Конструкция скважины
Скважина – это специальная выработка круглой формы, длина которой значительно превышает ее диаметр. Бурение их происходит при помощи специального оборудования. Они могут создаваться для самых различных целей, могут быть добывающие, нагнетательные, газовые, водяные, нефтяные, геологоразведочные.
Перед тем как делать скважину, рекомендуется выполнить ее чертеж на бумаге
Основные элементы конструкции скважинной выработки:
- Устье – так называется начало любой скважины;
- Стенки – внутренняя поверхность;
- Ствол – внутреннее пространство, немного меньше по диаметру, чем устье;
- Забой – дно выработки.
Также помимо этих понятий, существует еще несколько, основанных на том, через какие именно пласты земли приходится проходить при бурении.
Каждый такой этап имеет свое название и конструкцию:
- Направление – начало устья, которое в основном состоит из легко размываемых и рыхлых пород. Пробурив этот слой, в отверстие вставляется труба нужного диаметра, а промежуток между ней и породой заполняется цементом.
- Кондуктор – идет сразу за направлением и крепится обсадной колонной из нескольких соединенных между собой труб. Пространство между элементом и породой также бетонируется.
- Промежуточная колонна – это часть, проходящая не только предыдущие элементы, но и все слои, которые не планируются к разработке. Таких элементов может быть несколько. Для большей прочности они тоже укрепляются.
- Эксплуатационная колонна – промежуток, который бурится от дна до устья. Именно по этой части выработки поднимается добываемый ресурс.
- Забой – самый нижний пласт, где происходит извлечение ресурса из недр. Если это происходит в шахте, то элемент имеет кровлю, а также верхние и нижние границы.
Кондуктор и направление – это обязательные конструктивные элементы.
Что касается промежуточной колонны, то она может быть потайной, именуемой хвостовик, и выполнять роль эксплуатационной колонны, то есть служить для улучшения подачи жидкостей или твердых частей из забоя при благоприятных условиях и если в этом есть необходимость.
Имеет значение также нормализация, которая заключается в надлежащей подготовке к работе в зависимости от вида и предназначения скважинного бурения.
Открытый забой
Забой открытого типа обустраивают так, чтобы эксплуатационная колонна доходила до начала используемого слоя. В таком состоянии она фиксируется цементом. После этого пласт разделывают уже оборудованием с меньшим диаметром. Ствол будет оставаться открытым.
Такую конструкцию можно использовать в следующих случаях:
- выяснены точные границы используемого слоя;
- толщина пласта небольшая;
- прослойка включает породы, которые не обрушатся;
- пласт является однородным и не включает глинистую массу, которая может обрушиваться из-за набухания;
- нет необходимости воздействовать на отельные подпрослойки.
У открытого забоя наиболее высокий показатель эффективности гидродинамического типа по сравнению с другими видами конструкций. Вот почему коэффициенты гидродинамического бурения у других типов измеряют относительно забоя открытого типа, который берется за единицу.
Минусом является то, что нет возможности разрабатывать отдельные зоны пласта либо раздельно влиять на них. Кроме того, есть вероятность обвала слоя во время откачки, из-за того, что уменьшается давление внутри него. Поэтому скважины с забоем открытого типа применяют редко – примерно в 5 % случаев.
Сложности при бурении нефтяных скважин
В процессе бурения скважин достаточно часто приходится сталкиваться с техническими проблемами, появление которых может сильно замедлить работы или сделают работу практически невозможной. К таким проблемам относятся следующие явления:
- Разрушения ствола, обвалы;
- Уход в почву жидкости для промывки (удаления частей породы);
- Аварийные состояния оборудования или шахты;
- Ошибки в сверлении ствола.
Достаточно часто обвалы стенок скважины происходят из-за нестабильности горной порода. Признаками обвала является увеличенное давление, большая вязкость жидкости, которая используется для промывки, а также повышенное число фрагментов породы, которые выходят на поверхность.
Чаще всего поглощение жидкости случается, если залегающий ниже пласт целиком забирает раствор в себя. Его пористая структура или высокая степень впитываемости способствует такому явлению.
В процессе бурения скважины буровой снаряд, движущийся по часовой стрелке, доходит до места забоя и поднимается обратно. Скважины доходит до коренных пластов, в которые происходит врезка до 1,5 метра. Чтобы скважина не была размыта, в начало погружается труба, она же служит средством проведения промывочного раствора напрямую в желоб.
Буровой снаряд, а также шпиндель может вращаться с различной скоростью и частотой; этот показатель зависит от того, какие виды пород требуется пробить, какой диаметр коронки будет сформирован. Скорость контролируется посредством регулятора, который регулирует уровень нагрузки на коронку, служащую для бурения. В процессе работы создается необходимое давление, которое оказывается на стены забоя и резцы самого снаряда.
Искусственный забой – скважина
Искусственный забой скважины делают на несколько метров ниже интервала перфорации, с тем чтобы создать возможность скопления различных осадков в нижней части скважины.
| Однопакерное оборудование Н. С. Горохова для раздельной закачки воды. |
Пакер устанавливается после достижения хвостовиком искусственного забоя скважины. Опрессовка осуществляется подачей жидкости в затрубное пространство. Жидкость закачивается в верхний пласт под давлением, не превышающим прочности обсадной колонны, по-затрубному пространству. В нижний пласт жидкость закачивается по колонне НКТ.
По нормативному времени для каждого интервала глубины искусственного забоя скважин определены отклонения от времени, принятого за единицу, выраженные в коэффициентах.
Таким образом, повышение эффективности и долговечности искусственного забоя пескопроявляющей скважины может быть обеспечено разработкой средств и методов создания фильтрационных сооружений с переменными по радиусу пористостью и проницаемостью.
Прочно вошедшие в практику нефтегазоразработок понятия о забое и искусственном забое скважины следует дополнить понятием об эксплуатационном забое.
Приведены таблицы коэффициентов по видам работ для различных интервалов глубины искусственного забоя скважин и по условиям, определяющим трудоемкость работ.
После применения этого способа испытание зацементированной обсадной колонны производится при спущенных НКТ или бурильных труб до искусственного забоя скважины. Буровой раствор в скважине меняется на техническую воду.
В результате выполненных расчетов определено нормативное время в зависимости от условий ведения ремонта для каждого интервала глубины искусственного забоя скважины.
Под условным ремонтом У понимается величина, равнозначная коэффициенту трудоемкости для соответствующего вида капитального ремонта при данной глубине искусственного забоя скважины и заданных технических условиях проведения ремонта.
Время подъема штанг 7 0, время подъема труб Tilt время спуска труб Т12, время спуска штанг Ti3 принимается в соответствии с нормами спуско-подъема одной трубы ( штанги) в зависимости от глубины искусственного забоя скважин.
Карты суммарного нормативного времени ( примеры) составлены по характерным признакам того или иного вида капитального ремонта с учетом внутрискважинного оборудования, применяемого подъемного агрегата, оснастки талевой системы, диаметра и длины труб, штанг, диаметра колонны, высоты цементной пробки, глубины искусственного забоя скважин.
| Укрупненная структурная схема модели газовой скважины Условные обозначения на 9. |
Можно видеть, что, с одной стороны, эта преобразующая функция тспс ( 0 имеет два входа, происхождение которых ясно из схемы рис. 9: величина A / ( f) является управляющим воздействием как для величины текущих запасов M ( f), так и для распределения давления в пласте P ( R), что очевидно для подсистемы, в которой структурно объединены естественный газонасыщенный пласт и искусственный забой скважины.
После полного вытеснения компонента БСС из емкости 7 ее крепление к башмаку 8 ослабевает; подача промывочной жидкости прекращается; в скважину спускается овершот для извлечения съемной части устройства. Дальнейшие работы ведутся с использованием снаряда СОТ-59. Устройство УРП-59 надежно перекрывает ствол скважины, устраняет влияние пластовых вод ( предотвращает разбавление БСС) нижележащих горизонтов в случае их циркуляции, а также является эффективным техническим средством при ликвидационном тампонаже и при создании искусственных забоев скважин.
Подготовительные мероприятия
Их можно разделить на 2 этапа – подготовка и оформление необходимой документации, и подготовительные работы непосредственно на участке бурения.
Подготовка документации
Перечень всей необходимой документации для проведения процесса бурения мы не будем расписывать в этой статье. Хотим добавить лишь только, что если разработка ведется в области лесного массива, нужна вся разрешительная документация, для осуществления вырубки лесного массива.
Работы по подготовке непосредственно на участке
- Составление плана работ;
- Проведение разметки участка и его зонирование;
- Вырубка деревьев;
- Подготовка и создание поселка для размещения рабочих;
- Подготовка основания для буровой установки;
- Строительство фундаментов для установки на него цистерн с горючими материалами, буровым раствором и пр…;
- Обустройство складского хозяйства;
- Отладка оборудования вспомогательного технологического оборудования;
- Сборка монтаж проверка техники;
- Подводка линий электропередач для энергоснабжения оборудования и технических средств;
- Монтаж основания для буровой вышки и установки вспомогательных элементов;
- Установка буровой вышки и подъём ее на нужную высоту;
- Отладка всего комплекса оборудования.
По времени, работы по подготовке непосредственно на участке, могут занимать от 1 до 5 месяцев.
После окончания работ по подготовке оборудования для бурения нефтяных скважин (оборудование полностью готово к эксплуатации), необходимо заключение специальной комиссии.
Комиссия выдаёт заключение, в котором указано, что техника находится в исправном состоянии, полностью готова к эксплуатации, персонал обладает всеми необходимыми знаниями в области правил безопасности на производстве подобного рода.
При проверке, комиссией также уточняется правильность конструкции осветительных приборов (осветительные приборы должны иметь взрывозащищенный кожух).
Если выявляются недочеты, они оформляются в виде замечаний, и они должны приняты во внимание заранее, до начала процесса работ по бурению.
До начала работ по бурению, на скважину необходимо также завезти:
- трубы для укрепления бурового ствола (обсадные трубы);
- долото;
- различную мелкую спецтехнику для проведения вспомогательных работ;
- измерительные приборы, для осуществления измерений непосредственно в ходе бурения.
а также обеспечить водоснабжение и решить ряд других вопросов.
Буровая площадка в обязательном порядке должна содержать:
- Объекты для проживания персонала (бытовки, соответствующие погодным условиям)
- Технические помещения
- Лабораторные помещения для анализа проб грунта и полученных в ходе исследований результатов
- Складские помещения, для хранения инвентаря и мелкого инструмента
- Средства медицинской помощи и средства безопасности.
Оборудование
Шнековые установки для бурения скважин разделяются на три типа:
- ручные;
- легкие передвижные;
- тяжелые передвижные.
Они предназначаются для разных задач однако работают по одному принципу.
Ручные установки
Основное достоинство таких моделей это легкий вес и компактность. Многие модели оснащаются мотором, что значительно облегчается процесс сверления отверстий в земле.
Основные характеристики ручных моделей:
- компактность;
- небольшой вес – максимальная масса установки достигает 200 кг, средняя же весит до 50-80 кг;
- используются для бурения питьевых скважин, а также других строительных работ.
Легкие самоходные установки
Это более мощные агрегаты, которые устанавливаются на базу грузовых автомобилей. Благодаря этому облегчается их транспортировка. Кроме того, они могут использовать шасси автомобиля в качестве платформы для бурения.
Особенности:
- вес установок может достигать 1 тонны;
- легкость передвижения;
- высокая производительность.
Естественно, такие агрегаты выигрывают ручных, однако это уже промышленное оборудование.
Тяжелые установки
Они также монтируются на базе шасси тяжелого грузового транспорта. Однако в отличие от легких, они представляют собой уже буровой комплекс, т.к. интегрированы с системами автомобиля.
Особенности:
- управление установкой с автомобиля;
- возможность бурения скважин больших диаметров и глубин;
- автономная работа – не требуется подключение дополнительного оборудования.
Таким образом, установки для этого типа бурения довольно широко представлены на строительном рынке. И позволяют выполнять разные типы работ, а также ориентированы на все группы потребителей – от домовладельцев до крупных промышленных предприятий.
Буровые установки ЛБУ
Одна из самых популярных передвижных установок для шнекового бурения это модель ЛБУ 50. Она ставится на шасси таких грузовых машин:
Установка ЛБУ
Машина может осуществлять разные типы работ:
- шнековое бурение;
- ударно-канатное;
- с промывкой;
- с продувкой;
- колонковое.
Таким образом, она достаточно универсальна и может применяться на различных видах почв. Также, в процессе бурения станками типа лбу, можно устанавливаться обсадные трубы.
Основные характеристики:
- относится к классу самоходных установок;
- максимальный диаметр скважины – 850 мм;
- максимальная глубина проходки – 200 м;
- глубина бурения шнеками – 50 м.
В базовой комплектации установка оснащена всеми необходимыми элементами для проведения бурильных работ.
Установка СО-2
Это еще одна популярная промышленная модель. Шнековое бурение скважин станками типа со 2 применяется в основном для обустройства свай. Основой для установки служат подъемные краны, либо экскаваторы.
Основные характеристики модели:
- возможность расширять основание скважины;
- максимальная глубина бурения – 30 метров;
- максимальный диаметр – 60 см;
- тип бурения – шнековый.
Установка СО-2
Стоимость оборудования
Средняя цена бурильного оборудования может варьироваться от нескольких тысяч рублей до миллионов. Это обусловлено тем, что на рынке представлено множество моделей, ориентированных на разных потребителей.
Например:
- установка ЛБУ-50 – средняя стоимость в зависимости от базы и комплектации варьируется от 3-х до 4-х миллионов рублей;
- малогабаритные установки значительно дешевле. Например, модель УКБ-12/25 стоит около 200 тысяч, а ПМ-23 в районе 100 тысяч;
- комплекты для ручного бурения обойдутся еще дешевле – средняя стоимость будет в пределах 20-30 тысяч;
- простой шнековый бур можно приобрести за 2-3 тысячи.
Виды нефтяных скважин. Классификация нефтяных скважин:
На выбор вида скважины, в первую очередь, влияют геологические условия, в которых расположен продуктивный пласт. Так, для разработки нефтяных месторождений используются типы выработок, различаемые по углу отклонения ствола от его вертикальной оси:
– вертикальные нефтяные скважины – не более 5 градусов;
– наклонно-направленные нефтяные скважины – превышающего 5 градусов;
– горизонтальные нефтяные скважины – составляющем около 90 градусов.
Горизонтальные нефтяные скважины имеют свои особенности. Так, строго горизонтального положения у подобных выработок не существует, т.к. пробурить прямую на пластах, залегающих под разными уклонами, просто невозможно. Хотя данное определение не совсем точно с научной точки зрения (не представляет собой строгую прямую линию), оно наиболее подходит к подобному типу разработки.
Так, намного проще и удобнее, а также эффективнее, проводить бурение вдоль траектории залегая нефтяного пласта. В связи с этим напрашивается более обширное определение: горизонтальная нефтяная скважина – это конструкция в виде протяженного ствола, бурение которого проводится по определенному азимуту. Последний рассчитывается исходя из направления целевого пласта, учитывая максимальное приближение к его залеганию.
Еще один тип скважин – многоствольные и многозабойные нефтяные скважины. К ним относят выработки, имеющие два и более стволов, т.е. ответвления от основного. В случае, когда «рукав» располагается выше продуктивного пласта, тип выработки носит название многоствольного (имеет несколько точек пробития пласта). Если же ответвления расположены в самом пласте, скважина считается многозабойной (пробитий несколько, но в одной точке).
Самый редкий тип скважины – кустовой. В этом случае устья стволов расположены на земле максимально близко друг к другу, а их стволы расходятся под землей под разными углами. Как результат – устья оказываются на разном расстоянии друг от друга, что в схематическом виде представляет собой перевернутый вверх ногами куст.
Скважины, которые бурят с целью извлечения нефти – они также называются эксплуатационные нефтяные скважины – делят на следующие категории:
– добывающие нефтяные скважины – предназначены для добычи нефти, попутного нефтяного газа или газового конденсата,
– нагнетательные нефтяные скважины – предназначены для закачки (нагнетания) в пласты воды (сжатого газа, воздуха и пр.).
Кроме основной классификации скважин (добывающие и нагнетательные нефтяные скважины), основа которых – прямое назначение выработки (она приведена выше), существует дополнительная. Так, для поиска, разведки и добычи «черного золота» используют скважины:
– опорные скважины – служат для изучения состава пластов, возраста залегающей породы;
– параметрические скважины – их закладка необходима для расчета перспективности района в плане его нефтеносности, уточнения геологических особенностей грунта;
– структурные скважины – сооружаются для определения перспективных площадей, их непосредственной подготовки к разработке и добыче;
– поисковые скважины – необходимы для обнаружения новых залежей полезных ископаемых;
– разведочные скважины – помогают изучить размеры и строение продуктивных пластов, оценить запасы залежей, получить данные для проектирования будущей эксплуатационной скважины;
– наблюдательные скважины – позволяют контролировать проведение разработки;
– дублирующие скважины – их использование начинается при прекращении работ на основном стволе (износ, авария и прочее);
– специальные (водозаборные, поглощающие и прочие) скважины – необходимы для сброса промысловых вод или добычи технических, ликвидации открытых фонтанов и прочего.
Все эти виды с успехом используются в нефтедобывающей отрасли.
Разработка нефтяных скважин. Этапы разработки нефтяной скважины:
Разработка нефтяного месторождения – длительный и сложный процесс. Прежде чем начать работы по бурению скважины, проводится тщательная подготовительная работа, включающая в себя несколько этапов: разведка, необходимая для оценки перспективности разработки, оценка технических параметров планируемой скважины, определение размеров забоя и прочее. При составлении проектной документации учитывается количество всех объектов, подлежащих разработке, последовательность, в которой будет проводится добыча, определяются методы бурения, позволяющие провести максимально эффективное освоение выбранного горизонта.
Сама же скважина разрабатывается в такой последовательности:
- освоение нефтяной скважины. На этом этапе происходит наиболее интенсивная добыча «черного золота». Давление в пласте снижено до минимального, обводненность тоже имеет самые низкие показатели. По мере необходимости количество скважин увеличивается, коэффициент же нефтеотдачи сохраняется в пределах 10 %. В среднем освоение скважины длится около 5 лет.
- обеспечение необходимого уровня добычи нефтяной скважины. Достигается поддержанием данного параметра в пределах от 3 до 17 % (показатель рассчитывается индивидуально для каждого конкретного пласта и зависит от вязкости полезного ископаемого). Продолжительность этапа колеблется от года до семи лет, количество скважин постепенно увеличивается за счет использования резервов, при этом истощенные выработки закрываются. Последнее обусловлено увеличением обводненности – она увеличивается до 65 %, повышается и нефтеотдача, в среднем до 30-50 %.
- снижение добычи нефтяной скважины. Нефтеотдача снова падает до показателей, не превышающих 10 %. Число резервных скважин стремится к нулю, обводненность нефти повышается до 85 %. Этап снижения – наиболее сложный при разработке скважины, т.к. требует снижения скорости откачки полезного ископаемого. В среднем продолжительность этапа составляет 3 года, а выработка перспективного слоя за это время может достигнуть 90 %.
- завершающий этап разработки нефтяной скважины. Отбор полезного ископаемого не превышает 1 %, обводненность достигает 98 %. Добыча нефти прекращается, а сами скважины закрываются. Завершающий этап наиболее длительный, т.к. рентабельность выработки сохраняется даже с такими низкими добывающими показателями, а это легко может продлить его на пару десятков лет.
Устройство нефтяной скважины:
Отличительной особенностью нефтяной скважины считается соотношение ее длины и диаметра – первый параметр всегда в несколько раз больше. Так, длина – это расстояние от расположенного на земле устья до забоя (нижней части), измеряемая по оси ствола. Глубина нефтяной скважины – это проекция длины ствола на вертикальную ось. Если разработка проводится вертикально, эти показатели идентичны, в остальных случаях (наклонные, искривленные скважины) они отличаются друг от друга.
Первым этапом добычи нефти считается проектирование будущей нефтяной скважины. Разработка конструкция выполняется с учетом таких требований:
– возможность получения свободного доступа к нижней части ствола всех необходимых геофизических приборов, оборудования;
– прочное крепление стенок ствола, исключающее его обрушение;
– качественное разделение проходимых пластов, исключение возможных перетеканий ископаемого и водных горизонтов из пласта в пласт;
– наличие возможности герметизации устья.
Для пород, легко поддающихся разрушению водой, где чаще всего и залегает нефть, требуется дополнительное укрепление стволов. В этом случае схема будущей нефтяной скважины слегка меняется: рядом со стволом добавляются колонны обсадных труб, расположенных концентрически, т.е. их размеры могут быть разными, но с единым центром.
Строительство – бурение нефтяной скважины происходит поэтапно:
- Бурение шурфа. Пробивают колодец до начала устойчивых горных пород, в среднем это 4-8 м. В него устанавливают трубу и укрепляют ее при помощи бутовых камней, залитыми бетонным раствором, которыми заполняют пространство между внешней стороной трубы и грунтом. Так образуется направление.
- Создание кондуктора. Представляет собой участок из обсадных труб, которыми укрепляется следующая часть скважины – новый, более глубокой, но менее широкий шурф. Длина его колеблется в пределах от 50 до 400 м, а диаметр составляет не более 90 см. Как и в первом случае, пространство вокруг заливают цементом для большей устойчивости. Установка кондуктора позволяет перекрыть водоносные горизонты и мягкие виды горных пород, чье наличие осложняет процесс добычи.
- Установка промежуточной колонны обсадных труб. Ее создают в ситуациях, когда нет возможности сразу пробурить скважину до нефтесодержащих пластов: имеются сложные горизонты или продуктивные пласты, которые на данном этапе добычи не планируются для разработки. Установка промежуточной колонны проводится по аналогии с кондуктором, при необходимости (слишком глубокое залегание породы) их может быть несколько.
- Установка эксплуатационной колонны. Это последняя в этапе бурения колонна обсадных труб. Ее задача – перекрыть продуктивный пласт и обеспечить поступление «черного золота» в эксплуатационную трубу. Пространство вокруг нее также подлежит цементированию (бетонное кольцо), т.к. это позволяет избежать утечки нефти в другие пласты и предотвратить возможное проникновение воды в непосредственно продуктивный пласт.
После создания конструкции скважины проводится непосредственно вскрытие пласта для извлечения из него полезного ископаемого. Практически в 90 % случаев это проводится бурением до подошвы продуктивного пласта. После в нижней части эксплуатационной колонны и бетонном кольце вокруг него пробивается несколько отверстий, через которые в скважину поступит нефть. Для этого используют специальные аппараты-перфораторы.
В оставшихся 10 % случаев разрабатываемая порода представлена плотным слоем и укрепление призабойной зоны цементом не требуется. Возможен другой вариант – не опускать эксплуатационную колонну до подошвы пласта, достаточно сделать это до ее кровли. Такой метод называется открытым забоем.
