Что общего у комнатного растения на подоконнике и современной нефтяной скважины
«Ики юз али — уч юз», — так в телеграмме руководителю писал на азербайджанском языке Михаил Шалавин, начальник экспедиции по разведке нефти на будущем Шаимском месторождении. Короткая фраза означала: «Скважина дает 250–300 тонн в сутки» — и была посвящена тому, что забил первый фонтан промышленной нефти в Сибири. Скважина №6 начала фонтанировать в июне 1960 года.
Времена, когда можно было добывать нефть, просто пробурив вертикальное отверстие над месторождением, уходят в прошлое. Сегодня для получения углеводородов создают цифровую модель структуры недр и строят нефтяные скважины сложной формы, похожие на корневую систему растений. Мы поговорим о том, как устроены и работают нефтяные скважины на современных месторождениях.
Александр Криушкин
специалист по строительству скважин «Газпром нефти»
В конце 2022 года на Новозаринском месторождении мы пробурили особую, наклонную скважину №8007. Она дотянулась до нефтяных пластов на глубине около 2900 метров, а в сутки давала 38,4 тонны, эту планку мы держим и сегодня.
На стыке ботаники и геологии. Как устроены нефтяные скважины?
Устройство нефтяных скважин на месторождениях можно сравнить с корневой системой растения. Биологи выделяют два основных типа таких систем: стержневую и мочковатую. Стержневая — это один главный корень с боковыми отростками меньших размеров. Мочковатая похожа на перевернутую крону дерева — в ней нет одного главного «ствола». Современные скважины совмещают в себе элементы обеих систем: все они начинаются с вертикального отрезка, а дальнейшее строение зависит от особенностей конкретного месторождения.
На крупных одиночных месторождениях обычно строят вертикальные или наклонные скважины. Давайте разберемся, как выглядит и работает нефтяная скважина на таких месторождениях. Наклонные нужны для доступа к залежам, например, под водоемами или сложным рельефом. Также их создают, чтобы сократить число буровых вышек: от одной скважины можно сделать несколько ответвлений.
На месторождениях с пластом толщиной 5–10 метров строят горизонтальные скважины в форме перевернутой буквы «Г». Если узких пластов много, скважину делают многозабойной — от центрального ствола прокладывают несколько горизонтальных ответвлений. Все эти типы скважин похожи на стержневую корневую систему растений.
Когда нужно получить доступ к залежам на разных глубинах, разделяют сам «стержень». Такая многоствольная скважина похожа на второй тип корневых систем растений — перевернутую крону дерева. Чаще всего многоствольные или многозабойные скважины строят с 2–6 горизонтальными стволами. Как и двух одинаковых отпечатков пальцев, двух одинаковых многоствольных скважин в мире не существует.
Скважины «фишбон» (рыбья кость) — подвид многоствольных. В них горизонтальный отрезок ветвится во все стороны. «Фишбоны» считаются сверхсложными и во много раз повышают отдачу месторождения. Принцип работы нефтяных скважин таких типов позволяет максимально эффективно извлекать ресурсы.
Нефтяники не ограничиваются одной скважиной или одним видом конструкций: бурят столько, сколько нужно для эффективной добычи. На Восточно-Мессояхском — самом северном в России континентальном месторождении — кусты состоят из 6–10 многозабойных скважин (с «фишбонами» по 4–6 стволов), а на Тазовском — в кустах по 24 скважины, и практически все из них двуствольные. Расчеты траекторий делают инженеры по бурению и геологи, самим бурением занимаются буровые мастера.
Подземное лавирование
Пуская корни, растения раздвигают ими почву. Буровым мастерам приходится работать с гораздо более твердыми породами. Пробиться сквозь недра помогает буровое долото, прикрепляемое на нижнюю часть колонны из металлических труб. Перемолотую породу «вымывают» из скважины, а колонну постепенно удлиняют. В скважину под давлением подается буровой раствор — он смазывает и охлаждает долото, компенсирует давление пластов и вымывает перемолотую породу на поверхность. Состав бурового раствора подбирают под конкретную породу, так ее частицы не оседают на дно и не мешают процессу.
Бурением управляют с помощью винтового забойного двигателя (ВЗД) и роторных управляемых систем (РУС). В винтовом забойном двигателе бурильные трубы не вращаются, а крутится только долото. Это происходит благодаря роторному гидравлическому механизму, который использует энергию бурового раствора — преобразует потенциальную энергию во вращательное движение вала. В России 70–80% скважин бурят с использованием ВЗД.
Роторные управляемые системы — более дорогой механизм, который используют при бурении самых сложных скважин, горизонтальных ответвлений, идущих через тонкие пласты толщиной 1–2 метра на глубине нескольких километров. В них из-за трения в наклонных участках вес колонны не полностью преобразуется в полезную нагрузку. Чтобы вес полностью преобразовывался в нагрузку, в роторных управляемых системах вращаются бурильные трубы и сохраняется возможность направлять долото по заданной траектории.
Артем Закиров
эксперт по бурению в «Газпром нефти»
Роторные управляемые системы разделяют по способу управления траекторией бурения: с помощью толкающих лопаток или изгибающегося вала. Первые системы отталкиваются от стенки скважины специальными лопатками, установленными на корпусе над долотом. Системы с изгибающимся валом отдаленно напоминают руку куклы с шарниром: изгиб вала-«шарнира» позволяет направить долото в нужном направлении. Именно роторные управляемые системы позволили нам строить горизонтальные скважины длиной более пяти тысяч метров.
Бурение как путешествие в пространстве и времени
Даже высокоточное предварительное сканирование и проведенное геологами моделирование не позволяют составить идеально точную карту земных недр. Чтобы улучшить «видимость» под землей, буровые инструменты оснащены датчиками, которые в режиме реального времени передают буровым мастерам данные о строении пласта в Центр управления бурением (ЦУБ). Он может находиться в тысячах километров от самого месторождения, например в Санкт-Петербурге, и круглые сутки 365 дней в году сопровождать строительство скважин в любом регионе России.
Датчики располагают в 15–30 метрах от долота, поэтому данные приходят с небольшой задержкой. Ее устраняют с помощью нейросети, которая «предсказывает» показания по косвенным данным: уровню вибраций, нагрузке на долото, скорости бурения и вращения ротора. В ходе испытаний искусственный интеллект предсказывал изменение горной породы с точностью около 70%. Чем больше данных — тем выше точность.
Нетрудно представить, сколько людей работает над тем, чтобы технологии бурения обеспечивали эффективность добычи, точность и работоспособность в суровых условиях. Пройдет не так много времени, и эти же люди усовершенствуют системы, создадут инновации, которые дадут нефтяной отрасли еще бо́льшие возможности. Устройство нефтяных скважин постоянно совершенствуется, открывая новые горизонты в добыче и повышении ее эффективности.
