ТОП-5 инноваций в бурении нефтяных скважин

Качалка на фоне заката
Бурение скважин на нефть имеет уже более чем вековую историю. И все это время благодаря множеству инноваций бурение нефтяных скважин развивалось стремительными темпами. С развитием технологий в деле бурения скважин росла и добыча нефти, которая, в конечном счете, привела к развитию всей цивилизации.

Одной из ранних инноваций в бурении скважин на нефть было изобретение вращательного роторного способа бурения. Роторное бурение начали использовать в 1880-х годах. До этого использовался трудоемкий и малоэффективный метод ударно-канатного бурения. Этот способ заключался в том, что буровой снаряд сбрасывался в высоты и дробил горную породу. После чего специальной желонкой куски породы доставались из ствола скважины. Роторный способ был гораздо более эффективным способом бурения.

Но внедрение роторного бурения было только началом в длинной череде успешных инноваций и того прогресса, который произошел в течение 20-го века в бурении нефтяных скважин. Некоторые наиболее значительные инновации, которые мы здесь рассмотрим, помогли увеличить эффективность нефтедобычи и при этом облегчить процесс поисков нефтяных залежей.

1. Бурение скважин на шельфе и глубоководные подводные аппараты
Довольно быстро нефтяные компании заметили, что скважины, пробуренные вблизи морского берега, дают больше нефти. Стало очевидным, что добыча нефти на море обещает быть очень прибыльной. Уже в конце 19-го века были предприняты попытки добычи нефти на мелководье с металлических эстакад и насыпных островов. Но первые по настоящему морские скважины были пробурены только в конце 40-х годов 20-го века.

С этого времени начала свое развитие морская добыча нефти. Одним из важных средств, которые нефтяная отрасль приняла на вооружение примерно в 1970-х гг., были глубоководные подводные аппараты. Поскольку погружение на большую глубину для человека представляет большую опасность, нефтяная отрасль для бурения скважин на морском шельфе стала использовать аппараты, которыми можно было управлять дистанционно. Такие аппараты позволяют человеку увидеть, что происходит на морской глубине не погружаясь в море. Некоторые из таких аппаратов имеют манипуляторы для проведения различных работ на глубине до 3000 метров.

2. Гидравлический разрыв пласта
Начавший свое развитие в 1940-х годах гидравлический разрыв пласта стал исключительно важным дополнением в процессе строительства нефтяных скважин. Гидроразрыв пласта – необходимый элемент при бурении скважин для добычи нефти из низкопроницаемых нефтяных залежей. В таких залежах обычные скважины дают очень незначительные притоки нефти, что делает их бурение нерентабельным.

Чтобы увеличить приток нефти, на заключительной стадии строительства нефтяных скважин стали применять метод гидравлического разрыва. Этот метод позволяет увеличить производительность скважины благодаря образованию в пласте сети трещин в результате закачки в скважину жидкости под высоким давлением. Созданные трещины могут достигать сотен метров вглубь пласта. Для предотвращения смыкания трещин в них вместе с жидкостью закачивают специальные гранулы (проппант). По созданной таким образом сети трещин приток нефти осуществляется гораздо свободнее.

3. Сейсмические исследования и их визуализация
Поначалу ориентиром в выборе точки для бурения нефтяных скважин служили места выхода нефти на поверхность земли. Но поскольку нефтяные пласты залегают на значительной глубине, такие поверхностные данные мало что позволяют определить.

Доставить на место и установить буровую вышку, пробурить скважину – это очень дорогостоящее мероприятие. А так как нефтяные компании не любят тратить время и деньги впустую, они стали привлекать геологов для изучения горных формаций, выходящих на поверхность, исследования магнитного поля и даже малейших изменений в гравитации.

Одной из наиболее важных инноваций в нефтеразведке и бурении скважин стало развитие трехмерной (3D) сейсмики. Сейсмические исследования основаны на том, что звуковые волны проходят и отражаются от разных горных пород немного по-разному. В процессе сейсмических исследований с помощью какого-либо источника (взрыв, вибрация) создаются звуковые волны, которые, проникая вглубь земли и отражаясь обратно на поверхность, улавливаются специальными устройствами. Полученные данные собираются, записываются, и визуализируются для дальнейшего изучения.

Инженеры и геофизики анализируют полученные данные, отображаемые в виде ломаных линий, и определяют типы горных пород и строение подземных структур. При этом трехмерная сейсмика позволяет создавать объемные модели подземных структур.

Сейсмические исследования снижают необходимость в бурении скважин, и помогают бурить более продуктивные скважины. Но у этой технологии есть и свои недостатки. Можно считать большой удачей, если хотя бы в половине случаев геологам (геофизикам) удается точно определить расположение нефтяной залежи.

4. Система измерений во время бурения (MWD)
Даже с учетом развития современных технологий, таких как 3D сейсмика например, операторам осуществляющим бурение скважин сложно получить точные данные как и где проходит ствол скважины в процессе ее бурения и куда его направить. А до 1980-х вообще было неизвестно, что происходит со скважиной, пока ее полностью не пробурят. Эта проблема была решена с разработкой системы измерений во время бурения (MWD).

MWD позволяет оператору получать данные о бурении скважины в режиме реального времени. Это в том числе дает возможность оперативного изменения траектории ствола скважины. Система измерений во время бурения передает на поверхность данные о давлении, температуре на забое скважины, плотности и магнитном резонансе горных пород, гамма-излучении. Все это помогает повысить эффективность бурения скважин, предотвратить аварии и возможные выбросы. Это также помогает удостовериться в соблюдении проектной траектории ствола скважины.

Наиболее удивительное в этой технологии – это способ передачи фиксируемых данных с забоя на поверхность. Тянуть кабель с поверхности вниз через колонну бурильных труб до самого породоразрушающего инструмента (долота) довольно непрактично. Вместо кабеля система измерений во время бурения использует телеметрию на основе пульсации бурового раствора. Буровой раствор, циркулирующий в скважине в процессе ее бурения, представляет собой удобный акустический канал, по которому передаются импульсы в виде двоичного кода с их дальнейшей расшифровкой на поверхности.

5. Бурение горизонтальных скважин
Одним из преимуществ использования системы измерений во время бурения является возможность оперативно менять направление бурения. Возможность произвольно изменять направление бурения ствола скважины – одно из наиболее важных достижений в бурении скважин.

Поскольку большинство нефтяных пластов простираются горизонтально (либо с небольшим наклоном), бурение вертикальных скважин не всегда эффективно. Горизонтальные скважины, которые поначалу бурятся как вертикальные, а затем искривляются и, уже в самом продуктивном пласте, переходят в горизонтальную плоскость, позволяют повысить коэффициент извлечения нефти из пласта. Но преимущества горизонтальных скважин не только в том, что они (при прочих равных) более продуктивны, чем вертикальные. Они также открывают доступ к нефтяным месторождениям, залегающим под поверхностью земли, на которой бурение скважин запрещено или невозможно (густонаселенные места, заповедники, водоемы).

Хотя бурение горизонтальных скважин имеет давнюю историю (первая горизонтальная скважина была пробурена в 1929 году), оно поначалу было слишком дорогим и малоэффективным. К тому же развитие таких методов как гидроразрыв пласта позволили увеличить продуктивность вертикальных скважин. Преимущества горизонтальных скважин стали более весомы с внедрением системы измерений во время бурения, развитием забойных двигателей и других инноваций.