книги / Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов. Буровые машины и механизмы

УДК 622.24 (075) Р 93

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Н.И. Крысин (ОАО «ПермНИПИнефть», г. Пермь); канд. техн. наук М.С. Озорнин

(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

ISBN 978-5-398-01960-5

Ч. I: Буровые машины и механизмы. – 223 с. ISBN 978-5-398-01961-2

Приведены чертежи конструкций и описан порядок работы оборудования, применяемого на нефтяных и газовых промыслах. В первой части учебного пособия рассмотрены функциональные схемы, классификация и состав машин, агрегатов, сооружений, используемых для бурения нефтяных и газовых скважин. Изложены сведения о конструкции буровых установок и их основных узлов, описаны технологические процессы, выполняемые при бурении нефтяных и газовых скважин. Приведены методологические основы расчета конструктивных и режимных параметров работы буровых установок и их отдельных агрегатов.

Предназначено для студентов технических вузов, обучающихся по направлению подготовки 15.03.02. «Технологические машины и оборудование», по профилю «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов», а также для инженернотехнических работников нефтегазодобывающих и буровых предприятий, научноисследовательских, проектных, экспертных и ремонтных организации.

4

1. СОВРЕМЕННАЯ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ, ГЛАВНЫЕ ЗАДАЧИ ЕЕ РАЗВИТИЯ

Нефть и газ превратились в главные источники энергетической мощи человеческого общества и в важнейший источник химического сырья. Обеспеченность государства нефтегазовым сырьем предопределяет уровень экономического развития страны и темпы технического прогресса.

В становлении и развитии нефтегазодобывающей промышленности можно проследить несколько этапов, каждый из которых отражает постоянное изменение соотношения, с одной стороны, масштабов потребления нефти и газа, а с другой – степени сложности их добычи.

На первом этапе возникновения нефтедобывающей промышленности из-за ограниченной потребности в нефти она добывалась из небольшого числа месторождений, разработка которых не представляла сложности: нефтесодержащие коллекторы располагались на очень малой глубине – иногда лишь в несколько десятков метров, а добываемая нефть, как правило, отличалась малой вязкостью, отсутствием агрессивных сред и воды. Основным способом подъема нефти на поверхность был самый простой – фонтанный. Предельно простыми были и технология сбора, хранения и транспортирования нефти. Соответственно примитивным было и оборудование, применявшееся для добычи нефти. На этом этапе газ не добывался, а попутный (нефтяной) газ не использовался.

На втором этапе потребность в нефти значительно увеличилась, а условия добычи усложнились, возникла необходимость в добыче нефти из коллекторов, расположенных на больших глубинах, измеряемых не десятками, а сотнями метров, из месторождений с более сложными геологическими условиями. Возникла задача обеспечения эффективного подъема нефти по скважине после окончания фонтанирования и целый ряд других задач, таких как обеспечение внутрипромыслового сбора, перекачки, сепарации, очистки, хранения, транспорта. Для решения данных задач были разработаны технологии подъема жидкости по скважине газлифтным и насосным способами, технологии сбора и сепарации нефти, а для осуществления этих технологий началось создание и внедрение совершенно новых видов техники – машин и оборудования для разработки нефтяных месторождений и добычи нефти. На этом же этапе началась утилизация нефтяного газа. Было создано и внедрено оборудование для эксплуатации скважин фонтанным способом, оборудование для газлифтной эксплуатации скважин с мощными компрессорными станциями, установки для эксплуатации скважин штанговыми и бесштанговыми насосами, оборудование для сбора, перекачки, разделения продукции скважин [9].

Появление и массовое внедрение двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в автомобильном транспорте, на судах, тепловозах, развитие авиации, освоение производства смазочных масел на нефтяной основе и, наконец, возникновение нефтехимии, превратившей нефть, а затем и газ из сырья для топлива, горючего и масел также и в сырье для химической промышленности, привели к новому этапу развития нефтегазодобывающей промышленности, связанному с резко возросшей потребностью в нефти во всем мире. Одновременно возникла быстрорастущая потребность в газе, что привело к формированию газодобывающей промышленности, в основном на базе газовых и газоконденсатных месторождений. Наряду с нефтью газ также стал превращаться в важнейший источник топлива и сырья для химической переработки. На этом этапе промышленно развитые страны начали развивать топливно-энергетические отрасли и химию за счет преимущественного развития нефтегазовой промышленности, что позволило значительно ускорить темпы технического прогресса.

5

Многократно возросшая потребность в нефти и газе привела на этом этапе к вовлечению в разработку глубокозалегающих нефтяных и газовых месторождений с нефтями высокой вязкости, с большим содержанием агрессивных сред, со значительным количеством воды в новых отдаленных регионах, часто с неблагоприятными условиями для работы и сложными геологическими условиями. Таким образом, данный этап характеризуется резким усложнением технологии добычи нефти и газа. В современных условиях для добычи нефти и газа в нужных количествах стало необходимым разрабатывать и внедрять принципиально новые технологические процессы, для чего создаются машины и оборудование, без которых эффективная разработка таких месторождений вообще невозможна. Были разработаны технологии форсированного отбора жидкости, эксплуатации глубоких скважин, более совершенного разделения добытой пластовой жидкости и газа, деэмульгирования, обессоливания, обезвоживания нефти и газа, а для интенсификации добычи и более полного извлечения запасов нефти – технологические процессы по обработке призабойных зон пласта и воздействию на пласты в целом. Были разработаны технологические процессы увеличения проницаемости пласта, снижения вязкости пластовой жидкости, поддержания и восстановления пластового давления.

Необходимость реализации новых технологий, получивших массовое применение, обусловила создание и столь же массовое внедрение большого числа типов и типоразмеров совершенно новых видов машин и оборудования, без которых осуществление этих технологий невозможно. Появились новые и резко усложнились созданные комплексы оборудования для эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Созданы и широко внедрены комплексы оборудования для поддержания пластового давления, воздействия на пласт, интенсификации добычи нефти и увеличения нефтеотдачи пластов.

Оснащение нефтяных и газовых промыслов большим числом разных машин и оборудования непосредственно для добычи нефти или газа, в свою очередь, привело к необходимости создания служб обеспечения работоспособности этих машин и оборудования, бесперебойности их функционирования, а следовательно, к необходимости снабжения и этих служб также соответствующими машинами и оборудованием. Были созданы и внедрены комплексы сложных машин, оборудования, инструментов для ремонта и обслуживания оборудования скважин и средств их эксплуатации. В результате современный нефтегазовый промысел превратился в объект, чрезвычайно насыщенный техникой, в объект автоматизированного управления и регулирования, позволяющий комплексно выполнять десятки сложных взаимосвязанных технологических процессов.

По количеству, сложности, разнообразию применяемых технологических процессов, машин и оборудования для их осуществления, по динамике их совершенствования и внедрению новых нефтегазодобывающая промышленность заняла ведущее место среди других отраслей современной промышленности. Непрерывное увеличение номенклатуры, количества машин и оборудования для добычи, их специфика привели к формированию новой отрасли промышленности – нефтегазового машиностроения. В сложившихся условиях эта отрасль имеет решающее значение, а от того, насколько она эффективна, полностью зависит функционирование нефтегазодобывающей промышленности.

Таковы особенности современного этапа развития нефтегазодобывающей промышленности, которая характеризуется также постепенной дифференциацией на ряд подотраслей, каждой из которых свойственна своя специфика как по организационной структуре, так и по используемой технике, и масштабы которых сопоставимы с некоторыми отраслями промышленности. К таким образовавшимся в последние годы подотраслям, кроме поисково-разведочных работ на нефть и газ и буровых работ, можно отнести эксплуатацию скважин, процессы подготовки пластовой

6

жидкости и газа, процессы текущего и капитального ремонта скважин, т.е. целую группу процессов, для выполнения которых применяется специальное оборудование, обычно называемое машинами и оборудованием для добычи нефти и газа.

Специфика, своеобразие этого вида современной техники обусловлены спецификой технологических процессов и операций, для выполнения которых она предназначена, процессов, как отмечалось, свойственных только нефтегазодобывающей промышленности.

Одновременно с созданием нефтегазодобывающей промышленности и нефтегазопромыслового машиностроения, обеспечивающего ее машинами и оборудованием для добычи нефти и газа, формировалась и наука в области их создания. В настоящее время она превратилась в самостоятельную область технических наук, от развития которой зависят дальнейшее повышение эффективности существующего комплекса машин и оборудования и создание новых технических средств добычи нефти и газа, а следовательно, и эффективности добычи нефти и газа.

Дальнейшее развитие нефтегазодобывающей промышленности связано с новым этапом, главной особенностью которого является необходимость вовлечения в разработку все большего числа мелких месторождений, месторождений со значительными глубинами скважин, месторождений с высоковязкими нефтями, с нефтями, насыщенными агрессивными средами, что связано со все большим освоением месторождений на Крайнем Севере. Для развития отрасли на этом этапе решающее значение приобретают резкое увеличение нефтегазоотдачи пластов и доразработка многочисленных истощенных и разрабатываемых в настоящее время месторождений.

Все вышеуказанное может быть осуществлено лишь при условии обеспечения нефтегазодобывающей промышленности машинами и оборудованием необходимой номенклатуры, с рациональными параметрами и техническими характеристиками, высоконадежных и в необходимом количестве. Особо важное значение приобретает повышение эффективности использования существующего парка машин и оборудования, изучению которых посвящено данное учебное пособие [9].

1.1. Цели и задачи бурения скважин

Целями бурения скважин на нефть и газ являются выявление, вскрытие, исследование и освоение продуктивных горизонтов – пластов проницаемых горных пород, содержащих различные флюиды: нефть, газ, воду, а также получение информации о параметрах пластов и свойствах пластового флюида. Кроме того, бурение скважин необходимо для выполнения вспомогательных работ при поиске, разведке и эксплуатации месторождений. По целевому назначению все скважины подразделяются на нижеследующие категории.

Сейсморазведочные скважины предназначены для расположения в них зарядов, при взрыве которых генерируются сейсмические волны. По результатам анализа отраженных пластами горных пород сейсмических волн геолого-разведочные организации определяют перспективные площади для дальнейшего проведения глубокого разведочного бурения.

Опорные скважины проектируются для изучения основных характеристик глубинного строения малоисследованных крупных регионов, определения общих закономерностей стратиграфического и территориального расположения отложений, благоприятных для нефтегазонакопления. В процессе и по окончании бурения в скважинах производится комплекс исследований, предусмотренных специальной инструкцией. По результатам опорного бурения даѐтся оценка прогнозных запасов нефти и газа.

Параметрические скважины закладываются для изучения глубинного строения и сравнительной оценки перспектив нефтегазоносности возможных зон нефтегазонакопления. В отличие от опорных для ускорения поисковых работ и

7

снижения их стоимости, не влияя на решение основных геологических задач, эти скважины бурятся с сокращѐнным отбором керна. В результате бурения параметрических скважин могут быть уточнены прогнозные запасы и выявлены запасы нефти и газа.

Поисковые скважины проектируются по данным параметрического бурения и геофизических работ для выяснения наличия или отсутствия залежей нефти и газа на новых площадях, выявления новых залежей на разрабатываемых месторождениях. При проводке скважины предусматриваются полный отбор керна в пределах возможно продуктивных горизонтов и на границах стратиграфических разделов, а также проведение комплекса промыслово-геофизических исследований и апробирование возможно продуктивных горизонтов.

Разведочные скважины бурятся на площадях после выявления при поисковом бурении их нефтегазоносности. На первой стадии (предварительная разведка) цель бурения таких скважин – оценка промышленного значения месторождений (залежей) и составление технико-экономических докладов (ТЭДов) об экономической целесообразности их разведки. Задача второй стадии (детальная разведка) после утверждения ТЭДов – подготовка запасов промышленных категорий (A+B+C1) и сбор исходных данных для составления проектов разработки месторождений (залежей). При бурении разведочных скважин предусматриваются отбор керна в пределах продуктивных горизонтов, проведение комплекса промыслово-геофизических исследований, в том числе отбор керна боковым грунтоносом и опробование горизонтов, включая пробную эксплуатацию. Продуктивные разведочные скважины на месторождениях, вводимых в разработку, передаются в фонд эксплуатационных. Эксплуатационные скважины бурятся в соответствии с проектами разработки нефтяных и газовых месторождений. В эту же категорию входят нагнетательные, оценочные, наблюдательные и пьезометрические скважины.

Эксплуатационные скважины предназначаются для извлечения нефти и газа из разрабатываемой залежи; нагнетательные скважины – для закачки в продуктивный пласт воды, газа или воздуха; оценочные – для оценки коллекторов продуктивных горизонтов; наблюдательные и пьезометрические скважины – для систематического наблюдения за изменениями давления, водонефтяного контакта в процессе эксплуатации залежи.

Специальные скважины предназначены для нагнетания жидкости и газа, сброса промысловых вод, ликвидации открытых фонтанов нефти и газа, подготовки структур для подземных газохранилищ и закачки в них газа, разведки и добычи технических вод.

Основные задачи бурения

Одной из важнейших задач, решаемых при бурении скважин на нефть и газ, являются вскрытие продуктивных пластов без нарушения их естественной проницаемости и последующее их разобщение колоннами обсадных труб с цементированием кольцевого пространства. Количество обсадных колонн, их диаметры, глубина спуска и высота подъема цементного раствора в кольцевом пространстве определяют конструкцию скважины. При бурении эксплуатационных нефтяных и газовых скважин решается задача безусловного обеспечения проводки направляющей части ствола от устья до определенной точки с заданными координатами, которая расположена в кровле или непосредственно в нефтегазосодержащем пласте и от которой начинается проводка завершающего эксплуатационного участка вкрест простирания пласта или горизонтального участка по простиранию пласта.

По траектории скважины подразделяются на вертикальные, наклонно направленные и горизонтальные. В процессе бурения ось скважины отклоняется от своего проектного направления, обусловленного проектной траекторией скважины.

8

Поэтому для обеспечения проводки скважины по проектной траектории осуществляются контроль искривления и оперативное управление проводкой.

Условия, задачи, методы их решения при проходке этих скважин существенно различаются. Например, при разведочном бурении проводится более значительный объем работ по исследованиям в стволе, в частности, отбор проб керна и испытания пластов.

Основные задачи технологического процесса проходки скважины можно сформулировать следующим образом:

1)сооружение ствола по заданной траектории с заданными параметрами конструкции скважины;

2)качественное вскрытие пласта с условием сохранения его естественной проницаемости;

3)получение информации о следующих параметрах скважины и полезного ископаемого:

а) характеристики горных пород разреза скважины: литология, физикомеханические свойства, зоны осложнений;

б) характеристики продуктивного пласта (коллектора): пористость, проницаемость,

устойчивость, интервал, мощность, пластовое давление, дебит; в) характеристики свойств пластового флюида: состав, вязкость; г) параметры траектории ствола скважины.

Исходя из поставленных целей и задач, устанавливаются критерии оценки качества результатов работы:

1)соответствие проектной и фактической траектории скважины, а также допустимого радиуса круга отклонения;

2)качество вскрытия пласта:

а) степень нарушения первоначального состояния пород коллектора (снижение проницаемости пород и , как следствие, снижение дебита);

б) степень использования вскрытой стволом скважины мощности пласта; в) надежность изоляции и разобщения пластов; г) объем и достоверность первичных данных о свойствах пласта.

Таким образом, результатом (продуктом) процесса строительства скважины является либо оборудованный ствол скважины, либо информация о параметрах полезного ископаемого. Возможность получения положительных результатов в значительной степени зависит от условий строительства скважины.

Конструкция скважин

Конструкция скважины формируется в процессе бурения и крепления ствола скважины колонной обсадных труб с последующим их цементированием. Конструкция скважины обеспечивает:

–закрепление стенок скважины в интервалах неустойчивых пород;

–изоляцию зон катастрофического поглощения аномально высоких пластовых давлений (АВПД);

–изоляцию зон возможных перетоков пластовой жидкости по стволу;

–разделение интервалов, где требуется применение промывочной жидкости с различной плотностью (несовместимые условия);

–разобщение продуктивных горизонтов;

–образование надежного канала для эксплуатации продуктивного горизонта;

–создание надежного основания для установки устьевого оборудования. Типовая конструкция скважин на нефть и газ состоит из следующих колонн

обсадных труб: направление (3–10 м), кондуктор (100–600 м), промежуточные колонны (глубина спуска определяется условиями залегания горных пород и назначением каждой промежуточной колонны), эксплуатационная колонна. Номинальным размером

9

обсадных труб является наружный диаметр, который согласно ГОСТ 632 имеет 19 размеров: от 114 до 508 мм.

Выбор той или иной конструкции скважины зависит:

–от диаметра эксплуатационной колонны: для очень глубоких скважин ее диаметры 114 и 127 мм; для скважин средней глубины – 140, 146, 168 мм; для высокодебитных скважин – 219 мм;

–характеристики геологического разреза: распределения по глубине скважины различных отложений, величин пластовых (поровых) давлений, наличия в разрезе поглощающих или проявляющих пластов и неустойчивых пород, распределения температуры пород по глубинам и другим показателям, определяющим глубину спуска промежуточных колонн и кондуктора;

–уровня развития технологии бурения в данном районе, определяющей максимальный выход открытого ствола скважины из-под башмака предыдущей обсадной колонны.

Конструкция скважины разрабатывается на базе проектного геологического разреза, который содержит исчерпывающую информацию по стратиграфии, литологии, глубине залегания продуктивных пластов и пластовому давлениию.

Ниже приводится наиболее характерная конструкция скважин на месторождениях Западной Сибири.

Кондуктор (d = 245 мм) спускается на глубину 500 м для добывающих скважин и 700 м – для нагнетательных. Цементируется до устья.

Эксплуатационная колонна (d = 139,7; 146 или 168 мм) спускается на глубину на 50 м ниже проектного горизонта. Цементируется на 100 м выше башмака кондуктора или до устья. Эксплуатационная колонна окончательно образует ствол скважины.

Глубина цементного стакана, остающегося в скважине после цементирования колонны, является искусственным забоем. В процессе эксплуатации скважины забой может быть засорѐн осадком, аварийным оборудованием и т.п. В этом случае верхняя точка является текущим забоем скважины.

Верхняя часть обсадных труб заканчивается колонной головкой. Она предназначена для крепления и обвязки обсадных колонн с целью герметизации межтрубного пространства, контроля и управления межтрубными проявлениями и служит основанием для устьевого оборудования.

1.2. Процессы бурения и основное оборудование

Функциональные схемы процессов бурения скважин имеют ряд существенных различий, которые определяются назначением скважины (целевой функцией бурения) и принятым способом бурения. Если при разведочных работах целевой функцией бурения является получение образца горной породы и пластового флюида, а также установление параметров пласта и выбор эффективного способа повышения его продуктивности, то для эксплуатационного бурения – сооружение ствола и обеспечение эффективного вскрытия продуктивного пласта.

Выполнение каждой функции осуществляется либо одним специальным органом, либо группой органов, которые в совокупности составляют оборудование для строительства скважины, в состав которого входит и буровая установка.

В машиностроении все существующее оборудование принято классифицировать по следующим признакам, определяющим ступени классификации:

A. Выполняемая функция, определяющая как назначение машины (комплекса машин, узла, механизма и т.д.) с позиций типа скважины и условий бурения, так и способ выполнения функции. Например, буровая установка, предназначенная для бурения эксплуатационных скважин на нефть и газ на суше (назначение) вращательным способом (способ бурения).

10