Буровой прогресс

Буровой прогресс

История технологического развития процесса бурения скважин

Так бурили скважины в бакинской нефтяной провинции всего полтора века назад

История нефтедобычи в СССР — это героическая история. На фото: буровой мастер Михаил Каверочкин, с именем которого тесно связано освоение морского месторождения «Нефтяные камни» в Азербайджане

Фото: FOTO S.A.

Человек довольно давно понял, что богатства Земли расположены не только на ее поверхности, но и в недоступных глубинах. С тех пор началась интеллектуальная и технологическая битва за недра, которая продолжается и по сей день.

Текст: София Зорина

УДАРНО-КАНАТНОЕ БУРЕНИЕ

Как и когда точно появились первые технологии, известные нынче как бурение скважин, — доподлинно неизвестно. Скорее всего, это случилось в Китае 3000 или 4000 лет до нашей эры. По крайней мере именно китайцы запечатлели свои достижения в этой сфере в различных рисунках. Метод, применяемый китайцами для бурения, позже получил название ударно-канатного и в некоторых случаях успешно применяется сегодня. Суть его проста: породоразрушающий наконечник привязывается к канату, поднимается на высоту и сбрасывается вниз. Терпение и трудолюбие позволяло жителям Китая таким способом сооружать скважины до 500 метров глубиной и добывать из них воду и солевые растворы. Иногда в скважинах находили газ или нефть, но они древних буровиков интересовали мало.

УДАРНО-ШТАНГОВОЕ БУРЕНИЕ

В России бурить скважины начали намного позже. Первые упоминания об этом относятся к IX веку. Целью добычи, как и в Китае, была в основном соль, а искали ее в Старой Руссе и Соликамске. Хотя общий принцип бурения — ударное — был тот же, что и в Китае, сама «бурильная установка» несколько видоизменилась. Канат был заменен на штангу, напоминающую колодезного «журавля». «Журавль» «задирал голову», и затем привязанное к его концу долото падало вниз. В наши дни такой вид бурения носит название ударно-штангового. В современном виде его применяют в основном для бурения скважин на воду. Возможно, именно в России начали впервые применять и обсадные трубы — для крепления стенок скважины. В качестве труб использовались продолбленные стволы деревьев или трубы, сплетенные из ивовой коры.

ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ

Самым распространенным видом бурения в нефтегазовой отрасли сегодня является вращательное и его разновидности. Собственно, получать отверстия с помощью сверла люди научились еще в неолите. Как свидетельствуют археологические находки, наши древние предки с успехом делали отверстия в своих каменных орудиях или в разноцветных камушках, которые потом собирали в бусы. Однако для бурения скважин принцип сверления стали применять на удивление поздно. Только в середине XV века в Европе был опубликован первый чертеж вращательного устройства для сооружения колодцев. Среди документов Леонардо да Винчи можно найти эскиз бурового станка для ручного бурения, датированный 1500 годом. Принцип его работы прост: с помощью рукоятки-крестовины вращается штанга, к концу которой приделан острый наконечник, разрушающий породу. Вся конструкция для устойчивости помещена в треногу. Подобные устройства впоследствии широко использовались во Франции для бурения скважин на воду.

НЕФТЯНАЯ ЛИХОРАДКА

Ощутимый толчок развитию вращательного бурения придали только поиски нефти. Кстати, основоположником нефтедобычи можно считать Российскую империю. Как свидетельствуют документы, в 1846 году в поселке Биби-Эйбат близ Баку (входившего в те годы в Российскую империю) горный инженер Семенов пробурил первую в мире скважину на нефть. Однако российские власти не придали этому факту большого значения, и слава первопроходцев чуть позднее досталась американцам. Уже к концу XIX века стало активно внедряться вращательное бурение, при этом вращение долота вместе со всей колонной бурильных труб осуществлялось с поверхности. Этот способ бурения, называемый роторным, крайне трудозатратен, особенно на больших глубинах. Поэтому еще в XIX веке предпринимались первые попытки создать забойный двигатель, то есть двигатель, который размещался бы на забое непосредственно над долотом. Большинство из предложенных идей тогда так и остались нереализованными.

СИЛА ВОДЫ

Проблему забойного двигателя первым всерьез решил советский инженер Матвей Капелюшников. Он предложил использовать для вращения долота энергию потока промывочной жидкости (бурового раствора), движущейся по бурильной колонне. С помощью турбины гидравлическая энергия потока преобразуется в механическую энергию вращения долота. Такой вид бурильного оборудования стали называть гидравлическим забойным двигателем, или турбобуром. Впервые он был промышленно изготовлен в 1923 году. Позднее конструкция гидравлического забойного двигателя значительно усовершенствовалась, и в настоящее время бурение нефтяных скважин с применением гидравлических забойных двигателей является экономичным, проверенным и надежным способом бурения скважин.

Альтернативой турбобуру можно считать электробур — забойный двигатель, работающий от электричества. Первые варианты электробура появились еще в конце XIX — начале XX века. В Советском Союзе электробур был создан в 1938 году, и в 1940-м в Баку с его помощью была пробурена первая скважина. Всего в СССР элетробурением проходили порядка 2% от всего объема скважин. С изобретением турбобура и электробура в СССР активно стало развиваться бурение наклонно-направленных скважин.

ПЕРЕМЕНА НАПРАВЛЕНИЯ

Уже в самом начале развития бурения скважин на нефть и газ стало понятно, что вертикальные скважины далеко не всегда достигают цели. Так появилась идея бурить наклонно-направленные скважины, а позднее — горизонтальные. Отклонение скважины от вертикали возможно несколькими способами и зависит от поставленной задачи. Так, наклонная скважина может забуриваться непосредственно с земной поверхности либо отклоняться от вертикали на глубине с помощью специальных отклонителей. Максимальный угол отклонения может достигать 90 градусов.

При роторном способе бурения отклонения достигали за счет использования клина. Сегодня наиболее эффективным считается применение роторных управляемых систем (РУС), позволяющих бурить скважины различного профиля и диаметра. При бурении гидравлическим забойным двигателем искривление скважины достигается за счет отклоняющего давления на долото в процессе бурения. В этом случае весь процесс сводится к управлению отклоняющей силой в нужном азимуте. Создавать отклоняющую силу можно разными способами. В частности, для этого достаточно иметь над забойным двигателем искривленную тем или иным способом бурильную трубу, которая будет стремиться выпрямиться, направляя таким образом долото. Современная техника позволяет полностью контролировать и корректировать направление действия отклоняющей силы.

ВСЕ НАВЕРХ

Эффективное бурение невозможно без удаления из скважины шлама — продуктов разрушения породы. Изначально шлам из скважины просто вычерпывали, поднимая для этого долото наверх и опуская в скважину желонку — «ведро» с клапаном, удерживавшим набранную в желонку породу. Так продолжалось до тех пор, пока в 1833 году французский инженер Фловиль, наблюдая процесс бурения, не пришел к выводу, что фонтанирующая вода очень эффективно удаляет буровой шлам из скважины. Инженер применил этот способ на практике, и по сей день принцип чистки буровых скважин раствором, подаваемым насосом с поверхности в бурильную колонну и выталкиваемым на поверхность в пространстве между колонной и стволом скважины, остается неизменным. Однако если сначала в качестве промывочной жидкости применялась вода, то сегодня состав и функционал бурового раствора значительно усложнились. Современный буровой раствор помимо удаления шлама из скважины несет еще ряд важнейших функций. Во‑первых, он способствует облегчению процесса разрушения горных пород на забое — как за счет энергии потока на выходе из бурового снаряда, так и за счет понижения твердости пород с помощью специальных веществ, добавленных в раствор. Другая задача бурового раствора — способствовать сохранению устойчивости стенок скважины. Для этого в промывочные жидкости вводят твердые компоненты, которые, отлагаясь при фильтрации в порах и тонких трещинах породы, образуют малопроницаемую для жидкой фазы корку. Таким образом буровой раствор не смешивается с содержимым коллектора.

Влияет промывочная жидкость и на технические параметры бурения. Помимо того что при турбинном бурении она является основной движущей силой, буровой раствор также охлаждает бурильный инструмент, предохраняет его от коррозии, влияет на механическую скорость бурения, уменьшает вращение колонны бурильных труб.

СОВРЕМЕННАЯ БУРОВАЯ

Эволюция буровых установок, продолжавшаяся несколько тысяч лет, сегодня идет по пути совершенствования систем управления всеми стадиями процесса бурения. В частности, на современных буровых все основные механизмы управляются с помощью частотно-регулируемого привода переменного тока, а цифровая система управления автоматизирована. Еще одна особенность — высокая монтажеспособность буровой установки, которую можно сравнить с конструктором Lego. Буровую в буквальном смысле можно собрать из нескольких блоков.

Процесс бурения постоянно совершенствуется за счет улучшений в каждом элементе системы. Так, например, бурильные трубы свинчиваются друг с другом с помощью автоматического гидравлического ключа; автоматизирована и подача труб на буровую площадку; для очистки бурового раствора применяется 4- или 5-ступенчатая система; функционируют комбинированная система обогрева буровой установки, система контроля параметров бурения с интуитивным пользовательским интерфейсом, система компенсации крутильных колебаний бурильной колонны.

Улучшены и условия труда: кабина бурильщика оснащена не только всем необходимым оборудованием и цветной системой видеонаблюдения за всей буровой установкой, но и системой терморегулирования, а также ударопрочным остеклением. Применение современных буровых установок позволяет повысить производительность бурения, уменьшить осложнения, сократить сроки выполнения работ на всех этапах, уменьшить влияние на окружающую среду, сократить время выполнения работ и вести бурение скважин сложной конструкции.

ЭВОЛЮЦИЯ БУРЕНИЯ

Темпы развития буровых технологий стремительными не назовешь — многие современные методы изобретены 1,5–2 тыс. лет назад. Технологический рывок был совершен лишь с началом промышленного использования нефти.


Инфографика: Надежда Андрианова

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ