Вызовы и риски глубокого и сверхглубокого бурения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вызовы и риски глубокого и сверхглубокого бурения

Kucherov V.G., Bessel V.V.

Аннотация

Полученные в последнее время экспериментальные данные подтверждают возможность генерации углеводородных систем в мантийных условиях с их последующей миграцией в кору и образованием скоплений углеводородов.

Анализируя происхождение данных залежей, авторы объясняют его с точки зрения концепции глубинного абиогенного генезиса углеводородов. Показывают особенности глубокого и сверхглубокого бурения и их результаты в различных регионах мира.

Высказывают сомнения о перспективах сверхглубокого бурения в России без использования западных технологий, предлагают стратегию развития новых технологий в нашей стране.

Abstract

Recently obtained experimental data confirm the possibility of generating hydrocarbon systems in mantle conditions with their subsequent migration to the crust and the formation of hydrocarbon accumulations.

Analyzing the origin of these deposits, the authors explain it from the point of view of the concept of the deep abiogenic genesis of hydrocarbons. They show the features of deep and super deep drilling and their results in various regions of the world.

There are doubts about the prospects for super-deep drilling in Russia without the use of Western technologies, they suggest a strategy for the development of new technologies in our country.

Полученные в последнее время экспериментальные данные подтверждают возможность генерации углеводородных систем в мантийных условиях с их последующей миграцией в кору и образованием скоплений углеводородов [1, 2]. Геологические наблюдения, такие, как несоответствие между идентифицированными биогенными источниками и доказанными запасами углеводородов для большинства гигантских нефтегазовых месторождений, наличие крупных углеводородных залежей в кристаллическом фундаменте в отсутствие нефтематеринских свит, могут быть объяснены только с точки зрения концепции глубинного абиогенного генезиса углеводородов. Эта концепция предполагает также наличие углеводородных залежей на глубинах, существенно превышающих так называемое нефтяное окно. И действительно, за последние несколько десятилетий был открыт целый ряд гигантских сверхглубоких залежей углеводородов на глубинах, превышающих 8 км [3, 4].

Табл. 1. Сверхглубокие залежи углеводородов в Мексиканском заливе, США

Именно сверхглубокие залежи являются наиболее перспективными объектами для наращивания ресурсной базы углеводородного сырья в промышленно развитых районах. В настоящее время наиболее перспективными бассейнами для поисков сверхглубоких залежей углеводородов являются Мексиканский залив, Арабский и Восточно-Венесуэльские нефтегазоносные бассейны. В этих бассейнах сосредоточено 48,6 % всех глубоких запасов углеводородов категории 2P [5]. Однако интенсивное сверхглубокое бурение ведется в настоящее время только в бассейне Мексиканского залива. Глубина и предполагаемые запасы наиболее значительных сверхглубоких залежей углеводородов, обнаруженные в Мексиканском заливе (США), представлены в табл. 1.

В настоящее время наиболее перспективными бассейнами для поисков сверхглубоких залежей углеводородов являются Мексиканский залив, Арабский и Восточно-Венесуэльские нефтегазоносные бассейны. В этих бассейнах сосредоточено 48,6 % всех глубоких запасов углеводородов категории 2P.

Глубинные углеводороды залегают в породах, которые можно разделить на три категории: обломочные, карбонатные и кристаллические. В работе [5] показано, что 63,3 % глубинных углеводородов сосредоточены в обломочных породах, 35 % -- в карбонатных и только 1,7% - в кристаллических.

Глубинные исследования недр предусматривают комплексные геолого-геофизические работы и бурение глубоких (свыше 4000 м) и сверхглубоких (свыше 6000м) скважин [6]. Результаты глубокого и сверхглубокого бурения представляют огромную научную ценность, позволяют существенно повысить достоверность интерпретации геолого-геофизических данных, а также изучать фундаментальные проблемы эволюции земной коры и происходящих в ней геологических процессов [7]. Глубокое и сверхглубокое бурение обеспечивает решение, в том числе, следующих задач [7]:

Глубинные исследования недр предусматривают комплексные геолого-геофизические работы и бурение глубоких (свыше 4000м) и сверхглубоких (свыше 6000 м) скважин. Результаты глубокого и сверхглубокого бурения представляют огромную научную ценность, позволяют существенно повысить достоверность интерпретации геолого-геофизических данных, а также изучать фундаментальные проблемы эволюции земной коры и происходящих в ней геологических процессов.

* вскрытия разрезов геологических структур, получения прямых данных о составе пород и их изменениях в значительном диапазоне глубин;

* создания фактографической основы для моделирования процессов нефте-, газообразования и вариаций состояния геологической среды на значительных глубинах;

* выяснения природы геофизических границ и объектов, образующих аномалии, получения данных о фактических свойствах пород в реальных термодинамических условиях;

* оценки перспектив нефтегазоносности глубоких горизонтов земной коры;

* создания принципиально новых технологий и технических средств для изучения и практического использования глубинных недр.

Учитывая очень высокую стоимость строительства глубоких и сверхглубоких скважин, практический интерес могут представлять только крупные и высокодебитные залежи УВ-сырья. При современных ценах на углеводородное сырье экономически рентабельными будут скопления углеводородов, обнаруженные в пределах старых нефтегазодобывающих провинций, расположенных на территории стран СНГ, на глубинах свыше 7 км, с извлекаемыми запасами свыше 200 млн т н.э. и дебите скважин более 1000 т/сут [8]. При изменениях мировых цен на УВ-сырье, эти показатели будут меняться, но не в прямой зависимости, поскольку одновременно подвергаются колебаниям затраты на производство геологоразведочных работ. Например, в последние годы рост цен на трубы, цемент и другие товары значительно обгонял рост цен на нефть и газ [9].

При глубоком и сверхглубоком бурении возникает множество проблем геологического и технологического характера, среди которых можно выделить:

* Высокую температуру на большой глубине и, соответственно, большие перепады температур по длине ствола скважины. Так, например, в скважине СГ-1 «Аралсор» фактически замеренная температура на глубине 6500 м равна 163 °С [8]. Температура на забое скважины глубиной 10 тысяч метров может достигать 300 °С. При этом допустимая рабочая температура для современного бурового и геофизического оборудования составляет 120 °С, что потребует производства дорогостоящего специального оборудования для работы в условиях повышенных пластовых температур.

* Аномально высокие пластовые давления на больших глубинах, а также появление зон гидроразрыва пород (за счет раскрытия трещин в породах при достижении определенной величины гидростатического давления столба промывочной жидкости). В этих условиях могут возникать различные осложнения -- поглощения бурового раствора, прихваты бурильных труб, аномально высокие гидравлические сопротивления в затрубном пространстве, что вызывает падение проходки на долото и механической скорости с глубиной [8].

* Наличие агрессивных сред, таких, как сероводород, углекислый газ, сернистый ангидрид, окислы азота и др. на больших глубинах, вызывающих стремительный коррозионный износ бурового и геофизического оборудования [8].

* С увеличением глубины бурения повышается прочность горных пород, что ведет к значительному снижению скорости бурения. Горные породы с глубиной претерпевают значительные изменения, ведущие к уменьшению первичной пористости и проницаемости. На больших глубинах в Прикаспийской впадине вероятность обнаружения коллекторов гранулярного типа с эффективной пористостью > 5 % ничтожно мала, преобладающими на этих глубинах становятся коллекторы трещинно-кавернозного и трещинного типов, эффективная емкость которых на один-два порядка меньше по сравнению с первично-поровыми коллекторами, залегающими на традиционных глубинах [9]. Для скважин, глубина которых превышает 4500 м, 50 % затрат на бурение расходуется на последние 10 % проходки [10].

* Наличие мощных соленосных толщ на больших глубинах, при проходке которых возможны существенные осложнения при использовании бурового раствора на водной основе. Кроме того, в силу того, что теплопроводность каменной соли выше теплопроводности терригенных пород в 2 - 3 раза, через соляные ядра куполов происходит усиленный вынос тепла, что приводит к заметному, часто локализованному, охлаждению подсолевых отложений [8].

* Для бурения глубоких скважин требуются высоконапорные насосы для подачи промывочной жидкости с давлением нагнетания 35 - 55 МПа и высокой гидравлической мощностью. Для крепления более глубоких скважин требуются трубы из специальных сплавов. Все это существенно повышает стоимость строительства скважин [10].

Табл. 2. Глубокие и сверхглубокие скважины в Прикаспийкой впадине

* Особое внимание приходится обращать на применяемую классическую телескопическую конструкцию крепления ствола, которая обусловлена существенным уменьшением диаметра от устья до забоя [11], а также на проведение целого комплекса сложных работ по креплению открытых интервалов [12].

* Еще одна проблема, замедляющая строительство сверхглубоких скважин и приводящая к различным осложнениям и авариям, это - отбор керна: самая глубокая скважина «Берта Роджерс» в бассейне Анадарко (США) была успешно пробурена без отбора керна до забоя 9583 м всего за 502 дня [8]. Поэтому бурение сверхглубоких скважин предусматривает применение технологий бурения с обратной промывкой (RCD), при которых выбуренный шлам выносится на поверхность буровым раствором по внутритрубному пространству бурильной колонны и может быть использован для лабораторных исследований вместо керна [10].

Для успешного строительства скважин глубиной более 9 - 10 тыс. м требуются сложнейшие технико-технологические решения, прежде всего с применением инновационных подходов [6]:

* Применение тяжелых, в том числе и четырехстоечных, буровых установок грузоподъемностью 900 - 1000т для строительства скважин глубиной более 9000 м, а также всего комплекса сопутствующего бурового оборудования.

* Применение инновационного породоразрушающего инструмента, обеспечивающего максимальную проходку на одно долбление, как правило, с применением технологий PDC и импрегнированных режущих вставок.

* Применение облегченных, сверхпрочных и стойких к агрессивным средам двустенных бурильных труб из алюминиевых или титановых сплавов, обеспечивающих бурение с обратной циркуляцией без отбора керна.

* Применение высокотемпературных буровых растворов на углеводородной или полимерной основе, а также химических реагентов для их обработки. Применение специальных тампонажных смесей, обеспечивающих качественное цементирование в условиях повышенных давлений, температур и агрессивных сред.

* Применение систем автоматического контроля за проводкой вертикальных скважин, способных осуществлять эффективный контроль за минимальным отклонением угла при бурении интервалов различных диаметров.

* Замкнутые циркуляционные системы, позволяющие снизить вероятность сложных аварий при проводке открытых интервалов в сверхглубоких скважинах и гарантированно обеспечивающие необходимую гидравлическую мощность, а также высокую степень очистки раствора.

* Применение технологий бурения на управляемом давлении (MPD). Технология контроля давления при бурении с контролем притока и возврата раствора снижает риски осложнений, связанных с газо-, нефте-, водопроявлениями и поглощениями бурового раствора, а также дает возможность безаварийно производить буровые работы при очень узком диапазоне градиента между пластовым давлением и давлением гидроразрыва пласта [10, 13 - 15].

Новые технологии и результаты сверхглубокого бурения в различных регионах.

Результаты сверхглубокого бурения в Мексиканском заливе Фирма «Шеврон» является одним из ведущих операторов, осуществляющих сверхглубокое бурение в районе Мексиканского залива с морских платформ. Типичная конструкция сверхглубокой скважины состоит из семи и более сегментов различного диаметра. Скважины такой конструкции используются при глубине воды до 2000м. Общая глубина скважины может достигать 10000 - 10500м. Результаты сверхглубокого бурения (глубина более 6000 м) в районе Мексиканского залива представлены на рис. 1 [11].

Для скважин, глубина которых превышает 4500 м, 50 % затрат на бурение расходуется на последние 10 % проходки.

Результаты сверхглубокого бурения в Китае

Большое внимание уделяется сверхглубокому бурению в Китае. В период 2005 - 2015 гг. 957 скважин глубиной более 6000 м были пробурены китайской государственной нефтегазовой компанией China National Petroleum Corporation. Динамика бурения сверхглубоких скважин в Китае приведена на рис. 2 [6]. Бурение велось в основном в Таримском (Tarim) и Сичуанском (Sichuan) нефтегазоносных бассейнах. Среднее время бурения одной скважины в 2015 г. составило 330 дней при темпе проходки 2,54 м в час. Для бурения применялась инновационная концепция «quadruple-joint-stand», позволяющая бурить скважины глубиной более 9000 м. Однако технического описания технологии в литературе не представлено.

В рамках 13-го пятилетнего плана (2016 - 2020гг.) направление, связанное с поиском и разработкой сверхглубоких месторождений, принято в качестве стратегического для устойчивого развития китайской экономики [6].

Результаты глубокого бурения в России

Несмотря на то, что обнаружение сверхглубоких крупных скоплений нефти и газа позволило бы осуществить наращивание ресурсной базы в этих регионах и обеспечить их устойчивое экономическое развитие в будущем, перспективы сверхглубокого бурения в России не внушают оптимизма. Отсутствие российских и ограничение доступа к зарубежным технологиям, связанное с наличием санкций, в настоящее время ограничивают возможности начать полномасштабную программу сверхглубокого бурения в России.

Одним из самых перспективных районов для поиска сверхглубоких скоплений углеводородов на территории России является Прикаспийская нефтегазоносная провинция. В период с 1993 по 2006 г. в Прикаспийской впадине были пробурены 17 скважин глубиной более 4800 м [9] (табл. 2).

Практически все глубокие и сверхглубокие скважины были пробурены до проектных отметок глубины (некоторые даже глубже), испытаны и ликвидированы по геологическим причинам как выполнившие свое назначение [9]. Проведенные работы позволяют прогнозировать в глубокопогруженных горизонтах Прикаспийской впадины существенные запасы природного газа [9].

Современная концепция образования скоплений углеводородов, подкрепленная экспериментальными работами и геологическими данными, допускает существование гигантских залежей нефти и газа на глубинах, превышающих 10 - 12 км. Анализ текущих тенденций в области поиска и разведки глубинных углеводородных ресурсов показывает, что одно из направлений развития связано с бурением сверхглубоких скважин. При этом разработка новых инновационных технологий бурения является ключевым вопросом.

В России наиболее перспективными районами для поиска сверхглубоких залежей углеводородов являются регионы традиционной нефтедобычи с развитой инфраструктурой и, в первую очередь, район Прикаспийской впадины. Несмотря на то, что обнаружение сверхглубоких крупных скоплений нефти и газа позволило бы осуществить наращивание ресурсной базы в этих регионах и обеспечить их устойчивое экономическое развитие в будущем, перспективы сверхглубокого бурения в России не внушают оптимизма. Отсутствие российских и ограничение доступа к зарубежным технологиям, связанное с наличием санкций, в настоящее время ограничивают возможности начать полномасштабную программу сверхглубокого бурения в России.

геологический бурение скважина инновационный

Литература

1. Mukhina E., Kolesnikov A., Kutcherov V. (2017) The lower pT limit of deep hydrocarbon synthesis by CaCO3 aqueous reduction. Scientific Reports 7 (1), 5749.

2. Кучеров В.Г. и др. Синтез сложных углеводородных систем при термобарических параметрах, соответствующих условиям верхней мантии // Доклады Академии наук. 2010. Т. 433. № 3. С. 361-364.

3. Краюшкин В.А., Кучеров В.Г., Клочко В.П., Гожик П.Ф. Неорганическое происхождение нефти: от геологической к физической теории // Геологiчний журнал. 2005. № 2. С. 35-43.

4. Kutcherov V.G., Krayushkin V.A. Deep-seated abiogenic origin of petroleum: from geological assessment to physical theory // Reviews of Geophysics. 2010. Т. 48. № 1. С. RG1001.

5. Cao B., Bai G., Wang Y. More attention recommended for global deep reservoirs. Oil&Gas. 2 Sept, 2013. Рр. 78-85.

6. Haige Wang, Yunhua Ge, Lin Shi. Technologies in deep and ultra-deep well drilling: Present status, challenges and future trend in the 13th Five-Year Plan period (2016-2020) // Natural Gas Industry B, Volume 4, Issue 5, September 2017, рр. 319-326.

7. Геологическая служба и развитие минерально-сырьевой базы / под ред. А.И. Кривцова, И.Ф. Мигачева, Г.В. Ручкина. М.: ЦНИГРИ, 1993. С. 618.

8. Волож Ю.А., Куандыков Б.М. Труднодоступные ресурсы нефти и газа - месторождения больших глубин // Георесурсы, геоэнергетика, геополитика. 2014. № 2(10). С. 9.

9. Токман А.К., Коваленко В.С., Коротков Б.С., Коротков С.Б. Результаты и направления геологоразведочных работ в Прикаспийской впадине // Геология нефти и газа. 2009. № 3. С. 27-35.

10. Kelessidis V.C. Challenges for very deep oil and gas drilling - will there ever be a depth limit? January 2009.

11. Langdon Sheldon, Connor John, Chandler R. Brett, Jellison Michael J. Deepwater Drilling Challenges Demonstrate Learning Curve with New Connection Technology. IADC/SPE 128316, Copyright 2010, IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition.

12. Воробьев Д.В., Гузов Д.С., Кравченко С.А., ПорошинД.В., Щелков А.М., Бессель В.В., Пузырев А.Н., Дудка А.В. Крепление глубокой параметрической скважины № 1 Предречицкой площади в осложненных горно-геологических условиях // Бурение и нефть. 2016. № 7-8. С. 26-29.

13. Боргес С., Доброхлеб П.Ю., Криволапов Д.С., Магда А.В., Сорока Т.Б., Моисеенко И.Ю. Успешное применение различных решений бурения с управляемым давлением: вызовы и оптимальный подход. SPE-192533-RU // Материалы ежегодной Каспийской технической конференции и выставки SPE, 31 октября - 2 ноября 2018, Астана, Казахстан. С. 20.

14. Курбанов В., Ротару А., Грибанов В., Бахитов Р., Сидоров Ю. Опыт применения бурения на регулируемом давлении в условиях трещиноватого карбонатного коллектора в Восточной Сибири. SPE-196790-RU // Материалы Российской нефтегазовой технической конференции SPE, 22-24 октября 2019, Москва, Россия.

15. Галимханов А., Охотников Д., Гинзбург Л., Бахтин А., Сидоров Ю., Кузьмин П., Куликов С., Велиев Г., Бадрави М. Успешное применение технологии бурения скважин с контролем давления в условиях катастрофических поглощений на Куюмбинском месторождении. SPE-196791-RU // Материалы Российской нефтегазовой технической конференции SPE, 22-24 октября 2019, Москва, Россия.

Размещено на Allbest.ru