Классификация способов бурения нефтяных и газовых скважин

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Транспорт и хранение нефти и газа»

Классификация способов бурения нефтяных и газовых скважин По дисциплине: «Основы добычи, транспорта и хранения углеводородов»

Выполнил: студ. гр. БМТ-13−02

Проверил: канд. техн. наук, доцент Т. В. Дмитриева Уфа 2013 г.

Введение

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.

1. История бурения Зарождение собственно бурения, т. е. получения глубокого отверстия в недрах Земли, относят как минимум к VII в. до н. э. — философ Конфуций за 600 лет до н. э. уже сообщал о китайских скважинах глубиной 500 м. Этот рекорд глубины был побит только в XIX в http://www.geostrom.ru/?id=12.

Египтяне за несколько тысяч лет до нашей эры применяли алмазное бурение при строительстве пирамид.

Скважины бурились для добычи соляных растворов и питьевой воды. Иногда вместе с ними получали нефть и газ.

Первые скважины на воду были пройдены в XII в. во Франции (провинция Артуа; отсюда и название «артезианские скважины», «артезианские воды»).

Алмазное бурение было вновь «изобретено» в Европе в 1863 г. часовщиком Георгом Лешо и применено для бурения шпуров при проходке в Альпах туннеля Мон-Сени. Позже стали применять алмазное бурение для целей разведки.

Среди конструкторов алмазных буровых станков следует отметить шведского инженера Крелиуса, предложившего в 1887 г. удачную конструкцию станков, получивших позже широкое распространение.

В 1899 г. инженер Девис впервые применил дробовое бурение. В 1914 г. инженер Ломан получил первые твердые сплавы, которые применяются во многих областях техники, в том числе и в бурении.

На основе архивных материалов установлено, что на Руси буровые скважины начали сооружать с XI в. для добычи соляного раствора в целях вываривания из него поваренной соли.

В 30-х годах XVIII столетия было освоено бурение скважин для водоснабжения городов Петербурга, Риги, Одессы и др.

В Российской империи бурение скважин на нефть начали осуществлять только в XIX столетии. До этого добыча нефти производилась из колодцев и шурфов. Так, на Апшеронском полуострове колодезная добыча нефти была развита еще в X в.

Годом рождения российской нефтяной промышленности принято считать 1864 г. — год перехода от ручного способа бурения нефтяных скважин к механическому ударному способу, первозачинателем которого был А. Н. Новосильцев. Первая скважина была пробурена в районе р. Кудако на Кубани. http://www.leuza.ru/gti/bur/history.htm

Массовое бурение нефтяных скважин на Апшеронском полуострове началось с 1871 г., а в районе Грозного — с 1893 г. К началу Первой мировой войны техника нефтяного бурения в этих двух районах, а также в Урало-Эмбенском, Майкопском районах, на Ухте, в Средней Азии достигла довольно высокого уровня. В Азербайджане был создан так называемый «бакинский» способ машинного ударного бурения, получивший распространение впоследствии и в других странах.

В других районах России в основном применялся американский способ ударного бурения на канате.

Если в ударном бурении русская техника к началу Первой мировой войны получила известное развитие, то в области более прогрессивного метода — вращательного (роторного) бурения — наблюдалось некоторое отставание от зарубежных стран.

Роторный способ бурения был впервые применен в 1901 г. в США и очень быстро получил там широкое распространение. Он позволил ускорить проходку скважин и уменьшить их стоимость по сравнению с ударным способом.

В России первая скважина роторным способом была пробурена лишь в 1911 г. в Баку. Внедрялся этот способ медленно. В течение 1911;1920 гг. было пробурено роторным способом всего лишь 35 скважин.

В годы Первой мировой войны российская нефтяная промышленность пришла в состояние упадка, и поэтому с момента национализации нефтяной промышленности в Советском Союзе (1918 г.) техническая база для бурения скважин создавалась почти заново. Ударное бурение во многих районах было заменено роторным способом. Вместо парового привода стали применять электропривод.

Изобретенный в 1923 г. М. А. Капелюшниковым турбобур определил пути развития техники бурения нефтяных и газовых скважин в СССР. В 1924 г. была пробурена первая в мире скважина турбинным способом. К 1940 г. под руководством П. П. Шумилова был создан многоступенчатый турбобур, вытеснивший в ряде районов роторный способ бурения.

В 1937 г. А. П. Островский, А. В. Александров и другие обосновали принципиальную возможность создания электробура для бурения нефтяных и газовых скважин. В 1940 г. на нефтяных промыслах Азербайджана были проведены первые испытания электробура. В дальнейшем электробурение получило широкое распространение в промышленных условиях. Развивались и совершенствовались другие методы и способы бурения: способ наклонного бурения скважин турбобурами, турбинный метод проходки скважин двумя и тремя стволами, методы проходки скважин: бурение без подъема бурильной колонны для смены долота, бурение с применением забойного гидроударника, бурение скважин на шлангокабеле и т. д. Однако основным видом бурения и в наши дни осталось роторное бурение. В настоящее время в мире ежегодно проходятся миллионы метров разведочных скважин.

Даже при небольших глубинах буровые скважины проходятся во много раз быстрее горно-разведочных выработок (шурфов, дудок, разведочных шахт и др.), а при разведке на значительных глубинах бурение остается незаменимым способом. Так, максимально достигнутая скорость проходки вертикальных шахт глубиной до 500 м не превышает 200 м в месяц, а скорость бурения скважин глубиной свыше 1000 м нередко достигает 2500−3000 м на станко-месяц. Разведочное бурение остается единственным способом разведки при тяжелых гидрогеологических условиях района, когда проведение горно-разведочных выработок весьма затруднительно.

2. Классификация способов бурения

Классификация способов бурения на нефть и газ приведена на рис. 2.

Рис. 2. — Классификация способов бурения скважин на нефть и газ полезный ископаемое скважина бурение По способу воздействия на горные породы различают механическое и немеханическое бурение. При механическом бурении буровой инструмент непосредственно воздействует на горную породу, разрушая ее, а при немеханическом разрушение происходит без непосредственного контакта с породой источника воздействия на нее. Немеханические способы (гидравлический, термический, электрофизический, взрывной) находятся в стадии разработки и для бурения нефтяных и газовых скважин в настоящее время не применяются.

Механические способы бурения подразделяются на ударное и вращательное. http://www.leuza.ru/gti/bur/spos_bur.htm

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

Рис. 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 периодически 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 породы клапан открывается и желонка заполняется этой смесью. При подъеме 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 ударное бурение в нашей стране не применяют.

Вращательное— способ сооружения скважин путём разрушения горной породы за счёт вращения прижатого к забою породоразрушающего инструмента (долото, коронка).

Основные разновидности вращательного бурения, используемого для сооружения исследовательских и эксплуатационных скважин, — роторное бурение (вращение передаётся инструменту через бурильную колонну ротором, установленным в буровой вышке), турбинное бурение (вращение инструмента двигателем-турбобуром непосредственно на забое), роторно-турбинное бурение (вращение инструмента турбобуром, установленным в забойном агрегате, вращаемом через колонну ротором), реактивно-турбинное бурение (вращение инструмента турбобуром, агрегат вращается от реактивных моментов), электробурение (вращение инструмента электромотором непосредственно на забое), бурение объёмным двигателем (вращение инструмента винтовым гидравлическим двигателем на забое).

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.

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. Делову (1899). В 1938;40 в CCCP А. П. Островским и Н. В. Александровым создан и применён первый в мире электробур для вращательного бурения, опускаемый в скважину набурильных трубах. 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 том числе телеметрическая). При бурении электробуром очистка забоя осуществляется буровым раствором, воздухом или газом.

Винтовой забойный двигатель — гидравлический забойный двигатель объёмного типа, рабочие органы которого выполнены по схеме планетарного механизма, приводимого в действие за счёт энергии промывочной жидкости. Первые винтовые забойные двигатели с высокой частотой вращения разработаны в США в 1962 http://www.mining-enc.ru/v/vintovoj-zabojnyj-dvigatel/ Харрисоном на базе обращённого однозаходного героторного винтового насоса Муано. Многозаходный винтовой забойный двигатель с низкой частотой вращения создан в CCCP в 1966;70 С. С. Никомаровым, М. Т. Гусманом и др.

Вращательное бурение неглубоких (главным образом взрывных) скважин осуществляется путём передачи вращательного момента через штангу от бурового станка к породоразрушающему инструменту либо шарошечного типа, либо лопастного с удалением пород по витым штангам — шнекам принцип вращательного бурения используется также при бурении свёрлами. Вращение бурового инструмента в комбинации с ударом применяют, например, при вращательно-ударном бурении, ударно-вращательном бурении. В зависимости от глубины бурения мощность буровых установок, используемых для вращательного бурения, составляет от нескольких десятков кВт до нескольких тысяч кВт. При вращательном бурении породы разрушаются по всему забою или по кольцевому пространству с отбором керна (колонковое бурение). В зависимости от горнотехнических условий при вращательном бурении сооружают вертикальные, горизонтальные, наклонные, разветвлённые и кустовые скважины.

Вращательное бурение заменило ударное бурение во 2-й половине 19 в., с начала 20 в. вращательное бурение — основной способ сооружения скважин. В CCCP наибольшее применение (например, для бурения скважин нефтяных и газовых залежей) получило турбинное бурение (около 80% вращательное бурение), предполагается увеличить объёмы роторного бурения и бурения винтовыми забойными двигателями; в США основной способ вращательного бурения — роторный, расширяется объём бурения забойными двигателями.

По характеру образования буровых выработок различают бурение сплошным забоем и колонковое. При бурении сплошным забоем вся порода в буровой выработке разрушается и удаляется из нее механическим способом, сжатым воздухом, водой или горячими газами.

Колонковое бурение является основным техническим способом разведки месторождений твердых полезных ископаемых. Оно также широко применяется при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях и при структурно-картировочных изысканиях нефтяных и газовых месторождений. Кроме того, это бурение применяется для различных инженерных целей. Колонковым способом могут буриться шурфы и разведочные шахты. Колонковое бурение получило столь большое распространение по следующим причинам.

1. Оно позволяет извлекать из скважины столбики породы — керна, по которым можно составить геологический разрез месторождения и опробовать полезное ископаемое.

2. Колонковым способом можно бурить скважины под различными углами к горизонту, различными породоразрушающими инструментами в породах любой твердости и устойчивости. Из подземных выработок можно бурить восстающие скважины.

3. Бурить скважины малых диаметров на большую глубину, применяя относительно легкое оборудование.

Буровые долота — основной элемент бурового инструмента для механического разрушения горной породы в процессе бурения скважины. Термин «долото» сохранился от раннего периода развития техники бурения, когда единственным способом проходки скважины было ударное бурение, при котором буровое долото имело сходство с плотничным инструментом того же наименования. По назначению различают 3 класса буровых долот: для сплошного бурения (разрушение горной породы по всему забою скважины), колонкового бурения (разрушение горной породы по кольцу забоя скважины с оставлением в её центральной части керна) и для специальных целей (зарезные долота, расширители, фрезеры и др.). По характеру воздействия на горные породы буровые долота делятся на 4 класса: дробящие, дробяще-скалывающие, истирающе-режущие и режуще-скалывающие. По виду рабочей (разрушающей горные породы) части выделяют шарошечные и лопастные буровые долота. http://www.mining-enc.ru/b/burovye-dolota

Лопастные долота (рис. 4.17) выпускаются трех типов: двухлопастные, трехлопастные и многолопастные. Под действием нагрузки на забой их лопасти врезаются в породу, а под влиянием вращающего момента — скалывают ее. В корпусе долота имеются отверстия, через которые жидкость из бурильной колонны направляется к забою скважины со скоростью не менее 80 м/с. Лопастные долота применяются при бурении в мягких высокопластичных горных породах с ограниченными окружными скоростями (обычно при роторном бурении).

Рис. 4.17. Лопастное долото: 1 — головка с присоединительной резьбой; 2 — корпус; 3 — лопасть; 4 — промывочное отверстие; 5 — твердо-сплавное покрытие; 6 — режущая кромка Шарошечные долота (рис. 4.18) выпускаются с одной, двумя, тремя, четырьмя и даже с шестью шарошками. Однако наибольшее распространение получили трехшарошечные долота. При вращении долота шарошки, перекатываясь по забою, совершают сложное вращательное движение со скольжением. При этом зубцы шарошек наносят удары по породе, дробят и скалывают ее. Шарошечные долота успешно применяются при вращательном бурении пород самых разнообразых физико-механических свойств. Изготавливают их из высококачественных сталей с последующей химико-термической обработкой наиболее ответственных и быстроизнашивающихся деталей, а сами зубки изготавливаются из твердого сплава.

Рис. 4.18. Шарошечное долото: 1 — корпус с резьбовой головкой; 2 — лапа с опорой; 3 — шарошка Алмазные долота (рис. 4.19) состоят из стального корпуса и алмазонесущей головки, выполненной из порошкообразной твердосплавной шихты. Центральная часть долота представляет собой вогнутую поверхность в форме конуса с каналами для промывочной жидкости, а периферийная зона — шаровую поверхность, переходящую на боковых сторонах в цилиндрическую.

Рис. 4.19. Алмазное долото: 1 — корпус; 2 — матрица; 3 — алмазные зерна Алмазные долота бывают трех типов: спиральные, радиальные и ступенчатые. В спиральных алмазных долотах рабочая часть имеет спирали, оснащенные алмазами, и промывочные отверстия. Долота этого типа предназначены для турбинного бурения малоабразивных и среднеабразивных пород. Радиальные алмазные долота имеют рабочую поверхность в виде радиальных выступов в форме сектора, оснащенных алмазами; между ними размещены промывочные каналы. Долота данного типа предназначены для бурения малоабразивных пород средней твердости и твердых пород как при роторном, так и при турбинном способах бурения. Ступенчатые алмазные долота имеют рабочую поверхность ступенчатой формы. Они применяются как при роторном, так и турбинном способах бурения при проходке малоабразивных мягких и средней твердости пород.

Применение алмазных долот обеспечивает высокие скорости бурения, снижение кривизны скважин. Отсутствие опор качения и высокая износостойкость алмазов повышают их срок службы до 200 250 ч непрерывной работы. Благодаря этому сокращается число спуско-подъемных операций. Одним алмазным долотом можно пробурить столько же, сколько 15 20 шарошечными долотами.

Твердосплавные долота отличаются от алмазных тем, что вместо алмазов они армированы сверхтвердыми сплавами.

Заключение

Развитие горной промышленности требует увеличения производительности бурения в 2—4 раза. Для этого необходимо совершенствование механических способов бурения и изыскание новых. Совершенствование бурильных машин осуществляется за счёт увеличения параметров нагрузки на инструмент, механизации и автоматизации вспомогательных операций. Перспективно создание вибробуров. Разработано взрывное бурение, которое заключается в непрерывной обработке забоя скважины небольшими зарядами взрывчатого вещества, вводимыми в поток промывочного агента (воздуха или жидкости) в виде ампул (ампульное, или патронное взрывобурение) или непрерывной струи (струйное взрывное бурение). Заряды-ампулы имеют обтекаемую форму и безопасны в обращении, так как смешение невзрывчатых жидких компонентов смеси и образование взрывчатых веществ (ВВ) происходит непосредственно у забоя. Заряды твёрдых ВВ требуют для взрыва больших скоростей удара (не менее 80 м/сек). При струйном взрывобурении взрывчатая смесь из горючего и окислителя в виде плоского жидкого заряда образуется непосредственно на забое и инициируется эвтектической смесью калия и натрия, впрыскиваемой с определенной частотой. Взрывобурение скважин позволяет в 2—5 раз увеличить производительность бурения, особенно в крепких породах.

Проводятся работы по конструированию аппаратов для создания импульсной струи, периодически выстреливаемой из сопла по забою скважины для так называемого гидроимпульсного бурения, а также электроимпульсных станков, в которых разрушение породы производится мощным электрическим разрядом.

Большой интерес представляет механизированное бурение вертикальных горных выработок больших поперечных сечений (диаметром свыше 3,5 м) — шахтных стволов.

Успехи в создании эффективных средств и способов бурения базируются на изучении физико-механических свойств разрушаемых пород, механизма разрушения породы при различных способах и режимах бурения В стране проводятся фундаментальные работы в области изучения и определения базовых физических свойств горных пород для оценки эффективности основных процессов разрушения породы при бурении.

Список используемой литературы

1. Ред. Коллегия. Главный редактор — Е. А. Козловский. «Горная энциклопедия» изд. «Советская энциклопедия» 1984—1991

2. Ассонов В. А., Докучаев М. М., К у к у н о в И. М., Буровзрывные работы, М., 1960

3. Воздвиженский Б. И., Скорняков А. Л., Бурение взрывных скважин, М., 1960.

4. Вадецкий Ю. В., «Бурение нефтяных и газовых скважин», изд. Academia 2008 г.

5. Басарыгин Ю. М., Булатов А. И., Проселков Ю. М. Бурение нефтяных и газовых скважин: Учеб. пособие для вузов.-М:ООО «Недра-Бизнесцентр» 2002

6. Волков А. С., Долгов Б. П., Вращательное бурение разведочных скважин. Учебное пособие для учащихся профтехобразования и рабочих на производстве.-3-е изд., перераб и доп-М:Недра