При бурінні як на землі, так і у відкритому морі ефективна система буріння повинна забезпечити: 1) спосіб руйнування і подрібнення гірської породи, через яку необхідно пройти, щоб дістатися до нафти і газу; 2) спосіб видалення роздробленого матеріалу з свердловини в міру буріння і 3) спосіб запобігання обвалення стінок свердловини і одночасного перекривання виходу нафти і газу. Крім того, в загальному випадку напрямок свердловини повинно бути якомога ближче до вертикального, свердловина повинна бути досить глибокою, щоб досягти породи-колектора, а її діаметр повинен бути досить великим, щоб всередину можна було опускати необхідні інструменти.
В даний час найбільш широко застосовуються два способи буріння: ударно-канатне і роторне. Хоча роторне буріння використовується частіше, ударно-канатне буріння є більш старим способом *.
При ударно-канатному способі буріння здійснюється за рахунок занурення в отвір дротяного канату або троса, на кінці якого знаходиться важке гостре виріб зі сталі - так зване бурове долото. Рух вгору-вниз задається ділянці каната, що знаходиться на поверхні. За рахунок зворотно-поступального переміщення від пласта відколюються невеликі фрагменти (рис. 5.3).
Долото, яке важить кілька сот фунтів, знаходиться в постійному русі, поки не буде пробурено кілька метрів углиб. Потім канат піднімають за допомогою барабана, встановленого на поверхні, і після цього долото видаляють. За допомогою іншого каната, званого желоночний канатом, в свердловину опускають желонку - металеву трубу з одноходовой відкидним клапаном на нижньому кінці. Фрагменти пласта, відколені буровим долотом, збираються в ківш і видаляються з свердловини, після чого можна відновлювати буріння.
Ударно-канатне буріння не передбачає використання великої кількості рідини для циркуляції в свердловині. Як правило, єдина рідина в свердловині - це рідина, яка виділилася з пласта при бурінні. Однак присутність невеликої кількості води бажано; якщо вода не з'являється за рахунок виділення з пласта, кілька галонів води заливають в свердловину.
Мал. 5.3. Схема верстата канатного буріння
Одним з найбільш важливих переваг канатного буріння є можливість швидко виявити нафто- і газопродуктівние зони. Крім того, його використовують для буріння певних типів пластів, чутливих до бурових розчинів на основі води. У деяких типах пластів вода з бурового розчину може вступити в хімічну реакцію з глиною, що входить до складу гірської породи. Це знижує швидкість витікання нафти або газу. Застосування кабельного способу буріння зводить цю проблему до мінімуму завдяки невеликій кількості води.
Буріння ударно-канатним методом - повільний процес. У деяких випадках швидкість буріння однотипної породи цим методом в 10 разів нижче, ніж швидкість роторного буріння. Однак вартість установки канатного буріння значно нижче, ніж установки роторного буріння, що може частково компенсувати низьку швидкість.
У разі виявлення нафто- або газоносного пласта високого тиску відсутність в свердловині рідини, необхідної для регулювання їх закінчення, виявляється очевидним недоліком ударно-канатного буріння. У багатьох випадках це може привести до викиду нафти з свердловини. При викиді нафту і газ з підповерхневого шару спрямовуються до поверхні і безконтрольно випливають зі свердловини. При викиді фонтан нафти і газу може піднятися більш ніж на 100 м над землею, при цьому завжди виникає значна небезпека пожежі.
Внаслідок низької швидкості буріння і небезпеки викиду ударно-канатний метод рідко використовують при бурінні свердловин глибиною понад 1000 м. Але і для менш глибоких свердловин цей спосіб теж значною мірою поступився місцем роторного буріння.
Роторне буріння значно відрізняється від канатного. При роторному бурінні бурове долото, яке використовується для розбиття пласта, прикріплюється до сталевій трубі, званої бурильної трубою. При цьому долото опускають до дна свердловини. Труба обертається з поверхні за допомогою бурового столу, через який проходить квадратний або шестикутний ділянку труби, так звана провідна бурильна труба. З'єднуючись на поверхні з бурильної трубою, ведуча труба проходить через бурової стіл, обертання якого передається на неї, що, в свою чергу, обертає бурильну трубу й бурове долото в свердловині.
Звичайна процедура буріння є безперервною і включає послідовне нарощування бурильної колони загвинчування або додаванням окремих ланок, зазвичай довжиною 10 або 15 м. Буріння триває до тих пір, поки не виникає необхідність змінити бурове долото - внаслідок або його зносу, або проникнення в пласт, для якого ця долото не цілком придатне. Операції із заміни бурового долота називаються спуско-підйомними операціями. Послідовність операцій, що включає вихід зі свердловини, заміну долота і повернення в свердловину, називається рейсом.
Роторне буріння проводиться трьома основними типами бурового долота: 1) дол від ріжучого типу (риб'ячий хвіст), 2) шарошечное долото (воно називається також «долото для твердих порід»), 3) діамантове долото. Велика частина бурових наконечників відноситься до типу «долото для твердих порід», які можуть мати різний вигляд для проходження різних типів порід.
Бурова установка складається з великої кількості деталей, кожна з яких виконує свою функцію. Основними частинами бурової установки є: 1) мачтовая вишка; 2) бурова лебідка; 3) двигуни; 4) система промивання буровим розчином; 5) бурильна колона (рис. 5.4). Щоглова вишка або деррик - це структура, яку встановлюють над свердловиною для здійснення спуску і підйому бурильної труби і обладнання. Бурова лебідка служить в якості підйомного обладнання. Двигуни пускають у хід насоси для бурового розчину і лебідку, а також виробляють електроенергію. Система промивки буровим розчином складається з насосів, резервуарів, трубопроводів і шланга для циркуляції бурового розчину. Бурильної колоною називається вся обертається конструкція, яка складається з провідної труби, бурильної труби, коміра бура і бурового долота.
Буровий шлам - фрагменти пласта, відокремлені буровим долотом, - безперервно видаляється з нижньої частини свердловини за рахунок циркуляції бурового розчину (промивної рідини). Буровий розчин проходить вниз всередині бурильної труби, а потім повертається на поверхню зовні труби - це його основна функція. Крім того, буровий розчин виконує і інші важливі завдання, в число яких входить охолодження і змащення долота, освіта глинистої кірки на стінках свердловини, що надає свердловині велику міцність; створюване гідростатичний тиск перешкоджає попаданню солоної води, нафти і газу в стовбур свердловини, що допомагає запобігти викидам.
Мал. 5.4.Деталі установки для роторного буріння: а - мачтовая вишка; б-бурові лебідки; в- двигуни системи промивки буровим розчином; г - система промивання буровим розчином і бурильна колона