Бурение скважин 21-го века

Что ожидает бурение в 2000 году или сядет ли буровик в кресло!

До конца текущего столетия осталось менее двадцати лет. Чт« ожидает бурение в течение этого срока? Такой вопрос все чаще и чаще возникает на страницах отечественной и зарубежной печати. Обзор основных работ по этому вопросу позволяет сделать некоторые интересные выводы.

Прежде всего следует заключить, что бурение принадлежит к одному из тех консервативно развивающихся направлений техники, в которых революционные преобразования редки. Но если они случаются, то оставляют после себя глубокий след. Об этом свидетельствует многовековой опыт человечества в области бурения, подтверждающий полезность изучения истории техники. Вот один исторический пример.

Часовой мастер Г. Лешо из Женевы рассматривал как-то античную находку — пластинку красного египетского порфирита. Он заметил на ней множество параллельных бороздок одинаковой глубины, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Учитывая высокую твердость порфирита, Лето полагал, что бороздки могли быть сделаны только высокотвердым инструментом, возможно алмазом. Это натолкнуло часовщика на мысль о конструировании алмазного бура. Стальной полый цилиндр был оснащен на торце черными африканскими алмазами, благо они были в часовой мастерской. Заставить цилиндр вращаться труда не составило. Так в 1862 г. родился алмазный вращательный метод бурения, а имя Г. Лешо навечно вошло в историю бурения. Непрерывное совершенствование существующей техники и технологии в бурении за счет различных усовершенствований коренным образом изменит скорости проходки скважин. И хотя за последние 100 лет принци' пиально новых методов бурения не появилось, скорости бурения в нефтепромысловом деле возросли более чем в 100 раз. Подобные улучшения существующей технологии ждут нас и в будущем.

СВЕРХГЛУБОКОЕ БУРЕНИЕ. Будут увеличиваться глубины скважин, в первую очередь скважин, пробуренных для исследовательских целей. Максимальные глубины скважин на нефть и газ могут быть достаточно точно экстраполированы для известных природных условий. Например, при температурах свыше 100 °С тяжелые углеводороды разлагаются на более легкие компоненты: углекислый газ и сероводород. Поэтому прогноз глубин залегания для газовых залежей не превышает 10 000 м, а для нефти — еще меньше.

По-видимому, эксплуатационные нефтяные и газовые скважины Никогда не будут достигать отметки более 12 тыс. м.

Интересно проследить изменение глубин за последние 200 лет.

Рекорд глубииы бурения 1200 м, достигнутый в Китае еще До нашей эры, в Европе удалось перекрыть только немногим более ^ста лет тому назад. Не случайно самую глубокую скважину 1885 г., пробуренную близ Шлодебаха под Лейпцигом, назвали тогда «глу. бочайшей скважиной, когда-либо существовавшей на Земле».

За истекшее столетие прогресс при освоении глубин бурения был весьма значительным: с 1300 м до глубины 10 500 м. Тольк( в 1938 г. глубина возросла более чем вдвое. На очередные 5 к» (4,5—9,5 тыс. м) понадобилось 36, а исключая годы войны (1939—

1945 гг.) — 30 лет, или каждый год глубина скважин в среднем росла на 167 м. Если такие темпы сохранятся и в будущем, то к 2000-му году человечество сможет достигнуть глубины 15 км (отсчет с 1974 г.). Хочется верить, что с учетом неизбежного прогресса техники эти глубины будут достигнуты раньше.

В настоящее время в СССР бурятся две скважины, конечная цель которых — глубина 15 км. Ни одна страна в мире не ставила таких задач. Еще в 1970 г. советскими и американскими конструкторами были спроектированы буровые установки, рассчитанные на 15-километровую глубину. Уникальные отечественные установки, построенные на Уралмашзаводе, сейчас работают на Кольском полуострове и в Азербайджанской ССР в районе Саатлы. Кольская буровая скважина, начатая в 1970 г., достигла глубины 10 500 м исейчас является самой глубокой скважиной в мире. Это выдающееся достижение советской науки и техники, сравнимое с космическими успехами страны.

Ранее уже упоминался десятый Всемирный нефтяной конгресс 1979 г. Там обсуждались вопросы сверхглубокого бурения. Интересное высказывание удалось услышать из уст одного специалиста из США. Эта страна с начала нашего века обладала абсолютными рекордами глубины скважин и никому их не уступала. Неудивительно, что везде и всюду американские инженеры и политики до сих пор говорили о своей технике бурения скважин только в превосходных степенях. И вдруг, подобно тому как это случилось с первым в мире спутником Земли в 1957 г., первенство пришлось уступить стране, технологические возможности которой много лет оценивались с плохо скрываемым пренебрежением.

Усилия на проектирование, изготовление и монтаж необычной буровой установки можно сравнить с созданием мощных исследовательских лабораторий или крупного завода с самым совершенным оборудованием. Так, стальная ферма вышки почти 70-метровой высоты способна нести груз около 500 т. Недаром Кольскую сверхглубокую скважину по обилию и ценности научного материала сравнивают с результатами полетов первых космических аппаратов.

Возможно, как и в космосе, для достижения глубин более 15—20 км понадобится совсем другая, чем теперь, техника. Нельзя ж« было всерьез говорить раньше об освоении космоса с помощью старой техники из воздушных шаров, дирижаблей или даже реактивных самолетов.

Действительно, на таких глубинах бурильная колонна будет работать на пределе своих возможностей, температуры достигнут несколько сот градусов по Цельсию. Только нагрев промывочной жидкости потребует применения специальных устройств для ее охлаждения, чего раньше в составе бурового оборудования никогда не было.

Каковы же перспективы? Рассмотрим основные направления развития техники и технологии бурения, а также пути основных научных исследований. В общих чертах они сводятся к следующему:

механизация и автоматизация трудоемких работ на буровой, в первую очередь сиуско-подъемных операций; освобождение бурильщика от значительной физической нагрузки в такой степени, чтобы он больше занимался поддержанием оптимальных режимов бурения и становился оператором н наиболее полном понимании этого слова;

создание надежного телеметрического канала селзи с забоем скважины для оперативною контроля всего забойного процесса независимо от способа бурения (параметры режимов бурения, пространственное расположение скважины, автоматическое предупреждение осложнений и т. д.). Насколько важное место занимают эти вопросы в зарубежных исследованиях, видно из того, что только в США разработкой каналов связи занято несколько десятков компаний. Интенсивные работы по разработке надежных каналов связи с забоем скважины в немалой мере были вызваны аварией на сверхглубокой скважине в бассейне Анадарко в штате Оклахома. На глубине 9440 м неожиданно была встречена жидкая сера, заполнившая ствол. Застывший столб серы поднялся на высоту 4,5 км и заклинил бурильные трубы. Если бы с забоя аварийная ситуация была передана вовремя, тяжелейшую аварию удалось бы избежать;

расширение использования ЭВМ, начиная с выполнения стандартных текучих расчетов (малые ЭВМ) до вмешательства ЭВМ в процесс бурения, в управление и оптимизацию, в обобщение предыдущего опыта для сокращения сроков строительства скважин (большие ЭВМ, работающие в диспетчерском пункте);

усовершенствование долот. За последние годы во всем мире появилось множество предложений по улучшению конструкций механической и гидравлической частей долот. Каждое из них, будучи надежно отработанным в производственных условиях, уже сейчас могло бы дать значительный технологический выигрыш. Речь может идти об усовершенствованных алмазных долотах с гидромониторной промывкой, эрозионных бурах, герметизированных опорах и т. п. В качестве одного из примеров можно указать предложение автора по использованию реактивной силы струи гидромониторного долота для увеличения крутящего момента на долоте. Для этого оказалось достаточным развернуть сопла долота под некоторым углом в сторону, противоположную направлению вращения долота. Расчеты показывают, что такой простейший прием способен дать добавку к величине крутящего момента турбобура на 5—10 %•

ДРУГИЕ ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ. Специалисты по бурению в США считают перспективными: разработки в области тихоходных забойных двигателей; эрозионного и кавитационного бурения; бурение с гибким шланго-кабелем; разработку долот повышенной долговечности, режущая поверхность которых подвижна за счет элементов цепной передачи, заменяющей изношенную часть цепи на свежую. Внешняя рабочая поверхность звеньев цепи армирована алмазами. Звенья сменяются гидравлическим способом с помощью исполнительного механизма. Он состоит из пружины, плунжера, кулачково-стопорного устройства и срабатывает при резком понижении давления в циркуляционной системе скважины. Эти долота считаются выгодными для глубокого бурения, і

Ранее уже говорилось о бурении с гибким Шланго-кабелеМ. Существует, однако, еще один весьма оригинальный способ бурения С помощью непрерывной по длине бурильной колонны, предложенной советскими специалистами.

Чтобы рассказ о нем стал более доступным, вспомним об одном полезном инструменте. Возможно, читатель не раз держал его в руках. Речь идет о гибком полотняном сантиметре, который использует в своей работе портной. Если такой сантиметр плотно скрутить в спиральную катушку, а затем попытаться вытянуть в сторону внутренний центральный виток, то. может получиться довольно жесткая и длинная телескопическая трубка, свитая из витков катушки и постепенно расширяющаяся к вашей руке. В конце 20-х годов радиолюбители подобным образом конструировали изящные рупоры для громкоговорителей.

На таком же принципе и работает буровая установка (рис. 59). Она состоит из объемистого бункера, заполненного прочной, но очень гибкой стальной лентой особого профиля. В нижней части бункера имеется формирующее устройство, которое из двух лент непрерывно калибрует трубчатую двухслойную конструкцию. Внутренняя и внешняя трубы свиваются в противоположные направления, взаимно обжимают друг друга, обеспечивая прочность и герметич- ность колонны.

Длина колонны зависит от емкости контейнера. При подъеме труб из скважины ленты снова проходят через калибрующую головку, попадают в бункер и под влиянием собственной упругости снова раскручиваются в отдельные ленты. '

Промывочная жидкость от насоса попадает в буикер через трубу в верхней крышке.

Внутри лент имеются электропроводные жилы, подающие энергию электробуру на забое скважины. Работают и с гидравлическим забойным двигателем винтового или турбинного типа. Ленточные трубы можно использовать для крепления ствола скважины, если контейнер заполнен клеящим веществом или цементным раствором.

Новый способ полностью исключает буровую вышку и связанные с ней монтажные работы, улучшает отдельные технологические условия бурения, например снижение гидравлических сопротивлений и вибраций, и др.

Среди перспективных конструкторских новинок за рубежом называют забойные превенторы второго и третьего поколения. Они автоматически перекрывают ствол скважины вблизи забоя, исключая выброс нефти, воды или газа в самый начальный и опасный период надвигающейся беды.

Перечисленные материалы могут дать достаточно наглядное представление о буровой установке будущего. Она будет максимально насыщена контрольно-измерительной аппаратурой, включающей, кроме традиционных приборов, датчики уровня, температуры и плотности раствора в емкостях'с автоматическим восстановлением необходимых или заданных значений качества раствора; систему предупреждения выброса, и другими приборами. Надежные и многочисленные приборы и датчики — необходимый шаг к компьютеризации бурения.

А как же быть с вопросом, прозвучавшим в заголовке главы? Надо полагать, традиционно застывшая фигура современного бурильщика у рукоятки тормоза бурильной лебедки и полная механизация процессов бурения в сочетании с работой ЭВМ к концу нашего века будут несовместимы. Буровик будет управлять буровой установкой с пульта. Никто не помешает ему сесть в кресло.