Что объединяет добычу нефти и телескоп? Буровые мастера догадаются сразу: по такому принципу строятся скважины. Провести в недра стальную трубу мало — чтобы конструкция была прочной и долговечной, придется заглубить на километры в землю несколько слоев металла, а снаружи окольцевать их специальным цементом, который умеет самовосстанавливаться.
Подземный «телескоп»
Земная кора неоднородна, ее слои отличаются плотностью и прочностью, встречаются подземные воды. Вот почему скважину бурят в несколько этапов, и на каждом пройденный участок изолируют и укрепляют. Иногда достаточно сделать два подхода — от поверхности до нефтяного пласта и внутри пласта. Если геология в месте бурения сложная и включает несколько пластов с углеводородами, а скважина планируется длинной, ее могут строить и в пять этапов — чтобы содержимое разных подземных «этажей» не смешивалось.
Каждый этап бурения завершается тем, что мастера добираются до устойчивых непроницаемых пород, поднимают бурильную колонну с долотом на конце и опускают на ее место обсадную трубу — металлическую стенку, которая не даст грунту осыпаться внутрь скважины. Отрезки обсадной колонны вставляют одну в другую, как в телескопической трубе. Чем глубже бурят, тем меньше диаметр долота.
Чтобы облегчить спуск обсадной колонны, на ее конец надевают башмак — стальную насадку с толстыми стенками. Нос башмака может быть в форме конуса или шара. При продолжении проходки низ башмака разбуривают.
Первая обсадная колонна называется направляющей — она находится ближе всего к поверхности. Ее задачи — укрепить и защитить устье скважины и послужить местом для оттока бурового раствора из-под земли.
Во время бурения в скважине циркулирует буровой раствор. Он вымывает на поверхность размолотую породу, охлаждает долото и удерживает стенки от обрушения.
Следующая колонна — кондуктор: она защищает скважину от неустойчивых и водоносных пластов. За ней опускают промежуточные колонны, а последней идет эксплуатационная колонна — ее нефть проходит первой, поднимаясь на поверхность.
Цементный «поезд»
На каждом этапе скважину цементируют, чтобы конструкция надежно держалась в породе. Для этого в колонну запускают «поезд». Первый «вагон» — разделительная пробка, второй — слой цемента, третий — продавочная пробка. Роль локомотива играет буровой раствор, который нагнетают в скважину, чтобы протолкнуть «поезд» вглубь.
Когда «поезд» достигает дна, давление начинает расти. Из-за этого в нижней пробке разрушается специальная перепонка — и цемент продавливается в пространство за обсадной трубой: между стальной оболочкой (обсадной колонной) и породой. К концу строительства вся скважина охвачена цементным «коконом», толщина которого составляет 15–50 миллиметров.
Обычно скважину защищают цементом по всей длине. Если порода пласта прочная, финальный отрезок не цементируют. Если же скважина проходит через несколько углеводородных пластов или если ее нижний отрезок пришлось зацементировать, в каменном кольце можно сделать перфорацию. Через нее нефть потечет внутрь скважины. Через такую перфорацию проводят и гидроразрыв пласта.
«Заживить» трещины
Цемент для укрепления скважин отличается по составу от обычных строительных, из которых мы строим фундаменты дачных домов. Раствор должен хорошо течь, не давать осадок, выдерживать пластовые воды и затвердевать в определенный период времени. Время загустевания и затвердевания можно регулировать химическими добавками. Рецептуру цемента подбирают под условия конкретной скважины.
Цементных композиций, которые применяют нефтяники, огромное количество. Подбирая состав, мы регулируем его вес (облегченный/утяжеленный), эластичность, время схватывания, теплопроводность и другие параметры.
Иван Денисов
Эксперт по цементированию в компании «Газпром нефть»
По словам Ивана Денисова, в компании применяют пеноцемент — он обладает повышенной эластичностью и низкой плотностью, а также прочнее, чем стандартные облегченные составы той же плотности. Используют газблокирующие добавки — они снижают вероятность просачивания газа через цементный камень.
Существует даже самовосстанавливающийся цемент — сейчас он проходит промышленное испытание на одном из месторождений «Газпром нефти»: он позволит продлить жизнь скважинам и снизить затраты на их ремонт. Его состав таков, что если в застывшем цементе появятся трещины, то при контакте с нефтью или газовым конденсатом в них образуется гель, который «заживит» трещины.
Ученые Пермского политеха тоже разработали цемент, который умеет регенерировать, но этот процесс в нем запускают грунтовые воды. Когда они проникают в свежую трещину, минеральный комплекс в составе цементного камня вступает с ней в реакцию и дефект «зарастает» изнутри минеральными кристаллами.
Оригинал статьи и другие материалы об энергетике читайте на сайте журнала «Энергия+».