Методы добычи нефти

Виды энергии

Как известно, первичные виды энергии, которые использует человек, разделяются на восполняемые и невосполняемые. К последним относятся:

- природный углеводородный газ;

- торф и горючие сланцы;

- нефти различной вязкости;

- каменные угли;

- битумы природные;

- древесина, смола и т.д.

Восполняемыми источниками энергии считаются:

- биологическая энергия;

- атомная энергия;

- энергия движущего воздуха;

- энергия движущейся воды и т.д.

Во время появления механизированных орудий труда человек начал активно использовать энергию воды, воздуха и горючих ископаемых (нефть, газ, уголь). На протяжении достаточно длительного промежутка времени три вышеперечисленных источника являлись основными для удовлетворения всевозможных потребностей человека. В данный момент центр тяжести плавно смещается на возобновляемые виды энергии.

Затрагивая прошлый опыт добычи нефти, важно отметить, что первоначально ее собирали из естественных углублений в земле, куда она попадала из недр земли. Через некоторое время в этих местах начали появляться колодцы, глубина которых достигала около 10-20 м.

Самая первая нефтяная скважина появилась в Пенсильвании (США) в середине позапрошлого столетия. Полковник Э. Дрейк прорубил нефтяную скважину, получив бьющий поток нефти. С тех пор началась активная добыча нефти, обусловленная появлением ДВС (двигателем внутреннего сгорания).

Также считается, что первое в мире бурение было произведено в 1846 г. в Баку, входившем тогда в Российскую империю по предложению члена Главного управления Закавказским краем Василия Николаевича Семенова на основе идей Николая Воскобойникова.

По запасам нефти и природного газа Россия занимает одно из первых мест в мире. Однако, места залегания нефти находятся в зонах с суровым климатом и вдали от урбанизированных городов.

Добыча и переработка нефти

Обратимся к процессу добычи и переработки нефти.

Первым этапом является поисково-геологический, а его задача тщательная геологическая разведка и поиск промышленных месторождений нефти. Также уделяется особое внимание подсчету потенциальных запасов газа и нефти.

Разведанное месторождение нефти и газа передается в промышленную эксплуатацию, которая предусматривает:

- бурение сетки скважин, которые будут оптимальными для каждого отдельного месторождения полезных ископаемых;

- сбор и транспортировка на ГЗУ (групповую замерную установку);

- промысловая подготовка нефти, в ходе которой отделяется попутный газ, механические примеси, вода и минеральные соли. После перечисленных манипуляций нефть отправляется на нефтеперерабатывающие заводы, а - попутный газ поступает на газоперерабатывающие заводы.

Рассмотрим подробнее процесс поиска и разведки газовых и нефтяных месторождений.

Поисковый этап подразумевает сбор данных о геологическом строении с помощью сейсморазведки, плотности, электропроводности, магнитных свойств и изучения химического состава близ земной поверхности.

Сейсморазведка-измерение скорости распространения продольной взрывной волны в толще горных пород. Принципиальная схема представлена ниже:

1-заряд взрывчатки; 2-взрывная машинка; 3-сейсмостанция; 4-полевой кабель; 5-линии связи.

В одной точке происходит взрыв заряда, за счет которого происходит колебание горных пород. Волны колебаний отражаются от упругих слоев и регистрируются сейсмоприемниками, после чего составляется сейсмограмма.

Магниторазведка подразумевает изучение аномалий магнитного поля Земли, связанных с различиями магнитных свойств горных пород. Такие аномалии возможно измерить, и они позволяют узнать о существовании в недрах складчатых структур или массивах кристаллических структур.

Отметим, что наверняка сказать о наличии месторождения может сказать лишь геологическая разведка: бурение скважин.

Так как бурение скважин достаточно сложный в технологическом плане процесс, на него может уходить от нескольких месяцев до нескольких лет.

Ниже показана схема установки для бурения скважины:

1-долото; 2-бурильная установка; 3-обсадные трубы; 4-забой скважины; 5-ротор; 6-вертлюг; 7-полиспаст; 8-напорный шланг; 9-насос глинистого раствора; 10-резервуар-отстойник раствора; 11-лебедка; 12-буровая вышка; 13-цементированное затрубное пространство.

Бурение скважины (разведочной или эксплуатационной) производится с помощью долота 1, насаженного на конец колонны бурильных труб 2.

В зависимости от твердости горных пород это могут быть перьевые долота (типа сверл - для мягких пород), для более твердых - трехшарошечные или одношарошечные долота. Шарошка - это вращающаяся на своей оси деталь долота (типа конусной шестерни или шара), снабженная на внешней поверхности множеством зубьев из очень твердых сплавов. В последние годы в связи с производством искусственных алмазов роль таких зубьев выполняют мелкие кристаллы технических алмазов (алмазные долота). Долото имеет специальные каналы для подачи в забойную зону 4 скважины промывочной жидкости для смыва из-под зубьев частиц скалываемой породы. Скалывание происходит за счет осевой нагрузки от колонны 2 и вращения долота, при котором шарошки, перекатываясь по забою, дробят разбуриваемую породу.

Вращение долота осуществляется специальными двигателями либо с поверхности земли, либо непосредственно в призабойной зоне.

В первом случае двигатель вращает ротор 5, который вращает всю колонну труб 2, подвешенную через вертлюг 6 на полиспасте 7. В этом случае для вращения долота приходится вращать всю многокилометровую (3-5 км) колонну, что связано с целым рядом трудностей и сложностей (большие неполезные затраты энергии, износ труб о стенки скважины, «прихват» труб и др.).

Во втором случае долото приводится во вращение двигателем, прикрепленным к нижнему торцу бурильной колонны труб, которая в этом случае не вращается и служит лишь подвеской и для подачи промывочной жидкости в призабойную зону скважины.

Наиболее популярным является турбобур-гидротурбинный двигатель, который представлен на рисунке:

1-вал ротора; 2-статор; 3-вращающиеся и неподвижные лопатки; 5-крепление долота; 5-долото; 6-колонна бурильных труб.

К неподвижной колонне 6 жестко прикреплен статор 2, внутри которого на опорных подшипниках вращается вал ротора 1, имеющий много (до 100) рядов профилированных лопаток 3. Такие же, но неподвижные направляющие лопатки расположены по окружности статора 2. Промывная жидкость проходит под большим давлением в кольцевом пространстве между статором и ротором и, создавая на лопатках ротора крутящий момент, вращает его (обычный принцип работы турбин) и вместе с ним прикрепленное к нему узлом 4 долото 5. Промывная жидкость, пройдя лопатки, далее через полый вал ротора поступает в промывочные отверстия долота и сильной струей вымывает из забойной зоны скалывемую породу, унося ее затем вверх, на поверхность земли.

Первый этап разведки включает в себя бурение структурных скважин глубиной от 500 до 700 для составления надежных структурных карт строения геологических пластов на этих глубинах. Далее бурят скважины на определенную глубину с целью получения доказательств о наличии месторождения газа или нефти.

При бурении скважин используются глиняные растворы в качестве промывочной жидкости. В качестве них выступают бетонитовые глины, они образуют с водой высокодисперсные растворы. Такого рода растворы не расслаиваются и переносят весьма крупные частицы горной породы. С целью снижения водоотдачи в раствор глины вводят следующие присадки: кальцинированная сода, продукты переработки торфа/угля, сульфит-щелочная барда.

У глинистого раствора имеется несколько очень важных функций:

- уравновешивание высоких пластовых давлений недр Земли, увеличивающихся с каждым километром примерно на 10 МПа;

- промывка забоя скважины от частичек породы и снижение температуры инструментов бурения;

- закупоривание трещиноватых пород, предотвращение перехода из них в скважину пластовых вод и газов;

- привод двигателя.

Нередко глинистые растворы используют совместно с утяжелителями с целью увеличения плотности. Такая необходимость возникает при очень высоком давлении в скважине.

В качестве утяжелителей используют гематит/магнетит, барит или концентрат колошниковой пыли. Данная манипуляция имеет место в том случае, когда давление в скважине слишком высокое или когда в призабойной зоне в раствор попадает газ или нефть.

Правила бурения нефтяных скважин

Рассмотрим основные правила, на которые опираются при бурении скважин.

Первоочередно появляется само устье скважины: выкапывают шурф в глубину до 8 м, в него опускают трубу, а свободное пространство заполняют бутобетоном. Такого рода труба именуется направляющей.

Для предотвращения выброса раствора глины сверху устья устанавливают превентер.

Как правило, на протяжении первых 50-400 м стенки скважины состоят из рыхлых пород, поэтому в этот участок скважины помещают обсадную трубу (показана на схеме бурения скважины), что позволяет предотвратить обвал. Отметим, что с увеличением глубины скважины уменьшается диаметр обсадной трубы, а также диаметр бурового инструмента. Эксплуатационной колонной именуется последняя обсадная труба.

Проходка одного долота, которое имеет твердые зубья и выполнено из твердых сплавов, составляет примерно 10-40 м. Данный показатель зависит и от степени твердости пород.

Если необходимо пройти через более твердые породы, например, граниты, имеет смысл использовать долота из алмаза. Их проходка составляет от 150 до 200 м.

Чтобы произвести замену долота, необходимо всю колонну бурильных труб с помощью лебедки поднять из скважины. Колонна развинчивается в местах соединения с помощью резьбы бурильных труб.

Также достаточно актуально в наше время и бурение нефтескважин под водой.

Основное отличие морского бурения от сухопутного лишь в том, что буровая вышка и уплотнения устья скважины устанавливаются по-разному. Для установки вышки используют несколько типов буровой платформы, показанных на рисунке:

Полупогружной тип популярен для бурения в Северном море, у берегов Африки, в Мексиканском заливе и в Персидском заливе.

Для установки полупогружной платформы сначала устанавливается обсадная труба, которая соединяет платформу и дно. Необходимо ввести ее в дно на как можно большую глубину, что позволяет предотвратить попадание морской воды в нефтяную скважину.

Немаловажный процесс, который проводят после бурения скважины до расчетной глубины, называется исследованием скважины. Так определяется абсолютно верное расположение нефтегазовых горизонтов. Исследование скважины проводят с помощью зонда, который опускается в скважину с буровым раствором. Зонд позволяет замерить кажущееся электрическое сопротивление горных пород или потенциал собственной поляризации. Таким образом получают каротажную диаграмму, благодаря которой можно судить о расположении пластов нефти.

Каротаж является самым распространенным способом геофизических исследований скважин.

Особенность любого каротажа состоит в том, что по скважине его необходимо медленно перемещать именно снизу вверх. Существует электрический каротаж, токовый, электромагнитный, метод электрохимической активности, радиоактивный каротаж, гамма-метод, стационарный нейтронный каротаж, импульсный нейтронный каротаж и несколько других.

Далее проводят опробование пластов путем прямого притока нефти. В скважину опускают эксплуатационную обсадную колонну, далее ее цементируют на заданных интервалах, определенных на каротажной диаграмме. После этого против пласта помещается простреливающее устройство, которое пулями перфорирует стенки колонны, создавая каналы притока газа или нефти. Существуют еще несколько способов создания каналов притока «черного золота». Два из них показаны ниже.

Далее необходимо обеспечить все условия для создания притока нефти. Таким образом, уменьшают плотность раствора глины с помощью обычного разбавления водой до тех пор, пока вода не заменит полностью глинистый раствор. Когда снижается давление в скважине, добываемое сырье проходит через отверстия и попадает в ствол скважины, а вода вытесняется и выходит на поверхность. Для контроля протекания описанного процесса, а особенно в случаях высоких пластовых давлений, устье скважины очень плотно закрывают крышкой. Через нее в скважину пропускают эксплуатационную колонну труб, а снаружи крепится система из задвижек и труб и выходной штуцер. Именно через него отбирается нефть из скважины.

Когда из штуцера выходит нефть, начинают работы по определению количества нефти в единицу скважины. Такая величина называется дебитом скважины. Также определяют количество выносимой воды из пласта и количество выделяющегося попутного газа (в кубометре на тонну нефти) из скважины.