Автор: Пользователь скрыл имя, 03 Марта 2013 в 09:54, курс лекций
Земная кора состоит преимущественно из трех типов горных пород - вулканических, метаморфических и осадочных. Хотя нефть и газ присутствуют во всех трех типах пород, чаще всего они ассоциируются с осадочными породами. Известны различные пути образования осадочных пород, но основной путь - это отложение под действием ветра или воды или химическое осаждение (нап-ример, выщелачивание). Осадочные материалы подразделяются на обломочные породы (песчаники, сланцы), карбонатные породы (некоторые известняки) и доломиты.
С этой проблемой тесно связана возможность сбыта и рыночная стоимость. И то, и другое зависит от своевременности. Если требуется дополнительное время для сооружения трубопроводов или для заключения контракта на продажу, за это время могут произойти значительные рыночные изменения и цена за 1 тонну сырой нефти или за 1 тыс. м3 газа также изменится. Затраты на бурение остаются значительным финансовым риском до тех пор, пока не установлен реальный потенциал разведочной области. Финансовые учреждения в большинстве случаев не дают кредитов на бурение скважин, так как это связано с риском. По этой причине многие компании вынуждены принимать осторожные программы бурения, в которых доходы от первых скважин образуют капитал для бурения последующих.
По-видимому, самым сложным (и часто меняющимся) фактором из вышеперечисленных является государственное регулирование. В США, Канаде и большей части других стран, чтобы пробурить нефтяную или газовую скважину, требуется получение разрешения от соответствующего государственного ведомства (правительственного или относящегося к данному штату). Во многих областях установлены определенные требования к минимальному расстоянию между скважинами. Без специального разрешения не положено бурить скважину до того, как в распоряжении компании не будет находиться определенное количество земли.
Все рассмотренные факторы влияют на процесс разработки месторождений, который далеко выходит за рамки собственно монтажа буровой установки и бурения отверстий в земле. Все они — сочетание крупного бизнеса и значительного риска и участие самых современных научных разработок — и все это действует одновременно, чтобы заставить нефть и газ выйти из-под земли на поверхность.
БУРОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ БУРЕНИЯ
Методы бурения и методы добычи нельзя рассматривать отдельно как две различные категории. Бурение скважин и добыча нефти неразделимы в большей степени, чем две какие-либо операции в технологии нефтяной промышленности. По этой причине мы коротко рассмотрим основы технологии бурения, прежде чем перейдем к методам оценки пласта
.
Типы буровых установок
Наиболее широко распространена наземная буровая установка со складной консольной вышкой. Такую установку собирают на земле, а затем поднимают в вертикальное положение с помощью подъемного механизма буровой лебедки (рис. 5.1). Иногда ее также называют складывающаяся буровая вышка-деррик.
При монтаже такой
буровой установки внешние
Установки для морского бурения выполняют те же функции, однако их конструкция сложнее (рис. 5.2). На мелководье или в болотистой местности применяют баржи. Баржа — это плоскодонное судно с малой осадкой, оборудованное складной буровой вышкой. Самоподъемные буровые установки работают при глубине около 100 м. Такие буровые установки очень прочные, так как стоят на дне. Корпус буровой установки медленно буксируют на нужное место при спокойном море. Далее «ноги» буровой вышки опускают с помощью домкратов, до тех пор пока они не встанут на дно под палубой, и затем продолжают опускать, пока палуба не оказывается поднятой над поверхностью воды (иногда на высоту до 20 м).
Еще один из многих видов морских буровых установок, буровая установка на фиксированной платформе, закрепляется на дне длинными стальными сваями. Такие платформы являются весьма прочными и устойчивыми, но они считаются постоянными сооружениями и практически не поддаются перемещению, в то время как самоподъемные буровые установки можно передвигать с одного места на другое. Полупогружные установки также могут работать в воде на глубине 200—500 м, они столь же устойчивы, но не закреплены на одном месте. К таким прямоугольным плавающим буровым установкам прикреплено несколько вертикальных колонн устойчивости, которые поддерживают палубу, оснащенную буровой вышкой и соответствующим оборудованием. Наконец, наиболее мобильной конструкцией, способной работать на произвольной глубине, является буровое судно, т.е. корабль, специально построенный или модифицированный для бурения в глубокой воде. Динамическое позиционирование оборудования с помощью двигателя с регулируемым шагом позволяет удерживать судно над стволом скважины.
При бурении как на земле, так и в открытом море эффективная система бурения должна обеспечить: 1) способ разрушения и измельчения горной породы, через которую необходимо пройти, чтобы добраться до нефти и газа; 2) способ удаления раздробленного материала из скважины по мере бурения и 3) способ предотвращения обрушения стенок скважины и одновременного перекрывания выхода нефти и газа. Кроме того, в общем случае направление скважины должно быть как можно ближе к вертикальному, скважина должна быть достаточно глубокой, чтобы достичь породы-коллектора, а ее диаметр должен быть достаточно большим, чтобы внутрь можно было опускать необходимые инструменты.
В настоящее время наиболее широко применяются два способа бурения: ударно-канатное и роторное. Хотя роторное бурение используется чаще, а ударно-канатное бурение является более старым способом.
В России и многих других странах широко применяются другие виды бурения с помощью гидравлических, электрических и других двигателей, спущенных на бурильных трубах непосредственно к забою скважин: турбобуры, электробуры, винтовые забойные двигатели и т.д.
. Ударно-канатное бурение
При ударно-канатном способе бурение осуществляется за счет погружения в отверстие проволочного каната или троса, на конце которого находится тяжелое остроконечное изделие из стали — так называемое буровое долото. Движение вверх-вниз задается участку каната, находящемуся на поверхности. За счет возвратно-поступательного перемещения от пласта откалываются небольшие фрагменты (рис. 5.3).
Долото, которое весит несколько сот фунтов, находится в постоянном движении, пока не будет пробурено несколько метров вглубь. Затем канат поднимают с помощью барабана, установленного на поверхности, и после этого долото удаляют. С помощью другого каната, называемого желоночным канатом, в скважину опускают желонку — металлическую трубу с одноходовым откидным клапаном на нижнем конце. Фрагменты пласта, отколотые буровым долотом, собираются в ковш и удаляются из скважины, после чего можно возобновлять бурение.
Ударно-канатное бурение не предполагает использования больших количеств жидкости для циркуляции в скважине. Как правило, единственная жидкость в скважине - это жидкость, которая выделилась из пласта при бурении. Однако присутствие небольшого количества воды желательно; если вода не появляется за счет выделения из пласта, несколько кубометров воды заливают в скважину.
Одним из наиболее важных преимуществ канатного бурения является возможность быстро выявить нефте- и газопродуктивные зоны. Кроме того, его используют для бурения определенных типов пластов, чувствительных к буровым растворам на основе воды. В некоторых типах пластов вода из бурового раствора может вступить в химическую реакцию с глиной, входящей в состав горной породы. Это снижает скорость истечения нефти или газа. Применение канатного способа бурения сводит эту проблему к минимуму благодаря небольшому количеству воды.
Бурение ударно-канатным методом — медленный процесс. В некоторых случаях скорость бурения однотипной породы этим методом в 10 раз ниже, чем скорость роторного бурения. Однако стоимость установки канатного бурения значительно ниже, чем установки роторного бурения, что может частично скомпенсировать низкую скорость.
В случае обнаружения нефте- или газоносного пласта высокого давления отсутствие в скважине жидкости, необходимой для регулирования их истечения, оказывается очевидным недостатком ударно-канатного бурения. Во многих случаях это может привести к выбросу нефти из скважины. При выбросе нефть и газ из подповерхностного пласта устремляются к поверхности и бесконтрольно вытекают из скважины. При выбросе фонтан нефти и газа может подняться более чем на 100 м над землей, при этом всегда возникает значительная опасность пожара.
Вследствие низкой скорости бурения и опасности выброса ударно-канатный метод редко используют при бурении скважин глубиной более 1000 м. Но и для менее глубоких скважин этот способ тоже в значительной мере уступил место роторному бурению.
Роторное бурение
Роторное бурение значительно отличается от канатного. При роторном бурении буровое долото, используемое для разбивки пласта, прикрепляется к стальной трубе, называемой бурильной трубой. При этом долото опускают до дна скважины. Труба вращается с поверхности с помощью бурового стола, через который проходит квадратный или шестиугольный участок трубы, так называемая ведущая бурильная труба. Соединяясь на поверхности с бурильной трубой, ведущая труба проходит через буровой стол, вращение которого передается на нее, что, в свою очередь, вращает бурильную трубу и буровое долото в скважине.
Обычная процедура бурения является непрерывной и включает последовательное наращивание бурильной колонны навинчиванием или добавлением отдельных звеньев, обычно длиной 10 или 15 м. Бурение продолжается до тех пор, пока не возникает необходимость сменить буровое долото — вследствие либо его износа, либо проникновения в пласт, для которого данное долото не вполне пригодно. Операции по замене бурового долота называются спуско-подъемными операциями. Последовательность операций, включающая выход из скважины, замену долота и возвращение в скважину, называется рейсом.
Роторное бурение производится тремя основными типами бурового долота: 1) долото режущего типа (рыбий хвост), 2) шарошечное долото (оно называется также «долото для твердых пород»), 3) алмазное долото. Большая часть буровых наконечников относится к типу «долото для твердых пород», которые могут иметь разный вид для прохождения различных типов пород.
Буровая установка состоит из большого числа деталей, каждая из которых выполняет свою функцию. Основными частями буровой установки являются:
1) мачтовая вышка;
2) буровая лебедка;
3) двигатели;
4) система промывки буровым раствором;
5) бурильная колонна (рис. 5.4).
Мачтовая вышка или деррик — это структура, которую устанавливают над скважиной для осуществления спуска и подъема бурильной трубы и оборудования.
Буровая лебедка служит в качестве подъемного оборудования.
Двигатели приводят в действие насосы для бурового раствора и лебедку, а также производят электроэнергию.
Система промывки буровым раствором состоит из насосов, резервуаров, трубопровода и шланга для циркуляции бурового раствора.
Бурильной колонной - называется вся вращающаяся конструкция, которая состоит из ведущей трубы, бурильной трубы, воротника бура и бурового долота.
Буровой шлам — фрагменты пласта, отделенные буровым долотом, — непрерывно удаляется из нижней части скважины за счет циркуляции бурового раствора (промывочной жидкости). Буровой раствор проходит вниз внутри бурильной трубы, а затем возвращается на поверхность снаружи трубы — это его основная функция. Кроме того, буровой раствор выполняет и другие важные задачи, в число которых входит охлаждение и смазка долота, образование глинистой корки на стенках скважины, что придает скважине большую прочность; создаваемое гидростатическое давление препятствует попаданию соленой воды, нефти и газа в ствол скважины, что помогает предотвратить выбросы.
Буровые растворы
И так мы с вами усвоили, что при канатном бурении в качестве бурового раствора используют только небольшое количество воды. Однако при роторном бурении буровой раствор является очень важным компонентом процесса.
Наиболее широко распространенный тип бурового раствора — это суспензия глины в обычной свежей воде. Тонкоизмельченную глину (которая называется бентонит или гель) смешивают с водой, в результате образуется сравнительно мягкая однородная смесь. Во многих случаях к глиноводной смеси добавляют химические вещества для улучшения ее свойств.
Важным компонентом буровых растворов является утяжелитель, для этой цели чаще всего используется барит. Утяжелитель повышает плотность бурового раствора, что дает ему возможность противодействовать высокому давлению нефти, газа или соленой воды. Для решения определенных проблем, возникающих при бурении, используют специальные виды глиноводных буровых растворов.
Другим типом промывочной жидкости, который также применяется довольно часто, является буровой раствор на углеводородной основе (в виде масляной эмульсии). Растворы на углеводородной основе используют, когда водные растворы могут повредить пласт. Такие буровые растворы дороже, чем водные суспензии.
В качестве буровых растворов все более широко применяются воздух или газ. В некоторых случаях воздух и газ могут иметь значительные преимущества перед буровыми растворами как на водной, так и на углеводородной основе. Одно из них состоит в том, что воздух или газ не могут повредить пласт, как часто происходит в случае растворов на воде. Еще одним преимуществом газа или воздуха является значительно более высокая скорость прохождения по сравнению с другими буровыми растворами.