Основы бурения на нефть и газ

                В.В. ТЕТЕЛЬМИН
                В.А. ЯЗЕВ




   ОСНОВЫ БУРЕНИЯ
НА НЕФТЬ И ГАЗ
   Рекомендовано Сибирским РУМЦ высшего профессионального образования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальностям бакалавриата направления 130500 «Нефтегазовое дело» и направления 130600 «Оборудование и агрегаты нефтегазового производства»
3-е издание, дополненное




                  СЕРИЯ «Нефтегазовая инженерия»






Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2014

УДК 547.665.9
Т 37
БК 35,514

Рецензенты:
Главный инженер ЗАО «Красноярскгеология» НК «Роснефть» кандидат геолого-минералогических наук А.К. Битнер; заведующий кафедрой «Техники и технологии бурения скважин» Казахстанского национального технического университета профессор А.К. Касенов;
ведущий специалист ЗАО «Красноярскгеофизика» кандидат технических наук В.А. Мельников

    Тетельмин В.В., Язев В.А.

Т 37 Основы бурения на нефть и газ. Учебное пособие / Тетельмин В.В., Язев В.А.— 3-е изд. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2014. — 296 с.: ил. (Серия «Нефтегазовая инженерия»).

    ISBN 978-5-91559-179-9

      Учебное пособие знакомит читателя с основами производства буровых работ при разработке нефтяных и газовых месторождений. Последовательно изложены основные стадии бурения, испытания и обустройства нефтяных и газовых скважин. Книга включает в себя также элементы общей и нефтепромысловой геологии и механики горных пород.
      В книге кроме классических технических и технологических разделов уделяется внимание вопросам бурения скважин на континентальном шельфе и вопросам экологической безопасности при производстве буровых работ.
      Книга предназначена для студентов специализированных учебных заведений и работников нефтегазовой отрасли.

БК 35,514
УДК 547.665.9






ISBN 978-5-91559-179-9

        © 2009, Тетельмин В.В., Язев В.А.
                                      © 2014, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет

                150-летию мировой нефтедобычи посвящается


СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ...........................................8

Глава 1. ЭЛЕМЕНТЫ ОБЩЕЙ И НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЙ ГЕОЛОГИИ..........................................11
       1.1. Строение, состав и геодинамика земной коры.11
       1.2. Осадочные породы как объект разрушения при бурении скважин......................17
       1.3. Складкообразование и типы складок.....22
       1.4. Происхождение нефти и природного газа.25
       1.5. Образование нефтяной залежи...........28
       1.6. Поиск, разведка и разработка месторождений углеводородов............................33

Глава 2. БУРОВЫЕ СКВАЖИНЫ И СВОЙСТВА ГОРНЫХ
ПОРОД, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЦЕСС БУРЕНИЯ................39
       2.1. Буровые скважины и их классификация ..39
       2.2. Упругость, пластичность и хрупкость горных пород....................................42
       2.3. Прочность, твердость и абразивность горных пород....................................45
       2.4. Сплошность, проницаемость и теплофизические свойства горных пород....................49
       2.5. Классификация горных пород по твердости и абразивности ......................... 52

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
И РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД БУРЕНИЕМ................55
       3.1. Горное и пластовое давление...........55

Оглавление

       3.2. Напряженное состояние и устойчивость горных пород в прискважинной зоне...................57
       3.3. Развитие трещин с позиций механики хрупкого разрушения...................................59
       3.4. Напряженное состояние и механизм образования трещин в горных породах при вдавливании инденторов...................................64
       3.5. Механизм разрушения горных пород при вдавливании элемента вооружения долота ..69
       3.6. Механизм разрушения горных пород при ударном воздействии элемента вооружения долота ......71
       3.7. Гидравлический разрыв горных пород......74
       3.8. Воздействие высокоскоростной струи промывочной жидкости на горную породу........79

Глава 4. ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ И БУРОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ........................................83
       4.1. Технологическая схема бурения вращательным способом. Терминология ......................83
       4.2. Установки глубокого бурения.............87
       4.3. Буровые вышки и спускоподъемное оборудование.................................90
       4.4. Оборудование и инструмент для бурения скважин......................................97
       4.5. Полный цикл строительства скважин......102
       4.6. Подготовительные работы к бурению скважины....................................105

Глава 5. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЕ ИНСТРУМЕНТЫ.............109
       5.1. Классификация породоразрушающих инструментов................................109
       5.2. Шарошечные долота......................113
       5.3. Лопастные долота.......................122
       5.4. Алмазные долота........................125
       5.5. Бурильные головки......................129
       5.6. Долота для специальных целей...........131
       5.7. Технико-экономические показатели работы долот. Выбор рациональных типов долот.......133

Оглавление S

Глава в. БУРИЛЬНАЯ КОЛОННА..............................137
        6.1. Конструкция элементов бурильной колонны..137
        6.2. Условия работы колонны бурильных труб....144
        6.3. Комплектование и эксплуатация бурильной колонны.........................................149

Глава 7. БУРОВЫЕ ПРОМЫВОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОМЫВКИ СКВАЖИН.......................... 151
        7.1. Функции буровых промывочных жидкостей....151
        7.2. Водные дисперсии глин......................153
        7.3. Свойства буровых растворов на основе глин .154
        7.4. Утяжеление буровых растворов...............158
        7.5. Глинистые растворы с добавками ............159
        7.6. Вода в качестве промывочной жидкости ......161
        7.7. Буровые растворы на нефтяной основе .......162
        7.8. Бурение с очисткой забоя воздухом .........163
        7.9. Оборудование для приготовления и очистки буровых растворов ..............................164
       7.10. Гидравлические расчеты при промывке скважин..........................................166
       7.11. Критерии назначения плотности бурового раствора.........................................169
       7.12. Выбор типа бурового раствора...............170

Глава 8. РЕЖИМЫ БУРЕНИЯ СКВАЖИН.........................173
        8.1. Влияние параметров режима бурения на показатели бурения...........................173
        8.2. Особенности режима бурения роторным способом........................................177
        8.3. Особенности режима бурения турбинным способом........................................179
        8.4. Особенности режима бурения винтовыми забойными двигателями...........................183
        8.5. Особенности режима бурения электробурами.185
        8.6. Контроль параметров режима бурения и каротажные работы.............................187

Оглавление

Глава 9. ИСКРИВЛЕНИЕ СКВАЖИН И БУРЕНИЕ НАКЛОННЫХ СКВАЖИН.................................... 193
        9.1. Самопроизвольное искривление скважин и его предупреждение..........................193
        9.2. Бурение наклонно-направленных скважин....196
        9.3. Кустовое и многозабойное бурение скважин.200

Глава 10. КРЕПЛЕНИЕ СКВАЖИН...........................203
       10.1. Конструкция скважин......................203
       10.2. Обсадные колонны.........................206
       10.3. Цементирование скважин...................209

Глава 11. ЗАКАНЧИВАНИЕ И ОСВОЕНИЕ СКВАЖИН.............214
       11.1. Опробование и испытание пластов..........214
       11.2. Вскрытие продуктивных горизонтов и заканчивание скважин ........................216
       11.3. Освоение скважин после цементирования эксплуатационной колонны.......................220

Глава 12. БУРЕНИЕ СКВАЖИН НА ШЕЛЬФЕ...................222
       12.1. Особенности разработки морских месторождений нефти и газа.....................222
       12.2. Инженерное обеспечение буровых работ на море .......................................226
       12.3. Искусственные острова....................230
       12.4. Самоподъемные плавучие буровые установки.231
       12.5. Полупогружные плавучие буровые установки.233
       12.6. Морские стационарные платформы...........235
       12.7. Особенности бурения скважин с буровых судов .. 238
       12.8. Конструкции морских скважин..............241
       12.9. Бурение на Арктическом шельфе............245

Глава 13. ОСЛОЖНЕНИЯ И АВАРИИ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИН...............................................252
       13.1. Нарушение целостности стенок скважины....252
       13.2. Предупреждение и борьба с поглощениями бурового раствора .............................255

Оглавление

7

       13.3. Газовые и нефтяные проявления........256
       13.4. Аварии при бурении скважин...........261
Глава 14. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БУРЕНИЯ СКВАЖИН...........................................265
       14.1. Воздействие бурения скважин на компоненты биосферы...................................265
       14.2. Воздействие бурения скважин на недра.274
       14.3. Методы и техника утилизации отходов бурения....................................278

ГЛОССАРИЙ.........................................284
ПРИЛОЖЕНИЕ Размерности некоторых физико-механических величин....................................289
ЛИТЕРАТУРА........................................291

                  Природу побеждают, только повинуясь ее законам.
Ф. Бэкон

ВВЕДЕНИЕ

Курс «Бурение нефтяных и газовых скважин» представляет собой дисциплину в задачу которой входит рассмотрение технических и технологических основ строительства глубоких скважин на суше и на море при одновременном обеспечении экологической безопасности окружающей среды.
   Этот курс является обязательным в структуре подготовки специалистов-нефтяников и находится в тесной взаимосвязи со многими смежными и общеинженерными дисциплинами. Программой курса кроме лекций предусматриваются практические и лабораторные занятия, обучение на тренажерах и закрепление теоретических знаний на рабочем месте в период производственной практики.
   Первые нефтяные скважины бурились малопроизводительным ручным вращательным способом, потом перешли к бурению ручным ударно-штанговым и ударно-канатным способам бурения. Скорость проходки составляла не более 35 м на станок в месяц. К началу XX в. глубина нефтяных скважин достигала 300 м. Для перехода к бурению более глубоких скважин потребовалось совершенствование техники бурения.
   В 1901 г. в США впервые было применено роторное бурение с промывкой забоя циркулирующей жидкостью. В отличие от ударного способа бурения при вращательном способе проходка скважины и очистка забоя производятся одновременно. В 1906 г. в России был запатентован способ закачки цементного раствора в пространство между обсадными тру

Введение

9

бамии стенками скважины. В 1921 г. в СССР была пробурена первая в мире скважина с помощью одноступенчатого турбобура. В 1935 г. были пробурены скважины с помощью многоступенчатого турбобура. В 1937 г. в СССР была разработана конструкция забойного двигателя—электробура. В середине 60-х гг. прошлого века был разработан широко применяемый в настоящее время винтовой забойный двигатель.
   Прошло более полувека с тех пор, как на шельфе Каспийского моря и Мексиканского залива началась добычанефти. В настоящее время добыча нефти ведется у берегов 50 стран, и в то же время нефтегазовая отрасль остается зоной повышенного экологического риска связанного со спецификой углеводородного сырья и технологии его добычи. Авторы сочли необходимым посвятить рассмотрению этих двух проблем отдельные главы.
   Техника и технология бурения скважин постоянно совершенствуются. Самая глубокая нефтяная эксплуатационная скважина, пробуренная на суше, имеет глубину 6300 м (США, Калифорния), пробуренная на море, включая толщу воды, — 7700 м (Мексиканский залив). Самая глубокая газовая эксплуатационная скважина—8900 м (США, Техас). Максимальная достигнутая глубина скважины — 12100 м (Россия, Кольский полуостров). Одним из важнейших технологических достижений последних лет оказалось развитие горизонтального бурения: если в 1988 г. в мире было пробурено почти 200 скважин с горизонтальным стволом, то в 2004 г. — 5000 горизонтальных скважин.
   Строительство скважин является сложным многофакторным процессом. С одной стороны, процесс бурения в значительной степени консервативен и состоит из последовательности обязательных операций, с другой стороны, при бурении возникают различные экстремальные ситуации, требующие от специалистов-буровиков мастерства и мужества. Эксперты определили 17 существенных возмущающих факторов (характеристика горных пород, состояние породоразрушающего инструмента, эффективность антивибрационных средств и т д.), на внезапное появление которых невозможно оперативно ре

Введение

агировать и, следовательно, эффективно управлять процессом бурения в режиме реального времени.
   Сочетание различных возмущений, влияющих на процесс бурения, приводит к возникновению почти миллионаразлич-ных технологических ситуаций, поэтому в режиме реального времени человек неспособен осуществлять оптимальное управление режимом бурения. Эта особенность требует совершенствования систем автоматического управления процессом бурения скважин.
   Разрабатываемые сегодня телеметрические системы контроля бурения, забойные двигатели, долота с высокой стойкостью, системы селективного крепления ствола скважины, новые составы буровых растворов создают предпосылки для повышения эффективности буровых работ.
   В ближайшие годы в области строительства скважин наиболее перспективными направлениями будут новые технологии вскрытия продуктивных горизонтов, расширение применения электробуров и винтовых забойных двигателей, возрастет объем бурения скважин с горизонтальным и многозабойным окончанием. Однако качество строительства скважин даже при использовании самых современных технологий всегда будет зависеть от уровня их исполнения, от состояния технологической дисциплины, мастерства и квалификации персонала.
   При составлении настоящей книги использовались опубликованные отечественные и зарубежные работы, а также курс лекций, прочитанный студентам Казахстанско-Британского технического университета.