О нефти и газе доступным языком

Эксплуатационное бурение

О многих вопросах, связанных с техническими проблемами при разведочном бурении, мы говорили ранее. В этом выпуске я хотел бы немного осветить отличия между бурением разведочных и эксплуатационных скважин.

Условно процесс СТРОИТЕЛЬСТВА скважины (по всем классификациям такой вид деятельности, как бурение, относится к строительству) делится на такие этапы: подготовительные работы, вышкомонтажные работы, бурение и крепление, испытание. Эти этапы выделяются при строительстве как разведочной, так и эксплуатационной скважины. Но в чем их отличие, давайте посмотрим внимательнее.

Подготовительные работы - это строительство основания, на котором будет установлена буровая установка, прокладка подъездных дорог. Как правило, разведочные скважины бурятся одиночными. Задача разведочной скважины - "пощупать" внутренности в пределах конкретной местности. Когда же принимается решение о бурении на месторождении эксплуатационных скважин, уже известно, что можно ожидать и бурением одной скважины не ограничиваются. Но строить под каждую скважину площадку и бурить скважину без отклонения от места забуривания очень накладно. Поэтому при эксплуатационном бурении поступают следующим образом: с одной площадки бурится несколько скважин и применяется так называемое наклонно-направленное бурение. При таком бурении ствол скважины значительно отклоняется от того места, где начиналось бурение и такое отклонение может достигать от сотен метров до нескольких километров. Так как на одном основании нужно размещать несколько скважин, соответственно площадка должна быть большего размера. Кроме того, если скважины бурятся с одной площадки, то было бы неплохо не разбирать буровую установку после бурения очередной скважины, а перетаскивать ее для бурения следующей скважины. В настоящее время такое перемещение производят по специально проложенным рельсам.

По сути дела при бурении разведочных и эксплуатационных скважин применяются различные типы буровых установок. Во многом из-за этого различается второй этап строительства скважин - вышкомонтажные работы. На этом этапе выполняется транспортировка буровой установки, ее монтаж, проверка работы, проведение необходимых коммуникаций (трубопроводов, ЛЭП). Также транспортируется и монтируется необходимое дополнительное оборудование, дизельные станции, жилой городок, в котором потом будут жить буровики.

Зачастую, когда на участке начинается эксплуатационное бурение, это участок уже обустроен: проведены все коммуникации, проложены дороги. Разведчикам же приходится добираться до места работ на вертолетах и по зимним дорогам, которые тают летом. В таких условиях ни о каких линиях электропередачи речи не идет. В основном все буровые станки, предназначенные для разведочного бурения, работают от установок дизельного привода, чем отличаются от установок эксплуатационного бурения, которые больше ориентированы на привод от электричества. Хотя бывают исключения, когда на участке ведется эксплуатационное бурение, но электричество туда не проведено. В этом случае на площадке ставят мощные дизельные электростанции, вырабатывающие электроэнергию, от которой работают буровые установки.

В Западной Сибири в настоящее время самыми распространенными буровыми установками для эксплуатационного бурения являются буровые установки БУ-3000 ЭУК, выпускаемые екатеринбургским предприятием "Уралмаш".

Процесс бурения эксплуатационных скважин так же отличается от бурения "разведок". Самое главное отличие состоит в том, что практически все эксплуатационные скважины являются наклонно-направленными, а разведочные - вертикальными.

Существуют еще и горизонтальные скважины. Они тоже относятся к эксплуатационным скважинам. У горизонтальных скважин последняя колонна входит в продуктивный пласт под углом и затем проходит горизонтально по пласту. Это позволяет достичь большей площади соприкосновения обсадной трубы и продуктивного пласта.

На этапе испытания скважины обсадная труба пробивается в районе соприкосновения с продуктивным пластом. У горизонтальных скважин дебит намного превышает дебит обычных скважин.

Отклонение в процессе бурения достигается за счет включения в компоновку бурящей части (между бурильной трубой и турбобуром) так называемого кривого переводника.

Он просто соединяет бурильную трубу и турбобур, но при этом концы переводника находятся под небольшим углом (1-2 градуса) относительно друг друга, что позволяет придавать скважине отклонение в процессе бурения. В этом процессе очень велика роль технолога, который должен правильно сориентировать компоновку при сборке и спуске. Однако, каким бы классным специалистом не был технолог, никто не ограничивается доверием к его мастерству. При бурении наклонно-направленных скважин (и тем более горизонтальных) применяют специальные навигационные системы, которые позволяют отслеживать местоположение долота. В состав компоновки низа бурильной колонны включают специальный прибор, который замеряет необходимые параметры и передает их наверх, где они регистрируются и расшифровываются. Интересен способ передачи их наверх - через буровой раствор. Прибор, находящийся внизу производит толчки, которые передаются через весь столб бурового раствора наверх.

Испытание эксплуатационной скважины тоже отличается от испытания разведочной скважины. Чаще даже у эксплуатационных скважин этот этап называется освоением. Как правило, у разведочных скважин испытывают несколько продуктивных объектов, начиная с самого нижнего. Потом испытанный объект изолируется путем установки так называемого цементного моста и производится испытание следующего объекта.

Самой главной операцией при испытании является перфорация - пробивание обсадной трубы в интервале соприкосновения с продуктивным пластом. Для проведения этой операции в скважину спускают перфоратор, в который заложены специальные заряды. Перфоратор устанавливается на уровне продуктивного пласта в скважине и на него подается сигнал, который генерирует взрыв направленных зарядов. Заряды пробивают обсадную колонну, цемент за ней, и создают дополнительные трещины в нефтеносной породе. Чем лучше перфорационные заряды, тем больше проникающих трещин они создают в продуктивном пласте. Но часто в эксплуатационных скважинах проведением перфорации не ограничиваются и проводят так называемый гидроразрыв пласта (ГРП). Суть этой операции состоит в закачке под большим давлением в скважину жидкости, которая создает дополнительные трещины в продуктивном пласте. Глубина таких трещин может достигать нескольких метров.

Еще одним отличием разведочного и эксплуатационного бурения является объем проводимых промыслово-геофизических исследований в скважинах. В разведочных скважинах проводят большой объем всевозможных исследований, в эксплуатационных же стараются ограничиться только самыми необходимыми. Стоимость промыслово-геофизических исследований в разведке может в десятки раз превышать затраты на геофизиков по эксплуатационной скважине.

Фонтанный и газлифтный способы добычи нефти

После того как скважина пробурена и освоена, необходимо начать добывать из нее нефть. Хотя нужно отметить, что не из всех даже эксплуатационных скважин добывается нефть. Существуют так называемые нагнетательные скважины. В них наоборот закачивается, только не нефть, а вода. Это необходимо для эксплуатации месторождения в целом. Об этом мы поговорим попозже.

Наверное, у многих из Вас отложились в памяти кадры из старых советских фильмов о первых добытчиках сибирской нефти: буровая установка, сверху бьет фонтан, кругом бегают радостные люди и умываются первой нефтью. Нужно отметить, что с того времени много что изменилось. И если сейчас возле буровой вышки появится фонтан нефти, то возле нее будет бегать много людей, но только они не станут радоваться, а больше будут озабочены тем, как предотвратить этот экологически вредный выброс. В любом случае то, что было показано на экране - это нефтяной фонтан. Нефть находится под землей под таким давлением, что при прокладке к ней пути в виде скважины она устремляется на поверхность. Как правило, фонтанируют скважины только в начале своего жизненного цикла, т.е. сразу после бурения. Через некоторое время давление в пласте снижается и фонтан иссякает. Конечно, если бы на этом прекращалась эксплуатация скважины, то под землей оставалось бы более 80% нефти.

В процессе освоения скважины в нее опускается колонна насосно-компрессорных труб (НКТ). Если скважина эксплуатируется фонтанным способом, то на поверхности устанавливают специальное оборудование - фонтанную арматуру.

Не будем разбираться во всех деталях этого оборудования. Отметим только, что это оборудование необходимо для управления скважиной. С помощью фонтанной арматуры можно регулировать добычу нефти - уменьшать или совсем остановить.

После того, когда давление в скважине уменьшится, и скважина начнет давать совсем мало нефти, как посчитают специалисты, ее переведут на другой способ эксплуатации.

При добыче газа фонтанный способ является основным.

Газлифтный способ добычи нефти

После прекращения фонтанирования из-за нехватки пластовой энергии переходят на механизированный способ эксплуатации скважин, при котором вводят дополнительную энергию извне (с поверхности). Одним из таких способов, при котором вводят энергию в виде сжатого газа, является газлифт.

Газлифт (эрлифт) - система, состоящая из эксплуатационной (обсадной) колонны труб и опущенных в нее НКТ, в которой подъем жидкости осуществляется с помощью сжатого газа (воздуха). Иногда эту систему называют газовый (воздушный) подъемник. Способ эксплуатации скважин при этом называется газлифтным.

По схеме подачи от вида источника рабочего агента - газа (воздуха) различают компрессорный и безкомпрессорный газлифт, а по схеме действия - непрерывный и периодический газлифт.

В затрубное пространство нагнетают газ высокого давления, в результате чего уровень жидкости в нем будет понижаться, а в НКТ - повышаться. Когда уровень жидкости понизится до нижнего конца НКТ, сжатый газ начнет поступать в НКТ и перемешиваться с жидкостью. В результате плотность такой газожидкостной смеси становится ниже плотности жидкости, поступающей из пласта, а уровень в НКТ будет повышаться. Чем больше будет введено газа, тем меньше будет плотность смеси и тем на большую высоту она поднимется. При непрерывной подаче газа в скважину жидкость (смесь) поднимается до устья и изливается на поверхность, а из пласта постоянно поступает в скважину новая порция жидкости.

Дебит газлифтной скважины зависит от количества и давления нагнетаемого газа, глубины погружения НКТ в жидкость, их диаметра, вязкости жидкости и т.п.

Конструкции газлифтных подъемников определяются в зависимости от числа рядов насосно-компрессорных труб, спускаемых в скважину, и направления движения сжатого газа. По числу спускаемых рядов труб подъемники бывают одно- и двухрядными, а по направлению нагнетания газа - кольцевыми и центральными (см. рис. 13.2).

При однорядном подъемнике в скважину спускают один ряд НКТ. Сжатый газ нагнетается в кольцевое пространство между обсадной колонной и насосно-компрессорными трубами, а газожидкостная смесь поднимается по НКТ, или газ нагнетается по насосно-компрессорным трубам, а газожидкостная смесь поднимается по кольцевому пространству. В первом случае имеем однорядный подъемник кольцевой системы (см. рис. 13.2,а), а во втором - однорядный подъемник центральной системы (см. рис. 13.2,б).

При двухрядном подъемнике в скважину спускают два ряда концентрически расположенных труб. Если сжатый газ направляется в кольцевое пространство между двумя колоннами НКТ, а газожидкостная смесь поднимается по внутренним подъемным трубам, то такой подъемник называется двухрядным кольцевой системы (см. рис. 13.2,в). Наружный ряд насосно-компрессорных труб обычно спускают до фильтра скважины.

При двухрядном ступенчатом подъемнике кольцевой системы в скважину спускают два ряда насосно-компрессорных труб, один из которых (наружный ряд) ступенчатый; в верхней части - трубы большего диаметра, а в нижней - меньшего диаметра. Сжатый газ нагнетают в кольцевое пространство между внутренним и наружным рядами НКТ, а газожидкостная смесь поднимается по внутреннему ряду.

Если сжатый газ подается по внутренним НКТ, а газожидкостная смесь поднимается по кольцевому пространству между двумя рядами насосно-компрессорных труб, то такой подъемник называется двухрядным центральной системы (см. рис. 13.2,г).

Недостатком кольцевой системы является возможность абразивного износа соединительных труб колонн при наличии в продукции скважины механических примесей (песок). Кроме того, возможны отложения парафина и солей в затрубном пространстве, борьба с которыми в нем затруднительна.

Преимущество двухрядного подъемника перед однорядным в том, что его работа происходит более плавно и с более интенсивным выносом песка из скважины. Недостатком двухрядного подъемника является необходимость спуска двух рядов труб, что увеличивает металлоемкость процесса добычи. Поэтому в практике нефтедобывающих предприятий более широко распространен третий вариант кольцевой системы - полуторарядный подъемник (см. рис. 13.2,д), который имеет преимущества двухрядного при меньшей его стоимости.

Использование газлифтного способа эксплуатации скважин в общем виде определяется его преимуществами.

1. Возможность отбора больших объемов жидкости практически при всех диаметрах эксплуатационных колонн и форсированного отбора сильнообводненных скважин.

2. Эксплуатация скважин с большим газовым фактором, т.е. использование энергии пластового газа.

З. Малое влияние профиля ствола скважины на эффективность работы газлифта, что особенно важно для наклонно-направленных скважин, т.е. для условий морских месторождений и районов освоения Севера и Сибири.

4. Отсутствие влияния высоких давлений и температуры продукции скважин, а также наличия в ней мехпримесей (песка) на работу скважин.

5. Гибкость и сравнительная простота регулирования режима работы скважин по дебиту.

6. Простота обслуживания и ремонта газлифтных скважин и большой межремонтный период их работы при использовании современного оборудования.

7. Возможность применения одновременной раздельной эксплуатации, эффективной борьбы с коррозией, отложениями солей и парафина, а также простота исследования скважин.

Указанным преимуществам могут быть противопоставлены недостатки

1. Большие начальные капитальные вложения в строительство компрессорных станций

2. Сравнительно низкий коэффициент полезного действия (КПД) газлифтной системы.

З. Возможность образования стойких эмульсий в процессе подъема продукции скважин.

Исходя из указанного выше, газлифтный (компрессорный) способ эксплуатации скважин, в первую очередь, выгодно использовать на крупных месторождениях при наличии скважин с большими дебитами и высокими забойными давлениями после периода фонтанирования.

Далее он может быть применен в наклонно направленных скважинах и скважинах с большим содержанием мехпримесей в продукции, т.е. в условиях, когда за основу рациональной эксплуатации принимается межремонтный период (МРП) работы скважин.

При наличии вблизи газовых месторождений (или скважин) с достаточными запасами и необходимым давлением используют безкомпрессорный газлифт для добычи нефти.

Эта система может быть временной мерой - до окончания строительства компрессорной станции. В данном случае система газлифта остается практически одинаковой с компрессорным газлифтом и отличается только иным источником газа высокого давления.

Газлифтная эксплуатация может быть непрерывной или периодической. Периодический газлифт применяется на скважинах с дебитами до 40-60 т/сут или с низкими пластовыми давлениями. Высота подъема жидкости при газлифте зависит от возможного давления ввода газа и глубины погружения колонны НКТ под уровень жидкости.

Технико-экономический анализ, проведенный при выборе способа эксплуатации, может определить приоритет использования газлифта в различных регионах страны с учетом местных условий. Так, большой МРП работы газлифтных скважин, сравнительная простота ремонта и возможность автоматизации предопределили создание больших газлифтных комплексов на Самотлорском, Федоровском, Правдинском месторождениях в Западной Сибири. Это дало возможность снизить необходимые трудовые ресурсы региона и создать необходимые инфраструктуры (жилье и т.д.) для рационального их использования.

Добыча нефти с помощью насосов

В предыдущем выпуске мы поговорили о фонтанном и газлифтном способе добычи нефти. Но по статистике только чуть более 13% всех скважин в России эксплуатируются этими способами (хотя эти скважины дают более 30% всей российской нефти). В целом статистика по способам эксплуатации выглядит так:

Эксплуатация скважин штанговыми насосами

У обывателя при разговоре о нефтяном деле возникает образ двух станков - буровой вышки и станка-качалки. Изображения этих устройств встречаются всюду в нефтегазовой отрасли: на эмблемах, плакатах, гербах нефтяных городов и так далее. Внешний вид станка-качалки известен всем. Вот как он выглядит.

Станок-качалка и есть один из элементов эксплуатации скважин штанговым насосом. По сути, станок-качалка является приводом штангового насоса, расположенного на дне скважины. Это устройство по принципу действия очень похоже на ручной насос велосипеда, преобразующий возвратно-поступательные движения в поток воздуха. Нефтяной насос возвратно-поступательные движения от станка-качалки преобразует в поток жидкости, которая по насосно-компрессорным трубам (НКТ) поступает на поверхность.

Если по порядку описать происходящие процессы при данном виде эксплуатации, то получится следующее. На электродвигатель станка-качалки подается электричество. Двигатель вращает механизмы станка-качалки так, что балансир станка начинает двигаться как качели и подвеска устьевого штока получает возвратно-поступательные движения. Энергия передается через штанги - длинные стальные стержни, скрученные между собой специальными муфтами. От штанг энергия передается штанговому насосу, который захватывает нефть и подает ее наверх.

При эксплуатации скважины штанговыми насосами к добываемой нефти не предъявляются строгие требования, которые имеют место при других способах эксплуатации. Штанговые насосы могут качать нефть, характеризующуюся наличием механических примесей, высоким газовым фактором и так далее. К тому же, данный способ эксплуатации отличается высоким КПД.

В России изготавливаются станки-качалки 13 типоразмеров по ГОСТ 5688-76. Штанговые насосы производят ОАО «Элкамнефтемаш» г.Пермь и ОАО «Ижнефтемаш» г.Ижевск.

Эксплуатация скважин бесштанговыми насосами

Для отбора из скважин больших объемов жидкости применяется лопастный насос с рабочими колесами центробежного типа, обеспечивающий высокий напор при заданных подачах жидкости и габаритах насоса. Наряду с этим, в нефтяных скважинах некоторых районов с вязкой нефтью необходима большая мощность привода относительно подачи. В общем случае эти установки носят название погружные электронасосы. В первом случае - это установки центробежных электронасосов (УЗЦН), во втором - установки погружных винтовых электронасосов (УЗВНТ).

Скважинные центробежные и винтовые насосы приводятся в действие погружными электродвигателями. Электроэнергия подводится к двигателю по специальному кабелю. Установки ЭЦН и ЭВН довольно просты в обслуживании, так как на поверхности имеются станция управления и трансформатор, не требующие постоянного ухода.

При больших подачах УЭЦН имеют достаточный КПД, позволяющий конкурировать этим установкам со штанговыми установками и газлифтом.

При этом способе эксплуатации борьба с отложениями парафина проводится достаточно эффективно с помощью автоматизированных проволочных скребков, а также путем нанесения покрытия на внутреннюю поверхность НКТ.

Межремонтный период работы УЭЦН в скважинах достаточно высок и достигает 600 суток.

Скважинный насос имеет 80-400 ступеней. Жидкость поступает через сетку в нижней части насоса. Погружной электродвигатель маслозаполненный, герметизированный. Во избежание попадания в него пластовой жидкости устанавливается узел гидрозащиты. Электроэнергия с поверхности подается по круглому кабелю, а около насоса - по плоскому. При частоте тока 50 Гц частота вращения вала двигателя синхронная и составляет 3000 мин(-1).

Трансформатор (автотрансформатор) используют для повышения напряжения тока от 380 (напряжение промысловой сети) до 400- 2000 В.

Станция управления имеет приборы, показывающие силу тока и напряжение, что позволяет отключать установку вручную или автоматически.

Колонна НКТ оборудуется обратным и сливным клапанами. Обратный клапан удерживает жидкость в НКТ при остановках насоса, что облегчает запуск установки, а сливной освобождает НКТ от жидкости перед подъемом агрегата при установленном обратном клапане.

Для повышения эффективности работы для извлечения вязких жидкостей используется скважинные винтовые насосы с погружным электродвигателем. Установка скважинного винтового насоса, подобно установке ЭЦН, имеет погружной электродвигатель с компенсатором и гидрозащитой, винтовой насос, кабель, обратный и сливной клапаны (встроенные в НКТ), оборудование устья, трансформатор и станцию управления. За исключением насоса, другие части установки идентичны.

Подземные погонщики. Заводнение

Если вы думаете, что нефть так же легко поддается перекачке, как, скажем, вода, то глубоко ошибаетесь. Во-первых, нефть гораздо сложнее воды по составу. Во-вторых, она может быть весьма вязкой. В-третьих, нефтяное месторождение - это не колодец. Нефть может прятаться в бесчисленных подземных лабиринтах, протоках, ловушках, линзах. Чтобы извлечь ее из всех подземных закоулков, промысловики используют своеобразных «погонщиков».

Чаще всего для этой цели используют обыкновенную воду. Ее закачивают в пласт взамен такого же количества добытой нефти. Для этого за контуром месторождения бурят нагнетательные скважины, в которые и подается вода. Таким образом, давление в пласте остается все время постоянным. Это дает возможность увеличить нефтеотдачу пласта до 70%.

В тех случаях, когда площадь месторождений велика и законтурное обводнение уже не помогает, используют другую разновидность этого способа - внутриконтурное обводнение.

Воздействие на пласт в этом случае осуществляется через систему нагнетательных скважин, расположенных по той или иной схеме внутри контура нефтеносности. Это более интенсивная система воздействия на залежь нефти, позволяющая сократить сроки выработки запасов и быстро наращивать добычу нефти.

Различают несколько разновидностей внутриконтурного заводнения: разрезание залежи линиями нагнетательных скважин на полосы, кольца, создание центрального разрезающего ряда с несколькими поперечными рядами и в сочетании с приконтурным заводненном...

Выбор схемы расположения нагнетательных скважин определяется конкретными геологическими условиями, экономически целесообразными сроками выработки запасов и величиной необходимых капвложений.

Если же и этого недостаточно число скважин еще увеличивают. Получается так называемое площадочное обводнение.

Обводнение позволяет не только увеличить отдачу нефтяного пласта, но и сократить сроки нефтедобычи, использовать месторождение более интенсивно. Поэтому вода используется в качестве «погонщика» почти на всех месторождениях страны.

Тем временем ученые ищут новые способы повышения КПД месторождений. А что если закачивать под землю не воду, а углеводородный газ? Ведь известно, что нефть и эти газы взаимно растворимы извлечь же из подземной кладовой газожидкостную смесь намного легче, чем жидкость... Провели опыты. И что же? Оказалось, что таким способом можно извлечь до 90% нефти! При этом вовсе не обязательно, чтобы газ поступал во все пространство, занимаемое нефтью. Достаточно заполнить газом всего 1,5-2% от общего объема, нефтеотдача пласта резко возрастает.

Однако есть у этого способа и весьма существенный недостаток: закачивать в недра под большим давлением только что добытый газ - довольно дорогое удовольствие. Поэтому этот способ используют лишь на месторождениях с наиболее ценной, легкой нефтью.

На тех же месторождениях, где преобладает тяжелая, густая нефть используют другие способы повышения эффективности добычи.

Химические хитрости

Чтобы густая нефть с большей легкостью поднималась по трубам, надо, конечно, прежде всего, сделать ее более жидкой.

В последнее время на нефтедобывающих промыслах стали использовать особые вещества, имеющие довольно сложное название - мицеллярные дисперсии. Основными составляющими этих композиций являются нефтерастворимые поверхностно-активные вещества, спирт, углеводородный растворитель типа керосина или легких фракций нефти. Добавляют сюда и воду.

Именно поэтому по внешнему виду мицеллярные дисперсии практически неотличимы от обычной воды - такая же светлая, прозрачная жидкость. Но главную роль здесь играют уже не молекулы H2O, а молекулы поверхностно-активных веществ. Попав в пласт, они и образуют с нефтью эмульсию, дисперсную фазу которой составляют сложного состава частицы - мицеллы. При этом нефть как бы отрывается от породы, и ее удается выкачать из коллектора практически всю.

Еще одно неоценимое свойство возникающих эмульсий - они являются обратимыми системами. То есть достаточно на дневной поверхности добавить в поступающую из скважины эмульсию еще немного воды, как из нее выделяется свободная нефть, а поверхностно-активные вещества оказываются снова готовыми к работе.

Вообще, надо признать, что химики оказывают нефтяникам и ряд других важных услуг.

Известно, например, что бурение невозможно без специальных бурильных растворов. Обычно глинистые бурильные растворы готовят прямо на месте, доставляя в район бурения сухую глину. Однако приготовление раствора - вещь достаточно тонкая: кроме глины в воду добавляют и другие вещества, состав и количество которых зависит от применяемой техники, давления в пласте, геологического строения недр...

В настоящее время существует по крайней мере два десятка специальных ингредиентов, улучшающих качество бурильных растворов и снижающих затраты на бурение. В некоторых случаях даваемая ими экономия в 10-15 раз превосходит затраты на изготовление самой добавки!

Еще одна проблема, в решении которой неоценимую помощь промысловикам оказывает химия - защита оборудования от отложения парафинов. Часто при добыче высокопарафинистых нефтей специалисты сталкиваются с неприятным явлением. Пока нефть находится в залежи под давлением, температура ее достаточно высока. Но по мере продвижения к забою и дальше по скважине и давление, и температура падают. Тяжелые парафиновые углеводороды начинают выделяться из жидкости и откладываться на всех поверхностях, с которыми соприкасается нефть. Очистка оборудования от налипшего парафина связана с огромными затратами и техническими трудностями.

Но уже разработаны вещества, добавка которых в нефть препятствует образованию скоплений парафина, способствует их смыванию с металлических поверхностей оборудования на всем пути нефти к потребителю. Такие вещества недешевы, но, тем не менее, их применение окупает все затраты.

Нефть в море

О том, что запасы нефти есть не только на суше, но и под морским дном, известно довольно давно. Вот уже, считай, полвека существуют «Нефтяные камни» - промысел в Каспийском море. Сегодня нефтяные вышки появились и на других морях. Нефть добывают в Северном море, в Охотском, на Балтике...

На платформу можно попасть на вертолете или на катере. Семь миль от берега, и вот вы уже у цели. Остов искусственного острова, который издали казался сложенным из спичек, вблизи оказывается переплетением толстенных труб. Сорок восемь из них уходят в толщу воды и еще на полсотни метров - в дно. Эти ноги и держат все сооружение.

Сама платформа состоит из двух площадок, каждая из которых - в четверть футбольного поля. На одной площадке уходят в поднебесье фермы буровой вышки, другая представляет собой административно-жилую зону. Здесь с трех сторон по краям площадки стоят уютные домики, в которых разместились каюты бригадиров, прорабов и мастеров, а также красный уголок, столовая с кухней, бытовые помещения...

Подобные платформы могут иметь разную конструкцию. Ведь одно дело добывать нефть на южном Каспийском море, другое на мелководной Балтике, где платформу можно укрепить на дне, и третье - на севере или востоке страны. Здесь большие глубины, частые штормы, ледяные поля... В таких условиях гораздо лучше стационарных платформ - полупогружные. Их буксируют к месту бурения как большие баржи. Здесь они опускают вниз свои «ноги» - опоры. И опираясь ими в дно, платформа приподнимается над поверхностью моря с таким расчетом, чтобы волны ее не захлестывали. По окончании буровых работ такая платформа без особых хлопот может быть переведена в другой район.

Проектируются и строятся суда обеспечения морских нефтяных промыслов. В начале января 1987 г. в финском городе Турку спущено на воду уникальное судно «Трансшельф». Оно предназначено для транспортировки морских буровых самоподъемных установок.

Новый гигант длиной 173 метра и шириной 40 метров имеет ряд особенностей. Судно полупогружное, да и как иначе взгромоздить на палубу тысячетонные буровые платформы? «Трансшельф» набирает в танки забортную воду и с этим балластом погружается. Палуба площадью 5100 квадратных метров уходит на 9 метров под воду. Платформа затаскивается или заталкивается на борт. Балласт откачивается, и судно к походу готово.

«Трансшельф» - это еще и судоремонтный док с мощной судостроительной техникой. Управляется он с помощью бортовой ЭВМ, которая контролирует все эксплуатационные секторы сложного судового хозяйства, в том числе и размещение груза на палубе.

Еще один способ морского бурения - непосредственно со специализированного бурового судна. В предыдущих выпусках мы упоминали о «Челленджере», с борта которого вели глубинное бурение американцы. Но сейчас у нас есть возможность познакомиться с одним из таких судов поближе. Для этого, правда, придется отправиться на север, в город моряков и полярников Мурманск, а уж оттуда - дальше, знакомиться с особенностями бурения с плавучего основания и с людьми уникальной профессии - нефтяниками-акванавтами.

Итак, в путь.

Сюрпризы погоды в арктических морях непредсказуемы даже коротким полярным летом. Небольшой пассажирский пароходик с трудом раздвигает носом тяжелые свинцовые валы. Ветер срывает с волн грязно-серые клочья пены, и порою кажется, что именно из этой пены и состоят низкие косматые облака. Потом ветер неожиданно стих, и над морем повисла плотная пелена тумана. А когда она раздвинулась, мы увидели буровое судно «Виктор Муравленко» уже совсем рядом. Несмотря на качку, оно неподвижно стояло на месте, как будто его удерживала неведомая сила.

Немного погодя мы узнали, в чем тут секрет: судно стояло на месте, благодаря системе динамического позиционирования, носовым и кормовым подруливающим устройствам. Иначе и нельзя. Помните, как потеряли устье скважины американские геологоразведчики?

Экипаж в большинстве своем имеет вполне земные профессии: буровики, электрики, машинисты дизельных и газотурбинных силовых установок... Но есть все же в морском бурении и своя специфика, с какой не встретишься на суше.

При бурении в океане, например, приходится принимать специальные меры, в которых земные буровики просто не нуждаются. Здесь есть райзер - колонна стальных труб, тянущаяся от судна до дна. Толщина их стенок - около 20 миллиметров; таков необходимый запас прочности, чтобы предохранить буровой инструмент от воздействия окружающей среды. И наоборот - чтобы защитить океан от загрязнения нефтепродуктами.

Такие взаимоотношения людей и океана вполне рабочие, обыденные. А вот устройство под названием превентер рассчитано как раз на исключительные ситуации. Если говорить попросту, это пробка, которой можно быстро заткнуть скважину при аварийной ситуации, когда, скажем, ураган станет срывать буровое судно с намеченной точки. Но поскольку земные недра все-таки не термос, то и превентер значительно сложнее обыкновенной пробки. Судите сами: длина этого устройства 18 метров, а весит оно без малого 150 тонн!

Когда шторм закончится, вернуться на то же самое место с точностью до сантиметров буровому судну помогут сверхточные навигационные приборы. Превентер поднимут на борт, и буровые работы будут продолжены.

Приборам доверена большая часть подводных операций. Они «прощупывают» и «прослушивают» дно моря, где должна быть заложена скважина, потом обследуют саму скважину... И кажется, чем могут помочь сверхбыстрым электронным приборам, могучим стальным механизмам слабые человеческие руки? Да еще там, на большой глубине, где царят тьма и огромные давления?..

Но представьте себе ситуацию: где-то в глубине откажут вдруг те самые сверхразумные и сверхточные датчики, которые позволяют судну с такой точностью находить свое место. Что делать?.. Тут уж не люди от приборов, а приборы от людей будут ждать помощи. И эта помощь обязательно придет.

Спуск под воду водолазы глубоководники начинают, еще находясь на судне. Они читают, слушают музыку, смотрят видеофильмы совсем рядом с другими членами экипажа, и в то же время как бы на морском дне! Во всяком случае, давление в барокамере, где они находятся - такое же. Это сделано не случайно.

Чтобы подняться с двухсотметровой глубины на поверхность, водолазам физически надо всего несколько минут. А вот, чтобы привыкнуть к смене «климата», порой - несколько суток. Поэтому на протяжении всей вахты они дышат гелиокислородной смесью под строго определенным давлением и даже во время сна находятся под присмотром врачей - специалистов по физиологии глубоководных погружений. Иначе нельзя. Если на глубине люди будут дышать газовой смесью при обычном давлении, океан их попросту раздавит. Поэтому давлению снаружи надо противопоставить давление изнутри. Если при поднятии вверх резко сбросить давление, неизбежна кессонная болезнь, резкие перепады давлений могут привести к тяжелым травмам легких.

Поэтому во время рабочего цикла акванавты все время находятся в мире высоких давлений. А вверх-вниз перемещаются с помощью особого лифта - водолазного колокола. Эта кабина, открытая снизу. Воде не дает проникнуть внутрь давление газовой смеси. Таким образом, прибыв на морское дно, акванавт может тотчас выйти в воду без особых затруднений. Покинув колокол, он работает под водой, а дыхание, тепло и связь осуществляются через пуповину шланг-кабеля.

За акванавтами с поверхности моря следят приборы, врачи и коллеги. И все же, прежде всего они сами ведут диалог с океаном. Они - это «тройка»: оператор колокола, номер первый и номер второй. Они понимают друг друга с полуслова, а порой даже без слов. Они работают вместе столь же согласованно, как пальцы одной руки.

Шаг за шагом, не торопясь, как будто медленно, а на самом деле - в хорошем рабочем темпе, сообщая наверх о каждом своем движении, терпеливо дожидаясь следующей команды, люди внимательно осматривают узлы буровой установки, проверяют датчики системы позиционирования... Словом, работают.

Впрочем, эти водолазы работают точно так же, как, например, при подъеме затонувших судов, по давно известной технологии. В то же время развитие морской добычи нефти и газа привело к появлению новых профессий. Поскольку 80% водолазных работ на морских месторождениях составляют осмотр, техническое обслуживание и ремонт, большим спросом пользуются водолазы-осмотрщики. В колледже подводно-технических работ - коммерческой школе водолазов, расположенной в гавани Лос-Анджелеса, с 1982 года организован курс подготовки водолазов к проведению осмотров и неразрушающего контроля подводного оборудования. Этот курс официально одобрен и Британским агентством аттестации персонала, проводящего контроль сварных соединений.

В обязанности водолаза-осмотрщика входят визуальный контроль сварных соединений, подводная фотография и видеозапись (первая ступень подготовки); ультразвуковой и магнитный неразрушающий контроль сварных соединений (вторая ступень).

Это специалисты высокого класса. Прежде чем подать заявление о сдаче экзаменов на вторую ступень, водолазу необходимо не менее года проработать с квалификацией первой ступени. Его суммарное время выполнения визуального контроля под водой должно составить не менее 30 часов.

После прохождения второй части курса водолаз допускается к выполнению работ на месторождениях.

Как представителям большинства современных профессий, осмотрщикам приходится работать со сложной аппаратурой. Здесь и ультразвуковой детектор повреждений со встроенным осциллографом, и установка для магнитного контроля, и даже комбинированная система, включающая полиэкранную ультразвуковую аппаратуру и дисплей.

Мы видим, что кроме завидного здоровья, современному буровику-водолазу нужна куча технических знаний. Ведь от его работы зависит сохранность немыслимо дорогого сооружения. Платформа для бурения на шельфе со 100-метровой глубиной стоит столько же, что и супертанкер грузоподъемностью 200 000 тонн. А вообще стоимость платформ растет с рабочей глубиной шельфа в геометрической прогрессии.

Промысловый сбор и подготовка нефти, газа и воды

топливо нефть газ скважина

Поступающая из нефтяных и газовых скважин продукция не представляет собой соответственно чистые нефть и газ. Из скважин вместе с нефтью поступают пластовая вода, попутный (нефтяной) газ, твердые частицы механических примесей (горных пород, затвердевшего цемента).

Пластовая вода - это сильно минерализованная среда с содержанием солей до 300 г/л. Содержание пластовой воды в нефти может достигать 80%. Минеральная вода вызывает повышенное коррозионное разрушение труб, резервуаров; твердые частицы, поступающие с потоком нефти из скважины, вызывают износ трубопроводов и оборудования. Попутный (нефтяной) газ используется как сырье и топливо.

Технически и экономически целесообразно нефть перед подачей в магистральный нефтепровод подвергать специальной подготовке с целью ее обессоливания, обезвоживания, дегазации, удаления твердых частиц.

На нефтяных промыслах чаще всего используют централизованную схему сбора и подготовки нефти (рис.18.1). Сбор продукции производят от группы скважин на автоматизированные групповые замерные установки (АГЗУ). От каждой скважины по индивидуальному трубопроводу на АГЗУ поступает нефть вместе с газом и пластовой водой. На АГЗУ производят учет точного количества поступающей от каждой скважины нефти, а также первичную сепарацию для частичного отделения пластовой воды, нефтяного газа и механических примесей с направлением отделенного газа по газопроводу на ГПЗ (газоперерабатывающий завод). Частично обезвоженная и частично дегазированная нефть поступает по сборному коллектору на центральный пункт сбора (ЦПС). Обычно на одном нефтяном месторождении устраивают один ЦПС. Но в ряде случаев один ЦПС устраивают на несколько месторождений с размещением его на более крупном месторождении. В этом случае на отдельных месторождениях могут сооружаться комплексные сборные пункты (КСП), где частично производится обработка нефти. На ЦПС сосредоточены установки по подготовке нефти и воды. На установке по подготовке нефти осуществляют в комплексе все технологические операции по ее подготовке. Комплект этого оборудования называется УКПН - установка по комплексной подготовке нефти.

Схема сбора и подготовки продукции скважин на нефтяном промысле:

1 - нефтяная скважина;

2 - автоматизированные групповые замерные установки (АГЗУ);

3 - дожимная насосная станция (ДНС);

4 - установка очистки пластовой воды;

5 - установка подготовки нефти;

6 - газокомпрессорная станция;

7 - центральный пункт сбора нефти, газа и воды;

8 - резервуарный парк

Обезвоженная, обессоленная и дегазированная нефть после завершения окончательного контроля поступает в резервуары товарной нефти и затем на головную насосную станцию магистрального нефтепровода.

Обезвоживание нефти затруднено тем, что нефть и вода образуют стойкие эмульсии типа "вода в нефти". В этом случае вода диспергирует в нефтяной среде на мельчайшие капли, образуя стойкую эмульсию. Следовательно, для обезвоживания и обессоливания нефти необходимо отделить от нее эти мельчайшие капли воды и удалить воду из нефти. Для обезвоживания и обессоливания нефти используют следующие технологические процессы: гравитационный отстой нефти, горячий отстой нефти, термохимические методы, электрообессоливание и электрообезвоживание нефти. Наиболее прост по технологии процесс гравитационного отстоя. В этом случае нефтью заполняют резервуары и выдерживают определенное время (48 ч и более). Во время выдержки происходят процессы коагуляции капель воды, и более крупные и тяжелые капли воды под действием сил тяжести (гравитации) оседают на дно и скапливаются в виде слоя подтоварной воды.

Однако гравитационный процесс отстоя холодной нефти - малопроизводительный и недостаточно эффективный метод обезвоживания нефти. Более эффективен горячий отстой обводненной нефти, когда за счет предварительного нагрева нефти до температуры 50 -70°С значительно облегчаются процессы коагуляции капель воды и ускоряется обезвоживание нефти при отстое. Недостатком гравитационных методов обезвоживания является его малая эффективность.

Более эффективны методы химические, термохимические, а также электрообезвоживание и обессоливание. При химических методах в обводненную нефть вводят специальные вещества, называемые деэмульгаторами. В качестве деэмульгаторов используют ПАВ. Их вводят в состав нефти в небольших количествах от 5-10 до 50-60 г на 1 т нефти. Наилучшие результаты показывают так называемые неионогенные ПАВ, которые в нефти не распадаются на анионы и катионы. Это такие вещества, как дисолваны, сепаролы, дипроксилины и др. Деэмульгаторы адсорбируются на поверхности раздела фаз "нефть-вода" и вытесняют или заменяют менее поверхностно-активные природные эмульгаторы, содержащиеся в жидкости. Причем пленка, образующаяся на поверхности капель воды, непрочная, что отмечает слияние мелких капель в крупные, т.е. процесс коалесценции. Крупные капли влаги легко оседают на дно резервуара. Эффективность и скорость химического обезвоживания значительно повышается за счет нагрева нефти, т.е. при термохимических методах, за счет снижения вязкости нефти при нагреве и облегчения процесса коалесценции капель воды.

Наиболее низкое остаточное содержание воды достигается при использовании электрических методов обезвоживания и обессоливания. Электрообезвоживание и электрообессоливание нефти связаны с пропусканием нефти через специальные аппараты-электродегидраторы, где нефть проходит между электродами, создающими электрическое поле высокого напряжения (20-30 кВ). Для повышения скорости электрообезвоживания нефть предварительно подогревают до температуры 50-70°С. При хранении такой нефти в резервуарах, при транспортировке ее по трубопроводам, в цистернах по железной дороге или водным путем значительная часть этих углеводородов теряется за счет испарения. Легкие углеводороды являются инициаторами интенсивного испарения нефти, так как они увлекают за собой и более тяжелые углеводороды.

В то же время легкие углеводороды являются ценным сырьем и топливом (легкие бензины). Поэтому перед подачей нефти из нее извлекают легкие низкокипящие углеводороды. Эта технологическая операция и называется стабилизацией нефти. Для стабилизации нефти ее подвергают ректификации или горячей сепарации. Наиболее простой и более широко применяемой в промысловой подготовке нефти является горячая сепарация, выполняемая на специальной стабилизационной установке. При горячей сепарации нефть предварительно подогревают в специальных нагревателях и подают в сепаратор, обычно горизонтальный. В сепараторе из подогретой до 40-80°С нефти активно испаряются легкие углеводороды, которые отсасываются компрессором и через холодильную установку и бензосепаратор направляются в сборный газопровод. В бензосепараторе от легкой фракции дополнительно отделяют за счет конденсации тяжелые углеводороды.

Вода, отделенная от нефти на УКПН, поступает на УПВ, расположенную также на ЦПС. Особенно большое количество воды отделяют от нефти на завершающей стадии эксплуатации нефтяных месторождений, когда содержание воды в нефти может достигать до 80%, т.е. с каждым кубометром нефти извлекается 4 м3 воды. Пластовая вода, отделенная от нефти, содержит механические примеси, капли нефти, гидраты закиси и окиси железа и большое количество солей. Механические примеси забивают поры в продуктивных пластах и препятствуют проникновению воды в капиллярные каналы пластов, а следовательно, приводят к нарушению контакта "вода-нефть" в пласте и снижению эффективности поддержания пластового давления. Этому же способствуют и гидраты окиси железа, выпадающие в осадок. Соли, содержащиеся в воде, способствуют коррозии трубопроводов и оборудования. Поэтому сточные воды, отделенные от нефти на УКПН, необходимо очистить от механических примесей, капель нефти, гидратов окиси железа и солей, и только после этого закачивать в продуктивные пласты. Допустимые содержания в закачиваемой воде механических примесей, нефти, соединений железа устанавливают конкретно для каждого нефтяного месторождения. Для очистки сточных вод применяют закрытую (герметизированную) систему очистки.

В герметизированной системе в основном используют три метода: отстой, фильтрования и флотацию. Метод отстоя основан на гравитационном разделении твердых частиц механических примесей, капель нефти и воды. Процесс отстоя проводят в горизонтальных аппаратах - отстойниках или вертикальных резервуарах-отстойниках. Метод фильтрования основан на прохождении загрязненной пластовой воды через гидрофобный фильтрующий слой, например через гранулы полиэтилена. Гранулы полиэтилена «захватывают» капельки нефти и частицы механических примесей и свободно пропускают воду. Метод флотации основан на одноименном явлении, когда пузырьки воздуха или газа, проходя через слой загрязненной воды снизу вверх, осаждаются на поверхности твердых частиц, капель нефти и способствуют их всплытию на поверхность. Очистку сточных вод осуществляют на установках очистки вод типа УОВ-750, УОВ-1500, УОВ-3000 и УОВ-10000, имеющих пропускную способность соответственно 750, 1500, 3000 и 10000 м3/сут. Следует отметить, что установка УОВ-10000 состоит из трех установок УОВ-3000. Каждая такая установка состоит из четырех блоков: отстойника, флотации, сепарации и насосного.

Вместе с очищенной пластовой водой в продуктивные пласты для поддержания пластового давления закачивают пресную воду, полученную из двух источников: подземных (артезианских скважин) и открытых водоемов (рек). Грунтовые воды, добываемые из артезианских скважин, отличаются высокой степенью чистоты и во многих случаях не требуют глубокой очистки перед закачкой в пласты. В то же время вода открытых водоемов значительно загрязнена глинистыми частицами, соединениями железа, микроорганизмами и требует дополнительной очистки. В настоящее время применяют два вида забора воды из открытых водоемов: подрусловый и открытый. При подрусловом методе воду забирают ниже дна реки - "под руслом". Для этого в пойме реки пробуривают скважины глубиной 20-30 м диаметром 300 мм. Эти скважины обязательно проходят через слой песчаного грунта. Скважину укрепляют обсадными трубами с отверстиями на спицах и в них опускают водозаборные трубы диаметром 200 мм. В каждом случае получают как бы два сообщающихся сосуда - "река-скважина", разделенных естественным фильтром (слоем песчаного грунта). Вода из реки профильтровывается через песок и накапливается в скважине. Приток воды из скважины форсируется вакуум-насосом или водоподъемным насосом и подается на кустовую насосную станцию (КНС). При открытом методе воду с помощью насосов первого подъема откачивают из реки и подают на водоочистную станцию, где она проходит цикл очистки и попадает в отстойник. В отстойнике с помощью реагентов-коагуляторов частицы механических примесей и соединений железа выводятся в осадок. Окончательная очистка воды происходит в фильтрах, где в качестве фильтрирующих материалов используют чистый песок или мелкий уголь.

Все оборудование системы сбора и подготовки нефти и воды поставляют в комплектно-блочном исполнении в виде полностью готовых блоков и суперблоков.

Магистральные нефтепроводы. Часть 1

Помните пословицу: «За морем телушка - полушка, да рубль перевоз...» Она как нельзя лучше характеризует важность транспортной проблемы. Можно, используя последние достижения науки и техники, добыть очень дешевое сырье. Но не забывайте: большинство нефтепромыслов в настоящее время находится далеко от нефтеперерабатывающих предприятий.

Можно, конечно, использовать традиционные виды транспорта. На море грузить добываемую нефть в танкеры, на суше в железнодорожные цистерны. Но выгодно ли это?

Даже на море, где современные супертанкеры забирают в трюмы сразу сотни тысяч тонн топлива, такое решение транспортной проблемы нельзя назвать наилучшим. Ведь подобная транспортировка не так уж дешева. Вдобавок, частые аварии танкеров приводят к загрязнению окружающей среды, уничтожают все живое на сотни миль вокруг, да и регулярность такого сообщения могла бы быть лучшей: как известно, и по сию пору скорость движения морского транспорта во многом зависит от погоды.

Еще хуже дела обстоят на суше. Для перевозки топлива нам понадобилось бы с каждым годом строить все новые и новые железные дороги, по которым сновали бы бесчисленные составы цистерн. А уж с газом еще хуже: вместо цистерн пришлось бы заводить целый парк специальных «термосов», в которых бы постоянно поддерживалась температура минус 80 градусов Цельсия и ниже при давлении 5-б МПа - только так можно перевозить газ в жидком состоянии.

Собственно так и поступают, например, при транспортировке метана из Алжира в США. Создан целый флот танкеров-метановозов. У них на борту работают специальные компрессорные и холодильные установки, поддерживающие нужный режим в танкерах, с тем, чтобы метан был в нужном (жидком) агрегатном состоянии. Во время рейса часть перевозимого метана расходуется на работу холодильных установок.

Число таких плавучих «термосов» исчисляется десятками. В то же время трудно представить себе такую транспортную технологию в сухопутном исполнении.

По счастью, мы можем обо всем этом говорить в сослагательном наклонении. Специалисты нашли другое решение транспортной проблемы. По всей стране и за ее рубежи проложена мощная и разветвленная сеть трубопроводов, и развитие этой сети продолжается.

...