Скважины в нефтяной промышленности: устройство, виды и жизненный цикл

Нефтяное месторождение может быть подробно изучено сейсмическими методами, описано геологами и представлено в виде сложной цифровой модели. Реальное подтверждение запасов и доступ к залежи появляются лишь после бурения. Именно скважина связывает поверхность с пластом, расположенным на глубине в сотни или тысячи метров.

Внешне наземная добывающая скважина часто выглядит скромно: устьевое оборудование, трубопроводы, иногда станок-качалка. Основная инженерная система скрыта под землей. Там находятся обсадные колонны, цементные барьеры, насосно-компрессорные трубы, клапаны, пакеры и другие элементы, работающие под давлением, при высокой температуре и в контакте с нефтью, газом, пластовой водой и горными породами.

Скважину нельзя рассматривать как простое отверстие в земле. Это капитальное инженерное сооружение со своей конструкцией, траекторией, системой безопасности и жизненным циклом. От качества проектирования и строительства зависят объём добычи, устойчивость работы месторождения, затраты на ремонт и экологические риски.

Что представляет собой нефтяная скважина

Нефтяная скважина – это горная выработка преимущественно круглого сечения, создаваемая бурением без непосредственного доступа человека внутрь ствола. Она соединяет поверхность с продуктивным пластом и позволяет исследовать залежь, извлекать углеводороды, закачивать рабочие агенты или контролировать состояние месторождения.

Скважина имеет заданные координаты, глубину и пространственную траекторию. При её проектировании учитывают положение продуктивных интервалов, свойства пород, ожидаемые пластовые давления, возможные осложнения и задачи разработки. План бурения определяет размеры долот, характеристики бурового раствора, интервалы спуска обсадных колонн и конечное положение забоя.

Устье, ствол и забой

Устье – верхняя часть скважины, расположенная на поверхности земли, морской платформе или подводном добычном комплексе. На устье устанавливают оборудование, которое герметизирует скважину и позволяет управлять потоком.

Ствол – пространство, образованное буровым инструментом внутри горных пород. Он может быть вертикальным, наклонным, горизонтальным или разветвлённым.

Забой – нижняя точка пробуренного ствола. В горизонтальной скважине забой может находиться на значительном удалении от вертикальной проекции устья.

Следует различать измеренную и вертикальную глубину. Измеренная глубина определяется по длине траектории ствола. Вертикальная глубина показывает расстояние по вертикали от принятой точки отсчета до рассматриваемого интервала. В искривленных скважинах эти значения заметно различаются.

Пласт, коллектор и продуктивный интервал

Нефть обычно находится не в подземной полости, похожей на резервуар. Она заполняет поровое пространство или трещины в горной породе.

Коллектор – порода, способная вмещать флюиды и пропускать их под действием перепада давления. К ключевым характеристикам коллектора относятся пористость и проницаемость.

Продуктивный пласт – геологический слой, содержащий подвижные углеводороды в количестве, представляющем промышленный интерес.

Пластовый флюид – смесь нефти, газа и воды, находящаяся в залежи. Ее состав и свойства могут меняться по площади месторождения и в процессе разработки.

Скважина создает управляемый путь движения флюида. Когда давление в призабойной зоне становится ниже пластового, нефть поступает из коллектора в ствол. Интенсивность притока зависит от проницаемости породы, толщины работающего интервала, вязкости нефти, состояния призабойной зоны и величины депрессии на пласт.

Для чего бурят нефтяные скважины

Назначение скважины определяется стадией освоения территории. На раннем этапе важно подтвердить наличие залежи и изучить ее строение. После открытия месторождения на первый план выходят оценка запасов, проектирование системы разработки и организация устойчивой добычи.

Скважины для геологического изучения

Опорные скважины бурят для исследования геологического строения крупных и недостаточно изученных территорий. Их задача связана с получением фундаментальной информации о последовательности пород, возрасте отложений и перспективах нефтегазоносности.

Параметрические скважины позволяют уточнить геологические и геофизические характеристики разреза. Полученные данные применяют при интерпретации сейсмических материалов и выборе направлений дальнейших поисков.

Поисковые скважины предназначены для обнаружения залежей нефти и газа на подготовленных структурах. Положительный результат подтверждает наличие углеводородов, после чего требуется определить размеры и промышленную значимость открытия.

Разведочные скважины уточняют границы залежи, глубину залегания пластов, свойства коллектора, положение водонефтяного и газонефтяного контактов. Информация используется для подсчёта запасов и подготовки проекта разработки.

Скважины для разработки месторождения

После перехода к промышленному освоению формируется эксплуатационная сетка. В нее входят добывающие, нагнетательные и контрольные скважины.

Нагнетательная скважина не является второстепенным объектом. От расположения и режима закачки зависит, насколько равномерно вытесняется нефть. Избыточная или плохо распределенная закачка способна привести к преждевременному прорыву воды в добывающие скважины. Недостаточное воздействие ускоряет снижение пластового давления и сокращает добычу.

Наблюдательные скважины дают информацию, которую невозможно получить только по объему продукции на поверхности. Они помогают понять, как фактически работает залежь и насколько реальное движение флюидов соответствует расчётной модели.

Какие профили скважин применяют

Траекторию выбирают с учетом геологической цели, расположения наземных объектов, свойств пласта и экономики проекта. Самый короткий путь до залежи не всегда оказывается самым эффективным.

Вертикальные скважины

Вертикальная скважина имеет сравнительно небольшое отклонение от ертикали. Такой профиль проще проектировать, бурить и ремонтировать. Он подходит для мощных пластов с хорошими фильтрационными свойствами, когда ограниченная площадь контакта с коллектором обеспечивает необходимый приток.

Вертикальные стволы также применяют при разведке. Они удобны для изучения последовательности пород, отбора керна и сопоставления геологических границ.

Слабая сторона вертикальной схемы проявляется в тонких или низкопроницаемых пластах. Скважина пересекает небольшой участок коллектора, поэтому площадь фильтрации остаётся ограниченной.

Наклонно-направленные скважины

Наклонно-направленное бурение позволяет вывести забой в точку, расположенную в стороне от устья. Такой подход используют при кустовом строительстве, работе с морских платформ, бурении под населёнными пунктами, водоемами, охраняемыми зонами и сложным рельефом.

На одной кустовой площадке можно разместить несколько устьев и развести подземные траектории к разным участкам залежи. Это сокращает количество наземных площадок, дорог и коммуникаций. Одновременно усложняются управление траекторией, спуск оборудования и проведение ремонтных операций.

Горизонтальные и многоствольные скважины

В горизонтальной скважине продуктивный участок ствола проходит вдоль пласта. Площадь контакта с коллектором увеличивается, что особенно ценно при небольшой мощности залежи, низкой проницаемости или выраженной трещиноватости.

Горизонтальная часть не обязана располагаться строго горизонтально. Ее ориентируют в пределах целевого интервала с учетом наклона пласта и распределения наиболее продуктивных зон.

В плотных коллекторах горизонтальное бурение может сочетаться с многостадийным гидравлическим разрывом пласта. Такая комбинация создает систему проводящих трещин и подключает к работе объём породы, который при обычном заканчивании отдавал бы нефть слишком медленно.

Многоствольная скважина имеет несколько ответвлений, отходящих от основного ствола. Она позволяет охватить разные участки или пропластки из одного устья. Технология повышает потенциальный охват залежи, вместе с тем предъявляет серьёзные требования к креплению ответвлений, управлению потоками и ремонтопригодности.

Из чего состоит нефтяная скважина

Конструкция скважины формируется последовательно. По мере углубления отдельные интервалы перекрывают стальными трубами и закрепляют цементом. В результате создаётся система механических и гидравлических барьеров.

Обсадные колонны

Обсадная колонна представляет собой соединенную резьбовыми элементами систему стальных труб. Каждая колонна решает собственную задачу.

Направление укрепляет верхнюю часть ствола и помогает организовать циркуляцию бурового раствора в начале работ.

Кондуктор перекрывает неустойчивые поверхностные породы и защищает пресноводные горизонты. На него может передаваться часть нагрузки от устьевого оборудования.

Промежуточные колонны изолируют интервалы с несовместимыми давлениями, неустойчивыми породами, поглощениями или проявлениями. В сложной скважине таких колонн бывает несколько.

Эксплуатационная колонна отделяет продуктивный объект от вышележащих пород и служит основой для последующего заканчивания.

Вместо полной колонны на отдельных интервалах может использоваться хвостовик – обсадная секция, верхняя часть которой не доходит до поверхности и подвешивается внутри предыдущей колонны.

По мере углубления диаметр ствола ступенчато уменьшается. Поэтому конструкция напоминает телескоп: широкие верхние интервалы переходят в более узкие нижние.

Цементное кольцо

После спуска обсадной колонны цементный раствор закачивают внутрь труб и вытесняют в кольцевое пространство между колонной и стенкой ствола. После твердения образуется цементный камень.

Цементирование выполняет несколько функций:

• изолирует пласты друг от друга;
• препятствует движению газа, нефти и воды по затрубному пространству;
• поддерживает обсадную колонну;
• снижает воздействие агрессивных пластовых флюидов на металл;
• формирует часть системы скважинных барьеров.

Качество цементирования имеет долгосрочное значение. Каналы, пустоты или слабый контакт цемента с трубой могут стать причиной межпластовых перетоков, роста давления в межколонном пространстве и поступления нежелательной воды или газа.

После работ проводят испытания колонны и оценивают состояние цементного кольца. Для этого применяют опрессовку, акустические и другие геофизические методы.

Насосно-компрессорные трубы и подземное оборудование

Добываемая жидкость обычно поднимается не по эксплуатационной колонне, а по насосно-компрессорным трубам, сокращенно НКТ. Их диаметр меньше диаметра обсадной колонны, поэтому оборудование можно извлекать и заменять без разрушения основной конструкции.

В состав подземного оборудования могут входить:

• пакер, герметизирующий пространство между НКТ и обсадной колонной;
• глубинный насос;
• газлифтные клапаны;
• циркуляционные устройства;
• датчики температуры и давления;
• устройства управления отдельными интервалами;
• противопесочные фильтры.

На устье устанавливают колонную головку, трубную головку, фонтанную арматуру, задвижки, штуцеры и средства контроля. Конкретная комплектация зависит от давления, способа эксплуатации и принятой схемы безопасности.

Как строят нефтяную скважину

Строительство включает больше операций, чем непосредственное разрушение породы долотом. Работы начинаются с инженерной подготовки и завершаются испытанием, освоением и передачей скважины в эксплуатацию.

Проектирование и подготовка площадки

До начала бурения определяют геологическую цель, проектную глубину, профиль, конструкцию колонн и требования к буровому раствору. Специалисты оценивают ожидаемые пластовые давления и давление разрушения пород. Между этими границами должно сохраняться безопасное рабочее окно.

На суше подготавливают площадку, подъездные пути, систему энергоснабжения и места обращения с технологическими жидкостями. При кустовом бурении заранее учитывают расположение будущих устьев и направление стволов.

В морских условиях добавляются требования к платформе, подводному устью, райзеру, погодным ограничениям и аварийному реагированию.

Бурение интервалов

Породу разрушает долото, соединенное с бурильной колонной. Вращение передается от верхнего привода или создается забойным двигателем. Буровой раствор циркулирует по замкнутой системе: поступает вниз по трубам, выходит через насадки долота и возвращается по кольцевому пространству.

Буровой раствор очищает забой, выносит выбуренную породу, охлаждает инструмент, формирует противодавление на пласт и поддерживает устойчивость стенок. Его свойства регулярно контролируют, поскольку слишком низкая плотность повышает риск притока пластового флюида. Избыточная плотность может вызвать поглощение раствора и повреждение пород.

В процессе бурения регистрируют механические параметры, состав шлама и газосодержание промывочной жидкости. В сложных проектах измерения выполняют непосредственно возле долота. Это помогает уточнять положение ствола и удерживать его в целевом интервале.

Крепление и переход к следующему интервалу

После достижения проектной глубины очередного участка бурильную колонну поднимают. В ствол спускают обсадные трубы, затем выполняют цементирование. После набора прочности цемента колонну испытывают, разбуривают башмак и продолжают проходку долотом меньшего диаметра.

Цикл повторяется несколько раз. Количество ступеней зависит от глубины и сложности геологического разреза. Дополнительная колонна повышает стоимость и уменьшает конечный внутренний диаметр. Отказ от необходимой колонны способен сделать дальнейшее бурение небезопасным. Проектировщик ищет технически обоснованный баланс.

Заканчивание и освоение

После вскрытия залежи скважину исследуют и принимают решение о ее дальнейшем использовании. Если полученные результаты подтверждают промышленную ценность, выполняют заканчивание – комплекс операций, который подготавливает скважину к управляемой добыче.

При обсаженном забое продуктивный интервал перекрыт эксплуатационной колонной и цементом. Для создания связи с пластом выполняют перфорацию: в трубах и цементном кольце формируют каналы напротив выбранных участков.

При открытом забое часть продуктивного интервала оставляют без сплошной обсадной колонны. Такая схема снижает дополнительные сопротивления притоку, ее применение ограничено устойчивостью породы и требованиями к изоляции отдельных зон.

Освоение связано с заменой тяжелой технологической жидкости, очисткой призабойной зоны и созданием условий для притока. Режим изменяют постепенно, контролируя давление, состав продукции и вынос механических примесей.

Как нефть поднимается на поверхность

Способ эксплуатации зависит от пластового давления, глубины, дебита, газосодержания, вязкости нефти, обводненности и геометрии ствола. Один и тот же объект может последовательно пройти несколько режимов.

Фонтанная эксплуатация

При достаточной пластовой энергии смесь нефти, газа и воды самостоятельно движется к устью. Расход регулируют штуцерами и арматурой. Фонтанный режим отличается сравнительно простой подземной компоновкой и невысокими энергозатратами на подъём жидкости.

По мере отбора запасов давление снижается, обводненность часто растёт, гидростатическая нагрузка столба жидкости увеличивается. В определённый момент естественной энергии становится недостаточно для целевого дебита.

Механизированная добыча

Искусственный подъём добавляет энергию потоку или уменьшает эффективную плотность столба жидкости. К основным технологиям относятся электроцентробежные насосы, штанговые глубинные насосы, винтовые насосы и газлифт.

Выбор насоса по принципу «самый мощный обеспечит лучший результат» приводит к ошибкам. Производительность оборудования должна соответствовать притоку из пласта. Если насос отбирает жидкость быстрее, чем она поступает, давление на забое чрезмерно снижается, возрастает риск поступления газа, песка и нестабильной работы.

Поддержание пластового давления

Добыча изменяет энергетическое состояние залежи. Для компенсации отбора через нагнетательные скважины закачивают воду или газ. Воздействие поддерживает давление и способствует перемещению нефти к добывающим скважинам.

Результат зависит от неоднородности коллектора. В высокопроницаемых прослоях вода движется быстрее и способна обойти значительные объёмы нефти. Поэтому разработку регулируют: меняют режимы закачки, ограничивают отдельные интервалы, проводят исследования и корректируют расположение новых скважин.

Что происходит со скважиной в процессе эксплуатации

После запуска скважина постоянно меняется вместе с пластом. Снижается давление, увеличивается доля воды, изменяется газосодержание, появляются отложения и износ оборудования. Эксплуатация представляет собой непрерывный цикл измерений, диагностики и корректировки режима.

Исследования и мониторинг

На поверхности контролируют дебит жидкости, нефти и газа, обводненность, давление и температуру. Периодически выполняют глубинные измерения, отбирают пробы и проводят гидродинамические исследования.

Кривая восстановления давления после остановки помогает оценить фильтрационные свойства пласта и состояние призабойной зоны. Профиль притока показывает, какие интервалы дают нефть, воду или газ. Геофизические исследования через обсадную колонну позволяют уточнять насыщенность и выявлять заколонные перетоки.

Ценность данных определяется не их количеством, а связью с управленческим решением. Измерения должны помогать выбрать режим насоса, определить источник воды, оценить необходимость обработки пласта или обнаружить нарушение герметичности.

Типичные осложнения

Одной из частых проблем становится обводнение продукции. Вода может поступать из естественно водонасыщенных интервалов, продвигаться от нагнетательных скважин или проникать через дефект цементного кольца. Каждый механизм требует собственного решения.

Среди других осложнений встречаются:

• отложения солей на трубах и оборудовании;
• парафиновые и асфальтосмолистые отложения;
• коррозия металла;
• вынос песка;
• образование эмульсий;
• газовые пробки в насосе;
• повреждение НКТ или обсадной колонны;
• рост давления в межколонных пространствах.

Попытка устранить симптом без выяснения причины часто дает краткосрочный эффект. К примеру, снижение подачи насоса может стабилизировать работу при поступлении свободного газа. При негерметичности колонны требуется уже ремонт и восстановление барьера.

Текущий и капитальный ремонт

К легким внутрискважинным операциям относятся очистка, измерения, обработка химическими реагентами и работы с применением канатной техники или гибких труб.

Капитальный ремонт предполагает более серьезное вмешательство: подъем НКТ, замену насоса, восстановление герметичности, изоляцию обводнившегося интервала, повторную перфорацию или изменение конструкции заканчивания. Для тяжелых операций может потребоваться ремонтная установка и снятие части устьевого оборудования.

Экономическая целесообразность ремонта оценивается по ожидаемому приросту добычи, стоимости работ, техническому риску и оставшемуся потенциалу залежи. Иногда восстановление старой скважины выгоднее бурения новой. В других случаях накопленные дефекты и низкая продуктивность делают ремонт неоправданным.

Как обеспечивают безопасность и целостность скважины

Скважина пересекает пласты с разными давлениями и остаётся потенциальным каналом движения флюидов. Безопасность строится на системе независимых барьеров, контроле параметров и готовности персонала к отклонениям.

Контроль скважины при бурении

Основным средством первичного контроля служит давление столба бурового раствора. Оно должно удерживать пластовый флюид и одновременно не разрушать породу.

Если нефть, газ или вода начинают поступать в ствол, возникает проявление. Его ранними признаками могут быть увеличение объёма раствора в ёмкостях, рост потока на выходе и изменение давления.

Для герметизации устья применяют противовыбросовое оборудование. Комплекс превенторов позволяет перекрыть пространство вокруг бурильных труб или полностью закрыть ствол, после чего приток удаляют по контролируемой схеме.

Само наличие оборудования не гарантирует безопасность. Необходимы исправность системы, регулярные испытания, корректные расчёты, понятные процедуры и подготовленный персонал. Международные отраслевые организации рассматривают предупреждение происшествий по контролю скважин как задачу всего жизненного цикла, особенно на этапах строительства и ремонта.

Целостность в течение жизненного цикла

Целостность скважины означает способность ее барьеров удерживать флюиды в предусмотренных границах при нормальных и аварийных режимах.

Контролю подлежат обсадные колонны, НКТ, цементное кольцо, пакеры, устье, клапаны и межколонные пространства. Признаком проблемы может стать устойчивое давление там, где его не должно быть, изменение состава межколонного флюида или потеря герметичности при испытании.

Управление целостностью начинается на стадии проекта. Материалы выбирают с учетом давления, температуры, коррозионной активности, содержания сероводорода и углекислого газа. В процессе эксплуатации состояние барьеров подтверждают измерениями и испытаниями. Обнаруженный дефект оценивают по риску, затем ремонтируют или вводят ограничения режима.

Как завершается работа скважины

Прекращение добычи не означает, что объект можно оставить без контроля. Скважина сохраняет связь с геологическими пластами, поэтому ее дальнейшее состояние должно быть технически определено.

Консервация

Консервацию применяют при временном прекращении эксплуатации. Причиной может стать изменение программы разработки, отсутствие инфраструктуры, ожидание ремонта или сезонные ограничения.

Скважину переводят в безопасное состояние, устанавливают необходимые барьеры, контролируют давление и защищают оборудование. Возможность последующего возвращения в эксплуатацию учитывают при выборе схемы консервации.

Ликвидация

Ликвидация выполняется, когда дальнейшее использование не планируется или признано нецелесообразным. В стволе размещают цементные и механические барьеры, изолирующие продуктивные, водоносные и другие значимые интервалы. Проект должен исключить миграцию флюидов между пластами и выход на поверхность.

Размещение цементных мостов требует проектирования, проверки и документального подтверждения. Отраслевые рекомендации отдельно рассматривают конструкцию, установку и верификацию барьеров для временно и окончательно закрываемых скважин.

Грамотная ликвидация является завершающей частью жизненного цикла. Ошибки этого этапа способны проявиться спустя годы в виде межпластовых перетоков, утечек или давления на устье.

Почему не существует универсальной конструкции

Две скважины одинаковой глубины могут существенно различаться по стоимости и устройству. На конструкцию влияют геология, давление, температура, траектория, агрессивность флюидов, удалённость объекта и требования к будущему ремонту.

Горизонтальный ствол повышает контакт с пластом, вместе с тем усложняет спуск оборудования. Дополнительная обсадная колонна улучшает изоляцию опасного интервала, при этом уменьшает проходной диаметр. Интеллектуальное заканчивание позволяет управлять отдельными зонами, одновременно увеличивая начальные вложения и количество внутрискважинных элементов.

Поэтому эффективность скважины нельзя оценивать только по максимальному дебиту сразу после запуска. Значение имеют устойчивость добычи, управляемость, ремонтопригодность, энергозатраты, безопасность и объём извлечённой нефти за весь срок работы.

Хорошая скважина решает задачу месторождения на протяжении жизненного цикла. Она дает доступ к нужной части залежи, сохраняет герметичность, позволяет получать достоверные данные и адаптироваться к изменению пластовых условий.

Популярные статьи в категории:

01.12.2020

103411

Экологические проблемы нефтяной промышленности

10.10.2020

46923

Как работают зарубежные нефтяники?

17.07.2020

7221

Как стать геологоразведчиком?