Процесс бурения нефтяных скважин

Конструкция нефтяной скважины

Скважины в основной своей массе строятся вертикально, хотя иногда бурение проходит под необходимым углом.

Конструкция состоит из трех отделов:

1. Устье — верхняя часть, необходимая для того, чтобы предотвращать возможные обвалы, разрушения рыхлых пород.
2. Забой — нижняя часть, создана для укрепления колонн на глубине и добычи полезного ископаемого из продуктивного пласта.
3. Ствол — средняя часть, которая уходит вниз, задает путь бурению и удаляет разрушенные породы из скважины.

Строительство скважины происходит в несколько шагов:

1. Буровая установка заглубляет ствол скважины благодаря разрушению пород.
2. Удаляется природный материал, который возник в процессе бурения.
3. Укрепляются стенки в момент погружения.
4. Изучаются размеры слоя нефти.
5. Колонна спускается на необходимую глубину.

Само ископаемое добывается двумя методами:

1. Методом фонтанирования. Этот способ работает при накоплении в пластах чрезмерного давления, благодаря которому углеводороды вырываются наверх.
2. Методом нагнетания. Вода, газ, различные смеси и прочие вещества подаются в скважину для того, чтобы создать искусственное избыточное давление.

Подготовка площадки

Для организации процесса бурения нефтяной скважины потребуется провести также подготовительный этап. В случае, если разработка ведется в области лесного массива, требуется, помимо оформления основной документации, заручиться согласием на работы в лесхозе. Подготовка самого участка включает следующие действия:

1. Вырубка деревьев на участке.
2. Разбитие зоны на отдельные части земли.
3. Составление плана работ.
4. Создание поселка для размещения рабочей силы.
5. Подготовка основания для буровой станции.
6. Проведение разметки на месте работы.
7. Создание фундаментов для установки цистерн на складе с горючими материалами.
8. Обустройство складов, завоз и отладка оборудования.

После этого необходимо заняться подготовкой оборудования непосредственно для бурения нефтяных скважин. В этот этап входят следующие процессы:

• Установка и проверка техники.
• Проводка линий для энергоснабжения.
• Монтаж оснований и вспомогательных элементов для вышки.
• Установка вышки и подъем на нужную высоту.
• Отладка всего оборудования.

Когда оборудование для бурения нефтяных скважин будет готово к эксплуатации, необходимо получить заключение от специальной комиссии, что техника находится в исправном состоянии и готова к работе, а персонал обладает достаточными знаниями в области правил безопасности на производстве подобного рода. При проверке уточняется, правильную ли конструкцию имеют осветительные приборы (они должны иметь устойчивый к взрывам кожух), установлено ли по глубине шахты освещение с напряжением 12В

Замечания, касающиеся качества работы и безопасности, необходимо принять во внимание заранее.

До начала работ по бурению скважины необходимо установить шурф, завезти трубы для укрепления бурового ствола, долото, малую спецтехнику для вспомогательных работ, обсадные трубы, приборы для измерений в ходе бурения, обеспечить водоснабжение и решить другие вопросы.

Буровая площадка содержит объекты для проживания рабочих, технические помещения, лабораторное строение для анализа проб почвы и получаемых результатов, склады для инвентаря и малого рабочего инструмента, а также средства для медицинской помощи и средства безопасности.

Методы бурения

Методы бурения классифицируют по двум параметрам.

В зависимости от применяемого механизма бурение может быть:

• Механическое;
• Ручное.

Варианты исполнения скважины

В зависимости от принципа работы буры:

• Ударно-вращательный метод;
• Ударный;
• Вращательный.

Рассмотрим, чем примечательная каждая технология бурения скважин на воду и как она выполняется.

Ручной способ

Ручное бурение скважины вполне подходит для самостоятельного выполнения процесса при наличии всех нужных инструментов. Такой колодец будет не более тридцати метров, почву пробивают до достижения слоя воды.

Для этого понадобятся обсадные трубы, штанги, лебедка и буровые головки разных параметров. При создании более глубокой скважины, нужна бурильная вышка для подъема и погружения бура.

Если штанги не нашлось, сделать ее можно, соединив трубы шпоном или резьбой. К концу нижней штанги крепят буровую головку. Процесс выглядит следующим образом:

Шнек-бур и станок для бурения скважин своими руками

1. Над местом предполагаемой скважины размещают вышку так, чтоб она была несколько выше длины штанги.
2. Лопатой выкапывают небольшое углубление для бура.
3. Вставить бур в углубление и вращать его. Возможно, понадобится помощь, потому что при углублении движение бура будет затрудняться.
4. Пробив полметра, остановитесь, выньте бур и прочистите его от налипшей земли.
5. Достигнув водяного слоя, откачайте три-четыре ведра грунтовой воды.

Последнее действие необходимо для устранения грязной воды и может быть выполнено погружным насосом.

Роторный способ

Это вращательный метод, который чаще всего используется при бурении глубокой скважины. Для этого понадобится специальная установка, оснащенная трубой. В этой трубе имеется вращающийся вал и долото. Воздействие на долото выполняется за счет гидравлической установки. Грунт из пробуренной скважины вымывают специальным раствором.

Таким образом, труба располагается над местом бурения и при вращении вала и долота пробивает почву. Жидкость может подаваться по стволу сверху вниз, тогда раствор, вымывая землю, выходит наружу через затрубное пространство. Такой способ называют прямой промывкой.

Может быть применена и обратная промывка, при которой раствор самотеком идет в затрубное пространство и после пробивания выкачивается погружным насосом.

Ударно-канатный способ

Метод основан на падении максимально тяжелого инструмента, обычно забивного стакана, с вышки в месте предполагаемой скважины. При  желании самостоятельно применить ударно-канатную технологию, потребуется:

• Прочный канат;
• Забойный стакан – обычно прочная металлическая труба, подвешенная на канате;
• Инструменты для уборки грунта.

Технология и последовательность действий:

Ударно-канатный способ — технология бурения

1. Изготавливают вышку в форме треноги из стальных труб или крепких бревен. Высота зависит от длины забойного стакана и должна превышать ее на 1,5 метра.
2. Забойный стакан изготавливают из стальной трубы, на конце которой находится режущее приспособление.
3. К верхней части стакана крепят трос.
4. Регулируя трос, стакан быстро отпускают на место пробоя.
5. Землю из стакана извлекают через каждые пробуренные полметра.

Для создания глубокого колодца привлекают установки типа УГБ-1ВС.

Шнековый способ

Бурение скважины шнеком

Метод взял свое название от основного применяемого инструмента – шнека или Архимедового винта. Он выглядит как буровая штанга, к которой приваривают лопасти спирально. Вращая такой шнек, земля выносится на поверхность и собирается.

Для более глубокого колодца понадобится аренда малогабаритной легкоперевозимой буровой установки, так как самостоятельно изготовленный шнек бурит не более чем на десять метров в глубину.

Стоит отметить, что шнековый способ подойдет только в том случае, если грунт богат песчаной породой. Кроме того, если шнек сталкивается на своем пути с камнем, придется искать другое место для пробивания грунта и остановить работу.

Колонковый способ

Колонковая технология все реже используется в наши дни для бурения скважин под воду. Чаще применяется для гидрогеологических исследований. Для этого используется оборудование типа ЗиФ-650, которое извлекает столб грунта, создавая так называемую колонку.

Схема колонкового долота для бурения скважины под воду

Разрушение грунта проводится кольцевым способом, затем он вымывается. Скорость такого обустройства достаточно высокая, кроме того, позволяет пробивать твердые породы, но требует больших затрат на аренду серьезного геологического оборудования.

Принцип действия роторных установок

Роторное бурение скважин выполняется специальной установкой – рамной или решетчатой вышкой, закрепленной на платформе. К ней крепятся все остальные системы, позволяющие поднимать и опускать бурильную колонну профилированной формы. Такая колонна собирается из нескольких труб, соединяемых разборными муфтами.

Двигательной силой является электродвигатель автомобиля или отдельный генератор, который через приводной вал и зубчатую передачу передает вращение от колонны ротору. Вращаясь, ротор приводит в действие долото, которое рабочими краями в скважине разрушает почвенный слой. Диапазон поворотов может регулироваться. Кромки долота могут быть алмазными, композитными или твердосплавными. Их форма может варьироваться.

Выработанный слой грунта прямой или обратной промывкой вытесняется из шахты самотеком либо под давлением с применением насосных установок. После промывки скважины в нее устанавливаются обсадные трубы. Посредством вертлюга и пустотелых труб бурильной колонны к долоту поступает жидкость для промывки, размывающая почву под долотом. Через зазор между трубами и стволом жидкость выносит грунт наружу. На поверхности через специальные фильтры жидкость собирается и очищается, чтобы ее снова можно было пустить в работу с помощью поршневых насосов.

Что такое скважина?

Основные элементы скважины

Скважины предназначены для добычи нефти и газа, воды и других полезных ресурсов. Она представляет собой выработку в горной породе, имеющую цилиндрическую форму. Ее длина намного превышает диаметр. Скважина состоит из нескольких частей.

Начало цилиндрического углубления в горной породе называют устьем, стенки – стволом, дно – забоем. Диаметр скважин на нефть в верхней точке редко превышает 900 мм, а в нижней – больше 165 мм. По глубине их разделяют на мелкие (до 1500 м), средние (до 4500 м), глубокие (до 6000 м), сверхглубокие (от 6000 м).

В зависимости от назначения скважин для добычи углеводородов их разделяют на следующие разновидности:

• эксплуатационные. Напрямую используются для добычи углеводородов;
• нагнетательные. Закачивают воду для поддержки пластового давления, что позволяет продлить период разработки месторождений энергоресурсов;
• разведочные. Позволяют определить ресурс выявленных горизонтов;
• специальные. Предназначены для определения геологических характеристик территории, нефтеносного слоя, для сброса стоков в глубокие пласты;
• структурно-поисковые. Предназначены для определения точного размещения месторождений углеводородов.

Способы бурения

Процесс проделывания скважин, как и любая другая технология, имеет несколько видов:

• ударно-канатное;
• роторное;
• бурение с забойным двигателем;
• турбинное;
• с винтовым двигателем;
• электробуром.

Схема установки для ударно-канатного бурения скважин.

Ударно-канатный способ бурения скважин считается самым опробованным. При нем шахта скважины образуется за счет периодических ударов долота по забою. Этот процесс происходит под действием веса самого долота и тяжелой штанги. Поднятие долота вместе со штангой, которые закреплены на канате, происходит за счет балансира бурового механизма.

При роторном методе вращение инструменту передается посредством ротора. При этом виде бурения скважин ротор устанавливается на устье сквозь колону бурильных труб, которые играют роль полного вала. При бурении маленьких скважин (с небольшим диаметром ствола) процесс происходит за счет шпиндельных двигателей.

Привод ротора осуществляется от карданного вала, соединенного с лебедкой. Либо это может быть цепная передача от одного двигателя. Преимущество привода в том, что он может регулировать скорость вращения более с широким диапазоном, понижает нагрузку на лебедку и уменьшает ее изнашиваемость.

Ротор для бурения выбирается по степени нагрузки, мощности, а также по диаметру шахты. Роторное бурение имеет 2 канала передачи энергии для забоя:

• механический от привода;
• гидравлический от насосов.

Установка для бурения скважин роторным и турбинным способами и при помощи электробура.

При бурении турбинным способом, в процессе работы бурильная колонна не вращается, а перенимает вращающийся момент от забойного двигателя. При этом методе передается и гидравлическая энергия.

Турбинный способ — передача вращения долоту от вала турбины, которая приводится во вращение за счет движения потока раствора. Получается, что при турбинном способе в процессе задействован только 1 канал передачи энергии до забоя.

Турбобур, стоящий над инструментом, является машиной, которая приводит процесс преобразования гидравлической энергии давления потока используемой жидкости в механическую, направленную на вращение инструмента.

/youtu.be/Vij58030p_g

Процесс бурения представляет собой опускание, подъем бурильной колоны в скважину и поддержание ее на весу. Бурильная колона — это опущенная в шахту сборка из труб, скрепленных между собой бурильными замками. Ее задача — подача гидравлической и механической энергии к долоту.

Проблемы в ходе бурения нефтяных скважин

В ходе бурения скважин можно столкнуться с рядом технических проблем, которые замедлят или сделают работу практически невозможной. К ним относятся следующие явления:

• Разрушения ствола, обвалы.
• Уход в почву жидкости для промывки (удаления частей породы).
• Аварийные состояния оборудования или шахты.
• Ошибки в сверлении ствола.

Чаще всего обвалы стенок происходят из-за того, что горная порода обладает нестабильной структурой. Признаком обвала является увеличенное давление, большая вязкость жидкости, которая используется для промывки, а также повышенное число кусков породы, которые выходят на поверхность.

Поглощение жидкости чаще всего случается в случае, если залегающий ниже пласт целиком забирает раствор в себя. Его пористая система или высокая степень впитываемости способствует такому явлению.

В процессе бурения скважины снаряд, который движется по часовой стрелке, доходит до места забоя и поднимается обратно. Проведение скважины доходит до коренных пластов, в которые происходит врезка до 1,5 метра. Чтобы скважина не была размыта, в начало погружается труба, она же служит средством проведения промывочного раствора напрямую в желоб.

Буровой снаряд, а также шпиндель может вращаться с разной скоростью и частотой; этот показатель зависит от того, какие виды горных пород требуется пробить, какой диаметр коронки будет сформирован. Скорость контролируется посредством регулятора, который регулирует уровень нагрузки на коронку, служащую для бурения. В процессе работы создается необходимое давление, которое оказывается на стены забоя и резцы самого снаряда.

Устройство и оборудование

Нефтяная установка состоит из следующих систем:

1. Энергетический комплекс. Входящий в него дизельный двигатель перерабатывает топливо для получения необходимой энергии. Она питает электрический генератор. Это устройство снабжает электричеством остальные узлы, агрегаты и механизмы.
2. Механическая система включает в себя подъёмное устройство. Оно перемещает тяжёлые элементы при помощи лебедки, кабельной катушки и шкива.

Кроме системных агрегатов нефтяная установка включает в себя следующее оборудование:

• Насос, который закачивает бурильный раствор в колонну.
• Трубы обеспечивают соединение агрегатов между собой.
• Вибросито предназначено для фильтрации химической смеси.
• Буровая вышка — это сердце установки. Она фиксирует буровую систему.
• Превентор герметично фиксирует клапаны труб.
• Вертлюг поддерживает равновесие бурильной колонны.
• Ведущая труба служит для вращения бурильной колонны.
• Бурильная колонна представляет собой совокупность труб для проделывания скважин.
• Бур – породоразрушающий элемент, изготавливаемый из различных материалов.

Схема нефтяной буровой установки

Устройство нефтяной скважины:

Отличительной особенностью нефтяной скважины считается соотношение ее длины и диаметра – первый параметр всегда в несколько раз больше. Так, длина – это расстояние от расположенного на земле устья до забоя (нижней части), измеряемая по оси ствола. Глубина нефтяной скважины – это проекция длины ствола на вертикальную ось. Если разработка проводится вертикально, эти показатели идентичны, в остальных случаях (наклонные, искривленные скважины) они отличаются друг от друга.

Первым этапом добычи нефти считается проектирование будущей нефтяной скважины. Разработка конструкция выполняется с учетом таких требований:

– возможность получения свободного доступа к нижней части ствола всех необходимых геофизических приборов, оборудования;

– прочное крепление стенок ствола, исключающее его обрушение;

– качественное разделение проходимых пластов, исключение возможных перетеканий ископаемого и водных горизонтов из пласта в пласт;

– наличие возможности герметизации устья.

Для пород, легко поддающихся разрушению водой, где чаще всего и залегает нефть, требуется дополнительное укрепление стволов. В этом случае схема будущей нефтяной скважины слегка меняется: рядом со стволом добавляются колонны обсадных труб, расположенных концентрически, т.е. их размеры могут быть разными, но с единым центром.

Строительство – бурение нефтяной скважины происходит поэтапно:

1. Бурение шурфа. Пробивают колодец до начала устойчивых горных пород, в среднем это 4-8 м. В него устанавливают трубу и укрепляют ее при помощи бутовых камней, залитыми бетонным раствором, которыми заполняют пространство между внешней стороной трубы и грунтом. Так образуется направление.
2. Создание кондуктора. Представляет собой участок из обсадных труб, которыми укрепляется следующая часть скважины – новый, более глубокой, но менее широкий шурф. Длина его колеблется в пределах от 50 до 400 м, а диаметр составляет не более 90 см. Как и в первом случае, пространство вокруг заливают цементом для большей устойчивости. Установка кондуктора позволяет перекрыть водоносные горизонты и мягкие виды горных пород, чье наличие осложняет процесс добычи.
3. Установка промежуточной колонны обсадных труб. Ее создают в ситуациях, когда нет возможности сразу пробурить скважину до нефтесодержащих пластов: имеются сложные горизонты или продуктивные пласты, которые на данном этапе добычи не планируются для разработки. Установка промежуточной колонны проводится по аналогии с кондуктором, при необходимости (слишком глубокое залегание породы) их может быть несколько.
4. Установка эксплуатационной колонны. Это последняя в этапе бурения колонна обсадных труб. Ее задача – перекрыть продуктивный пласт и обеспечить поступление «черного золота» в эксплуатационную трубу. Пространство вокруг нее также подлежит цементированию (бетонное кольцо), т.к. это позволяет избежать утечки нефти в другие пласты и предотвратить возможное проникновение воды в непосредственно продуктивный пласт.

После создания конструкции скважины проводится непосредственно вскрытие пласта для извлечения из него полезного ископаемого. Практически в 90 % случаев это проводится бурением до подошвы продуктивного пласта. После в нижней части эксплуатационной колонны и бетонном кольце вокруг него пробивается несколько отверстий, через которые в скважину поступит нефть. Для этого используют специальные аппараты-перфораторы.

В оставшихся 10 % случаев разрабатываемая порода представлена плотным слоем и укрепление призабойной зоны цементом не требуется. Возможен другой вариант –  не опускать эксплуатационную колонну до подошвы пласта, достаточно сделать это до ее кровли. Такой метод называется открытым забоем.

Виды оборудования для бурения

К этому оборудованию относится вся техника, используемая в бурении и ремонте, а также вспомогательный инструмент.

Все это оборудование условно делится на 2 группы: технологическое и вспомогательное.

Небольшой группой являются вспомогательные инструменты. В основном они рассчитаны на обслуживание технологического оборудования, а также на укрепление стенок скважины.

К ним относятся:

• хомуты;
• вертлюги;
• обсадные трубы;
• шарнирные ключи.

Большой группой является — технологическое оборудование, к которому относятся разнообразные инструменты, используемые при бурении. Основным элементом любой буровой является долото, разрушающее породу и прокладывающее в земной коре скважину. Долота могут быть разных конструкции и диаметров.

По конструкции они делятся на 3 группы:

1. Лопастные.
2. Шарошечные.
3. Секторные.

Важным элементом долота являются лопатки, которые, как лезвие, разрезают грунт. По назначению они могут быть для грунта, песка, глины и скальной породы. Эти детали вместе с долотами считаются самыми быстроизнашиваемыми.

Следующим элементом этого оборудования являются штанги, с помощью которых соединяют долото с приводом. Они могут быть цельноковаными и сварными, но тоже предварительно откованными.

Расширители — позволяют расширять скважину до необходимых для протаскивания труб размеров. Они отличаются по типу грунта, в котором могут использоваться.

Вертлюги, адаптеры и трубные захваты — тоже технологические приспособления. Каждое из них предназначено для выполнения определенной работы.

Необходимо отметить и аварийное оборудование, позволяющее предупреждать и устранять аварийные ситуации. Оно рассчитано на извлечение буровых колонн и обсадных труб.

Эксплуатация нефтяных систем

Установка нефтяных систем производится блоками или агрегатами. В качестве монтажных основ используют облегченные опоры. Перед установкой машины осуществляется подготовка площадки, на которой будет вестись работа по сборке самой машины и сопутствующего оборудования. Подготовка включает в себя разметку и освобождение пространства от пожароопасных предметов. Опорную часть всей системы составляют лебёдочно-роторный блок и приключенные к нему болтами хозяйственная и вспомогательная установки. Далее собираются вертикальные оси, стол ротора и будущий центр скважины. В заключительном этапе монтируются вышка и примыкающее к ней оборудование. Сборка производится специальным машинным краном.

Карта расположения мест расположения буровых установок на нефть

По способу монтажа буровые машины для добычи нефти бывают:

• поагрегатные, когда сборка ведётся отдельными узлами и элементами;
• мелкоблочные, когда монтируются отдельные составляющие блочных систем;
• крупноблочные, когда заранее собранные системы скрепляются между собой на месте проведения работ.

Доставка буровой установки для бурения скважин на нефть установки к месту работы — сложный процесс. Транспортировку оборудования производят при помощи тягача и модульных систем. Если размер установки позволяет, то используют полуприцепной механизм. Весь процесс транспортировки устройства к площадке добычи условно можно разделить на этапы:

1. проводится расчёт, согласно которому решается вопрос о средствах транспортировки;
2. подготовка маршрута перевозки с учётом надёжности дорожного полотна, естественных уклонов и препятствий;
3. подготовка крепёжного оборудования, которое должно надёжно зафиксировать элементы системы в процессе движения;
4. погрузка.

По способу передвижения нефтяные установки бывают:

• самоходные, имеющие собственную моторную базу;
• передвижные, которые перемещаются при помощи специальных машин;
• стационарные, транспортировка которых возможна по частям или блокам.

На видео принцип работы буровой установки на нефть:

Виды и классификация нефтяных буровых установок

Различают несколько типов классификаций нефтяных комплексов, в основе которых определен важный критерий установки.

Конструкция

По конструкционным особенностям машины различаются между собой. Это объясняется тем, что определенный тип машины применяется только для узкого вида работ. По конструкции оборудование бывает:

• Мачтовые (механическая часть располагается на двух опорах).
• Башенные (имеет 4 механизма опоры, нагрузка на каждый из них распределяется равномерно).

Как правило, башенные агрегаты отличаются большими размерами, а также высокой производительностью работ.

Способ перемещения

Буровое оборудование имеет различия и по способу перемещения. Эти особенности очень важны для работ на разных типах местности. Буровые агрегаты по критерию перемещения делят:

Передвижные нефтяные буровые установки незаменимы при разведывательных мероприятиях, а также изучения состава местности. С помощью них специалисты берут пробы на проведение различных исследований. Стационарные же модели необходимы для добычи материала.

Место размещения

Добыча полезных ископаемых может проводиться на любой местности, независимо от того, твердая это поверхность или водоем. Основываясь на данные критерии, буровые установки разделяют на:

• наземные;
• морские (фиксация осуществляется на дно).

Нефтяные месторождения могут располагаться в любом месте, к тому же ее количество не зависит от того, находится она на твердой поверхности или в воде. Поэтому машины могут выкачивать нефть при любых условиях.

Способ бурения

Чтобы пробурить скважины, используют различные типы бурения. В зависимости от этого нефтяные установки разделяются:

• Вращательное бурение (работы осуществляются за счет вращательного движения специального конструктивного элемента машины).
• Вращательно-ударное бурение (для получения скважины используется определенная сила удара, после чего элемент установки начинает вращательное движение).
• Ударное (бурение проводится за счет удара элемента о поверхность местности).
• Бурение вибрацией.
• Огнеструйное бурение.

В последнее время разработан новый вид бурового оборудования, с помощью которого образование скважины происходит за счет разрядно-импульсного бурения.

К тому же нефтяные вышки могут работать от электрического, электрогидравлического или дизельного привода.