Сравнение роторного бурения скважин и бурения скважин забойными двигателями

Введение

В настоящее время в России необходимость освоения новых нефтегазовых регионов, расположенных в суровых климатических условиях на севера, на больших глубинах со сложными горно-геологическими условиями, в том числе на морском шельфе, ставит перед нефтегазовой отраслью задачу по увеличению эффективности процесса бурения и снижению затрат на строительство скважин.
В строительстве бурение производится для инженерно-геологических изысканий, закладки взрывчатых веществ при взрывных работах, для водоснабжения и водопонижения, установки столбов, дорожных знаков и надолб, устройства буронабивных свай и др. Особое место занимает строительство глубоких нефтяных и газовых скважин.
В Российской Федерации получили распространение три способа бурения нефтяных и газовых скважин: роторный, гидравлическими забойными двигателями и бурение электробурами. Первые два из этих способов являются основными. Выбор наиболее эффективного способа бурения обусловлен задачами, которые должны быть решены при разработке или совершенствовании технологии бурения в конкретных геолого-технических условиях.
При бурении нефтяных и газовых скважин применяют гидравлические и электрические забойные двигатели, преобразующие соответственно гидравлическую энергию бурового раствора и электрическую энергию в механическую на выходном валу двигателя. Отечественные забойные двигатели были изобретены более 50 лет назад и за это время прошли эволюционный путь развития, превратившись в эффективное техническое средство для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин. Однако в связи с появлением новых технологий (горизонтальное и многозабойное бурение, колтюбинг, бурение на депрессии, на обсадной колонне), породоразрушающего инструмента и бурового оборудования актуальными становятся разработки, направленные на дальнейшее совершенствование технологий бурения с забойными двигателями, их характеристик и способов управления.
На современном этапе развития различных направлений горного дела бурение скважины осуществляется как самостоятельный цикл строительства горно - технического сооружения, например, при разведке или эксплуатации жидких и газообразных полезных ископаемых, а также и как вспомогательная операция, выполняемая при других горных и строительных работах, например во время проходки шахт в сильно водоносных породах по известному способу предварительного замораживания или цементирования грунта, для исследования грунтов при возведении крупных объектов промышленного и гражданского строительства. К числу отраслей, производственная деятельность которых находится в прямой зависимости от физических объемов и качества буровых работ, относятся Миннефтепром, Мингазпром и Министерство геологии СССР.
Все скважины, сооружаемые буровыми предприятиями этих отраслей с целью геологического исследования недр на территории страны и шельфовых акваториях, проведения нефтегазопоисковых работ, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений, подразделяются на опорные, параметрические, структурные, поисковые, разведочные, эксплуатационные, оценочные, нагнетательные, наблюдательные и др. Наряду с этим буровые скважины различного назначения в довольно большом количестве сооружаются и применяются в угольной, горнорудной, химической промышленности, в сфере медицинского обслуживания населения, а также в системе промышленного и гражданского строительства.
Глава 1. Краткая история развития буренияИстория бурения в миреНа основании археологических находок и исследований установлено, что первобытный человек около 25 тыс. лет назад при изготовлении различных инструментов сверлил в них отверстия для прикрепления рукояток. Рабочим инструментом при этом служил кремневый бур.
В Древнем Египте вращательное бурение (сверление) применялось при строительстве пирамид около 6000 лет назад.
Первые сообщения о китайских скважинах для добычи воды и соляных рассолов содержатся в работах философа Конфуция, написанных около 600 г. до н.э. Скважины сооружались методом ударного бурения и достигали глубины 900 м. Это свидетельствует о том, что до этого техника бурения развивалась в течение, по крайней мере, еще нескольких сот лет. Иногда при бурении китайцы натыкались на нефть и газ. Так в 221-263 гг. н.э. в Сычуане из скважин глубиной около 240 м добывали газ, который использовался для выпаривания соли.
Документальных свидетельств о технике бурения в Китае мало. Однако, судя по древней китайской живописи, барельефам, гобеленам, панно и вышивкам на шелке, эта техника находилась на довольно высокой стадии развития.
Бурение первых скважин в России относится к IX веку и связано с добычей растворов поваренной соли в районе г. Старая Русса. Соляной промысел получил большое развитие в XV-XVII вв., о чем свидетельствуют обнаруженные следы буровых скважин в окрестностях г. Соликамска. Их глубина достигала 100 м при начальном диаметре скважин до 1 м.
Стенки скважин часто обваливались. Поэтому для их крепления использовались или полые стволы деревьев или трубы, сплетенные из ивовой коры. В конце XIX в. стенки скважин стали крепить железными трубами. Их гнули из листового железа и склепывали. При углублении скважины трубы продвигали вслед за буровым инструментом (долотом); для этого их делали меньшего диаметра, чем предшествующие. Позднее эти трубы стали называть обсадными. Конструкция их со временем была усовершенствована: вместо клепанных они стали цельнотянутыми с резьбой на концах.
Первая скважина в США была пробурена для добычи соляного раствора близ г. Чарлстона в Западной Вирджинии в 1806 г. Придальнейших поисках рассолов в 1826 г. близ г. Бернсвилла в шт. Кентукки случайно была найдена нефть. Первые упоминания о применении бурения для поисков нефти относятся к 30-м годам XIX века. На Тамани, прежде чем рыть нефтяные колодцы, производили предварительную разведку буравом. Очевидец оставил следующее описание: «Когда предполагают выкопать в новом месте колодец, то сначала пробуют буравом землю, вдавливая оный и подливая немного воды, дабы он ходше входил и по вынятию оного, есть ли будет держаться нефть, то на сем месте начинают копать четырехугольную яму».
В декабре 1844 г. член Совета Главного Управления Закавказского края В.Н. Семенов направил своему руководству рапорт, где писал о необходимости ... углубления посредством бура некоторых колодцев ... и произведения вновь разведки на нефть также посредством бура между балаханскими, байбатскими и кабристанскими колодцами». Как признавал сам В.Н. Семенов, эту идею подсказал ему управляющий бакинских и ширванских нефтяных и соляных промыслов горный инженер Н.И. Воскобойников. В 1846 г. министерство финансов выделило необходимые средства и были начаты буровые работы. О результатах бурения говорится в докладной записке наместника Кавказа графа Воронцова от 14 июля 1848 г.: « ... на Биби-Эйбате пробурена скважина, в которой найдена нефть». Это была первая нефтяная скважина в мире!
Незадолго до этого в 1846 г. французский инженер Фовель предложил способ непрерывной очистки скважин - их промывку. Сущность метода заключалась в том, что с поверхности земли по полым трубам в скважину насосами закачивалась вода, выносящая кусочки породы наверх. Этот метод очень быстро получил признание, т.к. не требовал остановки бурения.
Первая нефтяная скважина в США была пробурена в 1859 г. Сделал это в районе г. Тайтесвилл, штат Пенсильвания Э. Дрейк, работавший по заданию фирмы «Сенека ойл компани». После двух месяцев непрерывного труда рабочим Э. Дрейка удалось пробурить скважину глубиной всего 22 м, и она дала все - таки нефть. Вплоть до недавнего времени эта скважина считалась первой в мире, но найденные документы о работах под руководством В.Н. Семенова восстановили историческую справедливость.
Многие страны связывают рождение своей нефтяной промышленности с бурением первой скважины, давшей промышленную нефть. Так, в Румынии отсчет ведется с 1857 г., в Канаде - с 1858 г., в Венесуэле - с 1863 г. В России долгое время считалось, что первая нефтяная скважина была пробурена в 1864 г. на Кубани на берегу р. Кудако под руководством полковника А.Н. Новосильцева. Поэтому в 1964 г. у нас в стране торжественно отметили 100-летие отечественной нефтяной промышленности и с тех пор каждый год отмечают «День работника нефтяной и газовой промышленности».
Число пробуренных скважин на нефтяных промыслах в конце XIX века стремительно росло. Так в Баку в 1873 г. их было 17, в 1885 г. - 165, в 1890 г. - 356, в 1895 г. - 604, то к 1901 г. - 1740. Одновременно значительно возросла глубина нефтяных скважин. Если в 1872 г. она составляла 55-65 м, то в 1883 г. - 105-125 м, а к концу XIX в. достигла 425-530 м.
В конце 80-х гг. прошлого века близ г. Новый Орлеан (шт. Луизиана, США) было применено вращательное бурение на нефть с промывкой скважин глинистым раствором. В России вращательное бурение с промывкой впервые применили близ г. Грозного в 1902 г. и нашли нефть на глубине 345 м.
Первоначально вращательное бурение осуществлялось вращением долота вместе со всей колонной бурильных труб непосредственно с поверхности. Однако при большой глубине скважин вес этой колонны весьма велик. Поэтому еще в XIX в. появились первые предложения по созданию забойных двигателей, т.е. двигателей, размещаемых в нижней части бурильных труб непосредственно над долотом. Большинство из них осталось нереализованными.
Впервые в мировой практике советским инженером (впоследствии членом-корреспондентом АН СССР) М.А. Капелюшниковым в 1922 г. был изобретен турбобур, представлявший собой одноступенчатую гидравлическую турбину с планетарным редуктором. Турбина приводилась во вращение промывочной жидкостью. В 1935 - 1939 гг. конструкция турбобура была усовершенствована группой ученых под руководством П.П. Шумилова. Турбобур, предложенный ими, представляет собой многоступенчатую турбину без редуктора.
В 1897 г. в Тихом океане в районе о. Сомерленд (шт. Калифорния, США) впервые было осуществлено бурение на море. В нашей стране первая морская скважина была пробурена в 1925 г. в бухте Ильича (близ г. Баку) на искусственно созданном островке. В 1934 г. Н.С. Тимофеевым на о. Артема в Каспийском море было осуществлено кустовое бурение, при котором несколько скважин (порой более 20) бурятся с общей площадки. Впоследствии этот метод стал широко применяться при бурении в условиях ограниченного пространства (среди болот, с морских буровых платформ и т.д.). С начала 60-х годов с целью изучения глубинного строения Земли в мире стали применять сверхглубокое бурение.
Глава 2. Виды бурения и область примененияЗабойные двигателиДля выполнения процесса бурения скважин используется специальное оборудование – забойные двигатели. Существует несколько разновидностей оборудования данного вида, каждый из которых имеет свое предназначение и технические характеристики.
Одним из видов погружных устройств, которые применяются для бурения скважин, разного типа являются забойные двигатели.
Принцип работы механизмов заключается в том, что происходит преобразование электрической энергии в гидравлическую или пневматическую. В результате этого происходит вращение бурового долота, что приводит к разрушению породы в середине забоя скважины.
Оборудование можно условно подразделить на несколько видов:
вращательные;
ударные;
пневматические;
гидравлические (объемного типа и гидродинамические);
электронные.
Энергия проходит по колонне, расположенной в середине бурильной трубы посредством использования специального типа кабеля.
Применение забойного двигателя способствует повышению скорости выполнения рабочего процесса, уменьшению стоимости рабочего процесса, понижения затрат энергии, уменьшает возможность возникновения аварийных ситуаций.
Стоит также отметить довольно высокий показатель эффективности эксплуатации забойных двигателей при их использовании для бурения скважин.
2.1.1. Принцип работы винтового забойного двигателя. Независимо от типа забойных двигателей, они состоят из таких составных частей:
узел перепускного клапана;
отсек преобразования энергетического потока раствора;
механизм, соединяющий валы шринделя и мотора;
механизм приводного вала с подшипниками.
Узел клапана перепускного приводит к тому, что колонна наполняется или освобождается. Если забойный двигатель настроен на минимальный показатель мощности, происходит придавливание клапана в нижней части колонны. Это приводит к его выходу из внетрубного в затрубное пространство. В результате этого раствор перенаправляется в двигатель.
При уменьшении скорости воздушного потока, пружина приводит к вращению поршня клапана. Он выставляется в положение «открыто», что приводит к открыванию перепускного отверстия.
Для того чтобы избежать возможности попадания твердых частиц, которые находятся в затрубном пространстве, необходимо установить переходник с клапаном максимально близко к мотору.
Забойный двигатель имеет также возможность функционировать без клапана. Но этот вариант значительно понижает эффективность работы оборудования.
2.1.2. Турбинные и турбинно-винтовые забойные двигатели. Отличительной особенностью забойных двигателей турбинного типа заключается в том, что их конструкция включает в себя турбины.
Такие двигатели могут быть выполнены в нескольких вариантах:
цельнолитые металлические;
составные металлические с точным литьем;
составные пластмассовые, представляют комплект ступицы из металла и проточной части из пластмассы.
Современные технологии позволяют разрабатывать и внедрять в производство новые модели турбинных забойных двигателей.
Для выполнения процесса бурения скважин на большой глубине, используются турбовинтовые забойные двигатели. При помощи использования оборудования данного типа можно выполнять бурение скважин в двух направлениях: вертикальном и наклонном.
Кроме этого, турбинно-винтовые двигатели успешно используются и в качестве забойного привода или двигателя-отклонителя.
2.1.3. Гидравлические забойные двигатели. Гидравлические забойные двигатели применяются при необходимости выполнения бурения скважин или капитальном ремонте нефтяных скважин. Они также используются в горной промышленности.
Конструкция гидравлического забойного двигателя состоит из статора с выходными и входными каналами, а также лопастями поворотного типа. Его полость имеет элипсообразное поперечное сечение.
Забойные двигатели гидравлического типа отличаются высокий уровень надежности и рабочего ресурса. Это стало возможным в результате их упрощенной конструкции.
Стоит также возможность простоту процесса их обслуживания, который можно выполнять непосредственно на месте работы оборудования.
Специалисты работают над повышением уровня надежности данного типа оборудования при его работе с растворами, в состав которых включены абразивные частицы. Это является слабой стороной гидравлических забойных двигателей.
2.1.4. Забойный двигатель Д 105. Забойный двигатель Д 105 – это одна из моделей гидравлического (винтового) забойного двигателя, который часто применяется для выполнения бурения скважин на большой глубине в вертикальном или горизонтальном направлении.
Довольно активно данная модель используется при необходимости выполнения процесса выбуривания песчаных пробок или отложения солей.
Его диаметр достигает 106 мм, а диаметр долот, которые используются для его работы, колеблется в пределах 120 – 151 мм. На холостых оборотах выходной вал вращается со скоростью в пределах 192 – 313 оборотов за 1 минуту.
Основные области применения забойного двигателя Д 105 – нефтегазовая и нефтедобывающая отрасли.
Роторный способ бурения нефтяных скважинРоторное бурение скважин представляет собой один из видов вращательного бурения. Суть заключается в том, что породоразрушающий инструмент, расположенный внутри скважины, приводится в действие за счет электродвигателя или газотурбинного оборудования.
Роторное бурение наиболее распространенный метод, так как достаточно эффективен и прост в применении. Чаще всего он используется для бурения разведочных и эксплуатационных нефтяных скважин, однако, за счет компактности, применяется и для создания скважин с водой на частных участках
Технология роторного бурения впервые была применена в США в начале 1880-х годов, и с тех пор претерпевала незначительные изменения, положительно сказавшихся на её эффективности. В частности, совершенствовались породоразрушающие инструменты, изобретались новые промывочные жидкости, повышалась прочность отдельных элементов. Кроме того, совершенствовалась и сама технология бурения, за счет чего данный метод и является сейчас одним из основных способов создания забоя и почти полностью заменил стандартный ударный метод.
2.2.1.Оборудование для роторного бурения скважин. Несмотря на кажущуюся простоту, нефтяная, газовая или любая другая скважина требует довольно внушительного списка оборудования. Без любой из этих частей работа установки невозможна. В перечень элементов, необходимых для осуществления роторного бурения, входит:
вышка;
буровая установка;
ротор;
буровые поршневые насосы;
вертлюг;
талевая система;
система очистки жидкостью.
Вертлюг – это элемент, через который промывочная жидкость попадает в колонну. Он подвешен на один крюк талевой системы. Кроме этого, в неё входит кроноблок и блок.
Система очистки промывочной жидкостью также состоит из ряда элементов:
вибросита;
желоба;
гидроциклонов.
Роторный способ бурения скважин часто требует мобильности конструкции, поэтому её часто размещают на специальных платформах.
2.2.2. Роторное бурение скважин: плюсы и минусыБурение скважин роторным методом очень распространенно. Он имеет огромное количество преимуществ перед стандартным ударным способом:
Скорость. Бурение роторным способом производится значительно быстрее ударного.
Универсальность. Спектр применения метода гораздо шире, так как за счет применения различных долот можно работать с разными видами грунтов.
Размер. Вся установка занимает относительно немного места в отличие от конструкций для ударного метода.
Мобильность. За счет малых габаритов, установку можно разместить на подвижной платформе.
Вращательное роторное бурение скважин, тем не менее, имеет и некоторые ограничения. Так, в зависимости от грунта и пород, следует подбирать соответствующие долота.
Наличие очень твердых объектов на пути пролегания скважины может стать помехой, если не использовать специальное породоразрушающее оборудование.
Кроме этого, проблему представляет:
Глинистый раствор. Он нередко вызывает проблемы при исследовании пластов, а также не всегда является рентабельным в некоторых случаях.
Невозможность работы в зимнее время. Промерзлый грунт является серьезным препятствием для бурения роторным способом.
Мощность установки. Она напрямую зависит от ротора, который является уязвимым элементом системы.
В условиях промерзлых почв, предпочтительным вариантом является ударная методика. Разумеется, нефтяная или любая другая скважина будет буриться дольше, однако в итоге желаемый результат будет получен.
2.2.3. Принцип осуществления роторного бурения скважин. Несмотря на кажущуюся простоту технологии, принцип работы роторного оборудования довольно сложен. Сам ротор приводится в действие за счет приводного вала, который передает вращение от электродвигателя. Иногда используется двигатель внутреннего сгорания.
Само вращение принимают ведущие вкладыши ведущих вкладышей. Их сечение полностью аналогично сечению верхней рабочей трубы, которое по своей форме может быть абсолютно разным.
Основой для бурильной колонны являются специальные трубы. Именно между ними и породоразрушающим инструментом монтируются УБТ – утяжелённые бурильные трубы. За счет их огромного веса на долото оказывается достаточная для эффективной работы нагрузка.
Верхняя часть рабочей трубы подсоединяется к вертлюгу. По этой системе подается промывочная жидкость, которая попадает на забой через насадки долота – она нужна для поддержания работоспособности всей роторной бурильной установки.
Подъем или спуск обеспечивают свечи – несколько бурильных труб с длиной от 25 до 50 метров. Под действием нагрузки, которую обеспечивают утяжеленные бурильные трубы, долото и разрушает породу. За счет регулярно поступающей жидкости инструмент охлаждается, а параллельно с этим забой прочищается от шлама. Жидкость используют повторно после её очистки.
Разумеется, нельзя просто пробурить скважину и оставить её без малейших укрепляющих конструкций. Грунт – довольно неустойчивая субстанция, способная менять свое положение. Именно поэтому риск обрушения забоя довольно велик.
Чтобы этого не произошло, на некотором расстоянии от поверхности в бурении делается перерыв, во время которого устанавливается обсадная колонна. За счет неё исключается осыпание стенок или же завала пробуренного пути, а также препятствует проникновению воды. Самая первая колонна часто называется кондуктором и она позволяет осуществить перекрытие неустойчивых пород, тем самым придавая надежности пробуренной скважины.
Как правило, такую колону ставят не ранее отметки 30 м, и не позже отметки 600 м. Если скважина нефтяная, то обсадные конструкции устанавливаются с как можно меньшим расстоянием до поверхности.
Роторный способ бурения применяется для многих типов грунта, потому, при установке колон приходится ориентироваться на текущие геологические условия. Так, иногда возникает необходимость использовать сразу нескольких обсадных колон для повышения надежности забоя. Чем меньше диаметр трубы, тем глубже она опускается. Очевидно, что самая небольшая по диаметру будет находиться глубже всех остальных.
Наиболее глубокая колонна – эксплуатационная, перфорируется снизу. Через эти отверстия нефтяная, газовая или водяная масса в неё и поступает.
Заключение. При роторном бурении долото вращается вместе со всей со всей колонной бурильных труб; вращение передается через рабочую трубу от ротора, соединенного с силовой установкой системой трансмиссией. Нагрузка на долото создается частью веса бурильных труб.
При роторном бурении максимальный крутящий момент колонны зависит от сопротивления породы вращению долота, сопротивлений трению колонны и вращающийся жидкости о стенку скважины и от инерционного эффекта упругих крутильных колебаний.
В мировой буровой практике наиболее распространен роторный способ: более 90% объема буровых работ выполняется этим способом. В последние годы наметилась тенденция увеличения объемов бурения и в РФ, даже в восточных районах.
Основные преимущества роторного способа перед турбинным - независимость регулирования параметров режима бурения, возможность срабатывания больших перепадов давления на долоте, значительное увеличение проходки за рейс долота в связи с меньшими частотами его вращения и др.
При турбинном способе бурения долото соединяется с валом турбины турбобура, которая приводится во вращение движением жидкости под давлением через систему роторов и статоров. Нагрузка создается частью веса бурильных труб.
Наибольший крутящий момент обусловлен сопротивлением породы вращению долота. Максимальный крутящий момент в трубах, определяемый расчетом турбины (значением её тормозного момента), не зависит от глубины скважины, частоты вращения долота, осевой нагрузки на него и механических свойств разбуриваемых пород.
Коэффициент передачи мощности от источника энергии к разрушающему инструменту в турбинном бурении выше, чем в роторном.
Однако при турбинном способе бурения невозможно независимое регулирование параметров режима бурения, при этом велики затраты на 1 м проходки, расходы на амортизацию турбобуров и содержание цехов по ремонту турбобуров и др.
Турбинный способ бурения получил чрезвычайно широкое распространение в РФ благодаря работам ВНИИБТ.
Список используемой литературы: Басарыгин Ю. М., Булатов А. И., Проселков Ю. М. Бурение нефтяных и газовых скважин: Учеб. пособие для вузов. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002.
Мстиславская Л.П. Основы нефтегазового производства. Москва: Нефть и газ, 2008.
Северинчик Н.А. Машины и оборудование для бурения скважин. - М.: Недра, 1986.
Советов Г.А. Основы бурения и горного дела / Г.А. Советов, Н.И. Жабин. – М.:Недра, 1991.
Тетельмин В.В., Язев В.А. Нефтегазовое дело. Москва: Недра, 2009.