Способы бурения скважин

 

Способ бурения – это разновидность технологических процессов углубления ствола скважины, определяемая спецификой процесса разрушения горной породы, подвода энергии к породоразрушающему инструменту и удаления выбуренной породы.

По особенностям разрушения горных пород (РГП) на забое скважины все способы бурения можно подразделить на три группы:

группа 1 – способы механического бурения, характеризующиеся тем, что разрушение горной породы происходит при непосредственном силовом (механическом) воздействии рабочего органа (инструмента) на породу;

группа 2 – физические способы бурения (условное название), отличающиеся тем, что РГП происходит под воздействием физических факторов, например, высокой температуры, ударной волны и т.д.;

группа 3 – химические способы бурения, заключающиеся в том, что горная порода разрушается вследствие химического воздействия подводимых к забою агентов, вызывающих , например, ее растворение.

Из перечисленных групп наибольшее распространение имеют способы механического бурения.

По характеру движения породоразрушающего инструмента на забое скважины способы механического бурения подразделяются на два класса: 1 – способы ударного бурения; 2 – способы вращательного бурения.

При ударном бурении породоразрушающий инструмент (долото) совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси скважины и наносит периодические удары по забою. Разновидности ударного бурения – ударно-канатное и ударное на штангах.

По сравнению с ударным вращательное бурение имеет существенное преимущество. Оно состоит в том, что породоразрушающий инструмент находится в постоянном контакте с забоем, вращаясь вокруг своей оси, а выбуренная порода непрерывно удаляется с забоя. Это преимущество обеспечило способам вращательного бурения более высокую производительность и широкое применение.

Как промежуточный на стыке двух указанных классов можно выделить способ ударно-вращательного бурения с помощью гидро- и пневмоударников. В этом случае породоразрушающий инструмент (долото) не только вращается на забое скважины, но и получает ударные импульсы от бойка гидро- или пневмоударника. В результате этот способ совмещает преимущества обоих классов – вращательного (постоянный контакт породоразрушающего инструмента с забоем) и ударного (наложение импульсной нагрузки).

 

Принцип РГП

Механическое разрушение

Физическое разрушение

Химическое разрушение

¯

Движение породоразрушающего инструмента

Возвратно-поступательное

Вращательное

¯

Местонахождение привода породоразрушающего инструмента

На поверхности

В скважине

Турбобур

Ротор

Гидравлический

ä

двигатель

à

Объемный винтовой

двигатель

Интегрированный

Электрический

верхний привод

двигатель

à

Электробур

 

Рис. Классификация способов глубокого бурения

 

При роторном бурении разрушение горной породы на забое скважины происходит в результате силового воздействия породоразрушающего инструмента, который с поверхности (с помощью бурильной колонны) приводится во вращение вокруг своей оси, проходящей через центр забоя. Обломки горных пород (выбуренная порода), отделившиеся от забоя, тотчас удаляются потоком жидкости или струей газообразных агентов. Начало использованию вращательного бурения на нефть было положено в конце 80-х годов ХIХ столетия в Новом Орлеане (штат Луизиана, США). Но внедрение роторного способа бурения обычно относят к 1901 г., когда он был применен в штате Техас на площади Корсикана. В России вращательное бурение впервые применили в Грозном в 1902 г. для бурения скважины на нефть глубиной 345 м.

В настоящее время это – один из наиболее распространенных способов бурения в нефтяной и газовой промышленности. Роторным способом проходят как мелкие скважины (глубиной в несколько десятков метров), так и наиболее глубокие (например, скважина "Берта Роджерс 1" глубиной 9590 м в США).

Бурение с забойным гидравлическим двигателем – разновидность вращательного бурения. От роторного способа отличается тем, что породоразрушающий инструмент приводится во вращение гидравлической машиной (турбобуром, объемным двигателем), находящейся в скважине непосредственно над долотом. В России первый турбобур был сконструирован и изготовлен в 1923 г. инженером М.А. Капелюшниковым, а широкое освоение турбинного бурения началось после создания надежного и достаточно мощного турбобура. В области освоения и развития турбинного бурения наша страна обладает неоспоримым приоритетом. Турбинным способом была пройдена и самая глубокая в мире скважина Кольская СГ-3. Ее глубина превышает 12 тыс. м. С использованием турбобура в нашей стране выполняется свыше 80 % всего объема глубокого бурения.

Объемный забойный гидравлический двигатель начали осваивать с 60-х годов. В нем для преобразования гидравлической энергии потока жидкости применен героторный винтовой механизм.

Следующая разновидность вращательного бурения – способ с применением электробура. При бурении с электробуром породоразрушающий инструмент так же, как и в предыдущем случае, приводится во вращение от машины, размещенной в скважине в непосредственной близости от забоя. Для привода долота используют электрическую машину, которая представляет собой своеобразный электромотор, смонтированный в трубном корпусе малого диаметра. Электроэнергия подается к электробуру с поверхности по секционированному кабелю, проходящему внутри бурильной колонны.

Электробур был создан советскими инженерами А.П. Островским и Н.В. Александровым в 1938 г., а в 1940 г. с помощью электробура в районе Баку была пробурена первая скважина. Способ бурения с электробуром весьма перспективен, так как благодаря наличию канала связи с забоем позволяет получать оперативную информацию о работе инструмента в скважине.

Колонковое бурение (разновидность вращательного) отличается тем, что разрушение горной породы происходит по кольцевому забою, в результате чего остается неразрушенный столбик горной породы, который в виде образца (керна) извлекают на поверхность. Применение колонкового бурения началось с середины ХIХ столетия. А в 1862 г. швейцарский часовщик Георг Лешо впервые использовал этот способ в Альпах при проводке тоннеля Мон-Сени. Несколько позже проф. Петербургского горного института С. Г. Войслав разработал конструкцию бурового станка для колонкового бурения.

Отличительная особенность шнекового способа состоит в том, что отделенные от забоя обломки горной породы выносятся на поверхность с помощью непрерывной колонны шнеков, образующих своеобразный винтовой транспортер, подобие шнека в мясорубке (отсюда наименование способа). Способ шнекового бурения используется для проходки неглубоких (до 50–100 м) скважин при геологическом картировании и сейсморазведке.

Классификация рассмотренных способов приведена на рис.

 

 

Углубление скважины

 

Проходка ствола скважины предусматривает два основных технологических процесса: разрушение горной породы на забое скважины и удаление ее обломков с забоя и из скважины. Масса частиц горной породы, отделенных от забоя, называется выбуренной породой..

 

Крепление скважины

крепление ствола скважины (разобщение пластов) – подготовка ствола, обсадных труб и оборудования к спуску обсадной колонны, спуск и цементирование обсадной колонны, контроль качества цементирования и герметичности обсадной колонны: