Бурение скважин на нефть и газ

Бурение (Drilling) - это совокупность технологических процессов, выполняемых для строительства скважин - получения цилиндрической горной выработки с большим отношением длины (глубины) к поперечнику (диаметру Ø), без возможности доступа человека на забой

Разрушение горных пород (проходка бурения) производится с помощью специальной техники - бурового оборудования. (реже термическим, гидроэрозионным, взрывным и другими способами) с удалением продуктов разрушения.
Начало скважины на поверхности земли называют устьем, дно - забоем, а стенки скважины образуют ее ствол.

Бурение - это важный технологический процесс в нефтегазе.

Различают 3 вида бурения:

• вертикальное бурение,
• наклонно-направленное бурение,
• горизонтальное бурение.

При бурении разрушение ведется:

• по всей площади забоя (бескерновое бурение),
• реже только по кольцевому пространству для извлечения керна (колонковое бурение).

Диаметры пробуриваемых выработок составляют:

• десятки миллиметров (шпуры),
• сотни миллиметров (скважины),
• тысячи миллиметров (стволы шахтные).

Глубина бурения определяется областью его применения и составляет:

• несколько метров (в основном шпуры),
• десятки метров (скважины для размещения взрывчатых веществ, закрепления горных пород цементированием, замораживанием и др.),
• сотни и тысячи метров (скважины - разведочные на воду, нефть и газ, эксплуатационные и др.).

Процесс сооружения глубоких скважин включает также крепление стенок ствола обсадными трубами с закачкой цементного раствора в кольцевой зазор между трубами и стенками.

Бурение глубоких скважин осуществляют буровыми установками, взрывных - буровыми станками, шахтных стволов - стволопроходческими агрегатами, шпуров - бурильными молотками, свёрлами и др.
Технические средства бурения включают также:

• буровой насос или компрессор для подачи бурового раствора и газа,
• бурильные трубы,
• буровую вышку с талевой системой,
• породоразрушающий инструмент (ПРИ),
• оборудование для приготовления промывочной жидкости, ее очистки от шлама и дегазации,
• противовыбросовое оборудование,
• контрольно-измерительную аппаратуру.

Бурение производится в основном механическим способом: буровой инструмент непосредственно воздействует на горные породы, разрушая их буровым долотом или буровой коронкой; при бурении взрывных скважин в кварцсодержащих горных пород применяют термическое бурение (струёй пламени).
Механические способы бурения по методу воздействия инструмента на забой:

• вращательное бурение,
• ударное бурение,
• ударно-поворотное,
• вращательно-ударное бурение.

По типу применяемого ПРИ различают:

• шнековое бурение,
• шарошечное бурение,
• алмазное бурение,
• дробовое и такое прочее,

По типу буровой машины:

• перфораторное бурение,
• пневмоударное бурение,
• гидроударное бурение,
• роторное бурение,
• турбинное бурение и
• прочее,

По направлению и методу проводки скважин:

• кустовое бурение,
• вертикальное, наклонно-направленное,
• многозабойное и др.

Бурение развивается и специализируется применительно к 3^м основном областям горного дела:

• добыча жидких и газообразных полезных ископаемых,
• поиск и разведка полезных ископаемых,
• добыча твердых полезных ископаемых взрывным способом.

Такое исторически сложившееся деление весьма условно, но методологически удобно для краткого изложения столь многопланового понятия, как бурение.

Основными составляющими бурения скважин являются:

• разрушение горных пород в пространстве, ограниченном периметром сечения ствола скважины и поверхностью ее забоя. Разрушение происходит в результате воздействия (чаще всего - механического или сочетаемого с гидромониторным) на горную породу с интенсивностью, которая превышает ее предел прочности. Гораздо реже применяется, взрывное, кавитационное, термическое разрушение и другие его виды;
• очистка забоя скважины от частиц выбуренной горной породы (шлама), транспортировка их по стволу скважины до дневной поверхности потоком флюида (жидкости, газа, пены, газа) или механическим способом. Образование так называемого «чистого забоя» крайне важно для достижения высоких технико-экономических показателей буровых работ, снижения стоимости добываемой из скважин продукции и затрат на их строительство, профилактики аварийности и осложнений. Сочетание двух названных процессов обеспечивает углубление скважин, их проводку до проектной глубины;
• крепление скважины, состоящее в спуске в её ствол обсадной колонны и последующего заполнения всего затрубного кольцевого пространства (или части его объёма) цементным раствором. При некоторых сочетаниях горно-геологических и технических условий строительства скважины не удаётся зацементированную колонну в один прием, тогда применяется ступенчатый цементаж. Потребность в креплении создается недостаточной длительной прочностью горных пород в открытом стволе, их проницаемостью, необходимостью изоляции несовместимых пластов, исключения межпластовых перетоков. Разрушение горных пород в объёме ствола скважины нарушает существовавшее равновесие, вызывает набухание, обвалы, сужение ствола;
• смена ПРИ в связи с исчерпанием его ресурса или переходом на инструмент другого типоразмера. Глубина самой мелкой скважины на нефть или газ значительно превышает проходку на долото, поэтому на проводку скважины расходуются десятки - сотни долот. Поскольку применение вставных долот, заменяемых через канал бурильной колонны, оказалось неэффективным, смена ПРИ требует подъёма из скважины и спуска в нее всей бурильной колонны, на что может расходоваться больше четверти календарного времени сооружения скважины;
• профилактика аварий и осложнений. Причины аварийности и возникновения осложнений в бурящейся скважине весьма разнообразны и многочисленны. Соответственно существуют и применяются различные способы, методы и средства их предупреждения и ликвидации. В отдельных случаях аварии бывают настолько сложными, что их ликвидация становится невозможной либо нецелесообразной, тогда скважину ликвидируют по техническим причинам.

Наряду с перечисленным выше бурение включает в себя другие техпроцессы и операции:

• испытание обсадных колон после спуска, тампонажа и оборудования устья;
• отбор керна и шлама;
• испытание пластов и отбор проб;
• геофизические исследования, разбуривание цементных стаканов и мостов;
• непрерывный и периодический контроль, получение, оперативная передача всего объема технологической, геологической, газометрической, технико-экономической информации с использованием комплексов геолого-технического мониторинга.

Совокупность выполняемых в процессе сооружения скважин работ устанавливается индивидуальным или групповым техническим проектом, какое-либо отклонение от него санкционируется техническим советом бурового предприятия.
Применение дорогостоящего оборудования, потребление материалов высокой стоимости в значительных объемах делает буровые работы весьма затратными.
Строительство скважин является самым капиталоемким видом работ в нефтегазовом комплексе.
Затраты на строительство скважин переносятся на себестоимость добытой из них продукции и/или извлекаемых запасов и имеют тенденция к увеличению с ростом глубины и продолжительности сооружения.
Особенно дорого обходится бурение скважин в акваториях, затраты на него могут превышать затраты на бурение аналогичной скважины на суше на порядок.

Конечной целью бурения скважин является:

• получение информации,
• либо строительство долговечного канала связи продуктивного пласта с дневной поверхностью,
• некоторых скважинах на нефть и газ достижение этих 2^х целей удается совместить.

Независимо от источника финансирования буровых работ их выполнение должно быть рентабельным если не по каждой отдельной скважине, то по объему проходки в целом.

От выбора места заложения скважины методом wild cat практически повсеместно отказались.

Выдаче точки бурения разведочной скважины в натуре предшествует выполнение сложного комплекса сложных изысканий, включающего полностью или частично:

• проведение геологической съемки, обобщающей результаты полевого и лабораторного изучения поверхностной морфологии и геоморфологии местности;
• проведение поверхностных геофизических исследований методами сейсмо-, грави-, электро- и магнитной разведки;
• проведение поверхностных геохимических исследований методами газовой, люминисцентно-геологической, радиоактивной, бактериологической и гидрохимической съёмки;
• изучение обнажений, окаменелостей, проб пород;
• построение геологической карты предполагаемого района нефтегазоносности;
• бурение структурно-поисковых скважин до глубины залегания основных пород;
• детализация геологической карты, построение сводного стратиграфического разреза и структурной карты;
• бурение разведочных, оконтуривающих и опережающих добывающих скважин, подтверждение или опровержение факта наличия в разведываемом районе месторождения, оценка его промышленного значения.

Разнообразие способов, методов и технических средств бурения на нефть и газ приведено в таблице ниже.

Углубление скважины - это совокупность операций:

• разрушение горной породы,
• очистка забоя и ствола скважины от выбуренной породы,
• подача бурового инструмента на забой.

В приведенном выше сочетании это называется механическим бурением, оно характеризуется набором интервальных параметров режима бурения.

Численные значения параметров устанавливаются:

• режимно-технологическими картами,
• геолого-техническим нарядом.
• техническим проектом на строительство скважины.

Для каждого интервала бурения с одинаковыми горно-геологическими и техническими условиями задаются:

• компоновка бурильной колонны (отдельно - ее низа КНБК), типоразмер забойного двигателя в случае его применения;
• типоразмер ПРИ, частота его вращения, осевая нагрузка;
• полный комплекс физических, гидравлических, реологических свойств промывочного агента; его расход, расчетное гидравлическое сопротивление;
• ожидаемое пластовое давление или его градиент;
• зенитный и азимутальный углы профиля ствола (в наклонно-направленных скважинах);
• концентрация твердой фазы в промывочном агенте, выходящем из скважины.

Для интервалов вскрытия продуктивного пласта (заканчивания скважины) составляются режимно-технологические карты, содержащие дополнительную информацию.

Рациональность назначенных параметров режима бурения имеет место при достижении максимума рейсовой скорости, которая вычисляется как отношение походки на долото к суммарным затратам времени на механическое бурение и спускоподъемные операции (СПО), включая время на наращивание бурильной колонны.

Результаты производственной деятельности бурового предприятия в течение периода времени определенной продолжительности оцениваются комплексом числовых технических и экономических показателей:

• выполненный объем проходки (раздельно в эксплуатационном и глубоком разведочном бурении);
• число законченных строительством скважин;
• средняя глубина скважин:
• число станкомесяцев в бурении, достигнутая коммерческая скорость;
• средняя проходка на долото;
• себестоимость метра проходки;
• списочное число комплектных буровых установок;
• средняя годовая проходка на одну списочную установку;
• коэффициент оборачиваемости.

Анализируя эти показатели в динамике, можно выявить тренды, предусмотреть и предпринять своевременные меры для предотвращения нежелательных последствий.
Выполнение буровых работ организуется одним из 2^х способов:
- безподрядным, все работы выполняются буровым предприятием с использованием имеющихся у него производственных мощностей;
- сервисным, значительная часть специфичных работ (геофизические исследования скважин, тампонажные работы, разработка рецептур и приготовления промывочных агентов, подбор компоновок бурильных колонн и выбор ПРИ, перфорация обсадных колонн и др.) выполняется сервисными специализированными компаниями по заказу бурового предприятия на подрядных принципах.

2^й способ дает ускоренное выполнение работ, высокое их качество, снижение аварийности и затрат на строительство, но он применим лишь в районах с высокой концентрацией объёмов проходки.

Информационное обеспечение буровых работ на нефть и газ значительно улучшилось, многие буровые установки оснащены бортовыми компьютерами, способны воспринимать, обрабатывать и хранить информацию, получаемую от десятков датчиков, контролировать параметры режима бурения, выбирать и задавать их значения, рекомендовать ПРИ эффективных типоразмеров.

Созданы региональные банки геолого-технической информации.

РАЗВЕДОЧНОЕ БУРЕНИЕ

Этап разведочного бурения следует после этапа геологического изучения горных пород - геологоразведочных работ (ГРР).
Под разведочным бурением на нефть и газ понимается бурение скважин всех известных типов (опорных, параметрических, поисковых и разведочных) буровыми установками:

• для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения, роторным, турбинным способом;
• электробурами для региональных исследований,
• для поисково-разведочных работ, связанных с разработкой нефтяных и газовых месторождений.

Разведочное бурение заключается в разработке и эксплуатации разведочной скважины.
Разведочная скважина обычно бурится вертикально, то есть без заметного отклонения от места забуривания.
Заверочная скважина - разновидность разведочной, бурится для целей отбора образцов для лабораторных исследований физико-механических свойств, когда недостаточно определения характера разреза и типов грунтов.
В самом общем виде, конструкцию разведочной скважины графически можно представить так:

В последние годы при разведочном бурении активнее остальных средств применяются электрические турбобуры.

В ходе разведочного бурения особая роль принадлежит буровому раствору.

Буровой раствор должен:

• снижать до приемлемого минимума скорость выпадения в осадок частиц выбуренной горной породы;
• приводить в движение, снабжать энергией вращение турбобура;
• охлаждать буровое долото;
• характеризоваться определенным значением плотности, оптимальным для данных горно-геологических условий бурения;
• предупреждать флюидопроявления и поглощения;
• способствовать сохранению стойкости стенок ствола скважин

Прежде чем приступать к разведочному бурению, необходимо заранее определить его объемы, а также разработать, согласовать и утвердить технический проект на строительство скважины.
Количественно объем разведочного бурения определяется как запланированный прирост запасов по категориям / принятая эффективность ГРР
Объемы разведочного бурения будут неизбежно расти и в связи с этим будут создаваться новые или наращиваться существующие производственные мощности предприятий разведочного бурения. Далее стартует фаза разбуривания месторождения добывающими, нагнетательными и другими скважинами.

ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ БУРЕНИЕ

Этап эксплуатационного бурения - бурения скважин в зоне залежей, продуктивность которых уже доказана, закономерно продолжает работу, начатую при бурении разведочном.
Эксплуатационному бурению предшествует комплексное обустройство участка бурения, сопряженное с развитием разведочного бурения.
При бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин используют специальные навигационные системы, отслеживающие местоположение долота.
Телеметрическая система установлена в компоновке низа бурильной колонны, именно он измеряет необходимые параметры и передает их наверх через буровой раствор

рис. 1 Типы профилей наклонно-направленных скважин

1 - вертикальный участок; 2 - участок набора угла наклона ствола;
3 - прямолинейный наклонный участок; 4 - участок снижения угла наклона ствола
Их последняя колонна способна входить в пробуренный ствол скважины под определенным углом и далее принимать горизонтальное положение, после чего увеличивается радиус контура питания, площадь дренируемой зоны и, как следствие - продуктивность скважины.
В целом, у горизонтальных скважин дебит значительно выше, чем у вертикальных скважин.