Скважинная горная технология

СКВАЖИННАЯ ГОРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ (а. bore mining; н. Воhrlochbergbau; ф. technologie miniere par forage; и. tecnologia minera de pozos) — научная дисциплина о скважинном способе разработки месторождений полезных ископаемых; входит в систему горных наук. Изучает вопросы добычи газообразных, жидких и полужидких полезных ископаемых (газ, конденсат, нефть, вода, битуминозные породы), а также твёрдых полезных ископаемых путём их перевода в текучее состояние. Скважинная горная технология решает задачи рационального воздействия на пласты и массивы горных пород (с целью наиболее полного извлечения полезных ископаемых) и на призабойную зону (для повышения производительности добывающих или приёмистости нагнетательных скважин, подъёма полезных ископаемых из недр на поверхность).

Методы скважинной горной технологии основываются на достижениях физики, химии, математики, геологии, термогидромеханики пластов, трубной гидравлики, подземной гидрогазодинамики и др. Скважинная горная технология тесно связана с технологиями бурения скважин, сбора, внутрипромыслового транспорта и первичной переработки полезных ископаемых. Для решения задач скважинной горной технологии используются моделирование, промышленных эксперименты, графические и аналитические методы, ЭВМ.

Впервые скважинную горную технологию применили в 12 веке для добычи соляных рассолов из скважин, затем эти методы были использованы для добычи артезианских вод, с середины 19 века — для добычи нефти и газа, с 40-х гг. 20 века — для добычи твёрдых полезных ископаемых

Как научное направление скважинная горная технология начинает формироваться с середины 19 века. Первые теоретические исследования по скважинным методам добычи относятся к 60-м гг. 19 в. Французским исследователем Ж. Дюпюи были выведены формулы для определения дебитов водяных скважин. Позднее работы в этом направлении были продолжены А. Буссине (Франция), Ф. Форхгеймером (Германия), Ч. Слихтером (США). В России гидромеханическое направление в изучении подземных вод развивали Н. Е. Жуковский, К. Э. Лембко, И. А. Тиме, Г. С. Войслав, которые дали математический анализ притока воды к колодцам и формулу производительности скважин в зависимости от их диаметра. Позднее в исследованиях советских (М. Е. Альтовский, А. А. Краснопольский, Н. Н. Павловский, Ф. П. Саваренский, Г. В. Богомолов, В. В. Ведерников, Б. К. Ризенкапф, Г. Н. Каменский, П. Я. Полубаринова-Кочина, В. М. Шестаков и др.) и зарубежных учёных (Г. Гефер, М. Маскет, Ч. Джейкоб, Х. Купер, Дж. Козени, О. Э. Мейнцер, Э. Принц и др.) разрабатывались важнейшие теоретические и практические аспекты проблемы притока грунтовых (безнапорных) и артезианских вод к скважинам, решались вопросы использования скважин для гидротехники, ирригации, добычи пресных, минеральных и термальных вод.

В связи с массовым бурением скважин для добычи нефти со 2-й половины 19 в. развернулись исследования в области скважинной горной технологии в нефтепромысловом деле. До начала 40-х гг. 20 в. разрабатываются методы добычи нефти под действием природных внутрипластовых сил, т.е. использующие естественный режим пластов. В 1869 И. Ф. Иваницкий рекомендовал использовать на бакинских нефтепромыслах глубинные поршневые штанговые насосы, в 1874-76 глубиннонасосная технология добычи внедрена на нефтепромыслах России. В 1887 В. Г. Шухов испытал в Баку компрессорный способ добычи нефти с использованием сжатого воздуха (эрлифт). В 1914 М. М. Тихвинский предложил газлифт. Развитие теории разработки нефтяных месторождений началось с работы А. Коншина (1894) по расчёту изменения добычи нефти Балахано-Сабунчино-Раманинского месторождения с помощью кривой её постоянного процентного падения. В США подобные кривые построены Р. Арнольдом, Р. Андерсеном (1908). В 1918-24 С. Н. Чарноцкий впервые исследовал влияние расстояний между нефтяными скважинами на их производительность, аналогичные работы в США провели К. Бил, Дж. Льюис, В. Котлер. М. В. Абрамович создал первую классификацию систем разработки нефтяных месторождений, М. В. Никитин — первую теорию разработки многопластовых нефтяных месторождений "снизу вверх". В конце 20 — начале 30-х гг. 20 в. И. Н. Стрижов, Н. Т. Линдтроп, С. Н. Шаньгин заложили основы теории режимов нефтяных месторождений.

Первые опыты искусственного воздействия на пласт с целью поддержания пластового давления начали проводиться в CCCP и США в 20-е гг. В CCCP опыты нагнетания воздуха в пласт для увеличения добычи нефти велись в 1928-29 на промыслах Баку, в 1934 и 1937 — в Майкопе, в 1935 — в районе Чусовских городков, в 1939-40 — в Старогрозненском нефтеносном районе, в 1944 — на промыслах Краснокамска и Малгобека.

Л. С. Лейбензоном в 20-е гг. начаты исследования по Подземной гидрогазодинамике, продолженные в 30-40-е гг. В. Н. Щелкачёвым, Б. Б. Лапуком, С. А. Христиановичем, И. А. Чарным. В США подобные исследования проводили Дж. Козени, О. Э. Мейнцер, М. Маскет, Л. Юрен, В. Херст и др.

I Всесоюзный съезд ВНИТО нефтяников в 1933 определил новые направления развития технологии нефтедобычи. На съезде Г. К. Максимовичем была предложена методика составления генеральных комплексных планов разработки нефтяных месторождений, а в центре внимания поставлена не отдельная скважина, а нефтеносный пласт как физически единое целое. Работы по подземной газогидродинамике создали теоретической фундамент для подготовки методов рациональной разработки нефтяных месторождений, искусственного воздействия на продуктивные пласты. В этот период ставятся лабораторные эксперименты по фильтрации нефти, газа, нефти с окклюдированным газом, по изучению особенностей взаимодействия скважин на моделях пластов (в CCCP — В. М. Барышев, А. Н. Снарский, А. А. Болтышев, Г. Л. Михайлов, Д. С. Вилькер и др.; в США — Р. Виков, М. Ботсет, М. Леверетт и др.). Эти исследования стимулировали опытные работы по поддержанию пластового давления, которыми была доказана возможность сокращения числа эксплуатационных скважин без снижения уровня добычи (И. Ф. Корниенко). В 30-е гг. разрабатываются теоретические основы технологии добычи природного газа (И. Н. Стрижов, Г. А. Саркисьянц), гидродинамическая теория интерференции скважин, основы метода увеличения нефтеотдачи форсированным отбором жидкости из обводнённых скважин (С. Т. Овнатанов, В. А. Каламкаров, Т. С. Болотов), предлагается принципиально новый метод извлечения нефти — внутрипластовое горение (А. Б. Шейнман, К. К. Дубровай).

В 40-е гг. создаются теоретические основы и совершенствуются методы фонтанной, газлифтной и глубиннонасосной эксплуатации скважин (А. П. Крылов, И. М. Муравьёв, А. С. Вирновский, А. Н. Адонин, А. Г. Бабуков), проводятся первые промышленные опыты по закачке в пласт воды (Казахстан, промыслы Макат и Доссор, 1943). Практическое использование идеи рациональной разработки нефтяных месторождений с поддержанием пластового давления и создание новых методов скважинной горной технологии стало возможным только после войны. С 1944 были развёрнуты работы по интенсификации нефтедобычи путём поддержания и повышения пластового давления с помощью закачки воды в пласты. В 1948 группа учёных (М. М. Глаговский, М. Ф. Мирчинк, Н. М. Николаевский, И. А. Чарный) под руководством А. П. Крылова опубликовала итоговую работу, освещающую теоретические и практические основы методов проектирования разработки нефтяных месторождений. Дальнейшее развитие теории и практики эксплуатации нефтяных месторождений привело к созданию систем разработки с применением технологий законтурного и приконтурного заводнения. Система разработки с законтурным заводнением была впервые использована в CCCP в 1948 на Туймазинском месторождении (К. А. Байрак, С. И. Кувыкин, А. А. Трофимук, Т. М. Золоев, Г. К. Максимович, В. Н. Щелкачёв и др.). При внедрении процессов заводнения решались вопросы подготовки закачиваемой в пласт воды (И. Э. Апельцин, В. Т. Малышек, А. М. Жданов, П. В. Мозжухин и др.). Открытие и разработка Туймазинского месторождения девонской нефти стало началом "большой нефти" Урало-Поволжья, где в 50-60-е гг. отрабатывались методы заводнения, создавались их новые разновидности. Система разработки с применением законтурного заводнения была использована затем на месторождениях: Нефтяные камни (Азербайджан), Западный Кум-Даг (Туркмения) и др.

В начале 50-х гг. А. П. Крыловым и др. предложен новый способ разработки нефтяных месторождений — внутриконтурное заводнение. Эта технология была впервые опробована на Ромашкинском месторождении (Татария). В её разработке и внедрении принимали участие А. П. Крылов, Р. А. Бегишев, Ю. П. Борисов, М. М. Иванова, М. И. Максимов и др. Разрабатывается теория и осваивается процесс блокового (К. Б. Аширов, В. Ф. Сазонов, М. Л. Сургучёв, Д. А. Такоев, И. Л. Ханин), площадного (А. И. Губанов, А. Н. Мустафинов, А. Т. Шмарев), избирательного (В. Н. Щелкачёв, И. Я. Югин, Г. Ш. Витугин), очагового (А. И. Комаров, В. Д. Лысенко, Г. Г. Вахитов), нестационарного заводнения, при котором периоды закачки воды через нагнетательные скважины чередуют с периодами резкого её снижения или полного прекращения, что приводит к изменению фильтрационых потоков в пласте и за счёт этого к дополнительному вытеснению нефти из слабопроницаемых участков (М. Л. Сургучёв, Б. Ф. Сазонов, А. А. Боксерман, В. Е. Гавура, В. Г. Оганджанянц). Системы разработки с применением различных типов заводнения в последующие годы использовались на всех крупнейших нефтяных месторождениях страны.

С конца 50 — начала 60-х гг. начали интенсивно развиваться методы теплового воздействия на пласт, повышающие его нефтеотдачу, которые применялись на месторождениях с повышенной вязкостью нефти, а также при высоком содержании в ней парафина. Увеличение нефтеотдачи пластов и интенсификация добычи при этом достигались за счёт снижения вязкости нефти, испарения из нефти лёгких фракций, вытеснения нефти в ненагретой зоне газами горения и других эффектов. Для повышения температуры нефтяных пластов предложена закачка в пласт различных теплоносителей: нагнетание горячей воды (И. А. Чарный, С. В. Сафронов, Ю. П. Желтов, Г. Е. Малофеев, К. А. Оганов, Э. Б. Чекалюк), площадное и циклическое нагнетание пара (К. А. Оганов, А. Р. Гарушев, Г. Е. Малофеев, Н. Л. Раковский). Разработана технология внутрипластового горения: сухого (А. Б. Шейнман, Э. Б. Чекалюк, И. Д. Амелин и др.) и влажного (А. А. Боксерман, Ю. П. Желтов).

Создаются принципиально новые методы физико-химического воздействия на пласт, основанные на применении химреагентов (высоковязких водорастворимых полимеров, ПАВ, щелочей и композиций из них), которые либо растворяются в нагнетаемой в пласты воде, либо создают из них соответствующих объёмов оторочки между нефтью и вытесняющей водой. Предлагается технология полимерного заводнения (Ю. В. Желтов, И. А. Швецов), направленная на увеличение вязкости вытесняющей воды, что уменьшает её прорывы по высокопроницаемым частям пласта и делает заводнение более эффективным и стабильным. Разрабатывается ряд технологий, основанных на достижении смешиваемости нефти и веществ, вытесняющих её из пластов, т.е. уменьшении капиллярных сопротивлений на контакте нефть — вытесняющий агент. Проводятся исследования по вытеснению нефти: лёгкими углеводородами — пропаном, газовым конденсатом и др., углеводородным газом или CО₂ при высоком давлении, водой с ПАВ; смесью ПАВ, органических спиртов, углеводородов и воды (т.н. полимерно-мицеллярное заводнение), водными растворами двуокиси углерода, серной кислотой.

Для добычи сверхвязких нефтей из сравнительно неглубоких залежей с 30-40-х гг. используется шахтный метод, предусматривающий создание горных выработок над или под нефтяным пластом с последующим бурением большого числа мелких скважин из специальных камер (А. Я. Кремс, С. М. Бондаренко, А. И. Адамов и др.). В дальнейшем этот метод преобразован в термошахтный (Н. И. Мельничук, В. П. Табаков и др.) — с применением закачки пара через скважины из горных выработок в нефтяной пласт.

Помимо воздействия на пласт разрабатываются и широко внедряются методы воздействия на призабойную зону скважин. Теоретические работы по гидравлическому разрыву пласта, начатые в 30-е гг. С. А. Христиановичем, с успехом продолжены в 50-70-е гг. (Г. К. Максимович, Ю. П. Желтов, Р. Д. Фаниев и др.). Ведутся исследования по кислотной обработке призабойной зоны, сочетанию гидроразрыва и кислотной обработки, торпедированию и перфорации скважин, пороховому термохимическому и тепловому воздействию (электро- и парообработка), вибровоздействию. Применение новых технологий воздействия на пласты и призабойную зону скважины потребовало разработки методов борьбы с отложениями парафина, солей, коррозией оборудования, методов исследования пластов и скважин, а также создания точных приборов контроля за состоянием пластов и работой скважинного оборудования.

С 50-х гг. интенсивно развиваются технологии рациональной разработки газовых месторождений, учитывающие условия неразрывной цепочки "пласт — скважины — установки комплексной подготовки газа к транспорту (УКПГ) — магистральный газопровод — потребитель" (Б. Б. Лапук, А. Л. Козлов, Ю. П. Коротаев, Е. М. Минский и др.). Разрабатывается технология эксплуатации газовых скважин с большим содержанием агрессивных компонентов в газе (сероводород, углекислый газ). Проводятся исследования в области создания и эксплуатации подземных хранилищ газа в водоносных или истощённых газовых пластах для обеспечения бесперебойного газоснабжения при суточных или сезонных колебаниях потребления газа. Закладываются основы технологии разработки крупных газовых и газоконденсатных месторождений. Для специфичных условий месторождений Крайнего Севера используется принцип концентрированного размещения устьев газовых и газоконденсатных скважин. Предложена методика проектирования разработки, учитывающая приуроченность группы газоконденсатных месторождений к единой водонапорной системе (Б. Б. Лапук, Ф. А. Требин, С. Н. Закиров и др.). При разработке месторождений с высокими коллекторскими свойствами применяются скважины с увеличенным диаметром. Показана принципиальная возможность разработки газогидратных залежей с помощью скважинной горной технологии (В. Г. Васильев, О. М. Макогон, А. А. Трофимук). В качестве методов воздействия на нефтегазоконденсатные залежи предложены: регулирование отборов нефти и газа при неподвижности границы их раздела, закачка воды в зоны раздела нефти и газа, обратная закачка добытого газа после извлечения из него конденсата (до выработки основных запасов конденсата) и др. Проводятся исследования по созданию методов извлечения выпавшего в пласте конденсата с помощью углеводородных и неуглеводородных растворителей.

В 30-е — 50-е гг. 20 в. интенсивно разрабатываются и испытываются в опытно-промышленных масштабах скважинные горные технологии добычи и переработки твёрдых полезных ископаемых: каменного угля, руд цветных металлов, урана, солей, серы и др. Исследуются возможности различных вариантов скважинной горной технологии, основанных на предварительной газификации, растворении, расплавлении горных пород или переводе их в подвижное состояние под воздействием микроорганизмов. Идея о подземной газификации углей развивается в работах Б. И. Бокия, И. П. Кириченко, И. Е. Коробчанского, В. А. Матвеева, В. П. Скафы и Д. И. Филиппова (метод газификации угля в целике), И. В. Лаврова, И. Л. Фарберова, В. Н. Питина (методы скважин-газогенераторов и фильтрационный), Г. Д. Бакулева. В 50-е гг. опытно-промышленные исследования по внутрипластовому окислению углей для добычи газа проводятся в Донецком и Подмосковном угольных бассейнах.

С 40-х гг. в CCCP ведутся исследования по выщелачиванию подземному меди (А. А. Зворыкин, Л. Н. Быков, А. П. Юдыцкий и др.). Промышленное освоение технологии осуществляется на Дегтярском и Зюзельском месторождениях. В конце 50-х гг. метод используется для добычи урана. С 70-х гг. ведутся исследования по выщелачиванию никеля, марганца, молибдена и других металлов, фосфоритов. Различные аспекты метода развивают В. Г. Бахуров, И. К. Руднева, В. П. Новик-Кочан, Н. В. Губкин, Г. Б. Попова, А. И. Калабин и др.

Поиск путей интенсификации скважинной горной технологии твёрдых полезных ископаемых определяет развитие рудничной микробиологии (Г. И. Каравайко, И. Н. Ляликова, Г. А. Заварзин, М. В. Иванов и др.).

С конца 19 — начала 20 вв. развивается технология растворения подземных минеральных солей с использованием буровых скважин (методы прямотока и противотока). Недостатки неуправляемых методов растворения стимулируют в 40-е — 60-е гг. разработку теоретических основ этой технологии (А. П. Куле, П. С. Бобко, П. М. Дудко, Э. В. Лехтимяки, В. Н. Белов и др.), создаются методы гидровруба, послойный, батарейный и др. Возможности скважинной добычи предварительно растворённых калийных солей исследуются в 30-е гг. Г. И. Преображенским, Е. И. Ахумовым, Б. В. Васильевым и др. С 1965 начинается эксплуатация первого промышленного предприятия по подземному растворению калийных солей в Канаде.

В 60-е гг. в CCCP усовершенствуется метод выплавки подземной, предложенный Г. Фрашем в 1891 (США) для разработки купольных месторождений серы. Закладываются теоретические основы метода (В. Ж. Аренс, В. С. Подхалюзин, Г. Х. Хчеян, И. Л. Демьянов и др.), создаются технология и система разработки пластовых месторождений серы. Опытно-промышленные исследования проводятся на Язовском и Гаурдакском месторождениях.

Поиск эффективных методов извлечения рыхлых руд приводит к созданию скважинной гидродобычи. Различные способы разрушения горных пород и доставки её на поверхность предлагают С. Астон, Г. Вилдл, Б. В. Исмагилов, Д. И. Шпак и др. (CCCP). В начале 70-х годов метод используется для добычи фосфоритов (месторождения Прибалтики). Разрабатываются способы скважинной гидродобычи песчано-гравийных материалов, россыпного золота, руд других металлов из россыпных месторождений.

В 60-е — 70-е гг. обобщаются теоретические и методологические основы скважинной горной технологии твёрдых полезных ископаемых (В. Ж. Аренс, Д. П. Лобанов, Н. В. Мельников, А. И. Калабин).

Кроме упомянутых направлений скважинной горной технологией исследуются возможности использования глубинного тепла Земли в качестве дополнительного источника энергии при разработке месторождений полезных ископаемых. Эта идея, выдвинутая впервые К. Э. Циолковским (1914), В. А. Обручевым (1920), Ч. Парсоном (1925), положена в основу исследований 60-х — 70-х гг. по геотермике. Проблема разрабатывается в CCCP (Ю. Д. Дядькиным, Э. В. Богуславским и др.), Франции, США. О технологиях морской добычи полезных ископаемых см. Морская горная технология.

Перспективы развития скважинной горной технологии связаны с усовершенствованием существующих методов повышения нефтеотдачи пластов (внутрипластового горения, применения композиций ПАВ, мицеллярного заводнения и др.) и разработкой принципиально новых методов (микробиологического, волнового воздействия на пласты и др.); созданием технологий, повышающих конденсатоотдачу при разработке газоконденсатных месторождений (путём обратной закачки сухого газа в пласт и др.); разработкой технологий добычи нефти и газа на шельфах морей и океанов при глубинах воды свыше 200 м и в ледовой обстановке; созданием методов извлечения полутвёрдых и твёрдых битумов с одновременной добычей из них редких металлов; эффективной технологии подземной газификации углей, позволяющей получать горючий газ с большей калорийностью, и др.

В CCCP исследования по скважинной горной технологии ведутся в институтах Академии Наук CCCP, академий наук союзных республик, в Межотраслевом научно-техническом комплексе "Нефтеотдача" (с головным институтом ВНИИнефть), в научно-производственном объединении "Союзгазтехнология", в институтах и научно-производственных объединениях отраслевых горнодобывающих министерств, а также в нефтяных и горных вузах (МИНГ им. И. М. Губкина, Уфимский и Грозненский нефтяные институты, Ивано-Франковский институт нефти и газа, Ленинградский и Московский горные институты и др.).

Периодические издания, освещающие скважинные горные технологии: журналы "Нефтяное хозяйство" (с 1920), "Азербайджанское нефтяное хозяйство" (с 1920), "Газовая промышленность" (с 1956), "Геология нефти и газа" (с 1957), "Инженер-нефтяник" (с 1961), "Вестник Академии Наук CCCP" (с 1931), "Известия Академии Наук CCCP. Серия геологическая" (с 1936), "Известия ВУЗов. Нефть и газ" (с 1958) и др.