Геннадий Блинов - Покорители земных недр
Так что нефтяная буровая — это по существу небольшое промышленное предприятие, месяцами и годами работающее в одном и том же месте, «на одной точке» — как говорят геологи.
Как осуществляется нефтяное бурение? На полую трубу небольшого диаметра (называемую направляющей или ведущей) навинчивают долото с запрессованными в нем твердыми сплавами либо алмазами, трубу закрепляют в роторе станка и начинают вращать. Для передачи нагрузки на долото ротор-вращатель снабжен специальной системой.
Рис. 19. Промывочная система при бурении скважины. 1—насос; 2 — бурильная колонна; 3 — долото; 4 — емкость для промывочной жидкости.
Одной из самых существенных составляющих процесса бурения является промывочная жидкость — вода либо глинистый раствор. Вода при вращательном бурении (так же как воздух при пневматическом) служит универсальным совместителем и выполняет несколько функций одновременно: вода охлаждает буровое долото, которое при таких скоростях и давлениях вполне может расплавиться от трения; вода выносит на поверхность разрушенную породу — шлам, а при достижении нефтяной залежи вода своей массой нейтрализует огромное внутри-пластовое давление, т. е. усмиряет рвущуюся из недр «нечистую силу» (вспомните апшеронский выброс, о котором мы говорили чуть раньше).
Промывочная жидкость при бурении подается внутрь бурильных труб, опускается по ним до забоя, омывает там буровое долото, забирает шлам и вместе с ним поднимается на земную поверхность (рис. 19). На поверхности раствор проходит через систему сит и отстойников, очищается в них от шлама, затем насыщается до нужной концентрации глиной и другими реагентами и снова насосами закачивается внутрь скважины. В итоге получается замкнутая циркуляционная система (очень напоминающая кровеносную), которая обеспечивает жизнеспособность скважины.
И вообще, буровой агрегат в целом подобен живому организму: двигатель станка с ротором — его сердце, гидравлическая система — мышцы, промывочная жидкость — кровь, колонна бурильных труб — своеобразная очень длинная рука. А буровое долото? Ну, это универсальное сверло в руках мощного и умного организма.
Поскольку горные породы по своим физико-механическим свойствам однообразием отнюдь не отличаются, то, естественно, и породоразрушающий инструмент (буровые наконечники) имеет великое множество самых разнообразных модификаций, различающихся по форме, размерам, оснащенности. Мягкие породы (такие как вязкие глины, пески, лёссы) разбуриваются лопатками и шнеками, напоминающими наконечник ручного ледобура; более твердые (сланцы, известняки, доломиты) — стальными пиками с запрессованными в них твердыми сплавами; самые твердые (граниты, габбро-диабазы, кварциты) — коническими шарошками либо долотами, в торце которых находятся те же твердые сплавы или матрица с техническими алмазами (рис. 20). В середине наконечника любого типа обязательно есть сквозное отверстие для прохода промывочной жидкости.
Наибольшим распространением при бескерновом бурении пользуется долото, снабженное несколькими (от двух до шести) вращающимися конусами — шарошками, поверхность которых усеяна закругленными сверху штырями твердых сплавов. Вершины конусов направлены внутрь — к продольной оси бурового снаряда (рис. 21). При бурении долото вращается с частотой до 800–900 оборотов в минуту, еще быстрее крутятся его шарошки (кстати, буровики в обиходе этим ласковым словом называют все шарошечное долото, а не только его конусы); в результате сферические твердые сплавы с силой истирают забой. На долото, а вместе с ним на шарошки передается сверху такая огромная нагрузка (десятки тонн), что устоять против такого натиска не может никакая самая твердая порода.
Рис. 20. Алмазное долото. 1 — корпус; 2—матрица с техническими алмазами.
При забуривании скважины первое долото имеет очень внушительные размеры: диаметр его около полуметра, а иногда и поболее того. Приходится учитывать, что в процессе бурения потребуется не раз и не два закреплять стенки скважины трубами для перекрытия встречаемых на различной глубине неустойчивых пород и при различных геологических осложнениях. Каждое же очередное крепление неминуемо должно сопровождаться уменьшением диаметра долота, в противном случае долото просто не пройдет сквозь обсадные трубы и не сможет отбуривать нижележащие породы. Так что любая нефтяная скважина в разрезе телескопична, и чем больше начальный диаметр бурения, тем длиннее можно составить телескоп из труб и тем больше шансов, что скважина (при любых неожиданностях и осложнениях) выполнит стоящую перед ней задачу. Вот зачем нужен большой диаметр при забуривании.
Рис. 21. Шарошечное долото. 1—корпус; 2 — шарошки с твердосплавными штырями.
Однако всему есть предел. И так уж полуметровое зубастое долото трудно даже представить себе, впрочем, работать с ним еще труднее, поднимать его приходится многотонной лебедкой, а привинчивать к буровому снаряду — с помощью другого, не менее мощного механизма. И таким вот долотом производится углубка скважины примерно до 100–200 м, во всяком случае, до тех пор, пока не будут пройдены приповерхностные, самые рыхлые и обводненные отложения (так называемые «наносы»). В пробуренное отверстие опускается первая колонна толстостенных обсадных труб диаметром около 400 мм (16 дюймов). Нижний конец этой колонны «приваривается» к монолитным породам скального основания.
Далее диаметр скважины уменьшается до 394 мм. Долото такого диаметра свободно проходит через поставленные выше обсадные трубы и пробуривает породы уже до глубины порядка 1000 м, после чего в скважину опускается вторая колонна обсадных труб, внутренний диаметр которых не превышает 300 мм. Соответственно уменьшается диаметр долота для последующего бурения. Ну и так далее. К концу бурения скважины диаметр ее уменьшается до 150–200 мм, а в пробуренном стволе стоят четыре-пять колонн обсадных труб, верхние торцы которых выходят на земную поверхность.
Начиная со второго диаметра (394 мм) скважина, как правило, проходится турбобуром. Турбобур представляет собой турбину, лопасти которой приводятся в действие промывочной жидкостью, подаваемой в скважину под большим давлением. Вместе с турбиной вращается и соединенное с ней буровое долото. Таким образом, на глубине вода (подобно воздуху при пневматическом бурении) становится основной движущей силой самого процесса бурения, выполняя и прочие свои обязанности: охлаждение инструмента, очистку скважины от шлама и т. д.
Турбинный способ бурения экономичен и эффективен по всем показателям. При обычном же бурении для вращения ротора, а вместе с ним и всей колонны бурильных труб требуются значительные затраты энергии, причем затраты эти по мере углубления скважины неуклонно возрастают. Добавим, что с глубиной увеличиваются скручивающие усилия на трубы, повышается их износ и уменьшается жесткость всей системы. Поэтому роторное бурение обычно применяется до сравнительно небольшой глубины.
При турбинном способе ротор неподвижен (!) — вращается только то, что и должно вращаться, а именно буровое долото. А бурильные трубы? Они тоже неподвижны и служат лишь для доставки породоразрушающего инструмента на забой, для передачи на него необходимой нагрузки, и по совместительству выполняют обязанности водопровода. Все просто и надежно.
Почему же не применить турбинный способ на малых глубинах, скажем, сразу при забуривании? Дело в следующем: вода на турбину подается в таком количестве и под таким давлением, что при малой глубине скважины вода будет фонтанировать, и работать на буровой вышке придется под проливным глинистым дождем. На достаточной же глубине фонтанирующая энергия гасится столбом жидкости, которую просто так уже не вытолкнуть на поверхность.
Мы говорим: «вода охлаждает», «вода выносит», «вода вращает», однако чистая вода в качестве промывочной жидкости при нефтяном бурении практически не применяется. Только растворы. Чаще всего глинистые либо глинистые с полимерами. Такие растворы лучше захватывают шлам, а следовательно, быстрее и качественнее очищают забой. Кроме того, глина постепенно оседает на стенках скважины, замазывает поры и трещины в породах, временно (до обсадки трубами) удерживая их от осыпания. Ну и наконец, главная задача глины в промывочном растворе — это повышение его плотности. Зачем?
Скважина отбуривается на нефть, и мы ожидаем (и не просто ожидаем, а очень хотим) встретить залежь. Чем крупнее, тем лучше. Так вот, на глубине, скажем, 3000 м внутрипластовое давление в залежи будет составлять примерно 330 кгс/см2. Компенсировать такое давление можно лишь достаточно плотным раствором, например глинистым с плотностью 1,2 г/см3. Менее плотный раствор давление выбьет из скважины, как пробку из шампанского. Чем выше плотность раствора, тем надежнее закупорка скважины и тем больше есть времени для почетной встречи нефти на поверхности. Именно поэтому с самого начала бурения, и особенно после 1000-метровой глубины, ведется непрерывный и очень тщательный контроль за параметрами промывочной жидкости. Расчеты, анализы, проверки-перепроверки.
