shammazov_ONGD

Горизонтальные скважины значительно увеличивают объем вовлека­ емых в разработку геологических запасов нефти. По всем месторождениям США прирост нефтяных запасов за счет горизонтального бурения составил в среднем 8,7 % (или около 320 млн т.), по залежам Канады—9,5 % (около 100 млн т), по месторождениям Саудовской Аравии — 5…10 % (1,7…3,5 млрд т). В России (1995 г., Татария) средний дебит горизонтальных скважин в 2,4 раза больше дебита ближайших вертикальных скважин.

6.9. Сверхглубокие скважины

Первая американская нефтяная скважина дала нефть с глубины около 20 м. В России первые нефтяные скважины имели глубину менее 100 м. Очень быстро их глубина достигла нескольких сот метров. К концу 60-х годов в СССР средняя глубина скважин для добычи нефти и газа составляла 1710 м. Самая глубокая нефтяная залежь в нашей стране открыта в районе г. Грозного на глубине 5300 м, а промышленный газ получен в Прикаспийской впадине с глубины 5370 м.

Самый глубокозалегающий в Европе газоносный пласт на месторождении Магосса (Северная Италия) залегает на глубине 6100 м. Самая большая глубина в мире, с которой ведется промышленная добыча газа,— 7460 м (шт. Техас, США).

Общая тенденция добычи нефти и газа со все более глубокозалегаю­ щих горизонтов может быть проиллюстрирована следующими цифрами. Еще 20 лет назад основная добыча нефти (66 %) осуществлялась из самых молодых, кайнозойских, пород. Из более древних, мезозойских, пород добывали 19 % нефти, а из самых древних, палеозойских,—15 %. Сейчас ситуация изменилась: основными поставщиками нефти стали мезозойские породы, на втором месте—породы палеозоя.

Таким образом, одной из задач бурения сверхглубоких скважин является поиск нефтегазоносных горизонтов на больших глубинах. Только сверхглубокое бурение может поставить окончательную точку в споре между сторонниками органической и неорганической гипотез происхождения нефти. Наконец, сверхглубокое бурение необходимо для более детального изучения земных недр. Ведь сегодня мы знаем о далеком космосе во много раз больше, чем о том, что находится под нами в нескольких десятках километров.

Бурение сверхглубоких скважин связано с большими трудностями. С глубиной растет давление и температура. Так, на глубине 7000 м даже гидростатическое давление равно 70 МПа, 8000 м—80 МПа и т. д.

А в пласте оно может быть в два раза больше. Как удержать в «бутылке» этого «джина»? Требуются высоконапорные насосы для подачи промывочной жидкости. Что собой должна представлять эта жидкость, если температура на забое скважин достигает 250 °С? Чем вращать многокилометровую колонну бурильных труб? Как вообще применять бурильные трубы, если стальные трубы выдерживают свой вес до глубины 10 км?

На часть поставленных вопросов ответы уже найдены. Для бурения сверхглубоких скважин используют утяжеленную промывочную жидкость, чтобы она «закупоривала» скважину собственным весом. Бурят сверхглубокие скважины с помощью забойных двигателей, а бурильные трубы делают из легкого и прочного алюминиевого сплава.

Эпоха глубокого бурения началась в 1961 г. реализацией американ­ ского проекта «Мохол». Скважину заложили на дне Тихого океана вблизи острова Гуаделупе под четырехкилометровым слоем воды. Предпола­ галось, что скважина, пройдя 150 м рыхлых донных пород и 5,5 км твердых нижележащих, погрузится в мантию—следующий после коры слой нашей планеты. Однако бурение остановилось после первых же 36 мет­ ров. Причина заключалась в том, что после извлечения первого керна устье уже начатой скважины отыскать не смогли, несмотря на применение самых современных средств поиска.

В1968 г. со специально оборудованного бурового судна (рис. 6.28) была предпринята вторая атака на мантию. Однако в 1975 г., когда были вскрыты верхние базальтовые слои океанского дна, бурение прекратили из-за технических сложностей.

Вдальнейшем бурение сверхглубоких скважин осуществлялось на суше. В 1970 г. была пробурена скважина 1-СЛ-5407 в штате Луизиана глубиной 7803 м.

Наглядное представление о современной сверхглубокой скважине

иее оборудовании можно получить на примере одной из самых глубоких в мире скважин—1-Бейден, пробуренной в штате Оклахома. Глубина скважины 9159 м. Бурение началось в 1970 г. и продолжалось 1,5 года. Высота буровой вышки—43,3 м, грузоподъемность—908 т. Мощность буровой лебедки 2000 кВт, а каждого из двух буровых насосов—1000 кВт. Общая емкость наземной циркуляционной системы для глинистого рас- твора—840 м3. Устье скважины оборудовано противовыбросовой арматурой, рассчитанной на давление 105,5 МПа.

Конструктивно скважина состоит из шахтного направления диамет­ ром 0,9 м до глубины 18 м, кондуктора диаметром 0,5 м до глубины 1466 м, обсадных труб до глубины 7130 м и эксплуатационных колонн. Всего на скважину было израсходовано около 2200 т стальных обсадных труб, 1705 т цемента и 150 алмазных долот. Полная стоимость проводки скважины составила 6 млн долларов.

Рис. 6.28. Общий вид бурового судна: 1—корпус; 2—грузовой кран;

3—вертолетная площадка; 4—буровая вышка

ВСССР на начало 1975 г. было десять скважин, глубина которых превысила 6 км. К ним относятся Арал-Сорская в Прикаспийской низменности глубиной 6,8 км, Биикжальская в Азербайджане глубиной 6,7 км, Синевидная (7,0 км) и Шевченковская (7,52 км) в Западной Украине, Бурунная (7,5 км) на Северном Кавказе и др.

Самой глубокой в мире является Кольская скважина, которая перешагнула рубеж 12 км. Бурение было начато в 1970 г. Вскрытые скважиной породы имеют возраст до 3 млрд лет. Для бурения использована установка, построенная на Уралмаше и имеющая грузоподъемность 4000 кН.

Входе бурения получены достоверные данные о физическом состоя­ нии, свойствах и составе горных пород, относящихся к археозойской

ипротерозойской эрам.

Долгое время было распространено мнение о плохих коллекторских свойствах пород на больших глубинах, о неблагоприятных термодинамических условиях, которые якобы приводят к деструкции нефти, а также о низкой эффективности глубокого бурения. Практика сооружения сверх-

глубоких скважин в нашей стране и за рубежом этих взглядов не подтверждает. Так, в США (Техас) пористость известняков на глубине 3 км составляет 8,5 %, а на глубине 6 км—18 %. Объясняется это тем, что на больших глубинах подземные воды более интенсивно растворяют известняки.

С увеличением глубины значительно возрастает доля трещиноватых коллекторов, хотя, казалось бы, должно быть наоборот. Как сенсацию геологи восприняли сообщение о том, что в одной из сверхглубоких скважин, пробуренной в очень плотных магматических породах, на глубине 6350 м был открыт целый родник сильно соленой воды. Объяснили данное явление так: с глубиной растет горное давление, под действием которого даже сверхтвердые породы трескаются и приобретают свойства коллекторов.

Не подтверждаются опасения скептиков и в отношении деструкции нефти. Месторождения «черного золота» обнаружены на глубинах около 5 км (например, в Волгоградской области и Чечне). А на ряде месторож­ дений Азербайджана (Брагуны, Сангачалы-море, Эльдарово) с глубин более 4 км ежесуточно добывается свыше 20 000 т нефти.

Оказалось, что при сверхглубоком бурении успешность открытия новых нефтяных и газовых месторождений в 1,5…2 раза выше, чем при бурении на относительно небольших глубинах. Объясняют это тем, что сверхглубокие скважины бурили на уже известных месторождениях нефти и газа, многие из которых являются многопластовыми.

Наконец, установлено, что на больших глубинах встречаются более мощные залежи углеводородов, с бо´льшими запасами.

Совокупность этих фактов работает на «магматическую» теорию происхождения нефти и газа.

6.10.Бурение скважин на море

В настоящее время на долю нефти, добытой из морских месторождений, приходится около 30 % всей мировой продукции, а газа— еще больше. Как люди добираются до этого богатства?

Самое простое решение—на мелководье забивают сваи, на них устанавливают платформу, а на ней уже размещают буровую вышку и необходимое оборудование.

Другой способ—«продлить» берег, засыпав мелководье грунтом. Так,

в1926 г. была засыпана Биби-Эйбатская бухта в районе Баку и на ее мес­ те создан нефтяной промысел.

После того как более полувека назад в Северном море были обнаружены большие залежи нефти и газа, родился смелый проект его осуше-

ния. Дело в том, что средняя глубина большей части Северного моря едва превышает 70 м, а отдельные участки дна покрыты всего лишь сорокаметровым слоем воды. Поэтому авторы проекта считали целесообразным с помощью двух дамб—через пролив Ла-Манш в районе Дувра, а также между Данией и Шотландией (длина более 700 км)—отсечь огромный участок Северного моря и откачать оттуда воду. К счастью, этот проект остался только на бумаге.

В1949 г. в Каспийском море в 40 км от берега была пробурена первая

вСССР нефтяная скважина в открытом море. Так началось создание города на стальных сваях, названного Нефтяные Камни. Однако сооружение эстакад, уходящих на многие километры от берега, стоит очень дорого. Кроме того, их строительство возможно только на мелководье.

При бурении нефтяных и газовых скважин в глубоководных районах морей и океанов использовать стационарные платформы технически сложно и экономически невыгодно. Для этого случая созданы плавучие буровые установки, способные самостоятельно или с помощью буксиров менять районы бурения.

Различают самоподъемные буровые платформы, полупогружные буровые платформы и буровые платформы гравитационного типа.

Самоподъемная буровая платформа (рис. 6.29) представляет собой

плавучий понтон 1 с вырезом, над которым расположена буровая вышка. Понтон имеет трех-, четырехили многоугольную форму. На ней размещаются буровое и вспомогательное оборудование, многоэтажная рубка с каютами для экипажа и рабочих, электростанция и склады. По углам платформы установлены многометровые колонны-опоры 2.

В точке бурения с помощью гидравлических домкратов колонны опускаются, достигают дна, опираются на грунт и заглубляются в него, а платформа поднимается над поверхностью воды. После окончания бурения в одном месте платформу переводят в другое.

Надежность установки самоподъемных буровых платформ зависит от прочности грунта, образующего дно в месте бурения.

Полупогружные буровые платформы (рис. 6.30) применяют при глубинах 300…600 м, где неприменимы самоподъемные платформы. Они не опираются на морское дно, а плавают над местом бурения на огромных понтонах. От перемещений такие платформы удерживаются якорями массой 15 т и более. Стальные канаты связывают их с автоматическими лебедками, ограничивающими горизонтальные смещения относительно точки бурения.

Первые полупогружные платформы были несамоходными, и их доставляли в район работ с помощью буксиров. Впоследствии платформы были оборудованы гребными винтами с приводом от электромоторов суммарной мощностью 4,5 тыс. кВт.

Недостатком полупогружных платформ является возможность их пе­ ремещения относительно точки бурения под воздействием волн.

Более устойчивыми являются буровые платформы гравитационного типа. Они снабжены мощным бетонным основанием, опирающимся на морское дно. В этом основании размещаются не только направляющие колонны для бурения, но также ячейки-резервуары для хранения добытой нефти и дизельного топлива, используемого в качестве энергоносителя, многочисленные трубопроводы. Элементы основания доставляются к месту монтажа в виде крупных блоков.

Морское дно в месте установки гравитационных платформ должно быть тщательно подготовлено. Даже небольшой уклон дна грозит превратить буровую в Пизанскую башню, а наличие выступов на дне может вызвать раскол основания. Поэтому перед постановкой буровой «на точку» все выступающие камни убирают, а трещины и впадины на дне заделывают бетоном.

Все типы буровых платформ должны выдерживать напор волн высотой до 30 м, хотя такие волны и встречаются раз в 100 лет.

В настоящее время морская добыча нефти ведется в акваториях 35 стран на 700 морских месторождениях, из которых 160 находятся в Северном море, 150—на шельфе Западной Африки, 115—в Юго-Восточ­ ной Азии. Общемировой парк морских буровых платформ насчитывает (“World Oil”, 1998 г.) более 600 единиц, в том числе самоподъемных—364, полупогружных—165, буровых судов и барж—более 80.

Перспективы развития морского бурения в России связаны с освоением нефтяных и газовых месторождений шельфа северных и дальне­ восточных морей.

7. Добыча нефти и газа

7.1. Краткая история развития нефтегазодобычи

Современным методам добычи нефти предшествовали примитивные способы:

•сбор нефти с поверхности водоемов;

•обработка песчаника или известняка, пропитанного нефтью;

•извлечение нефти из ям и колодцев.

Сбор нефти с поверхности открытых водоемов—по-видимому, один из старейших способов ее добычи. Он применялся в Мидии, АссироВавилонии и Сирии до н. э., в Сицилии в I веке н. э. Этим методом нефть добывали в Колумбии и Венесуэле. В России добычу нефти методом ее сбора с поверхности реки Ухты в 1745 г. организовал Ф. С. Прядунов. В 1858 г. на о. Челекен и в 1868 г. в Кокандском ханстве нефть собирали в канавах, устраивая запруду из досок. Американские индейцы, когда обнаруживали нефть на поверхности озер и ручьев, клали на воду одеяло, впитывающее нефть, а затем отжимали его в сосуд.

Обработка песчаника или известняка, пропитанного нефтью, с це-

лью ее извлечения впервые описаны итальянским ученым Ф. Ариосто в XV в.: недалеко от Модены в Италии нефтесодержащие грунты измельчались и подогревались в котлах; затем их помещали в мешки и отжимали с помощью пресса. В 1819 г. во Франции нефтесодержащие пласты известняка и песчаника разрабатывались шахтным способом. Добытую породу помещали в чан, заполненный горячей водой. При перемешивании на поверхность воды всплывала нефть, которую собирали черпаком.

В1833…1845 гг. на берегу Азовского моря добывали песок, пропитанный нефтью. Затем его помещали в ямы с покатым дном и поливали водой. Вымытую из песка нефть собирали с поверхности воды пучками травы.

Добыча нефти из ям и колодцев также известна с давних времен.

ВКиссии—древней области между Ассирией и Мидией—в V в. до н. э. нефть добывали с помощью кожаных ведер—бурдюков.

На Украине первые упоминания о добыче нефти относятся к началу XVII в. Для этого рыли ямы-копанки глубиной 1,5…2 м, куда просачивалась нефть вместе с водой. Затем смесь собирали в бочки, закрытые снизу пробками. Когда более легкая нефть всплывала, пробки вынимали и отстоявшуюся воду сливали. К 1840 г. глубина ям-копанок достигла 6 м, а позднее нефть стали извлекать из колодцев глубиной около 30 м.

На Керченском и Таманском полуостровах добыча нефти с древних времен производилась с помощью шеста, к которому привязывали войлок или пучок, сделанный из волос конского хвоста. Их спускали в колодец, а затем выжимали нефть в подготовленную посуду.

На Апшеронском полуострове добыча нефти из колодцев известна с VIII в. н. э. При их строительстве сначала отрывалась яма наподобие обращенного (перевернутого) конуса до самого нефтяного пласта. Затем по бокам ямы делались уступы: при средней глубине погружения конуса 9,5 м—не менее семи. Среднее количество земли, вынутой при рытье такого колодца, составляло около 3100 м3. Далее стенки колодцев от самого дна до поверхности крепили деревянным срубом или досками. В нижних венцах делали отверстия для притока нефти. Ее черпали из колодцев бурдюками, которые поднимались ручным воротом или с помощью лошади.

Всвоем отчете о поездке на Апшеронский полуостров в 1735 г. доктор И. Лерхе писал: «…в Балаханы было 52 нефтяных кладезя глубиной в 20 саженей, из коих некоторые сильно бьют, и ежегодно доставляют 500 батманов нефти…» (1 сажень = 2,1 м, 1 батман = 8,5 кг). По данным академика С. Г. Амелина (1771 г.) глубина нефтяных колодцев в Балаханах достигала 40…50 м, а диаметр или сторона квадрата сечения колодца 0,7…1 м.

В1803 г. бакинский купец Касымбек соорудил два нефтяных колодца в море на расстоянии 18 и 30 м от берега Биби-Эйбата. Колодцы были защищены от воды коробом из плотно сколоченных досок. Нефть добывалась из них много лет. В 1825 г. во время шторма колодцы были разбиты и затоплены водами Каспия.

К моменту подписания Гюлистанского мирного договора между Россией и Персией (декабрь 1813 г.), когда Бакинское и Дербентское ханства влились в состав нашей страны, на Апшеронском полуострове насчитывалось 116 колодцев с черной нефтью и один с «белой», ежегодно дававших около 2400 т этого ценного продукта. В 1825 г. в районе Баку из колодцев было добыто уже 4126 т нефти.

При колодезном способе техника добычи нефти не менялась на протяжении столетий. Но уже в 1835 г. чиновник горного ведомства Фаллендорф на Тамани впервые применил насос для откачки нефти через опущенную деревянную трубу. Ряд технических усовершенствований связан с именем горного инженера Н. И. Воскобойникова. Чтобы уменьшить объем земляных работ, он предложил сооружать нефтяные колодцы в виде шахтного

ствола, а в 1836…1837 гг. осуществил в Баку и Балаханах переустройство всей системы хранения и отпуска нефти. Но одним из главных дел его жизни стало бурение первой в мире нефтяной скважины в 1848 г.

Длительное время к добыче нефти посредством бурения скважин

внашей стране относились с предубеждением. Считалось, что раз сечение скважины меньше, чем у нефтяного колодца, то и приток нефти к скважинам существенно меньше. При этом не учитывалось, что глубина скважин значительно больше, а трудоемкость их сооружения меньше.

Свою отрицательную роль сыграло высказывание посетившего Баку

в1864 г. академика Г. В. Абиха о том, что бурение нефтяных скважин здесь не оправдывает ожиданий, и что «…как теория, так и опыт одинаково подтверждают мнение о необходимости увеличения числа колодцев…».

Аналогичное мнение в отношении бурения существовало некоторое время и в США. Так, в местности, где Э. Дрейк пробурил свою первую нефтяную скважину, полагали, что «нефть является жидкостью, вытекающей каплями из угля, залегающего в ближних холмах, что для ее добычи бесполезно бурить землю и что единственный способ ее собрать—это отрыть траншеи, где она бы скапливалась».

Тем не менее, практические результаты бурения скважин постепенно изменили это мнение. Кроме того, и статистические данные о влиянии глубины колодцев на добычу нефти свидетельствовали о необходимости развития бурения: в 1872 г. среднесуточная добыча нефти из одного колодца глубиной 10…11 м составляла 816 кг, 14…16 м—3081 кг, а свы-

ше 20 м—уже 11 200 кг.

При эксплуатации скважин нефтепромышленники стремились перевести их в режим фонтанирования, т. к. это был наиболее легкий путь добычи. Первый мощный нефтяной фонтан в Балаханах ударил в 1873 г. на участке Халафи. В 1878 г. большой нефтяной фонтан дала скважина, пробуренная на участке З. А. Тагиева в Биби-Эйбате. В 1887 г. 42 % нефти

вБаку было добыто фонтанным способом.

Форсированный отбор нефти из скважин приводил к быстрому истощению прилегающих к их стволу нефтеносных слоев, а остальная (большая) ее часть оставалась в недрах. Кроме того, из-за отсутствия достаточного количества хранилищ значительные потери нефти имели мес­ то уже на поверхности земли. Так, в 1887 г. фонтанами было выброшено 1088 тыс. т нефти, а собрано—всего 608 тыс. т. На площадях вокруг фонтанов образовывались обширные нефтяные озера, где в результате испарения терялись наиболее ценные фракции. Сама выветрившаяся нефть становилась малопригодной для переработки, и ее выжигали. Застойные нефтяные озера горели по много дней подряд.

Добыча нефти из скважин, давление в которых было недостаточным для фонтанирования, производилась с помощью цилиндрических ведер