Оборудование и методы бурения

После того как геолог-нефтяник обнаружит район, благоприятный для скопления нефти или газа, на этом месте начинается бурение нефтяных скважин. Так, в США ежегодно бурится более 2 млн. скважин, из которых примерно четверть оказываются продуктивными.

Основные условия бурения. Бурение должно обеспечивать разрушение горных пород тех отложений, через которые проходит скважина, и вынос раздробленных частиц породы на поверхность; при этом необходимо контролировать высокий напор флюидов (воды, нефти и газа), которые могут неожиданно встретиться в проходимых скважиной пластах, а также обеспечивать поддержку стенок скважины, чтобы они не обваливались и не образовывали каверн. Конечно, оборудование должно обеспечивать бурение скважин требуемого диаметра на любой необходимой глубине. Часто скважины бурятся на глубинах более 7500 м. (Сверхглубинная скважина на Кольском полуострове, заложенная с чисто научными целями, к 2000 достигла глубины 12 500 м. Аналогичная по назначению скважина в южной части ФРГ пробурена до глубины около 10 000 м. Продуктивная газовая скважина в Австрии имеет глубину 8553 м, в шт. Оклахома в США – 9583 м. Начальный диаметр скважины может достигать 90 см, но обычно в зависимости от условий он составляет от 25 до 70 см. Диаметр скважины обычно уменьшается с глубиной и у забоя иногда составляет 8 см, но чаще находится в пределах 10–20 см.

Классификация методов бурения. Все методы бурения могут быть подразделены на ударное и вращательное бурение. Установка ударного бурения бурит скважину путем возвратно-поступательного движения (падения и подъема) тяжелой колонны труб бурового инструмента; эти удары крошат породу, а раздробленные частицы породы поднимаются и выносятся из скважины в виде водной суспензии. При вращательном (роторном) бурении проходка горных пород осуществляется тяжелой вращающейся буровой колонной; срезанные у дна (забоя) скважины обломки породы непрерывно поднимаются на поверхность рабочей жидкостью, циркулирующей в скважине под давлением (см рисунок).

УСТАНОВКА РОТОРНОГО БУРЕНИЯ, используемая для бурения на большие глубины.

Под действием веса тяжелой буровой колонны, которая давит на долото, и ее вращения долото разрушает породы и углубляется в них. При этом бурильщик медленно опускает буровую колонну, постепенно отпуская подъемный трос с барабана лебети. При бурении многое зависит от поддержания правильного давления на долото и скорости вращения буровой колонны. Употребляется несколько разных типов буровых долот; одни используются для бурения мягких пород, другие – при проходке более твердых пород. Специальный инструмент предназначается для отбора образцов пород (керна) на забое или из стенок скважины. Скорость проходки при роторном бурении изменяется в широких пределах в зависимости от характера разбуриваемых пород, глубины скважины, качества оборудования и мастерства бурильщика. В плотных известняках или хорошо сцементированных песчаниках скорость проходки не превосходит 30 см/ч, а в мягких отложениях может достигать 24 м/ч. Когда долото снашивается, буровую колонну развинчивают в «свечи» длиной 25–40 м, а после смены изношенного долота свечи вновь соединяют и опускают в скважину.

Эффективность глубокого роторного бурения зависит от поддержания подходящей вязкости и плотности бурового раствора. Этот раствор не только поднимает к поверхности частицы разбуренной породы (шлам), но также выполняет роль смазки и охлаждения колонны буровых труб и долота; он же образует глинистую корку на стенках скважины, которая изолирует пористые пласты от проникновения в них бурового раствора. Иногда вместо водного бурового раствора используется раствор на нефтяной основе. Для получения и стабилизации необходимых физических свойств буровых растворов часто используются различные химические реагенты и добавки, такие, как тонкоперетертые порошки тяжелых минералов (обычно барита) и тонкодисперсные коллоидные глины.

Важной разновидностью вращательного бурения является бурение с помощью турбобура. При роторном бурении приводной двигатель находится на поверхности земли и с помощью ротора приводит во вращение всю колонну труб с долотом на забое. При турбинном бурении двигатель турбобура с буровым долотом крепится к низу колонны труб. В буровую колонну закачивается буровой раствор, который приводит в движение турбину и тем самым вращает долото. Поднимающийся к поверхности в затрубном пространстве (между стенками скважины и буровой колонной) буровой раствор, как и при роторном бурении, выносит из скважины шлам и играет роль смазки. В разных горно-геологических условиях и при разных глубинах применяются те или иные виды вращательного бурения и их комбинации.

Крепление скважин. Скважины укрепляют обсадными колоннами для предохранения стенок скважин от обрушения и образования каверн, для

изоляции водоносных горизонтов и ограничения тех участков скважины, где могут неожиданно встретиться какие-либо проявления нефти и газа.

Обсадная колонна образуется из труб большого диаметра, выработанных по определенной технологии. Обсаживание скважины допускает некоторую свободу в выборе диаметра, длины и толщины труб; отдельные трубы соединяются друг с другом посредством муфт с резьбой и устанавливаются в скважине по специальному проекту.

При обсадке нефтяной или газоносной скважины обычно используется несколько колонн, которые телескопически вставляются одна в другую и опускаются на различные глубины.

Изоляция водопритока в скважину. Пластовые воды, которые встречаются при бурении скважин, должны быть изолированы. Они обычно изолируются цементацией пространства между стенкой скважины и обсадной колонной.

Инструменты и методы ловильных (аварийных) работ. Для извлечения из скважины разрушенных или поврежденных частей бурового инструмента, обсадных труб и другого скважинного оборудования часто необходимы специальные инструменты. Смятые части обсадных колонн могут быть отремонтированы в скважине с помощью специальной оправки для ремонта обсадных труб. Оторвавшиеся части труб в скважине могут быть захвачены специальной труболовкой, ершом или овершотом (пружинным захватом), специальным колоколом для ловли обсадных труб или ловильными метчиками.

Направленное бурение. Обычно планируется бурение вертикальной и прямолинейной скважины, но при бурении часто происходит отклонение от вертикали или ствол скважины изгибается. Существуют специальные скважинные приборы для определения участков такого отклонения. В некоторых случаях, напротив, ставится цель отклонения от вертикали для того, чтобы достичь объекта на расстоянии, отстоящем в несколько десятков или сотен метров по латерали от расположения устья скважины. Таким образом, забой скважины может уходить от устья на километр или более, например, от берега под дно океана, озера или реки.

Морское бурение. Существует по крайней мере пять способов бурения в пределах водоемов (смотрите рисунок). Созданы суда, специально приспособленные для бурения в научных целях на дне океанов. Такие суда сохраняют свое положение с помощью якорей или специальных гребных винтов.

РАЗНЫЕ ТИПЫ УСТАНОВОК МОРСКОГО БУРЕНИЯ могут обеспечить добычу нефти из-под воды на разных глубинах.

Подготовка скважины к эксплуатации. После того как скважина пробурена и прошла нефтяной или газовый пласт, необходимо подготовить ее к работе. Для опробования пласта и определения производительности скважин используется специальное оборудование. Стенки скважины должны быть очищены от глинистого раствора и твердых осколков, которые осели в процессе бурения. Плотные отложения с низкой проницаемостью торпедируются. Взрыв образует вокруг ствола скважины трещины, которые увеличивают приток нефти. С середины 20 века взрывы в основном заменяются гидроразрывом. При этом вода и нефть, содержащие песок, проталкиваются в породы под большим давлением; породы растрескиваются, и песок входит в трещины, поэтому последние остаются открытыми и после снятия давления. Если необходимо укрепить стенки скважин у продуктивного пласта (например, в случае их рыхлости и возможного осыпания), то устанавливают обсадную колонну, а затем перфорируют ее и оборудуют фильтром для предотвращения поступления песка. Для повышения коэффициента продуктивности на продуктивном участке могут быть созданы заполненные гравием каверны. После установления на устье скважин трубной головки, регулирующей арматуры, газового генератора, емкостей для жидкостей и насосного оборудования скважина готова к эксплуатации (смотрите рисунок).

СХЕМА УСТАНОВКИ ФОНТАННОЙ АРМАТУРЫ на головке скважины; нефть поступает через отверстия перфорации и поднимается вверх под воздействием пластового давления. 1 - пакер (сальник); 2 - фонтанная арматура; 3 - трубопровод для оттока нефти в хранилище; 4 - поверхностная обсадная колонна (кондуктор); 5 - цемент; 6 - промежуточная (техническая) обсадная колонна; 7 - эксплуатационная обсадная колонна; 8 - насосно-компрессорная колонна; 9 - извлекаемый флюид.

Добыча нефти и газа

Породы с крупными порами, в которых собирается нефть, называются резервуарными или коллекторами. Поры между частицами заполняются смесью нефти, газа и воды; эта смесь в процессе уплотнения выжимается и тем самым принуждается к миграции из пор пород.

Нефть и газ залегают в породах всех возрастов даже в трещиноватых и выветрелых приповерхностных зонах докембрийского кристаллического фундамента. Наиболее продуктивные породы-коллекторы Северной Америки были сформированы в ордовикском, каменноугольном и третичном периодах. В других частях света добывают нефть в основном из отложений третичного возраста.

Месторождения нефти и газа приурочены к структурно-приподнятым участкам, таким, как антиклинали, но в региональном плане большинство месторождений располагается в крупных впадинах, так называемых осадочных бассейнах, куда за геологическое время вносятся большие объемы песков, глин и карбонатных осадков. Многочисленны такие нефтяные месторождения по краям континентов, где реки откладывают приносимый ими материал в морские глубины. Примерами подобных районов являются Северное море в Европе, Мексиканский залив в Америке, Гвинейский залив в Африке и регион Каспийского моря. Здесь бурятся скважины при глубине моря до 1500 м.

Впервые нефтяная скважина была пробурена в 1865 году. Однако систематическая добыча нефти в мире началась лишь спустя 2000 лет. И по сей день бурение скважин – это единственный способ пробиться к залежам нефти. После бурения скважины и появления доступа к его месторождению. Из-за давления внутри пласта, нефть, как правило начинает фонтанировать на поверхность земли.

Существуют три, самых распространённых, способа добычи нефти:

▪ фонтанный - он же самый простой способ добычи

▪ газлифтный – специфичный способ добычи

▪ насосный – часто применяемый способ добычи

Насосный способ хотелось бы выделить отдельно, так как при помощи него добывается около 85% всей добываемой на нашей планете нефти. Глубина нефтяных скважин может варьироваться от нескольких десятков (очень редко) и сотен метров до нескольких километров. Ширина скважин может достигать величины от 10 см до 1метра. На территории России залежи нефти находятся на очень больших глубинах – от 1000 до 5000 метров.

Важные нефтегазоносные области окружают Мексиканский залив и продолжаются в его подводную часть. Они включают богатые месторождения Техаса и Луизианы, Мексики, о.Тринидад, побережья и внутренних районов Венесуэлы. Крупные нефтегазоносные области располагаются в обрамлении Черного, Каспийского и Красного морей и Персидского залива. Эти районы включают богатые месторождения Саудовской Аравии, Ирана, Ирака, Кувейта, Катара и Объединенных Арабских Эмиратов, а также Баку, Туркмении и западного Казахстана. Нефтяные месторождения островов Борнео, Суматра и Ява составляют основные зоны полезных ископаемых Индонезии. Открытие в 1947 нефтяных месторождений в Западной Канаде и в 1951 в Северной Дакоте положило начало новым важным нефтегазоносным провинциям Северной Америки. В 1968 были открыты крупнейшие месторождения у северного побережья Аляски. В начале 1970-х годов крупные нефтяные месторождения были обнаружены в Северном море у берегов Шотландии, Нидерландов и Норвегии. Небольшие нефтяные месторождения имеются на побережьях большинства морей и в отложениях древних озер.

Конечно же сейчас нефть не добывают, просто дожидаясь когда же она заполнит природный колодец или выжимая известковые породы, пропитанные углеводородами. В реальных условиях способ доступа к нефтяным месторождениям мало чем изменился по отношению к чуть более чем вековой давности.

Современная технология добычи нефти

Процесс добычи нефти можно условно разделить на 3 этапа:

1 - движение нефти по пласту к скважинам благодаря искусственно создаваемой разности давлений в пласте и на забоях скважин,

2 - движение нефти от забоев скважин до их устьев на поверхности - эксплуатация нефтяных скважин,

3 - сбор нефти и сопутствующих ей газов и воды на поверхности, их разделение, удаление минеральных солей из нефти, обработка пластовой воды, сбор попутного нефтяного газа.

Перемещение жидкостей и газа в пластах к эксплуатационным скважинам называют процессом разработки нефтяного месторождения. Движение жидкостей и газа в нужном направлении происходит за счет определенной комбинации нефтяных, нагнетательных и контрольных скважин, а также их количества и порядка работы.

Самая глубокая скважина в мире находится в России на Кольском полуострове, - она располагается на глубине 12,3 километров, но правда относится к разряду научных. Научные скважины используются в основном для изучения геолого-химического состава пластов земли.

Заключение

Итак, нефть и природный год в настоящее время играют большое значение в различных сферах жизни. Из сырой нефти различными физико-химическими методами производится более 3 тыс. продуктов. Эти продукты включают горючие газы, бензин, лигроин, растворители, керосин, газойль, бытовое топливо, широкий состав смазочных масел, мазут, дорожный битум и асфальт; сюда относятся также парафин, вазелин, медицинские и различные инсектицидные масла. Масла из нефти используются как мази и кремы, а также в производстве взрывчатых веществ, медикаментов, чистящих средств, пластмасс, все возрастающего числа различных химикатов. Многие нефтеперерабатывающие предприятия производят не только индивидуальные углеводороды, но и многие химические производные этих углеводородов.

Главное использование природного газа – в качестве топлива в промышленности и быту. В промышленности он применяется при выплавке металлов и стекла, производстве извести и цемента, приготовлении хлеба и другой пищи и во многих других случаях. Он используется также в производстве бензина, сажи и некоторых важных химических продуктов, таких, как метиловый спирт, формальдегид, синтетический аммиак. В домашнем хозяйстве газ служит горючим в печах, нагревательных приборах, газовых плитах

ЛИТЕРАТУРА

«Нефти и газы месторождений зарубежных стран.», 1977 Хант Д.

«Геохимия и геология нефти и газа».1982 Геодекян А.А., Забанбарк А.

«Геология и размещение нефтегазовых ресурсов в Мировом океане». 1985