Обзор буровых операций ОСНОВЫ БУРЕНИЯ
advertisement
ОСНОВЫ БУРЕНИЯ Третья из серии вводных статей об основах геологоразведки и добычи Обзор буровых операций Мэтт Вархог Старший редактор Самый узнаваемый символ нефтегазовой промышленности — это буровая вышка, возвышающаяся над буровой площадкой. Работа буровой установки представляет собой кульминационный пункт геологоразведки: только бурением скважины можно подтвердить присутствие запасов в перспективном блоке. Когда нефтяные компании получают право бурения на перспективных участках, их геологи и геофизики указывают буровым инженерам потенциальные координаты коллекторов и задачи по оценке пластов, на базе которых буровые инженеры определяют параметры бурения. Отдел бурения планирует траекторию скважины так, чтобы добиться максимальной площади контакта ствола скважины с продуктивными пластами, и задает компоновку нижней части бурильной колонны (КНБК), обеспечивающей бурение по требуемой траектории. Инженеры разрабатывают подробный план каждой стадии бурового процесса. Такой план, называемый прогнозом бурения, определяет место заложения скважины и ее общую проектную глубину, а также размер долота, расчетную плотность бурового раствора и программу крепления ствола скважины, необходимые для ее бурения на общую проектную глубину. Для бурения скважин с отклонением от вертикали устанавливается местоположение забоя скважины и определяются глубина начального отклонения и азимут точки отклонения забоя от вертикали. На основе такого бурового прогноза составляется смета, далее посылаемая на утверждение. Буровой подрядчик Обычно нефтяные компании передают бурение скважин на подряд специализированным буровым компаниям. Нефтегазовое обозрение, осень 2011 г., том 23, № 3. Copyright © 2012 Schlumberger. Данная статья является русским переводом статьи “Defining Drilling: Turning to the Right—An Overview of Drilling Operations,“ Oilfield Review, Autumn 2011: 23, no. 3. Copyright © 2011 Schlumberger. Благодарим за помощь в подготовке данной статьи Джона Уокера (Куала-Лумпур, Малайзия). 78 Такой подрядчик предоставляет буровую установку и буровую бригаду. Его услуги оплачиваются по суточной ставке, как правило, от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч долларов США, в зависимости от типа буровой установки. При бурении скважин на суше суточные ставки в общем случае определяются проектной мощностью буровой установки, которая также задает глубину, на которую можно пробурить скважину с такой буровой установки. В зависимости от глубины скважины формируются также требования к размеру буровой установки — для бурения более глубоких скважин нужны более крупные буровые установки с лебедкой и вышкой с большей грузоподъемностью на крюке для подъема сотен тонн бурильных труб. Морские буровые установки также классифицируются по мощности и далее группируются по глубине моря, на которую рассчитана их эксплуатация. Самоподъемные плавучие буровые установки эксплуатируются на глубине моря от 9 до 105 м (от 30 до 350 футов). (Некоторые из этих установок, предназначенные для работы в тяжелых условиях, могут работать на глубине до 168 м (550 футов) и рассчитаны на бурение глубиной до 10 660 м (35 000 футов)). Полупогружные буровые установки спроектированы для работы на бóльших глубинах, чем самоподъемные установки. На самых глубоководных участках эксплуатируются буровые суда. Суточные ставки оплаты сухопутных буровых установок обычно ниже морских. Работа самоподъемных буровых установок на мелководных участках как правило стóит дешевле, чем эксплуатация глубоководных полупогружных буровых установок или буровых судов. Забуривание скважины Буровой подрядчик доставляет буровую установку на буровую площадку, и геодезист удостоверяет правильность ее расположения. При монтаже буровой установки из отдельных секций сваривают направляющую трубу большого диаметра, которую забивают в грунт — обычно до точки отказа, глубже которой она не проходит. К верхнему концу направляющей трубы крепится устьевое оборудование. Нефтегазовое обозрение ОСНОВЫ БУРЕНИЯ На полу буровой установки буровая бригада собирает КНБК из бурового долота, утяжеленной бурильной трубы, стабилизаторов и, в некоторых случаях, скважинного расширителя. КНБК может быть дополнена приборами каротажа в процессе бурения, гидравлическим забойным двигателем и системой удержания долота на заданной траектории. На различных участках скважины КНБК может иметь различный состав с целью наращивания, сохранения или уменьшения угла наклона. Каждый компонент КНБК выполняет собственную функцию. Утяжеленные бурильные трубы — тяжелые толстостенные трубные секции — обеспечивают осевую нагрузку на долото и жесткость КНБК. Стабилизаторы повышают устойчивость КНБК для избежания вибрации и удержания заданной траектории. В некоторых пластах используют специальные скважинные расширители для того, чтобы выдержать размер ствола скважины или расширить его так, чтобы он превышал диаметр бурового долота, а также чтобы снизить скручивающие и осевые нагрузки на бурильную колонну. В свою очередь, КНБК крепят к 31-футовым (9,5-метровым) секциям толстостенных бурильных труб, образующим переход от утяжеленных бурильных труб КНБК к стандартным бурильным трубам, объединяемым в бурильные колонны, приводящие в движение буровое долото. КНБК спускают через пол буровой устаВедущая бурильная новки сквозь устье труба скважины в направВкладыш ляющую трубу. Когда ведущей долото оказывается бурильной трубы на дне, к самой верхСтол ней секции бурильных ротора труб привинчивают шестигранную или четырехгранную трубу, Рис. 1. Вкладыш под ведущую буведущей рильную трубу. — Ведущая буриль- называемую бурильной трубой. Эту ная труба вставляется по центру во вкладыш, вращающийся при подтрубу вставляют во соединении стола ротора. вкладыш под ведущую бурильную трубу, благодаря чему она оказывается соединенной с приводом ротора буровой установки. Стол ротора вращает вкладыш, который вращает ведущую бурильную трубу (рис. 1). Буровая колонна вращается (вправо по часовой стрелке), и начинается бурение. Начало бурения называют забуриванием скважины, и дата начала бурения скважины отмечается в документах подобно дню рождения. Дальнейшее бурение По мере того, как долото проникает все глубже в землю, каждая последующая секция бурильной колонны крепится к предыдущей секции, и бурильная колонна постепенно удлиняется. Для охлаждения и смазки бурового долота в скважину закачивают буровую жидкость (буровой раствор). Буровой раствор также предназначен для выноса на поверхность частиц породы, выбуренной долотом. Обычно буровые растворы представляют собой специальные смеси воды или Осень 2011 безводной дисперсионной среды с порошком барита и другими добавками, вносимыми для получения бурового раствора с нужными реологическими свойствами. (Иногда в верхней части скважины используют воду; а порой пластовое давление бывает настолько низким, что вместо бурового раствора можно использовать воздух). Буровой раствор откачивается насосами высокого давления из наземных резервуаров хранения, направляется вниз по центру бурильной трубы и истекает через сопла на торцевой поверхности бурового долота. Давление насоса побуждает раствор двигаться вверх вдоль внешней поверхности бурильной трубы. Он поднимается на поверхность через кольцевое пространство между бурильной трубой и обсадной колонной и выходит через выкидную линию над противовыбросовым превентором. Буровой раствор проходит через очистное вибросито, где шлам отделяется от жидкости раствора, которая затем через сетки попадает в резервуары хранения для последующей обратной закачки в скважину. Буровой раствор играет ключевую роль в управлении скважиной. Его закачивают в скважину для компенсации повышения давления на забое, которое в противном случае заставило бы пластовую жидкость прорваться в ствол скважины, создав тем самым опасный гидравлический удар или даже выброс. Тем не менее, давление, создаваемое буровым раствором, не должно быть настолько высоким, чтобы привести к возникновению трещин в самом пласте, что снизило бы давление бурового раствора в стволе скважины. Давление бурового раствора определяется, прежде всего, его плотностью, которую обычно регулируют количеством добавляемого в систему барита или других утяжеляющих добавок. Обычно давление возрастает с увеличением глубины, так что плотность бурового раствора также нужно повышать с увеличением глубины. Как правило, бурение продолжают до того момента, когда дальнейшее увеличение плотности бурового раствора может вызвать появление трещин в пласте. В этот момент устанавливается обсадная колонна. Спуск и подъем долота Режущие поверхности долота постепенно изнашиваются по мере выбуривания породы, что уменьшает скорость проходки при бурении. Наступает момент, когда изношенное долото должно быть заменено новым. Для этого буровой бригаде нужно поднять бурильную колонну из скважины. Сначала скважину очищают путем циркуляции бурового раствора, который выносит на поверхность буровой шлам и газ. Затем рабочие буровой бригады отсоединяют ведущую бурильную трубу от бурильной колонны и закрепляют верхнюю секцию бурильной колонны в элеваторы буровой вышки — металлические зажимы для поднятия труб на высоту. Бурильщик контролирует работу лебедки, поднимающей эти элеваторы на вышку. Бурильную колонну извлекают из скважины по одной свече за раз. На большей части буровых установок свеча состоит из трех скрепленных вместе секций бурильных труб, на некото- 79 ОСНОВЫ БУРЕНИЯ рых установках можно извлекать только двухтрубные свечи, а на других — четырехтрубные, в зависимости от высоты вышки. Свечи откручивают от бурильной колонны и выставляют вертикально в ряд под руководством верхового рабочего. С последней свечой на поверхность поднимают буровое долото. Его вывинчивают из КНБК и определяют степень износа. К КНБК привинчивают новое буровое долото, и процесс повторяют в обратном порядке. Весь процесс целиком называется спускоподъемной операцией. Глубина установки обсадной колонны Для большинства скважин рано или поздно потребуется принятие мер по предотвращению разрушения пласта для продолжения бурения. Буровой раствор, закачиваемый в скважину для создания давления на стенки ствола скважины, эффективен лишь до определенного момента, после которого необходимо спустить стальную обсадную трубу и зацементировать ее в установленном положении для того, чтобы стабилизировать стенки скважины (рис. 2). Бурильщик производит очистку скважины путем циркуляции бурового раствора, и бурильная труба извлекается из забоя. В необсаженной секции забоя выполняется оценка методом каротажа приборами, спускаемыми на кабеле. После завершения каротажа бригада по установке обсадных труб спускает обсадную колонну на забой скважины. Обсадная колонна имеет диаметр меньший, чем долото, и спускается в скважину таким же порядком, каким устанавливаются соединения бурильной трубы. Центраторы, устанавливаемые через одинаковые интервалы вдоль обсадной колонны с ее внешней стороны, обеспечивают достаточный зазор между обсадной колонной и стенкой скважины для прохождения цемента при последующих операциях. Цементный раствор закачивается через центр обсадной колонны, выходит через ее нижнее отверстие и поднимается вверх по кольцевому затрубному пространству между обсадной колонной и стенками скважины. На цемент продолжает оказываться давление до его затвердевания. Испытания на герметичность Прочность цементирования и целостность пласта под обсадной колонной проверяют испытаниями на герметичность. Эти испытания выполняются немедленно после бурения изпод обсадной трубы для получения критически важной оценки предельных значений плотности бурового раствора, при которых можно безопасно продолжать бурение до следующей точки, требующей спуска обсадной колонны. После бурения через цемент башмака обсадной колонны примерно на 3—6 м (10—20 футов) в нетронутый пласт бурильщик производит очистку скважины путем циркуляции бурового раствора для того, чтобы подтвердить, что долото вскрыло новый пласт. Затем скважину закрывают, и буровая жидкость закачивается в ствол, постепенно увеличивая давление на пласт. В конечном итоге кривая давления покажет отклонение от прямолинейного роста, что будет означать либо нарушение герметичности, либо выход буровой жидкости в новый пласт. 80 Направляющая труба Ø36 дюймов Направляющая труба предотвращает обвал слоев грунта и рыхлых осадков. Долото Ø28 дюймов Обсадная труба Ø24½ дюйма Кондуктор защищает приповерхностные пресноводные горизонты, служит конструктивным основанием для противовыбросовых превенторов и поддерживает следующие по глубине обсадные колонны. Долото Ø17½ дюймов Долото Ø16 дюймов Промежуточные обсадные колонны изолируют пласты, которые могут обрушиться и привести к потере циркуляции. Долото Ø14¾ дюйма Обсадная труба Ø133⁄8дюйма Эксплуатационные обсадные трубы не допускают миграции углеводородов из продуктивных интервалов в другие пласты. Рис. 2. Профиль ствола скважины. — Для бурения ствола скважины применяют буровые долота и обсадные колонны последовательно уменьшающегося размера, что имеет результатом телескопический профиль скважины. Результаты испытания на герметичность определяют максимальное давление или плотность бурового раствора, допустимые в скважине при бурении до следующего спуска обсадной колонны. Максимальное рабочее давление обычно устанавливают немного ниже значения, полученного при испытании на герметичность, оставляя небольшой резерв безопасности. Весь цикл — бурение, спускоподъемные операции, крепление обсадными колоннами — продолжают до тех пор, пока скважина не достигнет общей проектной глубины. Развитие технологий В технологии бурения наблюдается тенденция развития от вертикальных к наклонно-направленным скважинам. Горизонтальные скважины стали обычным делом, в основном благодаря роторным управляемым системам. В усложняющихся условиях бурения на все более труднодоступные пласты развитие технологий геонавигации и методов каротажа в процессе бурения помогает бурильщикам менять траектории скважин, вскрывая несколько объектов и оставаясь при этом в границах интервала. Скважины можно бурить на депрессии или при регулируемом давлении так, чтобы избежать повреждения пласта. Теперь, вместо того, чтобы просто проходить скважины с максимально возможной скоростью, высококвалифицированные буровые бригады бурят стволы, выдерживающие нагрузки, обусловленные геологической средой и возникающие в ходе процесса эксплуатации, и получают скважины, которые безопасны во время каротажных работ, заканчивания и эксплуатации. Нефтегазовое обозрение
