Бурение нефтегазовых скважин: все, что необходимо знать при выполнении процесса

В статье дадим определение основным терминам, а также ответим на наиболее важные и требующие внимания вопросы по теме:

• На какие этапы подразделяется операция бурения?
• Какие типы скважин бывают?
• Какие документы необходимо подготовить?
• Используемое методы и оборудование, их особенности?
• Сложности и проблемы при проектировании и бурении нефтегазовых скважин?

Что такое бурение и для чего оно применяется

Бурение – процесс воздействия специальной техники на слои горных пород, результатом чего является образование скважины, через которую становится возможным добыча полезных ископаемых. Под скважиной понимают техническое отверстие в горной породе, длина которого во много раз превышает диаметр. Верхняя часть скважины (на поверхности земли) – это устье, промежуточная часть – ствол, а окончание (находящееся на дне) – забой.

Процесс бурения может осуществляться не только по вертикальному направлению, но и горизонтально или наклонно. Направление работ зависит от расположения почвенных и горных пластов, регламентируется на стадии проектирования.

На какие этапы подразделяется процесс бурения

Весь процесс можно условно разделить на 4 основных этапа:

• Доставка спецтехники и оборудования к месту проведения работ. Транспортировка техники может проходить как своим ходом, так и при помощи автотранспорта или даже вертолетов (если проехать автомобильным транспортом не представляется возможным);
• Работы по непосредственному бурению. Включают в себя комплекс мероприятий по разрушению горных пород и углублению ствола скважины;
• Спуск обсадной колонны. Ее используют для предотвращения разрушения стенок ствола скважины, а также в качестве предотвращения засоров, вызванных постепенным разрушением пород. Колонна представляет собой конструкцию, выполненную из соединенных между собой стальных труб. Пространство между трубами и породой заполняют цементным раствором. Данная операция получила название – тампонирование;
• Освоение скважины. На финальном этапе вскрывается нижний пласт породы и при помощи специального оборудования создается призабойная зона. Так же формируется перфорация шахты и отток жидкостей.

Подготовка к бурению скважин

В качестве подготовительных мероприятий, выделяют 2 этапа работ: оформление документов и предварительные работы на участке, необходимые для начала процесса бурения.

Предварительная документация

Чтобы иметь законное право на проведение бурильных работ, юридическому лицу необходимо подготовить следующий пакет документов:

• Заявление на выдачу разрешения;
• Документы, подтверждающие право собственности или временного владения участком земли (аренда, временное использование или др.);
• Генеральный и ситуационный планы территорий;
• Кадастровый паспорт;
• Свидетельство ИНН.

Также могут потребоваться и другие бумаги, в зависимости от региона и особенностей местности. К примеру, если разработка планируется в области лесного массива, то потребуются все разрешительные документы для вырубки деревьев.

Предварительные работы на участке

К перечню подготовительных работ относится:

• Составление плана на проведения работ по бурению и освоению скважины;
• Разметка и зонирование территории;
• Вырубка лесного массива и корчевание пней;
• Организация поселка и территории под размещение рабочего персонала;
• Подготовка основы для размещения бурильной установки;
• Организация фундамента под размещение топливных материалов, бетонного раствора и т.д.;
• Организация складского хозяйства;
• Процедура отладки технологического и вспомогательного оборудования;
• Сборка, установка, монтаж и проверочные работы с техникой;
• Подвод линий электропередач для питания технологического и вспомогательного оборудования;
• Установка основания под буровую вышку, а также дополнительных элементов, необходимых для дальнейших работ;
• Монтаж буровой вышки с ее подъемом на требуемый уровень;
• Отладочные мероприятия и подготовка к непосредственному проведению бурильных работ.

Время на подготовительные работы может варьироваться в пределах 1-6 месяцев. После того, как все предварительные мероприятия будут завершены, необходимо пригласить на участок специальную комиссию и получить положительное заключение. В нем указывается, что техника является исправной, персонал обладает необходимой квалификацией и компетентностью для решения соответствующих задач, а также имеет знания в области техники безопасности.

Комиссией учитывается десятки факторов производственного процесса. В том числе, даже такие моменты, как наличие взрывозащищенного кожуха у осветительных приборов. Любые отклонения от нормы и недочеты фиксируются в виде замечаний, должны быть обязательно приняты во внимания еще до начала проведения бурильных работ.

Требования к буровой площадке

Перед началом работ по бурению, на площадке необходимо в обязательном порядке предусмотреть следующие моменты:

• Размещение объектов для проживания и жизнедеятельности рабочего персонала;
• Обустройство технических помещений;
• Обустройство лабораторий для быстрого анализа проб грунта, полученного в ходе исследовательских мероприятий;
• Обустройство складов под размещение инвентаря и инструмента;
• Обустройство центра медицинской помощи, где можно оперативно получить лекарственные препараты и помощь при производственных травмах.

Организатором работ нужно завезти необходимое оборудование и инструмент: обсадные трубы, долота, мелкую спецтехнику, приборы измерения и учета.

Особенности проектирования бурения скважины

Любой проект предполагает, что изначально создается техническое задание и чертеж. В этом чертеже обозначаются следующие важные аспекты:

• Физико-химические свойства горных пород (твердость, пористость, содержание влаги и т.д.);
• Глубина будущей скважины и угол, под которым она будет наклонена по отношению к вертикальной оси;
• Диаметр основания, для расчета степени влияния горных пород;
• Способы бурения.

Работы по проектированию начинают с определения глубины, диаметра и конструктивных особенностей оборудования для бурения. Обязательным является проведение предварительных геологических исследований, способных ответить на большинство из рассматриваемых вопросов, вне зависимости от типа местности и целей эксплуатации скважины.

Особенности бурения нефтяных скважин

В зависимости от типа полезных ископаемых, могут применяться разные типы оборудования и инструмента. К примеру, если для бурения скважин под воду можно использовать легкую и среднюю спецтехнику, то для нефтяной промышленности применяются исключительно тяжелые виды оборудования.

Вот несколько интересных моментов при бурении нефтяных скважин:

• Забуривание грунта начинается с установки буровой мачты. Направление бурение должно совпадать с осевым центром вышки;
• После того, как завершился процесс центровки, ствол скважины усиливают при помощи обсадных труб, а пространство заливают цементным раствором;
• После установки направления между вышкой и роторной осью, проводится еще одна, окончательная центровка;
• Для спускоподъемных операций с ведущей трубой во время наращивания бурильных труб, рядом с ротором создается шурф – дополнительная скважина небольшой глубины;
• Бурение шурфа осуществляется при помощи турбобура или ротора;
• Регулировка скорости вращения бура осуществляется при помощи каната, фиксируемого на самой буровой вышке.

Технические моменты, обсуждаемые перед бурением скважин

За пару дней до начала бурильных работ (при наличии необходимых документов и полной подготовке оборудования), проводится совещание с участием технологов, геологов, инженеров и бурильщиков. На этом совещании обсуждают ключевые вопросы, касающиеся непосредственного проведения работ:

• Карта с залеганием пластов: слои глины, слои песчаника, водонесущий слой, слой полезных ископаемых;
• Конструктивные и технические нюансы скважины;
• Результаты исследований состава и свойств породы из забора в области проведения работ;
• Наличие и способы устранения возможных трудностей и проблем.

Оборудование и расходные материалы

К перечню обязательных механических приспособлений и расходных материалов для работ, относятся:

• Цементировочный агрегат (аппараты для создания и подачи цементного раствора);
• Цементный раствор;
• Средства, обеспечивающие безопасность проведения работ;
• Геофизические зонды и механизмы для спускоподъемных работ;
• Техническая и питьевая вода;
• Химические реагенты;
• Обсадные и буровые трубы.

Основная документация

Чтобы приступить к работам, у организаторов должны быть оформлены следующие документы:

• Бумага, подтверждающая разрешение на эксплуатацию буровой площадки;
• Нормативная карта;
• Журналы с правилами проведения безопасных работ на объекте и охраны труда;
• Вахтовый журнал, куда вводится текущая информация о повседневных операциях, выполняемых в рамках процесса бурения;
• Журнал по учету работы силовых агрегатов.

Какие типы скважин бывают

После бурения скважины образуется шахта, которую проверяют на наличие полезных ископаемых: нефти или газа. Для проверки используют технику перфорации ствола, что стимулирует приток полезных ископаемых из продуктивной области и позволяет осуществить их забор. Далее, бурильную технику демонтируют, скважину пломбируют с указанием даты начала и окончания бурильных работ. Вместе с этим, вывозится и утилизируется мусор.

Строительство можно условно разделить на несколько последовательных этапов:

1. Углубление посредством размельчения пластов при помощи специального бурового инструмента;
2. Извлечение из скважины выбуренной породы и шлама;
3. Закрепление ствола (выполняется с использованием обсадных колонн и цементирования);
4. Исследовательские работы с изучением разлома и выявлению продуктивных пластов полезных ископаемых.

В зависимости от глубины, скважины различаются на следующие категории:

• Малой глубины (до 1,5 километров);
• Средней глубины (до 4,5 километров);
• Углубленные (до 6 километров);
• Сверхглубокие (более 6 километров).

Измельчение пластов породы осуществляется при воздействии на него долота. Далее разрушения порода удаляется из скважины посредством использования специального раствора (бурового раствора), перекачиваемого специальными насосами.

Методы бурения скважин

Строительство скважины под добычу полезных ископаемых может обеспечиваться за счет разных способов бурения:

• Ударно-канатный способ;
• Бурение роторными механизмами;
• Бурение с применением забойного мотора;
• Турбинный метод;
• Бурение с применением винтового мотора;
• Бурение электрическим буром.

Каждый из способов имеет свои особенности и область применения. Роторное бурение встречается чаще всего. Оно предполагает, что скважина бурится посредством воздействия механического ротора на ведущую бурильную трубу (квадрат), с работой в определенной частоте. 

Роторные механизмы устанавливают на устье скважины. Валами для вращения выступают бурильные трубы. А для скважин небольших размеров, характерно бурение за счет шпиндельного мотора. Ротор соединен с карданом и лебедкой, что позволяет осуществлять контроль и плавное изменение скорости вращения вала.

Турбинный способ бурения основан на передаче крутящего момента от мотора к колонне. Этим же принципом можно передавать момент вращения от гидравлики. Турбобуром является механизм, который преобразует гидравлическую энергию в механическую, тем самым создавая вращение.

Неотъемлемой частью бурения являются спускоподъемные операции с бурильными трубами. Это специальная сборная конструкция из комплекса разных труб, в том числе утяжеленных, соединение которых происходит при помощи замков.

А главной задачей бурения является передача энергии к инструменту – долоту. За счет этого происходит постепенное разбуривание пород, углубление и разработка скважины.

Сложности и проблемы, возникающие в процессе бурения нефтегазовых скважин

Технические проблемы – неотъемлемая составляющая практически любого процесса бурения скважины. Они могут, как просто замедлить проведения работ, так и вовсе поставить их дальнейшее продвижение под сомнение. Зачастую, к таковым факторам, относятся:

• Обвалы стенок ствола скважины;
• Поглощение буровых растворов и промывочных жидкостей;
• Аварийные состояния, повреждение скважины или инструмента;
• Технические ошибки при бурении.

Обвал породы со стенок ствола скважины возникает из-за нестабильности ее свойств. Предотвратить ситуацию можно по своевременной реакции на соответствующие признаки: рост давления, увеличение вязкости промывочной жидкости, повышенное число фрагментов породы, которые выносит на поверхность.

Поглощение жидкости зачастую происходит из-за пористости залегающего ниже пласта. Предусмотреть такую проблему и ее последствия можно посредством предварительных геофизических исследований.

Для того чтобы стенки ствола скважина не размывалась, в нее спускается цементируется обсадная колонна. Она же выполняет роль транспортировочного узла для бурового раствора в желоб.

Чтобы обеспечить нормальный износ оборудования, в процессе работ скорость регулируется специальным регулятором. Он же обеспечивает необходимое давление на буровую коронку. Конкретные величины давлений и скоростей подбираются исходя из свойств и диаметра породы.