Глубина нефтяных скважин


Глубина бурения скважин

История бурения скважин берет начало примерно за 600 лет до нашей эры, в Китае. С помощью ручного труда и примитивных, по современным меркам технологий, скважины могли уходить под землю на впечатляющее для того времени расстояние около 900 метров. В приоритете находились добыча соляных растворов и пресной воды, но, порой, извлекались нефть или газ, правда, применялись лишь для выпаривания соли.

Современные технологии позволили механизировать процесс и углубляться в недра земли на расстояние более 10 тысяч м. В перспективе, утверждают ученые, глубина бурения скважин достигнет отметки в 15 тысяч метров, перед тем как начнется мантия земной коры.

Виды глубин скважин

В зависимости от глубины, скважины можно разделить на 4 вида. Самые глубокие (или сверхглубокие) впиваются в грунт на расстояние, превышающее 6 км, и рассчитаны на добычу нефти и разведку залежей полезных ископаемых. Хотя самая глубокая до 2008 года скважина в мире носила исключительно научно-исследовательский характер. Глубокие скважины насчитывают от 4,5 до 6 км, средние от 2 до 4,5 км и мелкие до 2 км.

Существует несколько методов определения глубины бурения скважины, таких как геофизический или акустический, но в связи с дороговизной проще собрать информацию о соседних источниках  и спрогнозировать глубину бурения или обратиться к «ненаучным» способам. Самый популярный из них – биолокация, когда поиск и определение глубины воды осуществляется с помощью алюминиевых, согнутых под прямым углом, стержней.

Самая глубокая нефтяная скважина

Глубина бурения скважин зависит от цели, преследуемой бурением. Если говорить о добыче нефти, то средняя глубина составляет от 2 до 3 км, а самая глубокая нефтяная скважина на сегодняшний день более 12 км. Для сравнения глубина Марианской впадины приблизительно 11 км.  Залежи газа находятся на глубине от 1 км.

Интересно, что первая нефтяная скважина в России была прорублена ручным вращательным способом в 1846 году, а первая нефтескважина в США была сделана в 1859 году и имела глубину всего 21 метр. Хотя последние исследования установили, что двумя годами ранее, инженер Уильямс получил первую нефть из скважины в 15 м, но принято считать, что старт американской нефтепромышленности состоялся именно в 1859 году. 1896 год американцы считают началом морского нефтяного промысла.

В 1949 году в Каспийском море, на расстоянии 40 км от берега был построен целый поселок на эстакадах для добычи нефти. Формально, добыча нефти с морских глубин началась гораздо раньше, еще в 20-х годах 19 столетия на территории России, Японии и США, но в промышленных масштабах началась спустя более чем 100 лет.

Глубина бурения скважин океанских недр может достигать 2 тыс. метров и находится на глубине до 10 тыс. метров под водой. Активно осваивать морские залежи нефти и газа стали американцы, после спуска на воду судна со встроенной бурильной установкой в 1968 году. Этот год стал отсчетом новой эры в морской нефтепромышленности.  С тех пор количество скважин расположенных в мировом океане превысило 2000 единиц.

Глубина артезианской скважины

Подавляющая часть мелких скважин не превышает несколько сотен метров и предназначены для добычи и эксплуатации воды. При этом они подразделяются на водозаборные песчаные и артезианские скважины. Различие этих скважин в глубине бурения, практичности, производительности, долгосрочности и ценности добываемой воды. Артезианские воды обладают лучшим и стабильным химическим составом. Скважина на известняк, как еще называют артезианскую скважину, выигрывает по показателям у песчаной, но, как правило, глубина артезианской скважины значительно выше, и зависит, в первую очередь, от глубины водоносного пласта. Чаще всего, артезианские воды, залегают на глубине от 50-100 метров и более, временами до 1000 метров, ну а стоимость скважины напрямую зависит от ее глубины.

Глубина добычи нефти

В зависимости от расположения месторождения, нефть можно добывать на глубине от 100 метров и больше. Раньше, когда нефть еще не так использовалась человечеством, ее можно было получить и буря скважину глубиной всего 20 метров – она сама разливалась ан поверхность. Но существуют скважины-гиганты, которые можно назвать рекордсменами в своем роде. В итоге, был создан топ-7 скважин, протяжность которых просто поражает. 1. Ор-11 в России. Бурением этой скважины, глубиной более 12 км, занимался проект Сахалин-1. помимо того, что она была огромной глубины, она еще и сильно отклонялась от вертикали. Как ни странно, но благодаря современным технологиям ствол был пробурен всего за два месяца. Все благодаря продуктивности бура «Ястреб», который пробил еще 5 скважин с подобной длиной. 2. BD-04A в Катаре. Компания Maersk, несмотря на все риски, решила пробурить скважину в Катаре глубиной 12,345 км. В основном, ствол был горизонтальным. Пробурили его за 36 дней с помощью бура Transocean. В 2010 году эта компания потеряла почти все свои акции, так как нефтяная платформа в Мексиканском заливе, которая работала на участке этой компании, потерпела серьезной аварии. 3. Кольская скважина в СССР.  Начали процесс бурения сверхглубокой скважины протяжностью в 12, 262 км еще в далеком 1970 году. Планировалось пробурить 15 км, но в 1992 году финансирование себя исчерпало. Но даже 12,3 км дали больше, чем запасы нефти. Удалось собрать ценные научные сведения, благодаря которым теория двухслойной модели земли была опровергнута. Сейчас она стоит законсервированной, и принадлежит России. 4. Берта Роджерс в США. Берту пробурили в Оклахоме в 1974. Это скважина считается первой, глубина которой превысила 9 км. Такой результат был достигнуть благодаря использованию новых методов разработки месторождения, а также отказ от забора керна. Через 502 дня компании-заказчику пришлось срочно остановить бурение, так как нефтяники наткнулись на целый бассейн расплавленной серы. 5. Баден Юнит в США. Та же Оклахома, то же месторождение. Начиная с 1970 года, скважину бурили каждый день в течение 2-х лет. Для того чтобы поделать такую работу, использовали высокую буровую вышку (более 40 метров) с грузоподъемностью в  девять сотен тонн. Чтобы скважину не разорвало, ее устье было укреплено арматурой, а сам столб – обсадными трубами. Даже использовались алмазные плитки. Глубина – 9, 159 км. 6.  Hauptbohrung в ФРГ. На сегодняшний день, в Германии почти не проводится добыча нефти. Но в ФРГ, в 1978 году, решили пробурить скважину глубиной в 9,101 км на стыке двух литосферных плит непосредственно в Баварских горах. Для работы соорудили 83-метровую вышку. Планировалось за 4 года достичь глубины 12 км, но такого результата так и достигли из-за нехватки технических мощностей. Самое удивительное, что нефть из этой скважины почти не добывалась, а на ее разработку страна потратила 337 млн. долларов. 7. Zistersdorf в Австрии. В 30-х годах прошлого века, неподалеку от Вены было открыто небольшое месторождение нефти. Только в 1977 году удалось узнать, что оно не такое уж небольшое, а нефть находится в самых недрах на глубине в 8,5 км. Как оказалось, утверждение ученых о большом количестве черного топлива было ложным: на самом деле, это был природный газ в больших объемах, который не поддается извлечению из-за геологических особенностей участка. Чтобы не уйти ни с чем, рядом была пробурена еще одна глубокая скважина с целью поиска углеводородных ресурсов. Но ничего обнаружено не было, даже труднодоступных сланцев.

1. Общие сведения о бурении нефтяных и газовых скважин

Скважиной называется цилиндрическая горная выработка, сооружаемая без доступа в нее человека и имеющая диаметр во много раз меньше ее длины (Рис. 1).

Основные элементы буровой скважины:

Устье скважины (1) – пересечение трассы скважины с дневной поверхностью

Забой скважины (2) – дно буровой скважины, перемещающееся в результате воздействия породоразрушающего инструмента на породу

Стенки скважины (3) – боковые поверхности буровой скважины

Ось скважины (6) — воображаемая линия, соединяющая центры поперечных сечений буровой скважины

Ствол скважины (5) – пространство в недрах, занимаемое буровой скважиной.

Обсадные колонны (4) – колонны соединенных между собой обсадных труб. Если стенки скважины сложены из устойчивых пород, то в скважину обсадные колонны не спускают.

Скважины углубляют, разрушая породу по всей площади забоя (сплошным забоем, рис. 2 а) или по его периферийной части (кольцевым забоем рис. 2 б). В последнем случае в центре скважины остается колонка породы – керн, которую периодически поднимают на поверхность для непосредственного изучения.

Диаметр скважин, как правило, уменьшается от устья к забою ступенчато на определенных интервалах. Начальный диаметр нефтяных и газовых скважин обычно не превышает 900 мм, а конечный редко бывает меньше 165 мм. Глубины нефтяных и газовых скважин изменяются в пределах нескольких тысяч метров.

По пространственному расположению в земной коре буровые скважины подразделяются (рис. 3):

  1. Прямолинейноискривленные;

  1. Прямолинейноискривленные (с горизонтальным участком);

6. Сложноискривленные.

Нефтяные и газовые скважины бурят на суше и на море при помощи буровых установок. В последнем случае буровые установки монтируются на эстакадах, плавучих буровых платформах или судах (рис. 4).

В нефтегазовой отрасли бурят скважины следующего назначения:

  1. Эксплуатационные – для добычи нефти, газа и газового конденсата.

  1. Нагнетательные – для закачки в продуктивные горизонты воды (реже воздуха, газа) с целью поддержания пластового давления и продления фонтанного периода разработки месторождений, увеличения дебита эксплуатационных скважин, снабженных насосами и воздушными подъемниками.

  1. Разведочные – для выявления продуктивных горизонтов, оконтуривания, испытания и оценки их промышленного значения.

  1. Специальные - опорные, параметрические, оценочные, контрольные – для изучения геологического строения малоизвестного района, определения изменения коллекторских свойств продуктивных пластов, наблюдения за пластовым давлением и фронтом движения водонефтяного контакта, степени выработки отдельных участков пласта, термического воздействия на пласт, обеспечения внутрипластового горения, газификации нефтей, сброса сточных вод в глубокозалегающие поглощающие пласты и др.

  1. Структурно-поисковые – для уточнения положения перспективных нефте-газоносных структур по повторяющим их очертания верхним маркирующим (определяющим) горизонтам, по данным бурения мелких, менее дорогих скважин небольшого диаметра.

Сегодня нефтяные и газовые скважины представляют собой капитальные дорогостоящие сооружения, служащие много десятилетий. Это достигается соединением продуктивного пласта с дневной поверхностью герметичным, прочным и долговечным каналом. Однако пробуренный ствол скважины еще не представляет собой такого канала, вследствие неустойчивости горных пород, наличия пластов, насыщенных различными флюидами (вода, нефть, газ и их смеси), которые находятся под различным давлением. Поэтому при строительстве скважины необходимо крепить ее ствол и разобщать (изолировать) пласты, содержащие различные флюиды.

Крепление ствола скважины производится путем спуска в нее специальных труб, называемых обсадными. Ряд обсадных труб, соединенных последовательно между собой, составляет обсадную колонну. Для крепления скважин применяют стальные обсадные трубы (рис. 5).

Насыщенные различными флюидами пласты разобщены непроницаемыми горными породами - «покрышками». При бурении скважины эти непроницаемые разобщающие покрышки нарушаются и создается возможность межпластовых перетоков, самопроизвольного излива пластовых флюидов на поверхность, обводнения продуктивных пластов, загрязнения источников водоснабжения и атмосферы, коррозии спущенных в скважину обсадных колонн.

В процессе бурения скважины в неустойчивых горных породах возможны интенсивное кавернообразование, осыпи, обвалы и т.д. В ряде случаев дальнейшая углубка ствола скважины становится невозможной без предварительного крепления ее стенок.

Для исключения таких явлений кольцевой канал (кольцевое пространство) между стенкой скважины и спущенной в нее обсадной колонной заполняется тампонирующим (изолирующим) материалом (рис. 6). Это составы, включающие вяжущее вещество, инертные и активные наполнители, химические реагенты. Их готовят в виде растворов (чаще водных) и закачивают в скважину насосами. Из вяжущих веществ наиболее широко применяют тампонажные портландцементы. Поэтому процесс разобщения пластов называют цементированием.

Таким образом, в результате бурения ствола, его последующего крепления и разобщения пластов создается устойчивое подземное сооружение определенной конструкции.

Под конструкцией скважины понимается совокупность данных о числе и размерах (диаметр и длина) обсадных колонн, диаметрах ствола скважины под каждую колонну, интервалах цементирования, а также о способах и интервалах соединения скважины с продуктивным пластом (рис. 7).

Сведения о диаметрах, толщинах стенок и марках сталей обсадных труб по интервалам, о типах обсадных труб, оборудовании низа обсадной колонны входят в понятие конструкции обсадной колонны.

В скважину спускают обсадные колонны определенного назначения: направление, кондуктор, промежуточные колонны, эксплуатационная колонна.

Направление спускается в скважину для предупреждения размыва и обрушения горных пород вокруг устья при бурении под кондуктор, а также для соединения скважины с системой очистки бурового раствора. Кольцевое пространство за направлением заполняют по всей длине тампонажным раствором или бетоном. Направление спускают на глубину от нескольких метров в устойчивых породах, до десятков метров в болотах и илистых грунтах.

Кондуктором обычно перекрывают верхнюю часть геологического разреза, где имеются неустойчивые породы, пласты, поглощающие буровой раствор или проявляющие, подающие на поверхность пластовые флюиды, т.е. все те интервалы, которые будут осложнять процесс дальнейшего бурения и вызывать загрязнение окружающей природной среды. Кондуктором обязательно должны быть перекрыты все пласты, насыщенные пресной водой.

Кондуктор служит также для установки противовыбросового устьевого оборудования и подвески последующих обсадных колонн. Кондуктор спускают на глубину нескольких сотен метров. Для надежного разобщения пластов, придания достаточной прочности и устойчивости кондуктор цементируется по всей длине.

Эксплуатационная колонна спускается в скважину для извлечения нефти, газа или нагнетания в продуктивный горизонт воды или газа с целью поддержания пластового давления. Высота подъема тампонажного раствора над кровлей продуктивных горизонтов, а также устройством ступенчатого цементирования или узлом соединения верхних секций обсадных колонн в нефтяных и газовых скважинах должна составлять соответственно не менее 150-300 м и 500 м.

Промежуточные (технические) колонны необходимо спускать, если невозможно пробурить до проектной глубины без предварительного разобщения зон осложнений (проявлений, обвалов). Решение об их спуске принимается после анализа соотношения давлений, возникающих при бурении в системе «скважина-пласт».

Если давление в скважине Рс меньше пластового Рпл (давления флюидов, насыщающих пласт), то флюиды из пласта будут поступать в скважину, произойдет проявление. В зависимости от интенсивности проявления сопровождаются самоизливом жидкости (газа) на устье скважины (переливы), выбросами, открытым (неконтролируемым) фонтанированием. Эти явления осложняют процесс строительства скважины, создают угрозу отравлений, пожаров, взрывов.

При повышении давления в скважине до некоторой величины, называемой давлением начала поглощения Рпогл, жидкость из скважины поступает в пласт. Этот процесс называется поглощением бурового раствора. Рпогл может быть близким или равным пластовому, а иногда приближается к величине вертикального горного давления, определяемого весом расположенных выше горных пород.

Иногда поглощения сопровождаются перетоками флюидов из одного пласта в другой, что приводит к загрязнению источников водоснабжения и продуктивных горизонтов. Снижение уровня жидкости в скважине вследствие поглощения в одном из пластов обуславливает понижение давления в другом пласте и возможность проявлений из него.

Давление, при котором происходит раскрытие естественных сомкнутых трещин или образование новых, называется давлением гидравлического разрыва пласта Ргрп. Такое явление сопровождается катастрофическим поглощением бурового раствора.

Характерно, что во многих нефтегазоносных районах пластовое давление Рпл близко к гидростатическому давлению столба пресной воды Рг (далее просто гидростатическое давление) высотой Нж, равной глубине Нп, на которой залегает данный пласт. Это объясняется тем, что давление флюидов в пласте чаще обусловлено напором краевых вод, область питания которых имеет связь с дневной поверхностью на значительных расстояниях от месторождения.

Поскольку абсолютные значения давлений зависят от глубины Н, их соотношения удобнее анализировать, пользуясь величинами относительных давлений, которые представляют собой отношения абсолютных значений соответствующих давлений к гидростатическому давлению Рг, т.е.:

Рпл* = Рпл / Рг ;

Ргр* = Ргр / Рг ;

Рпогл* = Рпогл / Рг;

Ргрп* = Ргрп / Рг .

Здесь Рпл – пластовое давление; Ргр – гидростатическое давление бурового раствора; Рпогл – давление начала поглощения; Ргрп – давление гидроразрыва пласта.

Относительное пластовое давление Рпл* часто называют коэффициентом аномальности Ка. Когда Рпл* приблизительно равно 1,0, пластовое давление считается нормальным, при Рпл* большем 1,0 – аномально высоким (АВПД), а при Рпл* меньшем 1,0 – аномально низким (АНПД).

Одним из условий нормального неосложненного процесса бурения является соотношение

а) Рпл* < Ргр* < Рпогл*(Ргрп*)

Процесс бурения осложняется, если по каким либо причинам относительные давления окажутся в соотношении:

б) Рпл* > Ргр* < Рпогл*

или

в) Рпл* < Ргр* > Рпогл* (Ргрп*)

Если справедливо соотношение б), то наблюдаются только проявления, если в), то наблюдаются и проявления и поглощения.

Промежуточные колонны могут быть сплошными (их спускают от устья до забоя) и не сплошными (не доходящими до устья). Последние называются хвостовиками.

Принято считать, что скважина имеет одноколонную конструкцию, если в нее не спускаются промежуточные колонны, хотя спущены и направление и кондуктор. При одной промежуточной колонне скважина имеет двухколонную конструкцию. Когда имеются две и более технические колонны, скважина считается многоколонной.

Конструкция скважины задается следующим образом: 426, 324, 219, 146 – диаметры обсадных колонн в мм; 40, 450, 1600, 2700 – глубины спуска обсадных колонн в м; 350, 1500 – уровень тампонажного раствора за хвостовиком и эксплуатационной колонной в м; 295, 190 – диаметры долот в мм для бурения скважины под 219 – и 146 –мм колонны.


Смотрите также