Нефтегазовые скважины. Очистка буровых растворов. Задачи и цели бурения под нефть и газ

Общая схема бурения

Для бурения нефтяных и газовых скважин применяетсяисключительно вращательный метод. При этом методе скважина как бы высверливается вращающимся долотом. Разбуренные частицы породы выносятся на поверхность циркулирующей струей промывочной жидкости. В зависимости от местонахождениядвигателя вращательное бурение разделяют на роторное , когда двигатель находится на поверхности и приводит во вращение долото на забое через вращение всей колонны бурильных труб и бурение с забойным двигателем (с помощью турбины или электробура) когда двигатель располагается близко от забоя скважины над долотом.

Процесс бурения состоит из следующих операций:

спускоподъемных работ (спуск бурильных труб с долотом в скважину до забоя и подъем их с отработанным долотом) и собственно бурения – работы долота на забое (разрушения породы долотом).

Эти операции периодически прерываются для спуска обсадных труб в скважину, используемых для предохранения стенок скважины от обвалов и разобщения нефтяных горизонтов.

Одновременно в процессе бурения выполняется ряд вспомогательных работ; отбор керна, приготовление бурового раствора, каротаж, замеры кривизны скважины, испытание или освоение скважины с целью вызова притока нефти и т.д.

Полный цикл строительства скважины состоит из следующихпроцессов:

1). Монтажа вышки, бурового оборудования, обустройства площадки.

2). Процесса бурения.

4). Вскрытия и разобщения пластов (спуска обсадной колонны и ее цементирования).

5).Испытания скважины на приток нефти или газа (освоения).

6). Демонтажа оборудования

Общая, принципиальная схема размещения бурового оборудования на скважине приведена на рис. № 1.

Буровое оборудование

Буровые вышки.

Буровая вышка предназначена для подъема и спуска буровой колонны и обсадных труб в скважину, удержания бурильной колонны на весу во время бурения, а также для размещения в ней талевой системы, бурильных труб и части оборудования, необходимого для осуществления процесса бурения.

При бурении на нефть и газ используются металлические вышки башенного и мачтового типов. Мачтовые вышки применяются чаще, чем башенные. Они легче и быстрее устанавливаются, зато башенные вышки более грузоподъемные и более высокие. Башенные чаще применяются на глубоких разведочных скважинах, а мачтовые – на эксплуатационном бурении.

Буровые вышки бывают различными по грузоподъемности и по высоте. Практикой установлено, что при бурении скважин до глубины 1200-1300м целесообразно применять вышки высотой 28м, скважин глубиной 133-3500м – высотой 41-42м, скважин глубиной свыше 3500м – высотой 53м и более.

В настоящее время широко применяются А-образные вышки мачтового типа (см. рис.№1). Состоят они из двух колонн, соединенных сверху у кронблока связями и прикрепленных внизу к опорным шарнирам. На определенном расстоянии от шарниров вышка имеет жесткие опоры – подкосы.

Буровые лебедки

Буровая лебедка предназначена для спуска и подъема бурильной колонны, свинчивания и развинчивания труб, спуска обсадных колонн, удерживания на весу неподвижной колонны или медленного ее опускания (подачи) в процессе бурения.

В ряде случаев буровая лебедка используется для передачи мощности от двигателя к ротору, подтаскивания грузов и других вспомогательных работ.

Буровые лебедки выпускаются различных типов, отличных друг от друга кинематическими схемами и конструктивным оформлением.

Талевые системы

Талевая (полиспастовая) система буровых установок предназначена для преобразования вращательного движения барабана лебедки в поступательное (вертикальное) перемещение крюка и уменьшения нагрузки на ветви каната.

Через канатные шкивы кронблока и талевого блока в определенном порядке пропускается стальной талевый канат, один конец которого («мертвый») крепится к рамному брусу вышки, а другой, называемый ходовым (ведущим), -- к барабану лебедки.

По грузоподъемности и числу ветвей каната в оснастке талевые системы разделяют та различные типоразмеры. В буровых установках грузоподъемностью 50-75т применяют талевую систему с числом шкивов 2 \3 и 3\4; в установках с грузоподъемностью 100-300т – талевую систему с числом шкивов 3\4, 4\5, 5\6 и 6\7. В обозначении системы оснастки первая цифра показывает число канатных шкивов талевого блока, а вторая – число канатных шкивов кронблока.

Кронблок представляет собой раму, на которой смонтированы оси и опоры со шкивами. Иногда рама выполняется как одно целое с верхней частью вышки.

Талевый блок представляет собой сварной корпус, в котором помещаются шкивы и подшипниковые узлы. как и в кронблоках.

Талевые канаты представляют собой стальные круглые, шести рядные канаты тросовой конструкции крестовой свивки. Пряди, свиваемые в канат вокруг органического или металлического сердечника, изготавливаются из высокоуглеродистой и высокомарганцовистой стали высокой прочности с числом проволок от 19 до 37. Учитывая место крепления ходового конца каната в направлении его навивки на барабан, для буровых лебедок применяют талевые канаты правой свивки диаметрами 25, 28, 32, 35, 38 мм. Наиболее распространены канаты с органическим и пластмассовым сердечником диаметрами 28 и 32 мм. При глубинах более 4000м применяют канаты с металлическим сердечником, обладающие повышенным разрывным усилием и высокой поперечной жесткостью, благодаря которой возрастает их сопротивляемость раздавливанию.

Буровые крюки и крюкоблоки предназначены для подвешивания на них в процессе бурения бурильного инструмента и элеваторов при спускоподъемных операциях.

Крюкоблоки (крюки, соединенные с талевым блоком) имеют ряд преимуществ: меньшую общую высоту, чем у талевого блока и крюка, вместе взятых, более компактную конструкцию. К недостаткам следует отнести большую их массу.

Крюки бывают грузоподъемностью 75, 130, 200,225т (соответственно допускающие кратковременную, максимальную грузоподъемность –110, 160, 250 и 300т).

Номинальная грузоподъемность крюкоблоков – 75, 125 и 200т (максимальная грузоподъемность – 100, 160 и 250т).

Штропы бурильные – это звенья, соединяющие крюк с элеватором, на котором подвешивается бурильный инструмент или колонна обсадных труб. Грузоподъемность штропов – 25,50,75,125,200 и 300т. Штропы грузоподъемностью 25, 50 и 75т предназначены для ремонта скважин, но могут быть использованы и для буровых установок соответствующей грузоподъемности

Механизмы и инструмент, применяемые для производства спускоподъемных операций

Подъем и спуск бурильных труб с целью замены отработанного долота состоит из одних и тех же многократно повторяемых операций. Для производства спускоподъемных операций применяется специальное оборудование и инструмент. К ним относятся: элеватор, клинья, круговой ключ, машинные ключи («спайдеры»), автоматический буровой ключ (АБК), пневматический роторный клиновой захват (ПКР).

Элеватор, предназначен для захвата и удержания на весу колонны бурильных или обсадных труб при спускоподъемных операциях. Применяют элеваторы различных типов, отличающиеся размерами в зависимости от диаметра бурильных или обсадных труб, грузоподъемностью, конструктивным исполнением и материалом для их изготовления.

Клинья для бурильных труб используются для подвешивания бурового инструмента в столе ротора. Они вкладываются в конусное отверстие между трубой и вкладышами ротора. Применение клиньев ускоряет работы по спускоподъемным операциям. Клинья для обсадных труб применяют для спуска тяжелых обсадных колонн. Клинья устанавливают на специальных подкладках над устьем скважины. Пневматический роторный клиновой захват (ПКР ), встроен в ротор и предназначен для подъема и опускания клиньев.

Для свинчивания и развинчивания бурильных и обсадных труб применяют различные ключи. Одни из них предназначаются для свинчивания, а другие для крепления и открепления резьбовых соединений колонны. Обычно легкиекруговые ключи для предварительного свинчивания труб рассчитаны на замки одного диаметра, а тяжелые машинные ключи для крепления и открепления резьбовых соединений – на два, а иногда и более размеров бурильных труб и замков. Операция крепления и открепления резьбовых соединений осуществляется двумя машинными ключами: один ключ (задерживающий) – неподвижный, а второй – (завинчивающий или открепляющий) – подвижный. Ключи подвешиваются в горизонтальном положении и прикрепляются к стальным канатам для облегчения их перемещения. Работы по спуску и подъему значительно облегчаются при использовании автоматическогобурового ключа АКБ , устанавливаемого между лебедкой и ротором (рис№ 2).Во избежание проскальзывания ключа в челюсти вставляют сухари, имеющие насечку.

Оборудование для проходки скважины.

При бурении вращательным способом необходимо, чтобы разрушающему инструменту (долоту) передавались вращательное движение и нагрузка, обеспечивающая достаточный нажим на разрушаемый интервал. Кроме того, необходимы условия для удаления разрушенных частиц вещества (породы). Поэтому скважина оборудуется ротором, вертлюгом с буровым шлангом, буровыми насосами и колонной бурильных труб. Если долота вращаются не с поверхности земли (ротором), а непосредственно на забое, кроме перечисленного оборудования, используют турбобуры или электробуры.

Ротор

Роторы (рис. 2,3)предназначены для передачи вращательного движения колонне бурильных труб в процессе бурения, поддерживая ее на весу при спуско-подъемных операциях и вспомогательных работах. Ротор – это редуктор, передающий вращение вертикально подвешенной колонне бурильных труб от горизонтального вала трансмиссионной передачи. Частоту вращения ротора можно изменить при помощи передаточных механизмов лебедки или же путем замены цепных колес.

По назначению буровые долота классифицируются на три группы:

1). Долота, разрушающие горную породу сплошным забоем.

2). Долота, разрушающие горную породу кольцевым забоем (колонковые долота).

3). Долота для специальных целей (пикообразные, зарезные, расширители, фрезеры и др.).

Как для сплошного, так и для колонкового бурения созданы долота, позволяющие разрушать горную породу по любому из перечисленных четырех принципов действия. Это облегчает подбор типа долота в соответствии с физико-механическими свойствами данной горной породы.

В процессе бурения разведочной, а иногда и эксплуатационной скважины периодически отбираются породы в виде нетронутых целиков (кернов) для составления стратиграфического разреза, изучения литологической характеристики пройденных пород, выявления содержания нефти или газа в порах проходимых пород и т. д.

Для извлечения на поверхность керна применяют специальные долота, называемые колонковыми . При бурении керн входит внутрь такого долота и в нужный момент поднимается на поверхность.

Выпускаются колонковые долота двух типов – со съемной грунтоноской и без съемной грунтоноски. При бурении колонковыми долотами без съемной грунтоноски для подъема керна на поверхность приходится поднимать всю бурильную колонну. При работе же колонковыми долотами со съемной грунтоноской, последнюю, при помощи специального каната, маленькой вспомогательной лебедки и ловителя, извлекают на поверхность без подъема труб.

Бурильная колонна

Бурильная колонна состоит из ведущей трубы, бурильных труб, бурильных замков, переводников, утяжеленных бурильных труб, центраторов бурильной колонны.

Предназначена она для следующих целей:

1) передачи вращения от ротора к долоту (при роторном бурении);

2) подвода промывочной жидкости к турбобуру (при турбинном бурении), к долоту и забою (при всех способах бурения);

3) создания нагрузки на долото;

4) подъема и спуска долота, турбобура, электробура;

5) проведения вспомогательных работ (расширение и промывка скважины, ловильные работы, проверка глубины скважины и т. д.).

Ведущая труба (рис.№ 3) имеет в большинстве случаев квадратное сечение. Вращающий момент от ротора передается ведущей трубе через вкладыши, вставляемые в ротор. Для каждого размера трубы применяются соответствующие вкладыши, позволяющие ей свободно перемещаться вдоль оси скважины.

Так как на практикенаиболее распространена вышка высотой 41м, позволяющая иметь свечи длиной около 25м, бурильные трубы изготовляют длиной 6,8 и 11,5м. Поэтому свеча может быть собрана из четырех труб длиной 6м каждая, трех труб длиной 8м каждая или двух труб длиной 11,5м.

При сборке свечи из трех бурильных труб длиной 8м применяют две соединительные муфты или одну соединительную муфту и один замок. Две бурильные трубы длиной 11,5м соединяют при помощи бурильных замков. Собранные свечи свинчивают также с использованием бурильных замков.

Утяжеленные бурильные трубы устанавливают над долотом (турбобуром, электробуром) в целях увеличения жесткости нижней части бурильной колонны. Их применение позволяет создать нагрузку на долото коротким комплектом соединенных между собой толстостенных труб, что улучшает условия работы бурильной колонны.

Переводники предназначены для соединения элементов бурильной колонны, имеющих различные типы и размеры резьбы.

Легкосплавные бурильные трубы применяют для уменьшения веса бурильной колонны. Свинчиваются они при помощи бурильных замков особой конструкции. Применение легкосплавных бурильных труб позволило уменьшить массу колонн примерно в 2 раза.

Эксплуатационная колонна.

В настоящее время наиболее распространены эксплуатационные колонны диаметрами 127, 146 и 168 мм.

Для успешного спуска обсадной колонны до намеченной глубины, а также последующего цементирования скважины низ обсадной колонны специально оборудуют некоторыми деталями (рис. № 13):направляющей пробкой 1, башмаком 2, башмачным патрубком 3, обратным клапаном 4.

Направляющая пробка, изготавливаемая из дерева, цемента или чугуна,

На устье бурящейся скважины, в которой возможны выбросы, устанавливают противовыбросовое оборудование, состоящее из превентора того или иного типа (плашечный, универсальный, вращающийся), аппаратуры для дистанционного и ручного управления им, системы трубопроводов обвязки с задвижками или кранами высокого давления.

Универсальный превентор (рис.№15) герметично закрывает устье скважины при наличии труб различного диаметра и вида.

Тампонаж (цементирование) скважин.

Цель тампонажа скважин – получение прочного, расположенного в затрубном пространстве кольца тампонирующего вещества, которое по всей высоте должно обеспечить разобщение и изоляцию вскрытых скважиной продуктивных горизонтов и зон осложнений (рис. № 12).

В зависимости от особенностей геологического разреза и условий бурения для приготовления тампонажного раствора используются утяжеленные цементы (при плотности промывочной жидкости до 2,2 г/см 3), волокнистые цементы (для уменьшения глубины проникновения цементного раствора в высокопроницаемые пласты), гель цементы (для тампонажа зон поглощения промывочной жидкости) и др.

Тампонажные агрегаты предназначены для подготовки (если не используется смесительная машина) и закачки тампонажного раствора в скважину и для продавки его в затрубное пространство. Эти агрегаты используют также для опрессовки обсадных колонн и при других вспомогательных работах.

Смесительная машина предназначена для приготовления растворов из порошковых материалов.

Тампонажные головки предназначены для нагнетания тампонажного и продавочного растворов в процессе тампонажа, а также промывочного раствора при промывке скважины в процессе спуска колонны и других технических операций.

Заливочные пробки применяют для проведения тампонажа скважины. Верхняя пробка предназначена для недопущения проникновения промывочной жидкости в тампонажный раствор при продавке последнего в затрубное пространство и контроля за правильностью закачки его в затрубное пространство, а нижняя – для очистки внутренней поверхности обсадной колонны от остатков тампонажного раствора.

При бурении скважин применяют преимущественно одноступенчатый тампонаж обсадных колонн.

Сущность этого способа заключается в следующем. После спуска обсадной колонны на верхнюю часть ее навинчивают тампонажную головку, скважину промывают, а затем закачивают расчетное количество тампонажного раствора.

Далее в тампонажной головке освобождают самоуплотняющуюся резиновую пробку и сверху закачивают продавочный раствор. Как только пробка сядет на упорное кольцо, в колонне резко повышается давление. Скачок стрелки манометра будет указывать на то, что тампонажный раствор полностью вытиснился из колонны в затрубное пространство, т.е. на окончание процесса тампонажа.

При тампонаже в глубоких скважинах приходится прокачивать довольно большой объем тампонажного раствора и продавочной жидкости за весьма ограниченное время, определяемое сроком начала схватывания цементного раствора. В таких условиях применяют двухступенчатое цементирование: тампонажный растворзакачивается в колонну и продавливается в затрубное пространство двумя порциями. Первая порция продавливается за колонну через башмак, а вторая – через отверстия в заливочной муфте, установленной в обсадной колонне на значительном расстоянии от башмака.

После проведения тампонажа в скважине верхние концы обсадных колонн обвязывают колонной головкой, которую присоединяют непосредственно к обсадной трубе.

Цементированием колонны заканчиваютсяосновные операции процесса строительства скважины. Далее следуют освоение и эксплуатация скважины. Монтаж и демонтаж бурового оборудования, технологический контроль и геофизические исследования в скважине, перфорация колонн, испытания пластов и вызов притока, ремонты скважин и ликвидация аварий при бурении в данном справочно-методическом пособии не рассматриваются.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Ю.В. ВАДЕЦКИЙ

БУРЕНИЕ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Учебник

Допущено

Министерством образования Российской Федерации

в качестве учебника для образовательных учреждений

начального профессионального образования

Москва

ACADEMA

2009

УДК 622.23/.24 ББК33.131 В12

Автор выражает глубокую благодарность

ст. научному сотруднику ОАО «ВНИИОЭНГ» В.А.Ершовой

за помощь при подготовке рукописи к изданию

Рецензент --

главный научный сотрудник Института проблем нефти и газа РАН В. И. Игревский

Вадецкий Ю. В.

В12 Бурение нефтяных и газовых скважин: Учебник для нач. проф. образования/ Юрий Вячеславович Вадецкий. -- М.: Издательский центр «Академия», 2003. -- 352с. ISBN 5-7695-1119-2

В учебнике даются краткие сведения из общей и нефтепромысловой геологии. Описываются принципы разработки нефтяных и газовых месторождений, а также способы эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Приводятся данные о буровых установках и методах их сооружения.

Для учащихся начальных профессиональных учебных заведений.

УДК 622.23/.24 ББК33.131

© Вадецкий Ю.В., 2003

© Образовательно-издательский центр «Академия», 2003 ISBN 5-7695-1119-2

© Оформление. Издательский центр «Академия», 2003

Введение

Глава 1 Краткие сведения из общей и нефтепромысловой геологии

1.1. Основные понятия о строении и составе земной коры

1.2. Складкообразование и типы складок

1.3. Основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс их разрушения при строительстве скважин

1.4. Образование нефти и нефтяной залежи

1.5. Поиски, разведка и разработка месторождений

Глава 2 Общие сведения о бурении скважин и оборудовании, применяемом для осуществления этого процесса

2.1. Понятие а буровой скважине, классификация и назначение скважин

2.2. Технологическая схема бурения скважин вращательным способом

2.3. Цикл строительства скважин. Баланс календарного времени и понятие о скорости бурения

2.4. Буровые установки глубокого бурения

2.5. Буровые вышки и оборудование для спуска и подъема бурильной колонны

2.6. Оборудование и инструмент для бурения скважин

2.7. Общие мероприятия по охране природы и окружающей среды при строительстве скважин

2.8. Схемы расположения наземных сооружений и оборудования

2.9. Подготовительные работы к бурению скважины

Глава 3 Породоразрушающий инструмент

3.1. Назначение и классификация породоразрушающего инструмента

3.2. Лопастные долота для сплошного разбуривания забоя

3.3. Шарошечные долота для сплошного разбуривания забоя

3.4. Алмазные долота и долота, армированные синтетическими поликристаллическими алмазными вставками

3.5. Снаряды для колонкового бурения (керноприемные устройства) и бурильные головки к ним

3.6. Долота для специальных целей

Глава 4 Бурильная колонна

4.1. Общие положения

4.2. Конструкция элементов бурильной колонны

4.3. Условия работы колонн бурильных труб

4.4. Комплектование и эксплуатация бурильной колонны

Глава 5 Технология промывки скважин и буровые растворы

5.1. Общие положения

5.2. Буровые растворы на водной основе

5.3. Использование воды в качестве промывочной жидкости

5.4. Буровые растворы на нефтяной основе (рно)

5.5. Бурение скважин с очисткой забоя воздухом или газом. Аэрированные промывочные жидкости и пены

5.6. Оборудование для приготовления и очистки буровых растворов

5.7. Выбор типа бурового раствора

5.8. Формы организации глинохозяйства

Глава 6 Осложнения в процессе бурения скважин

6.1. Общие положения

6.2. Осложнения, вызывающие нарушение целостности стенок скважины

6.3. Предупреждение и борьба с поглощениями бурового раствора

6.4. Предупреждение газовых, нефтяных и водяных проявлений и борьба с ними

6.5. Особенности проводки скважин в условиях сероводородной агрессии

6.6. Осложнения при бурении скважин в многолетнемерзлых породах

Глава 7 Режим бурения

7.1. Общие положения

7.2. Влияние параметров режима бурения на количественные и качественные показатели бурения

7.3. Выбор способа бурения

7.4. Особенности режима бурения роторным способом

7.5. Особенности режима бурения турбинным способом

7.6. Особенности режима бурения винтовыми (объемными) забойными двигателями

7.7. Особенности режима бурения электробурами

7.8. Особенности режима бурения алмазными долотами

7.9. Контроль за параметрами режима бурения

7.10. Подача инструмента

Глава 8 Искривление скважин и бурение наклонных скважин

8.1. Борьба с искривлением вертикальных скважин

8.2. Бурение наклонно-направленных скважин

8.3. Кустовое бурение скважин

8.4. Бурение многозабойных (многоствольных), горизонтально разветвленных и горизонтальных скважин

Глава 9 Вскрытие и опробование продуктивных горизонтов (пластов) в процессе бурения скважин

9.1. Вскрытие продуктивных горизонтов (пластов)

9.2. Опробование и испытание продуктивных горизонтов (пластов) в процессе бурения

Глава 10 Крепление скважин

10.1. Общие положения

10.2. Конструкция скважин

10.3. Обсадные трубы

10.4. Устройства и приспособления для оснащения обсадных колонн

10.5. Спуск обсадной колонны в скважину

10.6. Цементирование скважин

10.7. Тампонажные материалы и оборудование для цементирования скважин

10.8. Подготовительные работы и процесс цементирования

10.9. Заключительные работы и проверка результатов цементирования

Глава 11 Освоение и испытание скважин

11.1. Вскрытие продуктивных горизонтов (пластов) после спуска и цементирования эксплуатационной колонны

11.2. Освоение и испытание продуктивных горизонтов (пластов) после спуска и цементирования эксплуатационной колонны

Глава 12 Аварии в бурении

12.1. Виды аварий, их причины и меры предупреждения

12.2. Ликвидация прихватов

12.4. Организация работ при аварии

Глава 13 Особенности бурения скважин на море

13.1. Общие положения

13.2. Подводное устьевое оборудование

13.3. Некоторые особенности бурения морских нефтяных и газовых скважин

13.4. Обслуживание работ в море

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Бурение нефтяных или газовых скважин является сложным, а в ряде случаев и опасным процессом. Бурение нефтяных или газовых скважин может быть успешно осуществлено только при обязательном соблюдении ряда правил и положений. Таких правил и положений достаточно много, и все они изложены в данном учебнике, но среди этого многообразия есть главные (их всего семь), которые следует запомнить и обязательно выполнять. Их выполнение гарантирует успех.

Основные положения, гарантирующие успешную проводку скважины.

1. Все члены буровой бригады, особенно бурильщики, должны хорошо знать геолого-технический наряд (ГТН), особенности бурения в данном районе, геологический разрез (интервалы) скважины. Особое внимание должно быть обращено на интервалы, где возможны осложнения. При подходе к таким интервалам принимаются необходимые меры предосторожности.

2. Коллектив буровой бригады, особенно его основного звена -- вахты, должен быть дружным и спаянным. Если в состав вахты входит человек, по каким-либо причинам не совместимый с остальными членами коллектива, его лучше перевести в другую вахту, бригаду.

Процесс бурения не всегда спокойный и безобидный, возможны экстремальные ситуации (аварии, газовые выбросы, пожары и т.д.), при которых от буровой бригады (вахты) требуются мастерство, хладнокровие, мужество и самоотверженность. В этих условиях взаимоотношения между членами бригады могут играть решающую роль.

3. Все члены буровой бригады, особенно бурильщики, должны быть профессионалами своего дела. Профессионализм в бурении достигается постоянными тренировками и повышением своей квалификации.

4. Процесс бурения в значительной мере консервативен. Он состоит из последовательности операций, нередко повторяющихся, которые обязательно производятся в определенном порядке. Отступление от этого правила в большинстве случаев приводит к осложнениям или авариям. В этом отношении буровую вахту можно сравнить с экипажем самолета, когда малейшее отступление от правил приводит к катастрофе.

5. Все члены коллектива обязаны соблюдать дисциплину в процессе строительства скважины. Малейшая расхлябанность, появление на работе в нетрезвом состоянии или после бурно проведенного накануне дня чревато серьезными последствиями. Потеря или притупление бдительности часто приводит к несчастным случаям, в том числе и со смертельным исходом. Каждое отступление от общепринятых норм не должно оставаться незамеченным.

6. Каждый член буровой бригады должен неукоснительно соблюдать правила техники безопасности, уметь оказать первую медицинскую помощь пострадавшему, твердо знать свои обязанности при газовом выбросе, пожаре и других экстремальных ситуациях. Задача бурового мастера -- постоянно проводить учения и довести действия членов буровой бригады в этих ситуациях до полного автоматизма.

7. Каждый член буровой бригады должен выполнять только то, что ему предписано должностной инструкцией. Все остальные действия выполняются только по распоряжению бурового мастера (бурильщика).

Краткие сведения из истории развития техники и технологии буровых работ. Трудно установить, в каком тысячелетии до нашей эры человек впервые стал использовать нефть, но очевидно, что это произошло в очень древние времена. В первое время нефть использовалась как лечебное средство против самых разнообразных болезней: проказы, воспаления глаз и др. Большое значение в древности нефть имела и как осветительный материал.

При рабовладельческом строе область применения нефти и естественного битума значительно расширилась. Их использовали уже не только как лечебное средство и осветительный материал, но и для строительных целей. При сооружении стен битум широко употреблялся в смеси с обоженным кирпичом и галькой. Расширение сферы применения нефти в эпоху рабовладельческого строя вызвало усовершенствование техники ее добычи. Используемый ранее способ собирания нефти в местах ее выхода на поверхность земли уже не мог обеспечить потребностей в ней. Возник ямный (или копаночный) способ добычи нефти. Копанки представляли собой неглубокие ямы (до 2 м глубиной), в которые вставлялся плетень для предохранения стенок от обвала. На дне копанки скапливалась нефть, просачивавшаяся через почву. Нефть из копанок вычерпывалась периодически, по мере ее накопления.

Великие географические открытия и расцвет торговых отношений при феодальном строе значительно способствовали росту ряда отраслей промышленности, в том числе и нефтяной. Увеличившийся спрос на нефть привел к разработке новой техники ее добычи. Старый ямный (копаночный) способ уже не мог обеспечить потребности нового общества в нефти. Появился колодезный способ добычи нефти, который был совершеннее и выгоднее ямного (копаночного), так как позволял эксплуатировать более глубокие продуктивные пласты и увеличить добычу нефти.

Отмена крепостного права устранила препятствия на пути промышленного развития феодально-крепостнической России. Значительно возросла в этот период роль нефтяной промышленности в общем индустриальном развитии страны. Для заводов, фабрик, железнодорожного и водного транспорта было необходимо топливо, в первую очередь -- уголь и нефть. Колодезный способ уже не мог удовлетворять потребности общества с новым хозяйственным и политическим укладом. Нужен был более совершенный метод разрушения горных пород, а вместе с ним и новый способ подъема нефти на поверхность земли. Таким методом явилось бурение скважин.

Считается, что первую коммерческую нефтяную скважину в 1859 г. в штате Пенсильвания (США) пробурил Эдвин Дрейк. Примерно в то же время началось бурение скважин и в России. Первые нефтяные скважины бурились малопроизводительным ручным штанговым вращательным способом. Вскоре перешли к бурению нефтяных скважин ручным штанговым ударным способом, применявшимся издавна при бурении скважин на рассолы и воду.

Способ бурения на железных штангах при помощи свободно падающего инструмента (ударно-штанговый) получил широкое распространение на нефтяных промыслах Азербайджана. Ударно-канатный способ бурения получил распространение в Грозненском нефтяном районе.

Переход от ручного способа бурения скважин к механическому привел к необходимости решения ряда вопросов механизации буровых работ. Крупный вклад в это дело внесли русские горные инженеры Г. Д. Романовский (1825--1906) и С. Г. Воислав (1850-- 1904). По мере возрастания глубины нефтяных скважин, которая к 1900 г. дошла примерно до 300 м, все заметнее ощущались недостатки ударного способа бурения.

Разбуривание глубоко залегающих нефтяных пластов потребовало совершенствования техники бурения скважин. При ударном бурении долото в 1 мин. делало от 26 до 40 падений и через каждые 2 ч надо было поднимать бурильный инструмент для очистки забоя от разбуренной породы. Стенки скважины разрушались, поэтому приходилось крепить их 12... 14 колоннами. На это расходовали огромное количество металла -- свыше 0,5 т на каждый метр проходки. Скорость же проходки при ударном бурении была незначительна. В дореволюционное время в штанговом бурении она составляла не более 34,6 м/ст.-мес (метр на станок-месяц) при средней глубине скважин 300...400 м, а в Грозном достигала 90 м/ст.-мес при средней глубине скважин 600 м. На смену ударному способу пришло вращательное бурение, в результате чего были устранены указанные недостатки. При вращательном бурении одновременно производятся и проходка скважин, и вынос на поверхность разбуренной породы при помощи бурового раствора (вынос выбуренной породы циркулирующим потоком воды изобрел в 1848 г. французский инженер Фовелль). С 1901 г., когда впервые в США было применено роторное бурение с промывкой забоя циркулирующим потоком жидкости, начался период развития и совершенствования вращательного способа бурения. В России роторным способом первая скважина глубиной 345 м была пробурена в 1902 г. в Грозненском районе.

Одной из труднейших проблем, возникавших при бурении скважин, особенно при роторном способе, была проблема герметизации затрубного пространства между обсадными трубами и стенками скважины. Решил эту проблему русский инженер А. А. Богушевский, запатентовавший в 1906 г. способ закачки цементного раствора в обсадную колонну с последующим вытеснением его через низ (башмак) обсадной колонны в затрубное пространство. Способ Богушевского получил быстрое распространение не только в России, но и за рубежом. Однако это не помешало американскому инженеру Перкинсу в 1918 г. получить патент на способ цементирования скважин, повторяющий изобретение инженера А.А. Богушевского.

Наряду с успешным решением практических задач техники бурения ученые и инженеры нашего отечества много внимания уделяли вопросам разработки теории. Большую роль в развитии нефтяной техники сыграл «Горный журнал», издававшийся с 1825 г. В журнале печатались работы крупнейших специалистов-нефтяников того времени: Г.Д.Романовского, С.Гулишамбарова, А.Васильева, Н.А.Соколовского, И.А.Тиме и др. С 1899 г. в Баку начал издаваться журнал «Нефтяное дело».

В 1904--1911 гг. вышел в свет четырехтомный классический труд одного из крупнейших русских горных инженеров И. Н. Глушкова «Руководство к бурению скважин», который долгое время был настольной книгой всех нефтяников.

В годы Первой мировой и последующей за ней гражданской войны русская нефтяная промышленность пришла в состояние упадка. Восстановление нефтяной промышленности началось немедленно после освобождения нефтяных районов от интервентов и белогвардейцев.

С 1924 г. в нефтяной промышленности СССР началась техническая реконструкция бурения скважин. Важнейшими путями этой реконструкции были следующие:

замена ударного бурения вращательным;

использование вместо паровой электрической энергии -- наиболее дешевой.

В годы довоенных пятилеток нефтяная и газовая промышленность развивалась форсированными темпами. С 1928 по 1940 г. добыча нефти возросла с 11625 тыс. т до 31121 тыс. т, а проходка скважин на нефть и газ с 362 тыс. м до 1947 тыс. м.

В годы Великой Отечественной войны буровики-нефтяники проявили образцы героизма в труде, организуя в трудных условиях военного времени разведку и добычу нефти и газа в восточных районах страны. Этот период характеризуется увеличением доли проходки в разведочном бурении с 23 % от общей проходки в 1940 г. до 42 % в 1945 г., причем доля восточных районов в общей проходке по СССР с 21,8 % в 1940 г. возросла до 52,5 % в 1944 г. и 45 % в 1945 г.

Пути развития бурения нефтяных и газовых скважин в СССР во многом определил изобретенный в 1923 г. М. А. Капелюшниковым, С. М. Волохом и Н. А. Корнеевым гидравлический забойный двигатель -- турбобур.

В 1923 г. в Азербайджане была пробурена первая в мире скважина с помощью одноступенчатого турбобура, получившего название турбобура Капелюшникова. Турбобуры Капелюшникова не нашли широкого применения, так как при одноступенчатой турбине жидкость протекала по ее лопаткам со скоростью 50... 70 м/с. Такая высокая скорость движения жидкости, несущей абразивные частицы разбуриваемых пород, приводила к исключительно быстрой сработке лопаток турбины. Кроме того, турбобур Капелюшникова имел очень небольшую мощность и низкий КПД (29... 30 %). Мощность турбобуров Капелюшникова составляла всего лишь 3,5...11,0 кВт.

В 1934 г. группа инженеров во главе с П. П. Шумиловым предложила новый турбобур, принципиально отличавшийся от турбобура Капелюшникова. В нем была предусмотрена специально разработанная многоступенчатая турбина, число ступеней в которой доходило до 100... 150 шт. Это позволило увеличить мощность турбобура и снизить скорость вращения турбины до 8,3... 11,7 об/с и тем самым устранить необходимость в редукторе.

Первые опыты бурения многоступенчатым турбобуром, проведенные в 1935--1936 гг., подтвердили все преимущества новой конструкции. Дальнейшая работа по созданию турбобура для бурения скважин в основном проводилась по линии усовершенствования конструкции. Эта работа закончилась в 1939--1940 гг. созданием промышленного типа турбобура.

С 1944 г. турбинный способ бурения получил широкое применение в большинстве нефтяных районов. В послевоенные годы турбинное бурение стало одним из основных видов бурения в Советском Союзе.

Конструкция турбобуров постоянно совершенствуется. Разрабатываются новые типы гидравлических забойных двигателей. Так, во второй половине 1960-х гг. был разработан винтовой (объемный) забойный двигатель, который широко применяется и в настоящее время.

В 1937 --1938 гг. группой инженеров во главе с А. П. Островским была разработана конструкция забойного двигателя негидравлического типа -- электробура. В 1940 г. на нефтяных промыслах Азербайджана были проведены первые испытания, показавшие целесообразность его применения при бурении скважин. В дальнейшем конструкция электробура была значительно усовершенствована, что позволило успешно использовать его в некоторых районах страны.

Послевоенные годы были отмечены значительным ростом проходки, улучшением конструкций бурового оборудования инструмента, увеличением мощности привода буровых установок, дальнейшим усовершенствованием технологии проводки скважин и т.п.

Несмотря на то, что в настоящее время в нашей стране более 90 % от всего объема бурения осуществляется забойными двигателями, потенциальные возможности роторного бурения далеко не исчерпаны, о чем свидетельствует и зарубежный опыт.

Вот уже полтора столетия человечество занимается бурением скважин на нефть и газ. Была достигнута максимальная глубина скважины -- более 12000 м (Российская Федерация, Кольская сверхглубокая скважина). Это свидетельствует об огромных технических трудностях, с которыми приходится сталкиваться по мере углубления в недра Земли. Техника и технология бурения, изложенная в настоящем учебнике, позволит достичь глубин 15000... 16000 м, что и будет сделано уже в ближайшие десятилетия.

Терминология. Изучая настоящий учебник, читатель столкнется с целым рядом понятий (терминов), встречающихся только при производстве бурения скважин. Таких понятий не так уж много, но их надо знать, а самое главное, понимать их смысл. Ниже приводятся основные из этих терминов.

Бурение -- процесс образования горной выработки, преимущественно круглого сечения, путем разрушения горных пород главным образом буровым инструментом (реже термическим, гидроэрозионным, взрывным и другими способами) с удалением продуктов разрушения.

Скважина (нефтяная, газовая, водяная и т.п.) -- сооружение, преимущественно круглого сечения, образуемое путем бурения и крепления и характеризуемое относительно малым размером площади поперечных сечений по сравнению с размером площади боковой поверхности и заранее заданным положением в пространстве.

Буровой инструмент -- общее название механизмов и приспособлений, применяемых при бурении скважин и ликвидации аварий, возникающих в скважинах.

Ударный способ бурения -- способ сооружения скважин путем разрушения горных пород за счет ударов породоразрушающего инструмента по забою (дну) скважины.

Вращательный способ бурения -- способ сооружения скважин путем разрушения горных пород за счет вращения прижатого к забою породоразрушающего инструмента (долото, коронка).

Буровой раствор (промывочная жидкость) -- технологическое наименование сложной многокомпонентной дисперсной системы суспензионных и аэрированных жидкостей, применяемых при промывке скважин в процессе бурения.

Обсадные трубы -- трубы, предназначенные для крепления скважин, а также изоляции продуктивных горизонтов при эксплуатации нефтяного (газового) пласта (горизонта).

Обсадная колонна -- колонна, состоящая из последовательно свинченных (сваренных) обсадных труб.

Затрубное пространство -- пространство между стенками скважины (обсадной колонны) и наружными стенками колонны бурильных труб, образующееся в процессе бурения.

Разведочное бурение -- бурение скважин с целью разведки нефтяных (газовых) месторождений. Входит в комплекс работ, позволяющий оценить промышленное значение нефтяного (газового) месторождения, выявленного на поисковом этапе, и подготовить его к разработке.

Эксплуатационное бурение -- бурение скважин с целью разработки нефтяного (газового) месторождения.

Турбобур -- забойный гидравлический двигатель, предназначенный для бурения скважин в различных геологических условиях.

Турбинный способ бурения -- бурение скважин при помощи турбобуров.

Электробур -- буровая машина, приводимая в действие электрической энергией и сообщающая вращательное движение поро-доразрушающему инструменту.

Цементирование (тампонирование) скважины -- закачка цементного раствора в кольцевое пространство между стенками скважины и обсадной колонны.

Бурильная колонна -- ступенчатый полый вал, соединяющий буровое долото (породоразрушающий инструмент) с наземным оборудованием (буровой установкой) при бурении скважины.

Бурильная свеча -- часть бурильной колонны, неразъемная во время спускоподъемных операций; состоит из двух, трех или четырех бурильных труб, свинченных между собой.

Буровая установка -- комплекс машин и механизмов, предназначенных для бурения и крепления скважин.

Буровая вышка -- сооружение, устанавливаемое над буровой скважиной для спуска и подъема бурового инструмента, забойных двигателей, обсадных труб.

Буровая лебедка -- механизм, предназначенный для спуска и подъема колонны бурильных труб, подачи бурового долота на забой скважины, спуска обсадных труб, передачи мощности на ротор.

Талевая (полиспастовая) система буровых установок -- ряд механизмов (кронблок, талевый блок, крюк или крюкоблок), преобразующих вращательное движение барабана лебедки в поступательное (вертикальное) перемещение крюка.

Ротор -- механизм, предназначенный для передачи вращения колонне бурильных труб в процессе бурения, поддержания ее на весу при спускоподъемных операциях и вспомогательных работах.

Вертлюг -- механизм, обеспечивающий вращение бурильной колонны, подвешенной на крюке, и подачу через нее промывочной жидкости.

Буровой насос -- гидравлическая машина для нагнетания промывочной жидкости в буровую скважину.

Буровая платформа -- установка для бурения на акваториях с целью разведки или эксплуатации минеральных ресурсов под дном моря.

Силовой привод бурения установки -- комплекс машин и механизмов, предназначенных для преобразования электрической энергии или энергии топлива в механическую энергию.

Вибрационное сито (вибросито) -- механизм для очистки бурового раствора (промывочной жидкости) от выбуренной породы и других механических примесей.

Химические реагенты -- различные химические вещества, предназначенные для регулирования свойств буровых растворов (промывочной жидкости).

Ведущая бурильная труба -- труба обычно квадратного сечения, которая устанавливается наверху бурильной колонны и передает ей вращение от ротора.

Шурф для ведущей трубы -- неглубокая скважина, сооружаемая рядом с ротором и предназначенная для опускания ведущей трубы во время наращивания бурильных труб в периоды, когда не бурят.

Шарошечное буровое долото -- механизм, состоящий из сферических или цилиндрических шарошек, смонтированных на подшипниках качения или скольжения (или их комбинации) на цапфах секций бурового долота.

Лопастное буровое долото -- корпус с присоединительной резьбой, к которому привариваются три и более лопастей.

Бурильные трубы -- основная часть бурильной колонны. Бурильные трубы изготавливают бесшовными, из углеродистых или легированных сталей.

Бурильные замки (замки для бурильных труб) -- соединительный элемент бурильных труб для свинчивания их в колонну. Бурильный замок состоит из ниппеля и муфты, закрепляемых на концах бурильной трубы.

Утяжеленные бурильные трубы (УБТ) -- трубы, предназначенные для создания нагрузки на породоразрушающий инструмент и увеличения жесткости нижней части бурильной колонны.

Индикатор массы (веса) -- прибор, при помощи которого в процессе бурения определяется осевая нагрузка на долото. Этим прибором определяется также нагрузка, действующая на крюк талевой системы.

Выше приведены только основные термины, широко используемые при бурении нефтяных и газовых скважин. Специалист любого уровня, занимающийся бурением нефтяных и газовых скважин, должен свободно владеть этой терминологией.

ГЛАВА 1 КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ОБЩЕЙ И НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЙ ГЕОЛОГИИ

1.1 Основные понятия о строении и составе земной коры

Земля состоит из концентрических оболочек (геосферы): наружной, или земной коры, промежуточной, или мантии, и ядра. Границей раздела земной коры и мантии является поверхность Мохоровичича, залегающая на глубине 30...70 км на континенте и 5... 10 км под дном океана. Граница между мантией и ядром расположена на глубине 2900 км. Ядро, радиусом 3400 км, находится в центре Земли. Предполагается, что ядро состоит главным образом из железа и никеля. Плотность вещества в нем составляет 6... 11 г/см 3 , а давление в самом центре Земли -- 4263000 кг/см 2 .

Земная кора изучена далеко не полностью. Нижним ее ярусом, как полагают, является базальтовый слой. Толстый базальтовый ковер -- это подстилка, на которой покоится гранитный слой, покрытый чехлом осадочных пород. Однако земная кора не везде имеет трехъярусное строение. Например, океанское ложе состоит из базальтовой подстилки и очень тонкого слоя осадочных пород. А граниты в некоторых местах выходят прямо на поверхность.

Земная кора сложена разнообразными горными породами, состоящими из минералов. По происхождению горные породы делятся на три основные группы: магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические породы образуются из магмы Магма -- вещество Земли, находящееся в расплавленном состоянии. при застывании ее на некоторой глубине (породы глубинные, или интрузивные) или же при излиянии ее на поверхность в виде лавы (породы излившиеся, или эффузивные). Большинство этих пород имеет кристаллическое строение; залегают они в земной коре, как правило, не слоями, а в виде тел неправильной формы.

Осадочные породы образуются из продуктов разрушения ранее существовавших горных пород, отложившихся в водных бассейнах или на поверхности суши в виде механических и химических осадков; в эту же группу входят осадочные породы, образовавшиеся из продуктов жизнедеятельности организмов (органические осадки). Осадочные породы, как правило, залегают в земной коре в виде слоев.

Метаморфические породы образуются из магматических или осадочных пород, подвергшихся в недрах земной коры действию высоких давлений и температур. Эти породы в большинстве случаев отличаются слоистостью и кристаллическим строением.

В земной коре магматические породы занимают 95 %. На все осадочные и метаморфические породы приходится только 5 %. Однако нас интересуют осадочные горные породы, так как к последним приурочены залежи нефти и газа. нефтяной месторождение буровой

1.2 Складкообразование и типы складок

Первоначально осадочные породы отлагались в виде горизонтальных слоев, называемых пластами. В дальнейшем, в результате горообразования, т.е. под давлением боковых и вертикальных сил, сминающих горизонтальные пласты, образовались складки. Иногда происходили разрывы пластов, причем более древние надвигались на более молодые и даже выходили на поверхность. Образование складок, разрывов и прочих неровностей рельефа, вулканические явления, землетрясения и другие проявления внутренней жизни Земли называются тектоническими движениями.

Существует очень много физических явлений, которые могли бы вызвать тектоническое движение. Следует считать установленным фактом известную подвижность веществ в недрах Земли примерно до глубины 800... 1000 км. Причинами этого служат разнообразные физические и химические процессы, протекающие в Земле. Эти процессы следует рассматривать во взаимосвязи, учитывая их историческое развитие.

Рассмотрим несколько форм складок земной коры. Складки, обращенные выпуклостью вверх, называются антиклиналями, а обращенные выпуклостью вниз -- синклиналями. Самая возвышенная часть антиклинали называется сводом, боковые части -- крыльями (рис. 1.1, а).

Если происходит разлом с образованием трещины, по которой пласты в вертикальном и наклонном направлениях перемещаются относительно друг друга (рис. 1.1, б), и при этом одна часть складки опускается, а другая остается на прежнем месте, то образуется сброс. Если же одна часть складки поднимется и несколько перекроет другую, то образуется взброс.

Основными элементами, характеризующими залегание пластов, являются: падение пластов, угол наклона, угол падения и простирание.

Падение пластов -- это наклон слоев земной коры к горизонту. Наибольший угол (а), образуемый поверхностью пласта с горизонтальной плоскостью, называется углом падения пласта (рис. 1.1, в). Линия, лежащая в плоскости пласта и перпендикулярная к направлению его падения, называется простиранием пласта.

Верхняя поверхность пласта (граница с вышележащим пластом) называется кровлей, нижняя -- подошвой. Расстояние между кровлей и подошвой называют мощностью пласта.

1.3 Основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс их разрушения при строительстве скважин

Основными физико-механическими свойствами горных пород, влияющими на процесс их разрушения при строительстве скважин, являются упругость и пластичность, твердость, абразивность и сплошность.

Упругие свойства горных пород. Все горные породы под воздействием внешних нагрузок претерпевают деформации, исчезающие после удаления нагрузки или остающиеся. Первые из них называются упругими деформациями, а вторые -- пластическими. Большинство породообразующих минералов являются телами упруго-хрупкими, т. е. они подчиняются закону Гука и разрушаются, когда напряжения достигают предела упругости. При простом растягивании или сжатии упругого тела относительное удлинение или сжатие пропорциональны нормальному напряжению:

где Е -- модуль Юнга; е -- деформация.

Горные породы относятся к упруго-хрупким телам и подчиняются закону Гука только при динамическом приложении нагрузки. Упругие свойства горных пород характеризуются модулем упругости (модуль Юнга) Е и коэффициентом Пуассона р, (д = е х /е я где е х -- поперечная деформация; Ј у -- продольная деформация). Модуль упругости горных пород зависит от их минералогического состава, вида нагружения и величины приложенной нагрузки, структуры, текстуры и глубины залегания пород, состава и строения цементирующего вещества у обломочных пород, степени влажности, песчанистости и карбонатности пород.

Коэффициент Пуассона для большинства пород и минералов находится в пределах 0,2...0,4, и только у кварца он аномально низок -- примерно 0,07, что обусловлено особенностями строения его кристаллической решетки.

Пластические свойства горных пород (пластичность). Разрушению некоторых горных пород предшествует пластическая деформация, которая начинается при превышении напряжения в породе предела упругости. Пластичность зависит от минералогического состава горных пород и уменьшается с увеличением содержания кварца, полевого шпата и некоторых других минералов. Высокими пластическими свойствами обладают глины и породы, содержащие соли. При определенных условиях некоторые горные породы подвержены ползучести. Ползучесть проявляется в постоянном росте деформации при неизменном напряжении. Значительной ползучестью характеризуются глины, глинистые сланцы, соляные породы, аргиллиты, некоторые разновидности известняков.

Твердость горных пород. Под твердостью горной породы понимается ее способность оказывать сопротивление проникновению в нее (внедрению) породоразрушающего инструмента.

В геологии большое распространение имеет шкала твердости минералов Мооса, по которой условную твердость минералов определяют методом царапания. В основу этой шкалы взяты твердости наиболее часто встречающихся в породе минералов, причем менее твердым из них присваиваются меньшие номера:

1 -- тальк;

2 -- гипс или каменная соль;

3 -- известковый шпат или кальцит;

4 -- плавиковый шпат;

5 -- апатит;

6 -- полевой шпат;

7 -- кварц;

8 -- топаз;

9 -- корунд; 10 -- алмаз.

На основании многочисленных исследований Л. А. Шрейнер предложил классификацию горных пород, отличающуюся от шкалы твердости Мооса тем, что она наиболее полно учитывает основные физико-механические свойства горных пород, которые влияют на процесс бурения (табл. 1.1).

К I группе относятся породы, не дающие общего хрупкого разрушения (слабо сцементированные пески, суглинки, известняк-ракушечник, мергели, глины с частыми прослоями песчаников, мергелей и т.п.). Ко II группе относятся упругопластичные породы (сланцы, доломитизированные известняки, крепкие ангидриты, доломиты, конгломераты на кремнистом цементе, кварцево-карбонатные породы и т.п.). К III группе относятся упруго-хрупкие, в основном изверженные, и метаморфические породы.

Как правило, по твердости породы, участвующие в сложении нефтяных залежей, относятся к первым восьми категориям.

Таблица 1.1

Классификация горных пород по Шрейнеру

Абразивность горных пород. Под абразивностью горной породы понимается ее способность изнашивать контактирующий с ней породоразрушающий инструмент в процессе их взаимодействия. Абразивность пород проявляется в процессе абразивного (преимущественно механического) изнашивания и является его характеристикой. Поэтому показатели абразивности можно рассматривать как показатели механических свойств горных пород.

Абразивность горной породы, как и любой другой показатель механических свойств, отражает ее поведение в конкретных условиях испытания или работы. Понятие об абразивной способности тесно связано с понятием о внешнем трении и износе. Абразивные свойства горных пород изучены недостаточно. На трение существенно влияет среда. Коэффициент трения о породу, поверхность которой смочена глинистым раствором, меньше, чем тот же коэффициент при трении о породу, смоченную водой, и значительно ниже, чем коэффициент трения о сухую породу.

Среди горных пород наибольшей абразивностью обладают кварцевые и полевошпатовые песчаники и алевролиты (сцементированные породы с обломочными зернами размером от 0,01 до 0,1 мм). Разработано несколько классификаций по абразивности горных пород.

Сплошность горных пород. Данное понятие предложено для оценки структурного состояния горных пород и их способности передачи внутри породы воздействия, например давления внешней жидкостной или газовой среды. Степень пригодности для такого воздействия определяется внутриструктурными нарушениями в породе (трещины, поры, поверхности рыхлого контакта зерен и т.д.).

1.4 Образование нефти и нефтяной залежи

Теория происхождения нефти имеет большое значение, так как позволяет обоснованно производить поиски нефтегазовых месторождений. В настоящее время существуют две теории: органическая и неорганическая.

Теория органического происхождения нефти основывается на следующем.

После гибели животного или растительного организма начинается процесс его разложения. Если он происходит при свободном доступе кислорода, то подавляющая часть углерода растительных и животных организмов возвращается в атмосферу в виде углекислого газа, а в нефти содержится 86 % углерода. В этом случае лишь небольшая часть органических остатков попадает в благоприятные для их сохранения условия.

Если кислород отсутствует, разложение происходит за счет жизнедеятельности бактерий -- микроорганизмов, которые могут жить без доступа кислорода. Роль этих бактерий сводится к извлечению кислорода и образованию устойчивых соединений органического характера (исходного материала для образования нефти).

Наиболее благоприятными участками для накопления исходного для нефти органического материала являются лиманы (бухты), лагуны (озера, соединяющиеся с морем узким проливом), эстуарии (воронкообразные глубокие устья рек, впадающих в моря).

Теория неорганического происхождения нефти заключается в следующем.

Нефть поступает из мантии Земли, куда она попала вместе с другими компонентами при формировании планеты из облака газопылевой и обломочной материи. Выделение и первоначальное накопление нефтяных углеводородов связано с процессами в верхней части мантии Земли, являющимися причиной тектонических движений. Перемещение нефти из зон ее накопления в подкорковой области в ловушки -- месторождения, размещенные в верхних горизонтах земной коры, происходит по полостям верхних частей глубинных разломов, которыми рассекаются базальтовый, гранитный и осадочный слои земной коры.

Существующие теории происхождения нефти основаны на предположении, что нефть из материнской толщи вследствие увеличения горного давления мигрирует (выжимается) в расположенные вблизи отложения горных пород с более высокой проницаемостью и заполненные водой. При этом нефть и газ оттесняют воду и собираются в наиболее повышенной части структуры или на участках, закрытых непроницаемыми отложениями, которые и останавливают дальнейшее продвижение жидкости, образуя нефтяную залежь.

Нефтяная залежь представляет собой пласт, сложенный породами с достаточной проницаемостью и заполненный нефтью. Нефть, газ и вода находятся в пластах под большим давлением. Породы, лежащие выше продуктивного горизонта, своей массой давят на этот пласт. До вскрытия продуктивного горизонта давление в нем по всей площади однообразно, в момент его вскрытия это равновесие нарушается и, если давление на пласт от вышележащих пластов превосходит давление от столба жидкости, заполняющей скважину, начинается фонтанирование.

Уровни жидкости в скважинах могут быть статические и динамические. Статический уровень характеризует собой пластовое давление. Динамическим является уровень жидкости, который устанавливается в скважине при подливе жидкости в нее или откачке. Этот уровень характеризует забойное давление в скважине в процессе ее работы.

1.5 Поиски, разведка и разработка месторождений

Поиски и разведка -- это совокупность работ по открытию месторождений полезных ископаемых и оценке пригодности их для промышленной разработки.

Основными вопросами при разведках месторождений полезных ископаемых являются следующие:

определение формы и объема промышленной части месторождения. В зависимости от размеров изученной части месторождения подсчитываются те или иные запасы полезного ископаемого;

установление качественной характеристики полезного ископаемого в тесной связи с техническими требованиями к сырью;

выявление природных факторов, определяющих условия эксплуатации (состав и взаимоотношение пород, вмещающих месторождение, углы падения пород, обводненность месторождения, твердость и трещиноватость пород и др.).

Под разработкой нефтяной залежи подразумевается управление процессом движения жидкости или газа в пласте к забоям эксплуатационных скважин. Рациональной системой разработки нефтяного месторождения считается такая, при которой оно разбуривается минимально допустимым числом скважин, обеспечивающим высокие темпы отбора нефти из пласта, высокую конечную нефтеотдачу, минимальные капитальные вложения на каждую тонну извлекаемых запасов и минимальную себестоимость нефти.

Мощность продуктивной толщи нефтяных месторождений может изменяться от нескольких десятков до сотен и тысяч метров. Многопластовые месторождения разрабатываются по системе снизу-- вверх, когда пласты вводятся в эксплуатацию последовательно, начиная с нижнего горизонта до верхнего. Горизонт, с которого начинается разработка, называется опорным, или базисным. Такая система позволяет во время бурения на базисный горизонт путем отбора грунтов и применения геофизических методов изучить все вышележащие нефтеносные пласты и одновременно осуществлять подготовку их к разработке. Она способствует сокращению числа разведочных скважин на месторождении и уменьшению процента неудачных эксплуатационных скважин, так как скважины, в которых нефть не была получена на базисном горизонте, могут быть возвращены на вышележащие пласты. Все это сокращает объем капитальных затрат на бурение эксплуатационных и особенно разведочных скважин.

Вышележащие пласты вводятся в эксплуатацию после полного истощения опорного горизонта. Для сокращения такого разрыва и, соответственно, обеспечения максимальной добычи нефти в короткий срок проводятся работы по осуществлению эксплуатации нескольких горизонтов одновременно. Большую роль в повышении эффективности разработки нефтяных месторождений сыграло широкое применение искусственного воздействия на пласты с целью поддержания или восстановления пластовой энергии. Для этого закачивают газ (воздух) в повышенные части пласта при газонапорном и газовом режимах залежи или воду в законтурные зоны при водонапорном режиме.

Остановимся на способах эксплуатации нефтяных скважин.

Процесс подъема нефти или газа от забоя скважины на дневную поверхность может происходить как за счет природной энергии жидкости и газа, поступающих к забою, так и за счет энергии, вводимой в скважину с дневной поверхности. Если нефть и газ на дневную поверхность подаются за счет природной энергии или заводнения, то эксплуатация называется фонтанной. Если же скважина совсем не фонтанирует или дебит ее недостаточный, применяют механическую откачку нефти из скважины. Это осуществляется компрессорным или насосным способом эксплуатации. При компрессорной эксплуатации в скважину нагнетают сжатый газ или воздух, который поступает к башмаку спущенных в скважину подъемных труб, смешивается с нефтью и выносит эту смесь на поверхность. Насосная эксплуатация применяется обычно в скважинах с небольшим дебитом.

Контрольные вопросы

1. Из каких основных пород состоит земная кора?

2. Какие породы называются осадочными?

3. Перечислите основные формы складок земной коры.

4. Что такое твердость и абразивность пород?

5. В чем сущность теорий органического и неорганического происхождения нефти?

6. Какие силы заставляют нефть продвигаться из пласта к скважинам?

7. Какие основные вопросы ставятся при разведочных работах?

8. Какая система разработки называется рациональной?

9. Опишите способы эксплуатации нефтяных скважин.

ГЛАВА 2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БУРЕНИИ СКВАЖИН И ОБОРУДОВАНИИ, ПРИМЕНЯЕМОМ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО ПРОЦЕССА

2.1 Понятие а буровой скважине, классификация и назначение скважин

Скважина создается последовательным разрушением горных пород и извлечением их на поверхность. Начало скважины называется устьем, дно скважины -- забоем. Диаметр скважины находится в пределах 59... 1000 мм. При обычном бурении разрушается вся масса породы. При бурении с отбором внутреннего столбика породы (керна) разрушается только кольцевое пространство у стенок скважины, а керн извлекается в неразрушенном состоянии для изучения геологического строения месторождения.

Целевое назначение скважин может быть различным. Все скважины, бурящиеся в целях региональных исследований, поиска, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений или залежей, подразделяются на следующие категории.

1. Опорные скважины бурят для изучения геологического строения и гидрогеологических условий крупных регионов, определения общих закономерностей распространения комплексов отложений, благоприятных для нефтегазонакоплений, с целью выбора наиболее перспективных направлений геолого-разведочных работ на нефть и газ.

2. Параметрические скважины бурят для изучения глубинного геологического строения и сравнительной оценки перспектив нефтегазоносности возможных зон нефтегазонакопления, выявления наиболее перспективных районов для детальных геологических работ, а также для получения необходимых сведений о геолого-геофизической характеристике разреза отложений с целью уточнения результатов сейсмических и других геофизических исследований.

3. Структурные скважины бурят для выявления и подготовки к поисково-разведочному бурению перспективных площадей (антиклинальные складки, зоны экранирования, выклинивания и т.д.). По полученным в результате бурения структурных скважин данным определяют элементы залегания пластов (тектонику, стратиграфию и литологию) в различных точках и составляют профили данной площади.

4. Поисковые скважины бурят на площадях, подготовленных геолого-поисковыми работами (геологической съемкой, структурным бурением, геофизическими и геохимическими исследованиями или комплексом этих методов) с целью установления нефте-газоносности.

5. Разведочные скважины бурят на площадях с установленной промышленной нефтегазоностью для оконтуривания месторождения, подсчета запасов и подготовки его к разработке.

6. Эксплуатационные скважины бурят для разработки и эксплуатации залежей нефти и газа. В эту категорию входят оценочные (для оценки коллекторов продуктивных горизонтов), добывающие (добычные), нагнетательные (для закачки в продуктивные горизонты воды, воздуха или газа с целью поддержания пластового давления и удлинения периода естественного фонтанирования) и наблюдательные (контрольные, пьезометрические) скважины. К этой же категории относят скважины, предназначенные для термовоздействия на пласт при разработке месторождений с высоковязкими нефтями.

7. Специальные скважины бурят для сброса промысловых вод, ликвидации открытых фонтанов нефти и газа, подготовки структур для подземных газохранилищ и закачки в них газа, разведки и добычи технических вод.

Бурение скважин применяется не только в нефтяной и газовой промышленности. Скважины бурятся также в целях разведки и добычи других полезных ископаемых, водоснабжения населенных пунктов, тушения подземных пожаров, газификации углей, вентиляции шахт, замораживания грунта при проходке шахт, исследования грунтов на месте предполагаемого возведения различных промышленных и гражданских сооружений и т. п.

2.2 Технологическая схема бурения скважин вращательным способом

Способы бурения можно классифицировать по характеру воздействия на горные породы: механическое, термическое, физико-химическое, электроискровое и т.д. Широко применяются только способы, связанные с механическим воздействием на горные породы; остальные не вышли из стадии экспериментальной разработки.

Механическое бурение осуществляется ударным, вращательным и ударно-вращательными способами (последний способ имеет пока весьма ограниченное применение). Ударное бурение нефтяных и газовых скважин, еще распространенное во многих странах, уже несколько десятков лет не применяется на нефтяных и газовых промыслах Российской Федерации. При бурении нефтяных и газовых скважин в России применяют исключительно вращательный способ бурения. При этом способе бурения скважина как бы высверливается непрерывно вращающимся долотом. Разбуренные частицы породы в процессе бурения выносятся на поверхность непрерывно циркулирующей струей бурового раствора или нагнетаемым в скважину воздухом или газом. В зависимости от местонахождения двигателя вращательное бурение разделяют на роторное -- двигатель находится на поверхности и приводит во вращение долото на забое при помощи колонны бурильных труб и бурение с забойным двигателем (гидравлическим или при помощи электробура) -- двигатель перенесен к забою скважины и устанавливается над долотом.

Процесс бурения состоит из следующих операций: спуско-подъемных работ (опускание бурильных труб с долотом в скважину до забоя и подъема бурильных труб с отработанным долотом из скважины) и работы долота на забое (разрушение породы долотом). Эти операции периодически прерываются для спуска обсадных труб в скважину, чтобы предохранить стенки скважины от обвалов и разобщить нефтяные (газовые) и водяные горизонты. Одновременно в процессе бурения скважин выполняется ряд вспомогательных работ: отбор керна, приготовление промывочной жидкости (бурового раствора), каротаж, замер кривизны, освоение скважины с целью вызова притока нефти (газа) в скважину и т. п. В случае аварии или осложнения (поломка бурильных труб, прихват инструмента и т.д.) возникает необходимость в дополнительных (аварийных) работах. Для выполнения перечисленных операций в процессе бурения скважины применяется буровая вышка (рис. 2.1).

Самая верхняя труба в колонне бурильных труб не круглая, а квадратная (она может быть также шестигранной или желобчатой). Она называется ведущей бурильной трубой. Ведущая труба проходит через отверстие круглого стола -- ротора и при бурении скважины по мере углубления забоя опускается вниз.

Ротор помещается в центре буровой вышки. Бурильные трубы и ведущая труба внутри полые. Ведущая труба верхним концом соединяется с вертлюгом. Нижняя часть вертлюга, соединенная с ведущей трубой, может вращаться вместе с колонной бурильных труб, а его верхняя часть всегда неподвижна.

К отверстию (горловине) неподвижной части вертлюга присоединяется гибкий шланг, через который в процессе бурения закачивается в скважину промывочная жидкость при помощи буровых насосов. Последняя, пройдя ведущую трубу и всю колонну бурильных труб, попадает в долото и через отверстия в нем устремляется на забой скважины (при бурении гидравлическим двигателем промывочная жидкость вначале поступает в него, приводя вал двигателя во вращение, а затем -- в долото). Выходя из отверстий в долоте, жидкость промывает забой, подхватывает частицы разбурённой породы и вместе с ними через кольцевое пространство между стенками скважины и бурильными трубами поднимается наверх, где направляется в прием насосов, предварительно очищаясь на своем пути от частиц разбуренной породы.

Подобные документы

методичка , добавлен 02.12.2010


Изучение технологических процессов бурения нефтяных и газовых скважин на примере НГДУ "Альметьевнефть". Геолого-физическая характеристика объектов, разработка нефтяных месторождений. Методы увеличения производительности скважин. Техника безопасности.

отчет по практике , добавлен 20.03.2012


Первичный, вторичный и третичный способы разработки нефтяных и газовых месторождений, их сущность и характеристика. Скважина и ее виды. Наклонно-направленное (горизонтальное) бурение. Искусственное отклонение скважин. Бурение скважин на нефть и газ.

курсовая работа , добавлен 18.12.2014


Краткая история развития нефтегазового дела. Понятие и назначение скважин. Геолого-промысловая характеристика продуктивных пластов. Основы разработки нефтяных и газовых месторождений и их эксплуатация. Рассмотрение методов повышения нефтеотдачи.

отчет по практике , добавлен 23.09.2014


Технология бурения нефтяных и газовых скважин. Закономерности разрушения горных пород. Буровые долота. Бурильная колонна, ее элементы. Промывка скважины. Турбинные и винтовые забойные двигатели. Особенности бурения скважин при равновесии "скважина-пласт".

презентация , добавлен 18.10.2016


Исследование основных способов бурения нефтяных и газовых скважин: роторного, гидравлическими забойными двигателями и бурения электробурами. Характеристика причин и последствий искривления вертикальных скважин, естественного искривления оси скважин.

курсовая работа , добавлен 15.09.2011


Критерии выделения эксплуатационных объектов. Системы разработки нефтяных месторождений. Размещение скважин по площади залежи. Обзор методов увеличения производительности скважин. Текущий и капитальный ремонт скважин. Сбор и подготовка нефти, газа, воды.

отчет по практике , добавлен 30.05.2013


Сущность процесса бурения, назначение и виды буровых скважин. Правила проектирования, монтажа и эксплуатации буровых установок для бурения нефтяных и газовых скважин. Важность соблюдения инструкции по технике безопасности при проведении буровых работ.

контрольная работа , добавлен 08.02.2013


Проектирование конструкции нефтяных скважин: расчет глубины спуска кондуктора и параметров профиля ствола. Выбор оборудования устья скважины, режимов бурения, цементирующих растворов и долот. Технологическая оснастка обсадных и эксплуатационных колонн.

дипломная работа , добавлен 19.06.2011


Общие сведения о промысловом объекте. Географо-экономические условия и геологическое строение месторождения. Организация и производство буровых работ. Методы увеличения производительности скважин. Текущий и капитальный ремонт нефтяных и газовых скважин.

Важно отметить, что бурение нефтяных и газовых скважин может быть осуществлено только при строжайшем соблюдении всех правил и требований. И это вовсе не удивительно, ведь работать приходится с достаточно опасным и чувствительным материалом, добыча которого в любом случае требует грамотного подхода. И, чтобы разобраться во всех аспектах работы с таковым, необходимо в первую очередь рассмотреть все основы данного дела и его составляющих.

Так, скважиной называют горную выработку, которая создается без необходимости доступа внутрь человека и имеет цилиндрическую форму – ее длина многократно превышает диаметр. Начало скважины именуется устьем, поверхность цилиндрической колонны – стволом или стенкой, дно же объекта именуется забоем. Длина объекта отмеряется от устья до забоя, глубина же – проекцией оси на вертикаль. Начальный диаметр такого объекта на максимуме не превышает 900 мм, конечный же диаметр в редких случаях оказывается меньше 165 мм – такова специфика процесса, именуемого бурение нефтяных и газовых скважин , и его особенностей.

Особенности бурения нефтяных и газовых скважин

Создание скважин как отдельный процесс состоит по большей части из бурения, а оно же, в свою очередь, имеет в основе такие операции:

• Процесс углубления при разрушении буровым инструментом горных пород,


• Удаление из скважины измельченной породы,


• Укрепление ствола обсадными колоннами по мере углубления шахты,


• Выполнение геолого-геофизических работ для поиска продуктивных горизонтов,


• Цементирование эксплуатационной колонны.

Классификация нефтяных и газовых скважин

Известно, что необходимые материалы, которые планируется добывать, могут залегать на разной глубине. И потому бурение может также выполняться на разную глубину, и при этом, если речь идет о глубине до 1500 метров, бурение считается мелким, до 4500 – средним, до 6000 – глубоким. На сегодняшний день бурение нефтяных и газовых скважин осуществляется на сверхглубокие горизонты, глубже 6000 метров – в этом отношении очень показательна Кольская скважина, глубина которой составляет 12650 метров. Если же рассматривать способы бурения, ориентируясь по методу разрушения горных пород, то здесь можно привести в пример механические методы, например вращательные, которые реализуются при использовании электробура и забойных двигателей винтового типа. Существуют также и ударные методы. А еще используют немеханические методики, среди которых можно отметить электроимпульсные, взрывные, электрические, гидравлические и прочие. Все они используются не слишком широко.

Работы при бурении на нефть или газ

В классическом варианте при бурении на нефть или газ буровые долота используют для разрушения породы, а потоки промывочной жидкости постоянно очищают забой. В редких случаях для продува используется рабочий реагент газообразного типа. Бурение в любом случае выполняется вертикально, наклонное бурение применяется только при необходимости, также применяется кустовое, наклонно-направленное, двуствольное или многозабойное бурение. Углубление скважин выполняют при отборе керна или без такового, первый вариант используется при работе по периферии, а второй – по всей площади. Если керн отбирается, его изучают на предмет пройденных слоев породы, поднимая периодически на поверхность.

Бурение на нефть и газ выполняется сегодня как на суше, так и на море, и реализуются такие работы при использовании специальных буровых установок, обеспечивающих вращательное бурение при помощи специализированных бурильных труб, которые соединяются муфтово-замковыми резьбовыми соединениями. Также порой применяются непрерывные гибкие трубы, которые наматываются на барабаны и могут иметь длину порядка 5 тыс. метров и более. Таким образом, подобные работы никак нельзя назвать простыми – они весьма специфичны и сложны, и особый акцент здесь стоит сделать на новые технологии, изучение которых может оказаться непростой задачей даже для профессионалов в данной отрасли.

Новые технологии бурения нефтяных и газовых скважин на выставке Нефтегаз

Обмен информацией и изучение новинок может обеспечить оптимальный прогресс, и потому оставлять в стороне такую необходимость просто нельзя. Если вы решили приобщиться к современным достижениям и окунуться в профессиональную среду – именно для этой цели проводятся профессиональные мероприятия, в одном из которых вам определенно стоит принять участие. Речь идет о выставках, которые ежегодно проходят в ЦВК «Экспоцентр» и собирают в дни открытия сотни и тысячи специалистов данного направления. Здесь можно с легкостью получить доступ к новым разработкам, изучить передовые технологии и при этом обзавестись полезными связями в необходимо объеме, найти клиентов и партнеров. Подобные возможности не стоит упускать, ведь они предоставляются не так уж часто и при правильном подходе могут обеспечить значительный прогресс!

Читайте другие наши статьи.

Конструкцию скважин на нефть и газ разрабатывают и уточняют в соответствии с конкретными геологическими условиями бурения в заданном районе. Она должна обеспечить выполнение поставленной задачи, т.е. достижение проектной глубины, вскрытие нефтегазоносной залежи и проведение всего намеченного комплекса исследований и работ в скважине, включая ее использование в системе разработки месторождения.

Конструкция скважины зависит от сложности геологического разреза, способа бурения, назначения скважины, способа вскрытия продуктивного горизонта и других факторов.

Исходные данные для проектирования конструкции скважины включают следующие сведения:

назначение и глубина скважины;

проектный горизонт и характеристика породы-коллектора;

геологический разрез в месте заложения скважины с выделением зон возможных осложнений и указанием пластовых давлений и давлении гидроразрыва пород по интервалам;

диаметр эксплуатационной колонны или конечный диаметр скважины, если спуск эксплуатационной колонны не предусмотрен.

Порядок проектирования конструкции скважины на нефть и газ следующий.

Выбирается конструкция призабойного участка скважины . Конструкция скважины в интервале продуктивного пласта должна обеспечивать наилучшие условия поступления нефти и газа в скважину и наиболее эффективное использование пластовой энергии нефтегазовой залежи.

Обосновывается требуемое количество обсадных колонн и глубин их спуска . С этой целью строится график изменения коэффициента аномальности пластовых давлений k, и индекса давлений поглощения kпогл.

Обосновывается выбор диаметра эксплуатационной колонны и согласовываются диаметры обсадных колонн и долот . Расчет диаметров ведется снизу вверх.

Выбираются интервалы цементирования . От башмака обсадной колонны до устья цементируются: кондукторы во всех скважинах; промежуточные и эксплуатационные колонны в разведочных, поисковых, параметрических, опорных и газовых скважинах; промежуточные колонны в нефтяных скважинах глубиной свыше 3000 м; на участке длиной не менее 500 м от башмака промежуточной колонны в нефтяных скважинах глубиной до 3004) м (при условии перекрытия тампонажным раствором всех проницаемых и неустойчивых пород).

Интервал цементирования эксплуатационных колонн в нефтяных скважинах может быть ограничен участком от башмака до сечения, расположенного не менее чем на 100 м выше нижнего конца предыдущей промежуточной колонны.

Все обсадные колонны в скважинах, сооружаемых в акваториях цементируются по всей длине.

Этапы проектирования гидравлической программы промывки скважины буровыми растворами.

Под гидравлической программой понимается комплекс регулируемых параметров процесса промывки скважины. Номенклатура регулируемых параметров следующая: показатели свойств бурового раствора, подача буровых насосов, диаметр и количество насадок гидромониторных долот.

При составлении гидравлической программы предполагается:

Исключить флюидопроявления из пласта и поглощения бурового раствора;

Предотвратить размыв стенок скважины и механическое диспергирование транспортируемого шлама с целью исключения наработки бурового раствора;

Обеспечить вынос выбуренной горной породы из кольцевого пространства скважины;

Создать условия для максимального использования гидромониторного эффекта;

Рационально использовать гидравлическую мощность насосной установки;

Исключить аварийные ситуации при остановках, циркуляции и пуске буровых насосов.

Перечисленные требования к гидравлической программе удовлетворяются при условии формализации и решения многофакторной оптимизационной задачи. Известные схемы проектирования процесса промывки бурящихся скважин основаны на расчетах гидравлических сопротивлений в системе по заданным подаче насосов и показателям свойств буровых растворов.

Подобные гидравлические расчеты проводятся по следующей схеме. Вначале, исходя из эмпирических рекомендаций, задают скорость движения бурового раствора в кольцевом пространстве и вычисляют требуемую подачу буровых насосов. По паспортной характеристике буровых насосов подбирают диаметр втулок, способных обеспечить требуемую подачу. Затем по соответствующим формулам определяют гидравлические потери в системе без учета потерь давления в долоте. Площадь насадок гидромониторных долот подбирают исходя из разности между максимальным паспортным давлением нагнетания (соответствующим выбранным втулкам) и вычисленными потерями давления на гидравлические сопротивления.

Принципы выбора способа бурения: основные критерии выбора, учет глубины скважины, температуры в стволе, осложненности бурения, проектного профиля и др. факторов.

Выбор способа бурения, разработка более эффективных методов разрушения горных пород на забое скважины и решение многих вопросов, связанных со строительством скважины, невозможны без изучения свойств самих горных пород, условий их залегания и влияния этих условий на свойства горных пород.

Выбор способа бурения зависит от строения пласта, его коллекторских свойств, состава содержащихся в нем жидкостей и / или газов, числа продуктивных про-пластков и коэффициентов аномальности пластовых давлений.

Выбор способа бурения базируется на сравнительной оценке его эффективности, которая определяется множеством факторов, каждый из которых в зависимости от геолого-методических требований (ГМТ), назначения и условий бурения может иметь решающее значение.

На выбор способа бурения скважины оказывает влияние также целевое назначение буровых работ.

При выборе способа бурения следует руководствоваться целевым назначением скважины, гидрогеологической характеристикой водоносного пласта и глубиной его залегания, объемом работ по освоению пласта.

Сочетание параметров КНБК.

При выборе способа бурения кроме технико-экономических факторов следует учитывать, что, по сравнению с КНБК, на базе забойного двигателя роторные КНБК значительно технологичнее и надежнее в эксплуатации, устойчивее на проектной траектории.

Зависимость отклоняющей силы на долоте от кривизны скважины для стабилизирующих КНБК с двумя центраторами.

При выборе способа бурения кроме технико-экономических факторов следует учитывать, что по сравнению с КНБК на базе забойного двигателя роторные КНБК значительно технологичнее и надежнее в эксплуатации, устойчивее на проектной траектории.

Для обоснования выбора способа бурения в надсолевых отложениях и подтверждения изложенного выше вывода о рациональном способе бурения были проанализированы технические показатели турбинного и роторного бурения скв.

В случае выбора способа бурения с забойными гидравлическими двигателями, после расчета осевой нагрузки на долото необходимо выбрать тип забойного двигателя. Этот выбор осуществляется с учетом удельного момента на вращение долота, осевой нагрузки на долото и плотности бурового раствора. Технические характеристики выбранного забойного двигателя учитываются при проектировании частоты оборотов долота и гидравлической программы промывки скважины.

Вопрос о выборе способа бурения должен решаться на основе технико-экономического обоснования. Основным показателем для выбора способа бурения является рентабельность - себестоимость 1 м проходки. [1 ]

Прежде чем приступить к выбору способа бурения для углубления ствола с использованием газообразных агентов, следует иметь в виду, что их физико-механические свойства вносят вполне определенные ограничения, так как некоторые типы газообразных агентов неприменимы для ряда способов бурения. На рис. 46 показаны возможные сочетания различных типов газообразных агентов с современными способами бурения. Как видно из схемы, наиболее универсальными с точки зрения использования газообразных агентов являются способы бурения ротором и электробуром, менее универсальным - турбинный способ, который применяется только при использовании аэрированных жидкостей. [2 ]

Энерговооруженность ПБУ меньше влияет на выбор способов бурения и их разновидностей, чем энерговооруженность установки для бурения на суше, так - как кроме непосредственно бурового оборудования ПБУ оснащена вспомогательным, необходимым для ее эксплуатации и удержания на точке бурения. Практически буровое и вспомогательное оборудование работает поочередно. Минимально необходимая энерговооруженность ПБУ определяется энергией, потребляемой вспомогательным оборудованием, которая бывает больше необходимой для бурового привода. [3 ]

Восьмой, раздел технического проекта посвящен выбору способа бурения , типоразмеров забойных двигателей и буровых долог, разработке режимов бурения. [4 ]

Другими словами, выбор того или иного профиля скважины обусловливает в значительной степени выбор способа бурения 5 ]

Транспортабельность ПБУ не зависит от металлоемкости и энерговооруженности оборудования и не влияет на выбор способа бурения , так как ее буксируют без демонтажа оборудования. [6 ]

Другими словами, выбор того или иного типа профиля скважины обусловливает в значительной степенивыбор способа бурения , типа долота, гидравлической программы бурения, параметров режима бурения и наоборот. [7 ]

Параметры качки плавучего основания следует определять расчетным путем уже на начальных стадиях проектирования корпуса, так как от этого зависит рабочий диапазон волнения моря, при котором возможна нормальная и безопасная работа, а также выбор способа бурения , систем и устройств для снижения влияния качки на рабочий процесс. Снижение качки может быть достигнуто рациональным подбором размеров корпусов, взаимным их расположением и применением пассивных и активных средств борьбы с качкой. [8 ]

Наиболее распространенным методом разведки и эксплуатации подземных вод остается бурение скважин и колодцев. Выбор способа бурения определяют: степень гидрогеологической изученности района, цель работ, требуемая достоверность получаемой геолого-гидрогеологической информации, технико-экономические показатели рассматриваемого способа бурения, стоимость 1 м3 добываемой воды, срок существования скважины. На выбор технологии бурения скважин влияют температура подземных вод, степень их минерализации и агрессивность по отношению к бетону (цементу) и железу. [9 ]

При бурении сверхглубоких скважин предупреждение искривления стволов имеет очень важное значение в связи с отрицательными последствиями кривизны скважины при ее углублении. Поэтому при выборе способов бурения сверхглубоких скважин , и особенно их верхних интервалов, внимание следует уделять сохранению вертикальности и прямолинейно-ти ствола скважины. [10 ]

Вопрос о выборе способа бурения должен решаться на основе технико-экономического обоснования. Основным показателем для выбора способа бурения является рентабельность - себестоимость 1 м проходки. [11 ]

Так, скорость вращательного бурения с промывкой глинистым раствором превышает скорость ударно-канатного бурения в 3 - 5 раз. Поэтому решающим фактором при выборе способа бурения должен быть экономический анализ. [12 ]

Технико-экономическая эффективность проекта на строительство нефтяных и газовых скважин во многом зависит от обоснованности процесса углубления и промывки. Проектирование технологии этих процессов включает в себя выбор способа бурения , типа породо-разрушающего инструмента и режимов бурения, конструкции бурильной колонны и компоновки ее низа, гидравлической программы углубления и показателей свойств бурового раствора, типов буровых растворов и необходимых количеств химических реагентов и материалов для поддержания их свойств. Принятие проектных решений обусловливает выбор типа буровой установки, зависящей, помимо этого, от конструкции обсадных колонн п географических условий бурения. [13 ]

Применение результатов решений задачи создает широкую возможность проведения глубокого, обширного анализа отработки долот в большом количестве объектов с самыми разнообразными условиями бурения. При этом возможна также подготовка рекомендаций по выбору способов бурения , забойных двигателей, буровых насосов и промывочной жидкости. [14 ]

В практике сооружения скважин на воду получили распространение следующие способы бурения: вращательный с прямой промывкой, вращательный с обратной промывкой, вращательный с продувкой воздухом и ударно-канатный. Условия применения различных способов бурения определяются собственно техническими и технологическими особенностями буровых установок, а также качеством работ по сооружению скважин. Следует отметить, что при выборе способа бурения скважин на воду необходимо учитывать не только скорость проходки скважин и технологичность метода, но и обеспечение таких параметров вскрытия водоносного пласта, при которых деформация пород в призабойной зоне наблюдается в минимальной степени и ее проницаемость не снижается в сравнении с пластовой. [1 ]

Значительно сложнее выбрать способ бурения для углубления вертикального ствола скважины. Если при разбуривании интервала, выбранного исходя из практики бурения с использованием буровых растворов, можно ожидать искривления вертикального ствола, то, как правило, применяют пневмоударники с соответствующим типом долота. Если искривления не наблюдается, то выбор способа бурения осуществляется следующим образом. Для мягких пород (мягкие сланцы, гипсы, мел, ангидриты, соль и мягкие известняки) целесообразно применять бурение электробуром с частотами вращения долота до 325 об / мин. По мере увеличения твердости горных пород способы бурения располагаются в следующей последовательности: объемный двигатель, роторное бурение и ударно-вращательное бурение. [2 ]

С точки зрения повышения скорости и снижения себестоимости сооружения скважин с ПБУ интересен способ бурения с гидротранспортом керна. Этот способ при исключении отмеченных выше ограничений его применения может использоваться при разведке россыпей с ПБУ на поисковой и поисково-оценочной стадиях геологоразведочных работ. Стоимость бурового оборудования независимо от способов бурения не превышает 10 % общей стоимости ПБУ. Поэтому изменение стоимости только бурового оборудования не оказывает существенного влияния на стоимость изготовления и обслуживания ПБУ и на выбор способа бурения . Увеличение стоимости ПБУ оправдано лишь в том случае, если оно улучшает условия работы, повышает безопасность и скорость бурения, сокращает количество простоев из-за метеоусловий, расширяет по времени сезон буровых работ. [3 ]

Выбор типа долота и режима бурения: критерии выбора, способы получения информации и ее обработки для установления оптимальных режимов, регулирования величины параметров .

Выбор долота производят на основе знания горных пород (г/п) слагающих данный интервал, т.е. по категории твердости и по категории абразивности г/п.

В процессе бурения разведочной, а иногда и эксплуатаци­нной скважины периодически отбираются породы в виде нетронутых целиков (кернов) для составления стратиграфи­еского разреза, изучения литологической характеристики пройденных пород, выявления содержания нефти, газа в порах пород и т. д.

Для извлечения на поверхность керна применяют колонковые долота (рис. 2.7). Состоит такое долото из бурильной головки 1 и колонкового набора, присоединенного к корпусу бурильной головки с помощью резьбы.

Рис. 2.7. Схема устройства колонкового долота: 1 - бурильная головка; 2 - керн; 3 - грунтоноска; 4 - корпус колонко­вого набора; 5 - шаровой клапан

В зависимости от свойств породы, в которой осуществляется бурение с отбором керна, применяют шарошечные, ал­мазные и твердосплавные бурильные головки.

Режим бурения - сочетание таких параметров, которые существенно влияют на показатели работы долота, которые бурильщик может изменить со своего пульта.

Pд [кН] – нагрузка на долото, n [об/мин] – частота вращения долота, Q [л/с] – расход(подача) пром. ж-ти, H [м] – проходка на долото, Vм [м/час] – мех. скорость проходки, Vср=H/tБ – средняя,

Vм(t)=dh/dtБ – мгновенная, Vр [м/час] – рейсовая скорость бурения, Vр=H/(tБ + tСПО + tВ), C [руб/м] – эксплуатационные затраты на 1м проходки, C=(Cд+Сч(tБ + tСПО + tВ))/H, Cд – себестоимость долота; Cч – стоимость 1часа работы бур. обор.

Этапы поиска оптимального режима - на стадии проектирования - оперативная оптимизация режима бурения - корректировка проектного режима с учетом инф., полученной в процессе бурения.

В процессе проектирования мы используем инф. полученную при бурении скв. в данном

регионе, в аналог. усл., данные по гоелог. разрезу скв., рекомендаций завода-изготовителя бур. инстр., рабочих хар-к забойных двигателей.

2 способа выбора долота на забое: графический и аналитический.

Шарошки в бурильной головке смонтированы таким обра­зом, чтобы порода в центре забоя скважины при бурении не разрушалась. Это создает условия для образования керна 2. Существуют четырёх-, шести- и далее восьмишарошечные бу­рильные головки, предназначенные для бурения с отбором керна в различных породах. Расположение породоразрушающих элементов в алмазных и твердосплавных бурильных го­ловках также позволяет разрушать горную породу только по периферии забоя скважины .

Образующаяся колонка породы поступает при углублении скважины в колонковый набор, состоящий из корпуса 4 и колонковой трубы (грунтоноски) 3. Корпус колонкового на­бора служит для соединения бурильной головки с бурильной колонной, размещения грунтоноски и защиты её от механи­ческих повреждений, а также для пропуска промывочной жидкости между ним и грунтоноской. Грунтоноска предназ­начена для приёма керна, сохранения его во время бурения и при подъеме на поверхность. Для выполнения этих функ­ций в нижней части грунтоноски устанавливаются кернорватели и кернодержатели, а вверху - шаровой клапан 5, про­пускающий через себя вытесняемую из грунтоноски жид­кость при заполнении её керном.

По способу установки грунтоноски в корпусе колонкового набора и в бурильной головке существуют колонковые доло­та со съемной и несъёмной грунтоноской.

Колонковые долота со съемной грунтоноской позволяют поднимать грунтоноску с керном без подъема бурильной ко­лонны. Для этого в бурильную колонну спускают на канате ловитель, с помощью которого извлекают из колонкового набора грунтоноску и поднимают ее на поверхность. Затем, используя этот же ловитель, спускают и устанавливают в корпусе колонкового набора порожнюю грунтоноску, и буре­ние с отбором керна продолжается.

Колонковые долота со съемной грунтоноской применяют при турбинном бурении, а с несъемной - при роторном.

Принципиальная схема опробования продуктивного горизонта с помощью пластоиспытателя на трубах.

Пластоиспытатели весьма широко используются в бурении и позволяют получить наибольший объем информации об опробуемом объекте. Современный отечественный пластоиспытатель состоит из следующих основных узлов: фильтра, пакера, собственно опробывателя с уравнительным и главным впускным клапанами, запорного клапана и циркуляционного клапана.

Принципиальная схема одноступенчатого цементирования. Изменение давления в цементировочных насосах, участвующих в этом процессе.

Одноступенчатый способ цементирования скважин наиболее распространен. При этом способе в заданный интервал подается тампонажный раствор за один прием.

Заключительный этап проведения буровых работ сопровождается процессом, который предполагает цементирование скважин. От того, насколько качественно будут проведены эти работы, зависит жизнеспособность всей конструкции. Основная цель, преследуемая в процессе проведения данной процедуры, заключается в замещении бурового раствора цементным, который имеет еще одно название – тампонажный раствор. Цементирование скважин предполагает введение состава, который должен затвердеть, превратившись в камень. На сегодняшний день существует несколько способов осуществления процесса цементирования скважин, наиболее часто используемому из них более 100 лет. Это одноступенчатое цементирование обсадной колонны, явленное миру в 1905 году и используемое сегодня лишь с некоторыми доработками.

Процесс цементирования

Технология осуществления цементирования скважин предполагает проведение 5 главных видов работ: первый – замешивание тампонажного раствора, второй – закачивание состава в скважину, третий – подача смеси выбранным методом в затрубное пространство, четвертый – затвердевание тампонажной смеси, пятый – проверка качества осуществленных работ.

Перед стартом работ должна быть составлена схема цементирования, которая имеет в основе технические расчеты процесса. Важно будет при этом взять во внимание горно-геологические условия; протяженность интервала, которому необходимо укрепление; характеристики конструкции скважинного ствола, а также его состояние. Следует использовать в процессе проведения расчетов и опыт осуществления таких работ в определенном районе.

Рисунок 1. Схема процесса одноступенчатого цементирования.

На рис. 1 можно увидеть изображение схем процесса одноступенчатого цементирования. «I» – старт подачи смеси в ствол. «II» – это подача смеси, нагнетаемой в скважину, когда раствор перемещается вниз по обсадной колонне, «III» – это старт продавливания тампонажного состава в затрубное пространство, «IV» – это заключительный этап продавливания смеси. На схеме 1 – манометр, который отвечает за контроль уровня давления; 2 – цементировочная головка; 3 – пробка, расположенная сверху; 4 – нижняя пробка; 5 – обсадная колонна; 6 – стены скважины; 7 – стоп-кольцо; 8 – жидкость, предназначенная для продавливания тампонажной смеси; 9 – буровой раствор; 10 – цементная смесь.

Принципиальна схема двухступенчатого цементирования с разрывом во времени. Достоинства и недостатки.

Ступенчатое цементирование с разрывом во времени.Интервал цементирования делят на две части, а в ок у границы раздела устанавливают специальную цементировочную муфту. Снаружи колонны над муфтой и под нею размещают центрирующие фонари. Сначала цем-ют нижнюю часть колонны. Для этого в колонну закачивают 1 порцию цр в объеме, необходимого для заполнения кп от башмака колонны до цементировочной муфты, затем продавочную жидкость. Для цементирования 1 ступени объём продавочной жидкости должен быть равен внутреннему объёму колонны. Закачав пж, сбрасывают в колонну шар. Под силой тяжести шар опускается вниз по колонне и садится на нижнюю втулку цементировочной муфты. Тогда вновь начинают закачивать пж в колонну: давление в ней над пробкой растёт, втулка смещается вниз до упора, а пж через открывшиеся отверстия выходит за колонну. Через эти отверстия скважину промывают, пока не затвердеет цементный раствор (от несколько часов до суток). После закачивают 2 порцию цр, освобождая верхнюю пробку и вытесняют раствор 2 порцией пж. Пробка, достигнув втулки, укрепляется с помощью штифтов в корпусе цементировочной муфты, сдвигает её вниз; при этом втулка закрывает отверстия муфты и разобщает полость колонны от кп. После затвердения пробку разбуривают. Место установки муфты выбирают в зависимости от причин, побудивших прибегнуть к ступ цементированию. В газовых скважинах цементировочная муфта устанавливается на 200-250м выше кровли продуктивного горизонта. Если при цементировании скважины существует опасность поглощения, место установки муфты рассчитывают так, чтобы сумма гидродинамиеских давлений и статическое давление столба растворов в заколонном пространстве была меньше давления разрыва слабого пласта. Всегда цементировочную муфту следует размещать против устойчивых не проницаемых пород и центрировать фонарями. Применяют:а) если при одноступенчатом цементировании неизбежно поглощение раствора; б) если вскрыт пласт с АВД и в период схватывания р-ра после одноступенатого цементирования могут возникнуть перетоки и газопроявления; в) если для одноступенчатого цементирования требуется одновременное участие в операции большого числа цементных насосов и смесительных машин. Недостатки: большой разрыв во времени между окончанием цементирования нижнего участка и началом цементирования верхнего. Этот недостаток можно в основном устранить, установив на ок, ниже цементировоной муфты, наружный пакер. Если по окончании цементирования нижней ступени заколонное пространство скважины герметизировать пакером, то можно сразу же приступить к цементировке верхнего участка.

Принципы расчета обсадной колонны на прочность при осевом растяжении для вертикальных скважин. Специфика расчета колонн для наклонных и искривленных скважин.

Расчет обсадной колонны начинают с определения избыточных наружных давлений. [1 ]

Расчет обсадных колонн проводят при проектировании с целью выбора толщин стенок и групп прочности материала обсадных труб, а так же для проверки соответствия заложенных при проектировании нормативных коэффициентов запаса прочности ожидаемым с учетом сложившихся геологических, технологических, конъюнктурных условий производства. [2 ]

Расчет обсадных колонн с трапецеидальной резьбой на растяжение проводят, исходя из допустимой нагрузки. При спуске обсадных колонн секциями за длину колонны принимают длину секции. [3 ]

Расчет обсадной колонны включает определение факторов, влияющих на повреждение обсадных труб, и выбор наиболее приемлемых марок стали для каждой определенной операции с точки зрения надежности и экономичности. Конструкция обсадной колонны должна отвечать требованиям, предъявляемым к колонне при заканчивании и эксплуатации скважины. [4 ]

Расчет обсадных колонн для наклонно-направленных скважин отличается от принятого для вертикальных скважин выбором запаса прочности на растяжение в зависимости от интенсивности искривления ствола скважины, а также определением наружных и внутренних давлений, в котором положение характерных для наклонной скважины точек определяется по ее вертикальной проекции.

Расчет обсадных колонн производят по максимальным значениям избыточных наружных и внутренних давлений, а также осевых нагрузок (при бурении, опробовании, эксплуатации, ремонте скважин), при этом учитывают раздельное и совместное их действие.

Основное отличие расчета обсадных колонн для наклонно направленных скважин от расчета для вертикальных скважин заключается в определении запаса прочности на растяжение, который производится в зависимости от интенсивности искривления ствола скважины, а также расчета наружных и внутренних давлений с учетом удлинения ствола скважины

Выбор обсадных труб и расчет обсадных колонн на прочность проводятся с учетом максимальных ожидаемых избыточных наружных и внутренних давлений при полном замещении раствора пластовым флюидом, а также осевых нагрузок на трубы и агрессивности флюида на стадиях строительства и эксплуатации скважины на основании действующих конструкций.

Основными нагрузками при расчете колонны на прочность являются осевые растягивающие нагрузки от собственного веса, а также наружное и внутреннее избыточное давления при цементировании и эксплуатации скважины. Кроме того, на колонну действуют и другие нагрузки:

· осевые динамические нагрузки в период неустановившегося движения колонны;

· осевые нагрузки от сил трения колонны о стенки скважины в процессе ее спуска;

· сжимающие нагрузки от части собственного веса при разгрузке колонны на забой;

· изгибающие нагрузки, возникающие в искривленных скважинах.

Расчет эксплуатационной колонны для нефтяной скважины

Условные обозначения, принятые в формулах:

Расстояние от устья скважины до башмака колонны, м L

Расстояние от устья скважины до тампонажного раствора, м h

Расстояние от устья скважины до уровня жидкости в колонне, м Н

Плотность опрессовочной жидкости, г/см 3 r ОЖ

Плотность бурового раствора за колонной, г/см 3 r БР

Плотность жидкости в колонне r В

Плотность тампонажного цементного раствора за колонной r ЦР

Давление избыточное внутреннее на глубине z, МПа Р ВИz

Давление избыточное наружное на глубине z Р НИz

Давление избыточное критическое наружное, при котором напряжение

Давление в теле трубы достигает предела текучести Р КР

Давление пластовое на глубине z Р ПЛ

Давление опрессовки

Общий вес колонны подобранных секций, Н (МН) Q

Коэффициент разгрузки цементного кольца k

Коэффициент запаса прочности при расчете на наружное избыточное давление n КР

Коэффициент запаса прочности при расчете на растяжение n СТР

Рисунок 69. Схема цементирования скважины

При h > Н Определяем избыточные наружные давления (на стадии окончания эксплуатации) для следующих характерных точек.

1: z = 0; Р н.иz = 0,01ρ б.р * z; (86)

2: z = H; Р н.и z = 0,01ρ б. р * H, (МПа); (87)

3: z = h; Р н.и z ={0,01 [ρ б.p h - ρ в (h - Н)]}, (МПа); (88)

4: z = L; Р н.и z = {0,01 [(ρ ц.р - ρ в) L - (ρ ц. р - ρ б. р) h + ρ в H)] (1 - k), (МПа). (89)

Строим эпюру ABCD (рисунок 70). Для этого в горизон­тальном направлении в приня­том масштабе откладываем зна­ченияρ н.и z в точках1 -4 (см. схему) и эти точки после­довательно соединяем между собой прямолинейными отрез­ками

Рисунок 70. Эпюры наружных и внутренних

избыточных давлений

Определяем избыточные вну­тренние давления из условия испытания обсадной колонны на герметичность в один прием без пакера.

Давление на устье: Р у = Р пл - 0,01ρ в L (МПа). (90)

Основные факторы, влияющие на качество цементирования скважин и характер их влияния.

Качество разобщения проницаемых пластов путем цементирования зависит от следующих групп факторов: а) состава тампонирующей смеси; б) состава и свойств тампонажного раствора; в) способа цементирования; г) полноты замещения продавочной жидкости тампонажным раствором в заколонном пространстве скважины; д) прочности и герметичности сцепления тампонажного камня с обсадной колонной и стенками скважины; е) использования дополнительных средств для предотвращения возникновения фильтрации и образования суффозионных каналов в тампонажном растворе в период загустевания и схватывания; ж) режима покоя скважины в период загустевания и схватывания тампонажного раствора.

Принципы расчета необходимых количеств тампонажных материалов, смесительных машин и цементировочных агрегатов для приготовления и закачки тампонажного раствора в обсадную колонну. Схема обвязки цементировочной техники.

Необходимо произвести расчет цементирования для следующих условий:

- коэффициент резерва на высоте подъема цементного раствора, вводимый для компенсации факторов, которые не поддаются учету (определяют статистическим путем по данным цементирования предыдущих скважин); и- соответственно средний диаметр скважины и наружный диаметр эксплуатационной колонны, м;- длина участка цементирования, м;- средний внутренний диаметр эксплуатационной колонны, м;- высота (длина) цементного стакана, оставляемого в колонне, м.;- коэффициент запаса продавочной жидкости, учитывающий ее сжимаемость,- =1,03;- - коэффициент, учитывающий потери цемента при погрузочно-разгрузочных работах и приготовлении раствора;- - - плотность цементного раствора, кг/ м3;– плотность бурового раствора, кг/ м3; n- относительное водосодержание;- плотность воды, кг/ м3;- насыпная плотность цемента, кг/ м3;

Объем тампонажного раствора, необходимого для цементирования заданного интервала скважины (м3): Vц.p.=0,785*kp*[(2-dн2)*lц+d02*hс]

Объем продавочной жидкости: Vпр=0,785* - *d2*(Lc-);

Объем буферной жидкости: Vб=0,785*(2-dн2)*lб;

Масса тампонажного портландцемента: Мц= - **Vцр/(1+n);

Объем воды для приготовления тампонажного раствора, м3: Vв= Мц*n/(kц*pв);

Сухой тампонажный материал до начала цементирования загружают в бункеры смесительных машин, необходимое число которых: nс= Мц/Vсм, где Vсм - объем бункера смесительной машины.

Способы оборудования нижнего участка скважины в зоне продуктивного пласта. Условия, при которых возможно применение каждого из этих способов.

1. Продуктивную залежь пробуривают, не перекрывая предварительно вышележащие породы специальной колонной обсадных труб, затем спускают до забоя обсадную колонну и цементируют. Для сообщения внутренней полости обсадной колонны с продуктивной залежью ее перфорируют, т.е. в колонне простреливают большое число отверстий. Метод имеет следующие достоинства: прост в реализации; позволяет селективно сообщать скважину с любым пропластком продуктивной залежи; стоимость собственно буровых работ может быть меньше, чем при других методах вхождения.

2. Предварительно до кровли продуктивной залежи спускают и цементируют обсадную колонну, изолируя вышележащие породы. Затем продуктивную залежь пробуривают долотами меньшего диаметра и оставляют ствол скважины ниже башмака обсадной колонны открытым. Метод применим только в случае, если продуктивная залежь сложена устойчивыми породами и насыщена только одной жидкостью; он не позволяет селективно эксплуатировать какой-либо пропласток.

3. Отличается от предыдущего тем, что ствол скважины в продуктивной залежи перекрывают фильтром, который подвешивают в обсадной колонне; пространство между фильтром и колонной часто изолируют пакером. Метод имеет те же достоинства и ограничения, что и предыдущий. В отличие от предыдущего, его можно принять в тех случаях, когда продуктивная залежь сложена породами, недостаточно устойчивыми при эксплуатации.

4. Скважину обсаживают колонной труб до кровли продуктивной залежи, затем разбуривают последнюю и перекрывают хвостовиком. Хвостовик цементируют по всей длине, а затем перфорируют против заданного интервала. При таком методе можно избежать существенного загрязнения коллектора, выбирая промывочную жидкость только с учетом ситуации в самой залежи. Он допускает селективную эксплуатацию различных пропластков и позволяет быстро и с минимальными затратами средств осваивать скважину.

5. Отличается от первого метода лишь тем, что в скважину после разбуривания продуктивной залежи спускают обсадную колонну, нижний участок которой заранее составлен из труб с щелевыми отверстиями, и тем, что цементируют лишь выше кровли продуктивной залежи. Перфорированный участок колонны размещают против продуктивной залежи. При этом методе обеспечить селективную эксплуатацию того или иного пропластка нельзя.

Факторы, учитываемые при выборе тампонажного материала для цементирования конкретного интервала скважины.

Выбор тампонажных материалов для цементирования обсадных колонн обусловливается литофациальной характеристикой разреза, и основными факторами, определяющими состав тампонажного раствора, являются температура, пластовое давление, давление гидроразрыва, наличие солевых отложений, вид флюида и др. В общем случае тампонажный раствор состоит из тампонажного цемента, среды затворения, реагентов- ускорителей и замедлителей сроков схватывания, реагентов- понизителей показателя фильтрации и специальных добавок. Тампонажный цемент выбирают следующим образом: по температурному интервалу, по интервалу измерения плотности тампонажного раствора, по видам флюида и отложениям в интервале цементирования уточняют марку цементов. Среду затворения выбирают в зависимости от наличия солевых отложений в разрезе скважины или степени минерализации пластовых вод. Для предотвращения преждевременного загустевания тампонажного раствора и обводнения продуктивных горизонтов необходимо снизить показатель фильтрации тампонажного раствора. В качестве понизителей этого показателя применяют НТФ, гипан, КМЦ, ПВС-ТР. Для повышения термостойкости химических добавок, структурирования дисперсионных систем и снятия побочных эффектов при использовании некоторых реагентов применяют глину, каустическую соду, хлористый кальций и хроматы.

Выбор колонкового набора для получения качественного керна.

Керноприемный инструмент - инструмент, обеспечивающий прием, отрыв от массива г/п и сохранение керна в процессу бурения и во время транспортировки по скв. вплоть до извлечения его на пов-ть для исслед. Разновидности: - Р1 - для роторного бурения со сьемным(извлекаемым по БТ) керноприемником, - Р2 – несьемным керноприемником, - Т1 – для турбинного бурения со сьемным керноприемником, - Т2 – с несьемным керноприемником. Типы: - для отбора керна из массива плотных г/п (двойной колонковый снаряд с керноприемником, изолир. от протоков ПЖ и вращающийся вместе с корпусом снаряда), - для отбора керна в г/п трещиноватых, перемятых, или перемежающихся по плотности и твердости (невращ. керноприемн., подвешенный на одном или нескольк. подшипниках и надежными керноотрывателями и кернодержателями), - для отбора керна в сыпучих г/п, легко разр. и размыв. ПЖ (должно обеспечивать полную герметизацию керна и перекрытие керноприемного отверстия в конце бурения)

Конструктивные особенности и области применения бурильных труб.

Трубы бурильные ведущие служат для передачи вращения от ротора к бурильной колонне. Бурильные трубы обычно имеют квадратное или шестигранное сечение. Они выполняются в двух вариантах: сборными и цельными. Трубы бурильные с высаженными концами бывают с высаженными наружу и внутрь. Бурильные трубы с приваренными соединительными концами изготавливают двух типов: ТБПВ – с приваренными соединительными концами по высаженной наружу части и ТБП – с приваренными соединительными концами по не высаженной наружу части.Бурильные трубы с блокирующими поясками ТББ отличаются от стандартных труб с высаженными внутрь концами наличием блокирующих поясков на концах трубы, цилиндрической резьбы с шагом 4 мм, упорного соединения трубы с замком, тугого сопряжения с замком. Бурильные трубы со стабилизирующими поясками отличаются от стандартных труб наличием гладких участков трубы непосредственно за навинченными ниппелем и муфтой замка и стабилизирующих уплотнительных поясков на замках, конической (1:32) трапецеидальной резьбы с шагом 5,08 мм с сопряжением по внутреннему диаметру……….

Принципы расчета бурильной колонны при бурении забойным двигателем .

Расчет БК при бурении ЗД прямолинейно-наклонного участка наклонно-направленной скв

Qпрод=Qcosα; Qнорм=Qsinα; Fтр=μQн=μQsinα;(μ~0.3);

Pпрод=Qпрод+Fтр=Q(sinα+μsinα)

LI>=Lзд+Lубт+Lнк+lI1+…+l1n Если нет, то lIny=LI-(Lзд+Lубт+Lнк+lI1+…+l1(n-1))

Расчет БК при бурении ЗД искривленного участка наклонно-направленной скв.

II

Pи=FIIтр+QIIпроек QIIпроек=|goR(sinαк-sinαн)|

Pи=μ|±2goR2(sinαк-sinαн)-goR2sinαкΔα±PнΔα|+|goR2(sinαк-sinαн)|

Δα=-- Если>, тоcos “+”

“-Pн“ – при наборе кривизны “+Pн” – при сбросе кривизны

считается, что на участке БК состоит из одной секции =πα/180=0.1745α

Принципы расчета бурильной колонны при бурении роторным способом.

Статический расчет, когда не учитываются знакопеременные циклические напряжения, а учитываются постоянные напряжения изгиба и кручения

На достаточную прочность или выносливость

Статический расчет для вертикальных скв:

;

Kз=1,4 – при норм. усл. Kз=1,45 – при осложн. усл.

для наклонных участков

;

;

Режим бурения. Методика его оптимизации

Режим бурения - сочетание таких параметров, которые существенно влияют на показатели работы долота и которые буровик может изменить со своего пульта.

Pд [кН] – нагрузка на долото, n [об/мин] – частота вращения долота, Q [л/с] – расход(подача) пром. ж-ти, H [м] – проходка на долото, Vм [м/час] – мех. скорость проходки, Vср=H/tБ – средняя, Vм(t)=dh/dtБ – мгновенная, Vр [м/час] – рейсовая скорость бурения, Vр=H/(tБ + tСПО + tВ), C [руб/м] – эксплуатационные затраты на 1м проходки, C=(Cд+Сч(tБ + tСПО + tВ))/H, Cд – сибестоимость долота; Cч – стоимость 1часа работы бур. обор. Оптимизация режима бурения: maxVp – развед. скв., minC – экспл. скв..

(Pд, n, Q)опт=minC, maxVр

C=f1(Pд, n, Q) ; Vp=f2(Pд, n, Q)

Этапы поиска оптимального режима - на стадии проектирования - оперативная оптимизация режима бурения - корректировка проектного режима с учетом инф., полученной в процессе бурения

В процессе проектирования мы используем инф. полученную при бурении скв. в данном регионе, в аналог. усл., данные по гоелог. разрезу скв., рекомендаций завода-изготовителя бур. инстр., рабочих хар-к забойных двигателей.

2 способа выбора tопт долота на забое:

- графический tgα=dh/dt=Vм(t)=h(t)/(tопт+tсп+tв) - аналитический

Классификация методов возбуждения притока при освоении скважин.

Под освоением подразумевают комплекс работ по вызову притока жидкости из продуктивного пласта, очистке приствольной зоны от загрязнения и обеспечению условий для получения возможно более высокой продуктивности скважины.

Чтобы получить приток из продуктивного горизонта, необходимо давление в скважине снизить значительно ниже пластового. Существуют разные способы снижения давления, основанные либо на замене тяжелой промывочной жидкости на более легкую, либо на плавном или резком понижении уровня жидкости в эксплуатационной колонне. Для вызова притока из пласта, сложенного слабоустойчивыми породами, применяют способы плавного уменьшения давления или с небольшой амплитудой колебания давлений, чтобы не допустить разрушения коллектора. Если же продуктивный пласт сложен весьма прочной породой, то часто наибольший эффект получают при резком создании больших депрессий. При выборе способа вызова притока, величины и характера создания депрессии необходимо учитывать устойчивость и структуру породы коллектора, состав и свойства насыщающих его жидкостей, степень загрязнения при вскрытии, наличие близрасположенных сверху и снизу проницаемых горизонтов, прочность обсадной колонны и состояние крепи скважины. При очень резком создании большой депрессии возможно нарушение прочности и герметичности крепи, а при кратковременном, но сильном увеличении давления в скважине - поглощение жидкости в продуктивный пласт.

Замена тяжелой жидкости на более легкую. Колонну НКТ спускают почти до забоя, если продуктивный пласт сложен хорошо устойчивой породой, или примерно до верхних отверстий перфорации, если порода недостаточно устойчива. Замену жидкости обычно ведут способом обратной циркуляции: передвижным поршневым насосом в межтрубное пространство закачивают жидкость, плотность которой меньше плотности промывочной жидкости в эксплуатационной колонне. По мере того, как более легкая жидкость заполняет межтрубное пространство и вытесняет более тяжелую жидкость в НКТ, давление в насосе возрастает. Оно достигает максимума в тот момент, когда легкая жидкость подходит к башмаку НКТ. p умт =(р пр -р ож)qz нкт +p нкт +p мт, где p пр и p ож -плотности тяжелой и облегченной жидкостей, кг/м; z нкт -глубина спуска колонны НКТ, м; p нкт и p мт -гидравлические потери в колонне НКТ и в межтрубном пространстве, Па. Это давление не должно превышать давления опрессовки эксплуатационной колонны p умт < p оп.

Если же порода слабоустойчива, величину снижения плотности за один цикл циркуляции уменьшают еще более, порою до p -p = 150-200 кг/м3. При планировании работ по вызову притока следует учитывать это и заблаговременно готовить емкости с запасом жидкостей соответствующих плотностей, а также оборудование для регулирования плотности.

При закачивании более легкой жидкости следят за состоянием скважины по показаниям манометров и по соотношению расходов закачиваемой в межтрубное пространство и вытекающей из НКТ жидкостей. Если расход выходящей жидкости увеличивается, это признак начавшегося притока из пласта. В случае быстрого увеличения расхода на выходе из НКТ и падения давления в межтрубном пространстве выходящий поток направляют через линию со штуцером.

Если замены тяжелой промывочной жидкости на чистую воду или дегазированную нефть недостаточно для получения устойчивого притока из пласта, прибегают к другим способам увеличения депрессии или стимулирующего воздействия.

Когда коллектор сложен слабоустойчивой породой, дальнейшее снижение давления возможно заменой воды или нефти газожидкостной смесью. Для этого к межтрубному пространству скважины подсоединяют поршневой насос и передвижной компрессор. После промывки скважины до чистой воды регулируют подачу насоса так, чтобы давление в нем было значительно ниже допустимого для компрессора, а скорость нисходящего потока была на уровне примерно 0,8-1 м/с, и включают компрессор. Поток воздуха, нагнетаемого компрессором, смешивается в аэраторе с потоком воды, подаваемой насосом, и в межтрубное пространство поступает газожидкостная смесь; давления в компрессоре и насосе при этом начнут возрастать и достигнуть максимума в момент, когда смесь подойдет к башмаку НКТ. По мере продвижения газожидкостной смеси по колонне НКТ и вытеснения негазированной воды давления в компрессоре и насосе будут снижаться. Степень аэрации и уменьшения статического давления в скважине увеличивают небольшими ступенями после завершения одного-двух циклов циркуляции так, чтобы давление в межтрубном пространстве у устья не превышало допустимого для компрессора.

Существенный недостаток этого способа - необходимость поддержания достаточно больших расходов воздуха и воды. Значительно сократить расход воздуха и воды и обеспечить эффективное уменьшение давления в скважине можно при использовании вместо водо-воздушной смеси двухфазной пены. Такие пены готовят на основе минерализованной воды, воздуха и подходящего пенообразующего ПАВ.

Снижение давления в скважине с помощью компрессора. Для вызова притока из пластов, сложенных прочными, устойчивыми породами широко применяют компрессорный способ снижения уровня жидкости в скважине. Сущность одной из разновидностей этого способа такова. Передвижным компрессором нагнетают воздух в межтрубное пространство с таким расчетом, чтобы возможно глубже оттеснить уровень жидкости в нем, аэрировать жидкость в НКТ и создать депрессию, необходимую получения притока из продуктивного пласта. Если статический уровень жидкости в скважине перед началом операции находится у устья, глубину, до которой можно оттеснить уровень в межтрубном пространстве при нагнетании воздуха.

Если z сн > z нкт, то нагнетаемый компрессором воздух прорвется в НКТ и начнет аэрировать жидкость в них, как только уровень в межтрубном пространстве опустится до башмака НКТ.

Если же z сн > z нкт, то предварительно при спуске НКТ в скважин в них устанавливают специальные пусковые клапаны. Верхний пусковой клапан устанавливают на глубине z" пуск = z" сн - 20м. При нагнетании воздуха компрессором пусковой клапан откроется в тот момент, когда давления в НКТ и в межтрубном пространстве на глубине его установки сравняются; при этом воздух начнет выходить через клапан в НКТ и аэрировать жидкость, а давления в межтрубном пространстве и в НКТ будут снижаться. Если после снижения давления в скважине приток из пласта не начнется и практически вся жидкость из НКТ выше клапана будет вытеснена воздухом, клапан закроется, давление в межтрубном пространстве вновь будет возрастать, а уровень жидкости опускаться до следующего клапана. Глубину z"" установки следующего клапана можно найти из уравнения если положить в нем z =z"" + 20 и z ст = z" сн.

Если перед началом операции статический уровень жидкости в скважине расположен значительно ниже устья, то при нагнетании воздуха в межтрубное пространство и оттеснении уровня жидкости до глубины z сн давление на продуктивный пласт возрастает, что может вызвать поглощение части жидкости в него. Предотвратить поглощение жидкости в пласт можно, если на нижнем конце колонны НКТ установить пакер, а внутри НКТ - специальный клапан и с помощью этих устройств отделить зону продуктивного пласта от остальной части скважины. В этом случае при нагнетании воздуха в межтрубное пространство давление на пласт будет оставаться неизмененным до тех пор пока давление в колонне НКТ над клапаном не понизится ниже пластового. Как только депрессия окажется достаточной для притока пластовой жидкости, клапан приподнимется и пластовая жидкость начнет подниматься по НКТ.

После получения притока нефти или газа скважина должна в течение некоторого времени поработать с возможно большим дебитом, чтобы из приствольной зоны можно было удалить проникшую туда промывочную жидкость и ее фильтрат, а также другие илистые частицы; дебит при этом регулируют так, чтобы не началось разрушение коллектора. Периодически отбирают пробы вытекающей из скважины жидкости с целью изучения состава и свойств ее и контроля за содержанием в ней твердых частиц. По уменьшению содержания твердых частиц судят о ходе очистки приствольной зоны от загрязнения.

Если, несмотря на создание большой депрессии, дебит скважины оказывается низким, то обычно прибегают к различным способам стимулирующего воздействия на пласт.

Классификация методов интенсификации притока в процессе освоения скважины.

Исходя из анализа управляемых факторов, можно построить классификацию методов искусственного воздействия как на пласт в целом, так и на призабойную зону каждой конкретной скважины. По принципу действия все методы искусственного воздействия делятся на следующие группы:

1. Гидрогазодинамические.

2. Физико-химические.

3. Термические.

4. Комбинированные.

Среди методов искусственного воздействия на пласт наибольшее распространение получили гидрогазодинамические методы, связанные с управлением величиной пластового давления путем закачки в залежь различных флюидов. Сегодня более 90% добываемой в России нефти связано с методами регулирования пластового давления путем закачки в залежь воды, называемыми методами поддержания пластового давления (ППД) заводнением. На ряде месторождений ППД осуществляется закачкой газа.

Анализ разработки месторождений показывает, что если пластовое давление невысоко, контур питания достаточно удален от скважин или режим дренирования не является активным, темпы извлечения нефти могут оказаться достаточно низкими; низким оказывается и коэффициент нефтеотдачи. Во всех этих случаях использование той или иной системы ППД является необходимым.

Таким образом, основные проблемы управления процессом выработки запасов путем искусственного воздействия на пласт связаны с изучением заводнения.

Существенно более широким спектром возможностей обладают методы искусственного воздействия на призабойные зоны скважины. Воздействие на ПЗС осуществляется уже на стадии первичного вскрытия продуктивного горизонта в процессе строительства скважины, которое, как правило, приводит к ухудшению свойств призабойной зоны. Наибольшее распространение получили методы воздействия на призабойную зону в процессе эксплуатации скважин, которые, в свою очередь, делятся на методы интенсификации притока или приемистости и на методы ограничения или изоляции притока воды (ремонтно-изоляционные работы - РИР).

Классификация методов воздействия на ПЗС с целью интенсификации притока или приемистости представлена в табл. 1 , а для ограничения или изоляции водопритоков - в табл. 2 . Совершенно очевидно, что приведенные таблицы, являясь достаточно полными, содержат только наиболее апробированные на практике методы искусственного воздействия на ПЗС. Они не исключают, а наоборот, предполагают необходимость дополнений как по методам воздействия, так и по используемым материалам.

Прежде чем перейти к рассмотрению методов управления процессом выработки запасов, отметим, что объектом изучения является сложная система, состоящая из залежи (нефтенасыщенная зона и область питания) со своими коллекторскими свойствами и насыщающими флюидами и определенного количество скважин, системно размещенных на залежи. Эта система является единой в гидродинамическом отношении, откуда следует, что любое изменение в каком-либо ее элементе автоматически приводит к соответствующему изменению в работе всей системы, т.е. данная система авторегулируема.

Опишите технические средства для получения оперативной информации в процессе бурения.

Информационное обеспечение процесса бурения нефтяных и газовых скважин является наиболее важным звеном в процессе строительства скважин, особенно при введении в разработку и освоении новых нефтегазовых месторождений.

Требования к информационному обеспечению строительства нефтегазовых скважин в данной ситуации заключаются в переводе информационных технологий в разряд информационно-обеспечивающих и информационно-воздействующих, при которых информационное сопровождение наряду с получением необходимого объема информации давало бы дополнительный экономический, технологический, или иной эффект . К данным технологиям следует отнести следующие комплексные работы:

контроль наземных технологических параметров и выбор наиболее оптимальных режимов бурения (например, выбор оптимальных нагрузок на долото, обеспечивающих высокую скорость проходки);

забойные измерения и каротаж в процессе бурения (MWD и LWD-системы);

измерения и сбор информации, сопровождаемые одновременным управлением технологическим процессом бурения (управление траекторией горизонтальной скважины с помощью управляемых забойных ориентаторов по данным забойных телеизмерительных систем).

В информационном обеспечении процесса строительства скважин особенно важную роль играют геолого-технологические исследования (ГТИ) . Основной задачей службы ГТИ являются изучение геологического строения разреза скважин, выявление и оценка продуктивных пластов и повышение качества строительства скважин на основе получаемой в процессе бурения геолого-геохимической, геофизической и технологической информации. Оперативная информация, получаемая службой ГТИ, имеет большое значение при бурении разведочных скважин в малоизученных регионах со сложными горно-геологическими условиями, а также при проводке наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Однако в связи с новыми требованиями к информационному обеспечению процесса бурения задачи, решаемые службой ГТИ, могут быть значительно расширены. Высококвалифицированный операторский состав партии ГТИ, работающий на буровой, на протяжении всего цикла строительства скважины при наличии соответствующих аппаратурно-методических средств и программного обеспечения в состоянии решить практически полный комплекс задач информационного сопровождения процесса бурения:

геолого-геохимические и технологические исследования;

обслуживание и работа с телеизмерительными системами (MWD и LWD-системы);

обслуживание автономных систем измерения и каротажа, спускаемых на трубах;

контроль параметров бурового раствора;

контроль качества крепления скважины;

исследования пластового флюида при опробовании и испытании скважин;

каротаж на кабеле;

супервайзинговые услуги и т. д.

В ряде случаев совмещение этих работ в партиях ГТИ является экономически более выгодным и позволяет экономить на непроизводительных затратах по содержанию специализированных, узконаправленных геофизических партий, минимизировать транспортные расходы.

Однако технических и программно–методических средств, позволяющих объединить перечисленные работы в единую технологическую цепочку в станции ГТИ, в настоящее время нет.

Поэтому возникла необходимость разработки более совершенной станции ГТИ нового поколения, которая позволит расширить функциональные возможности станции ГТИ. Рассмотрим основные направления работ при этом.

Основные требования к современной станции ГТИ - это надежность, многофункциональность, модульность и информативность.

Структура станции приведена на рис. 1. Она построена на принципе распределенных удаленных систем сбора, которые объединены между собой с использованием стандартного последовательного интерфейса. Основными низовыми системами сбора являются концентраторы, предназначенные для развязки последовательного интерфейса и подключения через них отдельных составных частей станции: модуля газового каротажа, модуля геологических приборов, цифровых или аналоговых датчиков, информационных табло. Через такие же концентраторы к системе сбора (на регистрирующий компьютер оператора) подключаются и другие автономные модули и системы - модуль контроля качества крепления скважин (блок манифольда), наземные модули забойных телеизмерительных систем, систем регистрации геофизических данных типа «Гектор» или «Вулкан» и т.д.

Рис. 1. Упрощенная структурная схема станции ГТИ

Концентраторы одновременно должны обеспечивать гальваническую развязку цепей связи и питания. В зависимости от возложенных на станцию ГТИ задач количество концентраторов может быть разным - от нескольких единиц до нескольких десятков штук. Программное обеспечение станции ГТИ обеспечивает полную совместимость и слаженную работу в единой программной среде всех технических средств.

Датчики технологических параметров

Датчики технологических параметров, используемые в станциях ГТИ, являются одной из самых важных составных частей станции. От точности показаний и надежности работы датчиков во многом зависит эффективность службы ГТИ при решении задач по контролю и оперативному управлению процессом бурения. Однако из-за тяжелых условий эксплуатации (широкий диапазон температур от –50 до +50 ºС, агрессивная среда, сильные вибрации и т.д.) датчики остаются самым слабым и ненадежным звеном в составе технических средств ГТИ.

Применяемые в производственных партиях ГТИ датчики в большинстве своем были разработаны в начале 90-х годов с использованием отечественной элементной базы и первичных измерительных элементов отечественного производства. Причем из-за отсутствия выбора использовались общедоступные первичные преобразователи, которые не всегда отвечали жестким требованиям работы в условиях буровой. Этим и объясняется недостаточно высокая надежность применяемых датчиков.

Принципы измерения датчиков и их конструктивные решения выбраны применительно к отечественным буровым установкам старого образца, и поэтому на современные буровые установки и тем более на буровые установки иностранного производства их монтаж затруднителен.

Из вышесказанного следует, что разработка нового поколения датчиков чрезвычайно актуальна и своевременна.

При разработке датчиков ГТИ одним из требований является их адаптация ко всем существующим на российском рынке буровым установкам.

Наличие широкого выбора первичных преобразователей высокой точности и высокоинтегрированных малогабаритных микропроцессоров позволяет разработать высокоточные, программируемые датчики с большими функциональными возможностями. Датчики имеют однополярное напряжение питания и одновременно цифровой и аналоговый выходы. Калибровка и настройка датчиков производятся программно из компьютера со станции, предусмотрены возможность программной компенсации температурной погрешности и линеаризация характеристик датчиков. Цифровая часть электронной платы для всех типов датчиков однотипная и отличается только настройкой внутренней программы, что делает ее унифицированной и взаимозаменяемой при ремонтных работах. Внешний вид датчиков приведен на рис. 2.

Рис. 2. Датчики технологических параметров

Датчик нагрузки на крюке имеет ряд особенностей (рис. 3). Принцип действия датчика основан на измерении силы натяжения талевого каната на "мертвом" конце с применением тензометрического датчика усилий. Датчик имеет встроенный процессор и энергонезависимую память. Вся информация регистрируется и хранится в этой памяти. Объем памяти позволяет сохранить месячный объем информации. Датчик может комплектоваться автономным источником питания, который обеспечивает работу датчика при отключении внешнего источника питания.

Рис. 3. Датчик веса на крюке

Информационное табло бурильщика предназначено для отображения и визуализации информации, получаемой от датчиков. Внешний вид табло представлен на рис. 4.

На лицевой панели пульта бурильщика расположены шесть линейных шкал с дополнительной цифровой индикацией для отображения параметров: крутящий момент на роторе, давление ПЖ на входе, плотность ПЖ на входе, уровень ПЖ в емкости, расход ПЖ на входе, расход ПЖ на выходе. Параметры веса на крюке, нагрузки на долото по аналогии с ГИВ отображены на двух круговых шкалах с дополнительным дублированием в цифровом виде. В нижней части табло расположены одна линейная шкала для отображения скорости бурения, три цифровых индикатора для отображения параметров - глубина забоя, положение над забоем, газосодержание. Алфавитно-цифровой индикатор предназначен для вывода текстовых сообщений и предупреждений.

Рис. 4. Внешний вид информационного табло

Геохимический модуль

Геохимический модуль станции включает газовый хроматограф, анализатор суммарного газосодержания, газовоздушную линию и дегазатор бурового раствора.

Наиболее важной составной частью геохимического модуля является газовый хроматограф. Для безошибочного, четкого выделения продуктивных интервалов в процессе их вскрытия нужен очень надежный, точный, высокочувствительный прибор, позволяющий определять концентрацию и состав предельных углеводородных газов в диапазоне от 110 -5 до 100 %. Для этой цели для комплектации станции ГТИ разработан газовый хроматограф «Рубин» (рис. 5) (см. статью настоящего выпуска НТВ).

Рис. 5. Полевой хроматограф «Рубин»

Чувствительность геохимического модуля станции ГТИ может быть увеличена также путем увеличения коэффициента дегазации бурового раствора.

Для выделения забойного газа, растворенного в буровом растворе, используются дегазаторы двух типов (рис. 6):

поплавковые дегазаторы пассивного действия;

дегазаторы активные с принудительным дроблением потока.

Поплавковые дегазаторы просты и надежны в эксплуатации, однако обеспечивают коэффициент дегазации не более 1-2 %. Дегазаторы с принудительным дроблением потока могут обеспечить коэффициент дегазации до 80-90 %, но менее надежны и требуют постоянного контроля.

Рис. 6. Дегазаторы бурового раствора

а) поплавковый дегазатор пассивного действия; б) дегазатор активного действия

Непрерывный анализ суммарного газосодержания производится с помощью выносного датчика суммарного газа . Преимущество данного датчика перед традиционными анализаторами суммарного газа, размещаемыми в станции, заключается в оперативности получаемой информации, так как датчик размещается непосредственно на буровой и время задержки на транспортировку газа с буровой на станцию исключается. Кроме этого, для комплектации станций разработаны газовые датчики для измерения концентраций неуглеводородных компонентов анализируемой газовой смеси: водорода H 2 , окиси углерода CO, сероводорода Н 2 S (рис. 7).

Рис. 7. Датчики для измерения содержания газа

Геологический модуль

Геологический модуль станции обеспечивает исследование бурового шлама, керна и пластового флюида в процессе бурения скважины, регистрацию и обработку получаемых данных.

Исследования, выполняемые операторами станции ГТИ, позволяют решать следующие основные геологические задачи:

литологическое расчленение разреза;

выделение коллекторов;

оценка характера насыщения коллекторов.

Для оперативного и качественного решения этих задач определен наиболее оптимальный перечень приборов и оборудования и исходя из этого разработан комплекс геологических приборов (рис. 8).

Рис. 8. Оборудование и приборы геологического модуля станции

Карбонатомер микропроцессорный КМ-1А предназначен для определения минерального состава горных пород в карбонатных разрезах по шламу и керну. Данный прибор позволяет определить процентное содержание кальцита, доломита и нерастворимого остатка в исследуемом образце пород. Прибор имеет встроенный микропроцессор, который рассчитывает процентное содержание кальцита и доломита, значения которых отображаются на цифровом табло или на экране монитора. Разработана модификация карбонатомера, позволяющая определить содержание в породе минерала сидерита (плотность 3,94 г/см 3), который оказывает влияние на плотность карбонатных пород и цемента терригенных пород, что может существенно снижать значения пористости.

Плотномер шлама ПШ-1 предназначен для экспресс-измерения плотности и оценки общей пористости горных пород по шламу и керну. Принцип измерения прибора ареометрический, основан на взвешивании исследуемого образца шлама в воздухе и в воде. С помощью плотномера ПШ–1 можно проводить измерения плотности горных пород с плотностью 1,1-3 г/см ³ .

Установка ПП-3 предназначена для выделения пород-коллекторов и исследования коллекторских свойств горных пород. Данный прибор позволяет определять объемную, минералогическую плотность и общую пористость. Принцип измерения прибора - термогравиметрический, основан на высокоточном измерении веса исследуемого образца породы, предварительно насыщенного водой, и непрерывном контроле за изменением веса данного образца по мере испарения влаги при нагревании. По времени испарения влаги можно судить о величине проницаемости исследуемой породы.

Установка дистилляции жидкости УДЖ-2 предназначена для оценки характера насыщения коллекторов горных пород по шламу и керну, фильтрационно-плотностных свойств, а также позволяет определять остаточную нефтеводонасыщенность по керну и буровому шламу непосредственно на буровой благодаря использованию нового подхода в системе охлаждения дистиллята. В установке применена система охлаждения конденсата на базе термоэлектрического элемента Пельтье вместо используемых водяных теплообменников в подобных аппаратах. Это позволяет уменьшить потери конденсата, обеспечив регулируемое охлаждение. Принцип работы установки основан на вытеснении пластовых флюидов из пор образцов горных пород за счет избыточного давления, возникающего при термостатированном регулируемом нагреве от 90 до 200 ºС ( 3 ºС), конденсации паров в теплообменнике и разделении конденсата, образовавшегося в процессе дистилляции, по плотности на нефть и воду.

Установка термодесорбции и пиролиза позволяет по малым навескам горных пород (шлам, кусочки керна) определить наличие свободных и сорбированных углеводородов, а также оценить наличие и степень преобразованности органического вещества, и на основе интерпретации получаемых данных выделить в разрезах скважин интервалы коллекторов, покрышек продуцирующих отложений, а также оценить характер насыщения коллекторов.

ИК–спектрометр предназначен для определения наличия и количественной оценки присутствующего углеводорода в исследуемой породе (газовый конденсат, легкая нефть, тяжелая нефть, битум и т.д.) с целью оценки характера насыщения коллекторов.

Люминоскоп ЛУ-1М с выносным УФ-осветителем и устройством для фотографирования предназначен для исследования бурового шлама и образцов керна под ультрафиолетовым освещением с целью определения наличия в породе битуминозных веществ, а также для их количественной оценки. Принцип измерения прибора основан на свойстве битумоидов при их облучении ультрафиолетовыми лучами излучать «холодное» свечение, интенсивность и цвет которого позволяют визуально определить наличие, качественный и количественный состав битумоида в исследуемой породе с целью оценки характера насыщения коллекторов. Устройство для фотографирования вытяжек предназначено для документирования результатов люминесцентного анализа и способствует исключению субъективного фактора при оценке результатов анализа. Выносной осветитель позволяет осуществлять предварительный осмотр крупногабаритного керна на буровой с целью выявления наличия битумоидов.

Осушитель шлама ОШ-1 предназначен для экспресс-осушки проб шлама под воздействием теплового потока. Осушитель имеет встроенный регулируемый таймер и несколько режимов регулировки интенсивности и температуры воздушного потока.

Технические и информационные возможности описанной станции ГТИ отвечают современным требованиям и позволяют реализовать новые технологии информационного обеспечения строительства нефтегазовых скважин.

Горно-геологические характеристики разреза, влияющие на возникновение, предупреждение и ликвидацию осложнений.

Осложнения в процессе бурения возникают по следующим причинам: сложные горно-геологические условия; плохая информированность о них; низкая скорость бурения, например, из-за длительных простоев, плохих технологических решений, заложенных в техническом проекте на строительство скважины.

При осложненном бурении чаще возникают аварии.

Горно-геологические характеристики необходимо знать, чтобы правильно составлять проект на строительство скважины, предупреждать и бороться с осложнениями в ходе реализации проекта.

Пластовое давление (Рпл)- давления флюида в породах с открытой пористостью. Так называются породы, в которых пустоты сообщаются между собой. При этом пластовый флюид может течь по законам гидромеханики. К таким породам относятся тампонажные породы, песчаники, коллекторы продуктивных горизонтов.

Поровое давление (Рпор)–давление в закрытых пустотах, тоесть давление флюида в поровом пространстве, в котором поры не сообщаются друг с другом. Такими свойствами обладают глины, соляные породы, покрышки коллекторов.

Горное давление (Рг) – гидростатическое (геостатическое) давление на рассматриваемой глубине от вышерасположенной толщи ГП.

Статический уровень пластовой жидкости в скважине, определяемый равенством давления этого столба с пластовым давлением. Уровень может быть ниже поверхности земли (скважина будет поглощать), совпадать с поверхностью (имеется равновесие) или быть выше поверхности (скважина фонтанирует) Рпл=rgz.

Динамический уровень жидкости в скважине – установлен выше статического уровня при доливе в скважину и ниже него – при отборе жидкости, например при откачке погружным насосом.

Депрессия  P=Pскв-Рпл<0 – давление в скважине меньше пластового. Наличие депрессии – необходимое условие для притока пластового флюида.

Репрессия  Р=Рскв-Рпл>0 – давление в скважине не больше пластового. Имеет место поглощение.

Коэффициент аномальности пластового давления Ка=Рпл/rвgzпл (1), где zпл –глубина кровли рассматриваемого пласта, rв – плотность воды, g – ускорение свободного падения. Ка<1=>АНПД; Ка>1=>АВПД.

Давление поглощения или гидроразрыва Рп – давление, при котором возникают поглощения всех фаз промывочной или тампонажной жидкости. Величину Рп определяют опытным путем по данным наблюдений в процессе бурения, либо с помощью специальных исследований в скважине. Полученные данные используются при проводке других подобных скважин.

Совмещенный график давлений при осложнении. Выбор первого варианта конструкции скважин.

Совмещенный график давлений. Выбор первого варианта конструкции скважин.

Чтобы правильно составить технический проект на строительство скважин необходимо точно знать распределение пластовых (поровых) давлений и давлений поглощения (гидроразрыва) по глубине или, что то же самое, распределение Ка и Кп (в безразмерном виде). Распределение Ка и Кп представляют на совмещенном графике давлений.

Распределение Ка и Кп по глубине z.

· Конструкция скважины (1-ый вариант), которая потом уточняется.

Из этого графика видно, что мы имеем три интервала глубин с совместимыми условиями бурения, то есть такими, в которых можно применять жидкость с одинаковой плотностью.

Особенно тяжело бурить, когда Ка=Кп. Сверхсложным бурение становится при величине Ка=Кп<1. В этих случаях обычно бурят на поглощение или применяют промывку аэрированной жидкостью.

После вскрытия поглощающего интервала производят изоляционные работы, благодаря которым повышается Кп (искусственно), получая возможность провести, например, цементирование колонны.

Схема циркуляционной системы скважин

Схема циркуляционной системы скважин и эпюра распределения давлений в ней.

Схема: 1. Долото, 2. Забойный двигатель, 3. УБТ, 4. БТ, 5. Замковое соединение, 6. Квадрат, 7. Вертлюг, 8. Буровой рукав, 9. Стояк, 10. Напорный трубопровод (манифольд), 11. Насос, 12. Всасывающий патрубок, 13. Желобная система, 14. Вибросито.

1.Линия гидростатического распределения давления.

2.Линия гидравлического распределения давления в КП.

3.Линия гидравлического распределения давления в БТ.

Давление промывочной жидкости на пласт должно быть всегда внутри заштрихованной области между Рпл и Рп.

Через каждое резьбовое соединение БК жидкость пытается протечь из трубного в затрубное пространство (при циркуляции). Эта тенденция вызвана перепадом давления в трубах и КП. При просачивании происходит разрушение резьбового соединения. При прочих равных условиях органическим недостатком бурения с гидравлическим забойным двигателем, является повышенный перепад давления на каждом резьбовом соединении, так как в забойном двигателе

Циркуляционная система служит для подачи бурового раствора от устья скважины к приёмным емкостям, очистки от выбуренной породы и дегазации.

На рисунке представлена упрощённая схема циркуляционной системы ЦС100Э: 1 – трубопровод долива; 2 – растворопровод; 3 – блок очистки; 4 – приемный блок; 5 – шкаф управления электрооборудованием.

Упрощённая конструкция циркуляционной системы – это желобная система, которая состоит из желоба для движения раствора, настила около желоба для хождения и очистки желобов, перил и основания.

Желоба могут быть деревянными из досок 40 мм и металлическими из листового железа 3-4 мм. Ширина – 700-800 мм, высота – 400-500 мм. Применяют желоба прямоугольного профиля и полукруглые. С целью уменьшения скорости течения раствора и выпадения из него шлаба в желобах устанавливают перегородки и перепады высотой 15-18 см. На дне желоба в этих местах устанавливают люки с клапанами, через которые удаляют осевшую породу. Общая длина желобной системы зависит от параметров применяемых растворов, условий и технологии бурения, а также от механизмов, используемых для очистки и дегазации растворов. Длина, как правило, может быть в пределах 20-50 м.

При использовании комплектов механизмов очистки и дегазации раствора (вибросита, пескоотделители, илоотделители, дегазаторы, центрифуги) желобная система применяется только для подачи раствора от скважины к механизму и приёмным емкостям. В этом случае длина желобной системы зависит только от расположения механизмов и емкостей по отношению к скважине.

В большинстве случаев желобная система монтируется на металлических основаниях по секциям, имеющим длину 8-10 м и высоту до 1 м. Такие секции устанавливают на стальные телескопические стойки, регулирующие высоту установки желобов, это облегчает демонтаж желобной системы зимой. Так, при скоплении и замерзании под желобами выбуренной породы, желоба вместе с основаниями могут быть сняты со стоек. Монтируют желобную систему с уклоном в сторону движения раствора; с устьем скважины желобная система соединяется трубой или желобом меньшего сечения и с большим уклоном для увеличения скорости движения раствора и уменьшения в этом месте выпадения шлаба.

В современной технологии бурения скважин предъявляют особые требования к буровым растворам, согласно которым оборудование по очистке раствора должно обеспечивать качественную чистку раствора от твёрдой фазы, смешивать и охлождать его, а также удалять из раствора гз, поступивший в него из газонасыщенных пластов во время бурения. В связи с этими требованиями современные буровые установки комплектуются циркуляционными системами с определённым набором унифицированных механизмов – емкостей, устройств по очистке и приготовления буровых растворов.

Механизмы циркуляционных системы обеспечивают трёхступенчатую очистку бурового раствора. Из скважины раствор поступает на вибросито в первую ступень грубой очистки и собирается в отстойнике ёмкости, где осаждается грубодисперсный песок. Из отстойника раствор проходит в отсек циркуляционной системы и подаётся центробежным шламовым насосом в дегазатор при необходимости дегазации раствора, а затем – в пескоотделитель, где проходит вторую ступень очистки от породы размером до 0,074-0,08 мм. После этого раствор подаётся в илоотделитель – третью ступень очистки, где удаляются частицы породы до 0,03 мм. Песок и ил сбрасываются в ёмкость, откуда подаётся в центрифугу для дополнительного отделения раствора от породы. Очищенный раствор из третьей ступени поступает в приёмные ёмкости – в приёмный блок буровых насосов для подачи его в скважину.

Оборудование циркуляционных систем скомплектовано заводом в следующие блоки:

блок очистки раствора;

промежуточный блок (один или два);

приёмный блок.

Базой для комплектовки блоков служат прямоугольные ёмкости, установленные на санных основаниях.

Гидравлическое давление глинистых и цементных растворов после остановки циркуляции.

Поглощения. Причины их возникновения.

По глощения буровых или тампонажных растворов - вид осложнений, которыйпроявляется уходом жидкости из скважины в пласт горных пород. В отличии от фильтрации, поглощения характерны тем что в ГП поступают все фазы жидкости. А при фильтрации лишь некоторые. На практике поглощения также определяют как суточный уход бурового раствора в пласт в объеме, превышающим естественную убыль за счет фильтрации и со шламом. Для каждого района принята своя норма. Обычно допускается несколько м3 в сутки. Поглощения – наиболее распространенный вид осложнений, особенно в районах Урало-Поволжья восточной и юго-восточной Сибири. Поглощения встречаются в разрезах, в которых имеются обычно трещиноватые ГП, расположены наибольшие деформации пород и их размыв обусловлены тектоническими процессами. Например в Татарии на борьбу с поглощениями ежегодно тратят 14% календарного времени, что превышает затраты времени на мех. бурения. В результате поглощений ухудшаются условия проводки скважины:

1.Увеличивается прихватоопасность инструмента, т.к. резко снижается скорость восходящего потока промывочной жидкости выше зоны поглощения, если при этом крупные частицы шлама не уходят в пласт, то он скапливаются в стволе, вызывая затяжки и прихват инструмента. Особенно увеличивается вероятность прихвата инструмента оседающим шламом после остановки насосов (циркуляции).

2. Усиливаются осыпи обвалы в неустойчивых породах. Могут возникать ГНВП из имеющихся в разрезе флюидосодержащих горизонтов. Причина – снижение давления столба жидкости. При наличии двух или более одновременно вскрытых пластов с различными коэф. Ка и Кп между ними могут возникать перетоки, затрудняющие изоляционные работы и последующие цементирование скважины.

Теряется много времени и материальных средств (инертных наполнителей, тампонажных материалов) на изоляцию, простои и аварии, вызывающие поглощениями.

Причины возникновения поглощений

Качественную роль фактора, определяющих величину ухода раствора в зону поглощений можно проследить, рассматривая течения вязкой жидкости в круговом пористом пласте или круговой щели. Формулу для расчета расхода поглощаемой жидкости в пористом круговом пласте получим, решив систему уравнений:

1.Уравнение движения (В форме Дарси)

V=K/M*(dP/dr): (1) где V, P, r, M- соответственно скорость течения, текущее давление, радиус пласта, вязкость.

2. Уравнение сохранения массы (неразрывность)

V=Q/F (2) где Q, F=2πrh , h – соответственно расход поглощения жидкости, переменная по радиусу площадь, толщина зоны поглощения.

3. Уравнение состояния

ρ=const (3) решая эту систему уравнений: 2 и 3 в 1 получим:

Q=(K/M)*2 π rH (dP/dr)

Q= (2 π HK(P с -P пл ))/Mln (rk/rc) (4) формула Дюпии

Аналогичную формулу(4) Буссенеско можно получить и для m круговых трещин (щелей) одинаково раскрытых и равно отстоящих друг от друга.

Q= [(πδ3(Pс-Pпл))/6Mln (rk/rc) ] *m (5)

δ- раскрытие (высота) щели;

m- число трещин (щелей);

M- эффективная вязкость.

Ясно, что для уменьшения расхода поглощаемой жидкости по формуле (4) и (5) надо увеличивать параметры в знаменатели и уменьшать их в числителе.

Согласно (4) и (5)

Q=£(H(или m), Pпл, rk, Pc, rc, M, K, (илиδ)) (6)

Параметры, входящие в функцию (6) по происхождению на момент вскрытия зоны поглощения можно условно разделить на 3 группы.

1.группа – геологические параметры;

2.группа – технологические параметры;

3.группа – смешенные.

Это деление условное, поскольку в ходе эксплуатации, т.е. технологического воздействия (отбор жидкости, заводнения и т.д.) на залежь изменяется также Pпл, rk

Поглощения в породах с закрытыми трещинами. Особенность индикаторных кривых. Гидроразрыв и его предупреждение.

Особенность индикаторных кривых.

Дальше будем рассматривать прямую 2.

Приближенно индикаторную кривую для пород с искусственно открываемыми закрытыми трещинами может быть описана следующей формулой: Рс = Рб +Рпл+ 1/А*Q+BQ2 (1)

Для пород с естественно открытыми трещинами индикаторная кривая является частным случаем формулы (1)

Рс-Рпл= ΔР=1/А*Q=А*ΔР

Таким образом, в породах с открытыми трещинами поглощение начнется при любых значениях репрессии, а в породах с закрытыми трещинами – только после создания в скважине давления равное давлению гидроразрыва Рс*. Главная мера борьбы с поглощениями в породах с закрытыми трещинами (глины, соли) – не допускать гидроразрыва.

Оценка эффективности работ по ликвидации поглощений.

Эффективность работ по изоляции характеризуется приемистостью (А) зоны поглощения, которую удается достичь в ходе изоляционных работ. Если при этом полученная приемистость А оказывается ниже некоторого технологически допустимого значения приемистости Аq, характеризующаяся для каждого района, то изоляционные работы можно считать успешными. Таким образом условии изоляции можно записать в виде А≤Аq (1) А=Q/Рс- Р* (2) Для пород с искусственно открываемыми трещинами Р* = Рб+Рпл+Рр (3) где Рб-боковое давление горной породы, Рр - предел прочности на разрыв г.п. В частном случаи Рб и Рр = 0 для пород с естественными открытыми трещинами А= Q/Pc - Рпл (4) , если не допустить малейшего поглощения, то Q=0 и А→0,

тогда Рс<Р* (5) Для зоны с открытыми трещинами формула (5) заменяется Рс=Рпл= Рпогл (6). Если давление в скважине определяется гидростатикой Рс = ρqL то (5 и 6) в привычных обозначениях примет вид: ρо≤Кп (7) и ρо= Ка=Кп (8). На практике трудно определить давление поглощения Р* , поэтому в ряде районов, например в Татарии оценка эффективности изоляционных работ проводят не по индексу давления поглощения Кп а по дополнительной приемистости Аq. В Татарии допустимые приемистости по тех. воде принято Аq≤ 4 м3/ч*МПа. Значение Аq свое для каждого района и различных поглощаемых жидкостей. Для воды оно принимается обычно более, а при растворе с наполнителем Аq берется меньше. Согласно 2 и 4 А=f (Q; Рс) (9). Т.е все способы борьбы с поглощениями основаны на воздействии на две управляемые величины (2 и 4) , т.е. на Q и Рс.

Способы борьбы с поглощениями в процессе вскрытия зоны поглощения.

Традиционные способы предупреждения поглощений ос­нованы на уменьшении перепадов давления на поглощающий пласт или изменении а/т) фильтрующейся жидкости. Если вместо снижения перепада давления на пласт увеличить вяз­кость путем добавления закупоривающих материалов, бенто­нита или других веществ, интенсивность поглощения будет изменяться обратно пропорционально увеличению вязкости, как это следует из формулы (2.86). Практически, если регули­ровать параметры раствора, вязкость можно изменять лишь в сравнительно узких пределах. Предотвращение поглощений путем перехода на промывку раствором с повышенной вяз­костью возможно только при условии разработки научно обоснованных требований к этим жидкостям, учитывающих особенности течения их в пласте. Совершенствование приемов предупреждения поглощений, основанных на снижении перепадов давления на поглощаю­щие пласты, неразрывно связано с глубоким изучением и разработкой методов проводки скважин при равновесии в системе скважина - пласт. Буровой раствор, проникая в поглощающий пласт на оп­ределенную глубину и загустевая в каналах поглощения, со­здает дополнительное препятствие на пути движения бурово­му раствору из ствола скважины в пласт. Свойство раствора создавать сопротивление движению жидкости внутри пласта используют при проведении профилактических мероприятий с целью предотвращения поглощений. Сила такого сопротив­ления зависит от структурно-механических свойств раствора, размеров и формы каналов, а также от глубины проникно­вения раствора в пласт.

Чтобы сформулировать требования к реологическим свой­ствам буровых растворов при прохождении поглощающих пластов, рассмотрим кривые (рис. 2.16), отражающие зависи­мость напряжения сдвига и скорость деформации de/df для некоторых моделей неньютоновской жидкости. Прямая 1 со­ответствует модели вязкопластичной среды, для которой ха­рактерно предельное напряжение сдвига т0. Кривая 2 харак­теризует поведение псевдопластических жидкостей, у кото­рых с ростом скорости сдвига замедляется темп роста на­пряжения, и кривые выполаживаются. Прямая 3 отражает реологические свойства вязкой жидкости (ньютоновской). Кривая 4 характеризует поведение вязкоупрутих и дилатант-ных жидкостей, у которых напряжение сдвига резко увели­чивается с ростом скорости деформации. К вязкоупругим жидкостям, в частности, относятся слабые растворы некото­рых полимеров (окись полиэтилена, гуаровая смола, поли-акриламид и др.) в воде, которые обнаруживают свойство резко снижать (в 2-3 раза) гидродинамические сопротивления при течении жидкостей с большими числами Рейнольдса (эффект Томса). В то же время вязкость этих жидкостей при движении их по поглощающим каналам будет высокой вслед­ствие высоких скоростей сдвига в каналах. Бурение с промывкой аэрированными буровыми раство­рами является одним из радикальных мероприятий в ком­плексе мер и способов, предназначенных для предупреждения и ликвидации поглощений при бурении глубоких скважин. Аэрация бурового раствора снижает гидростатическое дав­ление, способствует тем самым возвращению его в достаточ­ном количестве на поверхность и соответственно нормальной очистке ствола скважины, а также отбору представительных проб проходимых пород и пластовых флюидов. Технико-экономические показатели при бурении скважин с промывкой забоя аэрированным раствором выше по срав­нению с показателями, когда в качестве бурового раствора используется вода или другие промывочные жидкости. Значи­тельно улучшается также качество вскрытия продуктивных пластов, особенно на месторождениях, где эти пласты имеют аномально низкие давления.

Эффективным мероприятием по предотвра­щению поглощения бурового раствора является введение в циркулирующий буровой раствор наполнителей. Цель их применения состоит в создании тампонов в каналах погло­щения. Эти тампоны служат основой для отложения фильтрационной (глинистой) корки и изоляции поглощающих пла­стов. В.Ф. Роджерс считает, что закупоривающим агентом мо­жет быть практически любой материал, который состоит из частиц достаточно малых размеров и при вводе которых в буровой раствор он может прокачиваться буровыми насоса­ми. В США для закупоривания поглощающих каналов приме­няют более ста типов наполнителей и их комбинаций. В ка­честве закупоривающих агентов используют древесную стружку или мочало, рыбью чешую, сено, резиновые отходы, листочки гуттаперчи, хлопок, коробочки хлопчатника, во­локна сахарного тростника, ореховую скорлупу, гранулиро­ванные пластмассы, перлит, керамзит, текстильные волокна, битум, слюду, асбест, изрезанную бумагу, мох, изрезанную коноплю, хлопья целлюлозы, кожу, пшеничные отруби, бо­бы, горох, рис, куриные перья, комки глины, губку, кокс, камень и др. Эти материалы можно применять отдельно и в комбинациях, изготовленных промышленностью или состав­ляемых перед использованием. Определить в лаборатории пригодность каждого закупоривающего материала весьма трудно из-за незнания размера отверстий, которые должны быть закупорены.

В зарубежной практике особое внимание уделяется обеспечению "плотной" упаковки наполнителей. Придерживаются мнения Фернаса, согласно которому наиболее плотная упа­ковка частиц отвечает условию распределения их по разме­рам по закону геометрической прогрессии; при ликвидации поглощения наибольший эффект может быть получен при максимально уплотненной пробке, особенно в случае мгно­венного ухода бурового раствора.

Наполнители по качественной характеристике подразде­ляются на волокнистые, пластинчатые и зернистые. Волокнистые материалы имеют растительное, животное, минеральное происхождение. Сюда относятся и синтетичес­кие материалы. Тип и размер волокна значительно влияют на качество работ. Важна устойчивость волокон при циркуляции их в буровом растворе. Материалы дают хорошие результа­ты при закупоривании песчаных и гравийных пластов с зер­нами диаметром до 25 мм, а также при закупоривании тре­щин в крупнозернистых (до 3 мм) и мелкозернистых (до 0,5 мм) породах.

Пластинчатые материалы пригодны для закупорки пластов крупнозернистого гравия и трещин размером до 2,5 мм. К ним относят: целлофан, слюду, шелуху, хлопковые семена и т.д.

Зернистые материалы: перлит, измельченная резина, ку­сочки пластмассы, ореховая скорлупа и др. Большинство из них эффективно закупоривают пласты гравия с зернами диаметром до 25 мм. Перлит дает хорошие результаты в гра­вийных пластах с диаметром зерен до 9-12 мм. Ореховая скорлупа размером 2,5 мм и менее закупоривает трещины размером до 3 мм, а более крупная (до 5 мм) и измельченная резина закупоривают трещины размером до 6 мм, т.е. ими можно закупорить трещин в 2 раза больше, чем при исполь­зовании волокнистых или пластинчатых материалов.

При отсутствии данных о размерах зерен и трещин по­глощающего горизонта применяют смеси волокнистых с пла­стинчатыми или зернистыми материалами, целлофана со слюдой, волокнистых с чешуйчатыми и зернистыми материа­лами, а также при смешивании зернистых материалов: пер­лита с резиной или ореховой скорлупой. Лучшей смесью для ликвидации поглощения при низких давлениях является высококоллоидный глинистый раствор с добавками волокнистых материалов и листочков слюды. Во­локнистые материалы, откладываясь на стенке скважины, образуют сетку. Листочки слюды укрепляют эту сетку и за­купоривают более крупные каналы в породе, а поверх всего этого образуется тонкая и плотная глинистая корка.

Газоводонефтепроявления. Их причины. Признаки поступления пластовых флюидов. Классификация и распознавание видов проявлений.

При поглощении жидкость (промывочная или тампонажная) течет из скважины в пласт, а при проявлении наоборот – из пласта в скважину. Причины поступления: 1) поступление в скважину в месте с выбуренной породы флюид содержащих пластов. В этом случае не обязательно выше и ниже давление в скважине по сравеннию с пластовым; 2) если давление в скважине ниже пластового, т.е имеет место дипрессия на пласт основные причины возникновения дипрессии т.е снижения давления на пласт в скважине следующие: 1) не долив скважины промывочной жидкостью при подъёме инструмента. Необходимы обязательно устройство для автодолива в скважину; 2) снижения плотности промывочной жидкости из за её вспенивания (газирования) при соприкосновение жидкости с воздухом на поверхности в желобной системе, а также из за обработки п.ж ПАВ. Необходима дэгазация (механическая, химическая); 3) бурение скважины в несовместимых условиях. На схеме два пласта. Для первого пласта характерно Ка1 и Кп1; для второго Ка2 и Кп2. первый пласт должны бурить на растворе ρ0,1 (между Ка1 и Кп1), второй пласт ρ0,2 (Рис.)

Невозможно вскрывать второй пласт на растворе с плотностью для первого пласта, так как будет его поглощения в во втором пласте; 4) резких колебаний гидродинамического давления при остановки насоса, СПО и др. работах, усугубляемых повышением статического напряжения сдвига и наличие сальников на колонне;

5) заниженная плотность п.ж принятой в техническом проекте из за плохого знания фактического распределения пластового давления (Ка), т.е геология района. Эти причины больше относятся к разведочным скважинам; 6) низкий уровень оперативного уточнения пластовых давлений путем прогнозирования их в ходе углубления скважины. Не использования методов прогнозирования d-экспоненты, σ (сигма)-экспонента и.т.д; 7) выпадения утяжелителя из бурового раствора и снижения гидравлического давления. Признаки поступления пластового флюида являются: 1) повышения уровня циркулирующей жидкости в приемной емкости насоса. Нужен уровнемер; 2) из раствора, выходящего из скважины на устье выделяется газ, наблюдается кипение раствора; 3) после остановки циркуляции раствор продолжает вытекать из скважины (скважина переливает); 4) резко поднимается давление при неожиданном вскрытие пласта с АВПД. При поступление нефти из пластов её пленка остается на стенках желобов или течет поверх раствора в желобах. При поступления пластовой воды, изменяются свойства п.ж. Плотность её обычно падает, вязкость может снизится, а может и увеличиться (после поступления соленой воды). Водоотдача обычно увеличивается, изменяется рН, электрическое сопротивление обычно снижается.

Классификация поступления флюидов. Она производится по сложности мероприятий необходимых для их ликвидаций. Подразделяются на три группы: 1) проявление- неопасное поступление пластовых флюидов, не нарушающие процесс бурения и принятую технологию работ; 2) выброс – поступление флюидов которые можно ликвидировать только путем специального целенаправленного изменения технологии бурения имеющимися на буровой средствами и оборудованием; 3) фонтан – вступления флюида, ликвидация которого требует применения дополнительных средств и оборудования (кроме имеющихся на БУ) и которая связана с возникновением в системе скважина-пласт давлений, угрожающих целостности о.к. , устьевого оборудования и пластов в незакрепленной части скважины.

Установка цементных мостов. Особенности выбора рецептуры и приготовления тампонажного раствора для установки мостов.

Одна из серьезных разновидностей технологии процесса це­ментирования - установка цементных мостов различного на­значения. Повышение качества цементных мостов и эффективности их работы - неотъемлемая часть совершенствования процессов бу­рения, заканчивания и эксплуатации скважин. Качеством мос­тов, их долговечностью определяется также надежность охра­ны недр окружающей среды. Вместе с тем промысловые дан­ные свидетельствуют, что часто отмечаются случаи установки низкопрочных и негерметичных мостов, преждевременного схватывания цементного раствора, прихвата колонных труб и т.д. Эти осложнения обусловлены не только и не столько свойст­вами применяемых тампонажных материалов, сколько специ­фикой самих работ при установке мостов.

В глубоких высокотемпературных скважинах при проведе­нии указанных работ довольно часто происходят аварии, свя­занные с интенсивным загустеванием и схватыванием смеси глинистого и цементного растворов. В некоторых случаях мос­ты оказываются негерметичными или недостаточно прочными. Успешная установка мостов зависит от многих природных и технических факторов, обусловливающих особенности форми­рования цементного камня, а также контакт и "сцепление" его с горными породами и металлом труб. Поэтому оценка несущей способности моста как инженерного сооружения и изучение условий, существующих в скважине, обязательны при прове­дении этих работ.

Цель установки мостов - получение устойчивого водогазонефтенепроницаемого стакана цементного камня определенной прочности для перехода на вышележащий горизонт, забуривания нового ствола, укрепления неустойчивой и кавернозной ча­сти ствола скважины, опробования горизонта с помощью испы­тателя пластов, капитального ремонта и консервации или лик­видации скважин.

По характеру действующих нагрузок можно выделить две категории мостов:

1) испытывающих давление жидкости или газа и 2) испытывающих нагрузку от веса инструмента во время забуривания второго ствола, применения испытателя пластов или в других случаях (мосты, этой категории, должны помимо газоводонепроницаемости обладать весьма высокой механичес­кой прочностью).

Анализ промысловых данных показывает, что на мосты мо­гут создаваться давления до 85 МПа, осевые нагрузки до 2100 кН и возникают напряжения сдвига на 1 м длины моста до 30 МПа. Такие значительные нагрузки возникают при опробо­вании скважин с помощью испытателей пластов и при других видах работ.

Несущая способность цементных мостов в значительной мере зависит от их высоты, наличия (или отсутствия) и состояния глинистой корки или остатков бурового раствора на колонне. При удалении рыхлой части глинистой корки напряжение сдвига составляет 0,15-0,2 МПа. В этом случае даже при воз­никновении максимальных нагрузок достаточна высота моста 18-25 м. Наличие на стенках колонны слоя бурового (глинис­того) раствора толщиной 1-2 мм приводит к уменьшению на­пряжения сдвига и к увеличению необходимой высоты до180-250 м. В связи с этим высоту моста следует рассчитывать по формуле Нм ≥ Но – Qм/пDc [τм] (1) где Н0 - глубина установки нижней части моста; QM - осевая нагрузка на мост, обусловливаемая перепадом давления и раз­грузкой колонны труб или испытателя пластов; Dс - диаметр скважины; [τм] - удельная несущая способность моста, значе­ния которой определяются как адгезионными свойствами тампонажного материала, так и способом установки моста. Герметичность моста также зависит от его высоты и состоя­ния поверхности контакта, так как давление, при котором про­исходит прорыв воды, прямо пропорционально длине и обратно пропорционально толщине корки. При наличии между обсадной колонной и цементным камнем глинистой корки с напряжением сдвига 6,8-4,6 МПа, толщиной 3-12 мм градиент давления прорыва воды составляет соответственно 1,8 и 0,6 МПа на 1 м. При отсутствии корки прорыв воды происходит при градиенте давления более 7,0 МПа на 1 м.

Следовательно, герметичность моста в значительной мере зависит также от условий и способа его установки. В связи с этим высоту цементного моста следует также определять и из выражения

Нм ≥ Но – Рм/[∆р] (2) где Рм - максимальная величина перепада давлений, действу­ющего на мост при его эксплуатации; [∆р] - допустимый гради­ент давления прорыва флюида по зоне контакта моста со стен­кой скважины; эту величину также определяют в основном в зависимости от способа установки моста, от применяемых тампонажных материалов. Из значений высоты цементных мостов, определенных по формулам (1) и (2), выбирают большее.

Установка моста имеет много общего с процессом цементиро­вания колонн и обладает особенностями, которые сводятся к следующему:

1) используется малое количество тампонажных материа­лов;

2) нижняя часть заливочных труб ничем не оборудуется, стоп-кольцо не устанавливается;

3) не применяются резиновые разделительные пробки;

4) во многих случаях производится обратная промывка скважин для "срезки" кровли моста;

5) мост ничем не ограничен снизу и может растекаться под действием разности плотностей цементного и бурового раство­ров.

Установка моста - простая по замыслу и способу проведения операция, которая в глубоких скважинах существенно ослож­няется под действием таких факторов, как температура, давле­ние, газоводонефтепроявления и др. Немаловажное значение имеют также длина, диаметр и конфигурация заливочных труб, реологические свойства цементного и бурового растворов, чистота ствола скважины и режимы движения нисходящего и восходящего потоков. На установку моста в не обсаженной части скважины значительное влияние оказывает кавернозность ствола.

Цементные мосты должны быть достаточно прочными. Практика работ показывает, что если при испытании на проч­ность мост не разрушается при создании на него удельной осевой нагрузки 3,0-6,0 МПа и одновременной промывки, то его прочностные свойства удовлетворяют условиям как забуривания нового ствола, так и нагружения от веса колонны труб или испытателя пластов.

При установке мостов для забуривания нового ствола к ним предъявляется дополнительное требование по высоте. Это обус­ловлено тем, что прочность верхней части (Н1) моста должна обеспечить возможность забуривания нового ствола с допусти­мой интенсивностью искривления, а нижняя часть (Н0) - на­дежную изоляцию старого ствола. Нм=Н1+Но = (2Dс* Rc)0,5+ Но(3)

где Rc - радиус искривления ствола.

Анализ имеющихся данных показывает, что получение на­дежных мостов в глубоких скважинах зависит от комплекса одновременно действующих факторов, которые могут быть разде­лены на три группы.

Первая группа - природные факторы: температура, давле­ние и геологические условия (кавернозность, трещиноватость, действие агрессивных вод, водо- и газопроявления и поглоще­ния).

Вторая группа - технологические факторы: скорость движе­ния потоков цементного и бурового растворов в трубах и кольце­вом пространстве, реологические свойства растворов, химичес­кий и минералогический состав вяжущего материала, физико-механические свойства цементного раствора и камня, контракционный эффект тампонажного цемента, сжимаемость бурового раствора, неоднородность плотностей, коагуляция бурового раствора при смешении его с цементным (образование высоко­вязких паст), величина кольцевого зазора и эксцентричность расположения труб в скважине, время контакта буферной жид­кости и цементного раствора с глинистой коркой.

Третья группа - субъективные факторы: использование не­приемлемых для данных условий тампонажных материалов; неправильный подбор рецептуры раствора в лаборатории; недо­статочная подготовка ствола скважины и использование бурово­го раствора с высокими значениями вязкости, СНС и водоотда­чи; ошибки при определении количества продавочной жидкос­ти, места расположения заливочного инструмента, дозировки реагентов для затворения цементного раствора на скважине; применение недостаточного числа цементировочных агрегатов; применение недостаточного количества цемента; низкая сте­пень организации процесса установки моста.

Увеличение температуры и давления способствует интен­сивному ускорению всех химических реакций, вызывая быст­рое загустевание (потерю прокачиваемости) и схватывание там­понажных растворов, которые после кратковременных остано­вок циркуляции иногда невозможно продавить.

До настоящего времени основной способ установки цемент­ных мостов - закачивание в скважину цементного раствора в проектный интервал глубин по колонне труб, спущенной до уровня нижней отметки моста с последующим подъемом этой колонны выше зоны цементирования. Как правило, работы про­водят без разделительных пробок и средств контроля за их движением. Процесс контролируют по объему продавочной жидкости, рассчитываемому из условия равенства уровней це­ментного раствора в колонне труб и кольцевом пространстве, а объем цементного раствора принимают равным объему скважи­ны в интервале установки моста. Эффективность способа низка.

Прежде всего следует отметить, что вяжущие материалы, применяемые для цементирования обсадных колонн, пригодны для установки прочных и герметичных мостов. Некачественная установка мостов или вообще их от­сутствие, преждевременное схватывание раствора вяжущих веществ и другие факторы в определенной степени обусловлены неверным подбором рецептуры растворов вяжущих веществ по срокам загустевания (схватывания) или отклонениями от подо­бранной в лаборатории рецептуры, допущенными при приго­товлении раствора вяжущих.

Установлено, что для уменьшения вероятности возникнове­ния осложнений сроки схватывания, а при высоких температу­рах и давлениях сроки загустевания должны превышать про­должительность работ по установке мостов не менее чем на 25 %. В ряде случаев при подборе рецептур растворов вяжущих не учитывают специфики работ по установке мостов, заключаю­щихся в остановке циркуляции для подъема колонны заливоч­ных труб и герметизации устья.

В условиях высоких температур и давления сопротивление сдвигу цементного раствора даже после кратковременных оста­новок (10-20 мин) циркуляции может резко возрасти. Поэтому циркуляцию восстановить не удается и в большинстве случаев колонна заливочных труб оказывается прихваченной. Вследствие этого при подборе рецептуры цементного раство­ра необходимо исследовать динамику его загустевания на кон­систометре (КЦ) по программе, имитирующей процесс уста­новки моста. Время загустевания цементного раствора Тзаг соответствовать условию

Тзаг>Т1+Т2+Т3+1,5(Т4+Т5+Т6)+1,2Т7 где T1, Т2, T3 - затраты времени соответственно на приготовле­ние, закачивание и продавливание цементного раствора в сква­жину; Т4, Т5, Т6 - затраты времени на подъем колонны зали­вочных труб до места срезки моста, на герметизацию устья и производство подготовительных работ по срезке моста; Тт - за­траты времени на срезку моста.

По аналогичной программе необходимо исследовать смеси цементного раствора с буровым в соотношении 3:1,1:1 и 1:3 при установке цементных мостов в скважинах с высокими темпера­турой и давлением. Успешность установки цементного моста в значительной степени зависит от точного соблюдения подобранной в лабора­тории рецептуры при приготовлении цементного раствора. Здесь главные условия - выдерживание подобранного содер­жания химических реагентов и.жидкости затворения и водоцементного отношения. Для получения возможно более однородного тампонажного раствора его следует приготовлять с использованием осреднительной емкости.

Осложнения и аварии при бурении нефтегазовых скважин в условиях многолетней мерзлоты и меры их предупреждения .

При бурении в интервалах распространения ММП в результате совместного физико-химического воздей­ствия и эрозии на стенки скважины сцементированные льдом песчано-глинистые отложения разрушаются и легко размы­ваются потоком бурового раствора. Это приводит к интен­сивному кавернообразованию и связанным с ним обвалам и осыпям горных пород.

Наиболее интенсивно разрушаются породы с низким по­казателем льдистости и слабоуплотненные породы. Теплоем­кость таких пород невысокая, и поэтому их разрушение происходит существенно быстрее, чем пород с высокой льдистостью.

Среди мерзлых пород встречаются пропласткн талых по­род, многие из которых склонны к поглощениям бурового раствора при давлениях, незначительно превышающих гидро­статическое давление столба воды в скважине. Поглощения в такие пласты бывают весьма интенсивные и требуют специ­альных мероприятий для их предупреждения или ликвидации

В разрезах ММП обычно наиболее неустойчивы породы четвертичного возраста в интервале 0 - 200 м. При традици­онной технологии бурения фактический объем ствола в них может превосходить номинальный в 3 - 4 раза. В результате сильного кавернообразования. которое сопровождается появ­лением уступов, сползанием шлама и обвалами пород кон­дукторы во многих скважинах не были спущены до проект­ной глубины.

В результате разрушения ММП в ряде случаев наблюдалось проседание кондуктора и направления, а иногда вокруг устья скважины образовывались целые кратеры, не позволяющие вести буровые работы.

В интервале распространения ММП трудно обеспечить цементирование и крепление ствола вследствие создания за­стойных зон бурового раствора в больших кавернах, откуда его невозможно вытеснить тампонажным раствором. Цемен­тирование зачастую одностороннее, а цементное кольцо не­сплошное. Это порождает благоприятные условия для меж- пластовых перетоков и образования грифонов, д\я смятия колонн при обратном промерзании пород в случае длитель­ных "прослоев" скважины.

Процессы разрушения ММП достаточно сложные и мало изученные. 1 Циркулирующий в скважине буровой раствор термо- и гидродинамически взаимодействует как с горной породой, так и со льдом, причем это взаимодействие может существенно усиливаться физико-химическими процессами (например, растворением», которые не прекращаются даже при отрицательных температурах.

В настоящее время можно считать доказанным наличие осмотических процессов в системе порода (лед) - корка на стенке скважины - промывочная жидкость в стволе сква­жины. Эти процессы самопроизвольные и направлены в сто­рону, противоположную градиенту потенциала (температуры, давления, концентрации), те. стремятся к выравниванию концентраций, температур, давлений. Роль полупроницаемой перегородки может выполнять как фильтрационная корка, так и прискважинный гонкий слой самой породы. А в соста­ве мерзлой породы кроме льда как цементирующего ее ве­щества может находиться незамерзающая поровая вода с различной степенью минерализации. Количество незамерза­ющей воды в ММГ1 зависит от температуры, вещественного состава, солености и может быть оценено по эмпирической формуле

w = аТ~ ь .

1па = 0.2618 + 0.55191nS;

1п(- Ъ) = 0.3711 + 0.264S:

S - удельная поверхность породы. м а /п Г - температура породы, "С.

Из-за наличия в открытом стволе скважины промывочно­го бурового раствора, а в ММП - поровой жидкости с оп­ределенной степенью минерализации наступает- процесс са­мопроизвольного выравнивания концентраций иод действием осмотического давления. В результате этого может происхо­дить разрушение мерзлой породы. Если буровой раствор бу­дет иметь повышенную по сравнению с поровой водой кон­центрацию какой-нибудь растворенной соли, то на границе лед - жидкость начнутся фазовые превращения, связанные с понижением температуры плавления льда, т.е. начнется про­цесс его разрушения. А так как устойчивость стенки скважи­ны зависит в основном ото льда, как цементирующего поро­ду вещества, то в этих условиях устойчивость ММП, с,латаю­щих стенку скважины, будет потеряна, что может явиться причиной осыпей, обвалов, образования каверн и шламовых пробок, посадок и затяжек при спускоподъемных операциях, остановок спускаемых в скважину обсадных колонн, погло­щений буровых промывочных и тампонажных растворов.

Если степени минерализации бурового раствора и поровой воды ММП одинаковы, то система скважина - порода будет находиться в изотоническом равновесии, и разрушение ММП под физико-химическим воздействием маловероятно.

С увеличением степени минерализации промывочного агента возникают условия, при которых поровая вода с меньшей минерализацией будет перемещаться из породы в скважину. Из-за потерь иммобилизованной воды механическая прочность льда будет уменьшаться, лед может разру­шиться, что приведет к образованию каверны в стволе бурящейся скважины. Этот процесс интенсифицируется эрозионным воздействием циркулирующего промывочного агента.

Разрушение льда соленой промывочной жидкостью отме­чено в работах многих исследователей. Эксперименты, про­веденные в Ленинградском горном институте, показали, что с увеличением концентрации соли в омывающей лед жидкости разрушение льда интенсифицируется. Так. при содержании в циркулирующей воде 23 и 100 кг/м ‘ NaCl интенсивность раз­рушения льда при температуре минус 1 "С составляла соот­ветственно 0,0163 и 0,0882 кг/ч.

На процесс разрушения льда оказывает влияние также длите,"льность воздействия соленой промывочной жидкости. Так, при воздействии на лед 3%-ным раствором NaCl потеря массы образца льда с температурой минус 1 ’С составим: через 0,5 ч 0,62 п через 1.0 ч 0.96 г: через 1,5 ч 1,96 г.

По мере растепления прискважинной зоны ММП осво­бождается часть ее норового пространства, куда также может фильтроваться промывочная жидкость или ее дисперсионная среда. Этот процесс может оказаться еще одним физико­=имическим фактором, способствующим разрушению ММП. Он может сопровождаться осмотическим перетоком жидкос­ти из скважин в породу, если концентрация какой-нибудь растворимой соли в жидкости ММП больше, чем в жидкос­ти. заполняющей ствол скважины.

Следовательно, чтобы свести к минимуму отрицательное влияние физико-химических процессов на состояние ствола бурящейся в ММП скважины, необходимо, в первую очередь, обеспечить равновесную концентрацию на стенке скважины компонентов бурового промывочного раствора и внутрипо- ровой жидкости в ММП.

К сожалению, это требование не всегда выполнимо на практике. Поэтому чаще прибегают к защите цементирующе­го ММП льда от физико-химического воздействия буровым раствором пленками вязких жидкостей, которые покрывают не только обнаженные скважиной поверхности льда, но и частично прилегающее к скважине внутрипоровое простран­ство. разрывая тем самым непосредственный контакт мине­рализованной жидкости со,льдом.

Как указывают АВ Марамзин и А А Рязанов, при пере­ходе от промывки скважин соленой водой к промывке более вязким глинистым раствором интенсивность разрушения льда уменьшилась в 3,5 - 4 раза при одинаковой концентрации в них NaCI. Она снижалась еще больше, когда буровой рас­твор обрабатывали защитными коллоидами (КМЦ, ССБ|. Подтверждена также положительная роль добавок к бурово­му раствору высококоллоидного бентонитового глннопорош- ка и гипана.

Таким образом, для предупреждения кавернообразования, разрушения устьевой зоны, осыпей и обвалов при бурении скважин в ММП. буровой промывочный раствор должен от­вечать следующим основным требованиям:

обладать низким показателем фильтрации:

обладать способностью создавать на поверхности льда в ММП плотную, непроницаемую пленку:

обладать низкой эрозионной способностью; иметь низкую удельную теплоемкость;

образовывать фильтрат, не создающий с жидкостью поро­ды истинных растворов;

быть гидрофобным к поверхности льда.