Типи бурових вишок.

1.

Вступ

Буріння свердловин є однією з найважливіших галузей нафтової і газової промисловості як за своїм призначенням серед інших галузей, так і за об’ємом капіталовкладень, технічного оснащення та чисельністю працівників. Так, наприклад, вартість глибокої свердловини складає двадцять і більше мільйонів гривень, а сумарна потужність приводних двигунів бурової установки для глибокого буріння сягає п’яти і більше тисяч кіловат. Висока вартість свердловини і енергоозброєність бурових установок свідчать про великі труднощі, з якими стикаються працівники буріння у процесі спорудження свердловин.

Нафтові та газові родовища складені в основному осадовими гірськими породами, які залягають шарами одні на одних і відрізняються між собою літологічним складом, фізико-механічними характеристиками, властивостями пластових флюїдів та ін. Досконале знання геологічного розрізу дозволяє правильно запроектувати породоруйнівний інструмент та профіль свердловини, спосіб та режими буріння, бурильну колону та технологію буріння, попередити ускладнення та вибрати бурове та енергетичне обладнання.

Це, у свою чергу, дозволяє своєчасно виконати запроектований об’єм буріння з мінімальними затратами часу, матеріальних та трудових ресурсів. В останні роки значно зросли об’єми буріння глибоких, а також похилоскерованих та горизонтальних свердловин, що вимагає удосконалення

техніки і технології.

1.Основи буріння нафтових і газових свердловин.

Руйнувати гірські породи можна механічним, термічним, фізико-хімічним, електроіскровим та іншими способами. Проте в даний час промислове застосування знайшли тільки способи механічного руйнування породи, а інші поки що знаходяться в стадії експериментальної розробки.

Механічне буріння здійснюється такими способами:

1) ударним:

а) ударно-штанговим;

б) ударно-канатним;

2) обертальним:

а) роторним;

б) із застосуванням вибійних двигунів (турбобурів, електробурів, гвинтових двигунів);

3) ударно-обертальним.

1.1 Ударне буріння

З усіх різновидностей ударного буріння в даний час застосовується тільки ударно-канатний спосіб (рисунок 1.1). Буровий снаряд, що складається з долота 1, ударної штанги 2, розсувної штанги-ножиць 3 і канатного замка 4, спускається в свердловину на інструментальному канаті 5, перекинутому через головний ролик 7 та амортизатор 8 щогли 9, обгинає стяжний 10 і направляючий 12 ролики балансирної рами 11. При загальмованому барабані інструментальної лебідки 13, на якому закріплений кінець каната, шатунно-кривошипним механізмом 14 і 15 балансирна рама приводиться в коливальний рух відносно осі направляючого ролика 12. Відтяжний ролик балансирної рами, опускаючись, натягує канат і піднімає снаряд над вибоєм. Піднімаючись вверх, ролик 10 звільнює канат, і снаряд під власною вагою падає на вибій, руйнуючи долотом породу.

Рисунок 1.1 — Схема ударно-канатного буріння

У міру поглиблення свердловини, канат подовжують, змотуючи його з барабана 13. Циліндричність свердловини забезпечується поворотом долота в результаті розкручування каната під навантаженням (під час підйому бурового снаряда) і скручування його при знятті навантаження (під час удару долота об породу).

При ударному бурінні свердловина, як правило, не заповнена рідиною. Тому з метою уникнення обвалювання породи зі стінок у свердловину спускають обсадну колону, яка складається з металевих обсадних труб, з’єднаних одна з одною з допомогою різьби або зварки. У міру поглиблення свердловини обсадну колону просувають до вибою і періодично подовжують її на одну трубу.

Для ударно-канатного буріння випускають самохідні і стаціонарні станки, що дозволяють бурити свердловини глибиною до 500 м. Вони мають порівняно невелику масу (7-20 т), і тому їх можна легко перевозити з місця на місце, що дуже важливо для організації бурових робіт у важкодоступних і віддалених районах.

1.2 Обертальне буріння

При обертальному бурінні руйнування породи відбувається в результаті одночасної дії на долото осьового навантаження і крутного моменту. Під дією навантаження долото втискується в породу, а під дією крутного моменту - сколює її. Існує два способи обертального буріння - роторний і з вибійними двигунами.

При роторному бурінні (рисунок 1.2) потужність від двигунів 9 передається через лебідку 8 до ротора 16 - спеціального обертального механізму, встановленого над устям свердловини в центрі вишки. Ротор обертає бурильну колону і нагвин­чене на неї долото 1. Бурильна колона складається з ведучої труби 15, спеціального перевідника 6 і бурильних труб 5.

При бурінні з вибійними двигунами долото 1 нагвинчується на вал, а бурильна колона з’єднується з корпусом двигуна 2. При роботі двигуна обертається його вал з долотом, а бурильна колона не обертається.

Характерною особливістю обертального буріння є промивання свердловини водою або спеціальною рідиною протягом усього періоду роботи долота на вибої.

Рисунок 1.2 — Схема установки для буріння нафтових та газових свердловин

Для заміни зношеного долота піднімають із свердловини всю бурильну колону, замінюють долото і знову опускають її. Спуско-підіймальні роботи ведуть також з допомогою талевої системи.

1.3 Уда́ рно-оберто́ ве бурі́ ння.

Спосіб буріння, при якому руйнування породи здійснюється шляхом нанесення ударів по породоруйнівному інструменту, який безперервно обертається. Застосовується при веденні гірничих робіт для буріння шпурів і свердловин глиб. 25—50 м, діаметром 40—850 мм і при пошуках, розвідці родовищ для буріння свердловин глиб. до 2000 м, діаметром 59-151 мм.

2. Геологічна будова родовищ. Екскурсія в геолoгічний музей ІФНТУНГ.

Природним середовищем перебування нафти і газу в надрах є переважно осадові гірські породи земної кори. За здатністю порід вміщувати нафту і газ, а точніше за їхніми ємнісно–фільтраційними властивостями, породи поділяють на дві групи:

1) колектори нафти і газу;

2) флюїдоупори.

Поняття “колектор” і “флюїдоупор” деякою мірою умовні і стосуються конкретної ділянки з певним складом порід і флюїдів, термобаричними умовами. При зміні цих параметрів колектор може втратити фільтраційні властивості, а флюїдоупор — набути їх. Одна й та ж порода може бути колектором для газу та флюїдоупором для нафти.

2.1 Колектори нафти і газу

Колекторами нафти і газу називають гірські породи, які здатні вміщувати флюїди (нафту, газ і воду) і пропускати їх через себе при наявності перепаду тиску.

Насичені нафтою і газом породи-колектори називають відповідно нафтоносними або газоносними. Товщина нафтоносних і газоносних пластів може коливатись від кількох сантиметрів до десятків і сотень метрів, а їхня протяжність (ширина і довжина) — від кількох десятків метрів до кількох десятків кілометрів.

Нафта і газ заповнюють в породі порожнинний простір, який може бути представлений порами, кавернами або тріщинами.

Пори — це простір між мінеральними зернами (уламками) породи, який утворився в результаті неповного прилягання їхніх поверхонь між собою і не заповнений твердою речовиною (цементом).

Каверни — це порожнини в породі, що утворились при вилуговуванні окремих компонентів породи або їхньої перекристалізації.

Тріщини — це порожнини в породі, що утворились внаслідок розривів суцільності скелету породи після тектонічних процесів і складкоутворення.

В геологічному музеї ІФНТУНГ представлені: мінералогія, петрографія, корисні копалини України, корисні копалини Івано-Франківської обл., історична геологія, палеонтологія.

Рис 2.1 Геологічний музей ІФНТУНГ

За своєю природою, породи поділяються на: магматичні, осадові і метаморфічні гірські породи.

2.2 Магматичні породи.

Магматичні гірські породи утворились в процесі розкристалізації або затвердіння природних силікатних розплавів, які виникли в глибинних зонах земної кори або вилились на її поверхню в результаті пониження її температури. Ці породи поділяються на два типи:

- інтрузивні, що утворились з магми у глибинних надрах Землі.

- ефузивні, що утворились з лави на поверхні Землі.

Рис 2.2 Магматичні породи: ігнімбрит і базальт.

2.3 Осадові гірські породи. Осадова гірська порода –це геологічне тіло, складене із мінералів або органічних утворень, а також тих і другиг сумісно, сформоване із осадів, відкладених на поверхні суші або на дні водойми.Ці породи поділяються на: уламкові, органогенні і хемогенні.

Рис 2.3. Уламкові осадові породи. Рис 2.4 Калійна сіль

2.4 Метаморфічні гірські породи.

Метаморфічні гірські породи утворились в результаті значного перероблення магматичних і осадових гірських порід в глибинних зонах земної кори, куди вони потрапили в результаті дії тектонічних процесів. Вони утворились за так званих метаморфічних умов: високого тиску і температури, складу циркулюючих і водних розчинів і газів.

3. Техніка і технологія буріння.

3.1 Класифікація свердловин.

Свердловиною називають гірську циліндричну виробку, що споруджується без доступу в неї людини і діаметр якої в багато разів менший від довжини (рисунок 3.3).

Початок свердловини називається устям, циліндрична поверхня - стінкою або стволом, а дно - вибоєм. Відстань від устя до вибою по осі ствола визначає довжину свердловини, а по проекції осі на вертикаль - її глибину.

Свердловини бурять вертикальні і похилі. В останньому випадку свердловину примусово викривляють згідно з раніше запроектованим профілем.

Свердловини бурять ступенево, зменшуючи діаметр від інтервала до інтервала. Глибини свердловин коливаються в широких межах: від декількох сотень до декількох тисяч метрів.

Поглиблення свердловини здійснюється шляхом руйнування породи на всій площі вибою (без відбору керну) або на його периферійній частині (з відбором керну).

Буріння свердловини здійснюється за допомогою спеціальних бурових установок як на суші, так і на морі.

а, б-вертикальні; в-похила; а, в- буріння без відбору керна;

б-буріння з відбором керна;

1-устя; 2-стінка (ствол); 3-вісь; 4-вибій; 5-керн

Рисунок 3.3 — Схема свердловини

За призначенням всі свердловини, що буряться з метою геологічного дослідження району, поділяються на опорні, параметричні, структурні, пошукові, розвідувальні, експлуатаційні і спеціальні.

Опорні свердловини бурять для вивчення геологічної будови і гідрогеологічних умов залягання осадової товщі порід і вивчення закономірностей поширення комплексів відкладів, сприятливих для нафтогазонакопичення. При бурінні опорних свердловин намагаються розкрити кристалічний фундамент, а там, де він залягає глибоко, бурять до технічно можливих у даний час глибин.

Результати опорного буріння всебічно досліджують і в комплексі з іншими одержаними раніше геолого-геофізичними даними використовують для вияснення загальних закономірностей геологічної будови району, попередньої оцінки перспектив його нафтогазоносності, складання перспек­тивного плану геологорозвідувальних робіт і підрахунку прогнозних запасів нафти і газу.

Параметричн і свердловини призначені для детальнішого вивчення геологічної будови розрізу, особливо на великих глибинах, а також для виявлення найперспективніших площ з точки зору проведення на них геолого-пошукових робіт. За результатами буріння параметричних свердловин уточнюють стратиграфічний розріз і наявність сприятливих для накопичення нафти і газу структур, коректують розроблені за даними опорного буріння перспективи нафтогазоносності району і прогнозні запаси нафти і газу.

Структурні свердловини служать для ретельного вивчення структур, виявлених при бурінні опорних і параметрич­них свердловин та для підготовки проекту пошуково-розвідувального буріння на ці структури. Результати структур­ного буріння і геофізичних досліджень використовують для вивчення характеру залягання, віку і фізичних властивостей порід, що складають розріз, для точного відбиття опорних (маркуючих) горизонтів і побудови структурних карт.

Пошукові свердловини споруджують на підготовлених попереднім бурінням та геолого-геофізичними дослідженнями площах з метою відкриття нових родовищ нафти і газу або для пошуків покладів нафти і газу ж на раніше відкритих родовищах. При бурінні пошукових свердловин детально вивчають геологічний розріз і його нафтогазоносність з відбором проб породи, води, газу, нафти, а при розкритті продуктивної товщі свердловини випробовують на приплив нафти з допомогою спеціальних пристроїв.

Розвідувальні свердловини бурять на площах зі встановленою промисловою нафтогазоносністю з метою оконтурювання родовища та збору вихідних даних для складання про­екту його розробки. У процесі розвідувального буріння продовжують дослідження розрізу і його нафтогазоносності приблизно в такому ж об’ємі, як це роблять при пошуковому бурінні.

Експлуатаційні свердловини бурять на повністю розвіданому і підготовленому до розробки родовищі з метою експ­луатації покладів нафти і газу.

У категорію експлуатаційних входять не тільки свердловини, з допомогою яких видобувають нафту або газ (видобувні свердловини), але і свердловини, які дозволяють організувати ефективну розробку родовища (оціночні, нагнітальні, спостережні).

Оціночні свердловини призначені для уточнення режиму роботи пласта і ступеня виробки ділянок родовища, уточнення схеми його розробки.

Нагнітальні свердловини служать для організації законтурного і усередину контурного нагнітання в експлуатаційний пласт води, газу, або повітря з метою підтримання пластового тиску.

Спостережні свердловини споруджують для систематич­ного контролю за режимом роботи родовища.

Спеціальні свердловини бурять для вибухових робіт при сейсмічних методах пошуків і розвідки родовища, скидання промислових вод у непродуктивні поглинаючі пласти, розвідки і видобутку води, підготовки структур для підземних газосховищ і закачування в них газу, ліквідації відкритих фонтанів нафти і газу.

Типи бурових вишок.

Бурова вишка призначена для підйому і спуску бурильної колони та обсадних труб у свердловину, утримання бурильної колони на вазі під час буріння, а також розміщення в ній талевої системи, бурильних труб і частини обладнання, необхідного для здійснення процесу буріння. Вишки являють собою решітчасті конструкції, виконані з профільного заліза або труб.

Бурові вишки розрізняються за конструкцією, висотою та вантажопідіймальністю.

За конструкцією бурові вишки поділяються на два типи: баштові, щоглові і А-подібні.

Вишки випускаються висотою 33, 41, 42, 47, 52, 53, 64, 70, 73 м.

Вишка баштового типу – це чотиригранна зрізана піраміда. Нижня основа вишки має розмір 8x8 м (для 41-42 м) або 10x10 м (для 53 м), а верхня - 2´ 2 м. На верхній основі піраміди встановлюють підкронблочні балки, до яких кріпиться кронблок, огороджений перилами. На вишках висотою 41 м на висоті 22 м монтується чотиристоронній балкон з квадратним прогоном посередині і площадкою, яка виступає всередину вишки для обладнання робочого місця помічника бурильника (верхового). Вишки висотою 53 м обладнані двома балконами для роботи з 25-ти і 36-ти метровими свічками.Для буріння надглибоких свердловин (до 15000 м) використовуються баштові вишки з вертикальними колонами.

Одним з різновидів щоглових бурових вишок є А-подібні вишки більш трудомісткі у виготовленні і тому більш дороги. Вони менш стійкі, але їх простіше перевозити з місця на місце і потім монтувати. Основні параметри вишки – вантажопідйомність, висота, ємність «магазинів» (сховищ для свічок бурильних труб), розміри верхнього і нижнього підстав, довжина свічки, маса.

Найпоширенішими серед щоглових вишок є вишки А-подібного типу (рис 3.4), які мають ряд переваг порівняно з вишками баштового типу: менша металоємність, менша кількість деталей, полегшується монтування і демонтування, покращуються умови роботи щодо затягування труб у бурову і викидання їх з бурової, а також видимість у буровій. Баштові вишки монтують з допомогою спеціальних підйомників методом “зверху-вниз”. Вишки А-подібного типу монтують у горизонтальному положенні і піднімають у вертикальне з допомогою стріли і бурової лебідки або трактора.

Рис 3.4.Вишка А-подібного типу.

4.Породоруйнівний інструмент. Обладнання для буріння свердловин.

4.1 Породоруйнівний інструмент.

При бурінні нафтових і газових свердловин використовуються такі види породоруйнівного інструменту:

1) бурові долота для буріння свердловин суцільним вибоєм;

2) бурильні головки для буріння свердловин кільцевим вибоєм.

Долото – буровий інструмент для механічного руйнування гірських порід на вибої свердловини в процесі її проходки.

За характером дії на породу долота можна класифікувати на:

1. Долота різально-сколювальні – лопатеві долота, призначені для розбурювання в’язких і пластичних порід невеликої твердості (в’язких глин, маломіцних глинистих сланців і ін.) і малої абразивності.

2. Долота сколювальні – шарошкові долота, призначені для розбурювання неабразивних і абразивних порід середньої твердості, твердих, міцних і дуже міцних.

3. Долота стирально-різальні – долота з алмазними і твердосплавними породоруйнівними вставками. Вони призначені для буріння в породах середньої твердості, а також в породах з чергуванням високопластичних малов’язких порід з породами середньої твердості і навіть – в малоабразивних твердих породах.

Лопатеві долота

Лопатеві долота (рис 4.1) за принципом руйнування гірської породи поділяють на два різновиди:

1) долота, які руйнують гірську породу за принципом

різання, або лопатеві долота ріжуче-сколюючої дії (РС);

2) долота, які руйнують гірську породу за принципом

стирання, або лопатеві долота стираюче-ріжучої дії (СтР).

Лопатеві долота ріжуче-сколюючої дії (РС) використовують для буріння неабразивних м’яких пластичних гірських порід та неабразивних м’яких з пропластками неабразивних порід середньої твердості.

Лопатеві долота стираюче-ріжучої дії (СтР) застосовують для буріння м’яких абразивних (слабозцементовані пісковики або алевроліти) та середньої твердості неабразивних гірських порід (глинисті сланці, аргіліти, гіпси).

Робочий елемент долота називається лопаттю (лопатою), якщо його висота значно більша за товщину, та сектором, якщо його висота менша або дорівнює товщині. На секторах, як правило, розташовують декілька рядів елементівозброєння, тоді як на лопаті не більше двох.

Лопатеві долота мають такі переваги над шарошковими:

1) простота конструкції та технології виготовлення;

2) відсутність підшипників та інших внутрішніх вузлів та елементів;

3) менша вартість;

4) велика проходка за рейс (декілька сотень, а іноді і 1500 – 2000 метрів).

До вад лопатевих доліт відносять:

1. Значна втрата діаметра долота. Лопатеве долото заглиблюється в породу за один оберт бурильної колони на більшу глибину, ніж шарошкове і має більший об’ємний контакт з нею без доступу охолоджувача – очищуючого агента. При цьому поверхні та елементи, які входять в контакт з породою, дуже нагріваються при бурінні внаслідок тертя.

Периферійні поверхні лопатевих доліт нагріваються при бурінні до температури більше 1300°С, а поверхневі шари зубців шарошкового долота до температури 850°С. Це призводить до значної втрати діаметра долота, тому перед спуском нового долота необхідно проводити розширення та пророблення свердловин. Втрата діаметра є головною вадою лопатевого долота.

2. Необхідність прикладання до лопатевого долота великого крутного моменту, який би перевищував момент опору обертанню долота.

3. Інтенсивніший знос ріжучих елементів, оскільки вони знаходяться у безперервному контакті з розбурюваною породою.

4. Неефективність лопатевих доліт при бурінні щільних, твердих і абразивних порід. У твердих, міцних і дуже міцних породах лопатеві долота не застосовують.Об’єм буріння лопатевими долотами значно менший ніж шарошковими.

Асортимент лопатевих доліт значно менший ніж шарошкових.

За кількістю робочих органів – лопатей лопатеві долота поділяють на одно-, дво-, три-, чотири-, шести- та багатолопатеві.

Рис 4.1.Лопатеві долота.

Шарошкові

Шарошкові долота (рис 4.2) найпоширеніший вид породоруйнуючого інструменту. Їх випускають найбільшим асортиментом за типом, серією, модифікацією і моделлю. З допомогою шарошкових доліт виконують більше 90% загального об’єму проходки глибоких свердловин в Україні, Росії та в інших країнах світу.

Цими долотами бурять експлуатаційні (нафтові, газові, водяні), розвідувальні, пошукові, опорні, інженерно-геологічні, гідрогеологічні, гідротехнічні, будівельні, вибухові, вентиляційні та інші свердловини. У залежності від робочих органів (шарошок) шарошкові долота поділяють на різновиди: одно-, дво-, три-, чотири- та багатошарошкові (шести-, восьми-).

Рис 4.2.Шарошкові долота.

Алмазні долота

Алмаз – мінерал, поліморфна модифікація вуглецю. Кристали алмазу являють собою октаедри, ромбодекаедри та ін. Розміри кристалів від мікроскопічних до дуже великих масою до 3000 карат. Найбільший алмаз знайдено в ПАР вагою 3106 карат (1карат дорівнює 0, 2 грама). Кристалічна структура атомна, відрізняється щільною упаковкою та рівномірним розподілом зв’язків у просторі. Це обумовлює велику густину (3520кг/ ), твердість та жорсткість алмазу. Мікротвердість алмазу у десять разів більша ніж кварцу та в шість разів більша ніж твердого сплаву. Модуль Юнга алмазу дорівнює 8, 8 ·10 МПа, тобто у два рази більший ніж у твердого сплаву та в чотири рази вищий ніж у сталі. Завдяки цим властивостям він має надзвичайно високу зносостійкість при терті ковзання. Поряд з перевагами алмаз має і вади. Алмаз дуже крихкий, має досконалу спаяність по октаедру. При температурі 1850°С у вакуумі алмаз перетворюється у графіт.

Рис 4.3.Алмазні долота.

Бурові долота для буріння з відбором керну

Буріння кільцевим вибоєм проводиться з метою відділення від масиву гірської породи і підйому на денну поверхню взірців порід для геологічних, гідрогеологічних, інженерно-геологічних та інших досліджень з метою виявлення складу, будови, механічних властивостей гірських порід розрізу, а також для вивчення геологічної будови родовища, визначення запасів нафти і газу, складання проектів розробки та для вирішення інших задач.

Взірець породи, який має форму циліндричного стовпця або колонки називають керном, тому буріння з відбором керна називають також колонковим. Керн утворюється на вибої свердловини у результаті оббурювання кільцеподібним буровим інструментом, який при бурінні геологорозвідувальних свердловин (на тверді корисні копалини, воду, структурних та ін.) називають коронкою, а при бурінні нафтових і газових свердловин –бурильною головкою.Коронка має менший розмір і тонкостінна, а бурильна головка – більші габарити, циліндричний корпус як у долота та має більшу товщину стінки. Чим тонша стінка, тим можна одержати більший діаметр керна при незмінному зовнішньому діаметрі буріння. Признаками якості керна є: діаметр керна та його цілісність, ступінь розмиву і забрудненості промивальною рідиною.

Рис. 4.4.Долота для буріння з відбором керну

4.2 Обладнання для буріння свердловин.

Обладнанням для буріння свердловин є: бурильні труби(БТ), обважлені бурильні труби (ОБТ), квадрат(ВТ), перевідники, муфти, замки.

Бурильні труби виготовляють безшовними, з вуглецевих або легованих сталей, а також зі сплавів легких металів (зокрема алюмінію). Діаметр бурильних труб 33, 5-168 мм (бурильні труби діаметром до 60 мм використовують в основному для геологорозвідувального колонкового буріння). Бурильні труби з'єднуються між собою з допомогою бурильних замків; у колонковому бурінні застосовують також ніпельні з'єднання (з'єднини). Легкосплавні бурильні труби (круглого перерізу з товщиною стінки 9-17 мм) виготовляють із потовщеними кінцями методом пресування з термообробленого алюмінієвого сплаву. Для їх з'єднання застосовують бурильні замки полегшеної конструкції. До бурильних труб належать також обважнені (ОБТ) і ведучі (ВТ) бурильні труби. Обважнені сталеві бурильні труби переважно круглого перерізу виготовляють товстостінними із поковки з механічним оброблянням або гарячекатаними. Вони призначені для створення навантаження на породоруйнуючий інструмент, збільшення жорсткості нижньої частини колони. Комплект ОБТ складається з труб, з'єднаних з допомогою замкової різі (довжиною до 300 м). Для боротьби з викривленням свердловини застосовують ОБТ квадратного перерізу з наплавленням на гранях поясків із твердого сплаву, для попередження прихоплення — із спіральними фрезерними канавками.
Ведучі бурильні труби, звичайно квадратного або шестигранного перерізу, установлюють у верхній частині бурильної колони і передають їй обертання від привода бурового устаткування.
Бурильні труби випускають двох конструкцій: суцільні з кованої заготовки із потовщеними кінцями і термічною та механічною обробкою по всій довжині; збірні з гарячекатаної заготовки із перевідниками, наґвинченими на кінці труби, аналогічно до бурильного замка.