Что добывают из буровых скважин
Обновлено: 07.07.2024
Как добывают нефть: просто о сложном. Часть 3
Мы уже писали о том, что представляет собой нефтяной пласт и как бурят скважины . Но каким образом нефть из залежи по скважинам попадает на поверхность?
Скважины фонтанируют, но только в самом начале
На этапе, когда разработка месторождения только начинается, нефть в пласте находится под большим давлением, и если внутренней природной энергии пласта оказывается достаточно, чтобы поднять нефть на поверхность, говорят о фонтанном способе добычи. По мере истощения пластовой энергии фонтанирование скважин прекращается, возникает необходимость в механизированной добыче нефти.
Фонтанирование можно вызывать и искусственно, поддерживая или увеличивая пластовое давление с помощью закачки в пласт различных жидких и газообразных агентов ( заводнения ). Искусственное поддержание пластового давления применяется и при механизированной добыче с использованием насосов. Заводнение принято относить ко вторичным методам добычи. В этом случае речь, как правило, идет о закачке в пласт самых естественных агентов — воды или природного газа.
Но есть и другие способы воздействия на пласт, например, горячим паром, растворами различных химических соединений, кислотами. Их применяют на последней стадии разработки залежи и относят к третичным методам добычи. Третичная добыча предполагает массированное воздействие на пласт и существенное изменение его характеристик.
Решение, довольствоваться ли на начальном этапе разработки фонтанной добычей или сразу приступать к механизированной, принимается исходя из исследований дебитов скважин и их последующего экономического анализа. Дело в том, что обычно дебит фонтанирующей скважины меньше, чем объемы нефти, которые можно добыть с помощью погружных насосов. С другой стороны, фонтанирование позволяет избежать дополнительных затрат на спуск насоса и электроэнергию для его работы. Только оценив все эти факторы, можно экономически обосновать применение того или иного метода добычи.
Производительность нефтяных скважин
Дебитом скважины называют количество жидкости, выкачанной из скважины за определенное время. В российской нефтяной промышленности принято рассчитывать суточные дебиты и измерять их либо в кубометрах, либо в тоннах (м алодебитные скважины — до 5 тонн/сут., среднедебитные — 6–100 тонн/сут., высокодебитные — более 100 тонн/сут. ). Дебиты скважин зависят от многих обстоятельств (величина пластовой энергии, свойства коллектора, места расположения скважины и др.)
Так как жидкость, извлекаемая при добыче нефти, обычно содержит некоторое количество воды, то говорят о среднем дебите жидкости и отдельно о среднем дебите нефти. На начальных этапах разработки месторождения эти показатели обычно несильно отличаются друг от друга. На зрелых месторождениях дебит нефти постепенно падает.
Качалка, газлифт, ЭЦН и другие
В далеком прошлом нефть просто собирали с поверхности воды или добывали из неглубоких колодцев. В XIX веке первые пробуренные скважины активно фонтанировали и не нуждались в дополнительных приспособлениях для извлечения из них нефти. Затем, когда фонтан истощался, нефть вычерпывали желонкой, однако этот метод был малоэффективным.
В 1865 году в Америке на не фонтанирующих скважинах впервые начали применять глубинные плунжерные насосы . Поршень насоса приводился в движение штангой, соединенной с тем же балансиром, который использовался для проводки скважины ударным бурением. Это были предшественники современного станка-качалки.
Приводом в большинстве случаев служил двигатель внутреннего сгорания, работавший на попутном газе. Примерно в то же время глубинные насосы для выкачивания нефти появились и в России, однако они долго не получали широкого распространения . В 1874 году насосы впервые применили на нефтепромыслах в Грузии, а в 1876 году — в Баку. Сегодня штанговые насосы (качалки) имеют ограниченное применение — их проблемно эксплуатировать в искривленных и глубоких скважинах. Впрочем, у качалок есть и бесспорные преимущества: надежность и простота в обслуживании и ремонте.
Еще один тип скважинных насосов, изобретенный на заре развития промышленной нефтедобычи,— газлифт . Суть его действия заключается в том, чтобы вытолкнуть нефть на поверхность с помощью газа. С этой целью газ под большим давлением закачивают в пространство между обсадной колонной и насосно-компрессорными трубами (НКТ), по которым поднимается нефть. Затем открывается газлифтный клапан, и газ попадает в НКТ, вытесняя наверх находящуюся выше клапана жидкость. Впервые принцип газлифта был применен при нефтедобыче в 1897 году — на Бакинском месторождении. Инициатором использования технологии стал знаменитый инженер и изобретатель Владимир Шухов.
Газлифт — весьма надежный способ эксплуатации. Газлифтные скважины легко обслуживать и ремонтировать. Метод может применяться на скважинах с большой кривизной, а также при одновременной раздельной эксплуатации двух и более пластов. Однако среди его недостатков отмечают необходимость использования громоздкого наземного оборудования, значительную величину начальных капиталовложений, невысокий КПД и возможность образования стойких эмульсий в добываемой жидкости.
Несколько позднее для добычи нефти стали применяться электроцентробежные погружные насосы (ЭЦН). Разработки в этой области связаны с именем российского инженера Армаиса Арутюнова. В 20-х годах прошлого века он эмигрировал в США и уже там довел свое изобретение до коммерческого использования .
Скважинные центробежные насосы приводятся в действие погружными электродвигателями. Электродвигатель вращает вал насоса, на котором закреплены рабочие колеса с направляющими лопастями. Жидкость через приемный фильтр поступает на лопасти вращающегося рабочего колеса первой ступени, под влиянием центробежных сил перемещается к периферии колеса и выбрасывается в неподвижные направляющие каналы, откуда попадает на рабочее колесо следующей ступени. Цикл повторяется до тех пор, пока нефть не достигнет колонны насосно-компрессорных труб, по которым затем поднимается на поверхность.
ЭЦН может использоваться в горизонтальных и искривленных скважинах, позволяет получать высокие дебиты как с неглубоких, так и глубоких скважин, не требует высоких капитальных вложений, наземное оборудование сравнительно компактно. Однако двигатель требует стабильного источника электроэнергии. К слабым местам конструкции относят наличие электрического кабеля, который необходимо спускать в скважину. Кроме того, серьезную опасность для насоса представляют солеотложения. Проблемы могут возникать при работе с газом, механическими примесями. А если насос вышел из строя или ему необходим плановый ремонт, оборудование придется поднимать на поверхность, значит, временно прекращать эксплуатацию скважины.
Стадии разработки залежи Стадии разработки залежиВсего в настоящее время насчитывается около десяти разновидностей глубинных насосов. Все они имеют свои достоинства, недостатки, области применения — в зависимости от глубины скважины, ее профиля, планируемых дебитов и ряда других факторов. В тех случаях, когда электрический центробежный насос может оказаться неэффективным (например, когда нефть слишком вязкая), применяются винтовые или струйные насосы.
Основные виды механизированной добычи нефти Основные виды механизированной добычи нефтиКакие сложности могут возникнуть в процессе добычи нефти?
Средняя глубина нефтяных скважин составляет около 3000 м. Естественно, их эксплуатация не может проходить идеально даже при полном соблюдении всех технологических правил и мер безопасности. Проблемы в процессе добычи могут возникать самые разнообразные: нарушения в обсадной колонне, прихваты насосно-компрессорных труб и другого подземного оборудования, падение погружного оборудования, заколонные перетоки жидкости и водопритоки в добывающую скважину, образование на забое песчаных пробок. Также работа скважин нередко осложняется образованием стойкой эмульсии, отложением парафина на внутренней поверхности подъемных труб и на клапанах насосов, коррозией погружного оборудования.
В случаях, когда месторождение находится на поздней стадии добычи и в извлекаемой жидкости содержится значительное количество минерализованной пластовой воды, серьезную проблему для скважины представляют отложения солей, способные за короткое время вывести ее из строя. Соли кальция, магния и других металлов могут осаждаться и закупоривать перфорационные каналы, эксплуатационные колонны, клапаны, насосы. Для борьбы с отложениями в скважину подают химические реагенты, которые можно условно разделить на две группы: реагенты для удаления отложений и реагенты (ингибиторы) для предотвращения их образования.
Количество скважин, пробуренных на одном месторождении или на одном лицензионном участке, может достигать нескольких десятков и даже сотен. Чтобы отслеживать их работоспособность, рассчитывают коэффициент эксплуатации действующего фонда скважин — отношение времени фактической работы скважин за определенный период к его общей продолжительности. Этот коэффициент всегда меньше 1 и в среднем по нефте- и газодобывающим предприятиям составляет 0,94–0,98. На практике это означает, что простой в связи с ремонтными работами в скважинах занимает от 2 до 6% общего времени их эксплуатации.
Из нефтяных скважин добывают не только нефть
После того как продукцию скважин подняли на поверхность, ее направляют в систему сбора и подготовки. Дело в том, что из нефтяных скважин добывается не чистая нефть, а смесь нефти, воды и газа с небольшими примесями других веществ и твердых частиц. Содержание воды в скважинной жидкости, в особенности на завершающей стадии эксплуатации месторождений, может достигать 80% и более. Это сильно минерализованная среда, способная вызвать быстрое коррозионное разрушение труб и наземного оборудования. Твердые частицы, поступающие с нефтью из скважины, также приводят к ускоренному износу оборудования. Попутный нефтяной газ, в свою очередь, может быть использован как сырье и топливо.
Разделение всех этих компонентов проходит в несколько этапов, на каждом из которых используются различные технологии. Нефть выдерживается в резервуарах определенное время, в течение которого вода под действием силы тяжести оседает на дно. Для отделения воды от нефти продукцию скважин нагревают, а также добавляют в нее реагенты-деэмульгаторы. Наиболее низкое остаточное содержание воды достигается при использовании электрических методов обезвоживания и обессоливания. Для этого жидкость пропускают через специальные аппараты — электродегидраторы. Извлечени легких углеводородов — попутного нефтяного газа — называется стабилизацией нефти.
Подготовленная нефть направляется в резервуары товарного парка. Затем через головную насосную станцию она подается в магистральный нефтепровод для дальнейшей поставки потребителям.
Заинтересовала статья? Или вам интересны другие темы? Оставляйте свои комментарии - нам важно знать ваше мнение.
Нефтянка для инженеров, программистов, математиков и широких масс трудящихся, часть 2
Сегодня мы расскажем о том, как буровые станки бороздят просторы Сибири, из чего состоит скважина; зачем, для того, чтобы добыть что-нибудь нужное, надо сначала закачать в пласт что-нибудь ненужное; и из чего, собственно, сделана нефтяная залежь. Это вторая часть из серии статей для будущих математиков-программистов, которым предстоит решать задачи, связанные с моделированием нефтедобычи и разработкой инженерного ПО в области сопровождения нефтедобычи.
Первую часть серии можно прочесть здесь
Конструкция скважины
Скважина – это отверстие в земле, в земной коре (в почве, потом в глине, потом во всяких разных породах – все видели слоистость земли на стенке любого строительного котлована), пробуренное до глубины залегания месторождения с целью выкачивания из месторождения чего-нибудь нужного (нефти или газа) или закачивания в месторождение чего-нибудь ненужного (воды или углекислого газа). Места, где нефть можно просто черпать с поверхности земли или поднимать воротом из неглубоких колодцев, почти закончились: теперь до нефти нужно сначала добуриться.
Скважину бурят буровой установкой, которая насаживает на трубу специальное буровое долото с вращающимися резцами. В зависимости от способа, может вращаться сама труба вместе с резцами, или труба может не вращаться, но в буровой инструмент подаётся по той же трубе (бурильной колонне) электричество или буровой раствор под давлением. В последнем случае буровой раствор и приводит в движение долото, и он же обратным потоком жидкости выносит на поверхность всё, что там резец набурит. Не знаю, как вы, а я был в своё время восхищён такой инженерной идеей. Там ещё и телеметрия передаётся обратно звуковыми волнами тоже по потоку жидкости.
В процессе бурения можно увеличивать или уменьшать вертикальную нагрузку на долото (то есть, давить вниз) для изменения скорости проходки, а также потихоньку отклонять буровую колонну для того, чтобы направлять скважину в ту или иную сторону. По понятным причинам для бурения нескольких скважин удобнее всего начинать бурение в одном и том же месте, называемом кустом скважин: удобно подвозить к одному месту руду, дерево, ртуть, серу, кристаллы, золото материалы, бригады, оборудование, подводить электричество, а после запуска всех скважин в работу – собирать нефть. Делать это с десятка скважин на одном кусту очевидно удобнее, чем с десятка скважин, рассредоточенных на необъятных просторах торфяных болот Сибири. Поэтому начинают бурить все скважины куста с одной площадки, и постепенно разводят их по траекториям в разные стороны, чтобы на поверхности все траектории скважин куста сходились в одном месте, но внизу равномерно распределялись по какому-то заданному участку месторождения. Это означает, что чаще всего у набора скважин с одного куста есть несколько типовых участков траектории: начальный участок продолжается участком, где скважины разводятся по разным азимутам. Если кто забыл, азимут – это направление, на которое стрелка компаса указывает, точнее – отклонение от этой стрелки. Потом идёт участок набора глубины, потом участок хитрого входа в нефтесодержащий пласт, ну и собственно, участок скважины внутри нефтесодержащего пласта, где в скважину через её стенки поступает нефть.
Чаще всего месторождение “в длину” и “в ширину”, то есть по латерали, гораздо больше, чем “в высоту”, то есть по вертикали. По латерали месторождение может простираться на километры, десятки и сотни километров, а по вертикали – на метры, десятки и сотни метров. Также очевидно, что чем более длинная часть скважины находится внутри месторождения, тем больше нефти будет к такой скважине притекать. Поэтому сейчас большая часть буримых скважин – горизонтальные. Это не значит, что вся скважина горизонтальная – нет, наверху всё такой же “паук” с лапками вниз и в разные стороны. Условно вертикальная скважина “протыкает” месторождение вертикально, а условно горизонтальная скважина имеет довольно длинный (сотни метров) вскрывающий месторождение горизонтальный участок.
При бурении скважина проходит участки разных пород, какие-то более прочные, какие-то менее. Какие-то могут держать форму, а какие-то будут обрушиваться. Некоторые слои, особенно ближе к поверхности, могут быть насыщены пресной водой, а мы же не хотим её загрязнения? Поэтому в процессе бурения пробуренный ствол скважины обсаживается – в него спускаются металлические трубы и производится их цементирование – заполнение пространства между трубой и породой цементной смесью. Пробурили очередной участок, подняли буровые трубы, спустили очередную обсадную трубу почти под диаметр скважины, залили цементом всё вокруг этой трубы – теперь ничего не обрушится, можно снова – уже в обсадную трубу – спускать буровую колонну меньшего диаметра и бурить дальше. Понятно дело, бурить приходится чуть шире, чем диаметр обсадной трубы, которую спустят, и по мере углубления обсадная труба становится всё меньше, входя в пласт каким-нибудь типовым диаметром в 146 мм. Кроме этого, нам может быть важно, чтобы месторождение, состоящее из нескольких пластов и пропластков, соединялось со скважиной одним пропластком и не соединялось другим, – этой цели и позволяет добиться самая внутренняя обсадная труба, называемая эксплуатационной (те обсадные трубы, которые расположены выше, тоже имеют свои названия – направление, кондуктор, промежуточная и т.д.). Горизонтальный участок скважины тоже может иметь трубу с цементом вокруг, а может и не иметь цемента, а может и не иметь трубы, тогда говорят о горизонтальной скважине с открытым стволом.
Чтобы в скважину хоть что-то могло притечь (напоминаю, она металлическая, а ещё там цемент с той стороны металла), в эксплуатационной колонне надо сделать отверстия в нужных местах, называемых интервалом перфорации. Для этого в скважину спускают гирлянду зарядов со взрывчаткой – бабах! – при подрыве кумулятивные струи зарядов создают отверстия в стенках скважины в нужных интервалах, через которые и будет поступать нефть. А вот если часть гирлянды так и не взрывается, вытаскивать её отправляют самого молодого и неопытного из бригады, кого меньше всего жалко (шутка).
После бурения скважину отдают в освоение. Дело в том, что при бурении скважина и прилегающая к ней часть пласта оказывается забита всяким мусором и шламом: мелкими и крупными частицами породы, утяжелителями бурового раствора и так далее. Задача освоения – очистить скважину, очистить место соединения скважины с пластом, очистить прилегающую часть пласта (призабойную зону) так, чтобы то, что мы хотим добывать или закачивать, не испытывало затруднений на своём пути. После освоения скважина готова к добыче: спускай длинную насосно-компрессорную трубу (НКТ), на которой находится насос, открывай задвижку на самой скважине, включай насос и готовь ёмкости или трубопровод.
Гидравлический разрыв пласта (ГРП)
Правда, даже если вы сделаете всё в точности как описано выше, ёмкость вам понадобится маленькая, а трубопровод тоненький. Всё потому, что большинство месторождений, находящихся в разработке сейчас, являются настолько плохими (низкопроницаемыми), что бурение обычных вертикальных или даже горизонтальных скважин становится экономически неэффективным. Причём хорошо, если просто экономически неэффективным – в конце концов, всегда можно напечатать долларов и раздать бедным сланцевым компаниям – а вот если энергетически неэффективным (когда в добываемой нефти энергии меньше, чем требуется потратить на бурение и добычу), то совсем пиши пропало. На помощь пришла технология гидравлического разрыва пласта.
Суть гидроразрыва пласта (ГРП) заключается в следующем. В скважину под большим давлением (до 650 атм. или даже 1000 атм.) закачивают специальную жидкость, похожую на желе (собственно, это и есть желе). Это давление разрывает пласт, раздвигая слои породы. Но на той глубине, где обычно производится ГРП, порода сильнее сдавлена сверху, чем с боков, поэтому давлению проще раздвинуть её в стороны, чем вверх. Трещина получается почти плоская и вертикальная, при этом ширина её составляет считанные миллиметры, высота – десятки метров, а длина может доходить до нескольких сотен метров. Затем вместе с жидкостью начинает подаваться пропант – похожая на песок смесь крепких керамических гранул диаметром от долей миллиметров до миллиметров. Цель ГРП – закачать побольше пропанта в пласт так, чтобы образовалась очень хорошо проницаемая область, соединённая со скважиной. Жидкость, конечно, утечёт в пласт, а пропант останется там, куда успел дойти и не даст трещине полностью сомкнуться, обеспечивая высокопроводящий канал. Если до ГРП нефть в скважину притекала только со стенки самой скважины, то после ГРП нефть притекает со всей (ну может и не со всей, а может только с половины, точно никто не скажет) поверхности трещины. То есть площадь с которой притекает нефть, после ГРП увеличивается где-то в 1000 раз. А значит растёт (пусть и не в 1000 раз) и дебит скважины, что в конечном итоге позволяет разрабатывать месторождения, которые ранее считались нерентабельными.
Современные технологии дошли до того, что позволяют сделать на скважине не одну трещину ГРП, а целый набор, называемый стадиями (чемпионские скважины сейчас имеют длину горизонтального участка до 2000 м. и до 30-40 трещин ГРП).
Физико-химические свойства нефтесодержащей породы
Как уже говорилось выше, нефтесодержащая порода больше всего похожа на очень плотно спрессованный песок. Песчинки плотно прилегают друг к другу, но так как они не ровно кубические, и уложиться в равномерную упаковку “без щелей” не могут, то часть объёма между ними должна быть заполнена чем-то жидким или газообразным. Если взять какой-нибудь единичный объем породы и посчитать суммарный объем плотных частичек и оставшуюся “пустоту”, то доля этой “пустоты” в общем объёме называется пористостью. При этом сами крупинки породы, которые слагают месторождение, тоже могут иметь ещё более мелкие пустоты внутри, но если все эти пустоты друг с другом не соединены, считать их за пористость как бы бесполезно. Поэтому чаще всего, когда говорят о пористости, на самом деле имеют в виду эффективную пористость – долю пустого объёма, соединённую в единый объём. Типичные значения хорошей пористости традиционных месторождений -0.16-0.20 (то есть 16-20%), типичные значения пористости у сланцев — менее 0.05 (5%). Почему пористость важна? Потому что она определяет верхний предел запасов нефти в месторождении — сколько нефти в принципе там может содержаться. Если пористость высока, то еще, конечно, не факт, что всю нефть месторождения удастся добыть. Но если пористость низка, то качай не качай -много не добудешь при самых лучших способах добычи.
Важно понимать, что и пористость, и все остальные описываемые далее параметры, не являются на самом деле одним числом, которое справедливо для всего месторождения. Это показатели, которые зависят от самой породы и пропитывающих её флюидов, и, конечно же, меняются от точки к точке, потому что само месторождение практически всегда неоднородно (пусть и масштаб этой неоднородности может быть очень разным). Там, где в пределах месторождения залегают глины, пористость будет мала, где залегают песчаники – там пористость будет велика, и так далее. Кстати, мы всё равно не сможем описать каждый кубический сантиметр породы, поэтому от реальности при моделировании нам придётся отступить, и считать, что на каком-то масштабе (например, в ячейках размером 10 метров на 10 метров на 1 метр) свойства породы и всего остального не меняются.
Второй важный показатель – проницаемость породы. Она показывает способность породы пропускать сквозь себя флюид. Флюид, кстати, – это то, что может течь, жидкость или газ. Когда пустот в породе мало, порода не пропускает сквозь себя флюид. Мысленно представим, что пустот в породе становится всё больше и больше: начиная с определённого момента отдельные пустоты начинают соединяться друг с другом и происходит перколяция – возникают каналы, по которым флюид может начинать двигаться. В быту мы часто сталкиваемся с пористыми материалами с высокой и низкой проницаемостью: губку для посуды легко “продуть” насквозь, хлеб уже больше сопротивляется попыткам продуть сквозь него воздух, а продуть насквозь пробку не легче, чем надуть резиновую грелку. Измеряется она в единицах дарси, но чаще в ходу миллидарси мД и нанодарси нД.
Во всех этих случаях можно заметить следующие закономерности. Через одни материалы (с высокой проницаемостью) всё фильтруется легче, чем через другие – и жидкости, и газы. Кроме этого, газы вообще фильтруются легче, чем жидкости. Да и среди жидкостей всё не так однозначно – любой может заметить в домашних условиях, что жидкий гелий (у любой рачительной хозяйки в холодильнике всегда есть) фильтруется гораздо легче, чем вода… а вода фильтруется гораздо легче, чем, например, кисель. Это происходит потому, что на скорость фильтрации влияет не только проницаемость (через что фильтруется), но и вязкость (что фильтруется).
Нефтяники всё время говорят про фильтрацию, используя именно это слово, но нужно привыкнуть к его особенному значению. Кофе фильтруется через бумажную салфетку, оставляя на ней частицы зёрен, но нефть, газ и флюиды фильтруются через породу немного в другом смысле. Слово “фильтруется” в нефтянке надо понимать просто как “течёт сквозь”.
Во всех приведённых примерах чтобы что-то начинало продуваться, мы начинали дуть, то есть прикладывать разность давлений. Если взять сантехническую трубу, набить её пористой средой и приложить к одному концу трубы повышенное давление газа или жидкости (с другой стороны будет обычное, атмосферное), то закон Дарси утверждает, что скорость фильтрации (дебит, то есть расход продуваемого флюида в секунду) будет пропорциональна проницаемости и перепаду давления и обратно пропорциональна вязкости и длине трубы. Если в два раза увеличить длину трубы, для сохранения такой же скорости потока нужно в два раза увеличить перепад давления, а если в два раза увеличить вязкость продуваемого газа или жидкости, то для сохранения скорости продува нужно в два раза увеличить проницаемость продуваемой среды.
Как связана пористость и проницаемость?
Во-первых, для реальных материалов, в том числе для горных нефтенасыщенных пород, они действительно друг с другом чаще всего коррелируют. Во-вторых, правильнее говорить, что пористость является причиной для проницаемости. Очевидно, что если пористость равна нулю, то и проницаемость тоже равна нулю. Но вот все остальные зависимости – скорее статистические. Да, действительно, чаще всего, чем больше пористость, тем больше и проницаемость, и вообще, чаще всего пористость и проницаемость связаны экспоненциальной статистической зависимостью (обратите внимание, что на картинке одна ось – логарифмическая). Однако техногенные вещества могут эту зависимость нарушать: так аэрогель имеет высокую пористость (90-99%), но очень низкую проницаемость (я думаю, меньше 1 нД).
На что влияет проницаемость? На скорость добычи, конечно. Насос, спущенный в скважину очень быстро “выбирает” нефть вокруг себя и снижает давление в призабойной (прилегающей к нижней части скважины) зоне, а дальше в игру вступает проницаемость. Если она достаточно высока, то перепад давления, созданный насосом, вызывает фильтрацию пластовой жидкости из дальней зоны, а если проницаемость мала, то сколько ни снижай насосом давление в призабойной зоне (а у давления нет верхнего предела, но очень даже есть нижний – создать давление ниже нуля атмосфер ещё никому не удавалось!), существенный приток не вызовешь. Гипотетически, если выкопать скважину глубиной два километра в породе с нулевой проницаемостью (говорю же – гипотетически), то скважину можно полностью осушить, и на дне её будет то же самое атмосферное давление (ну ладно, чуть больше), но ничего никуда течь не будет.
В итоге, в так (неправильно) называемых “сланцевых” месторождениях нетрадиционной нефти с их крайне низкой проницаемостью бурить обычные скважины бесполезно: нефть есть, её много, но из-за низкой проницаемости скорость фильтрации такая низкая, что скважины дают мизер, не окупающий даже их эксплуатацию. Что делать? Увеличивать площадь скважины, но не увеличивая её диаметр (обрушится!), а создавая в пласте соединённую со скважиной открытую трещину ГРП, пусть и тонкую, но с большой площадью стенок. И даже это позволяет добывать нефть только с того объёма, который хоть как-то трещинами был затронут, а с соседнего кубокилометра так ничего и не притечёт.
Итак, пористость определяет теоретический доступный к добыче объём месторождения, а проницаемость определяет скорость фильтрации нефти к скважине. Третий важный параметр, описывающий свойства нефтесодержащей породы – это насыщенность, в частности, нефтенасыщенность. Пористость описывает объем “пустоты” в породе, которую может занимать любой подвижный агент – хоть жидкость, хоть газ. Но таких кандидатов в месторождении несколько: это может быть действительно газ, в условиях месторождения это чаще всего природные газообразные углеводороды (метан, этан, пропан и так далее), или какой-нибудь техногенный углекислый газ, если его уже успели закачать. И это может быть, собственно, нефть и вода. Откуда там возьмётся вода? Правильный вопрос на самом деле – откуда там взялась нефть, потому что вода там была с самого начала: напоминаю, когда-то всё это было дном океана. Это нефть в ловушку месторождения пришла и вытеснила воду, но вытеснила не всю воду, что там изначально была. В итоге когда мы начинаем разрабатывать месторождение, часть порового объёма в любой точке может быть занята нефтью, часть газом, а часть водой.
Доля порового объёма, занимаемая нефтью – это и есть нефтенасыщенность. Особенность этого показателя в том, что он может меняться в процессе разработки месторождения. Когда через нагнетательные скважины начинают закачивать воду, нефтенасыщенность в разных точках месторождения начинает меняться.
Кроме нефтенасыщенности есть ещё и газонасыщенность – доля свободного газа в поровом объёме (какое-то количество газа, кроме этого, ещё и растворено в нефти – оно учитывается в другом месте). В каких-то месторождениях есть свободный газ (он скапливается в верхней части месторождения в виде так называемой газовой шапки), в каких-то нет. Какая-то часть порового объёма, кроме этого, обязательно занята водой – доля этого объёма называется водонасыщенностью. В любом случае, сумма нефте-, газо- и водонасыщенности всегда равна единице, потому что – а чем ещё может быть занят поровый объём между крупинками породы?
Следующим важным физическим параметром, влияющим на добычу нефти, является так называемое пластовое давление – давление флюида между частичками породы в каждой точке месторождения. Сами частички ещё испытывают на себе геостатическое давление “скелета” всей породы, что ещё лежит сверху, но это уже совсем другая история.
Нефтяники любят высокое давление и не любят низкое давление, потому что давление – это накопленная энергия, которой можно воспользоваться. Иногда нефть находится в месторождении под таким высоким давлением, что её, по сути, и качать не надо – достаточно добуриться скважиной до месторождения, и пластовое давление начнёт самостоятельно выталкивать нефть на поверхность: скважина даст фонтан нефти – только и успевай подставлять вёдра и тазики, нефть хлещет сама, без каких-либо затрат электричества на добычу!
Давление тесно связано с таким показателем, как сжимаемость. Мысленно представим себе колбу, наполненную, например, газом. Пусть давление там равно атмосферному. Затолкаем туда ещё 1% объёма газа и посмотрим, как изменилось давление. Если у вас нет под руками манометра, придётся поверить на слово – изменится не очень сильно (вы удивитесь — но на на тот же 1%). Возьмите пустую бутылку 0.7 (можно взять полную и предварительно её опустошить, но тогда дальнейшие опыты могут столкнуться с проблемами) и убедитесь, что немного воздуха туда выдохнуть всегда можно: газ очень хорошо сжимаем, его сжимаемость велика. А вот если газ заменить на жидкость, попытка впихнуть ещё немного жидкости в полную колбу в случае успеха, скорее всего, закончится печально: давление вырастет моментально и очень сильно, потому что жидкость плохо сжимается, её сжимаемость мала.
Можно сказать, что сжимаемость позволяет накапливать упругую энергию сжатия в веществе, и именно сжимаемость гораздо больше, чем давление, определяет, сколько энергии в сжатой среде накоплено. Если сжимаемость велика, энергии можно накопить много. Если сжимаемость мала, энергии много не накопишь. Представьте баллон с манометром, показывающим 220 атмосфер давления внутри. Если эту энергию пустить в дело, например, засунуть в ракету, то высоко ли она полетит? Оказывается, всё определяется не тем, сколько атмосфер давления, а тем, что там внутри сжато. Если там воздух, ракета взлетит, а если только вода – не взлетит. Посмотрите, как летают пневмогидравлические ракеты и подумайте, зачем они “пневмо” и зачем гидравлические. Тот же самый принцип используется в гидроаккумуляторах в домашней системе водоснабжения – вода не позволяет накопить много энергии сжатия, чтобы не включать каждый раз насос, когда вы открываете кран, а газ – легко.
Сжимаемость нефти больше сжимаемости воды, но гораздо меньше сжимаемости газа, поэтому при добыче нефти, если не замещать доставаемый объём из месторождения чем-то ещё, пластовое давление очень быстро падает. Ещё, когда говорят о сжимаемости, нужно держать в уме, что при наличии породы и различных насыщающих агентов (воды, нефти, газа), сжимаемость (разная) есть у них всех, и кроме этого, можно говорить об общей сжимаемости всей этой системы.
Газовая шапка на месторождении часто играет ту же самую роль аккумулятора, что воздух в пневмогидравлической ракете, поэтому случайно стравить газовую шапку месторождения – значит потерять ту значительную часть энергии, которая могла бы выдавливать в скважины нефть, а еще к тому же пустить нефть туда, где раньше был газ. А всем известно, если пролить куда-то сметану из банки, а потом попытаться собрать ее обратно, чтобы мама не ругалась… часть сметаны обратно собрать не получится, и с нефтью то же самое.
В следующей части мы расскажем, как месторождения образовывались, что с ними происходит в процессе добычи, а также изучим физико-химические свойства нефти, воды и газа.
Что добывают из буровых скважин
XCMG for Your Success Какие полезные ископаемые добывают буровыми установками 7 июн 2020Какие полезные ископаемые добывают буровыми установками
Одна из наиболее мощных разновидностей спецтехники, предназначенная для создания скважин – буровая установка. Это огромный комплекс оборудования с высокими технологическими характеристиками. Особенности конструкции, состав узлов и другие детали определяются технологией бурения, внешними условиями и назначением скважины. Далее рассмотрим, особенности техники, и какие полезные ископаемые добывают буровыми установками.
Буровая установка состоит более чем из десяти обязательных модулей, узлов, сооружений и оборудования (вышка, лебедка, насосы, ключ и катушка, емкости, устройства для приготовления растворов и другие блоки). Она позволяет создавать скважины разной глубины. Размеры в каждом случае выбирают в зависимости от целей и добываемых полезных ископаемых. Например, для добычи газа необходимо создать глубокие и сверхглубокие скважины.
Какие скважины создают и ископаемые добывают при помощи буровых установок
Востребованный вид нефтегазового оборудования – буровая установка. Она состоит из спускоподъемного, циркуляционного, бурового, противовыбросного, силового модуля и системы изготовления буровых растворов.
Какие ископаемые добывают при помощи буровых установок?
Твердые полезные ископаемые. Для этого прибегают к формированию неглубоких и небольших скважин поискового и структурного типа. Их глубина не превышает 600 метров.
Нефть и газ. Для этого необходимо пробурить более глубокие скважины (6000 – 15 000 метров). Они относятся к эксплуатационным и разведочным. Глубокое и сверхглубокое бурение широко распространено в России.
Буровые установки активно применяются при создании скважин на воду.
Кроме того, буровая установка нашла широкое применение на горных выработках: с ее помощью в шахтах создают взрывные скважины. Спецтехника – незаменимый помощник во время испытания и капитального ремонта скважин на газ и нефть.
Существует множество разновидностей буровых установок. Только грамотный выбор спецтехники с оптимальными техническими характеристиками и конструкцией обеспечит качественную и легкую добычу полезных ископаемых.
Как добывают нефть: просто о сложном. Часть 2
Мы уже рассказывали о том, что из себя представляет нефтяной пласт и как из него вытесняют нефть. Сегодня поговорим о том, как пробурить идеальную скважину и какие типы скважин бывают.
От быка до турбобура
Бурить скважины люди начали давно. Известно, что в эпоху династии Хань (202 до н. э. — 220 н. э.) китайцы уже умели строить скважины, достигавшие 600 м в глубину. Судя по сохранившимся изображениям, при этом использовался ударно-вращательный метод бурения: быки поворачивали долото, а группа людей синхронными прыжками загоняла его глубже в землю. Первая информация о бурении скважин в России относится к IX веку и связана с добычей растворов поваренной соли в районе Старой Руссы.
Официально принято считать, что первую скважину глубиной около 500 м, предназначенную для коммерческой добычи нефти, построил в 1859 году в штате Пенсильвания Эдвин Дрейк. Однако известно, что как минимум за 10 лет до этого нефтяные скважины успешно строили в Баку, и это не единственный пример, позволяющий оспаривать пальму первенства США.
В середине XIX века при бурении скважин для добычи соляных растворов, а потом и нефти применялось в основном ударное бурение. При этом разрушение (дробление) породы происходит под действием ударов падающего снаряда либо ударов по самому неподвижному снаряду. С увеличением глубины бурения эта технология становится все менее эффективной — сложнее промывать скважину, жидкость создает дополнительное сопротивление падающему долоту, а при бурении без промывки много времени уходит на очистку и крепление скважины. Поэтому на смену ударному пришло вращательное бурение.
Внедрение технологии механического роторного бурения в начале ХХ века стало одним из ключевых событий развития нефтяной промышленности. Впервые новую технологию применили на нефтяных промыслах Техаса в 1901 году. При роторном бурении долото, дробящее породу, присоединялось к колонне бурильных труб, вся эта конструкция опускалась в скважину и вращалась специальным станком с поверхности.
К окончанию первой трети XX века роторное бурение полностью завоевало нефтяную отрасль. Изменения в конструкции оборудования и технологии привели к более чем десятикратному увеличению скорости проходки и снижению себестоимости буровых работ, при этом глубину скважин удалось увеличить до 3–4 км. Впрочем, и этот способ не был лишен недостатков. Среди них — громоздкость бурового инструмента: при глубине скважины в 4 км колонна бурильных труб весила более 200 тонн, и основная часть энергии тратилась именно на вращение колонны, а не на углубление самой скважины. Решить проблему позволило размещение двигателя, вращающего долото, в глубине скважины.
Прогресс двигателей
Первым такой агрегат — турбобур — создал в 1922 году советский ученый Матвей Капелюшников. Современный турбобур — это многоступенчатый гидравлический двигатель. В каждой ступени турбины (а их количество может достигать 350) имеются два диска с профильтрованными лопатками. Один из них (статор) неподвижно закреплен в корпусе турбобура, а другой (ротор) вращается. Буровой раствор, нагнетаемый в скважину для промывки забоя, вращает роторы, усилие с которых передается на долото. Позднее появились и другие виды погружных двигателей, например, электрический и винтовой. В настоящее время на бурение с применением забойных двигателей приходится более 90% работ. При этом само бурение происходит с чередованием направленного (без вращения всей колонные) и роторного режима (с вращением колонны). Именно этот способ бурения позволил строить не только вертикальные скважины.
Существенный недостаток традиционного роторного бурения — невозможность передавать на долото усилие, которое бы искривляло траекторию проходки в нужном направлении. Появление забойного двигателя решило эту проблему. Чтобы искривить ствол скважины, применяются специальные отклонители долота, при этом само долото вращается погружным двигателем. Когда угол наклона скважины изменен, прямой участок можно пройти роторным способом.
Возможность бурить скважины с разным углом наклона, в том числе и горизонтальные, стала толчком к появлению идеи строительства многоствольных скважин. То есть скважин, у которых от основного ствола отходят дополнительные под разными углами. Мало того, ответвления могут отходить и от боковых стволов. Часто боковые стволы зарезаются на уже существующих скважинах, чтобы увеличить охват разрабатываемых продуктивных пластов. В целом же строительство многоствольной скважины на залежи позволяет добраться до разобщенных зон коллектора, содержащих нефть, обеспечить более эффективное управление разработкой месторождения и избежать преждевременного обводнения, сэкономить на капзатратах на бурение. В «Газпром нефти» технологию многоствольного бурения начали осваивать в 2011 году. В 2012 году было пробурено пять таких скважин, а уже два года спустя этот показатель увеличился в шесть раз.
Сколько стоит добыть нефть
Конечно, любое месторождение нефти нужно сначала найти, оценить его потенциальные запасы, составить карту пластов и сделать еще массу различных изыскательских действий, но мы этот этап опустим, мы же уже ее нашли. Вот она, у нас прямо под ногами.
Нужно скорее бурить скважину и качать из земли деньги.
Так, читаем что же для этого нужно?
"Подготовить площадку для бурения, обеспечить экологическую защиту окружающей среды от возможного разлива нефти".
Понятно, пригнать бульдозеры, разровнять площадку, убрать камни, деревья и т.д., отсыпать песком, снова разровнять, оградить брустверами, чтобы нефть не вытекала с площадки, если что-то пойдет не так.
Готовьте . миллионов 300-350 рублей!
Вот так будет выглядеть эта площадка.
Современная нефтедобыча - это давно уже не те банальные качалки, которые еще кое-где можно встретить на просторах нашей страны. Сейчас, во времена увеличения добычи нефти, одной скважиной с качалкой не обойтись. Скважины бурят сразу по несколько штук, называя площадку расположения скважин – кустами. В чем разница, и почему я об этом говорю в этом месте? Для того, чтобы было понимание, что из себя в дальнейшем будет представлять ваш дачный участок с нефтью. Качалками добывали нефть из прямых вертикальных скважин. Но вот беда, такие месторождения закончились и почти вся нефть, которую сейчас находят, находится в труднодоступных местах (под реками, озерами и болотами) и вертикальные скважины ее не смогут добывать. Короче, вариантов, что поставил на участке качалку и вуаля, не прокатит.
Скважины бурят не вертикально, а в самых разных плоскостях, причем не одну, а десятки и даже сотни на одной площадке. Скважины извиваются, уходят на разные горизонты в толще земли и даже, бывает, переплетаются. Если посмотреть на них на схеме, это очень похоже на куст или корневую систему дерева.
То есть нам нужно будет бурить не одну скважину, а десяток или больше, во время бурения каждой направлять долото в нужном направлении, двигаясь в перспективную область пласта, объединить скважины в единую систему, затем осуществить гидроразрыв пласта, опустить под землю насосы и можно выкачивать нефть.
В общем, все понятно, нужно приступать к бурению.
Привозим буровую установку, монтируем платформу для ее передвижения (т.к. скважин будет много, бурить из нужно на определенном расстоянии друг от друга), устанавливаем комплекс обслуживания, завозим необходимое количество бурильных труб, долото, буровую жидкость, подводим воду и привозим установку по очистке воды.
Сколько для этого всего нужно денег? Все зависит от глубины и сложности бурения.
На сегодняшний день стоимость одного погонного метра бурения в районах Западной Сибири составляет от 24 до 30 тысяч рублей.
Понятно, что свою буровую установку вы покупать не будете, воспользуетесь, как тот же "Газпром нефть" услугами буровых компаний, которые будут стоить около 1-1,5 млн $ за скважину глубиной 3000 метров.
Оу, что мы видим, скважины на нашем участке немного глубже, почти 4000 метров, так что готовьтесь выложить за каждую 1,5-2 млн $ или 90-130 млн рублей.
Читайте также: