Конструкция скважины на нефть и газ (схема)

Для эффективной разведки или разработки нефтяных месторождений используют различные технические решения, неотъемлемой частью которых является нефтяная скважина.

Она представляет собой цилиндрический ствол, пробуренный в пластах земляных и горных пород, который не предоставляет прямого доступа для человека внутрь неё.

Основным её назначением является обеспечение доступа к нефтяному слою, удалению остатков горных пород и подачи нефти в хранилища.

Нефтяная скважина для добычи нефти в диаметре может составлять от 75 до 400 мм. Всё зависит от конкретных условий бурения, от типа залегающих на глубине пород, а также от размеров нефтеносного слоя. То есть больший диаметр позволяет вести выкачку нефти из недр земли с большей скоростью.

  1. Производится заглубление ствола скважины путём разрушения пород при помощи буровой установки.
  2. Удаление разрушенных частей породы из скважины на поверхность земли.
  3. Во время погружения нефтяная скважина укрепляется специальными обсадными колоннами.
  4. Изучение размеров нефтяного слоя путём геологических и геофизических исследований.
  5. Спуск завершающей колонны на рабочую глубину, с которой и предполагается эксплуатировать скважину.

На начальном этапе пробуривают ствол с небольшой глубиной до 30 метров и диаметром до 40 см. Затем на его дно опускают трубу, которая будет задавать направление для бурения. Стенки между трубой и грунтом цементируют.

Затем заглубляют скважину примерно на уровень 500-800 м с меньшим диаметром. Этот участок называют кондуктором, так как он предназначен для изоляции неустойчивых и рыхлых слоёв грунта при бурении.

Внешние стенки труб также подвергают цементированию, чтобы трубы были защищены от возможных смещений пластов.

Затем процедура бурения существенно усложняется и не во всех случаях удаётся достичь проектной глубины предполагаемого нефтеносного слоя.

В таких ситуациях монтируют промежуточную колонну, которую также цементируют по наружной поверхности.

После того, как был достигнут необходимый уровень устанавливают эксплуатационную колонну. Она предназначена для добычи нефти и газа, а также для подачи воды с целью создания необходимого давления.

Кроме того, в ней применяется специальная дополнительная оснастка: пакеры, центратор, обратный клапан, обсадные кольца и т. д.

При бурении в скважину необходимо опускать колонны, для закрепления горных пород, окружающих ствол. Делают это последовательно отдельными секциями. При сложных бурениях осуществляют многоколонные выработки.

Это существенно усложняет техпроцесс и следствием этого является существенный износ обсадных труб и буровых. Чтобы снизить влияние фактора износа применяют защитные кольца, выполненные в виде металлического каркаса с двумя резиновыми оболочками, закреплёнными на стальные штыри.

Их устанавливают над ротором буровой при выполнении операций спуска или подъёма.

Разделяют горные пласты при помощи цементирования специальными растворами. Поскольку требуется обеспечить не только высокую прочность, а и работу в сложных условиях, то при их замешивании добавляют ингибиторы и реагенты.

Они являются ключевыми в конструкции нефтяной скважины, так как служат для закрепления колонн и предотвращении его деформации при смещениях плотных пород.

Процесс разработки нефтяных скважин заключается в проведении ряда комплексных мер и работ по осуществлению наиболее эффективной добычи нефти их пласта.

Перед вводом в эксплуатацию скважины проводится ряд разведывательных работ, на основе которых создаётся специальная проектная документация, которая определяет технические параметры бурения и размеры забоя.

Скважины при разработке над местом разведки и добычи располагают в виде сетки. В неё входят не только добывающие скважины, а и нагнетающие. В зависимости от особенностей пласта сетку располагают в равномерном или неравномерном порядке. Если нефтяной слой достаточно толстый, то сетку располагают наиболее плотным упорядоченным способом, с целью увеличения скорости добычи.

Нефтяная скважина разрабатывается в такой последовательности:

  1. Освоение объекта. Этап характеризуется интенсивной добычей нефти с минимальной обводнённостью, значительным снижением давления в пласте, увеличением количества скважин и величиной коэффициента нефтеотдачи в пределах 10%. Сроки завершения освоения могут составлять до 5 лет. Условием завершения принимается снижение добычи за год относительно общих балансовых запасов.
  2. Обеспечение стабильно высокого уровня добычи в пределах 3-17% в зависимости от вязкости нефти. Длительность разработки может составлять от 1 до 7 лет. Число скважин при этом также увеличивается за счёт использования резервов, однако происходит и частичное закрытие старых. Это связано с тем, что нефть становится более обводнённой вплоть до 65%. Текущий коэффициент нефтеотдачи составляет 30-50%. Добыча на некоторых скважинах выполняется механическим способом, то есть принудительной откачкой мощными насосами.
  3. Снижение добычи. Коэффициент нефтеотдачи снижается до 10% в год, а темпы отбора сокращаются до 1%. Все скважины переводятся на механизированный способ добычи. Количество резервных скважин значительно сокращается. Обводнение достигает значений в 85%. Данный этап является самым сложным, так как необходимо замедление скорости откачки нефти. Определить разницу между предыдущим этапом и текущим достаточно затруднительно, так как изменения среднегодового коэффициента добычи минимальны. За 3 периода нефтеносный слой вырабатывается до 90% от общего объёма.
  4. Завершающая стадия. Отбор нефти сокращается до 1%, а уровень обводнённости становится максимальным (от 98%). Прекращается разработка нефтяных скважин и они закрываются. Но длительность данного этапа может составлять до 20 лет и ограничивается только рентабельностью проекта.
Предлагаем ознакомиться  Как проверить жемчуг в домашних условиях

Конструкция скважины это совокупность информации о количестве и диаметре обсадных колонн, диаметрах буровых долот и интервалах цементирования по интервалам бурения.

Особенности применения оборудования крепления скважин

Элементы, входящие в понятие конструкции скважины:

  • -обсадные колонны
  • -интервалы бурения
  • -интервалы цементирования
  • -устье, стенки и забой скважины
  • -продуктивный горизонт и зона перфорации 

Обсадные колонны:

  • Направление
  • Кондуктор
  • Техническая/промежуточная колонна
  • Эксплуатационная колонна
  • Профильный перекрыватель/Летучка
  • Хвостовик

Направляющая колонна (направление) — первая обсадная колонна (длиной от 5 до 300 м), которую опускают в верхнюю (направляющую) часть ствола, чтобы изолировать верхний наносный слой почвы и отвести восходящий поток бурового агента из ствола скважины в очистную систему, цементируется по всей длине

Схема нефтяной скважины рисунок (разрез нефтяной скважины)

Кондукторная колонна (кондуктор) — вторая обсадная колонна, спускаемая в ствол буровой скважины, предназначеная для перекрытия верхних неустойчивых отложений, водоносных и поглощающих пластов, зон многолетнемёрзлых пород и т.п. На неё устанавливают противовыбросовое оборудование; кольцевое пространство за колонной обычно цементируют по всей длине.

Промежуточную обсадную колонну спускают в случае необходимости после кондукторной для крепления неустойчивых пород, разобщения зон осложнений, зон несовместимых по условиям бурения и водоносных горизонтов. 

Глубину спуска промежуточных и кондукторных колонн рассчитывают с учётом предотвращения гидроразрыва пластов, устойчивости стенки ствола буровых скважин, разделения зон применения различных буровых агентов, а также с учетом наличия в разрезе зон осложнений.

Эксплуатационная колонна — последняя колонна обсадных труб, которой крепят скважину для разобщения продуктивных горизонтов от остальных пород и извлечения из скважины нефти или газа или, наоборот, для нагнетания в пласты жидкости или газа. Иногда в качестве эксплуатационной колонны может быть использована (частично или полностью) последняя промежуточная колонна. Цементируется полностью, либо в «нахлест» с предыдущей обсадной колонной.

Профильный перекрыватель (летучка) — специальные промежуточные обсадные колонны, служащие только для перекрытия интервала осложнений и не имеющие связи с предыдущими или последующими обсадными колоннами. Обычно они являются не извлекаемыми.

конструкция скважины это

Существует исполнение извлекаемых профильных перекрывателей, при использовании которых идет развальцовывание лишь верхней и нижней цилиндрических частей, а извлечение с помощью специального инструмента.

Данные обсадные колонны могут иметь в поперечном сечении либо цилиндрическое, либо лепестковое исполнение. Обычно производится предварительное расширение интервала, в который будет установлен перекрыватель.

Затем сам перекрыватель спускается на колонне бурильных труб, в которые после этого сбрасывается шарик, перекрывающий отверстие в башмаке перекрывателя. С помощью цементировочного агрегата производится его «впрессовка» в стенки скважины, а после извлечения бурильных труб – развальцовывание специальным инструментом.

Хвостовик – обсадная колонна потайного типа, которая устанавливается в специальной системе подвески в предыдущей обсадной колонне («внахлёст» на 20-50 м). Хвостовик может как цементироваться, так и не цементироваться, что обусловлено в первую очередь прочностью пород разрабатываемого пласта-коллектора.

Интервал бурения – это часть траектории скважины, сооруженная с помощью долота одного диаметра и преимущественно с применением одной запроектированной технологии бурения.

Интервал цементирования – это интервал, в котором цементируется конкретная обсадная колонна.

Обсадные колонны могут цементироваться до устья (в основном, направление и кондуктор) и «внахлест» с предыдущей (обычно, технические и эксплуатационные).

Крепление скважин трубами

Крепление скважин является одним из наиболее важных процессов во время нефтедобычи, поскольку оно влияет на:

  1. Работоспособность скважины;
  2. Сроки работы скважины;
  3. Прочность и герметичность канала, по которому будет поступать добываемый продукт от горизонта к дневной поверхности;
  4. Защиту эксплуатационного канала от коррозии;
  5. Прочность стенок скважины в местах, где породы недостаточно устойчивые;
  6. Герметичность разделения всех проницаемых горизонтов друг от друга.

Крепление нефтяных скважин предполагает использование специальных колонн или же пакеров. Использование колонн является наиболее популярным способом, который позволяет сделать скважину прочной, долговечной, а также разобщить проницаемые горизонты. Такие колонны составляются из специальных труб, называемых обсадными.

Обсадные трубы – это специальные трубы, изготавливаемые в промышленности с четкой целью ее применения, которая заключается в предотвращении обвалов недостаточно устойчивых пород в стенках разных скважин.

Предлагаем ознакомиться  Искусственная разновидность корунда

Итак, для того, чтобы закрепить скважину с помощью колонн, в скважину погружаются обсадные трубы, после чего цементируется затрубное пространство.

Благодаря наличию в скважине обсадных труб, скважина полностью защищена от сложных напряжений, а именно:

  1. Внешнего давления, которое образуют горные породы;
  2. Внутреннего давления, возникающего в результате течения по трубам рабочих агентов;
  3. Продольного растяжения;
  4. Изгиба, который может возникнуть под собственным весом;
  5. Температурного удлинения, вероятность появления которого в некоторых случаях очень высока.

Все это испытывают именно трубы, тем самым, защищая скважину и обеспечивая ее целостность.

В настоящее время существует множество видов обсадных труб, которые отличаются между собой материалом изготовления, диаметром, длиной, способом соединения и т.д. Такое количество труб обусловлено их применением разных скважинах, с определенными целями эксплуатации. Однако, для нефтяных скважин необходимы очень прочные и долговечные трубы.

Перед тем, как обсадные трубы будут погружены внутрь скважины, с применением каверномера устанавливается внутренний диаметр скважины, а также производится расчет объема цементного раствора, необходимого для цементации затрубного пространства.

Этот процесс является обязательным, так как именно благодаря качеству цементного раствора и его заливки будет определен успех в добыче полезного ископаемого. Ведь цементный раствор не только обеспечивает полную герметичность скважины, но и является отличной защитой труб от воздействия на них агрессивных сред, таких как соляные растворы и подземные воды.

Особенности применения оборудования крепления скважин

Когда процесс крепления скважины трубами полностью завершен, скважину оставляют «отдохнуть» на время от 16 до 24 часов. Это делается для того, чтобы цемент полностью застыл. Однако, скоростью застывания раствора можно управлять, применяя различные химические вещества. Так, время застывания можно либо увеличить, либо уменьшить.

Также очень важным моментом является тот факт, что во время приготовления цементного раствора для крепления скважин трубами не используется пресная вода. Это связано с тем, что цемент на пресной воде не обеспечивает надлежащей герметизации скважины в силу образования рыхлого пограничного слоя. Причиной образования такого слоя является взаимодействие избытка пресной воды в растворе с породами. Гораздо более высокое качество взаимодействия цемента с глиной, например, обеспечивается насыщенным водным раствором соли.

Во время крепления ствола скважины с помощью труб, используется достаточно концентрированный раствор поваренной соли с целью промывки скважин перед цементацией, а также во время продавки цемента. В последнем случае, для правильного распределения цемента в затрубном пространстве, скорость подаваемого насыщенного раствора соли должна составлять минимум 1,2 м/сек.

Крепление ствола скважины считается завершенным только после испытания скважины, которое предполагает проведение двух этапов.

Проведение первого этапа осуществляется сразу после застывания цементного раствора. Если скважина не глубокая, то испытание колонны происходит под давлением в 2-3 раза большем, чем давление, которое имеет рабочий агент непосредственно во время разработки. Проверка на прочность глубоких скважин осуществляется при давлении 600-1000 МПа.

Второй этап испытания нефтяных скважин в трубе и под колонной обсадных труб после того, как цементный башмак разбурен. В данном случае для испытания оптимальным давлением является такое, которое равно двойному давлению рабочего агента.  

Конструкция скважины: как устроена и из чего состоит

Проведение всех нужных испытаний позволяет вовремя определить наличие или отсутствие повреждений и всяческих неисправностей, которые бы могли навредить скважине, и вовремя их ликвидировать.

Таким образом, скважина, образованная с учетом всех тонкостей, является долговечным и прочным инструментом для добычи нефти.

Из чего состоит скважина

Примерно 97% запасов пресной воды находится под землей. Для извлечения воды из-под земли люди бурят скважины и копают колодцы. Эту воду используют в домашнем хозяйстве, в сельском хозяйстве, в промышленных целях, для обеспечения питьевой водой поселков и городов.

Некоторые скважины дают горячую, или геотермальную, воду. Но чаще люди пользуются «холодными» скважинами. Кроме того, скважины бурят в научных и исследовательских целях, чтобы изучить качество и объемы воды, находящейся под землей.

Предлагаем ознакомиться  Обсадная колонна скважины диаметры

Такие скважины называются дозиметрическими колодцами или наблюдательными скважинами.

Верхняя часть скважины обычно называется устьем. Внешний вид устья скважины зависит от того, для чего она предназначена, когда и как ее бурили, какие материалы использовали при ее сооружении. Так, например, скважину с большим диаметром называют колодцем. Колодец может быть деревянным, обложенным камнем и т.п.

Обычные скважины – это, как правило, трубы от 5 до 25 см в диаметре, выступающие над уровнем земли не больше, чем на 60 см. В холодном климате над устьем скважины часто делают надстройку (домик или сарай), чтобы защитить скважину от замерзания. Если скважина находится поблизости от дороги, ее размещают в подвале или сооружают ее под сводом.

В таком подвале пол и стены цементируют, добавляют дренажную систему и железную крышу.

Типичные компоненты скважины: изолирующая прокладка, колонна обсадных труб, уплотнение затрубного пространства, скважинный фильтр и насос.

Изолирующая прокладка располагается в верхней части скважины, это своеобразная крышка, защищающая скважину от попадания в нее насекомых, мелких животных, грязи и пыли. В этой крышке обычно есть входное отверстие, предназначенное для проведения замеров уровня воды. Кроме того, в ней может быть фильтр-отверстие для выравнивания давления в скважине при поднятии уровня воды.

Особенности применения оборудования крепления скважин

Обсадные трубы выполняют несколько очень важных функций. Во-первых, это трубопровод, не дающий стенкам скважины осыпаться в условиях рыхлых, неплотных грунтов. Во-вторых, это своеобразная опора для насосного механизма.

В-третьих, обсадная колонна является неотъемлемой частью уплотнения затрубного пространства, предназначенного для предотвращения попадания поверхностных и неглубоко залегающих грунтовых вод в скважину и, соответственно, в глубинные воды.

В случае с твердыми, плотными формациями (базальтовыми или сланцевыми) обсадные трубы устанавливают только в верхней части скважины.

Но даже при самых лучших условиях 5,5 метров – это минимальная длина обсадной колонны.

Уплотнение затрубного пространства является непроницаемой преградой, обычно из цемента или глины, расположенной между трубами обсадной колонны и окружающим их грунтом. Оно не дает поверхностным и некачественным грунтовым водам попасть в скважину или в глубинные воды.

В противном случае ресурсы верхнего водоносного пласта может иссякнуть или загрязнить нижний.

Скважинные фильтры отфильтровывают песок и гальку при поступлении потока воды в скважину. Фильтры могут быть различными: от высокотехнологичных, длиной больше 15 метров, до самых простых – несколько отверстий внизу обсадной колонны. Вид используемого фильтра зависит от типа геологической формации и предназначения скважины. Но скважинный фильтр требуется не всегда.

Иногда вода из скважины поступает на поверхность земли под артезианским давлением. Однако для большинства скважин требуются насосные механизмы для забора воды. Как правило, используются центробежные насосы, поднимающие воду за счет вращения лопаточного колеса в корпусе насоса.

Для глубинных скважин применяют турбинные насосы, при этом мотор насоса располагается на поверхности земли.

Процесс сооружения скважины путём разрушения горных пород называется бурением. Скважиной называют горную выработку круглого сечения, сооружаемую без доступа в неё людей, у которой длина во много раз больше диаметра.

Рис. 3.1. Основные элементы скважины

Верхняя часть скважины, расположенная на земле, называется устьем. дно скважины забоем. боковая поверхность стенкой, а пространство, ограниченное стенкой, стволом скважины (рис. 3.1).

Длина скважины – это расстояние от устья до забоя по оси ствола, а глубина – проекция длины на вертикальную ось.

Крепление ствола скважины осуществляется при помощи колонн обсадных труб разного диаметра, концентрически расположенных одна в другой (рис. 3.2).

Так как устье скважины обычно лежит в зоне легкоразмываемых пород, его необходимо укреплять. Для этого сначала бурят шурф – колодец длиной 4…8 м до глубины залегания устойчивых горных пород. В колодец устанавливают трубу, а пространство между трубой и стенкой породы заполняют бутовым камнем и заливают цементным раствором. Этот участок называется направлением .