Сырая нефть — природная легко воспламеняющаяся жидкость, которая находится в глубоких осадочных отложениях и хорошо известна благодаря ее использованию в качестве топлива и сырья для химического производства. Химически нефть — это сложная смесь углеводородов с различным числом атомов углерода в молекулах; в их составе могут присутствовать сера, азот, кислород и незначительные количества некоторых металлов. Природные углеводороды чрезвычайно разнообразны. Они охватывают широкий круг минералов от черных битумных асфальтов, таких, какие находятся в асфальтовом озере Пич-Лейк на о. Тринидад и битуминозных песчаниках Атабаски в Канаде, до светлых летучих нефтей (последние обнаружены, например, в районе Кетлмен-Хиллс в Калифорнии), которые могут быть непосредственно использованы как бензин в качестве моторного топлива. Между этими крайними случаями нефти имеют различный цвет и запах и значительно различаются по своим химическим и физическим свойствам. По цвету они могут быть желтыми, зелеными, янтарными, вишнево-красными, красно-коричневыми, темнокоричневыми или черными, некоторые нефти в отраженном свете флуоресцируют в зеленых или пурпурных цветах. Одни имеют приятный эфирный запах, другие — свежий, душистый; запах прочих напоминает скипидарный или камфорный, но многие имеют очень неприятный запах обычно из-за наличия сернистых соединений. По составу некоторые нефти приближаются к почти чистому бензину, другие вовсе не содержат бензиновых фракций. Аналогичным образом масляные фракции в некоторых нефтях составляют значительный процент, тогда как в других они отсутствуют. Встречаются залежи парафинового воска, и для таких твердых битумов как минерала имеется собственное название — горный воск (озокерит). Поиски нефти идут непрерывно во всех частях света. Геологические исследования показали, что нефть обычно находится в пористых осадочных породах (таких, как известняки и глины) невулканического происхождения, хотя обнаружены исключения из этого общего правила: известны промышленные месторождения и в магматических породах (месторождение Белый Тигр во Вьетнаме, где нефть добывается из гранитов) и ряд месторождений Якутии, где газоносны вулканические и вулкано-осадочные породы. Среди осадочных нефте — и газоносных пород ведущее место — порядка 50-60% — занимают песчаники, 40-45% — известняки и доломиты, а залежи в глинах скорее исключение. Важные нефтегазоносные области окружают Мексиканский залив и продолжаются в его подводную часть. Они включают богатые месторождения Техаса и Луизианы, Мексики, о. Тринидад, побережья и внутренних районов Венесуэлы. Крупные нефтегазоносные области располагаются в обрамлении Черного, Каспийского и Красного морей и Персидского залива. Эти районы включают богатые месторождения Саудовской Аравии, Ирана, Ирака, Кувейта, Катара и Объединенных Арабских Эмиратов, а также Баку, Туркмении и западного Казахстана. Нефтяные месторождения о-вов Борнео, Суматра и Ява составляют основные зоны полезных ископаемых Индонезии. Открытие в 1947 нефтяных месторождений в Западной Канаде и в 1951 в Северной Дакоте положило начало новым важным нефтегазоносным провинциям Северной Америки. В 1968 были открыты крупнейшие месторождения у северного побережья Аляски. В начале 1970-х годов крупные нефтяные месторождения были обнаружены в Северном море у берегов Шотландии, Нидерландов и Норвегии. Небольшие нефтяные месторождения имеются на побережьях большинства морей и в отложениях древних озер. Из сырой нефти различными физико-химическими методами производится более 3 тыс. продуктов. Эти продукты включают горючие газы, бензин, лигроин, растворители, керосин, газойль, бытовое топливо, широкий состав смазочных масел, мазут, дорожный битум и асфальт; сюда относятся также парафин, вазелин, медицинские и различные инсектицидные масла. Масла из нефти используются как мази и кремы, а также в производстве взрывчатых веществ, медикаментов, чистящих средств, пластмасс, все возрастающего числа различных химикатов. Многие нефтеперерабатывающие предприятия производят не только индивидуальные углеводороды, но и многие химические производные этих углеводородов.
ПРИРОДНЫЙ ГАЗ
Природный (нефтяной) газ, состоящий из метана и других легких насыщенных углеводородов, — весьма дешевое и удобное топливо. В 1987 в США было добыто почти 566 млрд. м3 и было установлено 5,3 трлн. м3 подтвержденных промышленных извлекаемых запасов, которые были бы исчерпаны к 1998, если бы сохранился уровень добычи 1987. В 1997 в США было более 50 млн. индивидуальных и много тысяч промышленных и торговых потребителей газа. Природный газ называется «сухим», если почти не содержит бензина (менее 1 л на 25 м3 газа). «Жирный» газ может содержать бензина в 10 раз больше. Смесь жидких углеродов может быть получена как путем сжатия и охлаждения газа, так и путем его абсорбции нефтью. Полученные жидкости называются сжиженным нефтяным газом (газоконденсатом) и имеют разнообразное применение. Главные составные части природного газа — метан, этан, пропан и бутан (в порядке уменьшения их содержания). Природный газ не содержит свободного водорода, монооксида углерода, кислорода, олефинов или ацетилена, хотя во многих залежах имеются диоксид углерода (углекислый газ), азот и сероводород. Ряд месторождений природного газа, большинство из которых располагается в США, содержит промышленные концентрации гелия. Природный газ широко распространен в мире, главным образом как попутный нефтяной газ. Ведущими странами-производителями газа являются США, Россия и Канада, но большие перспективы открытия потенциально значительных месторождений дают поисково-разведочные работы в море, особенно у побережья Африки, Азии, Южной Америки, в Северном и Каспийском морях. Главное использование природного газа — в качестве топлива в промышленности и быту. В промышленности он применяется при выплавке металлов и стекла, производстве извести и цемента, приготовлении хлеба и другой пищи и во многих других случаях. Он используется также в производстве бензина, сажи и некоторых важных химических продуктов, таких, как метиловый спирт, формальдегид, синтетический аммиак. В домашнем хозяйстве газ служит горючим в печах, нагревательных приборах, газовых плитах и т. п.
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ДОБЫЧИ И ПОТРЕБЛЕНИЯ НЕФТИ
Нефть и газ известны человечеству уже несколько тыс. лет. Задолго до н. э. выходы нефти и газа были обнаружены в бассейнах Черного и Каспийского морей и использовались для отопления, приготовления пищи, смазки, как цементирующий материал и дорожное покрытие, для заделывания щелей и смоления судов. За несколько столетий до н. э. в Китае производилось ударное бурение с использованием бамбуковых труб. Однако систематическая добыча нефти в мире началась лишь спустя 2000 лет. С 1954 по 1974 мировое производство сырой нефти увеличилось более чем в 4 раза — с примерно 700 млн. т до 2,9 млрд. т. После 1974 мировой экономический спад и сокращение добычи государствами-членами ОПЕК (Организации стран — экспортеров нефти) обусловили колебания добычи, которая достигла максимума в 3,2 млрд. т в 1979 и минимума 2,8 млрд. т в 1983. Крупнейшими производителями нефти в 1987 были СССР, США, Саудовская Аравия и Мексика. Оценка мировых доказанных извлекаемых запасов жидких углеводородов составила в 1990 125 млрд. т. Около 63% этих запасов сосредоточено на Среднем и Ближнем Востоке. Саудовская Аравия, Кувейт, Ирак, Объединенные Арабские Эмираты и Иран являются странами, где находятся крупнейшие доказанные извлекаемые запасы. В течение второй половины 1960-х и начала 1970-х годов потребление нефти возрастало примерно на 8% в год. В связи с мировым экономическим спадом и увеличивающимся использованием более распространенных горючих ископаемых, таких, как уголь, темп возрастания потребления нефти снизился к концу 1970-х годов до НЕФТЬ И ГАЗ6%. Резкое снижение мировых цен на нефть вследствие разработки альтернативных источников энергии к середине 1990-х годов вновь вызвало увеличение потребления нефти до 3 млрд. т; ведущими потребителями нефти являются США, Япония и Западная Европа. Данные о запасах и добыче углеводородов по отдельным странам приведены в табл. 1-4.
(по материалам 15 Мирового нефтяного конгресса, Пекин, 1997)
ГЕОЛОГИЯ НЕФТИ И ГАЗА
Геология нефти и газа — это отрасль геологии, которая может быть определена как «наука поиска залежей нефти и газа», хотя геологи часто работают на разработке таких залежей и после их открытия. Использование последних достижений геологической науки при поисково-разведочных работах на нефть и газ не исключает, тем не менее, элемента случайности. Отношение безуспешных поисково-разведочных скважин к тем, которые дали хоть какие-нибудь притоки нефти или газа, составляет в среднем ок. 9 к 1. Кроме того, по оценкам, только одна из семидесяти скважин, пробуренных для поисков новых месторождений нефти и газа, приводит к коммерчески выгодному открытию. Из-за этого только крупные нефтяные компании содержат геологические службы, а многие мелкие компании нанимают геологов-нефтяников как консультантов. Геологи постепенно пришли к осознанию взаимосвязей между естественным нахождением нефти и газа и структурой пород, и примерно к 1915 нефтяная геология сформировалась как признанная наука. С этого времени начался быстрый рост числа специалистов по нефте — и газоразведке; тысячи геологов во всем мире заняты сегодня поисками нефти и газа. Для того чтобы успешно разведать находящиеся в недрах земли залежи полезных ископаемых, необходимо максимально точно определить условия, благоприятные для образования таких залежей.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
Пока не достигнуто еще полного согласия исследователей в отношении того, как образуется в природе жидкая нефть. Нефтеподобные вещества могут быть синтезированы в лабораториях как из неорганических, так и из органических веществ, но залегание нефти и газа почти исключительно в осадочных породах, которые одновременно содержат остатки древних растений и животных, является важным доказательством того, что исходный материал был органическим по своей природе. В основном предполагается, что остатки растений и животных, которые захоронились в иле, преобразуются в восстановительной среде, которая предохраняет органическое вещество от окисления. С погружением в глубину Земли температура и давление возрастают. Соответствующее время (вероятно, не менее 500 000 лет), умеренные температуры (вероятно, 35-40° С) и давления (вероятно, ок. 10 атм) ведут к преобразованию органического вещества в низкомолекулярные легкие углеводороды, обычно находящиеся в сырой нефти.
МИГРАЦИЯ НЕФТИ И ГАЗА
В процессе седиментации происходит накопление слоистых пород с дисперсным органическим веществом, которые имеют тенденцию к уплотнению. Одновременно формируются благоприятные для залегания нефти и газа пористые породы (известняки и песчаники). Поры между частицами заполняются смесью нефти, газа и воды; эта смесь в процессе уплотнения выжимается и тем самым принуждается к миграции из пор пород. Породы с крупными порами, в которых собирается нефть, называются резервуарными или коллекторами. Залежи образуются обычно в таких местах, где высокопористые пески отлагались вслед за отложением обогащенных органических веществом илов, например, в дельте Миссисипи. Здесь пески находятся в речных руслах и на морских побережьях, а между ними располагаются большие соленые марши (прибрежные болота), где в илах захороняется органический материал. Крупные нефтяные и газовые залежи Луизианы, Техаса, Персидского залива и тюменского Севера приурочены к дельтовым отложениям древних рек. Система рифов — это другой пример общей обстановки, благоприятной для образования как пород-коллекторов, так и нефтематеринских пород. В зарифовой области отлагаются известковые илы, обогащенные органическим веществом. Такие нефтяные месторождения обнаружены в провинции Альберта (Канада), западнее Флориды и в Мексике. Крупные месторождения нефти и газа в рифах открыты в Прикаспийской впадине, в Ливии, Узбекистане и многих других районах.
ВОЗРАСТ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Нефть и газ залегают в породах всех возрастов даже в трещиноватых и выветрелых приповерхностных зонах докембрийского кристаллического фундамента. Наиболее продуктивные породы-коллекторы Северной Америки были сформированы в ордовикском, каменноугольном и третичном периодах. В других частях света добывают нефть в основном из отложений третичного возраста. Месторождения нефти и газа приурочены к структурно-приподнятым участкам, таким, как антиклинали, но в региональном плане большинство месторождений располагается в крупных впадинах, так называемых осадочных бассейнах, куда за геологическое время вносятся большие объемы песков, глин и карбонатных осадков. Многочисленны такие нефтяные месторождения по краям континентов, где реки откладывают приносимый ими материал в морские глубины. Примерами подобных районов являются Северное море в Европе, Мексиканский залив в Америке, Гвинейский залив в Африке и регион Каспийского моря. Здесь бурятся скважины при глубине моря до 1500 м.
ФОРМИРОВАНИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА
Необходимы следующие условия для формирования месторождений нефти и газа в залегающих в глубинах земли отложениях, из которых экономически выгодно извлекать углеводороды: наличие соответствующих пород-коллекторов и относительно непроницаемых покрышек и ловушек, которые предотвращают утечку углеводородов к земной поверхности.
Породы-коллекторы. Для того чтобы стать коллектором, порода должна обладать пористостью и проницаемостью. Те же свойства необходимы для сохранения нефти и газа, а также запасов подземных вод. Пористость — это процент содержания пустот в породе. Кристаллические породы могут иметь менее 1% пустот, тогда как некоторые песчаники — 35-40%, а кавернозные известняки могут обладать даже еще большей пористостью. Наиболее обычный тип пустот — промежутки между зернами крупнозернистых осадочных пород, подобных песчаникам. Размер зерен не влияет на процент пористости, если этот размер одинаков, но при смешении зерен разного размера мелкие зерна частично заполняют пространство между крупными, уменьшая тем самым процент пористости. Итоговая пористость обломочных пород зависит от степени последующей цементации зерен; цемент породы осаждается из циркулирующих вод (таковы многие карбонатные, сульфатные и другие «хемогенные» цементы; весьма распространенные глинистые цементы образуются при одновременном осаждении песчаных зерен и глинистых частиц). Если цементация полная, то пористость не сохраняется. Другой распространенный тип пустот — это каверны растворения в карбонатных породах — известняках и доломитах. Всякий раз, когда такие породы находятся в зоне проникновения или циркуляции подземных вод, они в какой-то степени растворяются, и результатом может быть образование высокопористых пород. Размер каверн выщелачивания изменяется от микроскопических пор до гигантских пещер. Еще одним типом природных пустот являются каверны выветривания, а также трещины и щели. Проницаемость — это свойство пород быть проводником при движении жидкостей или газов. Некоторые глины имеют такую же высокую пористость, как и песчаники, но они непроницаемы, так как размер их пор очень мал. Чем крупнее поры, тем выше проницаемость. Прямой связи между пористостью и проницаемостью, в общем, нет, хотя обычно породы с невысокой пористостью (10-15%) имеют также и низкую проницаемость. Если проницаемость мала, то нефть будет только слабо сочиться из породы и продуктивность окажется ниже экономически эффективной. Поэтому трудно извлекать нефть из глин, хотя обильные признаки нефти в них имеются во многих районах мира. Методы извлечения нефти из глинистых пород разрабатываются. Пласты пород-коллекторов должны иметь определенную мощность и относительно постоянную проницаемость по латерали. Мощность, ниже которой пласт-коллектор не может разрабатываться с необходимой экономической эффективностью, зависит от многих причин, включая стоимость бурения в данном районе, глубину, пористость и объем (запасы) нефти. Хотя обычно породами-коллекторами являются песчаники и карбонатные породы, любые породы, которые обладают необходимыми геологическими или структурными характеристиками, могут содержать нефть в промышленных количествах. Примером являются трещиноватые глины (аргиллиты), конгломераты, зоны выветривания на древних поверхностях гранитов и серпентизированные магматические образования.
Покрышки. Для образования залежей необходимо, чтобы пористые и проницаемые породы-коллекторы перекрывались породами, которые препятствуют последовательной миграции нефти и газа вверх. Обычные экранирующие породы — это относительно непроницаемые глины. Другие породы, которые могут служить покрышками, — это плотно сцементированные песчаники, пласты плотных карбонатных пород, глины плоскостей сбросов и даже тела соляных и изверженных пород.
Ловушки. Большинство пород-коллекторов имеют вид пластов или слоев, которые на сколько-нибудь значительных расстояниях отклоняются от горизонтального положения. Величина наклона изменяется от примерно 4 м/км до 90°. В результате этого капли нефти или пузырьки газа, насыщающие породы-коллекторы, просачиваются вверх через насыщенные водой поры к подошве и затем перемещаются вверх по восстанию пластов вдоль раздела коллектор — покрышка. Если наклон продолжается до поверхности и пласт-коллектор остается на всем протяжении проницаемым, нефть (газ) будет выходить из пласта. Но если наклон вверх не продолжается, а существует перегиб или породы-коллекторы теряют по латерали свою проницаемость, нефть будет улавливаться до того, как она сможет выйти из пласта на поверхность. Образование ловушки вследствие изменения направления наклона пластов пород обычно обусловлено движениями земной породы; такие ловушки относятся к структурному типу. Изменения проницаемости ведут к образованию стратиграфических ловушек. Простейшим типом структурной ловушки является выгнутая вверх складка-антиклиналь (рис. 1,а). Складчатость может быть результатом сокращения земной коры, сброса в глубинах земли, магматической деятельности, внедрения соляных масс; она может быть вызвана уплотнением над выступом погребенного рельефа или растворением пород. Скопление нефти и газа в антиклиналях происходит за счет улавливания движущихся вверх капелек жидкости и пузырьков газа аркой смятых в складку пластов. На флангах складки под нефтью скапливается более тяжелая пластовая вода. Одно из крупнейших нефтяных месторождений мира — Гхавар в Саудовской Аравии — связано именно с антиклиналью.
Рис. 1. ЛОВУШКИ НЕФТИ И ГАЗА, окруженные экраном непроницаемых пород. Эти экраны препятствуют перемещению нефти и газа из слоев пористых осадочных пород, в которых они скопились и образовали залежи. Антиклинальная ловушка (а) обусловлена изгибом слоев вверх; ограниченная разломом тектонически экранированная ловушка (б) сформирована вертикальным перемещением пластов, когда пласт непроницаемых пород располагается напротив пласта проницаемых пород. Соляной купол (в) образуется при внедрении соляного штока в другие пласты. Стратиграфическая ловушка (г) формируется при замещении пористых пород непроницаемой, причем это замещение обусловлено обстановками накопления осадков.
Одним из специфических видов антиклиналей являются соляные купола (рис. 1, в). Они представляют собой штоки или призмы соли, выжатой с больших глубин. Купола имеют в плане округлую или эллиптическую форму диаметром почти 1 км и высотой 6 и более км. Эти купола частично прорывают слои осадочных пород, а залегающие над ними пласты изгибаются в виде антиклинали или купола. Залежи нефти могут формироваться в покрывающей соляной купол антиклинали, в пластах, ограниченных стенкой соляного купола, и в выщелоченных кавернозных породах кровли купола (кэпроки). Тектонически ограниченные ловушки (рис. 1,б), как и антиклинали и соляные купола, являются разновидностью структурных ловушек. Ловушка этого типа образуется за счет того, что при сдвиге (взаимном перемещении пластов) проницаемые пласты вверх по восстанию в зоне разлома экранируются непроницаемым глинистым барьером, который эффективно преграждает движение нефти вверх по восстанию проницаемого насыщенной водой наклонно залегающего пласта. Если пласты-коллекторы латерально замещаются непроницаемыми породами, возникает стратиграфическая ловушка (рис. 1,г). Основная причина изменения пористости и проницаемости пласта в пространстве связана с изменениями условий осадконакопления по площади. Другой причиной изменения коллекторных свойств является растворяющее действие пластовых вод. Так, участками может растворяться карбонатный цемент в песчаниках. Большую роль играет образование каверн в карбонатных породах. Важный вид стратиграфических ловушек образуется при срезании, эрозии серии наклонно залегающих пластов, в том числе пористых и проницаемых, и последующем их перекрытии непроницаемыми породами-покрышками.
ПОИСКИ И РАЗВЕДКА НЕФТИ
Задача обнаружения новых месторождений нефти и газа на практике сводится к поискам возможных ловушек углеводородов. До сих пор нет методик, аппаратуры и механизмов, которые могли бы безошибочно обнаруживать подземные площади, где имеются нефтяные или газовые месторождения. Поэтому геологи и геофизики ищут места, где имеются либо структурные, либо стратиграфические условия, благоприятные для аккумуляции углеводородов; эти участки затем опробуются на наличие нефти и газа бурением скважин. Геологические методы включают исследования на поверхности и в глубинах земли. Поверхностные исследования используют только там, где покров почв и четвертичных отложений достаточно тонкий и имеются многочисленные обнажения коренных пород. Геолог измеряет мощности разрезов обнаженных пород, строит карты геологических формаций, определяет структуру залегания путем наблюдения падений и простираний пластов в тех местах, где рельеф имеет значительную амплитуду. В случае относительно ровного залегания и плоского рельефа используется метод инструментальной съемки с помощью мензулы и алидады. Могут быть использованы аэрофотоснимки. Многие нефтяные месторождения были открыты при разбуривании антиклиналей, обнаруженных в результате поверхностной геологической съемки. В случае перекрытия коренных пород мощным чехлом четвертичных почв, аллювия ледниковых отложений и др. проводится структурное бурение. Вскрывая скважинами реперные пласты, геологи устанавливают структурный план коренных глубоко залегающих пород. При поиске нефти на значительных глубинах широко используются геофизические методы (рис. 2, 3) — гравиметрический, магнитометрический и сейсмический; последний наиболее важен и результативен.
Рис. 2. СЕЙСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАЗВЕДКИ нефти и газа основаны на замере времени между взрывом на поверхности, который создает ударные волны, и приходом отраженных волн; это время зависит от глубины залегания пластов. Пласты твердых пород представлены более крупными пиками на сейсмической записи, чем пласты мягких пород.
Рис. 3. ГРАВИМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАЗВЕДКИ нефти и газа основаны на слабых вариациях силы земного притяжения, обусловленных различными свойствами пород. Сила тяжести меньше над соляным куполом, потому что соль имеет меньшую плотность, чем окружающие породы; силы тяжести больше над антиклиналями и над одной из сторон сброса, потому что плотные породы фундаментов располагаются ближе к поверхности.
Используя эти методы, можно в лабораторных условиях изучать данные геофизических исследований погребенных отложений, скважин, образцов шлама и керна. Эти данные позволяют строить структурные карты глубоко залегающих горизонтов, геологические карты разных типов, карты изопахит (мощностей отложений), профильные разрезы. Собранная и обобщенная информация, полученная разными методами, используется для выявления недоступных ранее структурных и стратиграфических ловушек. Для определения следов углеводородов проводятся геохимические анализы пород и вод. По содержаниям органического вещества и углеводородов могут быть выявлены нефтегазоматеринские отложения.
ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ БУРЕНИЯ
После того как геолог-нефтяник обнаружит район, благоприятный для скопления нефти или газа, на этом месте начинается бурение нефтяных скважин. Так, в США ежегодно бурится более 2 млн. скважин, из которых примерно четверть оказываются продуктивными.
Основные условия бурения. Бурение должно обеспечивать разрушение горных пород тех отложений, через которые проходит скважина, и вынос раздробленных частиц породы на поверхность; при этом необходимо контролировать высокий напор флюидов (воды, нефти и газа), которые могут неожиданно встретиться в проходимых скважиной пластах, а также обеспечивать поддержку стенок скважины, чтобы они не обваливались и не образовывали каверн. Конечно, оборудование должно обеспечивать бурение скважин требуемого диаметра на любой необходимой глубине. Часто скважины бурятся на глубинах более 7500 м. (Сверхглубинная скважина на Кольском полуострове, заложенная с чисто научными целями, к 2000 достигла глубины 12 500 м. Аналогичная по назначению скважина в южной части ФРГ пробурена до глубины ок. 10 000 м. Продуктивная газовая скважина в Австрии имеет глубину 8553 м, в шт. Оклахома в США — 9583 м. Начальный диаметр скважины может достигать 90 см, но обычно в зависимости от условий он составляет от 25 до 70 см. Диаметр скважины обычно уменьшается с глубиной и у забоя иногда составляет 8 см, но чаще находится в пределах 10-20 см.
Классификация методов бурения. Все методы бурения могут быть подразделены на ударное и вращательное бурение. Установка ударного бурения бурит скважину путем возвратно-поступательного движения (падения и подъема) тяжелой колонны труб бурового инструмента; эти удары крошат породу, а раздробленные частицы породы поднимаются и выносятся из скважины в виде водной суспензии. При вращательном (роторном) бурении проходка горных пород осуществляется тяжелой вращающейся буровой колонной; срезанные у дна (забоя) скважины обломки породы непрерывно поднимаются на поверхность рабочей жидкостью, циркулирующей в скважине под давлением (рис. 4).
Рис. 4. УСТАНОВКА РОТОРНОГО БУРЕНИЯ, используемая для бурения на большие глубины.
Под действием веса тяжелой буровой колонны, которая давит на долото, и ее вращения долото разрушает породы и углубляется в них. При этом бурильщик медленно опускает буровую колонну, постепенно отпуская подъемный трос с барабана лебети. При бурении многое зависит от поддержания правильного давления на долото и скорости вращения буровой колонны. Употребляется несколько разных типов буровых долот; одни используются для бурения мягких пород, другие — при проходке более твердых пород. Специальный инструмент предназначается для отбора образцов пород (керна) на забое или из стенок скважины. Скорость проходки при роторном бурении изменяется в широких пределах в зависимости от характера разбуриваемых пород, глубины скважины, качества оборудования и мастерства бурильщика. В плотных известняках или хорошо сцементированных песчаниках скорость проходки не превосходит 30 см/ч, а в мягких отложениях может достигать 24 м/ч. Когда долото снашивается, буровую колонну развинчивают в «свечи» длиной 25-40 м, а после смены изношенного долота свечи вновь соединяют и опускают в скважину. Эффективность глубокого роторного бурения зависит от поддержания подходящей вязкости и плотности бурового раствора. Этот раствор не только поднимает к поверхности частицы разбуренной породы (шлам), но также выполняет роль смазки и охлаждения колонны буровых труб и долота; он же образует глинистую корку на стенках скважины, которая изолирует пористые пласты от проникновения в них бурового раствора. Иногда вместо водного бурового раствора используется раствор на нефтяной основе. Для получения и стабилизации необходимых физических свойств буровых растворов часто используются различные химические реагенты и добавки, такие, как тонкоперетертые порошки тяжелых минералов (обычно барита) и тонкодисперсные коллоидные глины. Важной разновидностью вращательного бурения является бурение с помощью турбобура. При роторном бурении приводной двигатель находится на поверхности земли и с помощью ротора приводит во вращение всю колонну труб с долотом на забое. При турбинном бурении двигатель турбобура с буровым долотом крепится к низу колонны труб. В буровую колонну закачивается буровой раствор, который приводит в движение турбину и тем самым вращает долото. Поднимающийся к поверхности в затрубном пространстве (между стенками скважины и буровой колонной) буровой раствор, как и при роторном бурении, выносит из скважины шлам и играет роль смазки. В разных горно-геологических условиях и при разных глубинах применяются те или иные виды вращательного бурения и их комбинации.
Крепление скважин. Скважины укрепляют обсадными колоннами для предохранения стенок скважин от обрушения и образования каверн, для изоляции водоносных горизонтов и ограничения тех участков скважины, где могут неожиданно встретиться какие-либо проявления нефти и газа. Обсадная колонна образуется из труб большого диаметра, выработанных по определенной технологии. Обсаживание скважины допускает некоторую свободу в выборе диаметра, длины и толщины труб; отдельные трубы соединяются друг с другом посредством муфт с резьбой и устанавливаются в скважине по специальному проекту. При обсадке нефтяной или газоносной скважины обычно используется несколько колонн, которые телескопически вставляются одна в другую и опускаются на различные глубины.
Изоляция водопритока в скважину. Пластовые воды, которые встречаются при бурении скважин, должны быть изолированы. Они обычно изолируются цементацией пространства между стенкой скважины и обсадной колонной.
Инструменты и методы ловильных (аварийных) работ. Для извлечения из скважины разрушенных или поврежденных частей бурового инструмента, обсадных труб и другого скважинного оборудования часто необходимы специальные инструменты. Смятые части обсадных колонн могут быть отремонтированы в скважине с помощью специальной оправки для ремонта обсадных труб. Оторвавшиеся части труб в скважине могут быть захвачены специальной труболовкой, ершом или овершотом (пружинным захватом), специальным колоколом для ловли обсадных труб или ловильными метчиками.
Направленное бурение. Обычно планируется бурение вертикальной и прямолинейной скважины, но при бурении часто происходит отклонение от вертикали или ствол скважины изгибается. Существуют специальные скважинные приборы для определения участков такого отклонения. В некоторых случаях, напротив, ставится цель отклонения от вертикали для того, чтобы достичь объекта на расстоянии, отстоящем в несколько десятков или сотен метров по латерали от расположения устья скважины. Таким образом, забой скважины может уходить от устья на километр или более, например, от берега под дно океана, озера или реки.
Морское бурение. Существует по крайней мере пять способов бурения в пределах водоемов (рис. 5). Созданы суда, специально приспособленные для бурения в научных целях на дне океанов. Такие суда сохраняют свое положение с помощью якорей или специальных гребных винтов.
Рис. 5. РАЗНЫЕ ТИПЫ УСТАНОВОК МОРСКОГО БУРЕНИЯ могут обеспечить добычу нефти из-под воды на разных глубинах.
РАЗВЕДКА МОРСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ нефти и газа в Венесуэле.
Подготовка скважины к эксплуатации. После того как скважина пробурена и прошла нефтяной или газовый пласт, необходимо подготовить ее к работе. Для опробования пласта и определения производительности скважин используется специальное оборудование. Стенки скважины должны быть очищены от глинистого раствора и твердых осколков, которые осели в процессе бурения. Плотные отложения с низкой проницаемостью торпедируются. Взрыв образует вокруг ствола скважины трещины, которые увеличивают приток нефти. С середины 20 в. взрывы в основном заменяются гидроразрывом. При этом вода и нефть, содержащие песок, проталкиваются в породы под большим давлением; породы растрескиваются, и песок входит в трещины, поэтому последние остаются открытыми и после снятия давления. Если необходимо укрепить стенки скважин у продуктивного пласта (например, в случае их рыхлости и возможного осыпания), то устанавливают обсадную колонну, а затем перфорируют ее и оборудуют фильтром для предотвращения поступления песка. Для повышения коэффициента продуктивности на продуктивном участке могут быть созданы заполненные гравием каверны. После установления на устье скважин трубной головки, регулирующей арматуры, газового генератора, емкостей для жидкостей и насосного оборудования скважина готова к эксплуатации (рис. 6).
Рис. 6. СХЕМА УСТАНОВКИ ФОНТАННОЙ АРМАТУРЫ на головке скважины; нефть поступает через отверстия перфорации и поднимается вверх под воздействием пластового давления. 1 — пакер (сальник); 2 — фонтанная арматура; 3 — трубопровод для оттока нефти в хранилище; 4 — поверхностная обсадная колонна (кондуктор); 5 — цемент; 6 — промежуточная (техническая) обсадная колонна; 7 — эксплуатационная обсадная колонна; 8 — насосно-компрессорная колонна; 9 — извлекаемый флюид.
Документация скважины. Дело (буровой журнал) скважины должно содержать данные обо всех операциях во время бурения и всем установленном на ней оборудовании, указания на характер и глубину залегания всех пройденных скважиной стратиграфических горизонтов, на их водо-, газо — и нефтеносность. Образцы пород — керны — отбираются в процессе бурения на различных глубинах из пройденных скважиной отложений и их данные тщательно фиксируются. Керны исследуются на содержание в них различных флюидов, пористости, проницаемости и других необходимых характеристик. Пробы жидкостей и газов, отобранные из различных стратиграфических горизонтов, анализируются, а их физические и химические свойства записываются в журнал. Полученная таким путем в процессе бурения информация используется как руководство при эксплуатации скважины и помогает определить положение будущих скважин.
ДОБЫЧА НЕФТИ И РЕЖИМ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗАЛЕЖИ
В природных условиях до того, как скважина вскроет залежь углеводородов, газ располагается в верхней части залежи, ниже лежит нефть, а она в свою очередь подстилается водой. Газ состоит главным образом из метана с примесями этана, пропана и бутана. Эти газы хорошо растворяются в нефти; часто газовая шапка в залежи отсутствует и весь газ растворен в нефти. Флюиды в залежи обычно находятся под давлением, примерно соответствующим гидростатическому, т. е. равным давлению столба воды высотой от поверхности земли до кровли залежи (10 кПа/м). Таким образом, первоначальное давление в залежи нефти на глубине, например, 1500 м может составлять 15 000 кПа. Когда скважина заканчивается бурением и буровой раствор откачивается из насосно-компрессорной колонны, нефть этим пластовым давлением выдавливается в ствол скважины. По мере того как она поднимается к поверхности, давление падает. При снижении давления до определенного уровня растворенный ранее в нефти газ выделяется, образуя газовые пузыри. (Этот процесс аналогичен тому, как выделяется газ из шампанского, когда открывается пробка.) Вспененная в трубе газо-нефтяная смесь легко выносится на поверхность. После краткого начального периода течение нефти к стволу скважины замедляется, и появляется необходимость устанавливать на забое насос. Наконец, когда большая часть газа выделилась из нефти по всей залежи, давление падает до такой степени, что исчезают силы, вынуждающие нефть двигаться к скважине. При этом в пласте может оставаться от 60 до 75% первоначальных запасов. Описанный процесс разработки называется технологией вытеснения растворенным газом. Во многих залежах, как отмечалось выше, над нефтью имеется свободный газ. Этот газ, или газовая шапка, является важным источником энергии. По мере того как давление в залежи падает, газ заполняет пространство, освободившееся после извлечения нефти (такое режим называется газонапорным или режимом расширения газовой шапки). Когда давление в залежи становится очень низким, часто возможно восстановить добычу путем закачки в пласт воды; этот процесс известен как заводнение. Вода закачивается в скважины, расположенные недалеко от продуктивных скважин, и проталкивает нефть к последним. Большие объемы воды располагаются иногда и в продуктивном пласте под залежью или по ее краям (подошвенные и краевые воды соответственно). В таком случае эти воды будут двигаться в направлении продуктивной скважины, где давление понижено, обеспечивая тем самым естественное вытеснение нефти водой (водонапорный режим). Другой важный режим добычи нефти известен как гравитационный. Такой режим чаще всего возникает в круто падающих пластах с очень высокой проницаемостью при низкой вязкости нефти. Таким образом, возможны четыре режима нефтеотдачи залежи. Режим растворенного газа очень неэффективен, так как в этом случае извлекается лишь около трети первоначальных запасов. Режимы вытеснения водой (водонапорный), расширения газовой шапки и гравитационного дренирования могут обеспечить добычу в две трети и более от первичных запасов. В последнее время появились многочисленные вторичные и третичные методы разработки истощенных месторождений. Кроме описанного выше заводнения, проводится закачка в пласт горячего пара и специальных реагентов для снижения вязкости нефти, термическая обработка и многие другие методы.
ПЛАТФОРМА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ в открытом море.
ТРУБОПРОВОДЫ
Транспортировка сырой нефти, продуктов ее переработки и природного газа обычно осуществляется по трубопроводам. Большинство нефте — и газопроводов строится в тесной связи с разработкой месторождений, переработкой сырья и потреблением углеводородов. Обеспечивая низкую стоимость транспортировки, они становятся важным фактором экономики. Трубопроводы особенно эффективны в случае природного газа, который добывается в больших объемах как вместе с нефтью, так и отдельно из газовых месторождений. Значительные объемы транспортируются специальными танкерами в виде сжиженного газа. Транспортировка сырой нефти осуществляется по сети трубопроводов, которые поставляют нефть от скважин к хранилищам на промысле или к магистральным терминалам. По магистральным трубопроводам нефть перекачивают к нефтеперерабатывающим заводам или терминалам танкеров. Переработка нефти осуществляется либо в районах ее добычи, либо на значительных расстояниях от нее вблизи главных потребителей и рынков сбыта. Линии газопроводов подразделяются на газосборные, магистральные и распределительные. Транспортирующие, или магистральные, трубопроводы поставляют газ местным службам, которые распределяют его для промышленного и коммунального использования, а также для других нужд. Нефтесборные трубопроводы имеют обычно диаметр 5-20 см; диаметр протяженных магистральных нефтепроводов иногда достигает 120 см. Самый длинный трубопровод этого типа в США имеет длину 4650 км и диаметр 110 см; он проложен от Хьюстона (шт. Техас) до Нью-Йорка. Имеется тенденция строительства крупных трубопроводов для сырой нефти и продуктов ее переработки. Параллельные и обводные трубопроводы увеличивают пропускную способность построенных ранее и имеющих меньший диаметр трубопроводов. Газопроводы, как правило, более крупные по сравнению с нефтепроводами. Система магистральных трубопроводов Ямбург — Западная граница СНГ имеет общую протяженность 28,7 тыс. км с диаметром труб 142 см. Некоторые сборные трубопроводы проложены на поверхности земли, но большая их часть, как и всех магистральных линий, являются подземными. Использование цельнотянутых бесшовных, тонкостенных и упроченных труб, введение компьютерного контроля, дистанционное обслуживание с помощью мониторов, улучшение технологии сварки — главные составляющие прогресса в строительстве и эксплуатации трубопроводов. Трубопроводы приходится строить через неровности рельефа, леса, болота, в экстремальных климатических условиях. Нефть и продукты ее переработки перекачиваются насосными станциями, расстояние между которыми определяется рельефом, скоростью транспортировки и другими факторами. Различные виды сырой нефти или, в случае продуктопроводов, продукты ее переработки, обычно транспортируются с минимальным смешением. Компрессорные станции поддерживают давление, необходимое для постоянного движения природного газа. Диаметр трубопровода, число и мощность насосных и компрессорных станций определяют производительность трубопровода.
Нефти и газы месторождений зарубежных стран. М. 1977 Хант Д. Геохимия и геология нефти и газа. М. 1982 Геодекян А. А. Забанбарк А. Геология и размещение нефтегазовых ресурсов в Мировом океане. М. 1985