Понятие о скважине, ее элементах, конструкции, о положении в пространстве
Скважина представляет собой цилиндрическую горную выработку, сооружаемую с помощью специальных инструментов (без доступа в нее человека). Скважина характеризуется большой длиной и малым диамет-ром. У скважины (pис. 2.1 а) различают устье 1, ствол 2 и забой 3. Цилин-дрическая поверхность ствола называется стенкой скважины.
В законченном виде скважина представляет собой капитальное соору-жение в земной коре (рис. 2.1 б), предназначенное для извлечения из недр земли жидких и газообразных полезных ископаемых или для других целей. Стенки скважины крепят обсадными трубами 5, пространство между трубами и стенкой скважины заполняют цементным либо другим раствором 6, ко-торый, затвердев, изолирует пласты горных пород один от другого, а трубы – от коррозии. Против продуктивных пластов в трубах и цементном камне вы-полняются отверстия 7 (фильтр) для гидравлического сообщения пласта со скважиной. Экологические и геологические условия бурения обусловливают необходимость спуска нескольких обсадных труб (не менее двух, как пока-зано на рис. 2.1 б). Первые обязательные колонны называются направлением и кондуктором. Последующие колонны – промежуточные (техническая, ле-тучка, хвостовик, потайная). Каждую последующую колонну подвешивают на предыдущую. На фланце 4 последней колонны, называемой эксплуатаци-онной,подвешивают нефтегазопромысловое оборудование,спускаемоев скважину, и монтируют устьевое оборудование.
|
|
|
Поперечное сечение скважины имеет, как правило, форму, близкую к круглой, а отклонение ствола вызывается неоднородностью и трещиноватостью пород, неравномерным распределением напряжений в околоствольной зоне массива пород, тектоническими силами и др. На-пример, на Кольской сверхглубокой скважине наблюдалось сечение сква-жины овальной формы с острыми углами в направлении длинной оси, что привело к заклиниванию бурильного инструмента и последующим авариям.
В устойчивых породах ствол скважины может иметь винтообразную поверхность, характеризующуюся шагом винтовой линии, числом заходов — винтовых выступов (впадин) и высотой выступов (глубиной впадин ), обычно образующихся при бурении шарошечными долотами с высокой проходкой за оборот. В пластичных солях и набухающих глинах ствол скважины может сужаться. Данное явление возможно и в высокопрони-цаемых песчаниках при образующейся толстой глинистой корке в резуль-тате фильтрации бурового раствора. В твердых, высокоабразивных поро-дах возможно постепенное сужение ствола вследствие длительного буре-ния изношенным, потерявшим диаметр долотом.
Рис. 2 .1. Схема скважины
|
|
|
В сыпучих осланцованных глинах, аргиллитах, рыхлых песчаниках и других слабосвязанных породах возможно кавернообразование и расширение ствола скважины.В некоторых случаях скважина может про-ходить и непосредственно через карстовые образования, трещины размыва в карбонатных породах или трещины тектонического происхождения.
При одностороннем изнашивании стенок скважины в искривленных участках образуются желобные выработки, затрудняющие спуско-подъемные операции, вращение бурильного инструмента, спуск обсадной колонны, ухудшающие качество разобщения пластов.
При чередовании наклонно-залегающих пород разной твердости воз-можно образование уступов, приводящих к осложнениям и авариям при спуске инструмента. В то же время при решении теоретических и практических инженерных задач ствол скважины рассматривается как цилиндрический. Ось ствола скважины всегда имеет пространственное ис-кривление, однако при небольшой интенсивности искривления и малой ве-личине отклонения от вертикали скважину называют вертикальной.
При большой интенсивности искривления и значительных общих величинах произвольного отклонения от вертикали скважины называют искривленными. Расстояние между забоем и устьем скважины в плане (смещение забоя) может составлять от нескольких метров до нескольких де-сятков и сотен метров в зависимости от осложненности разреза (угла зале-гания, падения пластов). В некоторых случаях искривление скважины отра-жается на качестве ее строительства, изменении проектной сетки разбури-вания залежи, усложняя условия работы добывающего оборудования, при-водя к чрезмерно быстрому изнашиванию насосных штанг, труб и др. Наи-большие затруднения и при проводке ствола, и при последующем креплении и эксплуатации скважин вызывают резкие изменения направления ствола, его перегибы. Они обусловливают непроходимость ствола, заклини-вание бурильного инструмента, особенно жестких компоновок утяжеленных бурильных труб, секционных забойных двигателей, обсадных колонн. В этих случаях требуется исправление траектории ствола скважины.
|
|
|
Специально искривленные скважины называют наклонно направлен-ными. В настоящее время свыше 96 % всех скважин на нефть и газ явля-ются наклонно направленными. При отклонении от вертикали на 90° сква-жины называют горизонтальными. Значительная часть скважин с горизон-тальным окончанием проводится для увеличения притока нефти, повы-шения дебитов скважин, увеличения нефтеотдачи пластов. Горизонталь-ными называются скважины, пробуренные из подземных сооружений: шахт, галерей или с крутых склонов гор, берега. В настоящее время неко-торые фирмы имеют опыт бурения скважин с отклонением по горизонтали до 9 км и более.
|
|
|
Значительное отклонение ствола скважины от вертикали ( наклонных и горизонтальных скважин) дает возможность осуществлять кустовое бу-рение, т.е. проводить несколько стволов скважин с одного основания.
Классификация скважин
В нефтяной и газовой промышленности, в геологии при разведке и добыче нефти и газа бурятся скважины следующего назначения.
Эксплуатационные скважины строятся для добычи нефти и газа.Их дебит по нефти от 0,5 т до 5 тыс. т в сутки, по газу – от 100 тыс. м3 до 2-3 млн м3 в сутки. Диаметр эксплуатационной колонны составляет 114–219 мм, наибольший диаметр долот, с которым начинают бурить под направление, – 560 мм. Наибольшая на сегодня глубина, с которой практически добывается нефть и газ, – около 7000 м. Фактически в нашей стране в эксплуатации находятся сотни тысяч скважин. Ежегодно бурится около тысячи скважин.
Срок работы эксплуатационных скважин должен быть не менее срока разработки месторождения и практически составляет 30–60 лет.
Нагнетательные скважины предназначены для закачивания в продуктивные горизонты воды или природного газа, воздуха, пара с целью поддержания (или повышения) пластового давления и продления фонтанного периода разработки месторождений, увеличения дебита эксплуатационных скважин, снабженных насосами или воздушными подъемниками. Конструктивные параметры нагнетательных скважин чаще всего не отличаются от таковых для эксплуатационных скважин, поэтому скважина может вводиться в эксплуатацию сначала как добывающая, а затем переводиться на нагнетание. В то же время имеется некоторое отличие в условиях эксплуатации нагнетательных и эксплуатационных скважин, и это целесообразно учитывать еще на стадии их проектирова-ния. Так, в нагнетательные скважины под большим избыточным давлени-ем подают больше жидкости (воды и др.), чем извлекается в эксплуатационных скважинах. Соответственно, увеличивается нагрузка на крепь нагнетательных скважин, более герметичными и коррозионно- стойкими должны быть заколонное пространство и резьбовые соединения. Коррозионная активность закачиваемой воды, как правило, выше, чем коррозионная активность нефти, за исключением нефти и газа с высоким содержанием сероводорода.
Разведочные скважины бурятся для выявления продуктивных гори-зонтов, оконтуривания продуктивных залежей; для испытания, пробной эксплуатации и оценки промышленного значения открытых месторожде-ний; для непрерывного наращивания объема разведанных запасов. Для обеспечения стабильно высокого уровня текущей добычи при продолжаю-щемся истощении ранее введенных в разработку месторождений необхо-димо поддерживать определенное соотношение между объемом эксплуа-тационного и разведочного бурения. Обычно разведочное бурение состав-ляет около 1/4 объема эксплуатационного бурения. Фактическая конструк-ция разведочных скважин иногда отличается от конструкции экс-плуатационных. Во-первых, в случае отрицательных результатов геофизи-ческих исследований и работы пластоиспытателями эксплуатационная ко-лонна в скважину не спускается , скважина ликвидируется как выполнив-шая свое назначение. Во-вторых, при проектировании первых разведочных скважин на площадях, где геологический разрез и уровень осложненности бурения недостаточно изучены, разрешается иметь запасной диаметр на случай непредвиденных осложнений, т.е. между запроектированным к спуску кондуктором ( или промежуточной колонной) и эксплуатационной колонной оставляется резерв для спуска при необходимости про-межуточной (или второй промежуточной) колонны.
При бурении разведочных скважин:
1) предусматривается отбор керна. Из всех перспективных горизонтов должен быть отобран достаточно представительный керн, или эти го-ризонты проводятся со сплошным отбором керна;
2) обычно не рекомендуется вводить в буровой раствор нефть и даже нефтепродукты во избежание искажения результатов геофизических исследований;
3) буровой раствор должен обеспечить качественное проведение элек-трометрических и других геофизических исследований. В частности, достаточно большим должно быть электрическое сопротивление бу-рового раствора и оно не должно изменяться в процессе вскрытия изу-чаемого пласта;
4) необходимо принимать все меры к предупреждению пропуска продуктивных горизонтов, в этом плане очень важно контролировать состав и свойства бурового раствора и не загрязнять продуктивный пласт утяжелителем, твердой фазой и фильтратом бурового раствора.
Выполнившие свое назначение разведочные скважины ликвидируются, консервируются или передаются в добывающие организации для контроля разработки месторождения, а также для добычи нефти, газа, закачивания воды, газа. В скважинах, которые планируется ликвидировать, необходимо предусмотреть меньший расход металла высококачественных обсадных труб и не спускать эксплуатационную колонну или предусмотреть возмож-ность извлечения большей части труб, отказавшись от подъема цемента до устья и вырезав колонну выше интервала цементирования. В этом же плане могут рассматриваться предложения по замене вяжущих другими, хорошо изолирующими материалами и извлечение колонны из ликвидируемой скважины. При этом необходимо строго соблюдать законы об охране при-роды и недр, инструкции горнотехнической инспекции. Консервации подвергаются скважины, давшие положительный результат при испытаниях, но эксплуатация которых в данный момент неэффективна.
Структурно-поисковые скважины. В отличие от глубоких разведочных скважин, проводимых до подошвы всех перспективных на нефть и газ пластов, структурно-поисковые скважины неглубокие (до 300–600 м), имеют небольшой диаметр (73–114 мм), поскольку их использование не предусматривает вскрытие продуктивных пластов и их испытание. Такие скважины бурятся с целью поиска перспективных для глубокого разведочного бурения структур по повторяющим их очертаниям верхним маркирующим (определяющим) горизонтам, если они залегают на малых глубинах.
Соответственно, эти скважины не имеют эксплуатационных колонн, а промежуточная колонна, кондуктор иногда и не цементируются, а извлекаются после окончания бурения и установления по керновому ма-териалу положения кровли маркирующего горизонта. Ликвидация скважи-ны заключается в установке цементных мостов или полном заполнении ствола цементным раствором, изолирующим все вскрытые водоносные го-ризонты пресных и минерализованных вод.
Скважины специального назначения. К ним относятся опорные,параметрические, оценочные, контрольные и прочие, проводимые для исследования глубинного строения земной коры; для изучения геологического строения малоизвестного района; для определения изменения коллекторских свойств продуктивных пластов; для наблюдения за пластовым давлением и фронтом движения водонефтяного контакта, степенью выработки отдельных участков пласта; для сброса промысловых и иных сточных вод в глубокозалегающие пласты; для тушения пожаров и задавлива-ния открытых фонтанов на других скважинах и пр.
Конструкция скважин специального назначения большей частью ана-логична конструкции разведочных и эксплуатационных скважин, проводи-мых в тех же районах. В опорных скважинах проводится сплошной отбор керна во всех интервалах, поскольку результаты изучения всего разреза но-вого, еще не освоенного района представляют интерес не только для нефтяников, газовиков, но и для представителей других отраслей народного хозяйства. Соответственно, при меньшей проходке на колонковые долота осуществляется большее число долблений и спуско-подъемных операций, чем при проводке скважин сплошным забоем. Промежуточные обсадные колонны при этом больше изнашиваются, протираются замковыми соединениями и другими элементами бурильной колонны. Поэтому при проводке опорных скважин в устойчивых разрезах, при отсутствии сильных поглощений и проявлений возможен спуск промежуточных сменных колонн без их закрепления цементным раствором с тем, чтобы по мере изнашивания можно было менять эту колонну на новую.
Кроме нефтяной и газовой промышленности , бурение как специфиче-ский вид строительства широко используется в народном хозяйстве для сооружения выработок различного назначения, для ускорения, облегчения их строительства, для возведения высотных зданий, мостов, тоннелей, подводных переходов, трубопроводов и пр.
Бурение эффективно при строительстве опор мостов, эстакад, фунда-ментов, оснований на слабых глинистых грунтах большой толщины , на болотах, многолетнемерзлых породах, при наличии карстовых пустот, при значительной глубине водоема, поскольку в этом случае удается обходить-ся без ограждения и откачки воды, сооружения опалубки ( кессона). Одна бурозаливная свая в илистом грунте мощностью 40–60 м способна нести нагрузку в сотни тонн.
При строительстве в многолетнемерзлых породах или с искусственным промораживанием грунта бурение дает возможность создавать циркуляцию хладагентов на любой глубине. Это позволяет вести крупное строительство и на слабых водонасыщенных грунтах, плывунах и т.д., длительно эксплуатировать сооружение, поддерживая низкую температуру в опорах.
При проектировании строительства крупных промышленных и не-промышленных гражданских объектов, строительстве дорог, линий метро, плотин, портов и др. обязательно проведение бурения для установления несущей способности грунтов, выявления гидрогеологических условий проведения работ. В этой отрасли народного хозяйства проводятся пре-имущественно неглубокие ( до сотни метров) скважины небольшого диа-метра (чаще 50–150 мм). Скважины, проведенные для изучения грунтовых условий, большей частью сразу же после окончания исследований ликви-дируются и поэтому обычно не обсаживаются.
Скважины-шахты для добычи твердых полезных ископаемых, для оборонных целей особенно выгодно строить при наличии в разрезе высо-конапорных вод, плывунов, других неустойчивых пород, вредных газов, когда традиционные методы строительства шахт и трудоемки, и сопряже-ны с большим риском. Проводка скважин-шахт для добычи угля, руды ус-коряет строительство, делает труд горняков более производительным и безопасным.
В горнорудной и угольной промышленности широко используется вентиляция шахт, дегазация пластов для предупреждения отравлений, взрывов, пожаров. С этой целью осуществляется проводка специальной сетки скважин, вентиляционных стволов.
Скважины могут проводиться и для тушения подземных пожаров.
При строительстве и эксплуатации шахт, тоннелей, плотин, дорог в зонах оползней , обвалов, обильного проявления подземных вод много скважин бурится для отвода воды, водопонижения, откачки и осушки оснований и др.
Большой объем бурения проводится на твердые полезные ископаемые для их разведки и промышленного освоения. При этом проводятся сква-жины глубиной от десятков до тысячи метров диаметром до 100 мм. Отно-сительно большим является объем бурения скважин на воду. Бурение скважин на пресную воду осуществляется по всей территории страны, осо-бенно значительные объемы работ ведутся близ крупных населенных пунктов и в удалении от крупных рек, озер. Особенностями этих скважин являются долговечность, надежность, достаточно высокая пропускная способность фильтра при сохранении устойчивости призабойной зоны пласта, при исключении поступления твердой фазы, песка, глины.
Во многих районах страны строятся скважины для добычи минераль-ных вод для снабжения бальнеологических лечебниц и извлечения редких полезных ископаемых — гелия, йода и др. В промышленных масштабах осуществляется бурение скважин на термальные воды на Камчатке и на Кавказе, для обогрева жилых и производственных помещений, а также для получения электрической энергии при высоких тепловых параметрах па-роводяной смеси.
Все большее значение приобретает строительство близ больших горо-дов и крупных энергосистем подземных хранилищ газа, призванных выравнивать сезонные колебания газопотребления. Кроме этого, в толще солей путем растворения их закачиваемой через скважины водой или осуществления сильного взрыва строятся хранилища нефти, нефтепродуктов и пр.
С помощью скважин эффективна добыча легко растворяющихся по-лезных ископаемых – солей, серы и пр. В угольной и нефтяной промыш-ленности давно известен способ подземной газификации бедных углей,
остаточной нефти старых месторождений. На ряде месторождений высо-ковязких нефтей и битумов скважины бурятся для осуществления подзем-ного горения или теплового воздействия на пласт.
Также скважины можно классифицировать по конструктивным осо-бенностям, по числу забоев, по положению оси в пространстве, по диамет-ру, по глубине, по производительности, по типу эксплуатационного обору-дования и др.
По конструктивным особенностям в нефтегазовой промышленности выделяют скважины:
а) по числу обсадных колонн – одноколонные, многоколонные; б) по числу эксплуатационных колонн – однорядные, многорядные.
Последние служат для одновременной раздельной эксплуатации через одну скважину нескольких пластов, имеющих различные относительные давления в продуктивных пластах. В этом случае в скважину параллельно опускаются два-три ряда эксплуатационных колонн – по числу самостоя-тельно эксплуатирующихся объектов-пластов.
По толщине вскрытия продуктивного пласта различают скважины со-вершенные, где пласт по всей толщине соединен со скважиной, и несовер-шенные, в которых пласт вскрыт и соединен со скважиной только по части своей толщины.
По числу забоев выделяют скважины с одним забоем и одним стволом и многозабойные скважины с несколькими ответвлениями от «основного» ствола для увеличения области дренирования продуктивного пласта. Их бурят в продуктивных пластах большой толщины, сложенных устойчивыми породами, неоднородных, низкой проницаемости и с высоковязкой нефтью, при быстром истощении пластовой энергии в залежах, с целью увеличения дебитов скважин и повышения нефтеотдачи пластов.
По положению оси скважины в пространстве выделяют скважины:
а) вертикальные;
б) наклонные;
в) горизонтальные;
г) искривленные.
Наклонные скважины дополнительно различаются по типу профиля и числу интервалов с различным направлением отклонения — трех-, четырех- и пятиинтервальные и другие профили.
По диаметру долота для бурения под эксплуатационную колонну в нефтегазовой промышленности выделяют скважины нормального, уменьшенного и малого диаметров. Скважины, основной ствол которых бурится долотом диаметром 215,9 мм, относятся к скважинам нормального диаметра, а если долотом 190,5 мм — уменьшенного и менее 190,5 мм — малого диаметра. Если скважина забуривается долотом с диаметром, большим диаметра отверстия ствола ротора (обычно свыше 0,76 м, долото свинчивается с бурильными трубами под столом ротора), скважина называется скважиной большого диаметра.
При строительстве скважин-шахт и некоторых других объектов диаметр скважины достигает 6-0 м, соответственно применяются другое буровое оборудование, инструмент и технология.
С увеличением глубины существенно изменяются сложность, длительность, стоимость строительства скважин, меняются буровое оборудование и инструмент, а зачастую, и технология бурения. По глубине скважин в нефтегазовой отрасли принято условно выделять скважины малой, средней глубины и сверхглубокие. Традиционно бурение на нефть и газ относится к глубокому бурению.
К скважинам малой глубины относятся скважины глубиной не более 800—1000 м, а к сверхглубоким — свыше 4500 м.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1015; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!