История бурового дела.

Говоря о бурении, нельзя не упомянуть о достижениях в этой области древней китайской цивилизации. Зарождение собственно бурения, т.е. получения глубокого отверстия в горных породах земной коры, связано именно с древней китайской цивилизацией.

О китайских скважинах для добычи воды и соляных растворов, сообщает известный китайский философ Конфуций (около 6 века до н.э.). Скважины имели глубину до 100м и более , и бурились недалеко от Тибета. Некоторые скважины достигали 500м, отдельные даже 1242м.

Скважины бурили только ударным способом. Буровой снаряд изготовляли из бамбука.

Для современного специалиста до сих пор остается загадкой, как китайцам удавалось бурить скважины глубиной более 500м? Можно только догадываться, сколько технических проблем приходилось при этом решать!

Когда бурение скважин начало развиваться в Западной Европе, точно не установлено. Известно, что в 1126г. в провинции Артуа (Франция) была пробурена скважина на воду, вскрывшая напорные фонтанирующие воды. Отсюда и пошло название – артезианские скважины.

Разработкой и совершенствованием буровых установок и инструмента занимался и великий ученый средневековья Леонардо да Винчи. В его документах, датированный 1500 годом, имеется чертеж буровой установки с треногой.

Тем не менее вращательное бурение в Европе (кроме России)вскоре почти было забыто.

Этому способствовали успехи ударного способа бурения. Вращательное бурение возродилось только в середине 19века.

До 19 века бурение скважин развивалось крайне медленно. Это в полной мере относится и к наиболее развитым западно-европейским странам.

19 век стал веком быстрого развития ударного бурения. Бурный рост городов, возведение крупных промышленный предприятий потребовали организации их промышленного водоснабжения.

Роторное бурение впервые было реализовано в восьмидесятых годах 19 века в Луизиане. По другим данным, первая скважина в США была пробурена роторным способом в 1901году на месторождении Спиндлтоп. Для очистки скважины от шлама в Техасе в 1901 году впервые была применена промывка глинистым раствором.

Ударно-канатное бурение было быстро вытеснено роторным, которое значительно повышало скорость бурения, уменьшало расход обсадных труб(за счет упрощения конструкции скважины). В 1909 году американский инженер Говард Юз изобрел шарошечное долото.

Ну, а как обстояло дело с бурение у нас?

Оригинальная технология бурения скважин на рассолы, не имеющая аналогов в других странах, зародилась на Руси много веков назад. Первые рукописные упоминания о соляных промыслах относятся к 1332-1370гг. Они связаны с городами Старой Руссой под Новгородом, с Соликамском.

Бурение конечно, производилось только вручную ударным способом. Бурильные штанги и обсадные трубы были деревянными. Глубина скважин достигала 200м, при этом забой скважин доходил до известняков.

Опубликовано сохранившееся до наших дней рукописное описание –инструкция по сооружению скважин под названием «Роспись как зачати делать новыя труба на новом месте». Рукопись относится к концу 16 века. В ней последовательно описан весь ход работ по бурению рассолоподъемной скважины, приводятся примеры различных аварий при бурении скважин и даются указания по ликвидации этих аварий, даются указания о необходимости ведения точных замеров глубины скважины, глубины установки обсадных труб, глубины встречи смены (контакта) различных пород.

В 1831-1832гг. в Петербурге, близ Лесного института была пробурена первая в России скважина на воду, в 1876 г. была пробурена первая артезианская скважина в Москве на Яузском бульваре. Ее глубина составила 458м.

В 1918г. Декретом Совнаркома было принято решение о создании Московской горной академии из стен которой вышли первооткрыватели многих крупных месторождений не только в России но и в мире.

Развитие теоретических и экспериментальных исследований в области бурения скважин шло одновременно с созданием и совершенствованием новых технических средств, разработкой технологических режимов бурения и организацией всей службы технического обеспечения буровых работ.

В 1922 г. советскими инженерами было разработано и внедрено крупное открытие в области бурения – турбобур, позволившее впоследствии перейти на направленное бурение и с одной площадки разбуривать большие площади месторождений полезных ископаемых.

Резкий скачок в техническом перевооружении буровых работ произошел после Великой Отечественной войны 1941-1945гг. Во время войны был нанесен тяжелый ущерб народному хозяйству страны. Были разрушены значительная часть промышленности, города, поселки, деревни, транспортное хозяйство, нарушена связь и т.п. Потребовались огромные усилия всего народа, чтобы не только восстановить утраченное, но и пойти по пути создания мощной материально-технической базы. Для этого необходимо было решить многие кардинальные задачи, в том числе быстро и значительно расширить геологоразведочные и буровые работы с целью увеличения запасов минерального сырья, как базы развития всех основных отраслей народного хозяйства страны. Осуществленное в послевоенный период техническое перевооружение буровых работ позволило резко увеличить объем бурения в том числе и гидрогеологических скважин.

В конце 50-х годов прошлого столетия были разработаны такие установки как УРБ-2А, УРБ -3АМ и ряд других, которые стали широко применяться при бурении структурно-картировочных , поисковых скважин, а также для бурения скважин на воду.

В конце 60-х годов Кунгурский машиностроительный завод освоил комплекс самоходных роторных буровых установок типа БА -15, имеющих самоходную транспортную базу, с использованием для привода буровых механизмов двигателя автомашины, пневматическое управление всеми механизмами буровой установки, повышенный уровень механизации трудоемких работ.

Установка 1БА-15В получила широкое применение при бурении скважин на воду глубиной до 500м. Ее применяют для бурения структурно-поисковых скважин глубиной до 1000м.

Ярчайшим примером того высокого уровня, которого достигла отечественная техника и технология бурения скважин, — осуществление таких проектов как бурение Кольской сверхглубокой скважины -12 262метра и бурение в полностью автоматическом режиме скважин на Луне глубиной до 2 600мм с полным отбором керна.

Именно в лунных автоматических станциях видится прообраз будущих полностью автоматизированных, мощных буровых установок, осуществляющих проходку скважин на поверхности Земли и в глубинах океанов, при невыносимой тропической жаре на экваторе и страшном холоде Арктики и Антарктики, из горных выработок глубоко под землей и на других небесных телах необъятного космоса.

Источник



Буровой прогресс

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

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 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.

Кроме этого:  Присоски для установки автостекол
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 лет назад. Технологический рывок был совершен лишь с началом промышленного использования нефти.

Источник

Первая нефть: кто стал пионером добычи углеводородов

Фото Andrey Rudakov / Bloomberg via Getty ImagesФото Andrey Rudakov / Bloomberg via Getty Images

Каждая страна пытается всячески подчеркнуть свой вклад в общемировую копилку знаний. Так как многие решения «купить» принимаются на эмоциональном уровне, вклад в мировую науку и инженерное дело — вопрос не сколько престижа отдельных специалистов, сколько поддержания стоимости бренда страны в целом.

Поэтому и борьба за первенство в нефтегазовой отрасли идет не только за текущую рыночную долю или будущую добычу, но и за прошлые изобретения. Есть сотни примеров, когда одни и те же уравнения или подходы называются по-разному в разных языках. Кто же был первым? И насколько это вообще важно?

Первая нефтяная скважина

Нефть добывалась с незапамятных времен с поверхности в местах естественного просачивания. Известны упоминания о добыче нефти из построенных колодцев глубиной до 50 метров (в районе Баку с 1594 года).

Считается, что первую промышленную эксплуатационную скважину построил в 1858 году Эдвин Дрейк. После выхода на пенсию железнодорожник Дрейк мог путешествовать по стране бесплатно. Это и случайная встреча в отеле дало Дрейку работу геологоразведчика, оклад в $1000 в год и несколько акций компании Seneca Oil.

Строительство глубоких скважин в Пенсильвании до Дрейка считалось неразрешимой задачей из-за быстрого обрушения грунта. Промышленными новациями Дрейка стало применение парового двигателя вместо ручного привода и обсаживание ствола скважины наращиваемой чугунной трубой в процессе углубления ствола. Именно так 2500 лет назад китайцы бурили скважины глубиной до 500 метров для добычи рассола. Как повествуют китайские летописи, иногда в обсаженной бамбуком скважину прорывался горючий газ или нефть. Неудивительно, что единственным буровиком, согласившимся на авантюру Дрейка, был Вильям Смит — специалист по бурению скважин на соль.

Штанговый насос на эксплуатационной скважине. Насос приводится в движение паровой машине, которая топится дровами. Tarr Farm, Долина Нефтяной ручей (Oil Creek Valley), Пенсильвания, 1868. Фотография из музея Скважины Дрейка.

Между тем первая разведочная скважина, находится рядом с г.Баку. Она была построена под руководством инженера Василия Семенова, на ту же глубину — 21 метр. Из докладной записки наместника на Кавказе князя Воронцова от 14 июля 1848 г.: «… Директор Бакинских и Ширванских минеральных промыслов доносил, что пробурена на Биби-Эйбате буровая скважина, в которой найдена нефть».

Паровую же машину для бурения в России впервые применили лишь в 1859 году близ г. Подольска. Первая эксплуатационная скважина была построена в России на Кубани в 1864 году. Отставание в применении механизированного бурения определило и последующее отставание в применении других технологий добычи нефти. В них до поры просто не видели необходимости.

Пласт на разрыв

Ранние технологии бурения приводили к загрязнению призабойной зоны фильтратом бурового раствора на несколько метров вглубь пласта. Кроме того, скважины, пробуренные ударно канатным способом, не полностью вскрывали весь пласт, т.к. иначе обсадная колонна Дрейка перекрывала бы продуктивную зону. Дебит скважины из-за этого мог быть в десятки раз ниже возможного.

В 1865 году отставной полковник Э. Робертс получает патент № 59,936 на «торпедирование» призабойной зоны скважины. Услуга стоимостью $100-200 и роялти в 1/15 будущей добычи была столь популярна, что на рынке появилось множество шабашников («moonlighters»), нарушающих патент и технологию обращения с оружейным порохом и нитроглицерином. Робертсу пришлось нанимать детективов агентства Пинкертона и потратить в общей сложности $250 000 на судебные издержки, организовав крупнейшую в истории США защиту патента. Метод прекратил применяться лишь 5 мая 1990 года когда закончились складские запасы снятого с производства нитроглицерина.

Следующей технологией стало перфорирование обсадной трубы с помощью многозарядного перфоратора, что позволило спускать обсадную колонну ниже продуктивной зоны и вскрывать при этом весь пласт. C 1930 по 1956 год Ira McCullough получает множество патентов на перфораторы. Однако пласт перфорируется недостаточно глубоко, и добыча остается в несколько раз ниже потенциальной.

Для решения этой проблемы в 1947 году Floyd Farris и Joseph B. Clark (Stanolind Oil and Gas Corporation) нанимают компанию Halliburton для создания в пласте искусственной трещины – гидроразрыва пласта (ГРП), проходящей сквозь повреждение и заполненной более проводящим расклинивающим материалом — пропантом. Для этого нужно было поднять давление жидкости на забое выше горного давления и держать трещину открытой несколько часов, пока пропант закачиваемый с жидкостью займет свое место и насосы можно будет выключать.

Полевой эксперимент по гидроразрыву был проведен в 1947 году на газовом месторождении в Канзасе. Выкладки по газовому месторождению Hugoton, Канзас (глубины 730 метров) показывали необходимое давление 50-100 атм на устье (130-180 атм на забое) и объемы закачки несколько кубометров геля на базе дизельного топлива, смешанного с речным песком. Процесс был запатентован нефтяной компаний и тут же переуступлен по лицензии Halliburton. Первая промышленная операция 17 марта 1949 года в 12 милях от г. Данкэн, штат Оклахома. В тот же день вторая операция была проведена в соседнем Техасе.

К 1980 году на 500 000 скважин США было проведено более 150 000 операций ГРП. Повторные ГРП были проведены на 35% из них. Первая операция по созданию трещины третий раз в той же скважине (tri-frac) проведено в 1955 году. Максимальное количество операций ГРП было отмечено в 1955 г. — примерно 54 000 ГРП в год.

В СССР ГРП начали применять с 1952 г. Задолго до изобретения современных компьютеров, в 1955 году советские ученые Христианович и Желтов разработали первую двухмерную модель — KGD (Kristianovitch-Geertsma-de Klerk). В 1961 вторую 2D модель — PKN разработали Perkins и Kern, с модификаций Nordgren (1971). По прошествии полувека на рынке конкурируют десятки программ для псевдо-3D дизайна и оптимизации ГРП на базе модели PKN, подавляющее большинство создается и дорабатывается в США и Канаде. Более точное, полностью трехмерное одновременное моделирование геомеханики, гидравлики и процесса переноса требует вычислений длиной в несколько месяцев и не используется на практике.

Основной вектор развития моделей – более точный и быстрый прогноз многостадийных операций на нескольких горизонтальных скважинах одновременно (zip fracs). Также интересно описание интерференции трещин (stress shadowing) и транспорт пропанта, а также комбинирования вспомогательных технологий, включая закачку трассёров, использование оптоволокна, и микросейсмический мониторинг. В более далекой перспективе – потребуется переизобрести ранее протестированное использование пен на базе CO2 и азота.

Пик применения ГРП в СССР пришелся на 1959 г. С начала 1970-х и до конца 1980-х ГРП в СССР практически не проводилось, в связи с вводом в разработку крупных нефтяных месторождений Западной Сибири. Возрождение практики применения ГРП в России началось уже после падения цены на нефть, в конце 1980-х. За 1988-1995 гг. в Западной Сибири было произведено более 1,6 тыс. операций ГРП.

Во процессе раздела НК ЮКОС и передачи его активов НК Роснефть, ряд высокопоставленных чиновников называл ГРП «варварским» и «хищническим» методом добычи, что, однако, не помешало увеличить количество и тоннаж операций на тех же месторождениях в России с 5 000 в 2006 году до примерно 15 000 в 2016 году.

Из опыта разработки месторождений США в России может быть потенциал реперфорации и повторных ГРП, как это практикуется через 5-10 лет после первичной стимуляции скважины. За счет геомеханического моделирования возможно предсказать насколько новая трещина отклонится от старой, а гидродинамическая модель покажет зоны, которые необходимо доохватить заводнением. И если крылья новой трещины подцепят слабодренированные пропластки, резко сократится обводненность и содержание газа в добываемой жидкости. Это будет сигналом, что повторная операция не только увеличила темп отбора, но и извлекаемые запасы этого участка месторождения. Стоит ли говорить, что «варварский метод», без которого редко обходится новая скважина в России, уже привел к перевороту рынка, обрушению цены и началу экспорта американской нефти. С учетом высокой обводненности и низкого дебита по нефти в скважинах, пробуренных в 2012 году и ранее, технические риски большинства повторных ГРП невысоки – терять особо нечего.

Наращивая объемы

Благодаря тому, что нефть часто легче воды, давление в пласте способно доставить нефть на поверхность фонтаном. Но при этом дебит нефти получается в пять раз ниже максимально возможного, и энергии пласта хватает ненадолго. Для традиционных коллекторов – несколько месяцев, для сланцевых месторождений – до нескольких лет.

И опять промышленным новатором выступил Дрейк, взяв с кухни ручную помпу. Создав с поверхности разряжение в одну атмосферу, он увеличил добычу с 10 до 25 баррелей в день, оставив весь городок Titusville без оборотных бочек под виски. Этот пример хорошо показывает опасность сравнения только данных по дебиту. Без данных по давлению – финансовые аналитики могут легко ошибиться в несколько раз, сравнивая фонтанирующую через штуцер скважину со скважиной, работающей в пустой забой (AOF).

Кроме этого:  Безопасность и защита от угона на Citroen C4 Spacetourer

Насос на поверхности может создать разряжение и прибавить атмосферное давление к энергии самого пласта. Создать же большее разряжение можно насосом в скважине, но как привести его в движение? Первое решение – механическая передача с поверхности, но тогда нужна длинная штанга, ход которой и ограничит максимальный дебит. В 1865 году, только когда перестали фонтанировать скважины из первой волны промышленного бурения, американцы начали массовое использование погружных плунжерных насосов, с поршнем, приводимым в действие двигателем с поверхности через балансир от бурового станка и деревянную штангу (см. рисунок 1). В России новация нашла свой рынок только в 1874 году.

А что если скважины становятся все глубже и глубже и требуется создать давление в несколько сотен атмосфер? И буровики научились бурить наклонные скважины под нужным углом?

Тогда разумно поместить и насос, и двигатель в саму скважину. Для этого требуется сверхмалый размер устройства и большая мощность на единицу объема. Электрический двигатель был единственным на тот момент вариантом. В 1911 году Армаис Арутюнов открывает в Екатеринославле свою компанию и создает высокооборотный компактный электрический мотор, который может работать полностью погруженным в воду. А в 1916 году, доводит до ума работающую на одном валу пару: мотор и центробежный насос. При этом мощный мотор располагается ниже насоса и охлаждается набегающим потоком жидкости.

В 1919 году Арутюнов эмигрируют сначала в Берлин, затем, в 1923 году в Лос-Анджелес, где пытался убедить внедрить свою разработку. Везде следовал отказ был со словами, что устройство противоречит известным законам электричества. Примечательно, что за 50 лет до этого в Австрии профессор Грацкого университета Яков Пешль прочитал лекцию о неосуществимости использования переменного тока в электродвигателях одному из своих студентов. Студента звали Никола Тесла, а имя профессора Пешля навсегда останется в истории инженерного дела.

В 1928 году Арутюнов переезжает в Оклахому и с партнером Frank Phillips (директор Phillips Petroleum Co.) открывает свою компанию. В 1930 компания была переименована в REDA pump Co. (от Russian Electrical Dynamo of Arutunoff). В ней нашли работу сотни уволенных в Великую депрессию американских рабочих. К концу 30х годов REDA имела более 90 патентов, а Арутюнов ни в чем себе не отказывал до конца жизни. Его портрет висит в Зале Славы штата Оклахома.

Марка электроцентробежных насосов (ЭЦН) REDA была единственной на рынке США до 1957 года, и спустя столетие после создания прототипа все еще входит в продуктовую линейку Schlumberger. Примечательно то, что месторождение North Burbank Unit, на котором разбогател Frank Phillips, до сих пор дает нефть при помощи закачки CO2 (см. статью НГВ «Парниковый эффект в добыче нефти» в номере #13/14 за 2017 г.) и напора, создаваемого ЭЦН REDA.

Первый ЭЦН в СССР был спущен в 1943 г., когда из США по ленд-лизу были получены 53 насоса REDA. Отечественный аналог спущен 20 марта 1951 г. в скважину № 18/11 Грознефти. Западносибирскую провинцию стали осваивать гораздо позже месторождений Оклахомы и Техаса, поэтому дебиты остаются выше, чем на в США и требуют мощных насосов. До сих пор в России больше 80% нефти добываются ЭЦН. Ими оснащено более 80 000 скважин.

Сланцевая революция резко повысила дебиты скважин США, а дешевая нефть резко снизила зарплаты в России, так что для производителей ЭЦН России: Борец (ООО «Лысьванефтемаш»), Новомет (одноименная компания, г. Пермь), Алмаз (г. Радужный, ХМАО) и Алнас (ГК Римера – часть Холдинга ЧТПЗ) открывается уникальное окно возможностей. Но только если они смогут конкурировать шириной диапазона дебита при высоком газовом факторе с REDA (Schlumberger) и Centrilift (Baker Hughes), и ценой с китайскими производителями. Одним из барьеров входа будет, как не странно, отсутствие опыта работы по установке и обслуживанию ЭЦН у американцев. Для них эра массового применения ЭЦН закончилась в 1970х годах, но начинается снова, причем в тех же самых районах нефтедобычи, что и полвека назад.

Новые технологии и пилотные образцы часто появляются за пределами США, но удивительно системно штаты становятся местом их массового применения, доработки и превращения в массовый экспортных продукт. Изобретатели-счастливчики возможно и делает один уникальный прорыв, но истинные перевороты в индустрии делают люди, систематически перепробовавшие сотни и тысячи подходов и нашедшие верную комбинацию известных ранее технологий. Поэтому не сильно важно где технология родилась, важно кто первым догадался скрестить ее с несколькими уже известными и довести продукт для массового использования.

Американцы связывают рождение нефтяной индустрии с Дрейком не потому, что он был выдающимся изобретателем или хотя бы успешным бизнесменом. У него не было деловой хватки и метод бурения остался незапатентованным. Проигравшись на бирже в 1863 году, он был вынужден в старости жить на специальную пенсию штата $1,500/год (немыслимая по тем временам щедрость), в полтора раза выше своего стартового оклада от Seneca Oil.

Дрейк стал известен потому, что пошел против мнения специалистов по бурению водяных скважин, проскакал 90 миль в поисках буровика-соледобытчика, который возьмется за безумный заказ. Кроме того, он совместил известный способ бурения с известной технологией откачки воды. Добыча увеличилась в разы и стала коммерческой.

История помнит бакинские промыслы, советских математиков и российских инженеров, но рынку не нужны идеи, или удачные поисковые скважины. Нужна добыча, безотказно работающие устройства и программные пакеты, содержащие как детальную физику процесса, так и скоростные солверы для решения матричных уравнений. Но и это не главное, если в программе не будет сотен известных индустрии жидкостей ГРП и типов пропантов с библиотеками свойств, а учебник будет скорее рекламным буклетом.

Пользователю необходимо проводить оптимизацию для десятка сценариев, а не биться с неудобным в каждодневной работе инструментом и гадать над непонятными параметрами и исходными данными. Альтернатива новым методам есть – это старый добрый принцип, известный на всех языках — «мы всегда так делали». Поэтому чтобы не отстать, стоит работать на будущее, а не цепляться за великое прошлое.

Текст статьи отражает мнение автора и не отражает официальную позицию Texas A&M University

Источник

История развития бурения: музейный ракурс

История развития технологии бурения, основные моменты которой представлены в статье, проиллюстрирована информацией о предметах и коллекциях из собраний нескольких отечественных музеев. Первые скважины для добычи рассолов проходились ударным способом. Инструменты и оборудование, демонстрирующие такую технологию бурения, хранятся в коллекциях музея Санкт-Петербургского горного университета, Государственного исторического музея и Политехнического музея. Дальнейшее развитие бурения связано с его применением для добычи нефти. На этом этапе стали использовать специальные буровые станки, модели которых также представлены в коллекциях ряда музеев. В начале XX в. начался переход от ударного к роторному бурению, развитие которого связано с изобретением шарошечного долота и забойного двигателя – турбобура. Образцы первых советских турбобуров М.А. Капелюшникова и П.П. Шумилова и документы об их создателях хранятся сегодня в Политехническом музее.

The paper covers the milestones in the development of drilling technology that are illustrated by the information about the objects and collections from several museums in Russia. The earliest brine extraction wells were drilled using the percussion method. The tools and equipment used in this drilling technology are stored in the museum of the St. Petersburg Mining University, State Historical Museum and Polytechnic Museum. Further development of drilling was determined by its use in oil production. Special drilling rigs began to be used at this stage. The models of such rigs are also present in the collections of several museums. In the early 20th century, percussion drilling began to be replaced by rotary drilling due to the invention of roller-cone drill bit and turbodrill downhole motor. The samples of the first Soviet turbodrills and the documents concerned with their creators, M.A. Kapelyushnikov and P.P. Shumilov, are stored in the Polytechnic Museum.

Бурение – одна из основных технологий освоения недр, история которой насчитывает не одно столетие. События и факты этой истории зафиксированы в архивных документах, списках патентов и привилегий, на страницах книг и журналов. В собраниях отечественных музеев также можно увидеть предметы и коллекции, являющиеся наглядной иллюстрацией развития технологии бурения.
Согласно историческим источникам бурение скважин для добычи рассолов с последующей выпаркой соли было широко распространено на Севере России еще в XII в. На протяжении нескольких веков соляной промысел занимал существенное место в общем доходе России и рассматривался как дело государственной важности. В 1867 г. Д.Н. Прозоровский опубликовал интереснейший исторический документ «Роспись как зачать делать новая труба на новом месте», содержащий подробное описание «русского способа» бурения, при котором скважина для добычи рассолов (рассолоподъемная) проходилась с использованием ручного бура с металлическим наконечником, закрепленного на деревянных штангах [1]. Благодаря консервирующему воздействию рассолов остатки таких скважин (труб) сохранились на территории Вологодской, Костромской областей, а оборудование и инструменты представлены в музейных коллекциях.

Так, в 1822 г. в музей Петербургского Горного института поступила коллекция c Леденгского солеваренного завода, часть которой сохранилась до настоящего времени. В состав коллекции входили две модели рассолоподъемных скважин (труб), модель соляной варницы и модель «употребляемому для проходки новых и расчистки старых рассолоподъемных труб земляному буру» [2]. Сегодня в музее можно увидеть породоразрушающий инструмент, приспособления для выравнивания стенок скважин, ловильный инструмент, который использовался для подъема из скважины оборвавшихся труб и долот. В экспозиции Государственного исторического музея (Москва) представлен практически полный технологический комплекс соледобычи второй половины XIX в. (Вологодская губерния), в состав которого также входят разрушающие и очистные инструменты, буровые и обсадные трубы, фрагмент насоса для выкачивания рассола. Представлена технология бурения и в Политехническом музее. Здесь хранится коллекция моделей бурового инструмента, поступившая в музей с Московской Политехнической выставки 1872 г. В коллекцию вошли 28 моделей, среди которых есть различные виды буров, долот, желонок, буровые и переводные металлические штанги, подъемные крюки, вертлюки, подкладные вилки, обсадные трубы, специальные инструменты – «счастливый крючок» и двойной штопор (рис. 1). Сравнивая эти коллекции, охватывающие полувековой период, можно заметить, что за данное время принципиальных изменений в технологии бурения не произошло.

Дальнейшее развитие бурения связано в первую очередь с тем, что оно стало применяться для добычи нефти. Ручное разведочное бурение на нефть было впервые опробовано в 1846 г. на Биби-Эйбате. В одной из скважин были обнаружены признаки нефти, но т.к. ее приток был небольшим, об этом опыте вскоре забыли. Первая скважина для добычи нефти была пробурена предпринимателем А.Н. Новосильцевым в 1864 г. около Анапы, однако она оказалась безрезультатной. В 1865 г., по рекомендации горного инженера Ф.Г. Кокшуля, Новосильцев начал бурение пяти скважин на левом берегу р. Кудако (Таманский полуостров) и в 1866 г. одна из скважин дала мощный нефтяной фонтан [3]. В 1868 г. предприниматель И.М. Мирзоев пробурил в бакинском районе скважину, которая на глубине 20 саженей дала нефтяной фонтан, сопровождавшийся таким сильным выбросом газов и песка, что ее было решено закрыть, а следующую скважину начали бурить только в 1872 г. [4].

В 1872-м на Апшеронском полуострове, который являлся в то время основным регионом добычи нефти, было пробурено всего две скважины, в 1873 г. заложено еще пять, в то время как количество нефтяных колодцев в этот период превышало 1000.

Кроме этого:  Остекление балконов под ключ в Нижнем Новгороде

Ситуация начала меняться после отмены в 1872 г. откупной системы распределения нефтяных участков, давшей мощный толчок развитию отечественной нефтяной промышленности. В ходе первых торгов в декабре 1872 г. казенные нефтяные участки были распроданы нескольким десяткам предпринимателей и товариществ, среди которых следует отметить «Закаспийское торгово-промышленное товарищество» В.А. Кокорева и П.И. Губонина. В 1874 г. это товарищество было преобразовано в первую в мире акционерную вертикально-интегрированную нефтяную компанию – «Бакинское нефтяное общество», имевшее собственные промыслы, нефтеперерабатывающий завод и небольшой флот для транспортировки нефтепродуктов. Привлечение в нефтяную промышленность акционерного капитала создало основу для ее технического перевооружения. Сначала делались попытки применить ударно-канатное бурение, для чего в Баку были приглашены американские специалисты. Однако для Апшеронского полуострова, где распространены более рыхлые породы, этот способ оказался неподходящим. В результате для бурения нефтяных скважин стали использовать технологию ударного бурения на металлической штанге, аналогичную технологии бурения рассолоподъемных скважин. Количество скважин постоянно росло, достигнув в 1900 г. на Апшеронском полуострове 1911, а в Грозненском районе – 343 [5]. При этом скважины в Грозном бурились ударно-канатным способом, заимствованным у американцев и более подходящим для местных геологических условий, так как нефтесодержащие породы здесь были плотными и твердыми.

Материальными свидетелями этого этапа развития технологии бурения являются предметы коллекции бурового и вспомогательного инструмента из собрания музея Санкт-Петербургского горного университета. Коллекция, насчитывающая более 60 предметов, была передана в музей упомянутым ранее «Бакинским нефтяным обществом» (БНО) после завершения Всероссийской художественно-промышленной выставки 1896 г. в Нижнем Новгороде. На этой выставке БНО получило серебряную медаль «за правильную и расчетливую разработку нефтеносных земель и за образцовую коллекцию буровых снарядов и приспособлений для вычерпывания нефти» [6]. В коллекции представлены модели различного вида долот, самопадов, расширителей, буровых штанг, приспособлений для спускоподъемных операций, ловильных инструментов и др. Нововведением, по сравнению с бурением рассолоподъемных скважин, стало использование самопадов («фрейфалов»), представляющих собой специальную тяжелую штангу, которая вкручивалась между долотом и подъемной штангой. В этом случае долото в момент подъема к высшей точке освобождалось и свободно падало на забой, а штанга опускалась вслед за долотом со скоростью движения балансира. В коллекции представлены самопады конструкции Фабиана и Кинда, однако следует отметить, что в России широко использовалось и оте­чественное оборудование – самопады конструкции Романовского, Ленца и др.
Дальнейшее развитие технологии бурения связано с его механизацией, т.е. использованием специальных буровых станков с приводом от паровой машины. Буровой станок обеспечивал спуск и подъем инструмента и обсадных труб (при помощи цепного барабана); работу долбления (с помощью балансира); очистку скважины желонкой (при помощи отдельного барабана). О внутреннем обустройстве такой скважины и реальных размерах бурового оборудования и инструментов можно судить по почтовой открытке из собрания музея ПАО «ЛУКОЙЛ», на которой изображено ударное долото с самопадом и буровыми ножницами, буровые штанги и обсадные трубы (рис. 2).
Среди отечественных буровых станков наиболее известными были станки горного инженера А.Н. Соколовского и бакинского механика-самоучки Муртузы Мухтарова. В их основе лежала конструкция австрийского горного инженера А. Фаука, приспособленная к местным технико-геологическим условиям. Модели станка Мухтарова представлены в коллекциях Политехнического музея, музея Санкт-Петербургского горного университета, музея Российского государственного университета нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина, а также музея ПАО «ЛУКОЙЛ» (рис. 3). Модель станка Мухтарова из собрания музея Горного университета датируется концом XIX в., в то время как модель этого станка из собрания Политехнического музея была изготовлена в мастерских им. Буденного (Баку) в 1920-е гг. Такой разброс в датировке моделей подтверждает имеющуюся в литературе информация о том, что станки системы Мухтарова использовались на бакинских промыслах вплоть до середины 1930-х гг.
Оригинальную конструкцию бурового станка для ударно-канатного бурения разработал инженер О.К. Ленц. Суть его нововведения заключалась в использовании небалансирного станка с перекидным шкивом, а также в замене клапана (парашюта), служащего для ручного сбрасывания ударного снаряда в забой скважины на упорный фонарь, устанавливающийся в обсадной трубе. В результате сбрасывание ударного снаряда производилось автоматически при достижении глубины, на которой в скважине был установлен упорный фонарь. Модель станка для ударно-канатного бурения системы Ленца в масштабе 1:8 хранится в собрании музея Санкт-Петербургского горного университета [7].

Использование буровых станков позволило увеличить глубину бурения с 40 м (1873 г.) до 340 м (1903 г.), а к 1910 г. каждая десятая скважина имела глубину 500 – 600 м. Однако, вследствие того, что процесс бурения прерывался для очистки и крепления скважины, скорость проходки была низкой и для скважины диаметром 26 дюймов (0,65 м) в 1908 г. составляла от 20 до 60 м в месяц в зависимости от глубины бурения [8].
Значительное увеличение скорости бурения дал переход от ударного к вращательному (роторному) бурению, при котором одновременно производилась и проходка скважины, и ее очистка глинистым буровым раствором. Роторное бурение на нефть впервые было применено в США в 1894 г. в Техасе. В России этот способ был опробован в 1902 г. в Грозном на одном из участков фирмы «Товарищество нефтяного производства братьев Нобель». Они же, а также «Каспийско-Черноморское нефтепромышленное и торговое общество» в 1906 г., применили роторное бурение в Баку.
Внедрение роторного бурения потребовало замены основного породоразрушающего инструмента – долота типа «рыбий хвост», конструкция которого без существенных изменений сохранилась со времени первых рассолоподъемных скважин. Изменение конструкции первых долот для роторного бурения можно проследить на примере предметов из собрания Политехнического музея. Первоначально в роторном бурении использовались долота типа «рыбий хвост», лезвия которых отгибались в сторону вращения. В породах средней твердости использовались дисковые долота, однако диски часто ломались. Видимо, использование таких долот натолкнуло изобретателей на идею долота, в котором рабочий орган представлял собой зубчатый цилиндр или конус – шарошку. В 1909 г. Уолтер Шарп и Говард Хьюз получили патент на долото с двумя коническими шарошками, которое при вращении совмещало действие резания и удара [9]. Это изобретение, считающееся революционным в истории бурения, представлено в собрании Политехнического музея (рис. 4). Именно долото Шарпа-Хьюза стало прототипом для шарошечных долот различных конструкций, которые используются и сегодня.
Вместе с тем, в начале XX в. широкого применения роторный способ бурения не нашел. В 1913 г. на промыслах Апшеронского полуострова работало только 20 установок роторного бурения, в то время как число станков ударно-штангового бурения достигало 900. Одной из причин, тормозившей внедрение роторного бурения, было сильное искривление скважин. Кроме того, вращение колонны труб, особенно при большой глубине скважины, вызывало частые аварии. Все это актуализировало разработку такой технологии бурения, при которой двигатель располагался бы в забое скважины, вращая непосредственно долото, т.е. бурения с использованием забойного двигателя. Варианты такого двигателя (гидравлического и электрического) предлагали К.Г. Симченко (1895), В. Вольский (1898), В.Н. Делов (1899). Однако работоспособный гидравлический забойный двигатель – турбобур – был разработан в 1922 – 1924 гг. инженерами М.А. Капелюшниковым, С.М. Волохом и Н.А. Корневым. Единственный сохранившийся образец турбобура Капелюшникова хранится в Политехническом музее, куда он поступил в 1934 г. на выставку «Наши достижения». Хотя к этому времени турбобур был снят с производства из-за час­тых поломок. В 1935 г. состоялось первое испытание многоступенчатого безредукторного турбобура системы П.П. Шумилова, который был им разработан вместе с Р.А. Ионесяном, Э.И. Тагиевым и М.Т. Гусманом в Экспериментальной конторе турбинного бурения (Баку). В собрании Политехнического музея хранится турбобур Т12М конструкции Шумилова, выпущенный в 1949 – 1954 гг., уже после смерти изобретателя, трагически погибшего в 1943 г. Есть в музее и личный фонд Петра Павловича Шумилова, содержащий книги, документы, в том числе и авторское свидетельство на турбобур.

Источник

Эволюция в бурении нефтяных скважин

В сложной системе нефтяной промышленности существует простая зависимость. Чем совершеннее технологии бурения скважин, тем выше уровень добычи нефти. Неудивительно, что именно этому технологическому процессу уделяется столь пристальное внимание. И хотя добывать нефть в промышленных объемах в принципе начали сравнительно недавно, бурение уже успело пройти целую эволюционную цепочку. В этой статье мы рассказываем, с чего все началось и как появились современные технологии.

Роторное бурение

Вращательный (роторный) способ бурения появился во второй половине девятнадцатого века. Он сменил ударно-канатный метод и в разы повысил КПД всего процесса. Больше не нужно было сбрасывать тяжелый бур в место будущей скважины и дробить породу. Отныне применялась сила бурильных вышек или малогабаритной техники на двигательной тяге. Буровой поршень врезался в землю и довольно быстро разрушал породу, образовывая сначала желоб, а потом и полноценную скважину. Остатки породы поднимались на поверхность, освобождая место для добычи с помощью водно-глиняного раствора.

Шельфовые и подводные скважины

На рубеже 19-20 вв. было обнаружено, что месторождения, расположенные в прибрежных зонах, дают больше нефти. Перед морской и шельфовой нефтеразведкой возникли грандиозные перспективы. Впервые черное золото здесь попытались добыть с помощью металлических конструкций (эстакад) и искусственно созданных островов.

Только ближе к середине двадцатого века скважины на морском шельфе стали разрабатываться методами, близкими к современным. В семидесятых годах прошлого века это направление претерпело резкое ускорение. Все благодаря появлению управляемых глубоководных аппаратов, способных погружаться и принимать устойчивые сигналы диспетчера на глубине до трех тысяч метров.

Гидравлический разрыв пласта

В сороковых-пятидесятых годах 20 века начал развиваться новый метод добычи – с помощью гидравлического разрыва пласта. Он существенно увеличил выработку месторождений и с успехом применяется до сих пор. Как мы уже рассказывали в своих статьях ранее, этот метод довольно просто описать. Для начала на поверхности пласта нагнетают давление, пока оно не превысит естественное сопротивление породы. В самые перспективные из образовавшихся трещин закачивают пропант. А затем ждут, когда к увеличенной таким образом поверхности начнет поступать нефтяная взвесь.

Сейсмоисследования

Рано или поздно естественные выходы нефти на поверхность земли должны были прекратиться. Или хотя бы уменьшиться в частоте. И это произошло. Вот тут на подмогу относительно молодой нефтяной отрасли пришли геологи, применившие принципиально новый метод поиска нефтяных залежей. Сейсмические исследования позволяют улавливать звуковые волны, направленные вглубь породы и отраженные обратно. На основе этого составляются модели подземного строения земной коры и делаются довольно точные предположения о ее составе. Дальше нефтеразведка сосредотачивает свое внимание на тех регионах, где обнаружены перспективные нефтеемкие пласты.

Система MWD – это измерения во время бурения. Разработанная в 80-х годах 20 века она позволила получать колоссальные данные о будущей скважине прямо в процессе ее создания. Но как эти сведения попадают к оператору, управляющему бурильной установкой? Оказывается, с помощью телеметрии на основе пульсации бурового раствора. Выяснилось, что это уникальный источник данных, расшифровав которые, нефтяники получили информацию о давлении, температуре, плотности, магнитном резонансе пород в скважине и т.д. В свою очередь, это позволило оперативно корректировать направление и глубину скважины прямо в процессе бурения.

Горизонтальное бурение

Классические нефтяные скважины вертикальные. Направлены сверху вниз. Но это не всегда удобно. Ведь нефтеносный пласт располагается, как правило, горизонтально под слоем породы. Когда в 1929 году разработали технологию горизонтального бурения, это стало настоящим прорывом. Теперь нефтяники получили доступ к залежам, до которых раньше нужно было добираться методом множественных вертикальных скважин или гидроразрывами. Оба варианта не всегда применимы, особенно если разработка ведется недалеко от жилых регионов.

Источник