Первое бурение нефтяной скважины. Полезная информация
: Краткая история развития бурения
1. Краткая история развития бурения
На основании археологических находок и исследований установлено, что первобытный человек около 25 тыс. лет назад при изготовлении различных инструментов сверлил в них отверстия для прикрепления рукояток. Рабочим инструментом при этом служил кремневый бур.
В Древнем Египте вращательное бурение (сверление) применялось при строительстве пирамид около 6000 лет назад.
Первые сообщения о китайских скважинах для добычи воды и соляных рассолов содержатся в работах философа Конфуция, написанных около 600 г. до н.э. Скважины сооружались методом ударного бурения и достигали глубины 900 м. Это свидетельствует о том, что до этого техника бурения развивалась в течение, по крайней мере, еще нескольких сот лет. Иногда при бурении китайцы натыкались на нефть и газ. Так в 221...263 гг. н.э. в Сычуане из скважин глубиной около 240 м добывали газ, который использовался для выпаривания соли.
Документальных свидетельств о технике бурения в Китае мало. Однако, судя по древней китайской живописи, барельефам, гобеленам, панно и вышивкам на шелке, эта техника находилась на довольно высокой стадии развития.
Бурение первых скважин в России относится к IX веку и связано с добычей растворов поваренной соли в районе г. Старая Русса. Соляной промысел получил большое развитие в XV..XVII вв., о чем свидетельствуют обнаруженные следы буровых скважин в окрестностях г. Соликамска. Их глубина достигала 100 м при начальном диаметре скважин до 1 м.
Стенки скважин часто обваливались. Поэтому для их крепления использовались или полые стволы деревьев или трубы, сплетенные из ивовой коры. В конце XIX в. стенки скважин стали крепить железными трубами. Их гнули из листового железа и склепывали. При углублении скважины трубы продвигали вслед за буровым инструментом (долотом); для этого их делали меньшего диаметра, чем предшествующие. Позднее эти трубы стали называть обсадными. Конструкция их со временем была усовершенствована: вместо клепанных они стали цельнотянутыми с резьбой на концах.
Первая скважина в США была пробурена для добычи соляного раствора близ г. Чарлстона в Западной Вирджинии в 1806 г. Придальнейших поисках рассолов в 1826 г. близ г. Бернсвилла в шт. Кентукки случайно была найдена нефть.
Первые упоминания о применении бурения для поисков нефти относятся к 30-м годам XIX века. На Тамани, прежде чем рыть нефтяные колодцы, производили предварительную разведку буравом. Очевидец оставил следующее описание: «Когда предполагают выкопать в новом месте колодец, то сначала пробуют буравом землю, вдавливая оный и подливая немного воды, дабы он ходше входил и по вынятию оного, есть ли будет держаться нефть, то на сем месте начинают копать четырехугольную яму».
В декабре 1844 г. член Совета Главного Управления Закавказского края В.Н. Семенов направил своему руководству рапорт, где писал о необходимости... углубления посредством бура некоторых колодцев... и произведения вновь разведки на нефть также посредством бура между балаханскими, байбатскими и кабристанскими колодцами». Как признавал сам В.Н. Семенов, эту идею подсказал ему управляющий бакинских и ширванских нефтяных и соляных промыслов горный инженер Н.И. Воскобойников. В 1846 г. министерство финансов выделило необходимые средства и были начаты буровые работы. О результатах бурения говорится в докладной записке наместника Кавказа графа Воронцова от 14 июля 1848 г.:«... на Биби-Эйбате пробурена скважина, в которой найдена нефть». Это была первая нефтяная скважина в мире!
Незадолго до этого в 1846 г. французский инженер Фовель предложил способ непрерывной очистки скважин - их промывку. Сущность метода заключалась в том, что с поверхности земли по полым трубам в скважину насосами закачивалась вода, выносящая кусочки породы наверх. Этот метод очень быстро получил признание, т.к. не требовал остановки бурения.
Первая нефтяная скважина в США была пробурена в 1859 г. Сделал это в районе г. Тайтесвилл, штат Пенсильвания Э. Дрейк, работавший по заданию фирмы «Сенека ойл компани». После двух месяцев непрерывного труда рабочим Э. Дрейка удалось пробурить скважину глубиной всего 22 м, но она дала-таки нефть. Вплоть до недавнего времени эта скважина считалась первой в мире, но найденные документы о работах под руководством В.Н. Семенова восстановили историческую справедливость.
Многие страны связывают рождение своей нефтяной промышленности с бурением первой скважины, давшей промышленную нефть. Так, в Румынии отсчет ведется с 1857 г., в Канаде - с 1858 г., в Венесуэле - с 1863 г. В России долгое время считалось, что первая нефтяная скважина была пробурена в 1864 г. на Кубани на берегу р. Кудако под руководством полковника А.Н. Новосильцева. Поэтому в 1964 г. у нас в стране торжественно отметили 100-летие отечественной нефтяной промышленности и с тех пор каждый год отмечают «День работника нефтяной и газовой промышленности».
Число пробуренных скважин на нефтяных промыслах в конце XIX века стремительно росло. Так в Баку в 1873 г. их было 17, в 1885 г. - 165, в 1890 г. - 356, в 1895 г. - 604, то к 1901 г. - 1740. Одновременно значительно возросла глубина нефтяных скважин. Если в 1872 г. она составляла 55...65 м, то в 1883 г. - 105...125 м, а к концу XIX в. достигла 425...530 м.
В конце 80-х гг. прошлого века близ г. Новый Орлеан (шт. Луизиана, США) было применено вращательное бурение на нефть с промывкой скважин глинистым раствором. В России вращательное бурение с промывкой впервые применили близ г. Грозного в 1902 г. и нашли нефть на глубине 345 м.
Первоначально вращательное бурение осуществлялось вращением долота вместе со всей колонной бурильных труб непосредственно с поверхности. Однако при большой глубине скважин вес этой колонны весьма велик. Поэтому еще в XIX в. появились первые предложения по созданию забойных двигателей, т.е. двигателей, размещаемых в нижней части бурильных труб непосредственно над долотом. Большинство из них осталось нереализованными.
Впервые в мировой практике советским инженером (впоследствии членом-корреспондентом АН СССР) М.А. Капелюшниковым в 1922 г. был изобретен турбобур, представлявший собой одноступенчатую гидравлическую турбину с планетарным редуктором. Турбина приводилась во вращение промывочной жидкостью. В 1935...1939 гг. конструкция турбобура была усовершенствована группой ученых под руководством П.П. Шумилова. Турбобур, предложенный ими, представляет собой многоступенчатую турбину без редуктора.
В 1899 г. в России был запатентован электробур, представляющий собой электродвигатель, соединенный с долотом и подвешенный на канате. Современная конструкция электробура была разработана в 1938 г. советскими инженерами А.П. Островским и Н.В. Александровым, а уже в 1940 г. электробуром была пробурена первая скважина.
В 1897 г. в Тихом океане в районе о. Сомерленд (шт. Калифорния, США) впервые было осуществлено бурение на море. В нашей стране первая морская скважина была пробурена в 1925 г. в бухте Ильича (близ г. Баку) на искусственно созданном островке. В 1934 г. Н.С. Тимофеевым на о. Артема в Каспийском море было осуществле- но кустовое бурение, при котором несколько скважин (порой более 20) бурятся с общей площадки. Впоследствии этот метод стал широко применяться при бурении в условиях ограниченного пространства (среди болот, с морских буровых платформ и т.д.).
С начала 60-х годов с целью изучения глубинного строения Земли в мире стали применять сверхглубокое бурение.
Владимир Хомутко
Время на чтение: 4 минуты
А А
Когда была найдена первая нефтяная скважина?
Всем известно, что нефть добывают при помощи пробуренных в земле скважин. А когда появилась первая такая скважина и кто её пробурил? Ответ на этот и другие интересные вопросы, касающиеся нефтяного бурения, мы и рассмотрим в этой статье.
Стоит сказать. что первые упоминания о попытках поискового бурения (не путать с промысловым) относятся еще к тридцатым годам девятнадцатого века. По дошедшим до нас описаниям очевидца тех лет, на Тамани, перед тем, как рыть нефтяные колодцы, предварительно разведывали недра так называемым «буравом».
Иными словами, чтобы определить наилучшее место для рытья колодца, из которого в то время производилась добыча нефти, сначала бурили землю. Так что это можно назвать первыми поисковыми скважинами, однако промышленными их назвать нельзя. Да скважинами они, по сути, не были.
В декабре 1844 года В.Н. Семенов, который был членом Совета Главного Управления Закавказского края, отправил вышестоящему начальству рапорт, в котором обосновал необходимость углубления посредством бура нескольких существующих нефтяных колодцев, а также необходимость проведения разведки новых нефтеносных слоев с помощью бурения на местности, лежавшей между байбайтскими, балаханскими и кабристанскими колодцами. Эту идею, по признанию самого Семенова, ему посказал управлявший в те времена ширванскими и бакинскими промыслами русский горный инженер Воскобойников Н.И.
Приняв рапорт во внимание, министерство финансов России в 1846-ом году приказало выделить необходимые средства для проведения буровых работ, о результатах которых в 1848-ом году в своей докладной записке доложил наместник на Кавказе граф Воронцова. Суть доклада сводилась к тому, что на Биби-Эйбате была пробурена скважина, из которой стали получать нефть. Это и была самая первая промышленная нефтяная скважина! Биби-Эйбатское месторождение находится близ города Баку в Азербайджане. Оно географически находится на Апшеронском полуострове.
Глубина первой разведочной скважины, которую пробурили годом ранее (в 1847-ом) составляла 21 метр. Первая нефть была получена ударным способом, с использованием деревянных штанг, и было это 14 июля 1848-го года. 1847-ой считается годом открытия Биби-Эйбатского месторождения.
Незадолго до этого момента, в 1846-ом году, французским инженером Фовелем был предложен способ, позволяющий непрерывно очищать скважину с помощью промывки. Суть предложенной методики заключалась в закачивании насосами с земной поверхности в скважину через полые трубы воды, которая и выносила на поверхность кусочки горных пород. Это выдающееся изобретение быстро получило широкое признание, поскольку не требовало остановки самого бурения.
Первые нефтяные скважины, пробуренные в других странах
На территории Соединенных Штатов Америки первая нефтяная скважина была пробурена в 1859-ом году вблизи города Тайтесвилла, расположенного в штате Пенсильвания. Это сделал Э. Дрейк по заданию компании «Сенека ойл».
За два месяца непрерывной работы рабочие под его руководством сумели пробурить скважину, глубина которой составила 22 метра, и она стала давать нефть. До последнего времени считалось, что именно скважина Дрейка – первая в мире, однако найденные исторические документы, о которых мы говорили выше, дали возможность восстановить историческую справедливость.
Датой рождения своей нефтяной промышленности во многих странах мира считается бурением первой добывающей промышленной скважины. К примеру, в Румынии это событие произошло в 1857-ом году, на территории Канады – в 1858-ом, а в Венесуэле – в 1863-ем.
На территории нашей страны первое успешное нефтяное бурение осуществили рабочие, под руководством полковника Новосильцева А.Н. Случилось это в 1864-ом году на берегу реки Кудако (Кубанский край).
Именно с 1964 года и ведет свой отсчет российская нефтяная промышленность.
Со временем число нефтедобывающих выработок на промыслах стало стремительно расти. В конце девятнадцатого столетия стало буриться огромное число новых выработок.
Например, в Баку этот рост шел так:
- 1873 год – 17-ть штук;
- 1885-ый – уже 165;
- 1890-ый – 356;
- 1895-ый – 604;
- 1901-ый – 1740!
Одновременно росла и глубина бурения. Если в 1872-ом году максимальное бурение производилось до глубины 55 – 65 метров, то в 1883-ем это показатель достиг отметки 105-ти – 125-ти метров, а в конце девятнадцатого столетия максимальные глубины уже доходили до 425-ти – 530-ти м.
В конце восьмидесятых годов девятнадцатого века в окрестностях Нового Орлеана (американский город, расположенный в штате Луизиана) впервые применили вращательное бурение с одновременной промывкой ствола с помощью глинистого раствора.
В нашей стране такое бурение впервые использовали в 1902-ом году возле города Грозный. Нефть была найдена на глубине 345-ти метров.
Изначально вращательное бурение проводили с помощью вращения долота с поверхности вместе со всей бурильной трубной колонной. Однако, чем глубже становились выработки, тем тяжелее становилась такая колонна, и вращать её было невозможно.
В связи с этим, уже в конце девятнадцатого века стали появляться первые предложения, касающиеся создания забойных двигателей. Эти двигатели предполагалось размещать в нижней части бурильной колонны сразу над долотом. Однако, большая часть этих предложений так и остались на бумаге.
Первый в мире турбобур изобрел в 1922-ом году советский инженер Капелюшников М.А. Он представлял собой гидравлическую одноступенчатую турбину, оборудованную планетарным редуктором. Вращение турбины осуществлялось с помощью промывочной жидкости. В дальнейшем турбобур был усовершенствован группой ученых, которыми руководил Шумилов П.П.. Турбобур, который они предложили в 1939-лм году, уже был многоступенчатой турбиной без применения редуктора.
Первый электробур запатентовали в России еще в 1899-ом году. Его конструкция представляла собой подвешенный на канате электродвигатель, который соединялся с долотом. Современный электробур разработали в 1938-ом году советские инженеры Островский А.П. и Александров Н.В., а спустя два года им уже пробурили первую скважину.
Однако, нефтяное бурение проводилось не только на суше, но и под водой.
Первые морские нефтяные колодцы соорудил бакинский купец Касымбек еще в 1803-ем году. Она находились в 18-ти и 30-ти метрах от берега близ села села Биби-Эйбат. От попадания внутрь воды их защищали срубы, которые были изготовлены из плотно подогнанных друг к другу досок.
Для большинства людей, иметь свою нефтяную или газовую скважину - значит решить финансовые проблемы на всю оставшуюся жизнь и жить ни о чем не думая.
Но так ли просто пробурить скважину? Как она устроена? Этим вопросом, к сожалению, мало кто задается.
Буровая скважины 39629Г находится совсем недалеко от Альметьевска, в поселке Карабаш. После ночного дождя, все вокруг в тумане и перед машиной то и дело пробегали зайцыJ
И вот, наконец, показывалась сама буровая. Там нас уже ждал мастер буровой - главный человек на площадке, он принимает все оперативные решения и несет ответственность за все происходящее при бурении, а также - начальник управления буровых работ.
Принципиально, бурением называют разрушение горных пород на забое (в нижней точке) и извлечение разрушенной породы на поверхность. Буровая представляет собой комплекс механизмов, таких как буровая вышка, буровые насосы, системы очистки бурового раствора, генераторы, жилые помещения и т.д.
Буровая площадка, на которой расположены все элементы (о них мы поговорим ниже) - это очищенная от плодородного слоя земли и отсыпанная песком зона. После завершения работ этот слой восстанавливают и, таким образом, существенный вред экологии не наносится. Слой песка - обязателен, т.к. глина при первых дождях превратится в непроходимую жижу. Я сам видел, как в такой жиже застревали многотонные Уралы.
Но обо всем по порядку.
На скважине 39629Г установлен станок (собственно вышка) СБУ-3000/170 (стационарная буровая установка, максимальная грузоподъемность 170 тонн). Станок произведен в Китае и выгодно отличается от того, что я видел раньше. В России тоже производятся буровые, но китайские станки дешевле как в закупке, так и в обслуживании.
На этой площадке ведется кустовое бурение, оно характерно для горизонтальных и наклонно-направленных скважин. Такой тип бурения заключается в том, что устья скважин расположены на близком расстоянии друг от друга.
Поэтому буровой станок оборудован системой самоперемещения по рельсам. Система работает по принципу «тяни-толкай» и станок как бы передвигает сам себе с помощью гидроцилиндров. На перемещение с одной точки до другой (первые десятки метров) со всеми сопутствующими операциями уходит пара часов.
Поднимаемся на рабочую площадку буровой. Здесь собственно и происходит большая часть работы буровиков. На фото видны трубы буровой колонны (слева) и гидравлический ключ, при помощи которого колонна наращивается новыми трубами и продолжает бурение. Бурение происходит благодаря долоту на конце колонны и вращению, которое передается с помощью ротора.
Особый восторг у меня вызвало рабочее место бурильщика. Когда-то давно, в Республике Коми, я видел бурильщика, который управлял всеми процессами с помощью трех ржавых рычагов и собственной интуиции. Чтобы сдвинуть рычаг с места, он буквально повисал на нем. В итоге, буровой крюк чуть было не зашиб его.
Здесь же бурильщик подобен капитану космического корабля. Он сидит в изолированной кабине, в окружении мониторов и управляет всем с помощью джойстика.
Само собой, кабина отапливается зимой и охлаждается летом. Кроме того, на крыше,тоже стеклянной, предусмотрена защитная сетка на случай падения чего-нибудь с высоты и дворник для очистки стекла. Последний вызывает у буровиков неподдельный восторг:)
Лезем наверх!
Кроме ротора, буровая оборудована системой верхнего привода (сделана в США). Эта система объединяет в себе крановый блок и ротор. Грубо говоря, это кран с приделанным к нему электродвигателем. Система верхнего привода является более удобной, быстрой и современной, нежели ротор.
Видео как работает система верхнего привода:
С вышки открывается отличный вид на площадку и окрестности:)
Кроме красивых видов, в верхней точке буровой можно обнаружить рабочее место верхового помбура (помощника бурильщика). В его обязанности входят работы по установке труб и общий контроль.
Так как верховой находится на рабочем месте всю 12-часовую смену и в любую погоду и любое время года, для него оборудована отапливаемая комната. На старых вышках этого никогда не было!
В случае нештатной ситуации, верховой может эвакуироваться с помощью троллея:
Когда скважина пробурена, ствол несколько раз промывается от разбуренной породы (шлама) и в нее спускают обсадную колонну, которая состоит из множества труб, скрученных между собой. Один из типовых внутренних диаметров обсадной колонны — 146 миллиметров. Длина скважины может достигать 2—3 километров и более. Таким образом, длина скважины превосходит её диаметр в десятки тысяч раз. Примерно такими же пропорциями обладает, например, отрезок обычной нити длиной 2—3 метра.
Трубы подаются по специальному желобу:
После спуска обсадной колонны скважину еще раз промывают и начинается цементирование затрубного пространства (пространства между стенкой скважины и обсадной колонной). Цемент подается на забой и продавливается в затрубное пространство.
После того, как цемент застывает, его проверяют зондом (прибором, спускаемым в скважину) АКЦ - акустический контроль цементажа, скважину опрессовывают (проверяют герметичность), если все ОК, то бурение продолжается - разбуривается цементный стакан на забое и долото идет дальше.
Буква «г» в номере скважины 39629Г означает, что ствол скважины - горизонтальный. От устья до определенного момента скважина бурится без отклонения, но потом с помощью шарнирного отклонителя и/или роторного отклонителя она выходит на горизонталь. Первый представляет собой трубу с шарниром, а второй - долото с направленным соплом, которое отклоняется напором бурового раствора. Обычно, на картинках, отклонение ствола изображается чуть ли не под углом 90 градусов, но в реальности этот угол составляет около 5-10 градусов на 100 метров.
За тем, чтобы ствол скважины шел туда, куда нужно, следят специальные люди - «кривильщики» или инженеры телеметрии. По показаниям естественной радиактивности горных пород, сопротивлению и другим параметрам, они контролируют и корректируют курс бурения.
Схематично все это выглядит вот так:
Любые манипуляции с чем-либо на дне (забое) скважины превращаются в очень увлекательное занятие. Если в скважину нечаянно уронить инструмент, насос или несколько труб, то вполне можно уроненное никогда не достать, после чего на скважине стоимостью в десятки или сотни миллионов рублей можно ставить крест. Покопавшись в делах и историях ремонта, можно найти настоящие скважины-жемчужины, на забое которых лежит насос, поверх которого лежит ловильный инструмент (для извлечения насоса), поверх которого лежит инструмент для извлечения ловил
ьного инструмента. При мне в скважину роняли, к примеру, кувалду:)
Чтобы нефть вообще могла поступать в скважину, нужно проделать отверстия в обсадной колонне и цементном кольце за ней, так как они, отделяют коллектор от скважины. Эти отверстия делают с помощью кумулятивных зарядов; они по сути такие же, как, например, противотанковые, только без обтекателя, потому что лететь им никуда не надо. Заряды пробивают не только обсадную колонну и цемент, но и сам пласт горной породы на несколько десятков сантиметров вглубь. Весь процесс называется перфорацией.
Для сокращения трения инструмента, выноса разрушенной породы, предотвращения осыпания стенок скважины и компенсации разницы пластового давления и давления на устье (внизу давление в разы больше) скважина заполнена буровым раствором. Его состав и плотность подбираются в зависимости от характера разреза.
Буровой раствор прокачивается компрессорной станцией и должен постоянно циркулировать в скважине во избежания осыпания стенок скважины, прихвата инструмента (ситуации, когда колонна заблокирована и ее невозможно ни вращать, ни вытащить - это одна из самых распространенных аварий при бурении) и прочего.
Спускаемся с вышки, идем смотреть насосы.
В процессе бурения буровой раствор выносит шлам (разбуренную породу) на поверхность. Анализируя шлам, буровики и геологи могу делать выводы о породах, которые сейчас проходит скважина. Затем раствор нужно очистить от шлама и снова отправить в скважину работать. Для этого оборудована система очистных установок и «амбар», где очищенный хранится шлам (амбар виден на предыдущем фото справа).
Первыми принимают раствор вибросита - они отделяют самые крупные фракции.
Затем раствор проходит ило- (слева) и пескоотделители (справа):
И, наконец, самая мелкая фракция удаляется с помощью центрифуги:
Затем раствор попадает в емкостные блоки, при необходимости восстанавливаются его свойства (плотность, состав и прочее) и оттуда с помощью насоса подается обратно в скважину.
Емкостной блок:
Буровой насос (произведен в РФ!). Красная штука сверху - гидрокомпенсатор, он сглаживает пульсацию раствора за счет противодавления. Обычно на буровых - два насоса: один рабочий, второй резервный на случай поломки.
Все этим насосным хозяйством заведует один человек. Из-за шума оборудования, всю смену он работает в берушах или защитных наушниках.
«А что у буровиков с бытом?» - спросите вы. Этот момент мы тоже не упустили из внимания!
На этой площадке буровики работают, короткими вахтами по 4 дня, т.к. бурение идет практически в черте города, но жилые модули практически ничем не отличаются от тех, что используют, к примеру, в Заполярье (разве что, в лучшую сторону).
Всего на площадке 15 вагончиков.
Часть из них - жилые, в них буровики живут по 4 человека. Вагончики разделены на тамбур с вешалкой, умывальником и шкафов и непосредственно жилую часть.
Кроме того, в отдельные вагончики (на местном сленге - «балки"») выведены баня и кухня-столовая. В последней мы прекрасно позавтракали и обсудили детали работы. Пересказывать не буду, а то вы меня обвините в совсем уж откровенной рекламе, но скажу, что мне немедленно захотелось остаться в Альметьевске… Обратите внимание на цены!
На буровой мы провели около 2,5 часов и я в очередной раз убедился, что таким сложным и опасным делом, как бурение и нефтедобыча в целом могут заниматься только хорошие люди. Еще мне объясняли, что плохие люди тут не задерживаются.
Друзья, спасибо, что дочитали до конца. Надеюсь, теперь вы представляете себе процесс бурения скважин немного лучше. Если у вас остались вопросы - задавайте их в комментариях. Я сам или с помощью экспертов - обязательно отвечу!
Впервые в мире в 1803 г. бакинец Гаджи Касымбек Мансурбеков начинает морскую добычу нефти в Биби-Эйбатской бухте из двух колодцев в 18 м и 30 м от берега. Существование первого морского промысла прекратилось в 1825 г., когда сильный шторм на Каспии разрушил колодцы.
В 1834 г. директор бакинских нефтепромыслов Николай Воскобойников (1801-1860 гг.) изобрел особый перегонный снаряд для получения керосина из белой и черной нефти.
В 1837 г. в Балаханах, начал действовать первый на Апшероне и в мире нефтеперегонный завод Николая Воскобойникова (первый аналогичный завод в США будет построен в 1855 г. Самюэлем Кайером). На этом заводе впервые в мире была применена перегонка нефти вместе с водяным паром, а нефть подогревалась с помощью природного газа.
В 1846 г. в Баку на Биби-Эйбате, по предложению члена Главного управления Закавказским краем Василия Семенова (1801-1863 гг.) пробурена первая в мире скважина глубиной 21 м для разведки нефти; то есть, впервые в мире было осуществлено бурение на нефть с положительным результатом. Работа была осуществлена под руководством директора Бакинских нефтяных промыслов, Корпуса горных инженеров майора Алексеева.
В 1847 г. 8-14 июля в своих документах наместник на Кавказе, князь Михаил Воронцов (1782-1856 гг.), официально подтвердил факт окончания бурения первой в мире нефтяной скважины на берегу Каспийского моря (Биби-Эйбат) с положительным результатом.
В 1848 г. в бакинском поселке Балаханы был заложен колодец, давший 110 пудов нефти в сутки.
В 1849 г. промышленник М.Г. Селимханов на склоне горы Биби-Эйбат заложил колодец, из которого добывал 17-18 тыс. пудов нефти в год.
В России официально запрещалось бурение нефтяных скважин до 1869 г. (правительство прислушивалось к выводам иностранных специалистов, доказывающих непригодность и бесперспективность бурения для добычи нефти). К примеру; когда в 1866 г. Закавказское торговое общество ходатайствовало перед правительством о разрешении начать буровые работы, то получило отказ.
В 1869 г. откупщик И.М. Мирзоев пробурил свою первую скважину глубиной 64 м, в Балаханах, но неудачно. В 1871 г., почти на том же месте он пробуривает вторую скважину глубиной 45м, которая оказалась очень результативной: она давала в среднем до 2 тыс. пудов нефти в сутки.
С 1872 г. начинается интенсивное строительство скважин глубиной до 45-50 м, что приводит к почти полному прекращению строительства в бакинском районе новых колодцев.
С отменой откупа в бакинском районе началось усиленное бурение нефтяных скважин. Число их быстро возрастало: в 1872 г. была одна скважина, в 1873 г, - 17, в 1874 г. - 50, в 1875 г. - 65, а в 1876 г. - 101 скважина. Появились мощные фонтаны, показавшие изобилие нефти в Балаханах, Романах, Сабунчах, Забрате, Биби-Эйбате.
Первые скважины бурились вручную вращательным способом. Затем стали применять ударно-штанговое бурение с паровым приводом. При бурении в твердых горных породах использовали балансир, к одному концу которого присоединялся буровой инструмент. Другой конец балансира был соединен с ведущим шкивом посредством кривошипа. Шкив вращался паровой машиной. При бурении глубоких скважин применяли раздвижные штанги, или ножницы. Глубокие скважины крепили обсадными трубами.
Спуск и подъем бурового инструмента и обсадных труб, долбление горной породы, спуск и подъем желонки для извлечения разбуренной породы обеспечивал буровой станок, главный вал которого вращался от паровой машины. От главного вала получал движение цепной барабан, при помощи которого поднимался и опускался буровой инструмент. Балансир приводился в движение шатуном с кривошипом, насаженным на долбежном валу.
Первая установка для вращательного бурения с буровой вышкой высотой 15 м появилась в Баку в 1902 г. Станок ее состоял из трансмиссионного вала и трех шестерен. К одной шестерне передавалось движение от паровой машины единой передачей, от двух других шестерен передавалось движение барабану лебедки и ротору. Глинистый раствор для выноса разбуренной породы подавался к бурильным трубам паровым насосом.
Добыча нефти из буровых скважин производилась с помощью цилиндрических ведер длиной до 6 м. В дне ведра был устроен клапан, открывающийся вверх. Такое ведро, предназначенное для очистки скважин, называлось желонкой, а способ добычи нефти желонкой именовался тартальным.
Первые опыты по применению глубинных насосов для добычи нефти в Баку были сделаны в 1876 г. Но эти насосы быстро засорялись песком, и нефтепромышленники вернулись к привычной желонке. В 70-х гг. 19 в. В.Г. Шухов предложил компрессорный способ добычи нефти из скважин, при котором сжатый воздух использовался для подъема нефти (эрлифт). Этот способ был испытан в Баку в 1897 г. Другой способ подъема нефти из скважин - газлифт - был предложен М.М. Тихвинским в 1914 г. Из всех известных способов добычи нефти главным оставался тартальный. С его помощью в 1913 г. добывали 95 % всей нефти.
С ростом количества буровых скважин в Баку увеличивалась добыча нефти. В 1872 г. было добыто 23 тыс. т, в 1875 г. - 81 тыс. т, в 1885 г. - 1,9 млн. т, а в 1901 г. - 11,6 млн. т. В 1901 г. Бакинский район давал 95 % общей добычи нефти в России.
Число нефтеперегонных заводов в Баку также возросло, даже жилые дома стали переделывать под заводы. В качестве топлива на заводах применяли нефть, пользуясь самым примитивным способом сжигания - на поду топки. Город покрылся копотью. Жители задыхались в дыму. Администрация города еще в начале 1873 г. принудила заводчиков вынести их «заводы» на соседнюю с городом территорию, в двух верстах от него. Там с лихорадочной быстротой возник Черный город, в котором уже весной 1873г. насчитывалось 80 заводов. В конце 1870-х гг. число небольших нефтеперегонных заводов в бакинском районе дошло уже до 200. К технически совершенным относились заводы Бакинского нефтяного общества и завод И.М. Мирзоева. Передовой техникой был оснащен и завод братьев Нобель.
В 1878 г. фирмой «Бари, Сытенко и Ко» был построен по проекту В.Г. Шухова первый нефтепровод от Бакинских промыслов до Черного города. В 1879 г. завершилось строительство бакинской промысловой железной дороги. В 1907 г. началась перекачка керосина по первому в мире магистральному трубопроводу Баку - Батуми.
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).
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.
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.