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.

Глава 1


            ЭЛЕМЕНТЫ ОБЩЕЙ
            И НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЙ ГЕОЛОГИИ


        1.1. Строение, состав и геодинамика земной коры

Планета Земля состоит из ядра и охватывающих его двух концентрических оболочек: мантии и земной коры. Залегающая под земной корой мантия имеет температуру до 3000 °C и состоит из расплавленных горных пород (магма), способных течь как густая вязкая жидкость. Мантия постоянно подогревается со стороны горячего ядра, вследствие чего в ней непрерывно образуются мощные конвективные потоки магмы.
  Земная кора—это наружная оболочка планеты, состоящая из легкого, менее плотного по сравнению с мантией вещества, которое недра «вытолкнули» из себя. Геологические процессы непрерывно изменяют земную кору и ее поверхность, приводя к разрушению одних горных пород и образованию других. Граница между корой и мантией подвижна: повышение температуры мантии приводит к расплавлению нижней части коры и смещает границу вверх, а понижение температуры — вниз.
  Границей раздела земной коры и верхней мантии принято считать «поверхность М , залегающую на глубинах 30... 60 км на континентах и 5... 10 км под дном океана. Эта поверхность определяется глубиной, на которой происходит резкое увеличение скорости сейсмических волн—в среднем от 7 до 8 км/с. Обычно с этой поверхностью отождествляется нижняя граница гидратации земных недр. Особое значение поверхности М заключается в том, что на ее уровне примерно соблюдается архимедово равновесие земной коры, «плавающей» в вязком веществе мантии.
  Нижним ярусом континентальной земной коры является толстый базальтовый слой, на котором покоится гранитный слой, покрытый чехлом осадочных пород. Океанское ложе

Глава 1. Элементы общей и нефтепромысловой геологии

состоит из базальтовой подстилки и тонкого слоя осадочных пород (рис. 1.1).


Рис. 1.1. Схематический разрез земной коры

   Магма—это флюидо-силикатный расплав, содержащий в своем составе соединения с кремнеземом и растворенные летучие вещества, а также присутствующие в виде пузырьков газа. Летучие компоненты в магме представлены СО₂, Н₂, Н₂О, HF и др. При затвердевании магматический расплав теряет летучие компоненты. Кристаллизация магмы происходит постепенно по мере падения ее температуры. Вначале выделяются высокотемпературные минералы с образованием таких горных пород, как базальты и габбро, затем — низкотемпературные минералы с образованием диоритов и андезитов, затем — гранитов и риолитов и т. д. Процессы превращения магмы в горные породы достаточно сложны, и на них кроме охлаждения влияют множество разных факторов. Наличие в магме легкоотделяемых компонентов приводит к вулканическим процессам, а наличие трудноотделяемых компонентов — к интрузивным процессам.
   Средний химический состав земной коры: SiO₂ — 53,5%; А1₂О₃—15,9%; СаО —9,4%; FeO —7,6%; MgO —5,4%; Na₂O — 2,7%; СО₂ — 1,0%; Н₂О — 0,78%. Химический состав земной коры впервые установил американский ученый Ф. Кларк. В его честь среднее содержание химических элементов в земной коре называют кларком. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода: кларк кислорода — 47%. Далее по мере убывания идут кларки кремния—29,5; алюминия — 8,05; железа— 4,65; кальция — 2,96; натрия и калия—по 2,50; магния— 1,87 и титана — 0,45%. В сумме это составляет более 99% массы

1.1. Строение, состав и геодинамика земной коры 13

земной коры. Суммарное содержание в земной коре остальных 80 элементов не превышает 1 %.
   По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические; осадочные и метаморфические.
   Магматические породы и меют кристаллическое строение и образуются из расплавленной магмы при застывании ее на некоторой глубине (интрузивные) или при выходе ее на поверхность (эффузивные).
   На долю магматических пород приходится примерно 95% объема земной коры. Наиболее важным минералом в составе этих пород является окись кремния (кремнезем) — SiO₂ и окись алюминия А1₂О₃. Содержание кремнезема определяет состав горных пород. При содержании кремнезема 45—52% породы входят в группу основных пород, при содержании более 65% — в группу кислых пород.
   Осадочные породы залегают слоями и образуются в результате переотложения продуктов разрушения ранее существовавших коренных горных пород, а также из продуктов жизнедеятельности организмов. Так, песчаник образуется из песков, сланец — из ила, известняк — из морских раковин. Осадочные породы подстилаются древними магматическими или метаморфическими породами. Залежи нефти и газа, как правило, приурочены к осадочным породам. Непродуктивные породы, которые подстилают осадочные, называют коренными породами или породами фундамента.
   Метаморфические породы образуются из магматических или осадочных пород на больших глубинах в результате действия высоких температур и давлений, а также в результате привноса в исходную породу магматических газов и водных растворов. Например, мрамор (СаСО₃) представляет собой метаморфизованный известняк (СаСО₃). Эти породы отличаются от исходных пород текстурно-структурными и прочностными свойствами, минералогическим составом, обладают слоистостью и кристаллическим строением.
   По степени связности горные породы подразделяются на скальные, связные, рыхлые и текучие. Они могут находиться в сезонно-мерзлом и многолетнемерзлом состояниях. В райо

Глава 1. Элементы общей и нефтепромысловой геологии

нах Крайнего Севера мощность мерзлых пород может достигать сотен метров, температура-12 °C. Обломочные водонасыщенные рыхлые породы при замерзании цементируются льдом и отличаются высокой прочностью. При оттаивании они переходят в текучее состояние.
   Значение средней плотности земного вещества выше средней плотности земной коры за счет большой плотности земного ядра и равно 5,52 г/см³. Плотность горных пород укладывается в диапазоне от 2 до 3,2 г/см³.
   В некоторых районах Земли осадочные породы отсутствуют, а коренные породы выходят на поверхность. Такие территории называются щитами, и там нефти нет. Остальные территории являются прогибами. Там в пониженных местах континентов и морских бассейнах образуются осадочные породы. В них часто находят окаменелые остатки растений и животных, населявших Землю в далекие времена.
   На земную кору на протяжении всей геологической истории действуют лунно-солнечные приливы. Максимальная амплитуда вызванных Луной колебаний земной поверхности составляет 53,4 см. Реальная деформация Земли приливной волной в области экватора имеет максимальную амплитуду 52 см, а на широте 50° — 40 см. Тйким образом, Земля непрерывно пульсирует, испытывая в каждой точке дважды в сутки приливы и дважды — отливы. Океанические приливы в некоторых областях Земли достигают нескольких метров.
   Из-за эллиптической формы лунной орбиты приливообразующая сила Луны в перигее на4О°/овыше, чемвапогее. Вначале января Земля достигает точки наибольшего приближения к Солнцу (перигелий). В периоды совпадения этих двух событий суммарная приливообразующая сила Солнца и Луны достигает максимума. Видимо, не случайно максимальная сейсмичность приходится на зимний период. Например, с 1946 по 1963 годы на Кавказе произошло 867 землетрясений, из которых на зиму пришлось 363 землетрясения.
   Приливная эволюция системы Земля—Луна приводит к существенным изменениям условий на поверхности и внутри Земли, меняет климат и характер осадконакопления. Прилив-

1.1. Строение, состав и геодинамика земной коры 15

нал сила «разрабатывает» дефекты в горных породах и работает на протяжении всей геологической истории Земли. Приливы непрерывно в виде напряжений изгиба, кручения, сдвига и сжатия подкачивают упругую энергию в систему блоков, слагающих земную кору Постепенно равновесие в ансамбле блоков становится неустойчивым, и в какой-то момент происходит сейсмический срыв и переупаковка блоков. В отдельные годы сильные землетрясения происходят почти по графику полнолуний и новолуний.
   Солнечные и лунные приливы постоянно «массируют» земную кору и содержащиеся в недрах флюиды. Приливы «тренируют» нефть, не дают ей застаиваться, разрушают ее коагуляционную структуру слабыми импульсами.
   Поднимающийся из глубин горячий поток магмы поднимает земную кору и образует срединно-океанический хребет. Далее расплавленное вещество мантии разделяется на два расходящихся потока, которые за счет сил вязкого трения создают в земной коре растягивающие напряжения и, в конечном счете, разрывают земную кору (рис. 1.2). В таком случае говорят, что океаническое дно подвергаетсяспредингу, то есть ложе океана расходится в обе стороны от хребта. Срединноокеанические хребты (их еще называют рифтовыми зонами) обнаружены посередине Атлантического, Тйхого и Индийского океанов. Общая протяженность рифтовых зон в океанах достигает 80 тыс. км.

Рис. 1.2. Образование новой земной коры за счет спрединга

   Рифтовые зоны являются расщелинами в земной коре, которые постоянно заполняются поступающей снизу горячей