Умралиев Б.Т., Ермеков М.М. Капитальный ремонт скважин

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

У Ч Е Б Н И К

КАПИТАЛЬНЫЙ РЕМОНТ СКВАЖИН

УМРАЛИЕВ Б.Т., ЕРМЕКОВ М.М

Издательсво Арман-ПВ

г.Павлодар-2004

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Предисловие

Раздел 1. Основные сведения о геологии и разработке нефтяных

и газовых месторождений

1.1.

Краткая история применения нефти и газа 6

1.2.

Свойства нефти и газа 9

1.3.

Происхождение нефти 12

1.4.

Нефтяные и газовые месторождения 16

1.5.

Конструкция скважин 23

1.6.

Способы эксплуатации скважин 27

1.7.

Подземный ремонт скважин 33

Раздел 2. Оборудование эксплуатационных и нагнетательных

скважин

2.1.

Оборудование фонтанных скважин 41

2.2.

Оборудование газлифтных скважин 41

2.3.

Штанговые насосные установки 47

2.4.

Установки центробежных насосов 57

2.5.

Оборудование нагнетательных скважин 64

Раздел 3. Оборудование для подземного ремонта скважин

3.1

Оборудования для подземного ремонта скважин и его

классификация

3.2

Инструмент и приспособления для спуско-подъемных

операций

3.3.

Оборудование для механизации тяжелых ручных операций 76

3.4.

Стационарное

наземное оборудование 84

3.5.

Агрегаты для ремонта нефтяных и газовых скважин 86

3.6.

Агрегаты для гидроразрыва, гидропескоструйной

перфорации и солянокислотной обработки пласта

3.7.

Цементно-смесительные агрегаты 103

3.8.

Контроль процесса цементирования и управление им 135

3.9.

Самоходные компрессорные установки 139

3.10.

Манифольд и прочее оборудование 142

3.11.

Канатная техника 143

3.12.

Противовыбросовое оборудование 147

3.13.

Агрегаты для исследования скважин 148

3.14.

Оборудование для

вспомогательных операций и ремонта

техники

151

3.15.

Ловильные инструменты 154

3.16.

Оборудование для ремонта скважин под давлением 160

Раздел 4. Технология проведения подземного ремонта скважин

4.1.

Классификация операций, выполняемых при подземном

ремонте

163

4.2.

Подготовка скважин к ремонту 166

4.3.

Спуско-подъемные операции 176

4.4.

Смена штангового насоса и изменение глубины подвески 189

4.5.

Ремонт скважин, оборудованных погружными центробеж-

ными

электронасосами

193

4.6.

Чистка и промывка песчаных и гидратных пробок 195

4.7.

Термическая очистка труб от парафина 206

4.8.

Гидравлический разрыв пласта 207

4.9.

Гидропескоструйная перфорация 215

4.10.

Кислотная обработка скважин 218

4.11.

Ловильные работы 223

4.12.

Ремонтно-изоляционные работы 230

4.13.

Способы цементирования скважин 234

4.14.

Тампонажные материалы для повторного цементирования 243

4.15.

Методы крепления пород призабойной зоны скважин 258

4.16.

Возвратные работы 258

4.17.

Зарезка скважин вторым стволом. 260

4.18.

Ремонтно-исправительные работы 264

Раздел 5. Охрана окружающей среды

272

5.1.

Основные аспекты охраны окружающей среды 272

5.2.

Охрана воздушной

среды 273

5.3.

Охрана земной поверхности 274

Список литературы 288

ПРЕДИСЛОВИЕ

Нефть и газ приковывали к себе внимание людей с незапамятных вре-

мен. Народы разных континентов использовали нефть, асфальты, битумы

в медицине, строительстве, в качестве топлива, смазки, освещения и в

военных целях.

В настоящее время технический прогресс во всех отраслях про-

мышленности связан с применением нефти и газа. Нефть необходима для

развития почти всех видов промышленности, транспорта и сельского хо-

зяйства. Нефть и газ — отличное сырье для химической промышленности.

Из нефти и газа получают пластмассы, синтетические текстильные волок-

на, удобрения, синтетический каучук, спирты, лекарства и др. Высокая

теплотворная способность и низкая себестоимость добычи нефти и газа

по сравнению с другими видами топлива обусловливают постоянное уве-

личение доли этих видов топлива в энергетическом балансе страны.

Резкое увеличение темпов добычи нефти и газа в Казахстане в послед-

ние годы связано с значительным расширением сырьевой базы за счет от-

крытия новых крупных месторождений и новых нефтегазоносных облас-

тей. Открытие крупных месторждений нефти и газа, как Тенгизское неф-

тяное Жанажолское и Карачаганакское газоконденсатное и др. стало воз-

можным благодаря широкому развитию теоретических представлений по

условиям образования, скопления и сохранения нефти и газа.

Еще на заре развития нефтяной промышленности в 1877 г. великий

русский ученый Д. И. Менделеев писал: «Представим себе слой песчани-

ка, подобный губке, напитанной нефтью, вообразим, что такая губка ок-

ружена непроницаемыми стенками, и представим себе затем, что в этом

замкнутом пространстве имеются возвышения и углубления... Газ должен

скопляться в верхних частях такого пространства, а нефть — в нижних»!

Уже в середине XIX в. русские ученые Г. Абих, А. М. Коншин, Г. Д. Ро-

мановский писали о скоплениях нефти и газа в антиклинальных структу-

рах.

В начале XXI века Казахстан стал одним из ведущих нефтедобываю-

щих стран мира, заняв второе место среди стран СНГ, после России. Этот

статус Казахстан получил не сразу, а благодаря многолетним исследова-

ниям ученых, геологов специалистов нефтегазовой промышленности. В

1999 году наша страна отмечала Юбилей - 100-летие нефтяной промыш-

ленности республики.

Сегодня одной из важнейших проблем мировой экономики являются

энергетические ресурсы. Основными видами их являются: нефть, газ,

уголь, гидро-энергетические ресурсы, атомная энергия, синтетическое

топливо и другие. В настоящее время более 90% мировой энергетики со-

ставляют нефть, газ и уголь. По-видимому и в XXI веке могучей силой

останутся эти три кита.

Сегодня, нефть является символом Казахстана. Благодаря политики,

проводимой Президентом страны Н.А.Назарбаевым, Казахстан стал одним

из наиболее влиятельных государств на Евразийском пространстве.

Политическая стабильность, успешные экономические реформы при-

родный и людской потенциал нашей страны являются фундаментом авто-

ритета Казахстана в регионе.

Нефтегазовая отрасль Казахстана имеет богатую 100-летнюю историю.

Республика обладает значительными разведенными запасами нефти и га-

за, а также перспективными и прогнозными ресурсами, являющимися на-

дежной основой для развития нефтегазового комплекса.

В настоящее время доказанные извлекаемые запасы Казахстана, без

учета шельфа Каспийского моря, составляют около 2,8 милли-

ардов тонн нефти и газоконденсата. Предполагаемые запасы оценивает-

ся 2,2 млрд. тонн, нефти. По прогнозным запасам существует

разброс от 8 до 22 млрд. тонн, но большинство экспертов сходятся на

цифре 12 млрд. тонн. Производительная оценка запасов нефти на Казах-

станском шельфе Каспийского моря составляет от 25 до 60 млрд. барре-

лей. Прогнозные извлекаемые ресурсы нефти, без учета шельфовых

месторождений, оценивается в 6,3 млрд. тонн. Из них 70 % сосредоточе-

но в Западном Казахстане и залегает на глубине 5000 метров и более.

Сегодня на территории Казахстана открыть 208 месторождении содер-

жащих запасы промышленных категорий. Из них 98 нефтяных, 67 нефте-

газовых, 22 газовых и газоконденстных месторождений. В разработке на-

ходится около - 75 месторождений.

В географическом плане запасы нефти распределены крайне неравно-

мерно. На территории Западных областей, Мангистауской, Атырауской,

Западно-Казахстанской и Актюбинской областей находится 98,2 % разра-

батываемых месторождений. Все месторождений запасами более 100 млн.

тонн, многие месторождения, расположенные на суше, эксплуатируются

длительные время и являются малодебитными.

Однако следует отметить, что за прошедшие 10-летие в Республике не

было открытие новых месторождений, т.к. всем известное месторождения

Кашаган был открыт еще в Советском Союзе. Нефтедобывающие компа-

нии, безусловно, должны быть заинтересованными открытием новых ме-

сторождений, необходимо ведение дальнейших геолого-геофизических

исследований, ведение регионального поиска, космических исследований,

использование новых методов разведки, сложных технологии бурении и

т.д., а главное, подготовить высококвалифицированных специалистов ин-

женеров-геологов, буровиков и разработчиков нефтяных и газовых место-

рождений.

Дальнейший рост добычи нефти и газа возможен при правильной раз-

работке и эксплуатации месторождений, в том числе включая мероприя-

тия по повышению нефтеотдачи пластов. В этой связи необходимо акти-

визировать роль учебных заведении как форватора по подготовке кадров

для нефтегазового разного ранга, в том числе и обслуживающего персо-

нала.

РАЗДЕЛ 1

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИИ И

РАЗРАБОТКЕ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ ЗАЛЕЖЕЙ

1.1. Краткая история применения нефти и газа

Человечество использовало нефть с глубокой древности. По данным

археологов еще за 6000 лет до нашей эры на Ближнем Востоке в бассейне

реки Евфрат существовали кустарные промыслы по добычи нефти. При-

родный газ, также стал известен человеку очень давно. В предгорьях Ма-

лого Кавказа, на Апшеронском полуострове за 6000 лет до нашей эры го-

рели «вечные огни». Естественно приписывалось им божественное проис-

хождение. По видимому, данное явление стало одной из причин культа

огнепоклоников, т. е. поклонения огню у многих народов мира.

В настоящее время считается, что исходным для образования слова

«нефть» было мидийское слово «нафата», что означало «просачивающая-

ся», «вытекающая». Государство Мидия существовало в IX — VI веках до

н. э. на границе территорий современных Азербайджана и Ирана.

В странах Западной Европы, для обозначения нефти широко использу-

ются слова, производные от латинского слова «петролеум», т. е. каменное

масло («петрос»— камень, «олеум»— масло): в Англии - «петролеум», во

Франции и Румынии —«петроль», в Италии —«петролио».

Другое широко распространенное название нефти -«ойл» - означает

также «масло», «растительное масло». Так как нефть считали «каменным

маслом», то слово «ойл» стало применяться и для ее обозначения. Эти

три слова затем вошли во многие другие языки.

Как уже отмечалось, нефть широко применялась для освещения. Так,

когда в 330 г. до н. э. войска Александра Македонского дошли до Кас-

пийского моря, то они обнаружили, что в отличие от древних Египта, Ри-

ма и Греции, где светильники заправлялись оливковым маслом, местные

жители использовали для этого нефть.

Нефть с давних времен применялась и как лекарственное средство.

Считалось, что белая нефть излечивает от простудных заболеваний, а

черная от кашля. Египтяне использовали нефтяные масло при бальзами-

ровании. Древнегреческий ученый Гиппократ (IV—V в. в. до н. э.), кото-

рого считают отцом медицины, описал много лекарств, составной частью

которых была нефть.

Наиболее громкую славу нефти принесло ее использование в военных

целях. Римский ученый Плиний Старший, описывая походы римлян, упо-

минает, что защитники осажденного города Лукула сбрасывали с город-

ских стен на головы атакующих горшки с горящей нефтью.

Войска Чингисхана (XII—XIII в. в.) овладели крепостью Бухара, за-

бросав ее горшками с нефтью и выпуская горящие стрелы, что привело к

многочисленным пожарам.

В боях с половецким князем Кончаком русские воины, как свидетель-

ствует «Ипатьевская летопись», имели стрелы с пучками тряпья, смочен-

ными «земляной смолой», т. е. нефтью.

Однако самым страшным оружием древности был так называемый

«греческий огонь». Считается, что его отелем является грек Каллинико-

лос из Гелиополиса.

Согласно историческим хроникам, в 673 г. нашей эры во время осады

Константинополя арабами, он передал византийскому императору рецепт

зажигательного состава, названного позднее «греческим огнем». В руко-

писях говорится, что эта смесь воспламенялась от контакта с воздухом.

Залить «греческий огонь» было невозможно: вода лишь усиливала его го-

рение, способствуя растеканию смеси.

Особенно эффективен «греческий огонь» был в борьбе с кораблями

противника. Так, во время атаки арабов на Константинополь греки под-

пустили вражеские корабли поближе, а затем неожиданно вылили и море

огромное количество зажигательной смеси. Более суток длился этот по-

жар, в результате которого сгорел почти весь арабский флот.

Состав «греческого огня» хранился в глубокой тайне. Лишь спустя 400

лет после поражения у стен Константинополя арабским алхимикам уда-

лось установить, что основу «греческого огня» составляет смесь нефти с

серой и селитрой.

Первым нефтепродуктом, с которым познакомилось человечество, был

асфальт, представляющий собой вязкое смолистое вещество, получаемое

в результате длительного выветривания нефти. Слово «асфальт» ввел в

литературу Геродот, описавший в 460... 450 г. г. до н. э. в «Истории гре-

ко-персидских войн» персидские и месопотамские асфальтовые месторо-

ждения. «Асфальт» производное от слова «асфалес» (прочный, крепкий,

надежный). Древние называли асфальт горной смолою, а по современным

представлениям — это один из видов природного битума.

Широко известен библейский миф о всемирном потопе, во время

которого спасся только Ной и его семья, благодаря тому, что он заблаго-

временно построил ковчег, который для гидроизоляции осмолил снаружи

и изнутри природной смолою (асфальтом).

Прототипом библейского Ноя, который после всемирного потопа стал

родоначальником всего человечества, да еще и спас на своем ковчеге

«каждой твари по паре», был ассиро-вавилонский Ут-Напиштим. История

того, как он спасся, изложена на 12 глиняных табличках, датируемых

примерно 2500 г. до н. э. В них в частности, говорится, что свой ковчег

он осмолил асфальтом.

В 700 — 500 гг. до н.э. в Вавилоне асфальт использовали как водоне-

проницаемое вещество при создании «висячих садов» Семирамиды — од-

ного из семи чудес света, а также туннеля длиной 1 км под р. Евфрат.

Откуда же появилось слово «керосин»? В 1846 -1847 гг. производ-

ство осветительного масла из каменного угля организовал в США А. Гес-

нер.

Он назвал полученную жидкость «керосен ойл» (от греческого «ке-

рос»— воск), т. е. «восковое масло».

Американский продукт быстро завоевал рынок не только в США, но и

в Европе. В настоящее время «керосином» называют фракцию нефти, ко-

торая выкипает в температурных пределах от 175 до 300°С. Различа-

ют «керосин осветительный», используемый для освещения, «керосин-

тракторный», применяемый в качестве горючего для тракторов, и керо-

син авиационный» топливо для реактивных двигателей. Более

легкая фракция нефти, чем керосин получил название «бензин» (от иска-

женного арабского – «любензави» - горючее вещество), а другой – густая

грязно-черная жидкость, получаемая в остатке и названная «мазу-

том» (от арабского — отброс). Длительное время оба они считались не-

нужными продуктами.

Однако в 1866 г. А. И. Шпаковский изобрел паровую форсунку, в ре-

зультате чего мазут начал применяться в топках как топливо. Затем из

мазута стали вырабатывать смазочные масла, а в 1890 г. выдающийся

русский инженер В. Г. Шухов предложил способ расщеп-ления тяжелых

углеводородов мазута с целью получения светлых нефтепродуктов, полу-

чивший название «термический крекинг».

Около 100 лет бензин оставался опасным и ненужным продуктом.

Только изобретение двигателя внутреннего сгорания русским изобретате-

лем Игнатием Костовичем в 1879 г. открыло дорогу его широкому приме-

нению. О росте спроса на бензин можно судить по росту количества ав-

томобилей с карбюраторным двигателем, в 1896 г. в мире их было около

4, в 1908 г. — 250 тысяч, а в 1910 г. — 10 миллионов.

В 1910 году в топливный баланс стран мира основной вклад вносили

уголь (65%), дрова (16%), растительные и животные отбросы (16%). На

долю нефти приходилось всего 3% потребляемой энергии. Природный газ

использовался в ограниченных масштабах.

Первый завод по производству светильного газа в России был построен

в 1835 году в Петербурге. К концу XX века такие заводы были построены

почти во всех крупных городах страны. Они давали свет улицам, фабри-

кам, театрам, жилым домам. В 1914 году в Петербурге было газифициро-

вано 3000 квартир.

В конце XIX века в Баку начали использовать в котельных попутный

нефтяной газ, добываемый вместе с нефтью. Широкое применение при-

родного газа в мире началось лишь в 50-х годах нашего века (Коршак,

Шаммазов, 2001).

Еще большее впечатление производили на людей залповые выбросы

воспламенившегося газа из грязевых «вулканов».

Особое значение для развития науки о геологии нефти имела научная

деятельность академика И. М. Губкина. В капитальном труде «Учение о

нефти» (1932 г.) им были изложены основные положения об условиях об-

разования и закономерностях формирования скоплений нефти. И. М. Губ-

кин на основе тщательного анализа условий залегания нефти в недрах

Кубани впервые ввел в геологическую литературу понятие о литологиче-

ской залежи, установив, что скопления нефти могут образоваться не

только в антиклинальных структурах, но и в линзах песков, ограниченных

слабопроницаемыми породами, залегающих в руслообразных углублени-

ях. Одним из главных достижений И. М. Губкина является смелый научно

обоснованный прогноз возможностей открытий крупных скоплений нефти

между Волгой и Уралом, в Западной Сибири, что блестяще подтвердилось

в наши дни.

В первой половине XX столетия научная геологическая мысль была

направлена на выяснение закономерностей размещения единичных скоп-

лений нефти и газа. В 1934 г. М. В. Абрамович первый дал определение

залежи как единичного скопления нефти. В 1936 г. американский иссле-

дователь А. И. Леворсен указывал на наличие значительных скоплений

нефти в зонах несогласного перекрытия нефтегазоносных толщ и выдви-

нул термин «стратиграфическая залежь». В середине XX столетия стало

очевидным многообразие скоплений нефти и газа в недрах, в ловушках

антиклинального типа, в зонах выклинивания пластов-коллекторов и ре-

гионального перекрытия нефтегазоносных толщ непроницаемыми поро-

дами.

Параллельно с накоплением информации о единичных скоплениях неф-

ти и газа многие исследователи посвящали научные работы региональным

закономерностям распространения углеводородов. Была доказана приуро-

ченность нефти и газа к определенным зонам нефте-газонакопления и к

нефтегазоносным областям, связанным с отдельными крупными тектони-

ческими элементами, устойчиво прогибавшимися длительное время. Осо-

бенно высокими концентрациями углеводородов и наличием крупных ме-

сторождений отличаются сводовые и линейно вытянутые поднятия внут-

риплатформенных впадин и склонов краевых прогибов, обращенных в

сторону платформ. Только на территории бывшего Советского Союза к

таким участкам земной коры приурочено около 75% всех выявленных за-

пасов нефти и газа.

1.2. Свойства нефти и газа

Нефть представляет собой маслянистую горючую жидкость, обычно

темно-коричневого цвета, со специфическим запахом. По химическому

составу нефть—сложное соединение в основном двух элементов — угле-

рода (82—87%) и водорода (11—14%). Такие соединения называются уг-

леводородами.

Кроме углерода и водорода, в нефтях содержатся в небольших количе-

ствах кислород, азот и сера, в ничтожных количествах, в виде следов —

хлор, фосфор, иод и другие химические элементы.

В нефтях встречаются следующие группы углеводородов: 1) метановые

(парафиновые), 2) нафтеновые и 3) ароматические. Обычно нефти бывают

смешанного типа с преобладанием в их составе той или иной группы уг-

леводородов и в зависимости от этого носят название парафиновых, наф-

теновых или ароматических.

Наиболее распространены в природных условиях углеводороды мета-

нового ряда

Углеводороды, в молекулах которых имеется свыше 17 атомов углеро-

да, относятся к твердым веществам. Это парафины и церезины, они со-

держатся в тех или иных количествах во всех нефтях.

Физические свойства, нефтей, а также их качественная характеристика

зависят от преобладания в них отдельных углеводородов или их различ-

ных групп. Нефти с преобладанием сложных углеводородов (тяжелые

нефти) содержат меньшее количество бензиновых и масляных фракций.

Содержание в нефти большого количества смолистых и парафиновых со-

единений делает ее вязкой и малоподвижной, что требует применения

особых мероприятий для извлечения ее на поверхность и последующей

транспортировки.

В зависимости от состава или некоторых свойств нефти класси-

фицируются на классы, типы, группы, подгруппы и виды. Это облегчает

сортировку нефтей по качеству при сборе, транспортировке, а также при

ее переработке.

По содержанию серы нефти делятся на три класса: малосернистые (со-

держание серы до 0,5%); сернистые (содержание серы от 0,51 до 1,9%);

высокосернистые (серы более 1,9%).

Содержание в нефтях сернистых соединений ухудшает их качество и

вызывает осложнения при добыче, транспортировке и переработке,

вследствие коррозии трубопроводов, резервуаров и другого технологиче-

ского оборудования.

По содержанию парафина нефти делятся на три вида — мало-

парафинистые — с содержанием парафина до 1,5%, парафинистые — с

содержанием парафина от 1,51 до 6,0% и высокопарафинистые — с со-

держанием парафина свыше 6%. Иногда встречаются нефти с очень боль-

шим содержанием парафина (мангышлакские нефти содержат до 28—30%

парафина). Кроме того, нефти подразделяют по основным качественным

показателям — содержанию светлых бензиновых, керосиновых и масля-

ных фракций.

Фракционный состав нефтей определяют путем лабораторной разгонки

их, которая основана на том, что каждый углеводород, входящий в ее со-

став, имеет свою определенную точку кипения. Легкие углеводороды

имеют низкие точки кипения.

Если пары нефти, подогретой до определенной температуры, собрать и

охладить, то они снова превратятся в жидкость, представляющую собой

группу углеводородов, выкипающих из нефти в данном интервале темпе-

ратур. Таким образом, в зависимости от температуры подогрева нефти из

нее сначала испаряются самые легкие — бензиновые фракции, затем бо-

лее тяжелые — керосиновые, затем соляровые и т. д.

Процентное содержание в нефти отдельных фракций, выкипающих в

определенных температурных интервалах, характеризует фракционный

состав нефти. Обычно в лабораторных условиях разгонку нефти произво-

дят в интервалах температур до 100, 150, 200, 250, 300 и 350 °С.

Простейшая переработка нефти основана на том же принципе, что и

лабораторная разгонка. Это прямая перегонка нефти с выделением из нее

в условиях атмосферного давления и нагрева до 300—350 °С бензиновых,

керосиновых и соляровых фракций.

По содержанию смолистых веществ в мазуте, полученном: после отбо-

ра из нефти светлых фракций при температуре до 350 °С, нефти класси-

фицируются на малосмолистые — при содержании смол не более 8%,

смолистые — при содержании смол от 8 до 25%, высокосмолистые— при

содержании смол свыше 25%.

Один из основных показателей товарного качества нефти — ее плот-

ность. Плотность нефти при температуре 20 °С и атмосферном давлении

колеблется от 700 (газовый конденсат) до 980 и даже 1000 кг/м

. По

плотности сырой нефти ориентировочно судят о ее качестве. Легкие неф-

ти с плотностью до 880 кг/м

— наиболее ценные: они, как правило, со-

держат больше бензиновых и масляных фракций.

В практике чаще пользуются понятием «относительная плотность неф-

ти», под которой подразумевается отношение массы нефти к массе того

же объема дистиллированной воды при температуре 4 °С (при 4 °С плот-

ность воды наибольшая).

Плотность нефтей обычно измеряют ареометром, представляющим со-

бой стеклянную трубку с расширенной нижней частью, в которой поме-

щается ртутный термометр. Вследствие значительного веса ртути арео-

метр при погружении в нефть принимает вертикальное положение. В

верхней узкой части ареометра имеется шкала для определения плотно-

сти, а в нижней части. В зависимости от температуры плотность нефти

составляет около 0,85 кг/м