Что такое разработка нефтяных месторождений
Как добывают нефть
Недавно прочитал сообщение, что мэр Москвы Сергей Собянин открыл Музей нефти на Сретенском бульваре. «В Москве нет нефтяных вышек, нефтяных месторождений, но у нас есть огромные отряды людей, которые двигают академическую науку, прикладную, образование, которое работает в значительной части на нефтяную отрасль страны, делая ее передовой», — подчеркнул на открытии мэр Москвы Сергей Собянин.
Молодец, Сергей Семёнович. И дело хорошее сделал – музей открыл, и слова хорошие сказал, вот только несмотря на то, что долгое время проработал на руководящих должностях в нефтедобывающих регионах, немного ошибся с терминологией. «Нефтяных вышек» нет не только в Москве, их нет нигде в мире. Есть буровые вышки (см. фото вверху), являющиеся частью буровых установок, а нефтяных нет. А что же тогда есть?
А вот о том, какими способами и с помощью какого оборудования добывают нефть в России и мире я и постараюсь максимально доступным языком рассказать и наглядно показать в своей статье. (На фотографии вверху — буровая площадка в окрестностях Нарьян-Мара. Снимок не очень качественный, поскольку сделан автором через иллюминатор вертолёта).
Начну с того, что нефть добывают из скважин. Скважина – это цилиндрическая горная выработка (отверстие в земле), незначительного диаметра и большой глубины, предназначенная для подъёма жидкости (вода, нефть) или газа на поверхность.
Диаметр нефтяных скважин, как правило, ступенчато уменьшается от устья (выход скважины на поверхность) до забоя (дно скважины). Диаметр скважин начинается от 40 мм и редко бывает больше 900 мм. Средняя глубина нефтедобывающих скважин в России 2500 м. В скважины спускают специальные трубы, называемые обсадными, чтобы предохранить стенки скважин от обрушения.
В зависимости от геологических условий нефтяного месторождения бурят различные типы скважин:
Длиной скважины называется расстояние между устьем и забоем, измеряемое по оси ствола. Глубиной является проекция длины скважины на её вертикальную ось. Для вертикальных скважин эти значения одинаковы, а вот для наклонно-направленных и горизонтальных – различаются.
Нефтяные скважины бурят как на суше, так и на море, но сегодня мы бурения касаться не будем, а перейдём сразу к способам добычи нефти или, как выражаются нефтедобытчики, к способам эксплуатации скважин.
В настоящее время применяются только два основных способа эксплуатации скважин:
Фонтанный способ добычи нефти
Данный способ применяется при высоком пластовом давлении. В этом случае нефть фонтанирует, поднимаясь на поверхность по насосно-компрессорным трубам (НКТ) за счет энергии пласта. Фонтанирование может происходить за счёт гидростатического напора (очень редко) или за счет энергии расширяющегося газа (в большинстве случаев, поскольку находящийся вместе с нефтью в пласте газ играет главную роль в фонтанировании скважины).
К преимуществам такого способа относится его высокая экономичность, поскольку подъем происходит естественным путем, что не требует применения дорогостоящего нефтедобывающего оборудования, позволяя тем самым сэкономить как на его стоимости, так и на техническом обслуживании.
Оборудование любой скважины, включая фонтанную, должно обеспечивать добычу продукции в заданном режиме и безопасное проведение всех необходимых технологических операций. Оно подразделяется на скважинное (подземное) и устьевое (наземное).
Для фонтанного способа добычи нефти требуется технологически простое наземное и подземное оборудование.
Из подземного оборудования в скважину спускают НКТ с воронкой на конце для удобства спуска-подъёма исследовательских приборов. Колонна НКТ состоит из стальных бесшовных труб длиной 5 – 10 м, соединённых между собой резьбовыми муфтами. Диаметр НКТ варьируется от 27 мм до 114 мм, толщина стенки от 3 мм до 7 мм. НКТ – основной рабочий инструмент при эксплуатации скважин. Эксплуатационная обсадная колонна, как правило, спускается в скважину, цементируется от забоя до устья, и больше не поднимается на поверхность, поэтому все подземные операции выполняются с помощью НКТ: подъём скважинной жидкости на поверхность, ремонтные и промывочные работы и т.д.
В качестве наземного оборудования на устье скважины устанавливается фонтанная арматура (ФА). ФА предназначена для подвески колонны НКТ, герметизации межтрубного (затрубного) пространства, для эксплуатации, регулирования режима работы и ремонта скважины, а также для направления продукции скважины в выкидную линию (т.е. трубу по которой нефть поступает из скважины к замерной установке).
Обслуживают скважины операторы добычи нефти и газа
Фонтанный способ эксплуатации нефтяных скважин применяется на начальном этапе разработки месторождений. По завершению процесса фонтанирования, на скважине начинают применять механизированные методы добычи.
Газлифтный способ добычи нефти
Газлифт является одним из механизированных способов добычи нефти и логическим продолжением фонтанного способа и, в принципе, мало чем от него отличается. При его использовании нефть поднимается из забоя за счет энергии газа, нагнетаемого с устья. На этот способ переходят тогда, когда энергии пласта становится недостаточно для выталкивания нефти, поэтому её подъем начинают осуществлять с помощью подкачки в пласт сжатого газа.
Для сжатия газа используют компрессоры высокого давления. Этот способ называют компрессорным. Бескомпрессорный способ газлифта осуществляют методом подачи в пласт газа, уже находящегося под высоким давлением. Такой газ подводят с ближайшего месторождения.
Несмотря на то, что данный способ отличает простота обслуживания скважин, и он максимально удобен для подъема больших объемов нефти с высоким содержанием газа, он становится всё менее востребованным из-за того, что требует больших затрат на строительство компрессорных станций и газопроводов высокого давления. В настоящее время газлифтным способом добывается не более 5% нефти в России.
В этом ролике (4 минуты) от компании Weatherford очень наглядно (и, главное, без единого слова), показаны технологии, применяемые при газлифтной добыче нефти:
Насосные способы добычи нефти
К насосным способам механизированной добычи нефти относят, как несложно догадаться, добычу нефти при помощи различных видов насосных установок. Обратите внимание, что речь идёт именно об «установках», поскольку кроме, собственно, насоса необходимо и другое погружное (т.е. монтируемое в скважине) и наземное оборудование.
В настоящее время для добычи нефти применяются различные скважинные насосные установки:
Добыча нефти при помощи установки штангового глубинного насоса (УШГН)
Да, да, да. Это именно та самая, всем известная «качалка», фотографию которой наиболее часто используют, когда говорят о нефтедобыче. Это обусловлено, с одной стороны, тем, что УШГН – самый старый и наиболее распространенный в мире вид механизированной эксплуатации нефтяных скважин, а, с другой стороны, тем, что это наиболее «фактурное» нефтедобывающее оборудование.
Для понимания распространённости. Во всем мире сейчас находится в эксплуатации около 2 миллионов нефтяных скважин. УШГН оснащены примерно 750 000 из более чем 1 миллиона скважин, где применяют тот или иной способ механизированной добычи.
УШГН действует по принципу поршневого устройства: при помощи возвратно-поступательных движений наземного привода через колонну насосных штанг глубинный насос поднимает нефть к поверхности. Станок-качалка приводится в движение при помощи электрического двигателя через клиноременную передачу. Также применяются и другие типы приводов для ШГН: цепной привод, гидравлический привод, длинноходовой привод, но назначение у всех одно – привести в движение колонну штанг, обеспечив работу глубинного насоса.
Из всех просмотренных мной на youtube роликов про принцип работы УШГН (на русском языке), именно этот показался мне наиболее предпочтительным с точки зрения доступности, полноты изложения, визуализации и длительности (5 минут):
Добыча нефти при помощи установки электрического центробежного насоса (УЭЦН)
На фотографии вверху видна фонтанная арматура скважины, оснащённой УЭЦН. Сначала объясню, для чего нужны УЭЦН, если есть «качалки». Дело в том, что у УШГН (СШНУ) есть много недостатков, которых лишены УЭЦН, а именно:
Основные компоненты УЭЦН:
ЭЦН приводится в действие с помощью электродвигателя, расположенного в скважине (поэтому он и называется «погружным»). Подвод электроэнергии к нему осуществляется по погружному бронированному кабелю. Электродвигатель может быть асинхронным (магнитное поле создается статором двигателя) или вентильным (магнитное поле создается постоянными магнитами, находящимися в роторе двигателя), который имеет более высокий КПД. Управление погружной установкой производится через станцию управления (СУ). Применяются СУ прямого пуска, а также СУ с возможностью регулирования частоты вращения погружного электродвигателя.
В этом кратком (1 минута) ролике от компании Weatherford очень наглядно (и, главное, без единого слова), показан принцип работы УЭЦН:
Для вашего удобства, привожу перевод терминов, использованных в ролике:
Electric Submersible Pumping System — установка электрического центробежного насоса (УЭЦН)
Motor — погружной электродвигатель
Seal — гидрозащита
Gas Separator — газосепаратор
Submersible Pump – погружной электроцентробежный насос (ЭЦН)
Gas — газ
Oil – нефть
Добыча нефти при помощи установки электроприводного винтового насоса (УЭВН)
Винтовой насос – это насос объёмного действия, подача которого прямо пропорциональна частоте вращения специального винта. При вращении винт (ротор) и его обойма (статор) образуют по всей длине ряд замкнутых полостей, которые передвигаются от приёма насоса к его выкиду. Вместе с ними перемещается и откачиваемая жидкость.
Существует два варианта применения винтовых насосов для добычи нефти.
При первом (как на картинке вверху), который получил наибольшее распространение, электродвигатель и редуктор монтируются на устье скважины и связаны между собой ременной передачей. Обойма винтового насоса спускается в скважину на НКТ, а винт крепится к штангам, которые вращаются электродвигателем через редуктор.
При втором варианте (набирает популярность), схема установки УЭВН аналогична УЭЦН, т.е. винтовой насос приводится в действие погружным электродвигателем, который передаёт крутящий момент напрямую на вал винтового насоса через протектор. Благодаря приводу от погружного электродвигателя, в такой установке не применяются насосные штанги и редуктор, являющийся самым ненадёжным и дорогостоящим компонентом традиционной УЭВН.
УЭВН применяются, главным образом, в скважинах с высоковязкой нефтью.
В этом ролике от компании Weatherford «Progressing Cavity Pumping System» показан принцип работы УЭВН (достаточно посмотреть первые 2 мин.):
Разработка нефтяных месторождений
РАЗРАБОТКА НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ (а. oil field exploitation; н. Erdollagerstattenabbau; ф. exploitation des champs de petrole, exploitation petroliere; и. explotacion de yacimientos de petroleo) — комплекс работ по извлечению нефтяного флюида из пласта-коллектора. Добываемые нефть и попутный газ на поверхности подвергаются первичной обработке (см. Нефтяной промысел). Ввод нефтяного месторождения в разработку осуществляется на основе проекта пробной эксплуатации, технологической схемы промышленной или опытно-промышленной разработки, проекта разработки. В проекте разработки на основании данных разведки и пробной эксплуатации определяют условия, при которых будет вестись эксплуатация месторождения: его геологическое строение, коллекторские свойства пород, физико-химические свойства флюидов, насыщенность горных пород водой, газом, нефтью, пластовые давления, температуры и др. Базируясь на этих данных, при помощи гидродинамических расчётов устанавливают технические показатели эксплуатации залежи для различных вариантов системы разработки, производят экономическую оценку вариантов и выбирают оптимальный.
Системы разработки предусматривают: выделение объектов разработки, последовательность ввода объектов в разработку, темп разбуривания месторождений, методы воздействия на продуктивные пласты с целью максимального извлечения нефти; число, соотношение, расположение и порядок ввода в эксплуатацию добывающих, нагнетательных, контрольных и резервных скважин; режим их работы; методы регулирования процессами разработки; мероприятия по охране окружающей среды. Принятая для конкретного месторождения система разработки предопределяет технико-экономические показатели — дебит скважин, изменение его во времени, коэффициент нефтеотдачи, капитальные вложения, себестоимость 1 т нефти и др. Рациональная система разработки нефтяных месторождений обеспечивает заданный уровень добычи нефти и попутного газа с оптимальными технико-экономическими показателями, эффективную охрану окружающей среды.
Реклама
Основные параметры, характеризующие систему разработки: отношение площади нефтеносности месторождения к числу всех нагнетательных и добывающих скважин (плотность сетки скважин), отношение извлекаемых запасов нефти месторождения к числу скважин — извлекаемые запасы на одну скважину (эффективность системы разработки), отношение числа нагнетательных к числу добывающих скважин (интенсивность выработки запасов); отношение числа резервных скважин, пробуренных после ввода месторождения в разработку с целью более полного извлечения нефти (надёжность системы разработки). Система разработки характеризуется также геометрическими параметрами: расстоянием между скважинами и рядами скважин, шириной полосы между нагнетательными скважинами (при блоково-рядных системах разработки) и др. В системе разработки без воздействия на пласт при малоподвижном контуре нефтеносности используют равномерное четырёхугольное (четырёхточечное) или треугольное (трёхточечное) расположение добывающих скважин; при подвижных контурах нефтеносности расположение скважин учитывает форму этих контуров. Системы разработки нефтяных месторождений без воздействия на пласт в CCCP применяют редко, большей частью месторождение разрабатывается с заводнением. Наиболее широко используется блоково-рядное внутриконтурное заводнение. Создают также площадные системы заводнения с расстоянием между скважинами 400-800 м.
В разработке нефтяных месторождений выделяют 4 периода: нарастающей, постоянной, резко падающей и медленно падающей добычи нефти (поздняя стадия).
На всех этапах разработки нефтяных месторождений осуществляют контроль, анализ и регулирование процесса разработки без изменения системы разработки или с частичным её изменением. Регулирование процесса разработки нефтяных месторождений позволяет повысить эффективность вытеснения нефти. Воздействуя на залежь, усиливают или ослабляют фильтрационные потоки, изменяют их направление, вследствие чего вовлекаются в разработку ранее не дренируемые участки месторождения и происходит увеличение темпов отбора нефти, уменьшение добычи попутной воды и увеличение коэффициента конечной нефтеотдачи. Методы регулирования разработки нефтяных месторождений: увеличение производительности скважин за счёт снижения забойного давления (перевод на механизированный способ эксплуатации, установление форсированного или оптимального режима работы скважин); отключение высокообводнённых скважин; повышение давления нагнетания; бурение дополнительных добывающих скважин (резервных) или возврат скважин с других горизонтов; перенос фронта нагнетания; использование очагового и избирательного заводнения; проведение изоляционных работ; выравнивание профиля притока или приёмистости скважины; воздействие на призабойную зону для интенсификации притока (гидроразрыв пласта, гидропескоструйная перфорация, кислотная обработка); применение физико-химических методов увеличения нефтеотдачи пластов (закачка в пласт серной кислоты, поверхностно-активных веществ и др.). Разработку неглубоко залегающих пластов, насыщенных высоковязкой нефтью, в некоторых случаях осуществляют шахтным способом (см. Шахтная разработка нефтяных месторождений).
Этапы нефтегазовых работ: Бурение, добыча, транспортировка, переработка
Цикл работы с нефтью и газом включает в себя ряд основных этапов
В последние годы при разведочном бурении активнее остальных средств применяются электрические турбобуры.
В ходе разведочного бурения используют буровой раствор.
Буровой раствор должен:
3 ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ БУРЕНИЕ. ИСПЫТАНИЕ СКВАЖИНЫ
3.1 ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ БУРЕНИЕ
рис. 1 Типы профилей наклонно-направленных скважин
3.2 ИСПЫТАНИЕ СКВАЖИНЫ
4 ДОБЫЧА. ПРОМЫСЛОВАЯ ПОДГОТОВКА
4.1 ДОБЫЧА НЕФТИ
1 стадия характеризуется:
Продолжительность стадии зависит от промышленной ценности залежи и составляет 4-5 лет
2 стадия характеризуется:
3 стадия характеризуется:
4 стадия характеризуется:
4.2 ПРОМЫСЛОВАЯ ПОДГОТОВКА
5 ТРАНСПОРТИРОВКА И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ.
После стадии разведочного и эксплуатационных бурений, а также первичной промысловой подготовки следует этап Транспортировки нефтепродуктов или их хранения
5.1 ТРАНСПОРТИРОВКА нефти и нефтепродуктов осуществляется по:
5.2 ХРАНЕНИЕ
6 ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ
Процессы нефтепереработки делят на Первичные и Вторичные
Первичный блок включает в себя:
Вторичный блок состоит из процессов:
Эксплуатация нефтяных месторождений
Нефть – одна из ключевых и наиболее ценных полезных ископаемых в современном мире, особенно в Российской Федерации. Поэтому и важна разработка и эксплуатация нефтяных месторождений.
За последние несколько лет добыча нефти в России выросла больше чем в 20 раз. И с каждым годом на территории государства вводятся в эксплуатацию новые изобильные месторождения.
В основном месторождения нефти находятся в отдаленных и малозаселенных районах Севера, местах залегания вековых пород, на материковых отмелях морей и океанов.
Кроме того, чаще стали использоваться малопродуктивные скважины. Модернизируются способы оборудования добычи и переработки нефти.
Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений состоит из:
Однако не все запасы горючих полезных ископаемых могут быть извлечены из залежей. Чем больше неоднородность продуктивного пласта, тем меньшее количество нефти или газа добывается из него.
Коэффициент добычи черного золота зависит от нескольких обстоятельств:
Эксплуатация нефтяных месторождений проходит в несколько этапов. Первый из них – это освоение скважин. Выполняется для вызова притока нефти из продуктивного пласта с целью восстановления естественных проницаемостей коллектора и добычи продукции из проемов.
Существуют четыре метода освоения скважины:
После освоения скважины ее можно начинать использовать. На данный момент выделяют такие способы эксплуатации нефтяного месторождения: прием пластовой энергии, способ забойного и пластового давления. В первом варианте месторождения эксплуатируются фонтанным способом, который является наиболее эффективным и наименее затратным.
Во втором случае применение скважин происходит фонтанным методом либо при помощи специальных насосов, которые обеспечивают введение в проем дополнительной энергии снаружи. Это помогает снизить забойное давление и увеличить приток жидкости.
При третьем способе используется механизированная эксплуатация скважины с помощью насосов и других устройств путем введения в проем вспомогательной энергии.
Этапы разработки нефтяного месторождения могут длиться от нескольких дней до пары месяцев. Все зависит от продуктивности пластов, качества оборудования, профессионализма и опыта мастеров, природных процессов и так далее.
Разработка нефтяных скважин и месторождений
Ввод нефтяного месторождения в разработку происходит на основании программы пробного использования, технологического графика и проекта промышленной разработки.
Учитывается геологическое строение скважины, коллекторские характеристики породы, физико-химические особенности флюидов, наполненность горных пород жидкостью, нефтью и газом, давление в пласте, температура и так далее.
Технологические показатели разработки нефтяных месторождений – это:
Данные параметры характеризуют процесс производства скважин. В разработке проемов можно выделить четыре ступени: нарастающая, постоянная, резко и мелко падающая добыча нефти.
Во время проведения всех этих периодов необходимо контролировать и регулировать процесс разработки. Это позволит увеличить эффективность поступления нефти.
Современные технологии разработки и эксплуатации нефтяных месторождений на выставке
В столице Российской Федерации каждую весну проводиться выставка технического оборудования и услуг «Нефтегаз».
Как обычно, данное масштабное мероприятие поручено принять опытному ЦВК «Экспоцентр». На его широкой территории расположатся сотни павильонов, где будут представлены успешные достижения отечественных и зарубежных компаний, продемонстрированы современные механизмы, устройства и оборудование в сфере науки и техники.
Участниками экспозиции также будут фирмы, основной профессиональной задачей которых является разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений. Экспоненты покажут свои новейшие наработки и предоставят услуги всем желающим.
В рамках выставки «Нефтегаз» будут проводиться и разнообразные познавательные мероприятия: презентации, лекции, круглые столы, дискуссии, обсуждения и многое другое.
Некоторые участники приедут на мероприятие впервые. Поэтому посетители смогут познакомиться с их продукцией и предоставляемыми услугами.
Основы разработки нефтяных и газовых месторождений
Никто не будет возражать, что нефть и газ – энергетическая и химическая основа нынешней экономики. А потому освоение их залежей должно проводиться наиболее эффективно и целесообразно, чтобы получить максимум возможного при объективном минимуме затрат, не нанося существенного ущерба окружающей среде и обеспечивая необходимый уровень безопасности.
Количество нефтегазовых скважин на планете превысило миллион штук; в России их число ежегодно увеличивается на 7-8 тыс. единиц. Понятно, что ведение такого огромного хозяйства возможно лишь на хорошей научной и практической основе, изучением которой занят ряд дисциплин. Особо среди них можно выделить «Основы разработки нефтяных и газовых месторождений», как залог фундамента знаний, обеспечивающих эффективность работы отрасли на всех уровнях и стадиях нефтегазовой добычи.
Цели и принципы разработки
Целью разработки нефтяного или газового месторождения всегда выступает добыча углеводородного сырья, путём его перемещения из пластовых флюидов к забою (дну ствола скважины). Происходит это за счёт реализации комплекса инженерно-технических мероприятий, включающих в себя:
Но прежде чем начать разработку залежей, необходимо выполнить проведение поисково-разведочных работ по выявлению перспективных в промышленном отношении месторождений. Осуществляется это методами геологической, геофизической и гидрогеохимической разведки или бурением скважин, предназначенных для исследования и изучения пластов.
Физика внутрипластовых явлений
Найденные в результате этих изысканий залежи нефти и газа всегда являются обладателями потенциальной энергии, которая и поддерживает выход углеводородов путём преобразования в энергию кинетическую. Потенциальная энергия возникает в результате:
На основании выбора одного из этих видов внутрипластовой энергии и формируется режим разработки. Всего основных режимов насчитывается пять:
Нередко вышеназванные режимы совмещаются в смешанный режим разработки. Необходимо также отметить, что для газоносных месторождений применимы лишь жёстководонапорный, упруговодонапорный и газонапорный режимы.
Искусственные методы воздействия
Однако, в значительном количестве случаев, использование только естественных факторов бывает недостаточно. В таком случае с целью увеличения добычи находят применение искусственные методы:
Предназначенные для поддержания давления внутри пласта: накачивание газа, подача воды.
Имеющие целью повысить отдачу пластов за счёт роста их проницаемости: обработка солекислотными смесями, гидроразрыв.
Повышения отдачи нефти и газа.
Методов этих достаточно много и они непрерывно совершенствуются, вовлекая в работу огромное количество научно-исследовательских учреждений, так как на повестке дня всё более и более актуальным становится вопрос исчерпания нефтяных и газовых ресурсов планеты. Возможно, что данная проблема, помноженная на некоторое честолюбие и желание сделать карьеру в столь востребованной области, привлекут в нефтегазовую сферу подрастающее поколение, которое найдёт выход из грядущего кризиса.
Но в любом случае, при разработке нефтяных и газовых месторождений важнейшую роль играют и, по всей видимости, будут играть:
То есть, всё то, что положено в основы разработки нефтяных и газовых месторождений.