Как бурят скважину: процесс и персонал

Қысқаша негізгісі

При вращательном бурении долото прижимают к забою и вращают, а раствор, закачанный через бурильные трубы, выносит шлам по затрубному пространству и своим давлением удерживает пласты.
Буровая установка — это системы: подъёмная, вращательная, циркуляционная, силовая, противовыбросовая и система контроля параметров.
Скважину бурят интервалами и крепят обсадными колоннами с цементом. Каждая следующая колонна проходит внутри предыдущей, поэтому ствол сужается с глубиной, а конструкцию проектируют снизу вверх.
Цели скважины задают геологи и разработчики, конструкцию и технологию — инженеры по бурению. Бурит подрядчик на своей установке, специальные работы ведут сервисные компании, а за выполнением программы следит представитель заказчика.
Данные о пласте получают прямо в процессе строительства: шлам и газ в растворе, керн, каротаж, испытание пласта. По ним решают, заканчивать скважину или ликвидировать.

Негізгі қатынастар

V_a = \dfrac{\pi}{4}\sum_i \left(D_i^2 - d_i^2\right) L_i

объём затрубного пространства по участкам

t_{lag} = V_a / Q

время отставания: за сколько раствор поднимает шлам с забоя до устья

Жиі қателіктер

Путать русский «кондуктор» с английским conductor: conductor — это направление, а кондуктору соответствует surface casing.
Считать, что шлам на вибросите выбурен только что: он поднимался десятки минут, и долото за это время ушло глубже.
Считать программу бурения неизменной: её корректируют по фактическим давлениям, разрезу и осложнениям.
Считать, что пробуренная скважина с признаками нефти уже готова к добыче: нужны заканчивание, перфорация и освоение.

Сабақтан кейін сіз

объяснить, зачем бурят поисковые, разведочные и эксплуатационные скважины и какие данные о пласте получают во время строительства;
назвать системы буровой установки вращательного бурения и объяснить, как они работают вместе;
перечислить этапы строительства скважины — от направления до заканчивания — и объяснить, почему ствол сужается с глубиной;
различать роли заказчика, бурового подрядчика и сервисных компаний и основные типы буровых контрактов;
объяснить, чем геологическое задание отличается от программы бурения и что входит в каждое из них;
рассчитать объём затрубного пространства и время, за которое шлам с забоя поднимается на поверхность.

Скважина в жизни месторождения

Недра в большинстве стран принадлежат государству; в Казахстане по Конституции они принадлежат народу, а право собственности от его имени осуществляет государство. Компания получает право искать и добывать нефть и газ на участке по лицензии или контракту на недропользование. В этих документах, как правило, записаны и обязательства по работам: сколько выполнить сейсморазведки и сколько пробурить скважин за определённый срок. Затраты и риск поисков так велики, что компании часто объединяются в консорциумы. Тогда один из партнёров становится оператором (operator): он ведёт работы от имени всех, а остальные участвуют в затратах и добыче по своим долям. Войти в чужой проект можно и позже — например, взяв на себя часть затрат или бурение обязательной скважины (farm-in).

Жизнь месторождения делят на стадии, и на каждой скважины бурят с разными целями.

Поиски (exploration). По сейсморазведке и геологии района выделяют перспективную ловушку, оценивают шансы на успех и экономику возможного открытия (Нефтяная система и концепция плея). Но есть ли в ловушке нефть или газ, покажет только поисковая скважина (exploration well): она вскрывает разрез, даёт керн и каротаж, а при признаках нефти или газа пласт испытывают — получают приток и пробы флюидов и оценивают продуктивность.
Оценка и разведка (appraisal). Если открытие обещает окупиться, бурят разведочные (оценочные) скважины, чтобы определить размеры залежи по площади и разрезу, уточнить свойства пласта и запасы (Подсчёт запасов объёмным методом). По этим данным строят модель пласта и экономическую модель и выбирают способ разработки.
Разработка (development). Государство согласует проект разработки, и по нему бурят эксплуатационные скважины — добывающие и нагнетательные — и строят промысловые сооружения.
Добыча (production). Скважины и оборудование обслуживают и ремонтируют; по мере изучения залежи бурят дополнительные и уплотняющие скважины, зарезают боковые стволы.
Ликвидация (abandonment). Когда затраты на добычу превышают доходы, скважины ликвидируют, изолируя пласты цементными мостами, оборудование демонтируют и восстанавливают территорию.

Скважина — не только канал для добычи, но и главный источник прямых данных о недрах. Пока она строится, о пласте узнают сразу несколькими способами.

Какие данные даёт скважина во время строительства

Источник: Геолого-технологические исследования (ГТИ, mud logging)
Что даёт: описание выбуренной породы (шлама), газ и признаки нефти в растворе, параметры бурения
Когда: непрерывно во время бурения

Источник: Керн (core)
Что даёт: образец породы для лабораторных измерений пористости, проницаемости, насыщенности
Когда: в выбранных интервалах; бурят кольцевой бурильной головкой с колонковым снарядом

Источник: Каротаж, или геофизические исследования скважин (ГИС, well logging)
Что даёт: непрерывные кривые свойств пород по глубине: электрического сопротивления, плотности, естественной радиоактивности и других
Когда: после бурения интервала — приборами на кабеле, или во время бурения — приборами в компоновке

Источник: Испытание пласта на трубах (ИПТ, drill-stem test, DST)
Что даёт: приток, пластовое давление, пробы флюида, оценка продуктивности
Когда: после вскрытия перспективного пласта

Источник	Что даёт	Когда
Геолого-технологические исследования (ГТИ, mud logging)	описание выбуренной породы (шлама), газ и признаки нефти в растворе, параметры бурения	непрерывно во время бурения
Керн (core)	образец породы для лабораторных измерений пористости, проницаемости, насыщенности	в выбранных интервалах; бурят кольцевой бурильной головкой с колонковым снарядом
Каротаж, или геофизические исследования скважин (ГИС, well logging)	непрерывные кривые свойств пород по глубине: электрического сопротивления, плотности, естественной радиоактивности и других	после бурения интервала — приборами на кабеле, или во время бурения — приборами в компоновке
Испытание пласта на трубах (ИПТ, drill-stem test, DST)	приток, пластовое давление, пробы флюида, оценка продуктивности	после вскрытия перспективного пласта

Подробнее о каротаже — в уроке Каротаж в открытом стволе: зачем, как и когда, о среде, в которой работают каротажные приборы, — в уроке Скважина как среда измерений: зона проникновения и глинистая корка, об исследованиях притока — в уроке Гидродинамические исследования: цели и виды.

Кто строит скважину

Над скважиной работает много организаций, и у каждой своя зона ответственности. Заказчик — недропользователь или оператор (operating company) — ставит цели, оплачивает работы и отвечает за скважину перед государством. Само бурение он, как правило, поручает буровому подрядчику (drilling contractor): у подрядчика — буровая установка и бригады, он отвечает за исправность оборудования и подготовку людей. Работы, для которых нужны особые приборы и узкие специалисты, — буровые растворы, наклонно-направленное бурение и телеметрию, цементирование, каротаж, ГТИ, испытание пластов, поставку долот и аренду инструмента — выполняют сервисные компании (service companies).

Кто работает на буровой

Роль: Супервайзер по бурению (представитель заказчика, company man)
Чей сотрудник: заказчика
Чем занимается: отвечает перед заказчиком за ход работ: контролирует выполнение программы, согласует оперативные решения и снабжение, передаёт в офис суточные рапорты

Роль: Буровой мастер (toolpusher)
Чей сотрудник: подрядчика
Чем занимается: руководит буровыми бригадами и работой установки, согласует планы работ с супервайзером

Роль: Бурильщик (driller)
Чей сотрудник: подрядчика
Чем занимается: управляет лебёдкой, насосами и вращением колонны, следит за параметрами бурения и объёмом раствора; часто первым замечает признаки проявления

Роль: Помощники бурильщика и верховой рабочий (roughnecks, derrickman)
Чей сотрудник: подрядчика
Чем занимается: свинчивают и развинчивают трубы на буровой площадке; верховой при спуске и подъёме труб работает на полатях — рабочей площадке на вышке, — а во время бурения часто следит за насосами и раствором

Роль: Механики, электрики, крановщик, разнорабочие
Чей сотрудник: подрядчика
Чем занимается: обслуживают оборудование, перемещают грузы

Роль: Инженер по буровым растворам
Чей сотрудник: сервисной компании
Чем занимается: готовит раствор, несколько раз в сутки измеряет его свойства и назначает обработку (Буровые растворы: функции и свойства)

Роль: Инженеры по наклонно-направленному бурению и телеметрии, операторы станции ГТИ, цементировщики, каротажники
Чей сотрудник: сервисных компаний
Чем занимается: одни работают на буровой весь срок строительства скважины, другие приезжают на отдельные операции

Роль	Чей сотрудник	Чем занимается
Супервайзер по бурению (представитель заказчика, company man)	заказчика	отвечает перед заказчиком за ход работ: контролирует выполнение программы, согласует оперативные решения и снабжение, передаёт в офис суточные рапорты
Буровой мастер (toolpusher)	подрядчика	руководит буровыми бригадами и работой установки, согласует планы работ с супервайзером
Бурильщик (driller)	подрядчика	управляет лебёдкой, насосами и вращением колонны, следит за параметрами бурения и объёмом раствора; часто первым замечает признаки проявления
Помощники бурильщика и верховой рабочий (roughnecks, derrickman)	подрядчика	свинчивают и развинчивают трубы на буровой площадке; верховой при спуске и подъёме труб работает на полатях — рабочей площадке на вышке, — а во время бурения часто следит за насосами и раствором
Механики, электрики, крановщик, разнорабочие	подрядчика	обслуживают оборудование, перемещают грузы
Инженер по буровым растворам	сервисной компании	готовит раствор, несколько раз в сутки измеряет его свойства и назначает обработку (Буровые растворы: функции и свойства)
Инженеры по наклонно-направленному бурению и телеметрии, операторы станции ГТИ, цементировщики, каротажники	сервисных компаний	одни работают на буровой весь срок строительства скважины, другие приезжают на отдельные операции

Названия должностей и распределение обязанностей зависят от компании и контракта; здесь показана типичная схема.

В офисе заказчика работают руководитель буровых работ (drilling superintendent) и инженеры по бурению (drilling engineers), которые проектируют скважину, а также геологи и разработчики, которые ставят ей цели и получают её данные. Буровая работает круглосуточно, поэтому бригады сменяют друг друга; на удалённых месторождениях персонал обычно работает вахтовым методом: несколько недель на буровой, затем столько же дома.

Как делятся обязанности и риски, определяет буровой контракт. Различают три основных типа.

Основные типы буровых контрактов

Контракт: Посуточный (day rate)
За что платят: фиксированная ставка за каждые сутки работы установки с бригадой
Кто проектирует и снабжает: заказчик: проект, программа, долота, трубы, цемент, химические реагенты, сервис
Кто несёт риск осложнений: заказчик: осложнения удлиняют работу, и он платит за каждые сутки

Контракт: Метровый (footage)
За что платят: фиксированная цена за каждый пробуренный метр до заданной глубины
Кто проектирует и снабжает: заказчик задаёт требования к скважине, подрядчик выбирает, как бурить
Кто несёт риск осложнений: подрядчик — за скорость бурения; отдельные операции часто оплачивают посуточно

Контракт: «Под ключ» (turnkey)
За что платят: фиксированная цена за готовую скважину, отвечающую заданным требованиям
Кто проектирует и снабжает: подрядчик: проект, материалы, транспорт, сервис
Кто несёт риск осложнений: подрядчик; заказчик задаёт цели, исследования и критерии качества и платит за переданный риск более высокой ценой

Контракт	За что платят	Кто проектирует и снабжает	Кто несёт риск осложнений
Посуточный (day rate)	фиксированная ставка за каждые сутки работы установки с бригадой	заказчик: проект, программа, долота, трубы, цемент, химические реагенты, сервис	заказчик: осложнения удлиняют работу, и он платит за каждые сутки
Метровый (footage)	фиксированная цена за каждый пробуренный метр до заданной глубины	заказчик задаёт требования к скважине, подрядчик выбирает, как бурить	подрядчик — за скорость бурения; отдельные операции часто оплачивают посуточно
«Под ключ» (turnkey)	фиксированная цена за готовую скважину, отвечающую заданным требованиям	подрядчик: проект, материалы, транспорт, сервис	подрядчик; заказчик задаёт цели, исследования и критерии качества и платит за переданный риск более высокой ценой

Самый распространённый — посуточный контракт. При любом контракте за исправность буровой установки и её оборудования отвечает подрядчик.

Цель скважины и программа бурения

Работа над скважиной начинается с документа, который готовят геологи и разработчики заказчика, — геологического задания (drilling proposal). В нём записано, зачем бурится скважина и что она должна вскрыть:

цель скважины и признаки успеха;
координаты и глубина цели — по вертикали, обычно относительно уровня моря;
ожидаемый геологический разрез: какие породы и на каких глубинах встретятся;
прогноз порового давления и температуры по глубине (Поровое и горное давление) и ожидаемые осложнения;
программа исследований: где отбирать керн, какой каротаж выполнять, какие пласты испытывать.

По этим данным инженер по бурению составляет программу бурения (drilling program) — технический план строительства скважины:

буровая установка и место её размещения;
конструкция скважины: диаметры и глубины интервалов ствола и обсадных колонн;
программа бурового раствора по интервалам (Буровые растворы: функции и свойства);
профиль ствола, если скважина наклонная или горизонтальная (Наклонно-направленные скважины: применение и профиль);
противовыбросовое оборудование и меры по контролю скважины (Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления);
долота, режимы бурения и гидравлика, цементирование колонн;
сроки и смета (Сроки и стоимость бурения).

В Казахстане и других странах постсоветского пространства основной документ — проект на строительство скважины (часто групповой — на несколько однотипных скважин), который согласуют в установленном порядке. На буровую выдают геолого-технический наряд (ГТН): сводку по интервалам глубин с ожидаемыми породами и давлениями, возможными осложнениями, конструкцией скважины, режимами бурения и параметрами раствора. По нему бригада работает каждый день.

Бурят скважину сверху вниз, а её конструкцию проектируют снизу вверх. Сначала определяют, какой диаметр нужен внизу: эксплуатационной скважине — чтобы разместить насосно-компрессорные трубы (НКТ) и оборудование для добычи, поисковой — чтобы пласт можно было полностью исследовать. Затем выбирают колонну, внутри которой пройдёт долото для этого интервала, под неё — диаметр ствола выше, и так до поверхности. Глубины спуска колонн задают давления и неустойчивые породы (см. раздел для углублённого изучения).

Буровая установка вращательного бурения

Первые нефтяные скважины бурили ударно-канатным способом (cable-tool drilling): тяжёлый снаряд с долотом на канате раз за разом поднимали и сбрасывали на забой, а раздробленную породу время от времени вычерпывали желонкой. При вращательном бурении долото закреплено на конце колонны полых труб. Его одновременно прижимают к забою и вращают, а через трубы непрерывно подают буровой раствор, который очищает забой и выносит обломки породы — шлам (cuttings) — на поверхность. Бурение идёт без остановок на чистку забоя, поэтому этот способ намного производительнее, а столб раствора позволяет управлять давлением в скважине.

Как менялся способ бурения

Первые скважины на нефть в середине XIX века бурили ударным способом; вращательное бурение распространилось в 1900–1930-х годах. В СССР с середины XX века значительную часть скважин бурили турбобурами: долото вращала турбина у забоя, приводимая потоком раствора, а колонна почти не вращалась. Сегодня забойные двигатели — турбинные и винтовые — применяют прежде всего при наклонно-направленном и горизонтальном бурении, часто вместе с вращением колонны. В Казахстане первый фонтан нефти из скважины получен в 1899 году на площади Карашунгул в нынешней Атырауской области.

СызбаСхема буровой установки вращательного бурения с верхним приводом. Подъёмная система — вышка, кронблок, талевый блок и лебёдка; вращательная — верхний привод; циркуляционная — насосы, стояк с буровым шлангом, бурильная колонна, вибросито и ёмкости; силовая — силовой блок; противовыбросовая — превенторы (ПВО) под буровой площадкой. Стрелки показывают путь раствора. Схема не в масштабе.

Буровая установка (drilling rig) — комплекс машин, которые работают вместе. Их удобно разделить на системы.

Системы буровой установки

Система: Подъёмная (hoisting)
Основные элементы: вышка или мачта, буровая лебёдка, талевая система: кронблок, талевый блок, талевый канат
Назначение: спуск и подъём бурильной и обсадных колонн, удержание их веса, регулирование нагрузки на долото

Система: Вращательная (rotating)
Основные элементы: верхний привод или ротор с ведущей трубой; забойный двигатель
Назначение: вращение колонны и долота

Система: Циркуляционная (circulating)
Основные элементы: буровые насосы, стояк, буровой шланг, бурильная колонна, затрубье, жёлоб, очистное оборудование, ёмкости
Назначение: подача раствора к долоту, вынос шлама, очистка и приготовление раствора

Система: Силовая (power)
Основные элементы: дизель-генераторы или питание от электросети, электродвигатели, трансмиссии
Назначение: энергия для всех остальных систем

Система: Противовыбросовая (well control)
Основные элементы: превенторы на устье, дроссельный и глушильный манифольды, пульт управления
Назначение: герметизация устья при проявлении (Противовыбросовое оборудование)

Система: Контроль параметров
Основные элементы: индикатор веса на крюке, манометры, датчики расхода и уровня раствора в ёмкостях, газоанализатор
Назначение: показывают, что происходит в скважине, которую нельзя увидеть

Система	Основные элементы	Назначение
Подъёмная (hoisting)	вышка или мачта, буровая лебёдка, талевая система: кронблок, талевый блок, талевый канат	спуск и подъём бурильной и обсадных колонн, удержание их веса, регулирование нагрузки на долото
Вращательная (rotating)	верхний привод или ротор с ведущей трубой; забойный двигатель	вращение колонны и долота
Циркуляционная (circulating)	буровые насосы, стояк, буровой шланг, бурильная колонна, затрубье, жёлоб, очистное оборудование, ёмкости	подача раствора к долоту, вынос шлама, очистка и приготовление раствора
Силовая (power)	дизель-генераторы или питание от электросети, электродвигатели, трансмиссии	энергия для всех остальных систем
Противовыбросовая (well control)	превенторы на устье, дроссельный и глушильный манифольды, пульт управления	герметизация устья при проявлении (Противовыбросовое оборудование)
Контроль параметров	индикатор веса на крюке, манометры, датчики расхода и уровня раствора в ёмкостях, газоанализатор	показывают, что происходит в скважине, которую нельзя увидеть

Устройство систем подробно разобрано в уроках Буровая установка: силовая и подъёмная системы и Циркуляционная и вращающая системы буровой.

Как это работает при бурении. Бурильная колонна (drill string) состоит из бурильных труб и, в нижней части, толстостенных утяжелённых бурильных труб (УБТ, drill collars). Колонна висит на крюке талевой системы, а бурильщик, приспуская её лебёдкой, передаёт на долото часть веса УБТ — нагрузку на долото (weight on bit). Индикатор веса показывает, насколько уменьшился вес колонны на крюке, то есть какая нагрузка пришлась на забой. Верхний привод вращает колонну. Насосы подают раствор через стояк и шланг в трубы; раствор выходит через насадки долота, поднимается по затрубному пространству (annulus) — кольцевому зазору между колонной и стенкой скважины — и по жёлобу попадает на вибросита, где отделяется шлам, а затем в ёмкости, откуда насосы снова его забирают (Бурильная колонна: трубы, замки, УБТ и ТБТ, Буровые долота: типы и конструкция).

По мере углубления колонну наращивают: добавляют сверху трубу или свечу — две-три свинченные трубы. Когда долото износилось или нужно сменить компоновку, всю колонну поднимают и снова спускают свечами. Это спуско-подъёмные операции (СПО, tripping); на глубоких скважинах они занимают многие часы.

Как строят скважину: от направления до заканчивания

Пробурить скважину от поверхности до пласта одним стволом почти никогда не удаётся. По пути встречаются рыхлые породы, которые осыпаются; пласты, которые поглощают раствор; неустойчивые глины и соли; пласты с разным давлением, для которых нужны разные плотности раствора. Поэтому скважину бурят интервалами: пройденный интервал закрепляют обсадной колонной — стальными трубами, которые спускают в ствол и цементируют, — и только потом бурят глубже долотом меньшего диаметра, которое проходит внутри этой колонны.

СызбаКонструкция скважины из примера ниже после заканчивания: обсадные колонны вложены друг в друга, пространство между колоннами и стенкой ствола заполнено цементом; внутри эксплуатационной колонны — НКТ с пакером над продуктивным пластом, колонна и цемент против пласта перфорированы, на устье — фонтанная арматура. Схема не в масштабе.

Пример конструкции скважины глубиной 2800 м

Колонна: Направление (conductor)
Долото, мм: 490
Колонна, мм: 426
Глубина спуска, м: 30

Колонна: Кондуктор (surface casing)
Долото, мм: 393,7
Колонна, мм: 324
Глубина спуска, м: 600

Колонна: Промежуточная, или техническая (intermediate casing)
Долото, мм: 295,3
Колонна, мм: 245
Глубина спуска, м: 1900

Колонна: Эксплуатационная (production casing)
Долото, мм: 215,9
Колонна, мм: 168
Глубина спуска, м: 2800

Колонна	Долото, мм	Колонна, мм	Глубина спуска, м
Направление (conductor)	490	426	30
Кондуктор (surface casing)	393,7	324	600
Промежуточная, или техническая (intermediate casing)	295,3	245	1900
Эксплуатационная (production casing)	215,9	168	2800

Данные примера условные: диаметры взяты из ряда, распространённого на постсоветском пространстве, глубины подобраны для иллюстрации. В англоязычной практике распространён другой ряд: колонны 20″, 13⅜″, 9⅝″ и 7″ в стволах 26″, 17½″, 12¼″ и 8½″, а над ними — направление 30″ (1″ = 25,4 мм). Число колонн и глубины их спуска в каждом районе свои.

Последовательность строительства

1
Подготовка и монтаж
Готовят площадку и подъездные пути, ёмкости или амбары для раствора и шлама, водоснабжение; завозят и монтируют буровую установку (вышкомонтажные работы).
2
Направление
Первую короткую колонну большого диаметра на глубину в десятки метров забивают в грунт или спускают в пробуренный ствол и цементируют. Она не даёт осыпаться рыхлым приповерхностным породам и направляет выходящий из скважины раствор в жёлоб.
3
Кондуктор
Начинают бурение (забуривают скважину, spud) долотом, которое проходит внутри направления, и углубляются до устойчивых пород. Спускают кондуктор и цементируют его до устья: он перекрывает пресные подземные воды и несёт колонную головку, противовыбросовое оборудование и вес следующих колонн.
4
Противовыбросовое оборудование
На колонную головку устанавливают превенторы и опрессовывают их. После разбуривания цемента и башмака колонны обычно проводят испытание на поглощение, чтобы узнать, какое давление выдержит порода под башмаком (Градиент гидроразрыва и испытание на поглощение).
5
Промежуточные колонны
Бурят следующий интервал меньшим долотом. Когда впереди ожидаются породы, требующие другого раствора, или пройденный интервал осложнён — поглощениями, неустойчивыми глинами, солями, пластами с другим давлением, — его перекрывают технической колонной. Таких колонн может быть несколько или ни одной.
6
Вскрытие продуктивного пласта
Пласт бурят, внимательно следя за шламом и газом в растворе. При необходимости отбирают керн, затем выполняют каротаж и, если есть признаки нефти или газа, испытывают пласт.
7
Решение
По результатам исследований решают: заканчивать скважину для добычи или ликвидировать её, изолировав пласты цементными мостами. Поисковая скважина без нефти и газа — тоже результат: она уточняет геологическую модель района.
8
Заканчивание
Спускают и цементируют эксплуатационную колонну или хвостовик — колонну, подвешенную в предыдущей и не доходящую до устья. Внутрь спускают НКТ с пакером, который перекрывает кольцевое пространство над пластом. Противовыбросовое оборудование заменяют фонтанной арматурой, колонну и цемент против пласта простреливают перфоратором и вызывают приток — осваивают скважину (Заканчивание скважины: вскрытие пласта и лифтовая колонна).
9
Демонтаж
Буровую установку разбирают и перевозят на следующую точку; на кусте скважин её часто передвигают к соседнему устью, не разбирая.

Почему ствол сужается с глубиной. Каждая следующая колонна должна пройти внутри предыдущей, а долото для следующего интервала — внутри только что спущенной колонны. Между колонной и стенкой ствола нужен зазор, чтобы трубы свободно спустились и вокруг них образовалось сплошное цементное кольцо. Поэтому каждая следующая колонна заметно уже предыдущей — обычно на четверть или треть диаметра, — и скважина похожа на раздвинутую подзорную трубу. Число колонн ограничено: если понадобится больше, чем заложено в конструкции, внизу может не остаться места для нужного диаметра. Поэтому конструкцию выбирают с запасом на осложнения.

Цементирование. Тампонажный раствор закачивают внутрь колонны и продавливают через её башмак в затрубье. Затвердевший цементный камень держит колонну, защищает её от коррозии и, главное, разобщает пласты: не даёт флюидам перетекать по затрубью из пласта в пласт или к устью (Первичное цементирование).

Что видно на поверхности: шлам, газ и время отставания

Во время бурения за разрезом следит станция геолого-технологических исследований (ГТИ). Её операторы и геологи отбирают шлам на виброситах, описывают породу, ищут признаки нефти — например, свечение пробы в ультрафиолетовом свете — и непрерывно измеряют газ, выделяющийся из раствора. Датчики станции записывают и параметры бурения: механическую скорость проходки, нагрузку на долото, частоту вращения, крутящий момент, давление на насосах, объём раствора в ёмкостях (Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления).

Шлам, который геолог держит в руках, выбурен не сейчас: от долота до вибросита он поднимается по затрубью десятки минут, а долото за это время уходит глубже. Поэтому каждую пробу привязывают к глубине с поправкой на время отставания (lag time) — время, за которое раствор проходит путь от забоя до поверхности. Его рассчитывают по объёму затрубного пространства и подаче насосов.

Объём затрубного пространства и время отставания

V_a = \frac{\pi}{4}\sum_i \left(D_i^2 - d_i^2\right) L_i, \qquad t_{lag} = \frac{V_a}{Q}

мұндағы:

$V_a$ объём затрубного пространства от забоя до устья, м³
$D_i$ диаметр ствола на $i$ -м участке: в открытом стволе — диаметр долота (или фактический, по кавернограмме), в обсаженном — внутренний диаметр обсадной колонны, м
$d_i$ наружный диаметр бурильных труб или УБТ на этом участке, м
$L_i$ длина участка по стволу, м
$Q$ подача насосов, м³/с
$t_{lag}$ время отставания, с

Бірліктер: СИ; ёмкость затрубья в литрах на метр удобно считать как $\frac{\pi}{4}(D^2 - d^2)\cdot 10^{-3}$ с диаметрами в миллиметрах

Мына жағдайда орындалады

длины участков берут по стволу, а не по вертикали: раствор проходит весь путь;
раствор и шлам движутся с одной средней скоростью; на деле шлам отстаёт от раствора, особенно в наклонных стволах;
открытый ствол номинального диаметра; каверны увеличивают объём и время, поэтому расчёт проверяют по трассеру;
подача насосов постоянна и известна: её считают по числу ходов насоса и объёму одного хода с учётом коэффициента наполнения.

Время отставания — это время, за которое насосы «прокачивают» объём затрубья. Вдвое большая подача — вдвое меньшее время; каверны и широкие верхние колонны увеличивают его.

Басқа бірліктер жүйелерінде (1)

Промысловые единицы (oilfield)

C_a\,[\text{bbl/ft}] = \frac{D^2 - d^2}{1029{,}4}, \qquad t_{lag}\,[\text{мин}] = \frac{\sum_i C_{a,i}\,L_i}{Q\,[\text{bbl/мин}]}

$D$ , $d$ — дюймы, $L$ — футы, подача — баррели в минуту.

$1029{,}4 = 9702/(12\,\pi/4)$ : в баррели 9702 кубических дюйма, а кольцо сечением $\frac{\pi}{4}(D^2 - d^2)$ кв. дюймов и длиной 1 фут (12 дюймов) вмещает $12\cdot\frac{\pi}{4}(D^2 - d^2)$ куб. дюймов.

Есептеу мысалыЧерез сколько минут шлам с забоя придёт на вибросито

Бастапқы деректер (шартты)

Глубина забоя по стволу: 2600 м
Техническая колонна: до 1900 м, внутренний диаметр 224,5 мм
Открытый ствол ниже башмака: 700 м, долото 215,9 мм
Бурильные трубы: наружный диаметр 127 мм (для простоты — по всей длине)
Подача насосов $Q$: 28 л/с
Механическая скорость проходки: 12 м/ч

Шешім

Ёмкость затрубья в колонне: $\frac{\pi}{4}(224{,}5^2 - 127^2)\cdot 10^{-3} = 26{,}92$ л/м; в открытом стволе: $\frac{\pi}{4}(215{,}9^2 - 127^2)\cdot 10^{-3} = 23{,}94$ л/м.
Объём затрубья: $1900\cdot 26{,}92 + 700\cdot 23{,}94 \approx 67\,900$ л, то есть 67,9 м³.
Время отставания: $t_{lag} = 67{,}9/0{,}028 = 2425$ с, или около 40 мин.
За это время долото углубится на $12\cdot 40/60 \approx 8$ м.

Жауап: Шлам с забоя приходит на вибросито примерно через 40 мин; за это время скважина углубляется ещё примерно на 8 м.

Бұл нені білдіреді. Геолог записывает пробу не на текущую глубину забоя, а на ту, где долото было 40 мин назад, — иначе смена породы или газоносный пласт окажутся «сдвинуты» вниз на несколько метров. Фактическое время проверяют трассером: например, в трубы бросают карбид кальция, и газоанализатор отмечает выделившийся ацетилен, когда раствор пройдёт весь путь вниз по трубам и вверх по затрубью; время движения в трубах считают по их внутреннему объёму. Если фактическое время больше расчётного, ствол шире номинального — в нём есть каверны. То же время нужно, чтобы промыть скважину перед подъёмом колонны: раствор прокачивают не меньше полного цикла от забоя до устья, чтобы вынести шлам и газ. Данные примера условные.

Терминдер мен белгілер

Вращательное бурение (rotary drilling): способ бурения, при котором долото вращается и прижимается к забою, а раствор непрерывно промывает скважину и выносит шлам. Долото вращают с поверхности — ротором или верхним приводом (роторное бурение) — или забойным двигателем.
Буровая установка: комплекс подъёмной, вращательной, циркуляционной, силовой и противовыбросовой систем для строительства скважины.
Бурильная колонна, УБТ: колонна труб от верхнего привода до долота; в её нижней части — утяжелённые бурильные трубы, создающие нагрузку на долото.
Затрубное пространство (annulus): кольцевой зазор между колонной труб и стенкой скважины или обсадной колонной; по нему раствор поднимается к устью.
Конструкция скважины: набор обсадных колонн с их диаметрами, глубинами спуска и интервалами цементирования вместе с диаметрами интервалов ствола.
Направление, кондуктор, техническая и эксплуатационная колонны: обсадные колонны в порядке спуска; хвостовик — колонна, подвешенная в предыдущей и не доходящая до устья.
СПО (tripping): спуск и подъём бурильной колонны, например для смены долота.
ГТИ (mud logging): геолого-технологические исследования: наблюдение за шламом, газом в растворе и параметрами бурения во время бурения.
ИПТ (DST): испытание пласта инструментом на бурильных трубах: кратковременный приток с замером давления и отбором проб.
Заканчивание (completion): работы, превращающие пробуренную скважину в добывающую или нагнетательную: эксплуатационная колонна, НКТ с пакером, фонтанная арматура, перфорация, освоение.

Жиі қателіктер

Қате

«Кондуктор — это английский conductor».

Шын мәнінде

Conductor соответствует направлению. Кондуктор — вторая колонна, по-английски surface casing.

Қате

«Конструкцию скважины проектируют сверху вниз, в том порядке, в каком бурят».

Шын мәнінде

Её выбирают снизу вверх: от диаметра, нужного внизу для заканчивания или исследований, к колоннам выше. Глубины спуска колонн задают давления и осложнённые интервалы.

Қате

«Шлам на вибросите — с текущей глубины забоя».

Шын мәнінде

Он поднимался по затрубью десятки минут; пробы привязывают к глубине с поправкой на время отставания.

Қате

«При посуточном контракте подрядчик сам решает, как бурить, и отвечает за конструкцию скважины».

Шын мәнінде

При посуточном контракте конструкцию и программу бурения готовит заказчик; подрядчик предоставляет установку с бригадой и отвечает за их работу и исправность оборудования.

Қате

«Нефть в шламе — значит, скважина уже может давать нефть».

Шын мәнінде

Сначала пласт оценивают каротажем и испытанием, затем скважину заканчивают: спускают эксплуатационную колонну и НКТ, ставят фонтанную арматуру, перфорируют и осваивают.

Толық: тереңдетілген

Как выбирают глубины спуска колонн

Главный инструмент — диаграмма «давление — глубина» (Поровое и горное давление), на которую нанесены эквивалентные плотности порового давления и давления разрыва пород. В одном открытом интервале ствола может стоять только один раствор. Он должен быть тяжелее, чем требует поровое давление самого «сильного» проницаемого пласта интервала, с запасом, и одновременно легче, чем выдерживает самая слабая порода открытого ствола, — обычно порода сразу под башмаком предыдущей колонны. При циркуляции давление в скважине ещё выше на потери давления в затрубье.

Порядок выбора (снизу вверх)

1
Начинают с забоя
Определяют плотность раствора, нужную на забое: эквивалентная плотность порового давления плюс запас.
2
Поднимаются по кривой разрыва
Идут вверх по разрезу, пока эквивалентная плотность давления разрыва (с запасом) не станет меньше плотности этого раствора. Выше этой глубины открытый ствол такой раствор не выдержит — здесь должен стоять башмак вышележащей колонны.
3
Повторяют для следующей колонны
Для интервала над этим башмаком находят наибольшую нужную плотность раствора и снова поднимаются по кривой разрыва — так получают глубину следующей колонны, и так до поверхности.
4
Проверяют другие ограничения
Уточняют глубины с учётом неустойчивых глин, солей, зон поглощений, пресных вод, которые нужно перекрыть, риска дифференциального прихвата и допуска на проявление (Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления); затем подбирают диаметры и рассчитывают колонны на прочность (Расчёт обсадных колонн).

Так давления «рисуют» конструкцию. В районах с нормальным давлением иногда хватает кондуктора и эксплуатационной колонны, а в разрезах с зонами аномально высокого давления (Аномальные пластовые давления: происхождение, прогноз, распознавание) и солями промежуточных колонн бывает две-три.

Басқа тақырыптармен байланыс

Поровое и горное давление — поровое давление, давление разрыва и выбор плотности раствора — основа конструкции скважины.
Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления — первичный барьер и признаки проявления: за чем следит бурильщик.
Буровые растворы: функции и свойства — функции и свойства бурового раствора.
Обсадные колонны: назначение, типы, свойства и стандарты — назначение, типы и стандарты обсадных колонн.
Буровая установка: силовая и подъёмная системы — силовая и подъёмная системы буровой установки.
Циркуляционная и вращающая системы буровой — буровые насосы, очистка раствора, ротор и верхний привод.
Сроки и стоимость бурения — из чего складываются сроки и стоимость скважины.
Морское и подводное бурение — как строят скважины на море.

Өзіңізді тексеріңіз

1
Какая колонна в русской терминологии соответствует английскому conductor (conductor pipe)?
1. А.Техническая колонна
2. Б.Кондуктор
3. В.Направление
4. Г.Эксплуатационная колонна
Жауабын көрсету
Дұрыс жауап: В. Направление
Conductor — первая короткая колонна большого диаметра, по-русски направление. Кондуктор — следующая колонна (surface casing); на нём обычно устанавливают противовыбросовое оборудование.
2
Заказчик заключил с буровым подрядчиком посуточный контракт. Кто готовит программу бурения и оплачивает долота, цемент и химические реагенты?
1. А.Государство
2. Б.Сервисная компания по растворам
3. В.Подрядчик
4. Г.Заказчик
Жауабын көрсету
Дұрыс жауап: Г. Заказчик
При посуточном контракте заказчик проектирует скважину, готовит программу, обеспечивает материалы и сервис, а подрядчик предоставляет установку с бригадой за суточную ставку. Поэтому риск задержек и осложнений лежит на заказчике.
3
Почему скважину бурят интервалами с обсадными колоннами, а не одним стволом от поверхности до пласта?
Жауабын көрсету
По пути встречаются рыхлые, неустойчивые и поглощающие породы и пласты с разным давлением. Один раствор не может одновременно удержать самый «сильный» пласт и не разорвать самую слабую породу открытого ствола, а осложнённые интервалы нужно изолировать. Поэтому пройденный интервал крепят колонной и цементом и бурят дальше долотом меньшего диаметра.
4
Объём затрубья от забоя до устья — 45 м³, подача насосов — 25 л/с, механическая скорость проходки — 15 м/ч. Через сколько минут шлам с забоя придёт на вибросито и на сколько метров за это время углубится скважина?
Жауабын көрсету
$t_{lag} = 45/0{,}025 = 1800$ с, то есть 30 мин. За полчаса при скорости 15 м/ч долото пройдёт около 7,5 м. Поэтому пробы шлама привязывают к глубине, на которой долото было полчаса назад.
5
Что устанавливают на устье вместо противовыбросового оборудования при заканчивании скважины?
1. А.Превентор большего диаметра
2. Б.Верхний привод
3. В.Фонтанную арматуру
4. Г.Колонную головку
Жауабын көрсету
Дұрыс жауап: В. Фонтанную арматуру
После спуска НКТ с пакером противовыбросовое оборудование снимают и устанавливают фонтанную арматуру — набор задвижек, которыми управляют потоком из скважины. Колонная головка остаётся на месте: на ней подвешены обсадные колонны.
6
Поисковая скважина не встретила нефти и газа и была ликвидирована. Были ли затраты на неё напрасными?
Жауабын көрсету
Дохода она не принесёт, но даст данные: разрез, давления, свойства пород, наличие или отсутствие коллектора и покрышки. Они уточняют геологическую модель района и снижают риск следующих скважин или показывают, что участок бесперспективен. Такой исход заранее учитывают в экономической оценке поисков через вероятность успеха.

Жаңартылған: 28 октября 2026 г.