Способы бурения

При бурении как на земле, так и в открытом море эффективная система бурения должна обеспечить: 1) способ разрушения и измельчения горной породы, через которую необходимо пройти, чтобы добраться до нефти и газа; 2) способ удаления раздробленного материала из скважины по мере бурения и 3) способ предотвращения обрушения стенок скважины и одновременного перекрывания выхода нефти и газа. Кроме того, в общем случае направление скважины должно быть как можно ближе к вертикальному, скважина должна быть достаточно глубокой, чтобы достичь породы-коллектора, а ее диаметр должен быть достаточно большим, чтобы внутрь можно было опускать необходимые инструменты.

В настоящее время наиболее широко применяются два способа бурения: ударно-канатное и роторное. Хотя роторное бурение используется чаще, ударно-канатное бурение является более старым способом*.

Ударно-канатное бурение

При ударно-канатном способе бурение осуществляется за счет погружения в отверстие проволочного каната или троса, на конце которого находится тяжелое остроконечное изделие из стали — так называемое буровое долото. Движение вверх-вниз задается участку каната, находящемуся на поверхности. За счет возвратно-поступательного перемещения от пласта откалываются небольшие фрагменты (рис. 5.3).

Долото, которое весит несколько сот фунтов, находится в постоянном движении, пока не будет пробурено несколько метров вглубь. Затем канат поднимают с помощью барабана, установленного на поверхности, и после этого долото удаляют. С помощью другого каната, называемого желоночным канатом, в скважину опускают желонку — металлическую трубу с одноходовым откидным клапаном на нижнем конце. Фрагменты пласта, отколотые буровым долотом, собираются в ковш и удаляются из скважины, после чего можно возобновлять бурение.

Ударно-канатное бурение не предполагает использования больших количеств жидкости для циркуляции в скважине. Как правило, единственная жидкость в скважине — это жидкость, которая выделилась из пласта при бурении. Однако присутствие небольшого количества воды желательно; если вода не появляется за счет выделения из пласта, несколько галлонов воды заливают в скважину.

 

Рис. 5.3. Схема станка канатного бурения

 

Одним из наиболее важных преимуществ канатного бурения является возможность быстро выявить нефте- и газопродуктивные зоны. Кроме того, его используют для бурения определенных типов пластов, чувствительных к буровым растворам на основе воды. В некоторых типах пластов вода из бурового раствора может вступить в химическую реакцию с глиной, входящей в состав горной породы. Это снижает скорость истечения нефти или газа. Применение кабельного способа бурения сводит эту проблему к минимуму благодаря небольшому количеству воды.

Бурение ударно-канатным методом — медленный процесс. В некоторых случаях скорость бурения однотипной породы этим методом в 10 раз ниже, чем скорость роторного бурения. Однако стоимость установки канатного бурения значительно ниже, чем установки роторного бурения, что может частично скомпенсировать низкую скорость.

В случае обнаружения нефте- или газоносного пласта высокого давления отсутствие в скважине жидкости, необходимой для регулирования их истечения, оказывается очевидным недостатком ударно-канатного бурения. Во многих случаях это может привести к выбросу нефти из скважины. При выбросе нефть и газ из подповерхностного пласта устремляются к поверхности и бесконтрольно вытекают из скважины. При выбросе фонтан нефти и газа может подняться более чем на 100 м над землей, при этом всегда возникает значительная опасность пожара.

Вследствие низкой скорости бурения и опасности выброса ударно-канатный метод редко используют при бурении скважин глубиной более 1000 м. Но и для менее глубоких скважин этот способ тоже в значительной мере уступил место роторному бурению.

Роторное бурение

Роторное бурение значительно отличается от канатного. При роторном бурении буровое долото, используемое для разбивки пласта, прикрепляется к стальной трубе, называемой бурильной трубой. При этом долото опускают до дна скважины. Труба вращается с поверхности с помощью бурового стола, через который проходит квадратный или шестиугольный участок трубы, так называемая ведущая бурильная труба. Соединяясь на поверхности с бурильной трубой, ведущая труба проходит через буровой стол, вращение которого передается на нее, что, в свою очередь, вращает бурильную трубу и буровое долото в скважине.

Обычная процедура бурения является непрерывной и включает последовательное наращивание бурильной колонны навинчиванием или добавлением отдельных звеньев, обычно длиной 10 или 15м. Бурение продолжается до тех пор, пока не возникает необходимость сменить буровое долото — вследствие либо его износа, либо проникновения в пласт, для которого данное долото не вполне пригодно. Операции по замене бурового долота называются спуско-подъемными операциями. Последовательность операций, включающая выход из скважины, замену долота и возвращение в скважину, называется рейсом.

Роторное бурение производится тремя основными типами бурового долота: 1) дол ото режущего типа (рыбий хвост), 2) шарошечное долото (оно называется также «долото для твердых пород»), 3) алмазное долото. Большая часть буровых наконечников относится к типу «долото для твердых пород», которые могут иметь разный вид для прохождения различных типов пород.

Буровая установка состоит из большого числа деталей, каждая из которых выполняет свою функцию. Основными частями буровой установки являются: 1) мачтовая вышка; 2) буровая лебедка; 3) двигатели; 4) система промывки буровым раствором; 5) бурильная колонна (рис. 5.4). Мачтовая вышка или деррик — это структура, которую устанавливают над скважиной для осуществления спуска и подъема бурильной трубы и оборудования. Буровая лебедка служит в качестве подъемного оборудования. Двигатели приводят в действие насосы для бурового раствора и лебедку, а также производят электроэнергию. Система промывки буровым раствором состоит из насосов, резервуаров, трубопровода и шланга для циркуляции бурового раствора. Бурильной колонной называется вся вращающаяся конструкция, которая состоит из ведущей трубы, бурильной трубы, воротника бура и бурового долота.

Буровой шлам — фрагменты пласта, отделенные буровым долотом, — непрерывно удаляется из нижней части скважины за счет циркуляции бурового раствора (промывочной жидкости). Буровой раствор проходит вниз внутри бурильной трубы, а затем возвращается на поверхность снаружи трубы — это его основная функция. Кроме того, буровой раствор выполняет и другие важные задачи, в число которых входит охлаждение и смазка долота, образование глинистой корки на стенках скважины, что придает скважине большую прочность; создаваемое гидростатическое давление препятствует попаданию соленой воды, нефти и газа в ствол скважины, что помогает предотвратить выбросы.

Рис. 5.4. Детали установки для роторного бурения: а — мачтовая вышка; б— буровые лебедки; в— двигатели системы промывки буровым раствором; г — система промывки буровым раствором и бурильная колонна