Введение

Нефтяная скважина – это скважина, пробуренная в земле для извлечения нефтяных углеводородов на поверхность. Как правило, вместе с нефтью выделяется попутный газ. Скважина, предназначенная для добычи только газа, называется газовой скважиной. Скважины создаются путем бурения в нефтяные или газовые залежи и, при необходимости, оснащаются оборудованием для добычи, таким как станки-качалки. Создание скважин может быть дорогостоящим процессом, требующим затрат не менее сотен тысяч долларов, а в труднодоступных местах, например, в море – значительно больших. Современное бурение скважин началось в XIX веке, но стало более эффективным благодаря усовершенствованию буровых установок и технологий в XX веке. Скважины часто продаются или обмениваются между различными нефтяными и газовыми компаниями как актив, поскольку во время падения цен на нефть и газ скважина может быть нерентабельной, но при росте цен даже малопродуктивные скважины могут представлять экономическую ценность. Более того, новые методы, такие как гидроразрыв пласта (процесс закачки газа или жидкости для увеличения добычи нефти или природного газа), сделали некоторые скважины рентабельными. Однако истощение нефтяных ресурсов и климатическая политика в отношении ископаемого топлива снизили рентабельность этих скважин и дорогостоящих технологий. В то же время, большое количество заброшенных или плохо обслуживаемых устьев скважин представляет собой серьезную экологическую проблему: они могут приводить к утечке метана или других токсичных веществ в местные системы воздуха, воды и почвы. Загрязнение часто усиливается, когда скважины заброшены или остаются без присмотра, то есть когда скважины, которые больше не являются экономически целесообразными, перестают обслуживаться их (бывшими) владельцами. По оценкам агентства Reuters за 2020 год, в мире насчитывается не менее 29 миллионов заброшенных скважин, которые являются значительным источником выбросов парниковых газов, усугубляющих изменение климата.

История

Самые ранние известные нефтяные скважины были пробурены в Китае в 347 году н.э. Эти скважины достигали глубины около 30 метров и бурились с помощью буровых долот, прикрепленных к бамбуковым столбам. Нефть сжигалась для выпаривания рассола с целью получения соли. К X веку обширные бамбуковые трубопроводы соединяли нефтяные скважины с соляными источниками. Считается, что древние записи Китая и Японии содержат множество упоминаний об использовании природного газа для освещения и отопления. В Японии в 7 веке нефть была известна как «горящая вода». По словам Касема Аджама, персидский алхимик Мухаммад ибн Закария Рази (Разес) в 9 веке перегонял нефть, получая химические вещества, такие как керосин, в алембике (аль-амбик), который в основном использовался для керосиновых ламп. Арабские и персидские химики также перегоняли сырую нефть для получения горючих продуктов для военных целей. Через исламскую Испанию дистилляция стала доступна в Западной Европе к 12 веку. Некоторые источники утверждают, что с IX века разрабатывались нефтяные месторождения в районе современного Баку (Азербайджан) для производства нефти для нефтяной промышленности. Эти места были описаны Марко Поло в 13 веке, который оценивал добычу этих нефтяных скважин в сотни кораблей. Когда Марко Поло посетил Баку в 1264 году, расположенный на побережье Каспийского моря, он увидел, как нефть собирают из естественных просачиваний. Он писал, что «на границе в сторону Гейргина есть источник, из которого нефть изливается в огромном количестве, настолько, что из него можно было бы за один раз забрать сто кораблей». В 1846 году в Баку (поселение Биби-Гейбат) первая в мире скважина была пробурена ударным способом на глубину 300 метров для разведки нефти. В 1846–1848 годах первые современные нефтяные скважины были пробурены на Абшеронском полуострове к северо-востоку от Баку русским инженером Василием Семеновым, применившим идеи Николая Воскобойникова. Игнатий Лукашевич, польский фармацевт и пионер нефтяной промышленности, пробурил одну из первых в мире современных нефтяных скважин в 1854 году в польской деревне Бобрка, Кросненский уезд, и в 1856 году построил один из первых в мире нефтеперерабатывающих заводов. В Северной Америке первая коммерческая нефтяная скважина начала работу в 1858 году в Ойл-Спрингс, Онтарио, а первая морская нефтяная скважина была пробурена в 1896 году в нефтяном месторождении Саммерленд на побережье Калифорнии. Самые ранние нефтяные скважины в наше время бурились ударным способом, многократно поднимая и опуская буровое долото на дне кабеля в скважину. В XX веке кабельные инструменты в значительной степени были заменены роторными, которые позволяли бурить скважины на гораздо большую глубину и за меньшее время. До 1970-х годов большинство нефтяных скважин были по существу вертикальными, хотя литологические изменения заставляли большинство скважин отклоняться по крайней мере немного от истинной вертикали (см. геолого-съемочные работы по определению отклонений). Однако современные технологии направленного бурения позволяют создавать сильно отклоняющиеся скважины, которые при достаточной глубине и с использованием соответствующих инструментов могут фактически стать горизонтальными. Это имеет большое значение, поскольку коллекторские породы, содержащие углеводороды, обычно имеют горизонтальную или почти горизонтальную форму; горизонтальная скважина, расположенная в продуктивном пласте, имеет большую площадь поверхности в продуктивном пласте, чем вертикальная скважина, что приводит к более высокой скорости добычи. Использование отклоняющихся и горизонтальных буровых технологий также позволило достичь пластов, расположенных в нескольких километрах или милях от места бурения (бурение с расширенным радиусом действия), что позволило добывать углеводороды, расположенные ниже мест, на которых трудно разместить буровую установку, экологически чувствительных или населенных пунктов.

Планирование

Перед бурением скважины геолог или геофизик определяет геологическую цель, необходимую для достижения поставленных задач. Для добывающей скважины цель подбирается для оптимизации добычи и управления дренажом пласта. Для разведочной или оценочной скважины цель выбирается для подтверждения наличия жизнеспособного углеводородного резервуара или определения его границ. Для нагнетательной скважины цель определяется для размещения точки нагнетания в проницаемом горизонте, способном принимать воду или газ и/или оказывать воздействие на близлежащие добывающие скважины, вытесняя углеводороды. Геологическая цель (конечная точка скважины) сопоставляется с поверхностной точкой (начальной точкой скважины), и проектируется траектория между ними. При проектировании траектории необходимо учитывать множество факторов, таких как безопасное расстояние до существующих и планируемых скважин (предотвращение столкновений). После определения траектории скважины команда геологов и инженеров разрабатывает прогнозные характеристики подземного пути, который будет пройден для достижения цели. Эти характеристики могут включать литологию, пластовое давление, градиент трещин, устойчивость ствола скважины, пористость и проницаемость. Эти предположения используются инженерной группой при разработке программ обсадных труб и заканчивания скважины. В детальное планирование также входит выбор долота, забойного оборудования и бурового раствора. Разрабатываются пошаговые инструкции для обеспечения безопасного и экономически эффективного бурения. Взаимосвязь множества элементов конструкции скважины приводит к тому, что траектории и проекты часто проходят несколько итераций перед окончательным утверждением плана.

Завершение

После бурения и обсадки скважины она должна быть "завершена". Завершение – это процесс подготовки скважины к добыче нефти или газа. При обсадной завершённости в обсадной колонне делаются небольшие перфорации напротив продуктивного пласта, чтобы обеспечить путь для потока нефти из окружающей породы в эксплуатационную колонну. При завершении открытого ствола часто устанавливается "песчаный экран" или "гравийная упаковка" в последнем пробуренном, необсаженном участке пласта. Они поддерживают структурную целостность ствола скважины при отсутствии обсадной колонны, одновременно обеспечивая приток из пласта в ствол скважины. Экраны также контролируют миграцию пластового песка в эксплуатационные колонны, что может привести к вымыванию и другим проблемам, особенно в неконсолидированных песчаных коллекторах. После создания пути для потока в скважину могут закачиваться кислоты и жидкости для гидроразрыва пласта для разрушения, очистки или иной подготовки и стимулирования горной породы пласта, чтобы обеспечить оптимальную добычу углеводородов в скважину. Обычно участок выше продуктивного интервала скважины перекрывается внутри обсадной колонны и соединяется с поверхностью посредством трубы меньшего диаметра, называемой эксплуатационной колонной. Такая конструкция обеспечивает дополнительный барьер для предотвращения утечек углеводородов, а также позволяет заменять поврежденные участки. Кроме того, меньшая площадь поперечного сечения эксплуатационной колонны придает пластовым флюидам более высокую скорость, чтобы минимизировать возврат жидкости, что создало бы дополнительное контрдавление, и защищает обсадную колонну от коррозионных скважинных флюидов. Во многих скважинах естественного пластового давления достаточно для того, чтобы нефть или газ поступали на поверхность. Однако это не всегда так, особенно на истощенных месторождениях, где давление снижено другими добывающими скважинами, или в нефтяных пластах с низкой проницаемостью. Установка эксплуатационной колонны меньшего диаметра может быть достаточной для поддержания добычи, но также могут потребоваться методы искусственного подъема. Распространенные решения включают наземные штанговые насосы, глубинные гидравлические насосы или газлифт. В последние годы было представлено много новых систем для завершения скважин. Многопакерные системы с портами для ГРП или портальными муфтами в системе "все в одном" снизили затраты на завершение и повысили добычу, особенно в горизонтальных скважинах. Эти новые системы позволяют обсадной колонне проходить в латеральную зону, оснащенную правильным расположением пакеров/портов для ГРП для оптимального извлечения углеводородов.

Производство

Стадия добычи – это наиболее важная стадия в жизни скважины: именно на ней осуществляется извлечение нефти и газа. К этому моменту буровые и капитально-ремонтные установки, использовавшиеся для бурения и заканчивания скважины, отводятся от устья, которое обычно оснащается комплектом клапанов, называемым фонтанной арматурой или добычной арматурой. Эти клапаны регулируют давление, контролируют потоки и обеспечивают доступ к скважине для проведения дополнительных работ по заканчиванию, если это потребуется. От выходного клапана фонтанной арматуры поток может быть подключен к системе трубопроводов и резервуаров для подачи продукта на нефтеперерабатывающие заводы, компрессорные станции природного газа или терминалы экспорта нефти. Пока давление в пласте остается достаточно высоким, для добычи скважины достаточно только фонтанной арматуры. Если давление падает и это признается экономически целесообразным, может быть применен метод искусственного подъема, описанный в разделе о заканчивании. Капитальные ремонты часто необходимы в старых скважинах, которым может потребоваться труба меньшего диаметра, удаление отложений (накипи или парафина), кислотная обработка пласта или заканчивание в новых перспективных зонах в более мелководном пласте. Такие ремонтные работы могут выполняться с помощью капитально-ремонтных установок – также известных как подъемные установки, заканчивающие установки или "сервисные установки" – для извлечения и замены труб, либо с использованием технологий внутрискважинного вмешательства с применением гибких труб. В зависимости от типа системы подъема и устья скважины, для замены насоса без извлечения труб может использоваться штанговая установка или установка для быстрой замены. Для повышения давления в пласте и создания эффекта "вытеснения" для извлечения углеводородов из пласта могут применяться методы повышения нефтеотдачи, такие как заводнение, паровое воздействие или закачка CO2. Эти методы требуют использования нагнетательных скважин (часто выбираемых из старых добывающих скважин по тщательно разработанной схеме) и применяются при проблемах с падением давления в пласте или высокой вязкости нефти, иногда начиная с ранних стадий разработки месторождения. В некоторых случаях – в зависимости от геомеханики пласта – инженеры по разработке месторождений могут определить, что максимальный объем извлекаемой нефти может быть увеличен путем применения стратегии заводнения на ранней стадии разработки месторождения, а не позднее. Такие методы повышения нефтеотдачи часто называют вторичными или "третичными" методами.

Влияние на дикую природу

Влияние разведки и добычи нефти часто необратимо, особенно для диких животных.