Глубокое сверление
Под глубокой скважиной обычно понимают скважину, которая не только проникает в близлежащие недра, землю , но также проникает глубоко в породу (добыча: горы ).
С другой стороны, специалисты проводят более точную классификацию отверстий с точки зрения их окончательной глубины (глубины, достигаемой после прекращения сверления) или их диаметра. Так что есть кроме глубокого и неглубокого бурения , сквозного бурения и бурения крупных скважин. Однако эту классификацию нельзя считать абсолютной. Глубокие скважины обычно включают скважины для разработки месторождений нефти , природного газа и геотермальных скважин . Обычно они имеют глубину не менее 500 м. На высоте более 5000 м говорят о чрезмерно глубоких скважинах или (сокращенно) чрезмерно глубоких. Большие скважины являются вал скважины с большим диаметром , чем один метр.
История и технологии
Конфуций сообщает о колодцах, которые были затоплены во время династии Чжоу (1050-256 до н.э.) в Китае для добычи рассола . Говорят, что были достигнуты глубины в несколько сотен метров. Однако нет никаких указаний на используемую технику сверления.
В других частях света долгое время сырье, хранившееся под землей, добывалось только из вырытых вручную шахт и колодцев . Геродот сообщает о добыче асфальта на территории современного северного Ирака (около 450 г. до н.э.). Ранняя добыча нефти в Европе, например в Печельброне в Эльзасе или на северном склоне Лесных Карпат на территории современной северо-западной Украины , велась из шахт, которые до конца XVIII века часто ошибочно называли скважинами.
Ручной поворот
Для бурения земли изначально использовались жесткие буровые штанги, которые вращались вручную. В зависимости от обнаруженных пластов земли использовались соответствующие инструменты: Schappen (цилиндрические скребки) для суглинка и глины, спиральные сверла для суглинистого щебня, глиняные фрезы для расширения ствола скважины и долота для дробления породы.
Ручное роторное бурение известно в Европе примерно с 1420 года. Около 1500 года Леонардо да Винчи с помощью спирального сверла нарисовал устройство для бурения земли, но первое задокументированное бурение - для воды - не было проведено до 1795 года недалеко от Св. Николая д'Абремона во Франции , в результате чего была достигнута конечная глубина 330 м. Неизвестно, какой метод использовался, потому что спиральные сверла выходят из строя при ударе по камню или очень твердой почве. С другой стороны, мягкий грунт и песок могут легко вызвать обрушение скважины, хотя на раннем этапе этому препятствовали, введя защитный обход трубы.
Из-за больших трудностей, вызванных глубоким бурением, долгое время предпочитали шахтную конструкцию. Первоначально бурение велось в основном для артезианской воды (в которой вода стекает на поверхность земли под действием собственного давления) и рассола.
Метод ударного бурения
Метод ударного бурения разработан на основе дробления горной породы с помощью ручного долота, прикрепленного к штанге . В Китае эта процедура использовалась уже около 600 г. до н.э. Известен. Рабочие прыгнули с платформы на качели, которые поднимали веревку и долото. Когда качели отпустили, долото упало на дно скважины. Один с Göpel ведомого шпилем используется для подъема losgeschlagenen породы и для монтажа и демонтажа колонны труб из бамбука трости. При скорости бурения около 1 метра в день китайцы достигли глубины бурения более 500 метров.
В Европе и Северной Америке метод ударного бурения не развивался независимо друг от друга до первой половины XIX века, хотя для работы на качелях использовались паровые двигатели . Наиболее важной движущей силой дальнейшего развития технологии глубокого бурения было быстрое увеличение использования сырой нефти с середины 19 века, что вскоре означало, что необходимо было вскрывать все более глубокие месторождения. Конструкция ствола часто выходила из строя не только из-за необходимой глубины, но прежде всего из-за наличия грунтовых вод, которые поддерживали заполнение стволов. Это также стало причиной легендарного бурения в Титусвилле (Пенсильвания) "полковника" Эдвина Л. Дрейка , которое 27 августа 1859 года обнаружило нефть на глубине всего 21,2 м и поэтому считается началом нефтяной эры. . В результате западная Пенсильвания стала первым нефтяным регионом, а техника бурения, использованная Дрейком, стала известна как пенсильванский метод ударного бурения.
Производительность бурения была быстро увеличена благодаря множеству улучшений. Над зубилом з. Б. прикрепил так называемую утяжеленную бурильную трубу, которая увеличила ударную силу долота и ввела его в ствол скважины.
В другом усовершенствовании - «канадском процессе ударного сверления» - долото было прикреплено к стержню из особо твердой древесины ясеня . Чтобы уменьшить износ штанг от постоянных ударов и предотвратить поломку, над воротником бура с долотом имелись скользящие ножницы, которые при ударе долота отрывались и давали возможность сдвигать штанги. Конструкция также была спроектирована таким образом, что долото слегка поворачивалось при подъеме вверх, что приводило к однородной форме просверленного отверстия. Деревянный стержень вскоре был заменен фиксированным стальным стержнем, который привинчивается. Канадец Уильям Генри МакГарви представил «канадские нефтяные вышки» 1883 года на нефтяных месторождениях Галиции , самого важного района добычи нефти в Европе рядом с регионом Плоешти в Румынии . Соответствующие установки для глубокого бурения также были построены Bergheim & MacCarvey в Вене .
Однако самым большим недостатком метода ударного бурения было то, что долото приходилось вынимать из ствола скважины через равные промежутки времени, чтобы иметь возможность удалять шлам, также известный как шлам, из ствола скважины. Для этого в яму, имеющую на дне заслонку, опускали ведро. При ударе заслонка закрывалась и могла быть поднята при наполнении. Решение для более легкого удаления стружки было технически трудным и, следовательно, потребовало много времени.
При бурении артезианской воды в 1833 году француз Пьер-Паскаль Фовель обнаружил, что поднимающаяся вода под высоким давлением может практически автоматически вывести дробленую породу из скважины. Поэтому Фовель приступил к замене троса или штанги, на которой висело буровое долото, на трубу, через которую вода могла подаваться под высоким давлением на дно скважины. При реализации идеи пришлось решить множество технических проблем, поэтому прошло 11 лет, прежде чем Фовель смог пробурить первую скважину с промывочной водой на глубину 219 м всего за 54 дня недалеко от Перпиньяна на юге Франции.
Технически менее сложный метод ударного бурения без промывки продолжал доминировать в технологиях глубокого бурения. Только примерно в 1875 году процесс ударного бурения все чаще сочетался с процессом промывки Фовеля, что значительно сокращало время бурения, так как процесс бурения нужно было только прервать, чтобы заменить тупое долото. В 1879 году, например, этот метод был использован при разработке нефтяного месторождения Печельброн в Эльзасе. Только после того, как в 1892 году Mannesmann удалось произвести цельнотянутые трубы, буровые штанги удалось усовершенствовать до такой степени, что бурение с непрерывной промывкой стало преобладать.
Помимо полоскания, большое внимание было уделено совершенствованию процесса взбивания. Сверление техника Антон Raky , которые изначально пришли из Гессена , а затем в основном работали в Румынии, запатентовала «быстрого воздействие бурового кран № 7» в 1894 году. Чтобы добиться более высокой частоты ударов, ход коромысла был уменьшен. Благодаря специальным пружинным механизмам, ход коромысла продолжался при увеличенном ходе стрелы, а затем и при еще большем ходе долота. Кроме того, непрерывная промывка была достигнута за счет использования труб в качестве буровых штанг. Практическое применение впервые произошло на нефтяном месторождении Печельброн в Эльзасе, где можно было пробурить скважины глубиной до 340 м.
Но только в 1898 году пионер померанской нефтяной промышленности Альберт Фаук разработал « Процесс быстрого бурения Фаука », который позволил значительно улучшить процесс ударного бурения. На смену тяжелому и оттого неповоротливому коромыслу пришла лебедка с эксцентриковым диском. Долото устанавливалось быстрыми, короткими движениями вверх и вниз с помощью быстро вращающегося эксцентрикового диска. Благодаря ходу всего от 50 до 100 мм и от 100 до 250 ходов в минуту возможна суточная производительность до 60 м. Однако наиболее важным преимуществом было то, что слегка хрупкая порода, лежащая над нефтеносным слоем, могла быть пробурена без каких-либо проблем, в то время как это вызывало серьезные проблемы с предыдущими методами ударного бурения. «Быстрый метод бурения Фаукше» вскоре позволил бурить на глубине более 1300 м.
Метод ударного бурения
При бурении скважины забивным перфоратором процессы вращательного и ударного бурения сочетаются друг с другом. В этом процессе бурения на буровую штангу в стволе скважины устанавливается так называемый забойный ударник. Этот забиваемый в скважину молот генерирует энергию удара через промывочную среду. Это можно сделать как с воздухом, так и с жидкостью. Вращение обычно происходит довольно медленно и зависит от диаметра бурения через буровые штанги. Этот метод бурения особенно эффективен в очень износостойких приповерхностных неводонесущих горных образованиях. В нестабильных областях обсадная труба для обеспечения устойчивости ствола скважины часто забивается в ствол скважины одновременно. На больших глубинах приток воды ограничивает экономическое применение этого метода продувки воздухом; Напротив, забойный молот, приводимый в движение буровым раствором, менее ограничен в своей работе на больших глубинах и в твердых горных образованиях. Буровой раствор, используемый в сочетании с буровым раствором, в дополнение к требованиям, предъявляемым к обычным требованиям к буровому раствору, предъявляет особенно высокие требования к содержанию твердых частиц в абразивных компонентах, содержащихся, чтобы уменьшить износ внутри молота, поскольку насколько это возможно.
Роторный процесс
В 1844 году британец Роберт Беарт зарегистрировал патент на процесс бурения, который во многом соответствует современной технологии роторного глубокого бурения. Порода, соскребанная вращающимся долотом, непрерывно удаляется промывочной жидкостью, которая закачивается через буровую штангу и выходит из долота.
Высокие технические требования (передача большого усилия на подвижную бурильную трубу, непрерывная подача промывочной жидкости в постоянно вращающуюся трубу, необходимость регулирования нагрузки, действующей на буровое долото) долгое время препятствовали реализации концепции. Даже после решения большинства проблем роторный метод считался слишком подверженным отказам и, таким образом, уступал методу ударного бурения до окончания Первой мировой войны.
Первым известным применением роторного метода было бурение на Шпиндлтоп-Хилл около Бомонта (Техас) , где 10 января 1901 года была обнаружена сырая нефть под высоким давлением на глубине 347 м. Последовало сильное извержение, в результате которого около 100 000 баррелей сырой нефти было неконтролируемо выброшено из скважины и унесено из образовавшегося нефтяного озера. Внезапно добыча нефти в США выросла втрое.
Основной особенностью процесса роторного бурения является вращающееся буровое долото . Это часто представляет собой долото с роликовым долотом и имеет несколько зубчатых конических роликов, измельчающих породу для бурения. Сегодня, однако , PDC Долота с твердым сплавом или искусственных алмазов , без движущихся частей, также часто используется. Дробленая порода непрерывно удаляется с помощью промывочной жидкости - воды с глиной или баритовой мукой - подается через бурильную трубу (навинчиваемую колонну труб), выходит из долота и достигает поверхности земли в кольцевом пространстве между стволом скважины и буровой установкой. трубка. Он очищается от принесенного каменного материала с помощью вибрационных сит (так называемых сланцевых встряхивателей) и центробежных сепараторов (называемых пескоочистителями и илоочистителями) и, таким образом, может использоваться снова и снова - после пополнения потерь примеси. Буровой раствор обычно состоит из воды, смешанной с глиной или баритовой мукой, плотность которой приближается к плотности пробуренной породы. Это не только облегчает удаление выбуренной породы, но и предотвращает обрушение скважины в мягких или песчаных слоях. В то же время значительное тепло от трения, создаваемое буровым долотом, рассеивается.
В обычном роторном процессе буровое долото приводится во вращение буровой штангой. Раньше на буровой установке использовался так называемый поворотный стол, который передавал вращение на буровую штангу с помощью квадратной ведущей штанги. Современные буровых установок в основном имеют верхний привод (Engl. Top Drive ) на шкив на вышке , которую келли устранен , и поэтому когда необходимо обновление бурильной колонны упрощается.
В случае очень глубоких или направленных отверстий обычно используется буровая турбина, которая располагается непосредственно над буровым долотом. В этом случае буровая штанга не вращается, а служит только для подачи долота и подачи промывочной жидкости.
Современные буровые коронки с алмазной или твердосплавной вставкой служат от 70 до 100 часов в нормальных почвенных условиях. Чтобы заменить изношенное буровое долото, всю колонну труб необходимо вытащить из ствола скважины и разобрать, чтобы затем можно было опустить новое буровое долото обратно в ствол скважины. Он крепится к буровой штанге с помощью тонкой конической резьбы; Чтобы сверло могло вращаться по часовой стрелке и против часовой стрелки, внешняя и внутренняя резьба бурового долота и первой буровой штанги перед завинчиванием покрывается специальным высокопрочным двухкомпонентным клеем .
Скважина должна быть обсажена, чтобы предотвратить обрушение. Это происходит поэтапно, что проиллюстрировано на примере нефтяной скважины глубиной 3000 м следующим образом: Начальной точкой скважины является труба с внешним диаметром 18-5 / 8 дюймов (473 мм), которая, однако, , простирается только на глубину около 5 м. После глубины 150 м вставляется обсадная труба ( называемая обсадной колонной ) 13-3 / 8 дюймов (340 мм). После того, как обсадная колонна была продвинута на забой скважины, цементный бульон закачивается в пространство между стенкой скважины и обсадной колонной. После достижения глубины около 1500 м выполняется еще одна обсадная труба 9-5 / 8 дюймов (245 мм), и полость повторно цементируется снаружи. Когда будет достигнута конечная глубина, наносится 5-1 / 2 дюйма (140 мм) торцевой обсадной колонны и цемент.
После заканчивания обсадной колонны в секции залежи происходит так называемая перфорация , при которой в обсадную колонну скважины с помощью специального устройства пробуривается серия скважин, чтобы обеспечить приток, например, сырой нефти. нефть или природный газ. Завершением работ является так называемое заканчивание, при котором в ствол скважины проталкивается отдельная эксплуатационная колонна, которая герметизируется над залежью с помощью так называемого пакера к обсадным трубам для предотвращения их коррозии. На поверхности земли скважина закрыта крестом извержения .
Новые методы бурения
В Калифорнии ведутся работы по новым технологиям сверления (от Potter), для которых не требуется долото. В пламени, похожем на пламя сварочной горелки, вода нагнетается под высоким давлением и перегревает горную породу, что означает, что она раскалывается и может быть удалена быстрее, чем механическими средствами. На "сверле" отсутствует механический износ. Процесс был разработан в США в 1960-х годах. В настоящее время ведется работа над практичностью отверстий 30 см.
В рамках проекта, финансируемого Федеральным министерством экономики и энергетики в Техническом университете Дрездена и Техническом университете Фрайберга, тестируется метод, при котором буровая головка дробит породу с помощью высоковольтных электрических импульсов. Этот метод EIV позволяет бурение до одного метра в час.
Записи по бурению
- Самая длинная скважина, используемая для добычи нефти, в настоящее время (февраль 2008 г.) имеет длину 11 680 м. Он был затоплен в 2007 году в рамках разработки нефтяного месторождения Чаюо у северо-восточного побережья Сахалина . Это нефтяное месторождение имеет глубину около 2500 м, но находится в нескольких километрах от берега. Основное развитие - направленное бурение с материка.
- Самая длинная нефтяная скважина в Европе открывает самое прибыльное на сегодняшний день нефтяное месторождение Германии, Миттельплате , которое находится на глубине от 2000 до 3000 м ниже Ваддензе у западного побережья земли Шлезвиг-Гольштейн . Добыча ведется как с искусственного острова в Ваттовом море, так и с буровой площадки Диксанд на материке недалеко от Фридрихскога . От Диканда пока пробурено 7 сильно наклонных скважин, самая длинная из которых - 9 275 м.
- Самая глубокая продуктивная углеводородная скважина в Европе была пробита в 1980 году возле Цистерсдорфа в Нижней Австрии . Цистерсдорф Übertief 1a также обнаружил обильные месторождения природного газа на глубине 7544 м . Скважина обрушилась в еще не закрепленной части, что привело к высыханию газового потока. Скважина Zistersdorf Übertief 2a , которая затем была создана , в 1983 году пробила скважину на глубину 8553 м, но не смогла достичь ожидаемых запасов газа.
- Например, несколько рекордов по бурению были установлены в конце 19 - начале 20 века. Часть бывшей немецкой территории:
В Кляйн-Норденде в Шлезвиг-Гольштейне было достигнуто 1338 метров в 1878 году, 1748 метров в Шладебахе в Саксонии-Анхальт в 1884 году и в 1893 году в районе Рыбника Парушовиц в Верхней Силезии в 2003 году. Карл Кебрих контролировал все три скважины. В 1914 году рекорд в Рыбнике был увеличен до 2240 м.
В то время как большинство глубоких скважин предназначены для разведки или добычи сырья или геотермального использования, некоторые глубокие скважины используются для исследовательских целей (изучения структуры верхней коры земли ). Как правило, это геофизическая разведка пробуренных геологических слоев, например Б. с помощью скважинной геофизики или временного извлечения керна . Самая глубокая скважина в недрах Земли в период с 1970 по 1994 год на российском Кольском полуострове также использовалась для исследовательских целей. Эта так называемая Кольская скважина достигла глубины 12 262 метра.
литература
- Г. Прикель: Технология глубокого сверления. Вена 1959 г.
- А. Т. Бургойн и др.: Прикладная технология бурения. Ричардсон 1991, ISBN 1-55563-001-4 .
- FP Springer: Основные характеристики модели для минимизации затрат на проходку глубоких скважин. В: Erdoel-Erdgas-Zeitschrift. Выпуск 2, 1969 г.
- Ф.П. Спрингер: Об истории технологии глубокого сверления с точки зрения учебников и специализированных книг. В: Нефть-природный газ-уголь. Выпуск 7/8, 2009 г., стр. 308-314.
- М. Райх: Охота под землей - поиск нефти, газа и геотермальной энергии с помощью высоких технологий. Дополнения Verlag, Бад-Зальцдетфурт, 2009 г., ISBN 978-3-00-028049-8 .
- Генрих Ришмюллер: Технология глубокого бурения - ключевой инструмент в энергетической отрасли. В кн . : Науки о Земле. 8, 10, 1990, стр. 317-323. DOI: 10.2312 / geosciences . 1990.8.317 .
Смотри тоже
- Программа континентального глубокого бурения Федеративной Республики Германии
- Скальное строительство
- Метод роторного бурения
Индивидуальные доказательства
- ↑ Поттер Дриллинг
- ↑ Разработка и испытание буровой головки EIV для глубокой геотермальной энергии
- ↑ Матиас Кассель: Мечта о дыре. В: ГЕО. 7/2010, стр. 128 и сл.