Реферат: Общее представление о бурение нефтяных и газовых скважин
Документальных свидетельств о технике бурения в Китае мало. Однако, судя по древней китайской живописи, барельефам, гобеленам, панно и вышивкам на шелке, эта техника находилась на довольно высокой стадии развития.
Бурение первых скважин в России относится к IX веку и связано с добычей растворов поваренной соли в районе г. Старая Русса. Соляной промысел получил большое развитие в XV..XVII вв., о чем свидетельствуют обнаруженные следы буровых скважин в окрестностях г. Соликамска. Их глубина достигала 100 м при начальном диаметре скважин до 1 м.
Стенки скважин часто обваливались. Поэтому для их крепления использовались или полые стволы деревьев или трубы, сплетенные из ивовой коры. В конце XIX в. стенки скважин стали крепить железными трубами. Их гнули из листового железа и склепывали. При углублении скважины трубы продвигали вслед за буровым инструментом (долотом); для этого их делали меньшего диаметра, чем предшествующие. Позднее эти трубы стали называть обсадными. Конструкция их со временем была усовершенствована: вместо клепанных они стали цельнотянутыми с резьбой на концах.
Первая скважина в США была пробурена для добычи соляного раствора близ г. Чарлстона в Западной Вирджинии в 1806 г. Придальнейших поисках рассолов в 1826 г. близ г. Бернсвилла в шт. Кентукки случайно была найдена нефть.
Первые упоминания о применении бурения для поисков нефти относятся к 30-м годам XIX века. На Тамани, прежде чем рыть нефтяные колодцы, производили предварительную разведку буравом. Очевидец оставил следующее описание: «Когда предполагают выкопать в новом месте колодец, то сначала пробуют буравом землю, вдавливая оный и подливая немного воды, дабы он ходше входил и по вынятию оного, есть ли будет держаться нефть, то на сем месте начинают копать четырехугольную яму».
В декабре 1844 г. член Совета Главного Управления Закавказского края В.Н. Семенов направил своему руководству рапорт, где писал о необходимости ... углубления посредством бура некоторых колодцев ... и произведения вновь разведки на нефть также посредством бура между балаханскими, байбатскими и кабристанскими колодцами». Как признавал сам В.Н. Семенов, эту идею подсказал ему управляющий бакинских и ширванских нефтяных и соляных промыслов горный инженер Н.И. Воскобойников. В 1846 г. министерство финансов выделило необходимые средства и были начаты буровые работы. О результатах бурения говорится в докладной записке наместника Кавказа графа Воронцова от 14 июля 1848 г.:«... на Биби-Эйбате пробурена скважина, в которой найдена нефть». Это была первая нефтяная скважина в мире!
Незадолго до этого в 1846 г. французский инженер Фовель предложил способ непрерывной очистки скважин - их промывку. Сущность метода заключалась в том, что с поверхности земли по полым трубам в скважину насосами закачивалась вода, выносящая кусочки породы наверх. Этот метод очень быстро получил признание, т.к. не требовал остановки бурения.
Первая нефтяная скважина в США была пробурена в 1859 г. Сделал это в районе г. Тайтесвилл, штат Пенсильвания Э. Дрейк, работавший по заданию фирмы «Сенека ойл компани». После двух месяцев непрерывного труда рабочим Э. Дрейка удалось пробурить скважину глубиной всего 22 м, но она дала-таки нефть. Вплоть до недавнего времени эта скважина считалась первой в мире, но найденные документы о работах под руководством В.Н. Семенова восстановили историческую справедливость.
Многие страны связывают рождение своей нефтяной промышленности с бурением первой скважины, давшей промышленную нефть. Так, в Румынии отсчет ведется с 1857 г., в Канаде - с 1858 г., в Венесуэле - с 1863 г. В России долгое время считалось, что первая нефтяная скважина была пробурена в 1864 г. на Кубани на берегу р. Кудако под руководством полковника А.Н. Новосильцева. Поэтому в 1964 г. у нас в стране торжественно отметили 100-летие отечественной нефтяной промышленности и с тех пор каждый год отмечают «День работника нефтяной и газовой промышленности».
Число пробуренных скважин на нефтяных промыслах в конце XIX века стремительно росло. Так в Баку в 1873 г. их было 17, в 1885 г. - 165, в 1890 г. - 356, в 1895 г. - 604, то к 1901 г. - 1740. Одновременно значительно возросла глубина нефтяных скважин. Если в 1872 г. она составляла 55...65 м, то в 1883 г. - 105...125 м, а к концу XIX в. достигла 425...530 м.
В конце 80-х гг. прошлого века близ г. Новый Орлеан (шт. Луизиана, США) было применено вращательное бурение на нефть с промывкой скважин глинистым раствором. В России вращательное бурение с промывкой впервые применили близ г. Грозного в 1902 г. и нашли нефть на глубине 345 м.
Первоначально вращательное бурение осуществлялось вращением долота вместе со всей колонной бурильных труб непосредственно с поверхности. Однако при большой глубине скважин вес этой колонны весьма велик. Поэтому еще в XIX в. появились первые предложения по созданию забойных двигателей, т.е. двигателей, размещаемых в нижней части бурильных труб непосредственно над долотом. Большинство из них осталось нереализованными.
Впервые в мировой практике советским инженером (впоследствии членом-корреспондентом АН СССР) М.А. Капелюшниковым в 1922 г. был изобретен турбобур, представлявший собой одноступенчатую гидравлическую турбину с планетарным редуктором. Турбина приводилась во вращение промывочной жидкостью. В 1935...1939 гг. конструкция турбобура была усовершенствована группой ученых под руководством П.П. Шумилова. Турбобур, предложенный ими, представляет собой многоступенчатую турбину без редуктора.
В 1899 г. в России был запатентован электробур, представляющий собой электродвигатель, соединенный с долотом и подвешенный на канате. Современная конструкция электробура была разработана в 1938 г. советскими инженерами А.П. Островским и Н.В. Александровым, а уже в 1940 г. электробуром была пробурена первая скважина.
В 1897 г. в Тихом океане в районе о. Сомерленд (шт. Калифорния, США) впервые было осуществлено бурение на море. В нашей стране первая морская скважина была пробурена в 1925 г. в бухте Ильича (близ г. Баку) на искусственно созданном островке. В 1934 г. Н.С. Тимофеевым на о. Артема в Каспийском море было осуществле- но кустовое бурение, при котором несколько скважин (порой более 20) бурятся с общей площадки. Впоследствии этот метод стал широко применяться при бурении в условиях ограниченного пространства (среди болот, с морских буровых платформ и т.д.).
С начала 60-х годов с целью изучения глубинного строения Земли в мире стали применять сверхглубокое бурение.
1.1. Буровые работы в России
Буровые работы в России впервые стали проводить для добычи поваренной соли. Соляные рассолы добывались с помощью так называемых рассолоподъемных труб (буровых скважин), которые зачастую были довольно больших диаметров.
Бурение этих скважин в XIV-XVII веках на Пермских соляных промыслах и на Балахновском Усолье (близ г. Нижнего Новгорода) достигло достаточно большого совершенства. Известен первый рукописный свод правил по технологии бурения скважин для разведки и добычи каменной соли - «Роспись как зачать делать новая труба на новом месте», написанный в XVII веке. Этот труд обобщил многовековую практику бурения скважин в России. В нем подробно описаны буровой инструмент, его установка и приемы бурения; приведены рекомендации по методике взятия проб грунта и рассолов, сведения о способах ликвидации аварий, ведении записей при бурении, об изготовлении буров и других частей бурового инструмента.
О высоком уровне технологической культуры бурения скважин в России свидетельствует и тот факт, что в Росписи содержатся 128 специальных буровых терминов только русского происхождения. Одна из «труб» достигла глубины 88 саженей (-176 м).
На рисунке приведен пример бурения таких скважин на Балахновском Усолье.
Установка для бурения под рассолоподъемную трубу на Балахновском Усолье: 1 — канат; 2 — очап; 3 — коромысло; 4 — соха; 5 — переклад; 9 — лестница; 10,13 — вороты с блоками для спуска труб и буровых операций; 11 — обсадная труба; 12 — матица. Первая из известных на европейском континенте скважина была пробурена в 1126 г. на юге Франции в провинции Артуа (Artesium - латинское название). Отсюда пошло современное общее название самоизливающихся водозаборных скважин - артезианские скважины. Однако подобные скважины и колодцы были известны еще в глубокой древности в Китае и Египте. В России в 30-х годах XIX века для водоснабжения губернских и уездных городов и промышленных предприятий начали также бурить артезианские скважины. Например, в 1876 г. подобная скважина впервые была заложена в Москве на Яузском бульваре. В Париже в 1839 г. подобная скважина была пробурена уже на глубину 548 м и вскрыт водоносный пласт, из которого вода хлынула фонтаном на высоту 33 м.
С 1944 г. началась работа по реконструкции бурового оборудования. Был составлен размерный ряд станков для бурения скважин колонковым способом на глубины 75, 150, 300, 600 и 1200 м. В соответствии с этим рядом разработаны и выпущены в 1946-1947 гг. заводом им. Воровского (г. Свердловск) многоскоростные станки марки ЗИВ-75 и ЗИВ-150, а в Ленинграде заводом им. Фрунзе выпушены станки типа ЗИФ-300, ЗИФ-650 и ЗИФ-1200. Эти станки уже были оснащены двухцилиндровой гидравлической подачей и четырехступенчатыми коробками передач. Наряду со стационарными станками были разработаны и выпущены в серию под руководством М. М. Андреева и В. С. Кузьмина самоходные установки УКБ-100, УРБ-ЗАМ, УРБ-2А и др. Эти станки нашли широкое применение при структурно-картировочном, поисковом и гидрогеологическом бурении. С 1965—1970 гг. началось широкое освоение и внедрение алмазного бурения. Был разработан ряд алмазных коронок, армированных алмазами первого и второго сортов. Достаточно широко в это время проведена и механизация спускоподъемных операций. Например, было разработано и выпущено в свет устройство РТ-1200 для свинчивания и развенчивания бурильных труб.
Значительный вклад в развитие теории и практики колонкового бурения внесли СКБ «Геотехника», ВИТР, Тульский филиал ЦНИГРИ, бывшие Ленинградский горный институт, Днепропетровский горный институт. Московский геологоразведочный институт и Томский политехнический институт. Вращательное роторное бурение на нефть, а затем и на газ впервые было применено в США в 1901 г. в сочетании с непрерывной промывкой, а в России - в 1902 г. Производительность этого вида бурения резко возросла после изобретения в 1903 г. инженером Говардом Юзом шарошечного долота. Технически новая задача герметизации заколонного пространства при вращательном бурении была решена закачкой цементного раствора по методу А. А. Богушевского. Следующим крупным шагом в развитии глубокого бурения было создание гидравлических забойных двигателей - турбобуров. В 1923 г. М. А. Капелюшниковым и другими инженерами были созданы одноступенчатые турбобуры, а в 1933-1940 гг. на ба¬зе разработанной П. П. Шумиловым теории осевых многоступенчатых (100 и более ступеней) турбинных двигателей им совместно с Р. А. Иоаннесяном, Э. И. Тагиевым и М. Т. Гусманом были созданы мощные турбобуры с большими крутящими моментами. В последующем турбобур явился незаменимым двигателем при бурении направлен¬ных (наклонных, горизонтальных, многоствольных и т. д.) скважин. Затем в 1937-1940 гг. Н. В. Александровым, А. А. Островским и другими учеными были разработаны и созданы электробуры диаметрами от 164 до 290 мм с частотой вращения 700-540 мин-1 и мощностью 50-250 кВт.
2. Классификация скважин по назначению.
Цилиндрическая горная выработка, проводимая с поверхности земли вглубь при помощи механизмов и имеющая очень небольшое поперечное сечение по сравнению с глубиной, называется буровой скважиной. Скважины могут быть вертикальными или наклонными, диаметры их колеблются в широких пределах (25-900 мм), глубина — от нескольких метров до нескольких тысяч метров.
Начало скважины у поверхности земли называется устьем, дно — забоем, стенки скважины образуют ее ствол.
Все скважины, бурящиеся с целью региональных исследований, поисков, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений или залежей, делятся на следующие категории: опорные, параметрические, структурные, поисковые, разведочные, эксплуатационные.
1. Опорные скважины бурят для изучения геологического строения и гидрогеологических условий регионов, определения общих закономерностей распространения комплексов отложений, благоприятных для нефтегазонакопления, с целью выбора наиболее перспективных направлений геологоразведочных работ на нефть и газ.
Опорные скважины подразделяются на две группы:
К первой группе относят скважины, закладываемые в районах, не исследованных бурением, с целью всестороннего изучения разреза осадочных пород и установления возраста и вещественного состава фундамента.
Ко второй группе относят скважины, закладываемые в относительно изученных районах для всестороннего изучения нижней части разреза, ранее не вскрытой бурением, или для освещения отдельных принципиальных вопросов с целью уточнения геологического строения и перспектив нефтегазоносности района и повышения эффективности геологоразведочных работ на нефть и газ.
2. Параметрические скважины бурят для изучения глубинного геологического строения и сравнительной оценки перспектив нефтегазоносности возможных зон нефтегазонакопления; выявления наиболее перспективных районов для детальных геологопоисковых работ, а также для получения необходимых сведений о геолого-геофизической характеристике разреза отложений с целью уточнения результатов сейсмических и других геофизических исследований.
3. Структурные скважины бурят для выявления перспективных площадей и их подготовки к поисково-разведочному бурению.
4. Поисковые скважины бурят с целью открытия новых месторождений нефти и газа. К этой категории относят скважины, заложенные на новой площади, а также первые скважины, заложенные на те же горизонты в обособленных тектонических блоках, или скважины, заложенные на новые горизонты в пределах месторождения. Поисковыми их считают до получения первых промышленных притоков нефти или газа.
5. Разведочные скважины бурят на площадях с установленной промышленной нефтегазоносностью с целью подготовки запасов нефти газа.