ТЕМА 1: Поняття про бурові роботи та обладнання.
Бурові́ робо́ти — сукупність і послідовність виконання операцій під час будівництва експлуатаційних і дослідних свердловин і буріння гірничотехнічних свердловин.
Серед бурових робіт виокремлюють: спорудження бурової вишки та привишкових споруд, монтаж та демонтаж бурового устаткування, буріння, кріплення, освоєння та випробування свердловин.
Буріння передбачає такі бурові роботи: кріплення стовбура свердловини (її ділянок по глибині) обсадними колонами, а також допоміжні й ремонтні роботи, які здебільшого мають циклічний характер.
Головні критерії оцінки ефективності бурових робіт — швидкість буріння, вартість одного метра проходження, якість будівництва свердловин і доведення їх до проектних глибин. Крім того, для геолого-розвідувальних бурових робіт — репрезентативність і вірогідність геолого-геофізичної та технологічної інформації, приріст запасів нафти і газу на один метр проходження, для експлуатаційних — дебіт свердловини.
Ефективність бурових робіт зростає зі зменшенням кількості рейсів, витрачених на буріння свердловини в конкретних гірничо-геологічних умовах; часу, витраченого в середньому на один рейс; зі збільшенням швидкості циклу будівництва свердловини; зі зменшенням частини всіх витрат, пов’язаних із ліквідацією наслідків аварій, ускладнень, браку в роботі та простоїв свердловин з організаційних причин.
Бурове обладнання — це комплекс машинобудівної продукції, яка використовується при бурінні свердловин. Зазвичай термін відносять до буріння нафтогазових свердловин.
Комплекс включає в себе споруди, машини, та інше допоміжне обладнання, що монтується на точці буріння і забезпечує самостійне виконання технологічних операцій.
Класифікація
Устаткування підрозділяється на наступні категорії:
Бурові установки
Агрегати й установки для геолого-розвідувального буріння.
Агрегати для ремонту і буріння свердловин.
Металоконструкції бурових установок.
Основне технологічне обладнання
Засоби механізації.
Силові агрегати.
Циркуляційні системи та обладнання.
Допоміжне механічне обладнання.
Системи автоматизації, контролю та управління.
Електрообладнання.
Пневмообладнання.
Системи життєзабезпечення та безпеки.
Противикидне обладнання.
Цементувальне обладнання.
Морські платформи та обладнання
Підводний буровий комплекс
Додаткове обладнання
Ведучі, обсадні і бурильні труби
Перевідники і елементи компонування низу бурової колони
Вибійні двигуни
Бурові долота
Аварійний інструмент
Інший буровий інструмент
Буровий верстат – це безпосередньо машина, призначена для буріння свердловин, яка здійснює обертання породоруйнівного інструменту, спуск у свердловину і підйом бурового снаряда та інші функції.
Буровий агрегат – це комплекс механізмів і пристроїв, необхідних для буріння свердловини. Він складається з бурового верстата, бурового насоса, силового приводу (двигунів), електрогенератора, засобів механізації допоміжних процесів, засобів автоматизації і керування процесами буріння свердловин, системи очищення промивальної рідини.
Бурова установка – це комплекс наземних споруд, бурового та енергетичного обладнання, за допомогою яких виконуються всі роботи зі спорудження свердловини. До складу комплексу входять: буровий агрегат, вишка або щогла, бурова будівля, транспортна база та ін.
Усі бурові верстати й установки класифікуються залежно від способу буріння, умов застосування, транспортної бази, системи приводу, системи подачі і
підйому бурового інструменту, глибини буріння та ін.
За способом буріння всі бурові верстати й установки поділяються на обертальні, ударні, комбіновані та вібраційні.
Залежно від типу обертача бурові установки поділять на шпиндельні, роторні та з рухомим обертачем. Починаючи з середини 80-х років відмічається
стабільна тенденція зменшення кількості шпиндельних верстатів і збільшення
кількості роторних і особливо верстатів з рухомим обертачем.
У шпиндельних верстатах за допомогою затискних патронів ведучу трубу закріплюють в шпинделі, а її обертання і подачу здійснюють безпосередньо шпинделем. Це дозволяє обертачем створювати осьове навантаження на породоруйнівний інструмент. Шпиндельний обертач знаходить найбільше застосування в установках для алмазного буріння свердловин малого діаметра, в геологічних розрізах, складених твердими і середньої твердості гірськими породами.
Переваги шпиндельного обертача – компактність і простота конструктивної ув’язки шпинделя з механізмом подачі, а також можливість буріння свердловини під різними кутами до горизонту. Технологічні можливості шпиндельного обертача повністю задовольняють вимоги колонкового буріння в твердих породах: нарощування бурильних колон без відриву снаряда від забою підвищує ресурс алмазних коронок і збільшує вихід керна; незначні витрати робочого часу на перекріплювання патронів і нарощування снаряда збільшує швидкість буріння. Основний недолік шпиндельного обертача – невелика довжина ходу подачі (0,5–0,6 м). Необхідність частих перекріплювань патронів при бурінні м’яких гірських порід істотно знижує швидкість буріння і зменшує відсоток виходу керна.
У роторних верстатах ведуча труба й отвір у столі ротора мають спеціальний профіль (квадрат, шестигранник і т. ін.), що забезпечує обертання ведучої труби. Її переміщення в осьовому напрямку відбувається під власною вагою та за допомогою лебідки. Роторний обертач знайшов широке застосування в самохідних і пересувних бурових установках, використовуваних при бурінні структурно-пошукових і гідрогеологічних свердловин у м’яких і середньої твердості породах. Основна його перевага – велика довжина ходу подачі.
Бурові установки з роторним обертачем використовуються переважно при безкерновому бурінні. При бурінні роторними установками з відбором керна нарощування снаряда пов’язане з відривом снаряда від забою, що призводить до пошкодження керна, порушення стінок свердловини і зменшення проходки на коронку. Алмазне буріння із застосуванням роторних установок використовується в окремих випадках (неможливість застосування високих частот обертання, значні вібрації снаряда, трудність регулювання осьового навантаження на коронку, неможливість буріння похилих свердловин).
Бурові установки з рухомим обертачем знайшли широке застосування при використанні прогресивних способів буріння внаслідок таких переваг:
– забезпечують найбільший ефект при швидкісних методах буріння, здійснюваних без підйому бурильних труб для витягання керна, таких як буріння
снарядами із знімними керноприймачами, з гідро- і пневмотранспортом керна,
при безкерновому бурінні, застосуванні вибійних машин тощо;
– установки більш універсальні за методами буріння; встановлюючи гідромотори різної потужності або вводячи просту коробку зміни передач, можна варіювати в широких межах частоту обертання і крутний момент на обертачі;
– порівняно з шпинделями гідрофіковані верстати при аналогічних методах буріння на 30–40 % продуктивніші, що окупає їх вищу вартість;
– з конструкції верстата виключається ряд механічних вузлів, які часто виходять з ладу, що забезпечує більший термін служби верстата.
В той же час установки з рухомим обертачем мають і недоліки:
– втрати потужності між привідним двигуном і обертачем у верстатах
шпинделів складають близько 10 %, а в установках з рухомим обертачем – не
менше 30 %, що пояснюється значною втратою тиску в гідравлічній системі;
– вимагається, щоб на установках працював більш кваліфікований персонал і була в наявності якісна ремонтна база.
Бурові верстати для ударного буріння поділяються на ударно-канатні, ударно-штангові та віброударні. В ударно-канатних буровий снаряд підвішений на сталевому канаті, а в ударно-штангових – на колоні бурильних труб. Удари по долоту при віброударному бурінні наносять вібратором або вібромолотом.
Комбіновані бурові установки дозволяють бурити як обертальним, так і ударним способом.
Залежно від системи механізму подачі бурові верстати бувають з вільною, важільною, гідравлічною та з подачею за допомогою ланцюга і каната. Найбільш поширена у верстатах для геологорозвідувального буріння гідравлічна подача.
За транспортабельністю бурові установки поділяються на стаціонарні, коли буровий агрегат монтується на нерухомому фундаменті, пересувні, що монтуються на полозках, автотракторних причепах на колесах або гусеничному ходу, самохідні, змонтовані на автомобілі або тракторі, та переносні, що переміщують люди або в’ючні тварини.
За умовами застосування розрізняють бурові установки для буріння свердловин з поверхні землі; з підземних гірничих виробок та з поверхні води (плавучі бурові установки).
Тема 2: Поняття про будівництво свердловини.
Свердловиною називають гірську циліндричну виробку, що споруджується без доступу в неї людини і діаметр якої в багато разів менший від довжини (рис. 1).
Рисунок 1 – Схема свердловини
а, б-вертикальні; в-похила; а,в-буріння без відбору керна;
б-буріння з відбором керна;
1-устя; 2-стінка (ствол); 3-вісь; 4-вібій; 5-керн.
Початок свердловини називається устям, циліндрична поверхня - стінкою або стволом, а дно - вибоєм. Відстань від устя до вибою по осі ствола визначає довжину свердловини, а по проекції осі на вертикаль – її глибину. Свердловини бурять вертикальні і похилі. В останньому випадку свердловину примусово викривляють згідно раніше запроектованого профілю.
Свердловини бурять ступенево, зменшуючи діаметр від інтервала до інтервала. Початковий діаметр нафтових і газових свердловин, як правило, не перевищує 900 мм, а кінцевий рідко буває меншим 165 мм. Глибини свердловин коливаються в широких межах: від декількох сотень до декількох тисяч метрів.
Поглиблення свердловини здійснюється шляхом руйнування породи на всій площі вибою (без відбору керну) або на його периферійній частині (з відбором керну). В останньому випадку в центрі свердловини залишається порода (керн), яку періодично піднімають на поверхню для вивчення пройденого розрізу порід.
За призначенням всі свердловини, що буряться, поділяються на опорні, параметричні, структурні, пошукові, розвідувальні, експлуатаційні і спеціальні.
Опорні свердловини бурять для вивчення геологічної будови і гідрогеологічних умов залягання осадової товщі порід і вивчення закономірностей поширення комплексів відкладів, сприятливих для нафтогазонакопичення.
При бурінні опорних свердловин намагаються розкрити кристалічний фундамент, а там, де він залягає глибоко, бурять до технічно можливих в даний час глибин. Результати опорного буріння всебічно досліджують і в комплексі з іншими одержаними раніше геолого-геофізичними даними використовують для вияснення загальних закономірностей геологічної будови району, попередньої оцінки перспектив його нафтогазоносності, складання перспективного плану геологорозвідувальних робіт і підрахунку прогнозних запасів нафти і газу.
Параметричні свердловини призначені для детальнішого вивчення геологічної будови розрізу, особливо на великих глибинах, а також для виявлення найперспективніших площ з точки зору проведення на них геолого-пошукових робіт. За результатами буріння параметричних свердловин уточнюють стратиграфічний розріз і наявність сприятливих для накопичення нафти і газу структур, коректують розроблені за даними опорного буріння перспективи нафтогазоносності району.
Структурні свердловини служать для ретельного вивчення структур, виявлених при бурінні опорних і параметричних свердловин та для підготовки проекту пошуково-розвідувального буріння. Результати структурного буріння і геофізичних досліджень використовують для вивчення характеру залягання, віку і фізичних властивостей порід, що складають розріз, для точного відбиття опорних (маркуючих) горизонтів і побудови структурних карт.
Пошукові свердловини споруджують на підготовлених попереднім бурінням та геолого-геофізичними дослідженнями площах з метою відкриття нових родовищ нафти і газу або для їх пошуків раніше відкритих родовищах. При бурінні пошукових свердловин детально вивчають геологічний розріз і його нафтогазоносність з відбором проб породи, води, газу, нафти, а при розкритті продуктивної товщі свердловини випробовують на приплив нафти з допомогою спеціальних пристроїв.
Розвідувальні свердловини бурять на площах зі встановленою промисловою нафтогазоносністю з метою оконтурювання родовища та збору вихідних даних для складання проекту його розробки. У процесі розвідувального буріння продовжують дослідження розрізу і його нафтогазоносності приблизно в такому ж об’ємі, як це роблять при пошуковому. Експлуатаційні свердловини бурять на повністю розвіданому і підготовленому до розробки родовищі з метою експлуатації покладів нафти і газу.
В категорію експлуатаційних входять не тільки свердловини, з допомогою яких видобувають нафту або газ (видобувні свердловини), але і свердловини, які дозволяють організувати ефективну розробку родовища (оціночні, нагнітальні, спостережні).
Оціночні свердловини призначені для уточнення режиму роботи пласта і ступеня виробки ділянок родовища, уточнення схеми його розробки.
Нагнітальні свердловини служать для організації законтурного і усерединуконтурного нагнітання в експлуатаційний пласт води, газу, або повітря з метою підтримання пластового тиску.
Спостережні свердловини споруджують для систематичного контролю за режимом роботи родовища.
Спеціальні свердловини бурять для вибухових робіт при сейсмічних методах пошуків і розвідки родовища, скидання промислових вод в непродуктивні поглинаючі пласти, розвідки і видобутку води, підготовки структур для підземних газосховищ і закачування в них газу, ліквідації відкритих фонтанів нафти і газу.
Крім нафтової і газової промисловості, буріння свердловин широко застосовують і в інших галузях народного господарства.
У вугільній і гірничорудній промисловості свердловини бурять для:
1 Пошуків і розвідки твердих корисних копалин;
2 Вентиляції гірничих виробок і відкачки з них води;
відкачки води з гірських виробок;
4 Спуску в гірські виробки кріпильного матеріалу;
5 Заморожування грунту при проходженні шахт;
6 Підземної газифікації вугілля;
7 Гасіння підземних пожеж;
8 Вибухових робіт при кар’єрній і підземній розробці корисних копалин.
У хімічній промисловості з допомогою свердловин видобувають мінералізовані води, що містять в значній кількості різні солі, бром, йод та інші хімічні речовини.
У медицині бурять велику кількість розвідувальних і експлуатаційних свердловин з метою задоволення потреб в лікувальних і мінеральних водах.
У промисловому і цивільному будівництві свердловини бурять при прокладанні трас шосейних і залізничних доріг, для дослідження грунтів на місці передбачуваного будівництва дамб, мостів, заводів, будинків, а також для водопостачання.
ТЕМА 3 : Процес буріння нафтових і газових свердловин.
Процес спорудження свердловини включає підготовчий, основний і завершальний етапи.
Підготовчий етап включає такі види робіт і операцій:
1. Винесення точки закладення свердловини на місцевість.
2. Планування бурового майданчика.
3. Обладнання циркуляційної системи для промивальної рідини.
4. Установка фундаментів під бурову вишку і верстат.
5. Монтаж вишки, бурової будівлі та устаткування.
6. Підготовка під’їзних шляхів, ліній електропередачі.
7. Перевірка готовності бурової до виконання робіт і прийняття її спеціальною комісією.
Перераховані види робіт виконуються в основному при спорудженні відносно глибоких свердловин з використанням стаціонарних або пересувних бурових установок. При бурінні свердловин самохідними установками на невеликі глибини роботи підготовчого етапу істотно скорочуються.
Основний етап включає власне буріння, супровідні операції та інші необхідні види робіт. Буріння здійснюється шляхом чергування рейсів. Рейс
складається з буріння і супутніх йому операцій: підготовка до рейсу (збирання колонкового снаряда, виконання необхідних вимірів і т.д.), спуск бурового снаряда, доходження до забою, буріння із зупинками на нарощування і перекріплювання, заклинювання керна, підйом бурового снаряда і витягання керна.
При бурінні звичайно виконуються додаткові роботи, пов’язані з обслуговуванням свердловини, бурового устаткування та інструменту (кріплення обсадними трубами, боротьба з геологічними ускладненнями, проведення досліджень свердловин, заміна елементів бурового снаряда, профілактичний огляд, змащування і поточний ремонт устаткування).
Крім необхідних робіт, буріння може супроводжуватися непередбаченими витратами часу на простої і ліквідацію аварій.
Завершальний етап включає проведення відповідних досліджень у свердловині і вимірів (глибини свердловини, параметрів викривлення), витягання обсадних труб, ліквідаційне тампонування, демонтажні роботи, рекультивацію площі.
Основним способом буріння геологорозвідувальних свердловин є обертальне буріння свердловин із промиванням.
У наміченому для буріння місці монтується бурова установка (рис. 1.), яка має верстат 8, буровий насос 9, вишку 16, будинок 15, систему відстійників 13, стелажі для інструменту й ін.
При колонковому бурінні як породоруйнівний інструмент використовують бурову коронку 1, різці якої руйнують гірську породу кільцевим вибоєм.
При цьому утворюється стовпчик непорушеної породи – керн. Коронка 1 з’єднана через керновідривач 2 з колонковою трубою 3, що слугує для розміщення керна.
Через перехідник 4 колонкова труба з’єднується з колоною бурильних труб 5 меншого діаметра (рис. 1. а).
Колона бурильних труб є довгим валом, який призначений для передачі обертання й осьового навантаження від бурового верстата 8 на поверхні до різців бурової коронки 1, що працює на вибої свердловини.
Бурильна колона складається з окремих труб 5, з’єднаних між собою за допомогою бурових замків 7 і муфт 6 на різі.
Набір технологічного бурового інструменту, що включає коронку, керновідривач, колонкову трубу, перехідник і бурильну колону, називається буровим снарядом.
Верхня бурильна труба, з’єднана з верстатом, називається ведучою.
Буровий насос 9 подає промивальну рідину (зазвичай воду або глинистий розчин) через нагнітальний шланг 10, сальник 11 у бурильні труби 5. Сальник 11 слугує для з’єднання нерухомого нагнітального шланга з колоною труб, що обертається.
Після бурильних труб промивальна рідина проходить над вибоєм, охолоджує породоруйнівний інструмент 1, очищує вибій і по кільцевому зазору між
колоною бурильних труб і стінками свердловини виносить на поверхню зруйновану породу – буровий шлам. Якщо як промивальну рідину застосовують спеціальний розчин, він одночасно зміцнює стінки свердловини.
Промивальна рідина разом зі шламом протікає через систему жолобів 12 і відстійників 13, у яких шлам осаджується.
Рис. 1.. Загальна схема бурової установки:
а – при бурінні; б – при підйомі; в – план бурової установки
Очищена рідина засмоктується насосом 9 через усмоктувальний шланг з відстійника 13 і знову направляється до вибою. Таким чином, у процесі буріння здійснюється безперервна замкнута циркуляція промивальної рідини.
При колонковому бурінні заглиблення за один рейс невелике, звичайно не перевищує декількох метрів і обмежується або зносом бурової коронки, або необхідністю витягання керна з колонкової труби.
Для забезпечення заглиблення необхідно з поверхні регулювати процес руйнування породи і винесення породи на поверхню.
Режимом буріння називається сполучення параметрів, що характеризують процес роботи породоруйнівного інструменту.
Основні параметри режиму колонкового буріння:
– осьове навантаження на породоруйнівний інструмент;
– частота обертання породоруйнівного інструменту;
– кількість і якість промивальної рідини, що подають у свердловину.
По закінченні буріння керн заклинюють у буровій коронці і відривають від вибою за допомогою керновідривача, після чого починають підйом снаряда.
Для підйому від колони відгвинчують ведучу бурильну трубу і буровий верстат разом з нею відсувається від устя свердловини (рис. 1. б).
Починається підйом бурового снаряда за допомогою лебідки верстата 17, сталевого каната 18, що проходить через кронблок 19, вишки 16 та елеватора 20, що слугує для захоплення колони.
Для прискорення підйому шляхом скорочення операції з розгвинчування нарізних з’єднань снаряд піднімають не по одній трубі, а свічами, що складаються з декількох бурильних труб.
Свічі з’єднуються між собою замками 7, а бурильні труби у свічі – муфтами 6.
Після підйому на довжину свічі колона закріплюється (підвішується) за
допомогою підкладної вилки на труборозгвинчувачі 21, потім піднята свіча відгвинчується від колони.
Відгвинчену свічу встановлюють на підсвічник 22, елеватор 20 від’єднується від верха свічі й опускається вниз. На усті його з’єднують з колоною і знову повторюється підйом снаряда на довжину свічі.
Після підйому на поверхню колонкового набору, що складається з коронки, керновідривача, колонкової труби і перехідника, здійснюється витягання керна з колонкової труби, заміна зношеної бурової коронки.
Потім виконується спуск снаряда в свердловину. Довжину колони при цьому збільшують на величину, необхідну для заглиблення протягом наступного рейсу, шляхом додавання бурильних труб між ведучою трубою і буровим снарядом. Ця операція називається нарощуванням.
При бурінні свердловина у верхній частині розрізу перетинає м’які або нестійкі гірські породи (глини, піски, валунно-галькові відклади, зруйновані скельні породи). Для закріплення стінок свердловини інтервал нестійких порід перекривається колоною обсадних труб 23. Обсадними трубами при потребі закріплюються й інтервали свердловини, які залягають на великій глибині.
Метою буріння геологорозвідувальних свердловин є комплексні геологічні дослідження, тому, крім витягання зразків порід, у свердловині проводяться спеціальні роботи: вимірювання її викривлення, гідрогеологічні та геофізичні дослідження (каротаж), випробування стінок свердловини, орієнтування керна.
Ряд робіт здійснюється для забезпечення нормального стану свердловини та якості робіт. Це закріплення нестійких інтервалів шляхом тампонування, скероване буріння шляхом штучного скривлення свердловини, ліквідація виникаючих аварій.
Після виконання свердловиною геологічного завдання роблять ліквідаційне тампонування шляхом заповнення її пластичними твердіючими розчинами на основі цементу з метою охорони надр.
Устаткування і вишку перевозять на нове місце в зібраному або демонтованому вигляді.
1 2 3 4 5 6