1 Загальні поняття про будівництво свердловин

1.1 Коротка історія розвитку нафтової і газової промисловості

Нафта і газ є горючими і змащувальними матеріалами, а також як лікувальними засобами проти деяких хвороб і відомі людству з незапам'ятних часів. Нафта, один із найцінніших дарів Матінки-Природи, відома ще з VI тисячоліття до н.е. У древніх літописах знаходимо згадки про брунатну рідину, що просочується з-під поверхні землі. Ще у сиву давнину люди виявили чудові властивості цієї рідини, що нагадувала олію з не дуже приємним запахом. Вони використовували її мастильні якості, вважаючи, що володіє ця рідина «божественною сутністю». Її спершу так і називали – «земна олія» і вже згодом почали величати «нафтою».

Стародавні перські жерці в заповнених згаданою рідиною ямах зберігали цей, як вони називали, «святий вогонь». При відбудові легендарного Вавилона як кріпильний матеріал застосовували асфальт, який одержували з нафтових джерел біля ріки Іс, притоки Євфрату. У стародавньому Єгипті з нафти виготовляли спеціальний сорт смоли, яку застосовували для бальзамування тіл фараонів.

Не оминули цю дивну рідину своєю увагою і східні народи. Стародавня японська хроніка повідомляє про використання нафти в Японії та Китаї ще за часів до нашої ери. Відомий мандрівник середньовіччя Марко Поло повідомляв про Апшеронські нафтові озера та описав лікувальні властивості кавказької нафти.

Американські індіанці ще з незапам’ятних часів залучали нафту для своїх молитовних церемоній, звертаючись до святого духа Моніту.

В Карпатах місцеве населення використовувало нафту для лікування ревматизму і шкіряних хвороб, дублення шкіри, виготовлення колісних мастил, освітлення і, навіть, як зброю. Нафта також слугувала як антисептик для дерев’яних і як консервант для металевих конструкцій та як кріпильний матеріал у будівництві.

Подібні повідомлення зустрічаються в хроніках і про природний газ, витоки якого спостерігалися в околицях нинішньої столиці Азербайджану Баку, а також в Ірані, Індії, Бірмі, на острові Борнео та в інших місцевостях, де населення використовувало його для обігріву, приготування їжі, випалювання вапна та підтримання вогню.

Підприємливі китайці ще в 221 р. до н.е. в провінції Се-Чуань, споруджуючи свердловину для видобування соляної ропи, на глибині 1140 м натрапили на газовий поклад, газ якого в подальшому застосовували для виварювання солі із ропи. Ними ж було споруджено перший в світі газопровід з пустотілих бамбукових жердин.

Збереглися відомості про використання газу в сигнальних морських вогнях-маяках на Апшеронському та Дагестанському півостровах Каспійського моря, на озері Ері в США та ін.

Перші свердловини в Китаї, пробурені на розсіл, обсаджували бамбуком.

Перша свердловина, для видобутку прісної води була споруджена в 1126 році на території Франції у провінції Артуа. Згодом, за назвою провінції Артуа, колодязі і свердловини, споруджені для видобутку води, почали називати артезіанськими.

Для водопостачання Одеси в 1831 році було пробурено чотири свердловини глибиною від 36 до 189м. В наступні роки на воду бурили свердловини в Сімферополі, Керчі, Ризі, Петербурзі та інших містах.

Техніка видобутку нафти спочатку була примітивною. Нафту видобували з ям, виритих в місцях її виходів на поверхню. Пізніше стали споруджувати колодязі, які кріпили дерев'яними вінцями або каменем. Зародження вітчизняної нафтової промисловості прийнято вважати 1864 р. Так на Кубані було почато буріння ударним способом перших в Росії нафтових свердловин, стінки яких кріпилися металевими обсадними трубами. В одній з свердловин 16 лютого 1866 р. з глибини 55 м забив перший фонтан нафти з добовим дебітом 12 тис. пудів (близько 200 т/доб).

У літературних джерелах про перший видобуток нафти в Україні вперше згадується у 1617 р. В 1721 р. Жанчинський писав, що в Слободі Рунгурській і на Покутті на Станіславщині, біля Стебника і Ясениці Сільної на Львівщині видобували нафту з природних джерел і вживали її для мащення возів, ви- чинення шкіри, а також палили в лампадах замість масла.

Розширення сфери використання нафти спричинило вдосконалення техніки її видобутку. Використовуваний раніше спосіб збирання нафти в місцях її виходу на поверхню зем­лі вже не забезпечував потребу в ній. Виник ямний (або копаночний) спосіб видобутку нафти. Для її видобутку копали неглибокі (до 2 м) ями, стінки яких закріплювали дерев’яними кілками. На дні ями накопичувалась нафта, яка просочувалась через ґрунт. Нафту з ям періодично вичерпували у міру її накопичення.

Великі географічні відкриття і розквіт торгових відношень значно сприяли росту різних галузей промисловості, особливо нафтової. Значно зріс попит на нафту, що призвело до розробки нової техніки її видобутку. Ямний спосіб вже не задовольняв потреби суспільства в нафті. Появився досконаліший - колодязний спосіб видобутку нафти. Колодязний спосіб видобутку нафти був досконалішим і вигіднішим від ямного, оскільки дозволяв експлуатувати глибші продуктивні пласти і збільшити її видобуток.

З літературних джерел відомо, що колодязний видобуток нафти в Ріпному на Прикарпатті почали в 1786 р.

Зацікавленість нафтою значно зросла на початку ХІХ століття, коли з’явились перші нафтоперегінні заводи і люди навчались видобувати з нафти гас. Саме тоді зародився промисловий видобуток і переробка нафти в Бориславі - центрі нафтової промисловості Прикарпаття. Бориславським гасом в ті роки освітлювали Відень і Прагу, станції та вагони австрійських залізниць.

Колодязний спосіб вже не міг задовольнити зростаючі потреби суспільства в нафті. Необхідний був досконаліший метод руйнування гірських порід, а разом з тим і новий спосіб вичерпування нафти на поверхню землі. Таким методом стало буріння свердловин.

Дослідженнями встановлено, що перша свердловина на нафту була пробурена в 1847 році В. Семеновим в Азербайджані на Бібі-Ейбаті.

Свердловини бурили спочатку ручним штанговим обертовим способом, який мав дуже низьку питому потужність. Цей спосіб поступово був витіснений ефективнішим механічним ударно-канатним способом, розробленим у 1864 році А. Новосельцевим.

На Прикарпатті (Слободі Рунгурській, Бориславі, Східниці, Биткові) свердловини споруджували за допомогою бурових верстатів, що використовувались на соляному промислі. Ці верстати приводили в дію кіньми, а дещо пізніше – паровою машиною.

Із збільшенням глибин нафтових свердловин, які в 1900 року сягнули до 300 м, стають відчутнішими вади ударного способу буріння. На зміну ударному способу прийшло обертове буріння.

У 1901 році в США було вперше застосовано роторне буріння з промиванням вибою циркулюючим потоком рідини.

У 1923 році М. Капелюшников, С. Волох, М. Корнєєв винайшли гідравлічний вибійний двигун-турбобур, з допомогою якого в 1924 р. в Азербайджані була пробурена перша в світі свердловина. Надалі конструкція турбобура удосконалювалась і протягом 1933-1940 рр. були створені багатоступінчасті турбобури різних типів. Починаючи з 1944р. турбінний спосіб буріння почали широко застосовувати в усіх основних нафтових районах країни.

У 1937-1940рр. А.Островським, Н. Григоряном, А. Богдановим та іншими була розроблена конструкція вибійного електричного двигуна – електробура, а в 1966 році М. Гусман, С. Никомаров, Ю. Захаров та інші запропонували гвинтовий вибійний двигун.

Газова промисловість як самостійна галузь зародилася порівняно недавно – на початку 40-х років. Проте газ як паливо використовувався ще у далекому минулому. У стародавніх рукописах згадується, що в районі Баку, з міжгір'їв землі вибивалися струмені газу. Жителі використовували цей газ для випалення вапна і влаштовували вогнища на місці виходів газу. Невидиме пальне, що виділяється із землі, речовину використовували жерці храмів вогнепоклонників. Вони прокладали від місця його виходу із землі до кутів даху храму глиняні труби, запалювали газ, що виходить, і «вічний вогонь» палав на храмах, привертаючи тисячі паломників.

Розвиток газової промисловості в Росії почався в 1902 р., коли в Сураханах було одержано перший газовий фонтан. Після цього почалося буріння свердловин на газ і подача його по газопроводах на заводи для використовування в якості палива. В 1956 р. вступило в роботу Шебелинське газове родовище.

Разом із зростанням видобутку природного газу, що складається переважно з метану і використовується в основному як паливо, з року в рік збільшується видобуток нафтового (попутного) газу. Цей газ складається з суміші вуглеводнів (метан, етан, пропан і ін.) і є не тільки хорошим паливом, але і незамінною сировиною для нафтохімічних виробництв. Такий газ перед подачею його споживачам як паливо проходить переробку на газопереробних (газобензинових) заводах. На ГПЗ з газу відділяють важкі фракції (бутан і вище), які у вигляді зріджених газів йдуть на нафтохімічні заводи, а також населенню в балонах (балонний газ).

Умовно історію техніки і технології буріння можна поділити на три етапи.

Першим етапом було промислове освоєння ударного способу буріння. Суть його полягала в тому, що порода руйнувалася спеціальним лопатевим долотом при його ударі об вибій. Утворений отвір (свердловина) обсаджувався сталевими трубами до моменту їх прихвату стінками свердловини. Після цього продовжувалося руйнування породи долотами меншого діаметра. Цей метод буріння називався ще канадським.

Значні переваги методу полягали у тому, що продуктивний пласт під час його розкриття зберігав свої фільтраційні властивості незмінними. Однак при аномальному тиску цей спосіб не забезпечував повного розкриття пласта через неконтрольоване фонтанування свердловини.

Другим етапом можна вважати освоєння обертового (роторного) способу, завдяки якому буріння свердловин істотно прискорилося і стало більш безпечним. Поєднання цього способу з винаходом шарошкових і алмазних безопорних доліт (у тому числі з алмазотвердосплавними вставками) дозволило ефективно здійснювати буріння глибоких та надглибоких свердловин. На кінець XX століття буріння свердловин у світі здійснювалося, в основному, саме роторним способом. У 20—30-х рр. минулого століття був винайдений турбінний спосіб буріння, при якому бурове долото обертається разом із валом турбобура. У колишньому Радянському Союзі цей метод був основним, особливо при бурінні свердловин глибиною 2—2,5 тис. м.

Турбобури, електробури та об'ємні (гвинтові) двигуни склали новий клас бурових машин — вибійних двигунів. Якщо турбобури внаслідок їхніх низьких енергетичних характеристик використовуються все менше і менше, то гвин­тові двигуни і електробури знаходять останнім часом більш широке застосування.

Третій етап технічного прогресу в бурінні свердловин пов'язаний з освоєнням спорудження похило-скерованих, кущових, багатовибійних горизонтальних та горизонтально-розгалужених свердловин. Вимоги, зумовлені природними факторами (буріння в умовах боліт Амазонки, Західного Сибіру, узбережжя Мексиканської затоки, на шельфах морів та океанів), прискорили розробку теорії проектування трас свердловин, засобів маркшейдерії, техніки для скерованого викривлення стовбура свердловини та стабілізації напрямку свердловини, а також технологію такого буріння. Створені механізми викривлення, телеметричні системи з використанням вибійних двигунів дозволяють бурити похило-скеровані кущові свердловини в умовах, коли з однієї площадки або з однієї морської споруди буряться 18—36 таких свердловин з виведенням їх вибоїв у точки, обумовлені проектом розробки родовища.