Мұнай және газды өндіруге бұрғыланған құдықтар

Кіріспе

Жақсы бұрғыланған мұнай және/немесе газды өндіруге арналған ұңғыма

Мұнай ұңғымасы – жер бетіне мұнай мұнай көмірсутектерін шығару үшін жерде жасалған бұрғылау саңылауы. Әдетте, мұнаймен бірге табиғи газ да мұнай газы ретінде бірге шығарылады. Тек газ өндіруге арналған ұңғыманы газ ұңғымасы деп атауға болады. Ұңғымалар мұнай немесе газ қорына терең бұрғылау арқылы жасалады және қажет болған жағдайда, сорғылар сияқты өндіру құрылғыларымен жабдықталады. Ұңғымаларды құру – қымбат процесс, кем дегенде жүздеген мың долларға түседі, ал оңай қол жеткізбейтін жерлерде, мысалы, теңізде, тіпті одан да қымбатқа шығуы мүмкін. Қазіргі заманғы ұңғымаларды бұрғылау процесі алғаш рет 19 ғасырда басталды, бірақ 20 ғасырда мұнай бұрғылау қондырғылары мен технологиясының жетістіктерімен тиімділігі артты. Мұнай және газ компаниялары ұңғымаларды жиі сатады немесе айырбастайды, себебі мұнай мен газ бағасы төмендеген кезде ұңғыма тиімді болмауы мүмкін, бірақ баға көтерілсе, тіпті аз өнім беретін ұңғымалар да экономикалық тұрғыдан құнды болуы мүмкін. Сонымен қатар, гидравликалық жарылу (мұнай немесе табиғи газ өндірісін арттыру үшін газ немесе сұйықтықты құю процесі) сияқты жаңа әдістер кейбір ұңғымаларды пайдалы етуге мүмкіндік берді. Дегенмен, мұнайдың ең жоғары деңгейі мен табиғи отындарға қатысты климат саясаты осы ұңғымалардың санын және қымбат техниканы азайтып, тиімділігін төмендетті. Алайда, көптеген ұзақ уақытқа қарай назарда болмаған немесе нашар күтілген ұңғымалардың аузы – үлкен экологиялық мәселе: олар жергілікті ауаға, суға және топыраққа метан немесе басқа да зиянды заттарды шығаруы мүмкін. Бұл ластану ұңғымалар тасталғанда немесе қараусыз қалғанда, яғни экономикалық тұрғыдан тиімді болмай қалған ұңғымаларды олардың (бұрынғы) иелері күтпегенде, одан да нашарлай түседі. Рейтер агенттігінің 2020 жылғы бағалауынша, әлем бойынша кем дегенде 29 миллион тасталған ұңғыма бар, бұл климаттың өзгеруіне әсер ететін парниктік газдардың маңызды көзі болып табылады.

Тарих

Ең алғашқы мұнай ұңғымалары біздің заманымыздың 347 жылы Қытайда бұрғыланған. Бұл ұңғымалардың тереңдігі шамамен 6 метрге дейін жеткен. Мұнай тұздықты буландырып тұз алу үшін күйдірілген. 10 ғасырда бамбуктан жасалған құбырлар мұнай ұңғымаларын тұз көздерімен байланыстырған. Қытай мен Жапонияның ежелгі жазбаларында жарық пен жылыту үшін табиғи газды пайдалану туралы көптеген сілтемелер бар. Мұнайды 7 ғасырда Жапонияда "жануар су" деп атаған. Касем Аджрамның айтуынша, 9 ғасырда парсы алхимигі Мұхаммед ибн Закария Рази (Разес) мұнайды дистилляциялап, керосин сияқты химиялық заттарды алған. Араб және парсы химиктері де әскери мақсаттар үшін тұтанғыш өнімдер алу үшін шикі мұнайды дистилляциялаған. Исламдық Испания арқылы 12 ғасырда дистилляция Батыс Еуропаға жеткен. Кейбір дереккөздерде 9 ғасырдан бастап қазіргі Баку маңындағы мұнай кен орындары нафта өндіру үшін пайдаланылған делінеді. Бұл жерлерді 13 ғасырда Марко Поло сипаттаған, ол мұнай ұңғымаларынан алынатын өнімді жүздеген кемеге толы жүк деп баяндаған. 1264 жылы Марко Поло Каспий теңізі жағалауындағы Бакуге келгенде, мұнайдың жер бетіне шығуын көрген. Ол былай деп жазған: "Гиргинге қарайтын жақта, бірден жүз кемеге жүк тиеуге жететін, мол мұнай шығатын бұлақ бар". 1846 жылы Бакуде (Бибі-Хейбат елді мекені) мұнай іздеу үшін алғашқы ұңғыма перкуссиялық құралдармен 5 метр тереңдікке дейін бұрғыланған. 1846-1848 жылдары Бакудің солтүстік-шығысындағы Абшерон түбегінде Николай Воскобойниковтың идеяларын қолдана отырып, орыс инженері Василий Семенов алғашқы заманауи мұнай ұңғымаларын бұрғылаған. Игнатий Лукашевич, поляк фармацевті және мұнай өнеркәсібінің пионері 1854 жылы Польшаның Бобрака ауылында (Кросно округі) әлемдегі алғашқы заманауи мұнай ұңғымаларының бірін бұрғылаған, ал 1856 жылы әлемдегі алғашқы мұнай өңдеу зауыттарының бірін салған. Солтүстік Америкада алғашқы коммерциялық мұнай ұңғымасы 1858 жылы Онтарио штатының Ойл-Спрингс қаласында іске қосылған, ал алғашқы теңіздегі мұнай ұңғымасы 1896 жылы Калифорния жағалауындағы Саммерленд мұнай алаңында бұрғыланған. Қазіргі заманғы ең алғашқы мұнай ұңғымалары ұңғыма бұрғылау арқылы, кабельдің түбіндегі бұрғылау құралын қайта-қайта көтеріп түсіру арқылы бұрғыланған. 20 ғасырда кабельдік құралдар көбінесе айналмалы бұрғылаумен алмастырылды, бұл ұңғымаларды әлдеқайда терең және аз уақытта бұрғылауға мүмкіндік берді. Рекордтық тереңдікке жеткен Кола ұңғымасы бұрғылау кезінде балшық моторды пайдаланған. Дегенмен, қазіргі заманғы бағытталған бұрғылау технологиялары жеткілікті тереңдікте және қажетті құралдар болған жағдайда ұңғымалардың көлденең болуына мүмкіндік береді. Бұл өте маңызды, өйткені көмірсутектер бар резервуарлық тау жыныстары көбінесе көлденең немесе көлденеңге жақын болады; өндіріс аймағына орналастырылған көлденең ұңғыма тік ұңғымадан гөрі өндіріс аймағында көбірек бет алаңына ие болады, нәтижесінде өндіріс жылдамдығы артады. Көлденең және бағытталған бұрғылауды пайдалану бұрғылау орнынан бірнеше километр немесе шақырым қашықтықтағы резервуарларға жетуге мүмкіндік берді (кеңейтілген бұрғылау), бұрғылау қондырғысын орналастыру қиын, экологиялық тұрғыдан сезімтал немесе тығыз қоныстанған жерлердің астында орналасқан көмірсутектерді өндіруге мүмкіндік берді.

The earliest known oil wells were drilled in China in 347 CE. These wells had depths of up to about and were drilled using bits attached to bamboo poles. The oil was burned to evaporate brine producing salt. By the 10th century, extensive bamboo pipelines connected oil wells with salt springs. The ancient records of China and Japan are said to contain many allusions to the use of natural gas for lighting and heating. Petroleum was known as burning water in Japan in the 7th century. According to Kasem Ajram, petroleum was distilled by the Persian alchemist Muhammad ibn Zakarīya Rāzi (Rhazes) in the 9th century, producing chemicals such as kerosene in the alembic (al ambiq), and which was mainly used for kerosene lamps. Arab and Persian chemists also distilled crude oil in order to produce flammable products for military purposes. Through Islamic Spain, distillation became available in Western Europe by the 12th century. Some sources claim that from the 9th century, oil fields were exploited in the area around modern Baku, Azerbaijan, to produce naphtha for the petroleum industry. These places were described by Marco Polo in the 13th century, who described the output of those oil wells as hundreds of shiploads. When Marco Polo in 1264 visited Baku, on the shores of the Caspian Sea, he saw oil being collected from seeps. He wrote that "on the confines toward Geirgine there is a fountain from which oil springs in great abundance, in as much as a hundred shiploads might be taken from it at one time." In 1846, Baku (settlement Bibi Heybat) the first ever well was drilled with percussion tools to a depth of for oil exploration. In 1846–1848, the first modern oil wells were drilled on the Absheron Peninsula north east of Baku, by Russian engineer Vasily Semyonov applying the ideas of Nikolay Voskoboynikov. Ignacy Łukasiewicz, a Polish pharmacist and petroleum industry pioneer drilled one of the world's first modern oil wells in 1854 in Polish village Bóbrka, Krosno County who in 1856 built one of the world's first oil refineries. In North America, the first commercial oil well entered operation in Oil Springs, Ontario in 1858, while the first offshore oil well was drilled in 1896 in the Summerland Oil Field on the California Coast. The earliest oil wells in modern times were drilled percussively, by repeatedly raising and dropping a bit on the bottom of a cable into the borehole. In the 20th century, cable tools were largely replaced with rotary drilling, which could drill boreholes to much greater depths and in less time. The record depth Kola Borehole used a mud motor while drilling to achieve a depth of over
Until the 1970s, most oil wells were essentially vertical, although lithological variations cause most wells to deviate at least slightly from true vertical (see deviation survey). However, modern directional drilling technologies allow for highly deviated wells that can, given sufficient depth and with the proper tools, actually become horizontal. This is of great value as the reservoir rocks that contain hydrocarbons are usually horizontal or nearly horizontal; a horizontal wellbore placed in a production zone has more surface area in the production zone than a vertical well, resulting in a higher production rate. The use of deviated and horizontal drilling has also made it possible to reach reservoirs several kilometers or miles away from the drilling location (extended reach drilling), allowing for the production of hydrocarbons located below locations that are difficult to place a drilling rig on, environmentally sensitive, or populated.

Жоспарлау

Ұңғыма бұрғылау алдында геолог немесе геофизик ұңғыманың мақсаттарына жету үшін геологиялық нысананы анықтайды. Өндірістік ұңғыма үшін мақсат, ұңғымадан өндірісті оңтайландыру және қойманың дренажын басқару үшін таңдалады. Барлау немесе бағалау ұңғымасы үшін мақсат, пайдалы көмірсутектер қорының бар екенін растау немесе оның көлемін анықтау үшін таңдалады. Инъекциялық ұңғыма үшін мақсат, суды немесе газды шығаруға және/немесе жақын орналасқан өндірістік ұңғымаларға көмірсутектерді итеруге мүмкіндік беретін өткізгіш қабатта инъекциялау нүктесін анықтау үшін таңдалады. Нысана (ұңғыманың соңғы нүктесі) жер бетіндегі орналасқан жермен (ұңғыманың бастапқы нүктесі) сәйкестендіріледі және олардың арасындағы траектория жобаланады. Траекторияны жобалау кезінде, жақын орналасқан ұңғымалардан (қақтырысуды болдырмау) немесе болашақ ұңғыма траекторияларынан қашықтық сияқты көптеген факторларды ескеру қажет. Ұңғыма траекториясы анықталғаннан кейін, геологтар мен инженерлер тобы мақсатқа жету үшін бұрғыланатын жер асты жолының болжамды сипаттамаларын әзірлейді. Бұл қасиеттерге литология, тесік қысымы, жарылу градиенті, ұңғыманың тұрақтылығы, кеуектілік және өткізгіштік кіруі мүмкін. Бұл болжамдар ұңғыма инженерлері ұңғыманың қабырғасын және аяқтау бағдарламасын жобалау үшін пайдаланады. Бұрғылау битін, төменгі тесік құрастырмасын және бұрғылау сұйықтығын таңдау да егжей-тегжейлі жоспарлауға кіреді. Ұңғыма дизайнының көптеген элементтерімен өзара байланыс кезінде траекториялар мен жобалар жоспарды бекіту алдында бірнеше рет қайта қарастырылуы мүмкін.

Аяқтау

Ұңғыманы бұрғылап, қаптағаннан кейін оны «толықтыру» қажет. Толықтыру – бұл ұңғыманы мұнай немесе газ өндіруге дайындау процесі. Қапталды қаптау кезінде, мұнайдың айналасындағы тау жынысынан өндіріс құбырына ағып кетуіне мүмкіндік беру үшін өндіріс аймағы арқылы қаптаманың бөлігіне кішкентай перфорациялар жасалады. Ашық тесікті толықтыру кезінде көбінесе соңғы бұрғыланған, бірақ қапталмайтын резервуар бөлімінде «құм экрандары» немесе «шағыл жинағы» орнатылады. Бұл құдық шахтасының құрылымдық тұрақтылығын сақтайды, сонымен бірге резервуардан шахтаға ағынға мүмкіндік береді. Сондай-ақ, экрандар құмның өндіріс құбырларына көшіп кетуін бақылайды, бұл, әсіресе біріктірілмеген құмды формациялардан, құдықтардың тозуына және басқа да проблемаларға әкелуі мүмкін. Ағын жолы жасалғаннан кейін, қышқылдар мен гидравликалық жарылыс сұйықтықтары ұңғымаға сорғыланып, тау жыныстарын жарып, тазалап немесе басқаша дайындап, ұңғыма шахтасына көмірсутектердің оңтайлы өндірілуін қамтамасыз ету үшін ынталандырылуы мүмкін. Әдетте, ұңғыманың өндіріс бөлігінің жоғары жатқан аймағы қаптаманың ішінде тығыздалады және кішкентай диаметрлі құбыр арқылы жер бетімен байланыстырылады, ол құбыр деп аталады. Бұл құрылым көмірсутектердің ағып кетуіне қосымша кедергі жасайды, сондай-ақ зақымдалған бөліктерді ауыстыруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, құбырдың көлденең қимасының кішірек ауданы резервуар сұйықтықтарына жоғары жылдамдық береді, бұл сұйықтықтың кері құлауын азайтады, осылайша қосымша кері қысымды тудырмайды және қаптаманы коррозиялық ұңғыма сұйықтықтарынан қорғайды. Көптеген ұңғымаларда жер асты резервуарының табиғи қысымы мұнай немесе газдың жер бетіне өзінен ағып шығуына жеткілікті. Дегенмен, мұндай жағдай әрқашан бола бермейді, әсіресе басқа өндіріс ұңғымалары қысымды төмендеткен немесе төмен өткізгіштігі бар мұнай резервуарларында. Өндіріске көмектесу үшін кішкентай диаметрлі құбыр орнату жеткілікті болуы мүмкін, бірақ жасанды көтеру әдістері де қажет болуы мүмкін. Кәдімгі шешімдерге жер үстілік сорғылар, ұңғыма ішіндегі гидравликалық сорғылар немесе газ көтеру көмегі жатады. Соңғы жылдары ұңғыма толықтыру үшін көптеген жаңа жүйелер енгізілді. Фракциялық порттары немесе портты мойындары бар көп пакерлік жүйелер бір жүйеде толықтыру шығындарын қысқартып, өндірісті жақсартты, әсіресе көлденең ұңғымалар үшін. Бұл жаңа жүйелер қаптаманы жанама аймаққа орнатуға мүмкіндік береді, дұрыс пакер/фракциялық порттар орналасқан жерде көмірсутектерді оңтайлы қалпына келтіруге мүмкіндік береді.

After drilling and casing the well, it must be 'completed'. Completion is the process in which the well is prepared to produce oil or gas. In a cased hole completion, small perforations are made in the portion of the casing across the production zone, to provide a path for the oil to flow from the surrounding rock into the production tubing. In open hole completion, often a 'sand screen' or 'gravel pack' is installed in the last drilled but uncased reservoir section. These maintain structural integrity of the wellbore in the absence of casing, while still allowing flow from the reservoir into the borehole. Screens also control the migration of formation sands into production tubulars, which can lead to washouts and other problems, particularly from unconsolidated sand formations. After a flow path is made, acids and fracturing fluids may be pumped into the well to fracture, clean, or otherwise prepare and stimulate the reservoir rock to allow optimal production of hydrocarbons into the wellbore. Usually the area above the producing section of the well is packed off inside the casing, and connected to the surface via a smaller diameter pipe called tubing. This arrangement provides a redundant barrier to leaks of hydrocarbons as well as allowing damaged sections to be replaced. Also, the smaller cross sectional area of the tubing gives reservoir fluids an increased velocity to minimize liquid fallback that would create additional back pressure, and shields the casing from corrosive well fluids. In many wells, the natural pressure of the subsurface reservoir is high enough for the oil or gas to flow to the surface. However, this is not always the case, especially in depleted fields where the pressures have been lowered by other producing wells, or in low permeability oil reservoirs. Installing a smaller diameter tubing may be enough to help the production, but artificial lift methods may also be needed. Common solutions include surface pump jacks, downhole hydraulic pumps or gas lift assistance. Many new systems in recent years have been introduced for well completion. Multiple packer systems with frac ports or port collars in an all in one system have cut completion costs and improved production, especially in the case of horizontal wells. These new systems allow casing to run into the lateral zone equipped with proper packer/frac port placement for optimal hydrocarbon recovery.

Өндіріс

Өндіріс кезеңі – ұңғыманың өміріндегі ең маңызды кезең: мұнай мен газ өндірілетін уақыт. Осы кезде ұңғыманы бұрғылау және аяқтау үшін қолданылған мұнай платформалары мен жөндеу қондырғылары ұңғыма осінен алынып, жоғары жағында әдетте «Рождестволық ағаш» немесе өндіріс ағашы деп аталатын клапан жиынтығы орнатылады. Бұл клапантар қысымды реттейді, ағынды бақылайды және қосымша аяқтау жұмыстары қажет болған жағдайда ұңғымаға кіруге мүмкіндік береді. Өндіріс ағашының шығыс клапанынан ағын мұнай өңдеу зауыттарына, табиғи газ компрессорлық стансаларына немесе мұнай экспорттық терминалдарына өнімді жеткізу үшін құбырлар мен резервуарлар желісіне қосылуы мүмкін. Резервуардағы қысым жеткілікті деңгейде болғанда, ұңғыманы өндіру үшін өндіріс ағашы ғана жеткілікті. Егер қысым төмендесе және бұл экономикалық тұрғыдан тиімді деп табылса, толықтыру бөлімінде айтылған жасанды көтеру әдісі қолданылуы мүмкін. Ескі ұңғымаларда жиі жөндеу жұмыстары қажет болады, онда кіші диаметрлі құбырлар, масштаб немесе парафин тазалау, қышқыл матрицалық жұмыстар немесе аз тереңдіктегі резервуардағы жаңа қызығушылық аймақтарында аяқтау қажет болуы мүмкін. Мұндай жөндеу жұмыстарын құбырларды тарту және ауыстыру үшін жөндеу қондырғыларын (сонымен қатар тарту агрегаттары, аяқтау қондырғылары немесе «сервистік қондырғылар» деп те аталады) пайдалану арқылы немесе оралымды құбырларды қолдана отырып, ұңғымаға араласу техникасын қолдану арқылы жүргізуге болады. Көтеру жүйесінің және ұңғыма басының түріне байланысты, сорғыны құбырды тартпай ауыстыру үшін сорғыш қондырғысы немесе жылдам ауыстырғыш қолданылуы мүмкін. Су басу, бу басу немесе CO2 басу сияқты күшейтілген қалыпқа келтіру әдістері резервуар қысымын арттыру және көмірсутектерді резервуардан ығыстыру үшін «ығыстыру» әсерін беру үшін қолданылуы мүмкін. Мұндай әдістер инъекциялық ұңғымаларды пайдалануды талап етеді (көбінесе ескі өндіріс ұңғымаларынан мұқият анықталған схема бойынша таңдалады) және резервуар қысымының төмендеуі немесе мұнайдың жоғары тұтқырлығы проблемалары туындаған кезде қолданылады, кейде кен орнының өмірінің басында қолданылады. Кейбір жағдайларда – резервуардың геомеханикасына байланысты – резервуар инженерлері кен орнын дамытудың басында су басу стратегиясын қолдану арқылы соңғы өндірілетін мұнай көлемін кейінірек емес, ертерек арттыруға болатынын анықтай алады. Мұндай күшейтілген қалыпқа келтіру әдістері көбінесе екінші немесе «үшінші қалыпқа келтіру» деп аталады.

The production stage is the most important stage of a well's life: when the oil and gas are produced. By this time, the oil rigs and workover rigs used to drill and complete the well will have moved off the wellbore, and the top is usually outfitted with a collection of valves called a Christmas tree or production tree. These valves regulate pressures, control flows, and allow access to the wellbore in case further completion work is needed. From the outlet valve of the production tree, the flow can be connected to a distribution network of pipelines and tanks to supply the product to refineries, natural gas compressor stations, or oil export terminals. As long as the pressure in the reservoir remains high enough, the production tree is all that is required to produce the well. If the pressure depletes and it is considered economically viable, an artificial lift method mentioned in the completions section can be employed. Workovers are often necessary in older wells, which may need smaller diameter tubing, scale or paraffin removal, acid matrix jobs, or completion in new zones of interest in a shallower reservoir. Such remedial work can be performed using workover rigs – also known as pulling units, completion rigs or "service rigs" – to pull and replace tubing, or by the use of well intervention techniques utilizing coiled tubing. Depending on the type of lift system and wellhead a rod rig or flushby can be used to change a pump without pulling the tubing. Enhanced recovery methods such as water flooding, steam flooding, or CO2 flooding may be used to increase reservoir pressure and provide a "sweep" effect to push hydrocarbons out of the reservoir. Such methods require the use of injection wells (often chosen from old production wells in a carefully determined pattern), and are used when facing problems with reservoir pressure depletion or high oil viscosity, sometimes being employed early in a field's life. In certain cases – depending on the reservoir's geomechanics – reservoir engineers may determine that ultimate recoverable oil may be increased by applying a waterflooding strategy early in the field's development rather than later. Such enhanced recovery techniques are often called Secondary or "tertiary recovery".

Жабайы табиғатқа әсері

Мұнайды іздеу және бұрғылаудың салдары көбінесе қайта орнатылмайды, әсіресе жануарлар үшін.