Руководство для обучения инженеров по буровым растворам - часть 1

 

 

Предисловие. 

Настоящий  учебник  является  руководством  для  обучения  инженеров  по  буровым 

растворам компании. 

В  настоящее  издание  включены  новейшие  достижения  в  области  испытания  и 

контроля буровых растворов, зарегистрированных с  первого декабря 1986 г. Начинающий 
найдет  в  учебнике  основы  приготовления  и  использовании  буровых  растворов,  а  более 
опытный специалист сможет обновить полученные ранее знания. 

Материал в учебнике расположен с нарастающей сложностью, поэтому начинающим 

рекомендуется изучать его, в той последовательности, в которой он изложен. 

Предлагаемое руководство поможет оператору и подрядчику достичь заданной цели 

бурения с минимальными затратами. 

Авторское право 1991 принадлежит исключительно компании. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

ГЛАВА 1. 

ВВЕДЕНИЕ К РОТОРНОМУ БУРЕНИЮ 

Происхождение нефти 

Нефтепродукты,  будь  то  нефть  или  газ,  являются  органическими  соединениям 

состоящими  из  атомов  водорода  и  углерода,  что  и  объяснит  их  общее  название  - 
углеводороды.  Эти  атомы  могут  соединяться  различными  способами,  образуя  вещества, 
начиная  от  простого  метана  до  веществ,  наименование  которых  может  занять  целую 
строчку. 

Нефтепродукты  в  естественном  состоянии  почти  всегда  являются  комбинацией 

различных типов углеводородов. После того, как их извлекли на поверхность, происходит 
разделение  различных  углеводородов,  каждый  из  которых  обладает  специфическими 
свойствами и имеет различное применение. 

Термин  «нефть»  произошел  от  латинских  слов  реtга,  что  значит  скала,  камень, 

горная порода и оlеum, что значит масло; поэтому буквально «нефть» обозначает горное 
масло, т.е. указывает, где залегает нефть. 

Почти во всех осадочных породах имеются пустоты, называемые порами, в которых 

может  находиться  нефть.  В  некоторых  типах  пород,  таких,  как  песчаники  и  известняки, 
поры  занимают    большое    пространство  —  порода  пористая  —  и  эти  пространства 
являются  взаимосвязанными  (порода  проницаемая).  Такие  типы  пород  называются 
коллекторами.  Несмотря  на  то,  что  нефть  залегает  почти  во  всех  осадочных  породах, 
промышленная добыча нефти может производиться лишь из находящихся в коллекторах 
подземных ловушек. 

Ловушки  образуются  в  том  случае,  если  порода  коллектора  встречается  с 

непроницаемым  барьером.  При  перемещении  нефти  по  коллектору  она  встречается  с 
непроницаемым барьером, препятствующим её дальнейшему перемещению, что приводит 
к  её  накоплению.  Существует  множество  различных  нефтяных  ловушек,  однако  все  они 
под разделены на две основные категории — структурные и стратиграфические. 

Структурные  ловушки  образуются  в  результате  местных  деформаций,  таких,  как 

складкообразование  или  сбросообразование  (или  обоих  одновременно),  коллектора  и  не 
проницаемого барьера. Типичными примерами таких ловушек являются антиклинальные  
ловушки, ловушки, образующиеся в результате сбросообразования, и ловушки, связанные 
с образованием соляных куполов (см.рис. 1а, 1б). 

Рис. 1 Структурные ловушки. 

 

Рис.1а.  Антиклинальная    ловушка.      Рис.1б.  Ловушки,  образующиеся  в                       

результате сбросообразования. 

Стратиграфические  ловушки  образуются  в  результате  геологических  процессов, 

отличных  от  структурных  деформаций.  Останки  реликтовых  коралловых  рифов, 
погребенные под непроницаемыми осадочными породами, могут образовать ловушку. 

Литологический  состав  осадочных  слоев  может  изменяться  или  же  они  могут 

исчезнуть  в  одном  месте  и  появиться  в  другом  в  виде  другой  породы.  Такие  изменения 

 

 

часто  приводят  к  уменьшению  поперечной  проницаемости  и пористости  с  вероятностью 
образования  ловушек.  Ловушки  другого  типа  могут  образовываться  в  результате 
несогласного 

напластования, 

когда 

последовательность 

слоев, 

включающих 

потенциальный  нефтяной  коллектор,  поднимается,  смещается,  размывается  и  в  конце 
концов  над  ними  оказываются  непроницаемые  осадочные  породы,  выполняющие  роль 
непроницаемого барьера (см.рис.2а, 26). 

 

Обнаружение нефти 

Одного знания того, что существуют нефтяные ловушки, недостаточно. Необходимо 

установить их местонахождение. Определение местонахождения ловушек производилось 
различными  способами,  однако  наиболее  важными  из  них  являются  аэросъемка, 
геологическая  съемка  и  геофизическая  съёмка.  Аэросъёмка  применяется,  когда 
необходимо  получить  полное  представление  о  площади,  на  которой  предстоит  бурить 
скважины.  Она  позволяет  обнаружить  основные  поверхностные  структуры,  такие,  как 
антиклинали  и  сбросы.  Геологические  исследования  основываются  на  наблюдениях 
выходящих  на  дневную  поверхность  пород  на  площадях,  потенциально  содержащих 
углеводороды. Н основании этих наблюдений составляются подробные карты, на которых 
указывается положение и форма выходящей на поверхность породы наряду с описанием 
физических  свойств  и  содержания  окаменелостей  в  обнаруженной  породе.  Третий  и 
наиболее  эффективный  метод  исследования  —  это  геофизические  исследования.  При 
использовании 

этого 

метода 

используют 

наземное 

оборудование. 

Наиболее 

распространенный способ состоит в использовании сейсмического метода геофизических 
исследований  с  применением  ударных  волн,  направляемых  с  поверхности  с  целью 
обнаружения и описания подземных пород. Другие методы зависят от гравиметрических 
или магнитных свойств пород. 

 

Бурение на нефть 

После того, как установлена возможность нахождения нефти в определенном месте, 

единственный способ подтверждения этого — бурение скважины. Бурение скважин в той 
или  иной  форме  осуществляли  в  течение  многих  веков.  В  1100  г,  нашей  эры    в  Китае 
бурили  скважины  на  минерализованную  воду  глубиной  3500  футов  (10,8  м)  способом 
аналогичным  кабельному  бурению.  Этот  метод  использовался  в  19  веке  при  бурении 
нефтяных  скважин  и  в  первые  два  десятилетия  двадцатого  века  (в  настоящее  время  он  
используется  для  бурения  неглубоких  скважин  в  твёрдых  породах).  Метод  кабельного 
бурения  заключается  в  последовательном  нанесении  ударов  долотом,  прикрепленным  к 
бурильной штанге. Вес бурильной штанги помогает внедрению долота в породу, при этом 
скважина  остается  пустой,  за  исключением  некоторого  количества  воды на  забое.  После 
того,  как  пробурено  несколько  футов,  долото  поднимают  на  поверхность,  а 
образовавшийся  шлам  удаляют  с  помощью  желонки  (открытой  трубки  с  клапаном  в 

 

 

нижней  части).  Метод  кабельного  бурения  довольно  простой,  однако  он  эффективен 
только для бурения неглубоких скважин, т.к. скорость его невелика. 

За  некоторыми  исключениями  все  нефтяные  скважины  в  настоящее  время  бурятся 

роторным  способом,  который  впервые  использовали  в  1900  году.  Оборудование, 
применяемое  при  роторном  бурении,  приведено  на  рис.3.  Логично  было  бы  начать 
описание  роторного  способа  бурения  с  долота.  Функция  долота  состоит  в  разрушении 
нижележащего  грунта,  с  целью  создания  скважины.  В  первых  долотах  для  роторного 
бурения использовались лопасти. Ввиду того, что они напоминали по своей форме рыбий 
хвост,  его  назвали  двухлопастное  долото  «рыбий  хвост».  Такие  долота  были 
эффективными при бурении  мягких пород, однако довольно быстро изнашивались  - при 
бурении твердых пород. 

В  совершенствованном  трехшарошечном  долоте  вместо  лопастей  использовали 

шарошки  с  зубьями,  установленные  на  опорах  с  подшипниками  (см.рис.4).  Бурение 
происходит путем разрушения породы зубьями на вращающихся шарошках. Скребующее 
действие  долота  осуществляется  за  счёт  эксцентричного  расположения  шарошек. 
Трехшарошечные  долота  классифицируются  в  соответствии  с  типом  опор  и  зубьев. 
Основные  конструкции  подшипников  по  убывающей  степени  срока  их  службы 
следующие:  роликовые  подшипники  без  уплотнений,  с  уплотнениями  и  подшипники 
скольжения.  Числа,  форма  и  размещение  зубьев  могут  быть  различными,  однако  все  их 
можно подразделить на две группы — фрезерованные и вставные. 

Фрезерованные зубья изготавливаются на станке из материала шарошки, в то время  

как  вставные  зубья  представляют  собой шпильки  или  штыри,  изготовленные  из  карбида 
вольфрама  и  вставляемые  в  отверстия  шарошек.  Долота  с  фрезерованными  зубьями 
используются для бурения мягких пород и пород средней твердости. Долота со вставными 
зубьями используются для бурения твердых пород. 

В тех случаях, когда необходимо бурить очень твёрдые или абразивные породы, или 

же  желательно  иметь  более  длительный  срок  службы  долота,  используют  алмазные 
долота. Алмазные долота не имеют шарошек, в них используются алмазы, укрепленные в 
стальной  матрице.  Обычным  недостатком  алмазных  долот  является  небольшая 
механическая скорость проходки. В последние годы широкое распространение получили 
поликристаллические  алмазные  долота,  преимуществами  которых  являются  более 
высокая скорость проходки и более длительный срок службы. 

Независимо  от  типа  долота  оно  должно  вращаться,  чтобы  осуществлять  бурение 

(см.рис.5). Вращение передается на долото через бурильную колонну. Бурильная колонна 
состоит  из отдельных  бурильных  труб  длиной  приблизительно  30  футов и  диаметром от  
3,5  до  5  дюймов,  изготовленных  из  специальной  высокопрочной  стали.  Каждая  секция 
труб  имеет  специальные  стальные  соединёния,  которые  могут  передавать  крутящий 
момент и обеспечивать неоднократное, быстрое и надежное свинчивание и развинчивание 
труб. Толстостенные бурильные трубы УБТ, устанавливаемые в нижней части бурильной 
колонны  над  долотом,  создают  нагрузку  на  долото,  необходимую  для  осуществления 
бурения.  Кроме  того,  бурильная  колонна  также  служит  средством  для  подачи  бурового 
раствора к долоту и выноса шлама из скважины на поверхность. 

Описания буровых растворов и их функции приведено в последующих разделах этой 

главы. 

Бурильная  колонна  осуществляет  вращение  долота,  что  приводит  в  движение  саму 

бурильную  колонну.  Эту  функцию  выполняет  наземное  оборудование  для  вращения 
бурильной  колонны.  К  верхней  части  бурильной  колонны  привязана  ведущая  труба. 
Ведущая  труба  проходит  через  специальный  кожух,  который  называется  вкладыш  под 
рабочую трубу с отверстием такой же формы, как и квадрат.