Полученные в последнее время экспериментальные данные подтверждают возможность генерации углеводородных систем в мантийных условиях с их последующей миграцией в кору и образованием скоплений углеводородов [1, 2]. Геологические наблюдения, такие, как несоответствие между идентифицированными биогенными источниками и доказанными запасами углеводородов для большинства гигантских нефтегазовых месторождений, наличие крупных углеводородных залежей в кристаллическом фундаменте в отсутствие нефтематеринских свит, могут быть объяснены только с точки зрения концепции глубинного абиогенного генезиса углеводородов. Эта концепция предполагает также наличие углеводородных залежей на глубинах, существенно превышающих так называемое нефтяное окно. И действительно, за последние несколько десятилетий был открыт целый ряд гигантских сверхглубоких залежей углеводородов на глубинах, превышающих 8 км [3, 4].
Именно сверхглубокие залежи являются наиболее перспективными объектами для наращивания ресурсной базы углеводородного сырья в промышленно развитых районах. В настоящее время наиболее перспективными бассейнами для поисков сверхглубоких залежей углеводородов являются Мексиканский залив, Арабский и Восточно-Венесуэльские нефтегазоносные бассейны. В этих бассейнах сосредоточено 48,6 % всех глубоких запасов углеводородов категории 2P [5]. Однако интенсивное сверхглубокое бурение ведется в настоящее время только в бассейне Мексиканского залива. Глубина и предполагаемые запасы наиболее значительных сверхглубоких залежей углеводородов, обнаруженные в Мексиканском заливе (США), представлены в табл. 1.
Глубинные углеводороды залегают в породах, которые можно разделить на три категории: обломочные, карбонатные и кристаллические. В работе [5] показано, что 63,3 % глубинных углеводородов сосредоточены в обломочных породах, 35 % — в карбонатных и только 1,7% – в кристаллических.
ОСОБЕННОСТИ ГЛУБОКОГО
И СВЕРХГЛУБОКОГО БУРЕНИЯ
Глубинные исследования недр предусматривают комплексные геолого-геофизические работы и бурение глубоких (свыше 4000 м) и сверхглубоких (свыше 6000м) скважин [6]. Результаты глубокого и сверхглубокого бурения представляют огромную научную ценность, позволяют существенно повысить достоверность интерпретации геолого-геофизических данных, а также изучать фундаментальные проблемы эволюции земной коры и происходящих в ней геологических процессов [7]. Глубокое и сверхглубокое бурение обеспечивает решение, в том числе, следующих задач [7]:
• вскрытия разрезов геологических структур, получения прямых данных о составе пород и их изменениях в значительном диапазоне глубин;
• создания фактографической основы для моделирования процессов нефте-, газообразования и вариаций состояния геологической среды на значительных глубинах;
• выяснения природы геофизических границ и объектов, образующих аномалии, получения данных о фактических свойствах пород в реальных термодинамических условиях;
• оценки перспектив нефтегазоносности глубоких горизонтов земной коры;
• создания принципиально новых технологий и технических средств для изучения и практического использования глубинных недр.
Учитывая очень высокую стоимость строительства глубоких и сверхглубоких скважин, практический интерес могут представлять только крупные и высокодебитные залежи УВ-сырья. При современных ценах на углеводородное сырье экономически рентабельными будут скопления углеводородов, обнаруженные в пределах старых нефтегазодобывающих провинций, расположенных на территории стран СНГ, на глубинах свыше 7 км, с извлекаемыми запасами свыше 200 млн т н.э. и дебите скважин более 1000 т/сут [8]. При изменениях мировых цен на УВ-сырье, эти показатели будут меняться, но не в прямой зависимости, поскольку одновременно подвергаются колебаниям затраты на производство геологоразведочных работ. Например, в последние годы рост цен на трубы, цемент и другие товары значительно обгонял рост цен на нефть и газ [9].
При глубоком и сверхглубоком бурении возникает множество проблем геологического и технологического характера, среди которых можно выделить:
• Высокую температуру на большой глубине и, соответственно, большие перепады температур по длине ствола скважины. Так, например, в скважине СГ-1 «Аралсор» фактически замеренная температура на глубине 6500 м равна 163 °С [8]. Температура на забое скважины глубиной 10 тысяч метров может достигать 300 °С. При этом допустимая рабочая температура для современного бурового и геофизического оборудования составляет 120 °С, что потребует производства дорогостоящего специального оборудования для работы в условиях повышенных пластовых температур.
• Аномально высокие пластовые давления на больших глубинах, а также появление зон гидроразрыва пород (за счет раскрытия трещин в породах при достижении определенной величины гидростатического давления столба промывочной жидкости). В этих условиях могут возникать различные осложнения — поглощения бурового раствора, прихваты бурильных труб, аномально высокие гидравлические сопротивления в затрубном пространстве, что вызывает падение проходки на долото и механической скорости с глубиной [8].
• Наличие агрессивных сред, таких, как сероводород, углекислый газ, сернистый ангидрид, окислы азота и др. на больших глубинах, вызывающих стремительный коррозионный износ бурового и геофизического оборудования [8].
• С увеличением глубины бурения повышается прочность горных пород, что ведет к значительному снижению скорости бурения. Горные породы с глубиной претерпевают значительные изменения, ведущие к уменьшению первичной пористости и проницаемости. На больших глубинах в Прикаспийской впадине вероятность обнаружения коллекторов гранулярного типа с эффективной пористостью > 5 % ничтожно мала, преобладающими на этих глубинах становятся коллекторы трещинно-кавернозного и трещинного типов, эффективная емкость которых на один-два порядка меньше по сравнению с первично-поровыми коллекторами, залегающими на традиционных глубинах [9]. Для скважин, глубина которых превышает 4500 м, 50 % затрат на бурение расходуется на последние 10 % проходки [10].
• Наличие мощных соленосных толщ на больших глубинах, при проходке которых возможны существенные осложнения при использовании бурового раствора на водной основе. Кроме того, в силу того, что теплопроводность каменной соли выше теплопроводности терригенных пород в 2 – 3 раза, через соляные ядра куполов происходит усиленный вынос тепла, что приводит к заметному, часто локализованному, охлаждению подсолевых отложений [8].
• Для бурения глубоких скважин требуются высоконапорные насосы для подачи промывочной жидкости с давлением нагнетания 35 – 55 МПа и высокой гидравлической мощностью. Для крепления более глубоких скважин требуются трубы из специальных сплавов. Все это существенно повышает стоимость строительства скважин [10].
• Особое внимание приходится обращать на применяемую классическую телескопическую конструкцию крепления ствола, которая обусловлена существенным уменьшением диаметра от устья до забоя [11], а также на проведение целого комплекса сложных работ по креплению открытых интервалов [12].
• Еще одна проблема, замедляющая строительство сверхглубоких скважин и приводящая к различным осложнениям и авариям, это – отбор керна: самая глубокая скважина «Берта Роджерс» в бассейне Анадарко (США) была успешно пробурена без отбора керна до забоя 9583 м всего за 502 дня [8]. Поэтому бурение сверхглубоких скважин предусматривает применение технологий бурения с обратной промывкой (RCD), при которых выбуренный шлам выносится на поверхность буровым раствором по внутритрубному пространству бурильной колонны и может быть использован для лабораторных исследований вместо керна [10].
Для успешного строительства скважин глубиной более 9 – 10 тыс. м требуются сложнейшие технико-технологические решения, прежде всего с применением инновационных подходов [6]:
• Применение тяжелых, в том числе и четырехстоечных, буровых установок грузоподъемностью 900 – 1000т для строительства скважин глубиной более 9000 м, а также всего комплекса сопутствующего бурового оборудования.
• Применение инновационного породоразрушающего инструмента, обеспечивающего максимальную проходку на одно долбление, как правило, с применением технологий PDC и импрегнированных режущих вставок.
• Применение облегченных, сверхпрочных и стойких к агрессивным средам двустенных бурильных труб из алюминиевых или титановых сплавов, обеспечивающих бурение с обратной циркуляцией без отбора керна.
• Применение высокотемпературных буровых растворов на углеводородной или полимерной основе, а также химических реагентов для их обработки. Применение специальных тампонажных смесей, обеспечивающих качественное цементирование в условиях повышенных давлений, температур и агрессивных сред.
• Применение систем автоматического контроля за проводкой вертикальных скважин, способных осуществлять эффективный контроль за минимальным отклонением угла при бурении интервалов различных диаметров.
• Замкнутые циркуляционные системы, позволяющие снизить вероятность сложных аварий при проводке открытых интервалов в сверхглубоких скважинах и гарантированно обеспечивающие необходимую гидравлическую мощность, а также высокую степень очистки раствора.
• Применение технологий бурения на управляемом давлении (MPD). Технология контроля давления при бурении с контролем притока и возврата раствора снижает риски осложнений, связанных с газо-, нефте-, водопроявлениями и поглощениями бурового раствора, а также дает возможность безаварийно производить буровые работы при очень узком диапазоне градиента между пластовым давлением и давлением гидроразрыва пласта [10, 13 – 15].
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И РЕЗУЛЬТАТЫ СВЕРХГЛУБОКОГО БУРЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ РЕГИОНАХ
Результаты сверхглубокого бурения в Мексиканском заливе Фирма «Шеврон» является одним из ведущих операторов, осуществляющих сверхглубокое бурение в районе Мексиканского залива с морских платформ. Типичная конструкция сверхглубокой скважины состоит из семи и более сегментов различного диаметра. Скважины такой конструкции используются при глубине воды до 2000м. Общая глубина скважины может достигать 10000 – 10500м. Результаты сверхглубокого бурения (глубина более 6000 м) в районе Мексиканского залива представлены на рис. 1 [11].
Результаты сверхглубокого бурения в Китае
Большое внимание уделяется сверхглубокому бурению в Китае. В период 2005 – 2015 гг. 957 скважин глубиной более 6000 м были пробурены китайской государственной нефтегазовой компанией China National Petroleum Corporation. Динамика бурения сверхглубоких скважин в Китае приведена на рис. 2 [6]. Бурение велось в основном в Таримском (Tarim) и Сичуанском (Sichuan) нефтегазоносных бассейнах. Среднее время бурения одной скважины в 2015 г. составило 330 дней при темпе проходки 2,54 м в час. Для бурения применялась инновационная концепция «quadruple-joint-stand», позволяющая бурить скважины глубиной более 9000 м. Однако технического описания технологии в литературе не представлено.
В рамках 13-го пятилетнего плана (2016 – 2020гг.) направление, связанное с поиском и разработкой сверхглубоких месторождений, принято в качестве стратегического для устойчивого развития китайской экономики [6].
Результаты глубокого бурения в России
Одним из самых перспективных районов для поиска сверхглубоких скоплений углеводородов на территории России является Прикаспийская нефтегазоносная провинция. В период с 1993 по 2006 г. в Прикаспийской впадине были пробурены 17 скважин глубиной более 4800 м [9] (табл. 2).
Практически все глубокие и сверхглубокие скважины были пробурены до проектных отметок глубины (некоторые даже глубже), испытаны и ликвидированы по геологическим причинам как выполнившие свое назначение [9]. Проведенные работы позволяют прогнозировать в глубокопогруженных горизонтах Прикаспийской впадины существенные запасы природного газа [9].
ВЫВОДЫ
Современная концепция образования скоплений углеводородов, подкрепленная экспериментальными работами и геологическими данными, допускает существование гигантских залежей нефти и газа на глубинах, превышающих 10 – 12 км. Анализ текущих тенденций в области поиска и разведки глубинных углеводородных ресурсов показывает, что одно из направлений развития связано с бурением сверхглубоких скважин. При этом разработка новых инновационных технологий бурения является ключевым вопросом.
В России наиболее перспективными районами для поиска сверхглубоких залежей углеводородов являются регионы традиционной нефтедобычи с развитой инфраструктурой и, в первую очередь, район Прикаспийской впадины. Несмотря на то, что обнаружение сверхглубоких крупных скоплений нефти и газа позволило бы осуществить наращивание ресурсной базы в этих регионах и обеспечить их устойчивое экономическое развитие в будущем, перспективы сверхглубокого бурения в России не внушают оптимизма. Отсутствие российских и ограничение доступа к зарубежным технологиям, связанное с наличием санкций, в настоящее время ограничивают возможности начать полномасштабную программу сверхглубокого бурения в России.
