Технология бурения

Одна из важнейших технико-экономических проблем второй половины XX — в. использование топливных и минеральных сырьевых ресурсов мирового океана. Начиная с 60-х годов текущего столетия наблюдается неуклонный рост добычи нефти из морских месторождений: если в 1960 г. объем морской добычи нефти составлял всего 8 % общего объема мировой добычи, то в 1980 г., т.е. за 20 лет, он возрос до 30 %. В 1990 г. морская добыча нефти достигла 626 672 тыс. т (без б. СССР и социалистических стран). По прогнозам экспертов, морское дно содержит около половины всех мировых запасов нефти, значительные запасы газа. Разработка нефтяных и газовых месторождений в зоне континентального шельфа осуществляется более чем в 20 странах. В разведочном бурении на море участвует более 1 40 стран мира.
История развития техники для бурения скважин в акваториях морей начинается с 20-х годов нынешнего столетия. Можно условно выделить несколько основных этапов развития техники морского бурения: I — с 20-х годов до середины 40-х годов; II — с середины 40-х годов до конца 50-х годов; III — с конца 50-х годов по настоящее время.
На первом этапе морское бурение было сопряжено с освоением некоторых прибрежных морских участков известных на суше месторождений. Как правило, при подготовке таких участков к бурению практиковалась засыпка мелководной части моря. Однако и на этом этапе известны отдельные случаи, когда бурение велось с деревянных оснований (островков), возведенных на мелководье. Подобный морской промысел впервые появился в районе Баку в 1924 г.
По мере того как нефтеносные структуры прослеживались дальше от берега, возникала необходимость соответствующим образом проектировать буровые работы. В 1 937 г. в США бурение скважин велось уже на расстоянии 3 км от берега при глубине моря до 4,5 м. С 1934 г. в нашей стране приступили к сооружению металлических оснований для морских промыслов.Второй этап связан с качественным скачком в развитии техники морского бурения в 40-х годах, когда были открыты крупные морские месторождения нефти на значительном расстоянии от берега. Создание нефтяных промыслов в районе Нефтяных Камней в Каспийском море и в Мексиканском заливе потребовало освоения глубин до 15 м (Мексиканский залив) и до 25 м (Нефтяные Камни). Хотя на этом этапе, как и на первом, буровое оборудование, установленное на морских основаниях, не отличалось от применявшегося на суше, его размещение в море требовало учета специфических условий и приспособления к ним всего оснащения.
На втором этапе были начаты работы по созданию установок на плавучих основаниях. Первый проект такого основания был разработан советским инженером В.И. Тарасеви-чем в 1944 г. Первая плавучая буровая установка была изготовлена в США в 1 949 г.
Начало третьего этапа в конце 50-х годов связывается с тем, что в нашей стране и США приступили к практическому использованию плавучих буровых установок. Эти работы открыли перспективу развития технических средств для проведения буровых работ в открытом море с автономных установок.
В 1956— 1958 гг. в Гипроморнефти велась интенсивная разработка мобильных средств для морского бурения. В 1959 г. была построена и введена в эксплуатацию первая в нашей стране плавучая буровая установка с затапливаемым основанием. Она предназначена для бурения скважин глубиной до 1200 м при глубине моря до 6,5 м. За 3 года с помощью этой установки было пробурено 50 структурно-поисковых скважин.

Стационарные платформы новейших конструкций позволяют бурить скважины в районах с глубинами моря до 200 м. Дальнейшее повышение глубин сопряжено с резким возрастанием массы основания.
Имеется ряд разновидностей глубоководных стационарных платформ. Помимо использования опорных блоков пирамидальной формы решетчатой конструкции находят применение платформы одноопорные (моноподы) и "качающиеся". Опора монопода представляет собой колонну большого диаметра. Обычно она подразделяется на четыре секции, из которых нижнюю заглубляют в морское дно и бетонируют, две промежуточные заполняют водой, а верхняя частично возвышается над уровнем моря. Монопод оказался одним из видов оснований, наиболее приспособленных к тяжелой ледовой обстановке. Например, высокую надежность в подобных условиях показала такая платформа, использовавшаяся с 1966 г. в заливе Кука на Аляске.
"Качающаяся" платформа представляет собой одноколонную опору, снабженную универсальным соединением с донной опор ной площадкой. Колонна имеет погружные понтоны , обеспечивающие несущую способность опор ы . Испы та-ния, проведенные в Бискайском заливе, позволили выявить ряд преимуществ платформы, и прежде всего простоту ее стабилизации над устьем скважины. С платформами подобного типа связываются планы значительного повышения глубин моря, освоенных с помощью стационарных оснований. В частности, во Франции разработана конструкция "качающейся" платформы для бурения скважин при глубине моря до 400 м.

Буровой комплекс, смонтированный на самоподъемной передвижной платформе, получил название самоподъемной плавучей буровой установки СПБУ (рис. 13.8). База СПБУ представляет собой плавучий понтон с несколькими опорами, которые с помощью специального устройства могут опускаться до морского дна. Число опор может быть от 3 до 14. Для глубин моря для 60 м выпускаются платформы с четырьмя опорами и более, для больших глубин — трехопорные. Опоры имеют круглое или четырехугольное сечение и сплошную или решетчатую поверхность.СПБУ классифицируютя по конструкции и форме корпуса, числу и конструкции опорных колонн и конструктивным особенностям подъемного механизма. Для придания устойчивости при воздействии внешних нагрузок длина понтона обычно должна быть близка к его ширине, и только для специфических условий с ярко выраженной розой ветров (Каспийское море) она может вдвое превышать его ширину.
Все технологическое оборудование, инструмент и материалы для компактности обычно размещают на трех уровнях: на подвышечном портале, на главной палубе и в трюме. На под-вышечном портале расположены буровая вышка, ротор и лебедка. Для удобства разбуривания куста скважин предусматривается возможность перемещения повышечного портала вдоль и поперек корпуса. Трубная площадка с грузовыми кранами находится на главной палубе, здесь же расположены устройства для дегазации и очистки бурового раствора. В трюме установлены буровые насосы, оборудование для приготовления бурового раствора и емкости для его хранения, комплекс для проведения цементировочных работ.
Жилые и служебно-бытовые помещения обычно находятся в рубках, на отдельных установках они могут размещаться в корпусе.
В заданный пункт СПБУ буксируется на плаву. В транспортном положении опоры подняты и возвышаются над понтоном. При недолговременных переходах (продолжительностью до 12 ч) допускается транспортировка СПБУ с приспущенными опорами, в этом случае они могут оказывать стабилизирующее влияние. По прибытии в пункт назначения опоры с помощью гидравлической или электромеханической системы опускают на дно, под действием веса оборудования они закрепляются с заглублением или без заглубления в донный грунт в зависимости от конструкции нижнего конца. Затем по опорным колоннам понтон с оборудованием приподнимают над поверхностью воды на высоту, не досягаемую для волн, и с платформы бурят скважину.

Самоподъемные установки обладают высокой мобильностью, достаточной автономностью и могут успешно применяться при глубине моря до 90 м (в зависимости от длины опор). Имеются проекты СПБУ для работы при глубине моря до 1 20 м. Однако увеличение длины опор отрицательно сказывается на устойчивости всей конструкции в транспортном положении, когда опоры подняты и возвышаются над корпусом. Чтобы избежать потери устойчивости, предложены конструкции с телескопическими опорами или со вспомогательными нижними опорами и промежуточной платформой.
К преимуществом СПБУ следует отнести высокую мобильность, достаточную автономность, создание стабильных условий при бурении на море, большую устойчивость в неблагоприятных погодных условиях.
Основные недостатки СПБУ заключаются в сложности конструкции и монтажа опор в условиях моря. Из-за высокой стоимости СПБУ в основном применяют при поисковом и разведочном бурении на континентальном шельфе.К безопорным основаниям относятся полупогружные и буровые суда.
Полупогружное основание является плавучим средством, несущая способность которого в значительной степени обеспечивается за счет водоизмещения погружных камер понтонов, располагающихся в воде на некотором расстоянии от поверхности (рис. 13.9). С помощью вертикальных стабилизационных колонн большого диаметра, создающих дополнительное водоизмещение и стабилизирующих положение плавучего средства, понтоны поддерживают верхний ко рпус, на котором размещается буровое оборудование. Буровая установка, смонтированная на таком основании, получила название полупогружной (ППБУ).
Удаление от поверхности моря погружных камер позволяет избавить их от воздействия ветра и волн и обеспечивает большую устойчивость ППБУ, сокращая протяженность ватерлинии. Для удержания установки в заданном пункте над устьем скважины (или, как говорят, для позицирования) применяют различные средства: массивные якоря (до 18 — 20 т), систему динамической стабилизации с помощью специальных бортовых движителей или сочетание обоих способов. Допустимое смещение установки относительно координаты устья скважины зависит от гибкости бурильной и обсадной во-доизолирующей колонн, способа соединения с донным основанием и, как правило, составляет до 4 — 5 % от глубины моря в данном месте. В зависимости от применяемых средств стабилизации определяют допустимую глубину моря: при заякоривании — до 300 м, при использовании динамической системы — до 1 000 м и более, установки с комбинированной системой могут работать при глубине моря до 600 м.

Высокая мобильность и автономность делают буровые суда особенно эффективными при проведении поискового и разведочного бурения на глубоководных участках моря. Наиболее совершенные буровые суда позволяют осваивать глубины моря до 1800 м и более.
Поскольку судно подвержено действию ветровой нагрузки и волн, весьма важное значение имеет стабилизация его положения. Как и в рассмотренном выше случае использования ППБУ, она решается применением заякоривания судна (при глубинах до 300 м) и системы динамической стабилизации (при глубинах свыше 300 м). Система динамической стабилизации включает несколько движителей, например, на судне "Седко 445" имеется 11 движителей мощностью по 550 кВт каждый. Применяемые системы стабилизации положения судна надежно работают в относительно спокойных условиях. Это обусловливает некоторый недостаток бурового судна, так как ограничивает сроки проведения буровых работ только периодами с благоприятными погодными условиями.
В связи со сложными условиями проведения буровых работ с базы, находящейся на плаву и, следовательно, подверженной качке, на судне, помимо основного бурового оборудования, приходится иметь дополнительное техническое оснащение: систему подвески бурильной и обсадной (водоизолирующей) колонн; систему связи с донным устьевым оборудованием; закрытую поверхностную систему циркуляции с принудительной подачей бурового раствора, создающей движение жидкости в условиях качки; механизированные стеллажи для размещения, укладки и подачи буровых труб при выполнении спускоподъемных операций; устройство компенсации вертикальных колебаний судна
(рис. 1 3.11 ).
Компенсатор вертикальных колебаний устанавливают для поддержания заданной нагрузки на долото независимо от качки судна при волнении моря. В настоящее время на судах применяют компенсаторы различной конструкции. Неплохой результат дает гидропневматический компенсатор, встроенный между кронблоками и верхним поясом вышки. Гидропневматическая система "Юникод" на судне "Пеликан" при нагрузке на крюке до 2 МН имеет предел компенсации до 4,5 и скорость срабатывания 1,8 м/с.

В нефтяной и газовой промышленности строительство скважин возложено на управления буровых работ (УБР). Кроме того, в ряде районов поисково-разведочное бурение на нефть и газ осуществляется экспедициями Госгеол-кома РФ. Управление буровых работ — производственное предприятие, действующее в рамках производственного объединения. Объединение осуществляет руководство и контроль работы УБР, рассматривает и утверждает перспективные планы УБР и плановые задания на год, а также обеспечивает соблюдение прав УБР и содействует развитию хозяйственной самостоятельности и проявлению инициативы предприятия. УБР выполняет работы по заказу объединения на хоздоговорных началах.
Действующая ныне система хозяйственного руководства производством отличается тесным органическим единством организационных форм управления, системы планирования и методов экономического и материального стимулирования развития производства. Хозяйственное руководство предприятием включает управление, планирование и организацию производства и труда на предприятии и направлено на улучшение производственно-хозяйственной деятельности и повышение технико-экономических показателей производства. Болыная роль в стимулировании предприятия на более эффективное использование трудовых, материальных и денежных ресурсов принадлежит новому порядку финансирования буровых работ. Посредством жесткого финансового самоконтроля осуществляется переход к новой системе организации производства.
В оперативно-техническом отношении УБР обладает самостоятельностью. Оно самостоятельно решает производственно-технические и технологические вопросы, принимает меры для полного использования имеющихся производственных мощностей, потенциальных возможностей повышения эффективности производства и использования материально-технических средств. Поэтому, помимо выполнения главной задачи, на УБР возлагается также внедрение новейших достижений науки, техники и передового опыта, повышение эффективности производства за счет улучшения использования трудовых, материальных и финансовых ресурсов, рациональное использование капитальных вложений и повышение их эффективности, снижение стоимости буровых работ и сокращение сроков строительства скважин, внедрение научной организации труда, производства и управления, подготовка квалифицированных кадров и рациональное их использование, создание безопасных условий труда на производстве, улучшение жилищных и культурно-бытовых условий работников и членов их семей.
УБР контролирует и направляет деятельность всех подразделений, входящих в его состав.
Состав производств и служб УБР и их взаимодействие в процессе производства определяются производственной структурой. Производственная структура отдельных буровых предприятий может иметь отличительные особенности, но в общих чертах ее можно представить в таком виде, как показано на рис. 14.1.
В производственной структуре УБР выделяются основные и вспомогательные производства и соответственно все цехи и хозяйства УБР подразделяются на основные и вспомогательные. В цикле строительства скважины к основному производству относятся вышкомонтажные работы, бурение и работы по креплению ствола и испытанию скважины. Подразделениями основного производства являются районная инженерно-технологическая служба (РИТС) и центральная инженерно-технологическая служба (ЦИТС), которая осуществляет координацию работы основного и вспомогательного производств.

Буровая бригада — это первичный производственный коллектив, объединяющий разнородных по квалификации, профессии и функциям сотрудников и рабочих для выполнения определенного круга работ по строительству скважины. Номенклатура выполняемых работ и организация труда зависят от целей буровых работ, глубины и конструкции скважины. На организацию труда буровой бригады и ее состав существенно влияют продолжительность и структура цикла строительства скважины.
В глубоком бурении организуется непрерывная работа буровой в три смены, каждая продолжительностью 8 ч. Буровая бригада включает четыре смены, или вахты, которые обеспечивают непрерывную работу в течение суток. Состав вахты может видоизменяться в зависимости от типа буровой установки (табл. 1 4.1 ).
Буровую бригаду возглавляет буровой мастер. На эту должность назначают дипломированного специалиста либо (в порядке исключения) опытного бурильщика со стажем работы в бурении не менее трех лет.Буровой мастер руководит бригадой, состоящей из четырех вахт. Каждая вахта, как правило, включает четырех работников — бурильщика и трех его помощников.
Буровой мастер несет персональную ответственность за бесперебойное проведение работ, обеспечение буровых работ всеми необходимыми материалами, соблюдение и выполнение проекта на строительство скважины, обеспечение безопасных условий выполнения работ и осуществление мер по охране окружающей среды. При переходе бригады на новую точку он принимает от монтажников буровое оборудование.
Вместе с бурильщиком буровой мастер осуществляет непрерывный технический контроль за состоянием оборудования, инструмента, рабочего места и надежностью средств техники безопасности на буровой. Если обнаружены недостатки в техническом состоянии бурового оборудования или нарушения требований техники безопасности, буровой мастер и бурильщик принимают меры к их устранению.
Бурильщик возглавляет вахту и несет персональную ответственность за все работы, выполняемые в период его вахты. Он должен иметь удостоверение от горно-технического надзора о сдаче экзамена на право ведения буровых работ. Он принимает оборудование и инструмент от предшествующей вахты, управляет процессом бурения и осуществляет основные работы по углублению скважины, следит за соблюдением предписанного по режимно-технологической карте режима бурения, осуществляет контроль за состоянием оборудования и руководит работой всех членов вахты. По радиотелефону от поддерживает связь с буровым мастером и РИТС (УБР) и в случае необходимости обращается за консультацией, принимает участие в выработке решения и обеспечивает его реализацию. Во время выполнения спускоподъемных операций и работы долота на забое бурильщик находится у пульта управления буровой установкой.
Первый помощник бурильщика при спускоподъемных операциях обслуживает машинный ключ, обеспечивает выполнение основных операций по свинчиванию и развинчиванию бурильной колонны, перемещению свечей и вместе с третьим помощником выполняет операции с элеватором. Во время бурения в его обязанности входит наблюдение за работой буровых насосов, контроль за параметрами промывочной жидкости и работой очистной системы, участие в приготовлении и обработке промывочного раствора. При бурении он может в случае необходимости заменить бурильщика.

Состав работ для условий мелкого и глубокого бурения практически остается одним и тем же, в то время как характер работ существенно зависит от глубины бурения, типа применяемого бурового оборудования, оснащенности средствами малой механизации.
Во время углубления скважины, если бурение происходит в нормальных условиях без осложнений, непосредственно бурением занят только бурильщик, который, находясь у пульта, осуществляет контроль технологического режима проходки скважины и управление им.
Большие нагрузки на всех членов буровой бригады ложатся при выполнении спускоподъемных операций, при спуске обсадных колонн. Здесь необходимы слаженная работа всех членов бригады, хорошее знание своих обязанностей, навыки в работе.
Спускоподъемные операции выполняют всякий раз, когда нужно заменить породоразрушающий инструмент или по причине его износа, или при необходимости в новых условиях применить инструмент другого типа. Иногда возникает необходимость подъема бурильной колонны по иной причине, например, для проведения геофизических исследований в скважине, при опробовании продуктивного горизонта, при неполадках в работе турбобура и т.п.При выполнении спускоподъемных операций бурильную колонну подразделяют на длинные свечи, которые состоят из нескольких бурильных труб. Длина свечи зависит от высоты вышки и составляет примерно 2/3 ее: так, вышки высотой 40 — 42 м позволяют извлекать свечи длиной 27 — 28 м, а высотой 53 м — свечи длиной 36 м. Такие свечи располагаются внутри вышки в вертикальном положении, поэтому спуско-подъемные операции выполняют в этом случае с верховым рабочим.
Проследим за работой в период спуска или подъема инструмента буровой бригады на глубоком бурении.
После того как бурильщик примет решение поднимать инструмент, в течение некоторогоо времени скважину промывают, так как при ее большой глубине по всему стволу скважины в растворе накапливается довольно много шлама и его надо вынести на поверхность. Как только промывка прекращается, бурильщик, управляя лебедкой, приподнимает инструмент над забоем с таким расчетом, чтобы над столом ротора показался нижний переводник ведущей трубы. Пока поднимается ведущая труба, буровые рабочие вынимают из стола ротора малые вкладыши. Под нижний переводник под-кладывают элеватор и машинными ключами раскрепляют резьбовое соединение, а затем полностью развинчивают трубы.
Во время развинчивания резьбового соединения тяжелую ведущую трубу с массивным вертлюгом поддерживают на весу. Отсоединенную ведущую трубу приподнимают и с помощью специального приспособления — затаскивателя, прикрепляемого к ее нижнему концу, заводят в шурф, представляющий собой мелкую наклонную обсаженную скважину. Глубина шурфа соответствует длине ведущей трубы.
Первый и третий помощники бурильщика отсоединяют крюк от вертлюга и заводят штропы в проушины элеватора, поддерживающего бурильную колонну. Начинается подъем бурильной колонны. Как только бурильная колонна будет извлечена из скважины на длину первой свечи и над столом ротора покажется ее нижнее соединение, первый и третий помощники подкладывают под него элеватор.

Автоматизированный комплекс свинчивает и развинчивает бурильные трубы; устанавливает свечи на подсвечник, снимает их с подсвечника и выносит к оси скважины; автоматизирует управление элеватором при захвате и освобождении колонны бурильных труб; совмещает подъем или спуск порожнего элеватора с операциями установки свечи на подсвечник и выноса ее с подсвечника; закрепляет и удерживает колонну бурильных труб в роторе.
Механизмы комплекса работают следующим образом. Бурильную колонну подвешивают в роторе на клиновом захвате. Во время отвинчивания свеча в верхней части поддерживается центратором, который срабатывает и запирается на свече при спуске элеватора. Элеватор спускают к ротору и размещают на верхней части бурильной колонны. Отсоединенная свеча специальным захватом приподнимается, переносится в сторону и устанавливается за палец. Приподнимая свечу, захват открывает центратор и одновременно освобождает ее. Нижний конец свечи крюком-затаскивателем заводится в подсвечник. Элеватор подхватывает бурильную колонну, и она поднимается на высоту следующей свечи.
Комплекс АСП не только облегчает труд рабочих, но и изменяет его содержание. Если без автомата два помощника бурильщика работали около ротора в наиболее опасной зоне буровой в непосредственной близости от постоянно движущихся механизмов талевой системы, выполняя вручную многие операции и перемещая при этом только за один спуск или подъем инструмента с глубины 3000 м до 1 00 т груза, то на установке, оснащенной АСП, место их работы и характер труда изменились. Первый помощник бурильщика располагается за пультом управления ключом АКБ-3 и контролирует автоматическое выполнение процесса подвода и отвода ключа у устья скважины; второй помощник (верховой рабочий) на полати не поднимается, а находится рядом с первым помощником за пультом управления механизмами захвата и перемещения свечей, третий помощник освобождается от участия в спускоподъемных операциях.
Разработана и испытывается гидрофицированная установка с автоматическим непрерывным подъемом и спуском бурильной колонны.

Деятельность службы охраны труда направлена на создание здоровых и безопасных условий труда, предупреждение и профилактику профессиональных заболеваний,снижение травматизма и аварийности на производстве. В ст. 57 "Основ законодательства Российской Федерации о труде", в частности, сказано: "На всех предприятиях, в учреждениях, организациях создаются здоровые и безопасные условия труда. Обеспечение здоровых и безопасных условий труда возлагается на администрацию предприятий, учреждений, организаций. Администрация обязана внедрять совершенные средства техники безопасности, предупреждающие производственный травматизм, и обеспечивать санитарно-гигиенические условия, предотвращающие возникновение профессиональных заболеваний рабочих и служащих". Там же определены общие правила по безопасности жизнедеятельности, обязательные для администрации (ст. 60) и для рабочих и служащих (ст. 61 ).
По своему характеру буровые работы имеют немало специфических особенностей. Среди них в первую очередь можно выделить следующие:
буровые работы производятся непрерывно на протяжении суток в различных погодных условиях;
находящийся на посту буровой персонал лишь частично защищен от воздействия погодных факторов и внешней
среды;
отдельные процессы и операции цикла строительства скважины отличаются высокой интенсивностью и создают повышенную напряженность в работе членов буровой бригады;
определенное нервно-психическое напряжение вызывает бурение скважин в осложненных условиях, сопровождающееся повышением нагрузок на буровое оборудование до предельных величин;
возможность возникновения опасных ситуаций при бурении скважин в мало изученных районах, особенно при вскрытии нефтегазоносных интервалов с высоким пластовым давлением.
К специфическим условиям буровых работ следует отнести их удаленность от места проживания работников, нередко длительную и утомительную их доставку к месту работы.
Отсюда понятно, насколько важна и трудна стоящая перед буровым предприятием задача создания и поддержания нормальных условий для работающих и обеспечение их безопасности при строительстве скважин.
Обязанности бурового предприятия по охране труда регламентированы рядом основополагающих документов, и прежде всего правилами безопасности в нефтяной и газовой промышленности, утвержденными Госгортехнадзором России.