История развития бурения скважин

Введение

 

 С конца XIX и особенно с начала XX века освоение, развитие и даже зарождение многих видов новой техники и технологии были в значительной мере основаны на использовании нефти и продуктов ее переработки. Со второй половины XX века к этому существенно добавилось употребление природного газа.

Появление бурения в России связано с началом промышленного освоения нефтяных месторождений Баку и Грозного.

Бурение является наиболее эффективным способом добычи нефти и газа. При бурении добыча углеводородов максимальна за счет высокой производительности, а также благодаря доступу к месторождениям с большим запасом. Непрерывность подачи продукта позволяет обеспечить четкую работу производств, получающих топливо (или сырье) по трубопроводам. Важной особенностью бурения является возможность добычи в самых сложных условиях. Благодаря этому возможно освоение многих газовых и нефтяных месторождений. Сегодня важной задачей является обеспечение безопасности и надежности буровых установок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.История скважин

 

Первые скважины в истории человечества начали бурить ударно-канатным способом за 2000 лет до нашей эры для добычи рассолов в Китае. В работах Конфуция, жившего в пятых-шестых веках до нашей эры, содержатся упоминания о древних буровых установках. В них описывается бурение ударным способом скважин глубиной до 100 м и более для добычи солевых растворов. Также на барельефах гробницы Хан (династия Хань), найденной в провинции Сычуань, изображены подробные сцены самого процесса глубинного бурения (Рисунок 1).                      

Практически все механизмы, в том числе  и буровой снаряд, древние китайцы  изготавливали из бамбука, а при  сборке применялись только веревки  и бамбуковые клинышки. Глубинные  скважины бурились годами, секреты  же технологий бурения тщательно  охранялись.

Рисунок 1 – Ударно-канатный способ бурения

За 200 лет до нашей эры глубина бурения достигла отметки в 1067 метров. Иногда  при бурении китайцы натыкались на месторождения нефти и газа (Рисунок 2). Так во втором веке до нашей эры в Сычуане из скважин глубиной около 240 метров добывали газ, который использовался для выпаривания соли.

Рисунок 2 – Вышка по добыче природного газа

До настоящего времени существует и широко применяется  на практике способ ударно-канатного  бурения, схема реализации которого точно соответствует схеме технологии бурения древних китайцев.

Бурение первых скважин в России относится к  девятому веку  и связано с  добычей растворов поваренной соли (Старая Русса). Затем соляные промыслы развиваются в Балахне (XII век), в Соликамске (XVI век). На русских соляных промыслах издавна применялось ударное штанговое бурение. Во избежание ржавления буровые штанги делали деревянными; стенки скважин часто обваливались, поэтому для их крепления использовались или полые стволы деревьев или трубы, сплетенные из ивовой коры.

1.1 Первые учебники по созданию скважин

В семнадцатом  веке в рукописном труде «Роспись, как зачать делать новую трубу на новом месте» (первый рукописный русский учебник по технологии бурения скважин для разведки и добычи каменной соли) подробно описаны методы этого периода. В нем подробно описаны буровой инструмент, его установка и приемы бурения; приведены рекомендации по методике взятия проб грунта и рассолов, сведения о способах ликвидации аварий, ведении записей при бурении, об изготовлении буров и других частей бурового инструмента. О высоком уровне технологической культуры бурения скважин в России свидетельствует тот факт, что в Росписи содержится 128 специальных буровых терминов русского происхождения и не содержится ни одного иностранного термина. В дополнительной тетради, приложенной к Росписи, приводилось описания наиболее удачно пробуренных скважин и отмечалось, в частности, что одна из скважин («труб», как они именуются в руководстве) достигла глубины 88 саженей.

В 1843 году Алексей Иванович Узатис, преподаватель петербургского институт корпуса горных инженеров, опубликовал “Курс горного искусства”( Рисунок 3), первое российское печатное руководство по бурению скважин, научно обобщающее проблемы горной техники. В книге особое внимание было уделено вопросам горной механики, бурения, взрывным работам, системам разработок, креплению горных выработок. В ней было дано аналитическое обоснование ряда процессов, сопутствующих добыванию полезных ископаемых (водоотлив, подъем, доставка). Узатис сделал попытку применить в горном деле, в частности при расчете рудничной крепи, известные в то время положения строительной механики. За эту работу в апреле 1844 года Академия наук присудила ему Демидовскую премию.

Рисунок 3 – Курс горного искусства А.И.Узатиса

В 1885 году в Горном журнале инженер А.Васильев опубликовал первую в России диссертацию по нефтяному делу: “Добыча нефти на Апшеронском полуострове и современное состояние там бурового дела”.

1.2 Первые прорывы

Технические усовершенствования бурения в XIX веке открываются предложением немецкого инженера Эйгаузена (1834) применять так называемые ножницы (сдвигавшаяся пара звеньев при штанговом бурении). Идея сбрасывать соединённое со штангами долото привела к изобретению во Франции Киндом (1844) и Фабианом (1849) свободно падающего бурового инструмента ("фрейфала"). Этот способ получил название "немецкий".

В 1846 году французский инженер Фовель изобрел способ промывки скважин водяной струей. Он начал употреблять полые штанги и нагнетать в них воду, которую затем выкачивали между стенок бура и скважины вместе с обломками размельченной породы. Это изобретение очень значимо в истории буровой техники. При таком устройстве бурения не могло быть скопления грязи на дне скважин, и не было надобности в постоянном подъеме инструмента. Этим изобретением Фовеля трудности бурения были уменьшены на 9/10, и оно сразу начало бурно развиваться. Стоимость буровых работ уменьшилась в 10 раз.

В 1859 году Геннадий Данилович Романовский осуществил бурение машинным способом первой в России скважины вблизи села Ерино возле Подольска (Московская губерния). Здесь для проходки твердых пород ударно-штанговым способом он впервые применил паровой двигатель. Достаточно быстро его пример нашел широкое распространение в России, и Романовского по праву стали считать основателем отечественной школы механического бурения.

 

 

 

2. Начало промышленной добычи углеводородов с помощью скважин

 

Первые упоминания о применении бурения для поисков нефти относятся к тридцатым годам XIX века. На Тамани, прежде чем рыть нефтяные колодцы, производили предварительную разведку буравом.

Исследованиями  последних лет установлено, что  первая скважина на нефть была пробурена  ручным вращательным способом на Апшеронском  полуострове  (Россия)  в 1847 году по инициативе В.Н. Семенова, член Совета Главного Управления Закавказского края, которому эту идею подсказал  управляющий бакинских и ширванских нефтяных и соляных промыслов горный инженер Н.И. Воскобойников. Глубина скважины составила 21 метров. Первая нефть была получена ударным способом с применением деревянных штанг 14 июля 1848 года.

В США  первая скважина на нефть (22м) была пробурена в районе г. Тайтесвилл, штат Пенсильвания Эдвином Дрейком в 1959 году

В 1864 началась скважинная промышленная добыча нефти  на Кубани, в селе Киевском, в долине реки Кудако под руководством полковника А.Н. Новосильцева, там скважина на нефть (глубиной 55 м) была создана с применением механического ударно-канатного бурения. В 1866 году одна из пробуренных скважин дала нефтяной фонтан с начальным дебитом более 190 тонн в сутки.

 

 

 

 

 

 

 

 

3. История развития способов добычи нефти

 

В конце 80-х годов XIX века в США впервые было применено вращательное бурение (более эффективное по сравнению с ударным) с промывкой забоя глинистым раствором.

В России роторным способом первая скважина была пробурена  в 1902 г. на глубину 345 м в Грозненском  районе.

Однако у  роторного бурения был крупный недостаток: приходилось вращать долото вместе со всей колонной бурильных труб непосредственно с поверхности, а при большой глубине скважин вес этой колонны весьма велик. В целях снижения расхода энергии и материалов инженеры взялись за разработку инструмента, в котором вращение происходило бы только на забое, при неподвижной буровой колонне. Было предложено несколько типов забойных двигателей — гидравлические, электрические и пневматические. Наибольший интерес вызвал гидравлический привод. Суть его в том, что промывочная жидкость, закачиваемая в скважину, одновременно вращает турбину забойного двигателя. Первые конструкции машин, действовавших по этому принципу, были разработаны независимо друг от друга двумя инженерами — немцем Гроссом и русским К.Г. Симченко в конце XIX века. Поначалу они не нашли широкого применения, хотя в них и был использован ряд интересных технических решений.

В начале двадцатого столетия польский инженер Вольский после длительных исследований сконструировал быстроударный забойный гидравлический  двигатель (получивший название «таран Вольского»), который устанавливался над ударным механизмом и приводился в движение силой промывочной жидкости. Таран Вольского разрушал породу на забое скважины, нанося гидравлический удар по долоту. Вольский предназначал свой аппарат также для глубокого бурения шахт большого диаметра. Аппарат Вольского состоял из нескольких самостоятельных таранов, соединенных между собою в единую систему. Таран  Вольского, весящий 127 т, оказался громоздким и непрактичным. Кроме того, он требовал огромного расхода электроэнергии. При глубине забоя в 500 м на поднятие и спуск аппарата требовалось не менее 6 часов. В течение суток аппарат ремонтировался 8 часов.

Таран Вольского, предназначенный для  ударного бурения, не получил ни признания, ни тем более практического применения.

Только в 1923 году выпускник Томского технологического института М.А. Капелюшников (в соавторстве  с С.М. Волохом и Н.А. Корнеевым) изобрел гидравлический забойный двигатель – турбобур, представлявший  собой гидравлический двигатель, выполненный на базе одноступенчатой осевой турбины, вал которой через промежуточный многоярусный планетарный редуктор приводил во вращение долото. Он определил во многом путь развития  технологии и техники  бурения нефтяных и газовых скважин. В 1924 году в Сураханах (Баку, Азербайджан) была пробурена первая в мире скважина с помощью разработанного турбобура, получившего название турбобура Капелюшникова. Однако из-за низкой стойкости одноступенчатой турбины и зубчатого редуктора турбобур Капелюшникова уступал по технико-экономическим показателям бурно развивающемуся в то время роторному способу бурения. В 1935-39 годах П.П. Шумилов, Р.А.Иоаннесян, Э.И.Тагиев и М.Т.Гусман разработали и запатентовали более совершенный безредукторный турбобур, оснащенный многоступенчатыми турбинами, благодаря чему турбинный способ бурения стал основным в СССР. 

Особое место  занимает турбобур в истории развития бурения наклонных скважин. Впервые  наклонная скважина была пробурена  турбинным способом в 1941 г. в Азербайджане. Успешная проходка скважины в Бухте Ильича (Баку) по предложению Р. А. Иоаннесяна, П. П. Шумилова, Э. И. Тагиева, М. Т. Гусмана турбинным наклонно-направленным бурением положила начало внедрению наклонного турбобурения, ставшего основным методом направленного бурения. Совершенствование такого бурения позволило ускорить разработку месторождений, расположенных под дном моря или под сильно пересеченной местностью (болота Западной Сибири). В этих случаях бурят несколько наклонных скважин (до 20 скважин с одного основания) с одной небольшой площадки, на строительство которой  требуется значительно меньше затрат, чем на сооружение площадок под каждую буровую при бурении вертикальных скважин. Такой способ сооружения скважин получил наименование кустового бурения.

Другой тип  забойного двигателя, электробур, был запатентован в России в 1899 году и представлял собой электродвигатель, соединенный с долотом и подвешенный на канате. В 1936 году в СССР Квитнером и Н. В. Александровым разработана конструкция электробура с редуктором, а современная конструкция электробура, долото которого приводится во вращение погружным электродвигателем, была разработана в 1938 году советскими инженерами А.П. Островским и Н.В. Александровым. Уже в 1940 году в Баку электробуром была пробурена первая скважина. В конце 60-х годов в СССР значительно усовершенствована конструкция электробура (повышена надёжность, улучшен токопровод).

Одной из труднейших проблем, возникших при бурении  скважин, была проблема герметизации затрубного пространства между обсадными трубами  и стенками скважины. Решил эту  проблему русский инженер А.А. Богушевский, разработавший и запатентовавший  в 1906 году способ закачки цементного раствора в обсадную колонну с  последующим вытеснением его  через низ (башмак) обсадной колонны  в затрубное пространство. Этот способ цементирования быстро распространился  в отечественной и зарубежной практике бурения.

В 1924 году появляются автоматы подачи долота системы Хилда, а в 1926 г. был предложен электрический автомат подачи инженера М. М. Скворцова. Все более совершенствуется техника буровых работ.

 

3.1 Способы подъема углеводородов

Наряду с  совершенствованием бурения скважин  развивались и способы подъема  нефти. Вначале наряду с открытыми фонтанами и сбором нефти в земляных амбарах добыча нефти из скважин осуществлялась также с помощью цилиндрических вёдер с клапаном в днище или желонок (узкий металлический сосуд длиной до 6 м). Желонка спускалась в скважину, наполнялась нефтью и вручную или с помощью конной тяги поднималась на поверхность. Такая техника подъема нефти имела ряд существенных недостатков. Прежде всего, этот процесс добычи нефти не был герметизирован, поэтому наиболее ценные легкие фракции, содержащиеся в нефти, улетучивались в атмосферу. При таком способе добычи требовалось большое количество рабочих.

  В 1865 г. бакинский инженер Иваницкий предложил применять глубинный поршневой насос, который приводился в движение вручную, конной тягой или паровой машиной. Он создал глубинный насос для выкачивания нефти. Принцип его действия был известен на Кавказе. Но только в 1874 году насос применили на нефтепромысле в Грузии, а в 1876 году— на промысле Вермишева в Баку. Однако и после этого он не получил широкого распространения в России. Владельцы промыслов, не желая тратить средства, время и силы на техническое оснащение работ, получали прибыли, жестоко эксплуатируя рабочих. Выступая против насосов в Баку, они ссылались на то, что насосы «стоят очень дорого, а починка их затруднительна вследствие отсутствия механических приспособлений». В 1913 г. на долю тартального способа (желонки) приходилось 95% всей добытой в России нефти - такова печальная статистика, отражающая положение вещей в нефтедобывающей промышленности того времени.