Методы бурения скважин на нефть и газ

Бурение скважин является неотъемлемой частью процесса разведки и добычи углеводородов. В зависимости от целей, глубины залегания продуктивных пластов и геологических условий применяются различные методы бурения.

Механическое бурение основано на непосредственном воздействии бурового инструмента на горную породу. Это наиболее распространённый способ, который подразделяется на два основных типа:

1. Ударное бурение

Метод подразумевает разрушение породы за счёт возвратно-поступательных движений долота, подвешенного на канате. При каждом ударе инструмент дробит породу и постепенно углубляет скважину. Ударное бурение раньше широко использовалось, но с развитием технологий уступило место более эффективным методам. В современной практике бурения нефтяных и газовых скважин этот метод практически не применяется.

2. Вращательное бурение

При вращательном бурении горная порода разрушается вращающимся долотом, на которое действует осевая нагрузка. Этот метод получил наибольшее распространение благодаря своей универсальности и эффективности. Различают несколько технологий вращательного бурения:

• Турбинное бурение: Вращение долота осуществляется за счёт турбобура, приводимого в действие потоком бурового раствора. Этот метод используется для бурения скважин с большой глубиной и высокой температурой пластов.
• Роторное бурение: Вращение колонны труб с долотом обеспечивается роторным приводом на поверхности. Это традиционный метод, активно применяемый на средних и больших глубинах.
• Вращение с использованием забойных двигателей: Современные технологии предполагают использование забойных двигателей, таких как винтовые или турбинные, которые обеспечивают точный контроль направления бурения. Этот метод особенно эффективен при бурении горизонтальных и наклонных скважин.

Немеханическое бурение подразумевает разрушение горной породы без прямого контакта инструмента с ней. К числу таких методов относятся:

• Гидравлическое бурение: Порода разрушается мощным струйным потоком жидкости под высоким давлением. Этот метод применяется ограниченно, так как требует специфического оборудования и условий.
• Термическое бурение: В основе метода лежит термическое воздействие на породу, которое приводит к её оплавлению или выгоранию. Термическое бурение перспективно, но пока не нашло широкого применения.
• Электрофизическое бурение: Использует высокочастотное электрическое воздействие для разрушения породы. Этот способ остаётся в стадии экспериментального внедрения.

На сегодняшний день немеханические способы бурения находятся на стадии разработки и тестирования, что ограничивает их применение в промышленности.

В практике бурения нередко используются комбинированные методы, сочетающие преимущества механического и немеханического воздействия. Например:

• Применение струйного гидравлического воздействия для предварительного разрушения породы перед работой долота.
• Использование вибрационного воздействия для повышения эффективности вращательного бурения.

Механическое бурение, в частности вращательное, остаётся основным методом строительства скважин для добычи нефти и газа. Разработка немеханических и комбинированных технологий открывает новые горизонты, позволяя адаптироваться к сложным геологическим условиям и повышать эффективность буровых работ. Выбор метода бурения зависит от конкретных задач, характеристик месторождения и технических возможностей.

Метод вращательного бурения — основной способ сооружения нефтяных и газовых скважин. Он основан на разрушении горных пород с помощью вращающегося долота, на которое действует осевая нагрузка.

Крутящий момент передается долоту либо с поверхности от вращателя (ротора) через колонну бурильных труб (роторное бурение), либо от забойного двигателя (турбобура, электробура или винтового двигателя), установленного непосредственно над долотом.

• Турбобур — гидравлическая турбина, которая приводится во вращение потоком промывочной жидкости, нагнетаемой в скважину.
• Электробур — электродвигатель, защищенный от проникновения жидкости, питание которого подается по кабелю с поверхности.
• Винтовой двигатель — разновидность забойной гидравлической машины, преобразующей энергию потока промывочной жидкости в механическую энергию вращения за счет винтового механизма.

Колонковый и бескерновый виды вращательного бурения
Вращательное бурение делится на колонковый и бескерновый виды в зависимости от его назначения:

• Колонковый способ используют для получения образцов горных пород (керна) с целью изучения их характеристик.
• Бескерновый способ применяют, когда нет необходимости извлекать образцы керна, что позволяет сократить расходы и повысить производительность.

Преимущества колонкового способа:

• Получение керна для изучения горных пород.
• Возможность бурения в любом направлении.
• Применение для многоствольных скважин и глубокого бурения с относительно низкими энергозатратами.

Недостатки:

• Склонность скважины к самоискривлению.
• Ограниченная длина рейса, что снижает производительность.
• Высокая себестоимость бурения.

Эти недостатки частично компенсируются использованием буровых снарядов с гидротранспортом керна при бурении мягких пород или съемных керноприемников — при твердых породах.

Бескерновый способ выгоден благодаря:

• Увеличенной длине рейса.
• Снижению времени и затрат на бурение.
• Высокой производительности и меньшей себестоимости.

При планировании буровых работ бескерновый способ рекомендуется выбирать в случаях, когда нет необходимости извлекать керн.

Прочие способы вращательного бурения
Для неглубоких скважин, помимо традиционных видов, могут использоваться следующие методы:

• Медленно-вращательный способ — применяется при ручном или машинном бурении крупных скважин.
• Шнековый способ — разрушенные породы выносятся на поверхность с помощью шнекового транспортера.
• Вибрационный способ — разрушение мягких пород происходит под воздействием вибрации.
• Канатно-ударный колонковый способ — колонковая труба забивается в мягкую породу.
• Канатно-ударный бескерновый способ — разрушение породы осуществляется за счет ударов тяжелого бурового снаряда, подвешенного на канате.

Эти методы находят применение для специальных задач или в условиях ограниченного выбора оборудования.

Роторное бурение предполагает вращение долота вместе с колонной бурильных труб. Крутящий момент передается через рабочую трубу от ротора, соединенного с силовой установкой с помощью трансмиссий. Нагрузка на долото создается за счет части веса бурильных труб.

Крутящий момент при этом способе бурения зависит от:

• сопротивления породы вращению долота;
• трения колонны и жидкости о стенки скважины;
• инерционных эффектов упругих крутильных колебаний.

Этот способ является наиболее распространенным в мировой практике, включая США и Канаду, где почти 100% буровых работ выполняется роторным способом. В России также наблюдается рост применения данного метода, особенно в восточных регионах.

Преимущества роторного бурения:

• Возможность регулирования параметров бурения.
• Эффективная работа при больших перепадах давления на долоте.
• Увеличение проходки за рейс долота благодаря низким частотам его вращения.

При турбинном бурении долото вращается от вала турбины турбобура, который приводится в действие потоком жидкости, проходящей через систему роторов и статоров. Нагрузка на долото создается, как и в роторном способе, за счет веса бурильных труб.

Особенностью этого метода является независимость максимального крутящего момента от глубины скважины, частоты вращения долота и свойств разбуриваемой породы. Эффективность передачи энергии в турбинном бурении выше, чем в роторном.

Недостатки турбинного бурения:

• Отсутствие независимого регулирования параметров режима бурения.
• Высокие энергозатраты на 1 метр проходки.
• Значительные расходы на ремонт и обслуживание турбобуров.

Этот метод получил широкое распространение в России благодаря разработкам ВНИИБТ.

При бурении с использованием электробура долото вращается благодаря электрическому двигателю, расположенному в нижней части бурильной колонны. Электродвигатель получает питание по кабелю, проведенному внутри труб от поверхности. Управление процессом бурения осуществляется с поверхности, что обеспечивает высокую точность и контроль.

Оборудование и технология

• Электробур закрепляют на нижнем конце колонны.
• Кабель проводит электроэнергию к двигателю через токоприемник, установленный над вертлюгом.
• Буровой раствор циркулирует, охлаждая долото и вынося выбуренные породы на поверхность.

Процесс бурения начинается с монтажа установки и погружения колонны с электробуром в скважину. Электродвигатель приводит в движение долото, разрушая породы. Буровой раствор способствует охлаждению и удалению продуктов бурения. Метод подходит для глубоких скважин, достигающих до 5 км.

Преимущества:

• Высокая точность и контроль процесса.
• Возможность бурения в сложных и глубоких условиях.
• Регулировка скорости и направления вращения.
• Снижение механических нагрузок на колонну.

Недостатки:

• Высокая стоимость оборудования и эксплуатации.
• Сложность обслуживания и ремонта.
• Зависимость от стабильного электроснабжения.
• Ограниченная эффективность в особо твердых породах.

Суть метода
Метод основан на использовании винтового двигателя, расположенного в нижней части бурильной колонны. Винтовой двигатель преобразует энергию потока бурового раствора в вращательное движение долота, обеспечивая высокую точность проходки и эффективность в сложных геологических условиях.

Оборудование и технология

• Винтовой мотор находится в нижней части колонны и вращает долото.
• Бурильные трубы передают буровой раствор к двигателю, а продукты разрушения выводят на поверхность.
• Буровой раствор приводит двигатель в действие, охлаждает инструмент и выносит выбуренные породы.

Процесс начинается с установки оборудования и погружения бурильной колонны с двигателем в скважину. Поток бурового раствора приводит винтовой мотор в действие, долото разбуривает породу, а раствор выносит продукты бурения на поверхность.

Преимущества:

• Высокая точность и контроль.
• Эффективность в сложных геологических условиях.
• Возможность бурения наклонно-направленных скважин.
• Снижение нагрузки на колонну благодаря работе винтового мотора.

Недостатки:

• Высокая стоимость оборудования и эксплуатации.
• Сложность в обслуживании и ремонте.
• Зависимость от качества бурового раствора.
• Ограниченная эффективность в особо твердых породах.

Оба метода демонстрируют высокую эффективность в зависимости от условий бурения и необходимой глубины скважин.

Выбор метода бурения требует учета геологических задач, стадии разведки и детального анализа геологотехнических условий. Эти условия включают наличие сложных интервалов, таких как неустойчивые или обваливающиеся породы, зоны водопоглощений и водопроявлений, а также характеристик подземных вод, включая их дебит и химический состав. Анализ разреза позволяет определить наиболее подходящий способ, обеспечивающий высокую производительность бурения и минимальную стоимость погонного метра скважины.

На первом этапе выбирают тип бурения. Вращательный метод считается универсальным и подходит для большинства задач, в то время как ударно-вращательное бурение эффективно в условиях трещиноватых, кавернозных пород или при наличии мощных перемежаемых слоев. Колонковый метод применяют для отбора керна, что важно на стадии разведки. Для детальной разведки, где необходимо опробовать только полезные ископаемые, часто используют бескерновое бурение, переходя к колонковому только на интервалах с полезными ископаемыми.

Особое внимание уделяют выбору очистных агентов. В безводных условиях, таких как высокогорные районы или зоны многолетней мерзлоты, предпочтительна продувка сжатым воздухом. Однако при водопроявлениях она становится неэффективной, и требуется использование промывочных жидкостей.

Тип разрушающего инструмента подбирается в зависимости от буримости пород. Твердосплавные коронки лучше работают с породами низких и средних категорий (I-VII), в то время как для твердых пород (V-XII) подходят алмазные коронки. Шарошечные долота являются оптимальным выбором для бескернового бурения.

Для устойчивых пород с минимальным самозаклиниванием керна используется снаряд с гидротранспортом керна. При сложных разрезах, включающих трещиноватые породы или интервалы перемежаемых слоев, применяют снаряды со съемными керноприемниками. Пневмоударный способ с обратной циркуляцией особенно производителен в неустойчивых породах.

Выбор метода бурения не только определяет скорость работы, но и влияет на качество получаемой информации, стабильность процесса и затраты. Поэтому анализ условий и выбор подходящего способа являются ключевыми этапами подготовки к бурению.

• Для геологоразведки, требующей пробу пород, выбирают колонковое бурение с подходящим инструментом.
• В сухих районах или условиях многолетней мерзлоты предпочтительно бурение с продувкой воздухом.
• В скважинах с водопроявлениями необходимо использование промывочных жидкостей для стабильной работы.
• Ударно-вращательное бурение рекомендуется при сложных разрезах и необходимости качественного керна.

Применение подходящего метода и оборудования позволяет достичь высокой эффективности, снизить затраты и минимизировать риски аварий.