Введение
Бурение скважин – это процесс создания отверстия в земле для извлечения природных ресурсов, таких как подземные воды, рассол, природный газ или нефть, для закачки жидкости с поверхности в подземный пласт или для оценки и мониторинга подземных формаций. Бурение для изучения состава материалов под землей (например, при поисках металлической руды) наиболее точно описывается как разведочное бурение. Первые скважины представляли собой водозаборные колодцы – неглубокие ямы, выкопанные вручную в районах, где уровень грунтовых вод был близко к поверхности, обычно с облицовкой из камня или дерева для предотвращения обрушения стенок. Современные технологии бурения используют длинные буровые снаряды, позволяющие создавать отверстия значительно уже и глубже, чем при рытье. Бурение скважин может осуществляться как вручную, так и механизированным способом, а сложность и стоимость необходимого оборудования варьируются от простых и недорогих до высокотехнологичных. Управляемое давление бурения (MPD), согласно определению Международной ассоциации буровых подрядчиков (IADC), – это "адаптивный процесс бурения, используемый для более точного контроля профиля давления в кольцевом пространстве скважины". Целями MPD являются "определение пределов давления в забое скважины и соответствующее управление гидравлическим профилем давления в кольцевом пространстве".
Well drilling is the process of drilling a hole in the ground for the extraction of a natural resource such as ground water, brine, natural gas, or petroleum, for the injection of a fluid from surface to a subsurface reservoir or for subsurface formations evaluation or monitoring. Drilling for the exploration of the nature of the material underground (for instance in search of metallic ore) is best described as borehole drilling. The earliest wells were water wells, shallow pits dug by hand in regions where the water table approached the surface, usually with masonry or wooden walls lining the interior to prevent collapse. Modern drilling techniques utilize long drill shafts, producing holes much narrower and deeper than could be produced by digging. Well drilling can be done either manually or mechanically and the nature of required equipment varies from extremely simple and cheap to very sophisticated. Managed Pressure Drilling (MPD) is defined by the International Association of Drilling Contractors (IADC) as “an adaptive drilling process used to more precisely control the annular pressure profile throughout the wellbore." The objectives of MPD are “to ascertain the downhole pressure environment limits and to manage the annular hydraulic pressure profile accordingly."
Самые ранние записи
Самые ранние записи о бурении скважин датируются 347 годом нашей эры в Китае. Нефть использовалась в древнем Китае для освещения, в качестве смазки для осей телег и подшипников водяных молотов, как источник углерода для изготовления тушечных палочек, а также в качестве лекарственного средства для лечения язв у людей и лишая у животных. Уже к I веку до нашей эры в древнем Китае глубокое бурение скважин было передовым методом добычи рассола. Древние китайцы разработали усовершенствованные технологии бурения скважин и стали первой цивилизацией, применившей буровую машину и бамбуковые обсадные трубы для поддержания стенок скважин.
Современная эпоха
В современную эпоху первый патент на роликовый конус был выдан американскому бизнесмену и изобретателю Говарду Хьюзу старшему в 1909 году на роторный породебурный долот. Он состоял из двух сцепленных конусов. Американский бизнесмен Уолтер Бенона Шарп тесно сотрудничал с Хьюзом при разработке этого долота. Успех долота привел к основанию компании Sharp Hughes Tool Company. В 1933 году два инженера Hughes, одним из которых был Ральф Нойхаус, изобрели триконусное долото, имеющее три конуса. Патент Hughes на триконусное долото действовал до 1951 года, после чего другие компании стали производить аналогичные долота. Однако в 2000 году Hughes по-прежнему контролировала 40% мирового рынка буровых долот. Превосходная износостойкость поликристаллических алмазных компактных (PDC) долот постепенно подорвала доминирование роликоконусных долот, и в начале этого века выручка от PDC-долот превысила выручку от роликоконусных долот. Технологии обоих типов долот значительно продвинулись, обеспечивая повышенную долговечность и скорость проходки. Это было обусловлено экономикой отрасли и переходом от эмпирического подхода Hughes в 1930-х годах к современным конечно-элементным расчетам для гидравлического моделирования и программного обеспечения для размещения резцов.
Буровые кожухи в механических буровах
Факторы, влияющие на выбор долота, включают тип геологических условий и возможности буровой установки. Ввиду большого количества пробуренных скважин, информация из близлежащей скважины чаще всего используется для оптимального выбора. Существует два основных типа долот: долота с фиксированным резцом и роликоконусные долота. Долото с фиксированным резцом не имеет движущихся частей, а разрушение породы происходит за счет сдвига, скола или истирания. Долота с фиксированным резцом могут быть поликристаллическими алмазными компактными (PDC), с горячепрессованными алмазными вставками (GHI) или с натуральными алмазами. Роликоконусные долота могут быть с вставками из карбида вольфрама (TCI) для более твердых пород или с зубьями (MT) для более мягких пород. Технологический процесс изготовления и композиционные материалы, используемые в каждом типе долота, делают их оптимальными для конкретных условий бурения. Дополнительные модификации могут быть внесены в любое долото для повышения эффективности в практически любой ситуации бурения. Важнейшим фактором при выборе долота является тип горной породы, которую предстоит бурить. Эффективность долота варьируется в зависимости от типа породы. Выделяют три типа пород: мягкие, средние и твердые. К мягким породам относятся неконсолидированные пески, глины, мягкие известняки, красные песчаники и сланцы. К средним породам относятся доломиты, известняки и твердые сланцы. К твердым породам относятся твердые сланцы, кальциты, глинистые сланцы, кремнистые известняки и твердые абразивные породы. До 2006 года доля рынка в основном распределялась между Hughes Christensen, Security DBS (Halliburton Drill Bits and Services), Smith Bits (дочерняя компания Schlumberger) и ReedHycalog (приобретенная National Oilwell Varco в 2008 году). К 2014 году Ulterra (тогда дочерняя компания ESCO Corp.) и Varel International (дочерняя компания шведской инженерной группы Sandvik) вместе завоевали почти 30% рынка долот в США и ослабили историческое доминирование Smith, Halliburton и Baker Hughes. К 2018 году Schlumberger, приобретшая Smith в 2010 году, стала доминировать на международных рынках благодаря комплексному предложению долот и других инструментов и услуг, в то время как Ulterra (принадлежащая частным инвестиционным компаниям Blackstone Energy Partners и American Securities) продолжила демонстрировать значительный рост, став лидером по доле рынка долот в США по данным Spears Research и Kimberlite Research. Оценка износа долота производится по унифицированной системе, разработанной Международной ассоциацией буровых подрядчиков (IADC). См. публикации Society of Petroleum Engineers / IADC SPE 23938 & 23940. См. также PDC Bits.