Здравствуйте друзья! В этой статье речь пойдет о бурении подводных скважин. А точнее о материалах, которые нужны для данной операции. Оффшорные суда выполняют множество различных задач, но одна из наиболее распространенных – это снабжение {supply} или перевозка груза.
Подход к работе у каждого разный:
- можно, не вникая в процесс, возить из порта на буровую {rig} различные материалы и понятия не иметь что, для чего нужно;
- а можно приоткрыть для себя таинство процесса нефтедобычи и разобраться в назначении и применении того груза, который перевозишь ежедневно.
Если Вам ближе по духу второй вариант, то статья будет интересна и полезна.
И так начнем по порядку. Бурение скважины под водой начинается с установки направляющей трубы большого диаметра. Ее называют Conductor Pipe или Conductor Casing.
Conductor Pipe – это горловина скважины, одна ее часть находиться на поверхности грунта, другая – внутри. Через полую трубу ведется бурение скважины.
Чем же бурят? Расстояние от бурильной установки до дна скважины может измеряться сотнями или даже тысячами метров. Очевидно, что бурильная колонна {Drill String} состоит из множества частей.
Давайте о них поговорим.
Начинается все с Drill Pipe – легкой, крепкой, полой трубы.
Drill Pipe собирают из секций, которые называются Joints. Секции соединяют между собой и тем самым добиваются необходимой длины бурильной колонны. Одной стороной Drill Pipe прикрепляют к двигателю на буровой и она передает вращательное движение.
После того, как достигли необходимой длины, к Drill Pipe крепят Heavy Walled Drill Pipe – эти трубы тоже полые, но с утолщенными стенками.
Они соединяют между собой относительно гибкие Drill Pipes и достаточно жесткие Drill Collars. За счет утолщенных труб снижается нагрузка от бурения, которая передается от Drill Collars на колонну бурильных труб. С другой стороны, т.к. эти трубы толще и тяжелее, они придают дополнительную нагрузку на сверло, т.е. усиливают нажим, тем самым делая бурение более эффективным.
Встречаются также Spiral Heavy Walled Drill Pipe.
На них есть резьба, сделанная для того, чтобы уменьшить контактную поверхность трубы со стенками скважины и снизить риск прилипания {risk of sticking}. Т.е. там, где есть вероятность контакта трубы с грунтом, используют спиральные трубы.
После Heavy Walled Drill Pipes устанавливают Drill Collars – это утяжеленная бурильная труба с толстыми стенками и тоже полая внутри.
Эти трубы усиливают нажим бурильной колонны и держат ее в натянутом состоянии. Бывают гладкие и с резьбой. Т.е. это своего рода утяжелители, которые обеспечивают необходимый нажим на сверло, а так же натягивают все соединенные трубы. Натяжение бурильной колонны – очень важно! Чтобы при вращении колонны крутящий момент двигателя передавался на сверло, а не ломал трубы где-то посредине скважины – Drill String не должна иметь слабины, должна быть натянута как “струна”. Этот эффект достигается как раз за счет очень тяжелых труб в конце колонны - Drill Collars, в диаметре они могут достигать 30 см и весить при этом в районе 5-ти тонн. В зависимости от глубины скважины могут устанавливать несколько соединенных труб-утяжелителей.
В бурильной колонне можно встретить Cross Over Subs – это переходники, которые используются для соединения труб с резьбой разного диаметра.
Между Drill Collars и сверлом могут устанавливать Stabilizes. Во время бурения они выполняют роль направляющих, а так же уменьшают износ бурильной колонны, т.к. выравнивают стенки колодца после сверла.
Ну и, наконец, самый главный элемент в бурильной колоне - Drill Bit – сверло. Сверла бывают различных видов. Выбор конкретного типа сверла зависит от типа грунта. Режимы бурения тоже отличаются мягкие породы сверлят с высокой скоростью вращения и умеренным нажимом, а твердые – со средней скоростью, но сильным нажимом. Чтобы не вдаваться в подробности скажу, что сверла делят на два основных вида – Roller con (три подвижных роллера) и Fixed Cutter (без подвижных частей).
К сверлам без подвижных частей относится интересное сверло – Сore Bit with Barrel – это сверло круглой формы с отверстием посередине и присоединенной емкостью в виде цилиндра. Используют его для сборов образцов грунта для геологических исследований.
И так, мы разобрались, чем сверлят скважины, теперь перейдем непосредственно к бурению. Бурильную колонну собрали, спустили сверло на дно Conductor Pipe и начинаем бурить.
Для того, что бы куски грунта не забивали скважину, их вымывают. Через все трубы (а они, как вы помните, полые) под напором подают жидкость для бурения {Drill Fluid}. В начале, для этого используют просто соленую воду {Drill water}. Она под напором вымывает остатки грунта из скважины на поверхность морского дна.
В сверле для бурения Drill Bit есть специальные отверстия для подачи бурильной жидкости на дно скважины.
В процессе бурения наступает момент, когда стенки колодца нужно укрепить, что бы предотвратить обвал грунта. Для этого в Conductor Pipe вставляют Casing Pipe.
Но между стенками этой трубы и грунтом остаются полости. Их заполняют цементным раствором. Закачивают его в трубу, продавливают так, что бы цемент вышел из трубы и заполнил полости. После этого ждут пока он затвердеет.
В итоге скважина представляет собой полую металлическую трубу {casing}, за ней слой цемента и потом грунт. По мере углубления, строят скважину телескопического вида, т.е. каждая последующая Casing Pipe меньше предыдущей.
Очевидно, что необходимая глубина колодца должна быть известна заранее, т.к. невозможно бесконечно сужать диаметр горловины. И если начать строить Production Pipe с недостаточно широкой трубы, то можно и не дойти до резервуара с нефтью или газом.
Мы уже сказали о том, что в начале бурения для очистки колодца используют соленую воду. Но пробурив скважину поглубже, наступает момент, когда вязкости воды не хватает для поднятия грунта на поверхность. Тогда начинают использовать Drill Mud – это специальный раствор для бурения.
Грубо говоря – это жидкость, в которой содержаться твердые частицы. Если необходимо, то добавляют дополнительные компоненты, что бы придать необходимые свойства, например, повысить вязкость раствора или увеличить его вес.
Пока мы не сильно углубились в тему про Mud, хочу рассказать Вам о интересной составляющей бурильной колонны – о Mud motor.
Это гидродинамический мотор, который можно установить после Drill Collars, перед Drill Bit. Mud Motor вращает сверло за счет протекающего через него Mud, при этом остальная часть бурильной колонны не крутится. Т.е. нет необходимости использовать мотор на буровой вышке - сверление происходит лишь за счет вращения, полученного от потока протекающего Mud-а. Такой механизм применяется при горизонтальном бурении. Да, именно горизонтальном - существуют технологии, позволяющие из одной вертикальной скважины пробурить ряд горизонтальных ответвлений. Но это уже тема для отдельного разговора.
И так, возвращаемся к теме растворов для бурения.
Mud на основе воды называют Water Based Mud (WBM). Эта вода может быть пресной, морской, так же встречается на основе Brine (очень соленая вода). Выбор основы для Mud-а зависит от технологических аспектов, в которые мы углубляться не будем.
Mud на основе воды, без вредных для окружающей среды примесей используют так же, как и обычную Drill Water – вымывают грунт на поверхность морского дна. Когда бурильщики доходят до глубины, на которой есть риск наткнуться на незначительные залежи газа или нефти, то на горловину скважины – на Conductor Pipe, устанавливают Blow Out Preventer, сокращенно говорят BOP unit. С помощью этого устройства, можно перекрыть утечку из горловины скважины в случае аварийной ситуации.
На BOP устанавливают колонну из труб, их называют Marine Riser. C помощью них горловину скважины выносят на поверхность воды. Собрав систему с BOP и Marine Riser, бурильщики закачивают Drill Fluid и циркулируют ее в системе. Т.е. теперь все частицы грунта вымываются не на поверхность морского дна, а очищаются на Rig-е в специальных установках. Раствор для бурения отчистили от примесей грунта и снова закачали в скважину, а отдел геологов получает возможность изучить образцы грунта. По полученным образцам судят о прогрессе бурения, сходиться ли результаты предварительных исследованию с реальной ситуацией.
Теперь когда Drill Fluid циркулирует по кругу и нет контакта с окружающей средой, то можно использовать более сложные и дорогие растворы, например - Oil Based Mud. Это Mud на основе нефти. Он обладает большей вязкостью, а значит можно поднять частицы породы с большей глубины.
Давайте поговорим о полезных свойствах Mud-a:
1) Mud охлаждает и смазывает сверло, тем самым уменьшает его износ;
2) Mud укрепляет стенки скважины за счет образования осадка, который называют Mud Cake. Жидкая составляющая Mud-a проникает в пористый грунт, а твердые частицы образуют слой на стенках скважины. Налипший Mud препятствует обваливанию стенок скважины {cave in}.
3) Mud стабилизирует давление внутри скважины. Грунт давит на Mud, и пока давление подачи Mud-a больше, то стенки скважины не обвалятся, а жидкость, которая сочиться из грунта, не проникнет в скважину. Проникание грунтовых жидкостей или газов в бурильный раствор называется - Kick. Если выброс доходит до поверхности горловины, то это уже - Blow out.
И если прорвет на поверхность нефть или газ – то будут серьезные последствия для окружающей среды и для работников буровой. Поэтому давление в замкнутой системе Mud-a тщательно контролируется и удерживается выше уровня давления со стороны грунта. Берут пробы Mud-а, что бы определить наличие посторонних примесей, что свидетельствует о Kick-е.
4) У Mud-a есть еще одно очень интересное свойство – когда он не циркулирует, то превращается в желеобразное вещество. За это его ненавидят на судах, а бурильщики, наоборот, очень любят. Если Mud “станет” в танке или трубопроводе на судне, то будет очень тяжело его оттуда вычистит. А если Mud застынет внутри скважины, то он не даст осесть на дно всем частицам грунта которые еще не поднялись на поверхность. Когда необходимо приостановить бурение, то застывший Mud не дает засыпать сверло в скважине.
Теперь пару слов о примесях которые добавляют в Mud.
Bentonate – минерал, который при попадании в жидкость сильно разбухает. Его добавляют в Mud, что бы повысить вязкость. Это помогает поднимать на поверхность тяжелы частицы грунта.
Barite – тяжелый минерал (тяжелее воды почти в 4 раза). Придает раствору дополнительную плотность для увеличения давления на стенки скважины. Применяют на больших глубинах, где давление грунта возрастает.
Очень часто по технологии требуется, что бы Mud был щелочным (pH в районе 9). Для этого добавляют Caustic Soda. Кстати, очень коррозионное вещество.
Есть еще ряд примесей, например, клей или измельченный мрамор, которые используют в приготовлении раствора для бурения. Обо всех добавках говорить не будем, т.к. и так уже многое обсудили.
Статья получилась довольно объемная и даже “пробежавшись по верхам” все равно набралось много материала.
Теперь пришло время подвести итог:
Для бурения собирают бурильную колонну (Drill Pipes + Heavy Walled Drill Pipes + Drill Collars + Stabilizers + Drill Bit). На морском дне устанавливают Conductor Pipe и по мере углубления укрепляют стенки колодца с помощью Casing Pipes и цемента. На Conductor Pipe устанавливают BOP unit для консервации скважины при аварийной ситуации. С морской поверхности до BOP собирают трубопровод {Marine Riser} для циркуляции жидкости для бурения. C помощью Drill Fluid отчищают скважину от грунта, смазывают и охлаждают сверло, а так же стабилизируют давление.
Вот так несколькими предложениями можно описать процесс Underwater Drilling.
С уважением
Валерий Гусев
Евгений Богаченко
