Нефтяная скважина: конструкция и этапы разработки

Газ и нефть являются полезными ископаемыми, из которых производят топливо. Именно такое топливо больше всего потребляет человечество. Нефть стали добывать относительно давно, но эра интенсивной добычи «черного золота» началась в девятнадцатом-двадцатом веке.

Сегодня более 60% мировых запасов нефти сосредоточено на Ближнем Востоке, а ведущими потребителями являются Соединенные Штаты Америки и Европа. С девяностых годов (в связи с развитием альтернативных источников энергии) темпы добычи нефти постепенно снижаются.

Этапы разработки скважин

Выделяют несколько этапов разработки нефтяных скважин:

1. Освоение объекта. Представляет собой усиленную добычу нефти с минимальной водной насыщенностью, интенсивным снижением давления в пласте, повышением числа скважин и размером показателей нефтеотдачи в лимите 10%. Длительность исследования может составить до 5 лет. Под условием окончания освоения понимается снижение выработки за один год по отношению к общему количеству запасов сырья.
2. Гарантирование постоянства высоких показателей добычи, лимитированное 3-17%, в зависимости от вязкости нефти. Продолжительность времени выработки может варьироваться от одного года до семи лет. Количество скважин при этом также растет за счет эксплуатации запасов, но происходит закрытие части старых. Это зависит от насыщенности нефти водой, что может составлять до 65%. Таким образом, нефтеотдача может оказаться около 30-50%. Добыча природного ресурса на некоторых выработках выполняется принудительно, способом механической откачки насосами.
3. Сокращение выработки. Показатели нефтеотдачи падают до 10% за год, а интенсивность добычи сокращается до 1%. Каждая скважина переходит на механический способ выкачки. Число скважин, находящихся в резерве, интенсивно сокращается. Насыщенность водой слоев может достигать 85%. Это самый сложный этап, потому как существует необходимость торможения скорости выкачивания нефти. Рассчитать разницу показателей между прошлым этапом и данным достаточно тяжело, потому как разница коэффициента за несколько лет добычи обычно минимальна. За эти три этапа отдача нефтяных слоев достигает 90% от общего объёма.
4. Окончательный этап. Забор нефти уменьшается до 1%, а коэффициент заводнённости поднимается на максимальный уровень - от 98%. Завершается выработка нефтяных скважин, после чего они закрываются. Но продолжительность этого этапа может варьироваться и достигать 20 лет.

Конструкция

Конструктивные качества нефтяных скважин обеспечиваются за счет:

1. Механической устойчивости части пласта, примыкающего к забою.
2. Возможности спуска в скважину забойного оборудования, предотвращения обрушения пластов.
3. Крепкой гидродинамической связи между нефтяными пластами и забоем скважины.
4. Возможности выработки нефти из тех пластов, которые насыщены природным материалом, путем изоляции мест, насыщенных газом и водой, если из них не планируется добыча.
5. Возможности использования дренажной системы всего нефтенасыщенного слоя.

Типовые конструкции забойных нефтедобывающих скважин

При открытом способе забоя используется следующий метод: обсаживается и цементируется башмак скважины непосредственно перед началом пласта. Далее происходит вскрытие нефтяного пласта, при этом колонна скважины остается открытой. Такая конструкция устанавливается, только если:

• порода достаточно плотна, однородна и не имеет газовых либо водяных слоев;
• имеются четкие данные о кровле и подошве скважины еще до установки оборудования и вскрытия слоя;
• при малой толщине пластов, которые можно не закреплять;
• если отсутствует необходимость вскрывать резервные пласты рядом.

Достоинством этого способа забоя являются его гидродинамические качества. Такие скважины считаются идеальными образцами. Однако имеются минусы. Существует угроза обвалов, что ограничивает частичное вскрытие резервных пластов за счет воздействия на них буровых установок.

Фильтрационные забои имеют два вида конструкции:

1. Выработка пробуривается до подошвы слоя, ставится обсадная колонна, в которой имеются отверстия, заранее высверленные против толщи нефтяного слоя, в конце заливается цементом. Такая конструкция идентична с конструкцией открытого забоя, но здесь имеет место более эффективное крепление скважины, что обеспечивает сохранение колонны, если произойдет частичный обвал.
2. Башмак колонны цементируется еще до достижения кровли пласта. Фильтр с мелкой фракцией отверстий установлен в открытой части слоя, а пространство между ним и колонной герметизируется. Такая конструкция предотвращает попадания в скважину песка.

Конструкция с установленными в забое фильтрами используется значительно реже открытой, исключительно для отсеивания песочных заторов в выработке пластов, склонных к проявлению песка.

Есть еще перфорированные забойные скважины. Такие конструкции распространены очень широко. Показатели использования достигают 90%. При проектировании скважины делается отметка в пласте, на уровень которой пробуривается колонна скважины. Нижняя часть достигает самой продуктивной отметки залежи нефти и исследуется при помощи геофизических средств. Это позволяет определить интервалы, насыщенные водой, газом и нефтью, для дальнейшей четкой эксплуатации объекта. Такая конструкция имеет ряд преимуществ:

• технологические особенности прокладки скважины и геофизические исследования стали упрощенными;
• сохраняется эффективная изоляция смежных пластов;
• существует возможность открыть резервные, насыщенные нефтью пласты;
• допускается нагрузка на дополнительные метки предзабойной зоны;
• возможность долгосрочной эксплуатации скважины и сохранение ее бурового сечения.

Такой перфорированный вид забоя не защитит скважину от появления песчаных заторов в слоях, склонных к проявлению такового. Чтоб обеспечить защиту, необходимо ставить дополнительные фильтры с малой фракцией отверстий, чтоб задержать мелкие частицы. Однако при этом резко возрастает сопротивление фильтров к поступающей пластовой жидкости.

Последовательность операций при бурении скважин

При бурении нефтяных скважин последовательность операций такова:

1. Порода разрушается с помощью бурового механизма, после чего осуществляется заглубление колонны скважины.
2. Разрушенные части удаляются из отверстия земли на поверхность.
3. Устанавливается нефтяная скважина, после чего укрепляется цементом на определенном уровне.
4. Проводятся геофизические исследования и замеры.
5. Колонна спускается до метки нефтенасыщенного пласта, который вскрывается, и происходит выкачка ресурса.

Строительство

Начальный этап строительства нефтяных скважин предусматривает выработку породы глубиной и диаметром 30 м и 40 см соответственно. В самый низ опускается труба, которая должна указывать направление бурения. Околотрубное пространство цементируется, после чего в трубу помещается буровая скважина и опускается уже с меньшим диаметром на 500-800 метров в рабочем порядке. Этот участок разрабатывается и цементируется для изоляции неустойчивых слоев породы.

Далее процесс бурения становится более сложным, а достижение рабочей глубины нефтяного слоя существенно замедляется. Это зависит от того, что иногда эффективные пласты располагаются в виде нескольких слоев, и нефтедобыча должна осуществляться из более глубокого резервного участка. В такой ситуации внедряют посредственную колонну, которая цементируется по наружной части.

После достижения необходимого рабочего уровня на него устанавливают главную эксплуатационную колонну, которая предназначена не только для выкачки газа и нефти, но и для введения необходимого количества воды, чтоб достичь нужного давления. На ее боковых стенках имеются отверстия, цементный слой отличен от слоев других колонн, в ней применяются дополнительные оснастки: центраторы, обратные клапана, пакеры и т. д., чем колонна отличается от обычных.

Эксплуатация

Эксплуатация нефтяных скважин зависит от давления в пластах и делится на несколько способов:

1. Фонтанный. Осуществляется за счет давления газа и воды в межпластовом пространстве. Является самым распространенным и экономным видом добычи.
2. Насосный. Осуществляется с помощью насосных установок, которые перегоняют нефть непосредственно в скважину.
3. Газолифтный. Осуществляется с помощью введения в пласт газа высокого давления из-за отсутствия такового в залежах.

Виды режимов эксплуатации залежей

Разделяют следующие виды режимов эксплуатации скважин.

Водонапорный режим предусматривает высасывание и перемещение нефтяных залежей по открытым пространствам между пластами за счет контактирующей с ними воды. Режимы делятся на:

• Жесткий: нефть к скважинам подходит с помощью подпорки межпластовых вод. Это позволяет увеличить коэффициент нефтеотдачи.
• Упругий: предусматривает упругое сжатие водных ресурсов, при котором накапливается энергия, что позволяет расширить межпластовое породное пространство и передвижение ресурса к нефтяной скважине.

Компании, специализирующиеся в данной области, могут использовать различные методы, но многое зависит от типа скважины.

Газонапорный режим схож с водонапорным, но эксплуатация выработки осуществляется в верхних слоях путем давления газового пространства. За счет этого газ вытесняет нефтяные залежи на поверхность к скважине. Но если залежи газа расположены вблизи скважины, они способны проникнуть в нее, что значительно снижает приток нефти. Поэтому есть риск снижения показателей коэффициента полезной добычи.

Растворенный газ используется в нефтяных залежах, в которых нет газа и мало воды. Для выдавливания нефти используют растворенный газ. Он выделяется из нефтяных месторождений и распространяется по пустотам. Газ вытесняет нефть частично в связи с малым давлением и энергией газа между пластами. Коэффициент нефтеотдачи при таком режиме довольно низок.

Гравитационный режим предусмотрен тогда, когда в пластах полностью отсутствует какая-либо энергия. Выработка нефти происходит только лишь за счет силы тяжести самой нефти с помощью наклонных буровых скважин.

Бурение нефтяных и газовых скважин

В зависимости от местонахождения пластов, бурение может быть вертикальным, горизонтальным, наклонным. После подготовки территории и оформления документов начинаются подготовительные работы.

С помощью бурильной техники ствол скважины внедряется в породу на определенную глубину, трубы объединяются в колонны, после чего закрепляются цементом во избежание обвала породы. Когда колонна достигла рабочей зоны, вскрывается нефтяной пласт и начинается непосредственный процесс откачки сырья.

Технология бурения

Бурение выработок – очень сложная технологическая операция, которая предусматривает несколько последующих действий. С помощью буровой установки в земную породу вводится сверхпрочный ствол. Технология бурения нефтяных скважин такова:

1. Ведение выработки осуществляется таким образом, что происходит разрушение породы посредством мощной буровой отдачи.
2. Устраняются из скважины лишние части пробуренной породы.
3. Укрепляется ствол выработки обсадными колоннами.
4. Исследуются породы геофизическим методом, определяется направление бурения.
5. Происходит спуск на нужную рабочую глубину и цементирование конечной колонны.

Технология бурения нефтяных и газовых скважин предусматривает два способа:

1. Механический – самый распространенный. С помощью мощных пневмомолотов разрушается слой земли, лишняя порода убирается посредством бурового раствора или газа. Он делится на подвиды: вращательный, ударный.
2. Немеханический:

• термический;
• взрывной;
• гидравлический;
• электроимпульсный.

Бурение производится с помощью специализированных буровых установок, профессионального инструмента и комплекса наземного оборудования, используемого для установки, выкачки и обслуживания станций.

Установка состоит из: оборудования для спускоподъёмных операций, буровой вышки, вышечного сооружения, силового привода, наземного оборудования, системы подачи бурового раствора. Успешное завершение технологического процесса напрямую зависит от свойств бурового раствора, который готовится на основе воды либо нефти.

Первая нефтяная скважина в Баку

Интересным фактом является то, что первую в мире нефтяную выработку установили в Баку, когда город входил в состав России. Именно бакинскими учеными был разработан наклонный метод бурения, который используют в мире повсеместно. В Баку была построена первая нефтяная скважина в 1846 году. Это предусматривает размещение месторождения на большом расстоянии от насосной установки. Был разработан метод, при котором буровые насосы разветвляются, что позволяет выкачивать нефть из нескольких источников одновременно. Таким образом, количество добытой нефти в районе при помощи буровых установок к 1890 году составило почти семнадцать миллионов баррелей. И уже к 1901 году мировой процент добычи нефти в этом регионе составил 95%.