После того как геолог-нефтяник обнаружит район, благоприятный для скопления нефти или газа, на этом месте начинается бурение нефтяных скважин. Так, в США ежегодно бурится более 2 млн. скважин, из которых примерно четверть оказываются продуктивными.
Основные условия бурения. Бурение должно обеспечивать разрушение горных пород тех отложений, через которые проходит скважина, и вынос раздробленных частиц породы на поверхность; при этом необходимо контролировать высокий напор флюидов (воды, нефти и газа), которые могут неожиданно встретиться в проходимых скважиной пластах, а также обеспечивать поддержку стенок скважины, чтобы они не обваливались и не образовывали каверн. Конечно, оборудование должно обеспечивать бурение скважин требуемого диаметра на любой необходимой глубине. Часто скважины бурятся на глубинах более 7500 м. (Сверхглубинная скважина на Кольском полуострове, заложенная с чисто научными целями, к 2000 достигла глубины 12 500 м. Аналогичная по назначению скважина в южной части ФРГ пробурена до глубины ок. 10 000 м. Продуктивная газовая скважина в Австрии имеет глубину 8553 м, в шт. Оклахома в США – 9583 м. Начальный диаметр скважины может достигать 90 см, но обычно в зависимости от условий он составляет от 25 до 70 см. Диаметр скважины обычно уменьшается с глубиной и у забоя иногда составляет 8 см, но чаще находится в пределах 10–20 см.
Классификация методов бурения. Все методы бурения могут быть подразделены на ударное и вращательное бурение. Установка ударного бурения бурит скважину путем возвратно-поступательного движения (падения и подъема) тяжелой колонны труб бурового инструмента; эти удары крошат породу, а раздробленные частицы породы поднимаются и выносятся из скважины в виде водной суспензии. При вращательном (роторном) бурении проходка горных пород осуществляется тяжелой вращающейся буровой колонной; срезанные у дна (забоя) скважины обломки породы непрерывно поднимаются на поверхность рабочей жидкостью, циркулирующей в скважине под давлением (рис).
Под действием веса тяжелой буровой колонны, которая давит на долото, и ее вращения долото разрушает породы и углубляется в них. При этом бурильщик медленно опускает буровую колонну, постепенно отпуская подъемный трос с барабана лебети. При бурении многое зависит от поддержания правильного давления на долото и скорости вращения буровой колонны. Употребляется несколько разных типов буровых долот; одни используются для бурения мягких пород, другие – при проходке более твердых пород. Специальный инструмент предназначается для отбора образцов пород (керна) на забое или из стенок скважины. Скорость проходки при роторном бурении изменяется в широких пределах в зависимости от характера разбуриваемых пород, глубины скважины, качества оборудования и мастерства бурильщика. В плотных известняках или хорошо сцементированных песчаниках скорость проходки не превосходит 30 см/ч, а в мягких отложениях может достигать 24 м/ч. Когда долото снашивается, буровую колонну развинчивают в «свечи» длиной 25–40 м, а после смены изношенного долота свечи вновь соединяют и опускают в скважину.
Эффективность глубокого роторного бурения зависит от поддержания подходящей вязкости и плотности бурового раствора. Этот раствор не только поднимает к поверхности частицы разбуренной породы (шлам), но также выполняет роль смазки и охлаждения колонны буровых труб и долота; он же образует глинистую корку на стенках скважины, которая изолирует пористые пласты от проникновения в них бурового раствора. Иногда вместо водного бурового раствора используется раствор на нефтяной основе. Для получения и стабилизации необходимых физических свойств буровых растворов часто используются различные химические реагенты и добавки, такие, как тонкоперетертые порошки тяжелых минералов (обычно барита) и тонкодисперсные коллоидные глины.
Важной разновидностью вращательного бурения является бурение с помощью турбобура. При роторном бурении приводной двигатель находится на поверхности земли и с помощью ротора приводит во вращение всю колонну труб с долотом на забое. При турбинном бурении двигатель турбобура с буровым долотом крепится к низу колонны труб. В буровую колонну закачивается буровой раствор, который приводит в движение турбину и тем самым вращает долото. Поднимающийся к поверхности в затрубном пространстве (между стенками скважины и буровой колонной) буровой раствор, как и при роторном бурении, выносит из скважины шлам и играет роль смазки. В разных горно-геологических условиях и при разных глубинах применяются те или иные виды вращательного бурения и их комбинации.
Крепление скважин. Скважины укрепляют обсадными колоннами для предохранения стенок скважин от обрушения и образования каверн, для изоляции водоносных горизонтов и ограничения тех участков скважины, где могут неожиданно встретиться какие-либо проявления нефти и газа.
Обсадная колонна образуется из труб большого диаметра, выработанных по определенной технологии. Обсаживание скважины допускает некоторую свободу в выборе диаметра, длины и толщины труб; отдельные трубы соединяются друг с другом посредством муфт с резьбой и устанавливаются в скважине по специальному проекту.
При обсадке нефтяной или газоносной скважины обычно используется несколько колонн, которые телескопически вставляются одна в другую и опускаются на различные глубины. Изоляция водопритока в скважину. Пластовые воды, которые встречаются при бурении скважин, должны быть изолированы. Они обычно изолируются цементацией пространства между стенкой скважины и обсадной колонной.
Инструменты и методы ловильных (аварийных) работ. Для извлечения из скважины разрушенных или поврежденных частей бурового инструмента, обсадных труб и другого скважинного оборудования часто необходимы специальные инструменты. Смятые части обсадных колонн могут быть отремонтированы в скважине с помощью специальной оправки для ремонта обсадных труб. Оторвавшиеся части труб в скважине могут быть захвачены специальной труболовкой, ершом или овершотом (пружинным захватом), специальным колоколом для ловли обсадных труб или ловильными метчиками.
Направленное бурение. Обычно планируется бурение вертикальной и прямолинейной скважины, но при бурении часто происходит отклонение от вертикали или ствол скважины изгибается. Существуют специальные скважинные приборы для определения участков такого отклонения. В некоторых случаях, напротив, ставится цель отклонения от вертикали для того, чтобы достичь объекта на расстоянии, отстоящем в несколько десятков или сотен метров по латерали от расположения устья скважины. Таким образом, забой скважины может уходить от устья на километр или более, например, от берега под дно океана, озера или реки.
Морское бурение. Существует по крайней мере пять способов бурения в пределах водоемов (рис). Созданы суда, специально приспособленные для бурения в научных целях на дне океанов. Такие суда сохраняют свое положение с помощью якорей или специальных гребных винтов.
Подготовка скважины к эксплуатации. После того как скважина пробурена и прошла нефтяной или газовый пласт, необходимо подготовить ее к работе. Для опробования пласта и определения производительности скважин используется специальное оборудование. Стенки скважины должны быть очищены от глинистого раствора и твердых осколков, которые осели в процессе бурения. Плотные отложения с низкой проницаемостью торпедируются. Взрыв образует вокруг ствола скважины трещины, которые увеличивают приток нефти. С середины 20 в. взрывы в основном заменяются гидроразрывом. При этом вода и нефть, содержащие песок, проталкиваются в породы под большим давлением; породы растрескиваются, и песок входит в трещины, поэтому последние остаются открытыми и после снятия давления. Если необходимо укрепить стенки скважин у продуктивного пласта (например, в случае их рыхлости и возможного осыпания), то устанавливают обсадную колонну, а затем перфорируют ее и оборудуют фильтром для предотвращения поступления песка. Для повышения коэффициента продуктивности на продуктивном участке могут быть созданы заполненные гравием каверны. После установления на устье скважин трубной головки, регулирующей арматуры, газового генератора, емкостей для жидкостей и насосного оборудования скважина готова к эксплуатации (рис).
Документация скважины. Дело (буровой журнал) скважины должно содержать данные обо всех операциях во время бурения и всем установленном на ней оборудовании, указания на характер и глубину залегания всех пройденных скважиной стратиграфических горизонтов, на их водо-, газо- и нефтеносность. Образцы пород – керны – отбираются в процессе бурения на различных глубинах из пройденных скважиной отложений и их данные тщательно фиксируются. Керны исследуются на содержание в них различных флюидов, пористости, проницаемости и других необходимых характеристик. Пробы жидкостей и газов, отобранные из различных стратиграфических горизонтов, анализируются, а их физические и химические свойства записываются в журнал. Полученная таким путем в процессе бурения информация используется как руководство при эксплуатации скважины и помогает определить положение будущих скважин. Документация скважины. Дело (буровой журнал) скважины должно содержать данные обо всех операциях во время бурения и всем установленном на ней оборудовании, указания на характер и глубину залегания всех пройденных скважиной стратиграфических горизонтов, на их водо-, газо- и нефтеносность. Образцы пород – керны – отбираются в процессе бурения на различных глубинах из пройденных скважиной отложений и их данные тщательно фиксируются. Керны исследуются на содержание в них различных флюидов, пористости, проницаемости и других необходимых характеристик. Пробы жидкостей и газов, отобранные из различных стратиграфических горизонтов, анализируются, а их физические и химические свойства записываются в журнал. Полученная таким путем в процессе бурения информация используется как руководство при эксплуатации скважины и помогает определить положение будущих скважин.
