Издавна человечество стремилось подняться в воздух. Однако с не меньшим энтузиазмом осваивало и прямо противоположную стихию – подземное пространство. Еще не подозревая о существовании нефти, за 600 лет до нашей эры китайцы строили скважины глубиной до 500 метров – для добычи воды и соли. Египтяне применяли бурение при строительстве своих пирамид. А первую нефтяную скважину американец Эдвин Дрейк пробурил 27 августа 1859 года. В этот день началась мировая история освоения месторождений нефти и газа.
Текст: Михаил Лукьянов
Роль нефти и газа в современном мире сложно переоценить. Но прежде чем их добывать и перерабатывать, необходимо построить надежный и герметичный канал, по которому можно безопасно транспортировать природное богатство на поверхность. Бурение глубоких скважин – трудоемкий и высокотехнологичный процесс, а современные буровые установки больше похожи на небольшие заводы – они практически ничем не напоминают деревянную буровую вышку полковника Дрейка, похожую на деревенский домик.
Бурение скважины начинается с ее проектирования. В России это делают в специализированных проектных институтах, с которыми компании-операторы месторождений заключают договор. За рубежом конструкцию рассчитывают инженеры нефтяных компаний, соблюдая при этом и внутренние стандарты оператора, и требования технадзора страны. Стандарты основаны на предельных нагрузках и давлениях, которые может испытывать скважина на разных этапах строительства и эксплуатации:
- максимальная растягивающая нагрузка от веса спускаемых в скважину труб;
- избыточное внутреннее давление при добыче нефти или газа;
- избыточное наружное давление при вскрытии пласта с аномально высоким давлением.
Прогресс: когда-то бурильни больше походили на хижины
Когда проект готов и заверен технадзором, можно приступать к строительству скважины. Для этого используется буровая установка. Самый простой ее вариант применяют при бурении на суше. Бурение на акваториях со стационарных платформ
представляет собой приблизительно такой же процесс. Самое сложное – глубоководное бурение с плавучих установок и буровых кораблей: на подобные проекты приглашаются лучшие специалисты отрасли, так как технология сложна, а цена ошибки очень высока (печальным примером служит недавняя катастрофа
в Мексиканском заливе).Стоимость работы буровой установки зависит от локации: на суше от 20 000 долларов в день, на море – и до 500 000 долларов. С учетом того что некоторые скважины строятся по несколько месяцев, затраты нефтяных компаний на бурение очень велики.
На самом деле Эдвин Лаурентин Дрейк вовсе не был полковником, и даже в армии не служил: до того как стать геологоразведчиком, он работал кондуктором на железной дороге (право бесплатного проезда в поездах и привлекло к его кандидатуре новых работодателей-нефтяников). Перед тем как отправить его в Пенсильванию на поиски нефти, компания Seneca Oil послала в место назначения несколько сопроводительных писем, в которых Дрейк «для весомости» был представлен как «полковник Э.Л. Дрейк». Так звание закрепилось в истории.
Бурение и обслуживание скважины – круглосуточный процесс, в котором не бывает
праздников и выходных, поэтому на буровой постоянно находятся две смены (работающие по 12 часов, вахтами по 2–4 недели). Одновременно может быть задействовано от 10 до 30–40 рабочих и инженеров – в зависимости от сложности работ, климата и локации. Разумеется, для такой работы нужно обладать не только техническими знаниями и навыками, но и определенными психологическими качествами – долгое время находиться далеко от дома в компании одних и тех же людей, работая минимум по 12 часов в день, под силу не каждому! Хотя современные буровые, конечно, оснащены доступом в Интернет и телефонами для связи с «большой землей».
Самое сложное – бурение в море
Глубины типичных нефтяных и газовых скважин – от 2 до 4 км по вертикали (при бурении на море прибавьте к этому глубину воды). Обычно разведочные скважины бурятся вертикальными, а эксплуатационные (добывающие или нагнетательные) – наклонно-направленными или даже горизонтальными. Это нужно для большего охвата продуктивной залежи меньшим количеством скважин. Поэтому длина скважины по стволу всегда больше ее вертикальной проекции. Мировой рекорд по глубине до недавнего времени принадлежал России: в 1990 году на Кольском полуострове была пробурена Кольская сверхглубокая скважина глубиной 12 262 м. Эта скважина, конечно, сугубо научная – нефть и газ на таких глубинах не залегают. Что касается нефтяных скважин, то можно отметить два выдающихся достижения: в 2008 году датская компания Maersk Oil пробурила в Катаре скважину длиной 12 290 м, а в 2011 году американский концерн ExxonMobil установил новый мировой рекорд,
пробурив на Сахалине скважину длиной 12 345 м. В обоих примерах говорится «длина», так как в этих скважинах пробурен продолжительный горизонтальный участок – соответственно, их глубины по вертикали существенно меньше нашей Кольской. Поэтому с точки зрения достижения определенных отложений земной коры
российский рекорд по-прежнему не побит. Иными словами, Кольская скважина уже не самая длинная, но по-прежнему самая глубокая. Печально, что этот выдающийся проект был закрыт из-за недостатка финансирования в 90-е годы, и сейчас уникальная сверхмощная буровая ржавеет, а скважина законсервирована.
Основной инструмент бурения – долото: именно оно разрушает горные породы. Два
основных типа долот – шарошечные (с вращающимися конусами – шарошками, на которые наплавлены вставки-зубья) и матричные (без вращающихся частей, но с резцами из твердых сплавов или алмазов на лопастях). Есть также множество долот специального назначения для аварийных операций в скважине. Бурение начинается долотом наибольшего диаметра – на суше это чаще всего 394 мм, на море может быть до двух раз больше. Следующую секцию бурят долотом меньшего диаметра, далее – еще меньшего, и так до последней секции, которая вскрывает продуктивный (нефте- или газонасыщенный) пласт. Диаметр последнего участка обычно составляет 216 мм.
Таким образом, скважина напоминает телескопическую трубу с наибольшим диаметром у поверхности (на устье) и наименьшим – на забое.
Забойные двигатели со специальным перекосом применяются для бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Их ориентируют в скважине по определенному азимуту, и бурение идет в строго заданном направлении. Постепенно набирается зенитный угол вплоть до 90º, и ствол скважины становится горизонтальным. Бывает, что набирается еще больший угол – тогда ствол называют «восстающим». Известен случай, когда такой «восстающий» ствол вышел на поверхность в нескольких километрах от буровой, описав под землей дугу.
Долото спускают в скважину на бурильных трубах из стали или алюминия, каждая труба около 10 м длиной и диаметром 89–140 мм. Свинченные друг с другом по две-три штуки, трубы образуют «свечи» примерно 30 м длиной – это ускоряет их спуск и подъем (процессы довольно продолжительные и трудоемкие). По мере углубления скважины добавляются все новые и новые трубы, пока не будет достигнута проектная глубина. Непосредственно над долотом установлены утяжеленные толстостенные бурильные трубы – для создания необходимой нагрузки и жесткости. Один погонный метр такой трубы весит более 100 кг (в зависимости от диаметра). Соединенные между собой трубы образуют бурильную колонну. С учетом того что глубина скважин доходит до нескольких километров, бурильную колонну можно представить себе как иголку, подвешенную на длинной нитке: долото с утяжеленными трубами – это жесткая часть, то есть иголка, а бурильные трубы – гибкая (нитка). Кстати, именно относительная гибкость бурильных труб и позволяет строить наклонно-направленные и горизонтальные скважины.
Шарошечное долото
Чтобы буровое долото начало работать, его необходимо вращать. Возможно это двумя способами. Первый – с поверхности, с помощью ротора или силового верхнего привода. При этом вращается вся колонна бурильных труб, включая долото, а скорость вращения достигает 150 оборотов в минуту. Второй способ – с помощью гидравлического забойного двигателя, когда колонна неподвижна и вращается только долото. Забойный двигатель работает от гидравлической энергии бурового раствора, который через него прокачивается и может вращать долото со скоростью до 300 оборотов в минуту.
Для очистки забоя от выбуренной породы и ее транспортировки на поверхность, охлаждения долота, передачи энергии гидравлическому забойному двигателю служит буровой раствор – смесь воды, глинистого порошка (бентонита) и химических реагентов для регулирования свойств.
Буровой раствор выходит в затрубное пространство через специальные отверстия в долоте и поднимается до поверхности, где очищается от выбуренной породы. Далее он снова закачивается в бурильные трубы, обеспечивая непрерывный цикл гидравлической промывки скважины. Прокачивают буровой раствор при очень высоких давлениях (до 300 атмосфер) с помощью специальных буровых насосов.
Столб жидкости в скважине создает противодавление на пласты и предотвращает попадание нефти или газа в скважину во время бурения. Если это все-таки произошло, ситуация становится аварийной, и в худшем случае все может закончиться выбросом на поверхность – как это случилось на буровой платформе в Мексиканском заливе. Поэтому очень важно поддерживать определенную плотность бурового раствора для создания необходимого гидростатического давления. Недаром буровики говорят, что раствор – это кровь буровой.
После бурения каждой секции бурильные трубы и долото поднимаются на поверхность, а в скважину спускаются обсадные трубы чуть меньшего диаметра, чем пробуренный интервал. Пространство между стенками скважины и обсадной колонной заливают цементным раствором: этот процесс называется креплением скважины. При этом цементируются вскрытые горные породы, предотвращается переток пластовых жидкостей, а конструкции придается жесткость и герметичность. После бурения следующей секции процедура повторяется.
Скважина в работе
Чтобы скважина начала давать нефть, необходимы дополнительные мероприятия – освоение. В первую очередь это перфорирование той обсадной колонны, что находится напротив продуктивного пласта. Операция очень ответственная: если проперфорировать не тот пласт, можно загубить все предыдущие усилия. В скважину спускаются заряды, которые простреливают отверстия диаметром несколько миллиметров в обсадных трубах и затвердевшем цементе. Количество отверстий может достигать 40 штук на метр. Нефть и газ из продуктивного пласта поступают
в скважину и далее транспортируются на поверхность (с помощью погружного насоса, станка-качалки или самотеком под давлением). На поверхности скважины обвязываются в манифольды – трубопроводы, по которым нефть или газ транспортируются на пункт сбора и подготовки.
Срок эксплуатации скважин зависит от запасов месторождения. Жизнь одних плодотворна, но скоротечна. Другие, подобно бегунам-марафонцам, работают стабильно и упорно, на протяжении десятков лет. Скважины старше 40 лет смело можно отнести к разряду долгожителей.
После истощения месторождения скважины подлежат ликвидации: из них поднимают все оборудование, «внутренности» заливают цементным раствором, а на устье ставят бетонную тумбу наподобие памятника. После этого от скважины остается только табличка с названием и документы о ликвидации.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
