретом и привлекла внимание на Всемирной выставке в Париже (1867), что послужило началом распространения алмазного бурения в Европе и Америке. В 1850 в России был заложен ряд разведочных скважин на каменный уголь.

В 1871 и 1872 около  Бахмута и Славянска пробурены  первые разведочные скважины в России на каменную соль глубиной 90 и 120 м. Совершенствование  разведочного бурения в России в  конце 19 в. связано с именем Войслава, который в 1885 изобрёл, а в 1897 получил патент на бур для ручного бурения скважин большого диаметра. Бур Войслава имел расширитель, позволяющий увеличивать диаметр скважин, глубина которых достигла 22 м. В 1898 Войслав совместно с Л.Кулешом получил патент на оригинальный станок для алмазного бурения и в том же году разработал новый способ вставки алмазов в коронку, позволивший применять мелкие алмазы. В 1899 в Америке инженером Дейвисом предложено дробовое бурение. В период 1-й мировой войны для бурения начинают применять по предложению немецкого инженера Ломана твёрдые сплавы (так называемый воломит). Позднее эти сплавы применялись при бурении разведочных скважин в районе Курской магнитной аномалии (1923).

Коренные изменения  в технике бурения произошли в России после Великой Октябрьской революции. С 1923 в СССР внедряется бурение с применением твёрдых сплавов, а также дробовое бурение (1924-25); изготовление отечественных твёрдых сплавов началось в 1929. В 1927 В.М Крейтером и Б.И.Воздвиженским при колонковом бурении была успешно применена дробь. В 1925-26 на Сормовском заводе налажено производство ударно-канатных станков типа "Кийстон" для разведки на золото (позднее типа "Эмпайр"). Несколько лет спустя Н.И.Куличихиным разработаны первые отечественные станки (УА-75-150) ударно-канатного бурения. В 1928-1929 развернулось производство буровых станков колонкового вращательного бурения на Ижорском заводе (Ленинград), им. Воровского (Свердловск) и др. В то время для колонкового бурения на глубине до 500 м в основном применялись станки КА-300 и КА-500. В послевоенные годы (начиная с 1947) было проведено коренное переоборудование технических средств геологоразведочной службы: усовершенствованы бурильные, обсадные и колонковые трубы; созданы новые станки с рычажно-дифференциальной подачей (ЗИВ-75, ЗИВ-150); разработаны новые конструкции многоскоростных станков с гидравлической подачей (ЗИФ-300, ЗИФ-650, ЗИФ-1200, ВИТР-2000 и др.), обеспечивающие бурение скважин на глубине 300-2000 м; создан ряд самоходных буровых установок; разработаны средства автоматизации и механизации трудоёмких процессов и новые конструкции породо-разрушающего инструмента.

В 1935 советский  инженер В.Н.Комаров предложил  машину ударно-вращательного бурения, теоретические основы которого были разработаны впоследствии Е.Ф.Эпштейном. В 1939 разрабатывается бурение погружными пневмоударниками, а с 1940 внедряется вращательное бурение с транспортировкой породы из скважины шнеками, которое получило распространение в породах невысокой крепости при геофизических работах, инженерно-геологических изысканиях, при бурении на воду и др. В СССР разработана технология безнасосного бурения, обеспечивающего полный выход керна в неустойчивых породах, и коренным образом усовершенствована технология дробового бурения (С. А. Волков). После открытия месторождений алмазов в Якутии шире применяют алмазный породоразрушающий инструмент, а с 1962 в бурении получили распространение синтетические алмазы. В совершенствовании технологии алмазного бурения сыграли большую роль советские учёные Ф.А.Шамшев, И.А.Уткин, Б.И.Воздвиженский, С.А.Волков и др. Средняя месячная скорость бурения разведочных скважин в Донбассе составила 265 м (1956), в Криворожском бассейне360 м (1956), а на Курской магнитной аномалии 600 м (1965). При разведке крутопадающих рудоносных тел, когда для пересечения их на разных горизонтах приходится проходить несколько скважин, в целях сокращения их длины применяют направленное многозабойное бурение, которое осуществляется с помощью отклоняющих устройств, устанавливаемых в скважине на разных глубинах.

Разведочное бурение  осуществляется в основном за счёт вращательного способа, на который  приходится (1970) около 80% метража пробуренных  скважин (50% бурение твердосплавным инструментом, 20% - алмазным инструментом, 10% - дробью); в ограниченных объёмах применяются ударно-вращательное, шнековое, вибрационное бурение и др.

Работы в области  разведочного бурения направлены на: обеспечение сохранности керна, извлекаемого с большой глубины; разработку аппаратуры и надёжных методов опробования горных пород. Совершенствование техники и технологии разведочного бурения на твёрдые полезные ископаемые направлено на: замену дробового бурения алмазным; внедрение гидроударного бурения, бескернового бурения с использованием боковых сверлящих грунтоносов; дальнейшее улучшение технических средств и технологии бурения, разработку новых способов разрушения горных пород при бурении; автоматизацию всех производственных процессов.

Бурение взрывных шпуров и  скважин

Машинное бурение  шпуров и скважин взамен ручного, которое применялось до начала 19 в. для отбойки крепких пород взрывом, начало внедряться в конце 17 в., когда были изобретены первые буровые машины для сверления горизонтальных шпуров. В 1683 механик Г.Гутман предложил машинное бурение. В 1803 австрийский инженер Гайншинг, а в 1813 английский механик Травич усовершенствовали выпускаемые буровые машины. В 1849 Кауч (США) получил один из первых патентов на паровую буровую машину. В 1852 Колладон (Швейцария) предложил буровую машину, работающую на сжатом воздухе. При проходке Монт-Санисского тоннеля в 1861 Соммейе впервые применил поршневые перфораторы для бурения шпуров, что позволило резко сократить сроки строительства тоннеля. В конце 19 в. появляются молотковые перфораторы, быстро вытеснившие менее производительные поршневые. В дальнейшем были созданы высокочастотные и вращательно-ударные (50-е гг. 20 в.) бурильные машины, установочные (пневмоподдержки, манипуляторы) и подающие (автоподатчики) приспособления, буровые каретки, максимально механизировавшие труд бурильщика. Бурение ведётся с удалением продуктов разрушения промывкой. Создаются лёгкие и мощные электро-, пневмогидросвёрла и высококачественный буровой инструмент, обеспечивающие вращательное бурение шпуров в средней крепости породах. В 1965 в Кузбассе и в 1968 в Киргизии применены бурильные агрегаты с электрогидроприводом для вращательного и вращательно-ударного бурения шпуров.