Учебное пособие по дисциплине «Нефтегазовые технологии» для студентов, обучающихся по специальности 080502 «Экономика и управление на предприятии в нефтяной и газовой промышленности»

Существует два основных способов бурения скважин.

У д а р н ы й , при котором скважину «выдалбливают» в массиве горных пород специальным долотом.

Бурение этим способом заключается в том, что буровой снаряд, состоящий из долота и ударной штанги, спускают в скважину на стальном канате при помощи специальной установки, обеспечивающей возвратно-поступательное движение снаряда. Снаряд падает на забой и при ударе долотом разрушает породу.

Разрушенную породу (шлам) по мере накопления удаляют после подъема бурового снаряда специальной желонкой, спускаемой многократно в скважину на канате. После очистки углубление возобновляют. Во избежание обрушения стенок скважины в нее спускают колонну стальных труб, которую удлиняют по мере углубления и продвигают к забою при помощи специального забивающего снаряда.

В нефтяной промышленности в настоящее время применяется только в р а щ а т е л ь н ы й способ бурения. Этим способом скважину «высверливают» в массиве горных пород непрерывно вращающимся долотом, закрепленном на бурильной колонне. Разрушение породы происходит в результате одновременного воздействия на долото нагрузки и крутящего момента. Обломки разрушенной породы уносит с забоя и поднимает на поверхность непрерывно подаваемый к долоту по бурильным трубам поток жидкости или газа.

Для бурения используют буровые установки, в состав которых входит оборудование подъемное, гидравлическое и вспомогательное.

Грузоподъемный комплекс предназначен для поддержания на весу бурильной колонны, ее подъема и спуска. Представляет вышку башенного или А-образного типа (рис. 3.3), оснащенную талевой системой и подъемной лебедкой.

Гидравлическая часть представлена поршневыми насосами, обеспечивающими гидравлический режим бурения скважины.

По исполнению установки изготавливают мобильные ( оборудование размещено на платформе автомобиля), блочно-модульные, стационарные.

Класс установки характеризуется грузоподъемностью, условной глубиной бурения, расстоянием от поверхности земли до пола вышки.

Изготавливают буровые установки грузоподъемностью от 500 до 6000 кН (50 – 600 т) для бурения скважин глубиной от 800 до 8000 м.

Рис 3.3. Вышки металлические ВМ 41 (а) и ВАС 42 (б) 1 – нога, 2 – пояс, 3 – диагональ

Рис. 3.4. Общий вид бурового судна: 1 – судно; 2 – грузовой кран; 3 – вертолетная площадка; 4 – буровая вышка

Для бурения скважин на море (под дно водного бассейна) сооружают специальные основания, на которых размещают буровую установку. Для бурения поисковых скважин применяют специальные буровые суда (рис.3.4).

Механизмы вращения долота могут располагаться на поверхности (ротор, силовой вертлюг) или на забое скважины (забойные двигатели).
Если механизм вращения расположен на поверхности, то долото вращается вместе с колонной бурильных труб, на котором оно спущено в скважину. Такой способ бурения называют роторным.
При бурении забойными двигателями долото соединяется с его вращающимся валом, а корпус двигателя - с колонной бурильных труб. Углубляется долото в породу при не вращающейся бурильной колонне.

Рис. 3.5 а)
Ступень турбины	Профили статора и ротора турбины

Забойные двигатели используют гидравлические (турбобур и винтовой двигатель) и электрические (электробур).

Источником энергии гидравлических забойных двигателей, вращающим вал двигателя является поток бурового раствора, который одновременно выносит с забоя выбуренную породу. К электробурам подают электроэнергию по специальному кабелю, размещенному внутри колонны бурильных труб.

Турбобур – многоступенчатая гидравлическая турбина (число ступеней до 300). Каждая ступень турбобура состоит из статора, жестко соединенного с корпусом турбобура и ротора, укрепленного на валу.

Статор представляет собой кольцо, внутренняя поверхность которого снабжена изогнутыми лопатками. Профиль лопаток ротора аналогичен профилю лопаток статора, но выпуклостью в другую сторону. Ротор свободно вращается относительно статора. Поток жидкости, попадая на лопатки статора, изменяет направление и истекает на лопатки ротора, заставляя ротор, а следовательно и вал турбобура, вращаться. Поток из ротора снова натекает на лопатки статора следующей ступени и так через все ступени. Благодаря большому количеству ступеней, суммарная мощность на валу турбобура достаточна для вращения долота с определенной нагрузкой. Параметры турбобура (частота вращения вала, перепад давления, вращательный момент, мощность) определяются количеством прокачиваемой через турбобур жидкости. Турбобур – машина высокоскоростная, с частотой вращения превышающей 450 об/мин.

Основными элементами винтового двигателя является статор и ротор. Статор выполнен в виде стального цилиндрического корпуса, внутренняя поверхность которого имеет вулканизированную резиновую обкладку в виде многозаходного винта. Ротор представляет стальной винт, у которого количество винтовых линий на одну больше, чем у статора. Ось ротора расположена в статоре с эксцентриситетом. Вследствие разницы числа заходов в винтовых линиях статора и ротора и эксцентриситету осей, их контактирующие поверхности образуют ряд закрытых полостей – шлюзов- которые перекрывают свободное течение жидкости через двигатель. Возникающий при этом перепад давления создает вращающий момент вала двигателя. Изменением числа заходов на рабочей паре и длины шага винтовой линии можно получить двигатель с частотой вращения вала в пределах 80 – 250 об/мин.

Рис. 3.5. в) Ротор: 1 – станина; 2 – стол с укрепленным зубчатым венцом; 3 – зажимы; 4 – вкладыш; 5 – кожух; 6 – вал

Рис. 3.5. б) Винтовой двигатель: а) общий вид; б) полости, образуемые между ротором (винтом) и статором; 1 – переводник; 2 – корпус двигательной секции; 3 – статор; 4 – ротор; 5 – карданный вал; 6 – корпус шпинделя; 7 – торцовый сальник; 8 – многорядный радиально-упорный подшипник; 9 – радиально резинометаллическая опора; 10 – вал шпинделя.

При бурении любым из указанных способов используют одни и те же технологические схемы (рис 3.6). Колонна бурильных труб 1 , оканчивающаяся долотом 2 , подвешена на талевой системе, которая включает неподвижный (кронблок) и подвижный (талевый) блок. Кронблок 3 установлен на верху вышки 4 . Талевый блок 5 двигается внутри вышки и соединен с кронблоком стальным (талевым) канатом 6. Один конец талевого каната неподвижный («мертвый») крепится к основанию вышки, а второй подвижный (ходовой) – к подъемному валу буровой лебедки 7. Использование талевой системы позволяет уменьшить нагрузку на талевый канат и силу натяжения каната, набегающего на барабан лебедки, распределить массу поднимаемого груза (колонны труб) на каждую рабочую струну (ветвь) каната, количество которых соответствует количеству задействованных роликов кронблока. (При оснастке талевой системы 5 ´ 6, задействовано 5 роликов талевого блока и 6 роликов кронблока - нагрузка на канат снижается в 10 раз и при весе колонны труб передаваемой на талевую систему в 2000 кН, составит всего 200 кН).

Рис.3.6 Схема вращательного бурения

К талевому блоку присоединен крюк 8 , на котором подвешен вертлюг 9. Вертлюг позволяет вращать присоединенную к нему колонну бурильных труб

без передачи крутящего момента на талевую систему. Самая верхняя в составе

бурильной колонны труба 10 имеет квадратное (шестигранное) сечение и называют ее в е д у щ е й или рабочей . Верхний конец рабочей трубы соединен со стволом вертлюга, а нижний свинчивают с трубой бурильной колонны. Ведущая труба проходит через отверстие ротора 11, поперечное сечение которого соответствует поперечному сечению ведущей трубы. Ротор, установленный в центре нижнего основания вышки, служит для передачи крутящего момента бурильной колонне и в качестве опорной поверхности при спуске в скважину и подъеме из нее колонны труб.

Для привода ротора, лебедки и других механизмов, предназначена силовая установка, состоящая из двигателя 12 с приводом (редуктор - коробка передач - трансмиссии, цепные передачи). Вид привода может быть дизельный, электрический или дизель-электрический.

Для подачи в скважину бурового раствора установлены буровые насосы 13, и циркуляционная система, состоящая из желобов 14 и очистных устройств 15. Буровой раствор течет от устья скважины в приемную емкость 16 самотеком по желобам, имеющим соответствующий уклон.

Характерной особенность вращательного бурения является промывка скважины буровым раствором в течение всего времени пребывания долота на забое. Процесс углубления (бурения) скважины заключается в следующем.

Буровые насосы из приемных емкостей нагнетают буровой раствор в нагнетательную линию17, который через стояк 18 , гибкий буровой рукав 19 и вертлюг 9 попадает во внутреннюю полость рабочей трубы 10 и далее двигается внутри колонны бурильных труб 1 к долоту 2. Дойдя до долота буровой раствор проходит через имеющиеся в нем отверстия на забой, подхватывает обломки разрушенной породы и поднимается по кольцевому пространству между стенкой скважины и бурильной колонной на поверхность. Здесь в желобной системе и в очистительных механизмах буровой раствор очищается от выбуренной породы и вновь нагнетается в скважину. Для разрушения породы необходимо обеспечить определенную нагрузку на долото, которая создается частью массы бурильной колонны. Когда рабочая труба погрузится в скважину (породу) на всю длину, колонну труб необходимо удлинить, т.е. нарастить. Для этого колонну труб поднимают на длину рабочей трубы и подвешивают ее специальными устройствами (элеватор, клинья) на столе ротора. Затем рабочую трубу вместе с вертлюгом отвинчивают и устанавливают в специально подготовленный шурф, представляющий наклонную скважину в углу буровой вышки, которая бурится заранее при подготовительных работах. На место рабочей трубы навинчивают бурильную и удлиненную на одну трубу бурильную колонну снимают с элеватора (клина) и спускают в скважину. Затем навинчивают опять рабочую трубу и продолжают процесс углубления. Наращивание бурильной колонны, также как и ее подъем и спуск, производится без нагнетания бурового раствора, т.е. при остановленных насосах.

Для замены изношенного долота из скважины колонну труб поднимают полностью, а затем спускают с новым долотом. При подъеме бурильную колонну развинчивают на секции, длина которых определяется высотой вышки ( 25 м при высоте вышки 41м). Отвинченные секции, называемые свечами, устанавливают внутри вышки на подсвечнике. Спускают колонну в обратном порядке.

Таким образом, процесс бурения состоит из повторяющихся операций, включающих спуск на бурильной колонне труб в скважину нового долота, разрушения долотом горных пород, наращивание колонны труб по мере углубления скважины, подъем колонны труб для замены изношенного долота.

Комплекс работ, начиная с подготовки площадки под буровую и кончая ее демонтажем после бурения, называют циклом строительства скважин, который группируется на этапы :

1.подготовительные работы к монтажу бурового оборудования,

2. монтаж бурового оборудования,

3. подготовительные работы к бурению скважин,

4. бурение, крепление обсадными колоннами и разобщение пластов,

5. вторичное вскрытие продуктивного пласта, испытание, вызов притока и сдача скважины в эксплуатацию,

6. демонтаж бурового оборудования и перевозка его на новую точку.

Горные породы, слагающие разрез скважины, различны по составу, обладают различными свойствами и их разрушают резанием, скалыванием, истиранием, дроблением. Характер разрушения зависит от твердости и пластичности пород. Породы мягкие и пластичные наиболее эффективно разрушаются резанием, а твердые и хрупкие – дроблением. Поэтому для разрушения пород с определенными механическими и абразивными свойствами (12 категорий пород по буримости) применяются соответствующего типа инструменты.

Долота, бурильные головки и коронки по характеру разрушения пород делят на : режуще-скалывающего (РС), истирающе-режущего (ИР), дробяще-скалывающего и дробящего действия.

По конструктивному исполнению изготовляют долота лопастные, шарошечные, алмазные и твердосплавные.

Рабочие элементы долота, непосредственно контактирующие с породой, называют вооружением.

Независимо от назначения и типа долота его конструкция представляет корпус с резьбой для соединения с бурильной колонной, вооружение для разрушения породы, систему промывки и систему смазки.

Долота РС и ИР характерны выполнением вооружения в виде лопастей или секторов, приваренных к корпусу и длительным (непрерывным) его контактом с горной породой. Предназначены для бурения пород мягких и средней твердости по схеме резание, истирание, скалывание.

К долотам ИР-действия относятся долота алмазные и твердосплавные долота, оснащенные элементами вооружения из сверхтвердых материалов (ИСМ),

Долота дробяще-скалывающего и дробящего действия характерны размещением вооружения в виде зубков на вращающихся шарошках и кратковременным периодическим динамическим воздействием каждого зубка на горную породу по схеме вдавливания со сдвигом. Предназначены для бурения пород всех категорий, в т. ч. крепких и очень крепких.

Самыми распространенными являются трех шарошечные долота в секционном исполнении. Каждая секция включает лапу, на цапфе которой с помощью подшипников установлена шарошка. Секции соединены сваркой. На верхнем конце секций нарезается присоединительная резьба. Имеет систему промывки и смазки опор. При вращении долота по часовой стрелке, шарошки перекатываются по забою, совершая сложное вращательное движение. В результате рабочие элементы шарошек наносят удары по породе, дробя и скалывая ее. Механические и абразивные свойства пород определяют форму шарошки, тип вооружения, схему расположения шарошек в долоте.

В зависимости от пород, для бурения которых предназначено долото, шарошки имеют вооружение – зубчатое, выполненное заодно с шарошкой фрезерованием, либо в виде зубков из твердых сплавов, запрессованных в тело шарошки. Шарошки с фрезерованными зубцами используют в долотах предназначенных для разрушения неабразивных пород, с зубками из твердых сплавов - для бурения пород с очень высокой твердостью. Параметры зубцов (длина, высота, шаг зуба, форма рабочей поверхности, углы при вершине клина) зависят от размера и типа долота.

Режим работы долот при вращательном бурении принято характеризовать осевой нагрузкой на долото (кН), частотой вращения долота (об/мин), количеством жидкости или воздуха подаваемых в скважину для выноса разрушенной породы (л/с). По частоте вращения различают три режима работы : а) низкооборотный п_д < 90 об/мин (роторное бурение), б) средняя частота вращения в двух диапазонах 90< п_д< 250 об/мин и 250< п_д< 450 об/мин (бурение винтовым двигателем), в) высокооборотный п_д> 450 об/мин (турбинное бурение). Опора долот представляет комбинацию подшипников шариковых, роликовых и скольжения. В каждой схеме опор обязателен шариковый подшипник, называемый замковый, который удерживает шарошку на цапфе от сползания.

Опоры долот выполняют открытыми и герметизированными с автономной системой смазки. В зависимости от режима оборотов долота при бурении различают опоры для высоких и низких частот вращения.

Система промывки реализуется по двум схемам - обычная (центральная) и гидромониторная (боковая). Гидромониторная промывка достигается включением в конструкцию долота гидромониторного узла (ГМУ), состоящего из насадки с уплотнением и элементом крепления. Скорость истечения жидкости из насадки достигает 80 - 120 м/с

Инструменты для отбора керна, независимо от их конструкции состоят из бурильной головки, корпуса колонкового долота, внутренней керноприемной трубы и специального держателя для сохранения и выноса керна. Основные показатели - диаметр керна и его сохранность (процент выноса). Долота для отбора керна изготавливают в основном для низкооборотного бурения.

К разрушающим инструментам специального назначения относятся долота для разбуривания цементных мостов, а также элементы компоновки низа бурильной колонны (КНБК) - калибрующие, стабилизирующие, центрирующие устройства и расширители.

долото ИСМ а) 1.головка, 2.переводник,3..сектор 4.зубки твердосплавные, 5.промывочные отверстия и канавки	алмазное долото. б) 1 стальной корпус, 2. замковая резьба, 3. алмазонесущая головка (матрица),4. алмазы, 5. каналы промывочные, 6. промывочное отверстие.

в	Трехшарошечное долот0: гидромониторное с открытой опорой; А-А – промывочное отверстие с соплом (насадкой) 1.резьба присоединительная, 2. промывочные отверстия, 3.кованная секция, 4. шарошка, 5. цапфа, 6.подшипник, 7. вооружение.

Для связи долота, находящегося в скважине с установленным на поверхности оборудованием предназначена бурильная колонна. Она является каналом для подачи жидкости к долоту, за счет части ее веса создают нагрузку на долото, ликвидируют возникающие в процессе бурения осложнения и аварии. Бурильная колонна состоит из рабочей трубы, бурильных труб и утяжеленных бурильных труб (УБТ). Бурильные трубы стальные, с толщиной стенки 7 – 11 мм. диаметром от 60 до 168 мм, длиной 6, 8 и 12 м. Для прочности концы труб высажены внутрь или наружу на которые навернуты или приварены замковые соединения. Замок состоит из муфтовой и ниппельной части на которых нарезана специальная замковая резьба – крупная, со значительной конусностью, предназначенная для многократного свинчивания и развинчивания. Кроме стальных используют бурильные трубы из алюминиевых сплавов (ЛБТ) с внутренними концевыми утолщениями и стальными замками. Утяжеленные бурильные трубы устанавливают в нижней части бурильной колонны для увеличения ее жесткости. Для спуска и подъема труб используют набор инструментов соответствующих размеров и грузоподъемности - штропы, клинья, машинные ключи, механические ключи для свинчивания и развинчивания труб стационарного и подвесного типа, работающих в автоматическом режиме с дистанционным управлением.

Бурильный замок: а) замковый ниппель; б) замковая муфта	Бурильные трубы с приварными соединительными концами.
Рис. 3.8.
Бурильные трубы с высаженными концами: а) высадка внутрь; б) высадка наружу		Схема подвешивания бурильной трубы при спуско-подъемных операциях: 1 – бурильная труба; 2 – элеватор; 3 – штроп