Бурить скважины люди начали давно. Известно, что в эпоху династии Хань (202 до н. э. – 220 н. э.) китайцы уже умели строить скважины, достигавшие 600 метров в глубину. Судя по сохранившимся изображениям, при этом использовался ударно-вращательный метод бурения: быки поворачивали долото, а группа людей синхронными прыжками загоняла его глубже в землю. Первая информация о бурении скважин на Руси относится к IX веку и связана с добычей растворов поваренной соли в районе Старой Руссы.

Официально принято считать, что первую скважину глубиной около 500 метров, предназначенную для коммерческой добычи нефти, построил в 1859 году в штате Пенсильвания Эдвин Дрейк. Однако известно, что как минимум за 10 лет до этого нефтяные скважины успешно строили в Баку, и это не единственный пример, позволяющий оспаривать пальму первенства США.

В середине XIX века при бурении скважин для добычи соляных растворов, а потом и нефти применялось в основном ударное бурение. При этом разрушение (дробление) породы происходит под действием ударов падающего снаряда либо ударов по самому неподвижному снаряду.

С увеличением глубины бурения эта технология становится все менее эффективной – сложнее промывать скважину, жидкость создает дополнительное сопротивление падающему долоту, а при бурении без промывки много времени уходит на очистку и крепление скважины. Поэтому на смену ударному пришло вращательное бурение.

Внедрение технологии механического роторного бурения в начале ХХ века стало одним из ключевых событий развития нефтяной промышленности. Впервые новую технологию применили на нефтяных промыслах Техаса в 1901 году. При роторном бурении долото, дробящее породу, присоединялось к колонне бурильных труб, вся эта конструкция опускалась в скважину и вращалась специальным станком с поверхности.

К окончанию первой трети XX века роторное бурение полностью завоевало нефтяную отрасль. Изменения в конструкции оборудования и технологии привели к более чем десятикратному увеличению скорости проходки и снижению себестоимости буровых работ, при этом глубину скважин удалось увеличить до 3-4 км.

Впрочем, и этот способ не был лишен недостатков. Среди них – громоздкость бурового инструмента: при глубине скважины в 4 км колонна бурильных труб весила более 200 тонн, и основная часть энергии тратилась именно на вращение колонны, а не на углубление самой скважины. Решить проблему позволило размещение двигателя, вращающего долото, в глубине скважины.

Первым такой агрегат – турбобур – создал в 1922 году советский ученый Матвей Капелюшников. Современный турбобур – это многоступенчатый гидравлический двигатель. В каждой ступени турбины (а их количество может достигать 350) имеются два диска с профильтрованными лопатками. Один из них (статор) неподвижно закреплен в корпусе турбобура, а другой (ротор) вращается. Буровой раствор, нагнетаемый в скважину для промывки забоя, вращает роторы, усилие с которых передается на долото.

Позднее появились и другие виды погружных двигателей, например, электрический и винтовой. В настоящее время на бурение с применением забойных двигателей приходится более 90% работ. При этом само бурение происходит с чередованием направленного (без вращения всей колонные) и роторного режима (с вращением колонны). Именно этот способ бурения позволил строить не только вертикальные скважины.

Существенный недостаток традиционного роторного бурения – невозможность передавать на долото усилие, которое бы искривляло траекторию проходки в нужном направлении. Появление забойного двигателя решило эту проблему. Чтобы искривить ствол скважины, применяются специальные отклонители долота, при этом само долото вращается погружным двигателем. Когда угол наклона скважины изменен, прямой участок можно пройти роторным способом.

Возможность бурить скважины с разным углом наклона, в том числе и горизонтальные, стала толчком к появлению идеи строительства многоствольных скважин. То есть скважин, у которых от основного ствола отходят дополнительные под разными углами. Мало того, ответвления могут отходить и от боковых стволов. Часто боковые стволы зарезаются на уже существующих скважинах, чтобы увеличить охват разрабатываемых продуктивных пластов. 

В целом же строительство многоствольной скважины на залежи позволяет добраться до разобщенных зон коллектора, содержащих нефть, обеспечить более эффективное управление разработкой месторождения и избежать преждевременного обводнения, сэкономить на капзатратах на бурение. 

Легкодоступных запасов углеводородов в мире становится все меньше, поэтому нефтяники вынуждены разрабатывать месторождения на новых территориях, в совершенно новых внешних условиях. Например, в море. Хотя общий принцип бурения на морских месторождениях остается тем же, что и на суше, отличия все же есть.

Вариантов шельфовой добычи несколько. На небольших глубинах бурение часто ведется с насыпных островов, как это происходило, например, на Каспии, где разработка морских месторождений началась еще в 1940-х годах. Затем для этих целей стали строить стационарные платформы – первая в мире морская нефтяная платформа, Нефтяные Камни, была построена также в Каспийском море на металлических эстакадах в 1949 году в 40 км от Апшеронского полуострова. К платформам такого типа можно отнести и первую в российской Арктике нефтедобывающую платформу «Приразломная», закрепленную на дне Печерского моря.

На больших глубинах работают плавучие буровые установки, которые классифицируют по способу установки над скважиной, выделяя две основные группы: опирающиеся при бурении на морское дно и работающие в плавучем состоянии. К первой группе относят плавучие буровые установки самоподъемного и погружного типов, а ко второй – полупогружные буровые установки и буровые суда.

При бурении скважин на море приходится предпринимать особые меры безопасности и использовать оборудование, в котором наземные бурильщики просто не нуждаются. К примеру, так называемый райзер – колонну стальных труб с толщиной стенок около 20 мм, тянущуюся от судна или буровой платформы до дна. Это необходимо, чтобы предохранить буровой инструмент от воздействия окружающей среды и защитить океан от загрязнения нефтепродуктами.

С особыми сложностями может быть связано и бурение в зоне вечной мерзлоты. В верхней части геологического разреза многих северных районов (Сибирь, Аляска, Канада и др.) залегает толща многолетнемерзлых пород, мощность которой иногда превышает 500 метров. В ее состав могут входить пески, галечники и другие породы, единственный цементирующий материал для которых – лед. За счет более высокой температуры бурового раствора, твердеющего цемента или добываемой нефти лед оттаивает, вызывая оседание толщи пород и заклинивания бурового инструмента. Чтобы избежать аварий, в таких случаях приходится постоянно поддерживать отрицательную температуру стенок скважины.

Буровая установка представляет собой разновидность оборудования, которое применяется для создания, углубления и прочистки скважин для добычи полезных ресурсов (нефть, газ). Применение устройства возможно в комплексе с дополнительным и вспомогательным оборудованием. 

Любая установка оснащается главным приводом; это может быть дизельный привод с трансмиссией механического типа либо электропривод с цифровой схемой регулировки. Некоторые модели комплектуются приводом на ротор независимой конструкции. Кинетическую основу устройства представляет механизм для бурения, а динамическую – механизм подъемника. Источник нагрузок и воздействий динамического типа проявляется в виде удара, который появляется при подхвате трубной колонны и переходе каната на новый слой.

Все буровые установки состоят из комплекса сооружений, предназначенных для совместной работы:
•    Оборудование для спуска и поднятия: лебедки, краны, крюки.
•    Оборудование для перегона и циркуляции жидкости: насосы, емкости, вертлюжные элементы.
•    Сооружения для процесса бурения: вышки, мосты, стеллажные конструкции.
•    Устройства, предохраняющие от выбросов жидкости и газа.
•    Оборудование, предназначенное для создания бурового раствора: специальные насосы, воронки, мешалки с гидроприводом.
•    Устройства силового типа (двигатели различной конструкции).

В сфере газо- и нефтедобычи буровая установка используется в следующих случаях:
1.    При создании скважин, чья глубина не превышает 25 метров, а также бурении скважин с диаметром до 20 см, которые обычно устраиваются при исследованиях почвы и горных пород.
2.    При бурении скважин с глубиной до 0,6 километра, которые используются в качестве инструмента разведки при изучении пластов на наличие твердых полезных ресурсов.
3.    При создании скважин, чья глубина доходит до 6 километров. Такие скважины организуются для разработки нефтяных и газовых месторождений, а также в случае проведения глубинной сейсмической разведки.
4.    При бурении особо глубоких скважин: их протяженность составляет до 15 километров, и они делаются для разработки свежих мест с содержанием нефтяных и газовых продуктов.
5.    При создании скважин для водоснабжения.
6.    В ходе работ по капремонту промышленных скважин.
7.    В процессе испытания скважин на наличие в них полезных жидких и газообразных ресурсов.

Буровая установка может иметь разную конструкцию в зависимости от того, для чего она будет применяться. Установки классифицируются по данному критерию следующим образом:
•    Буровые устройства для проведения исследований в области инженерной геологии при возведении строений.
•    Буровые установки для организации систем водоснабжения, теплоэнергетических сооружений и для работ в гидрогеологии.
•    Буровые установки для создания свайных фундаментов, анкеров и прочих несущих элементов.
•    Буровые установки для геологической или сейсмологической разведки.
•    Буровые устройства для создания ЛЭП.

Любая буровая установка содержит несколько типов органов, которые отличаются по принципу действия и целям. 

Основные органы бурильного сооружения:
1.    Исполнительные части, которые также обозначаются главными или ключевыми. К ним относят лебедочное оборудование, роторы, подъемные вышки, вертлюжное оборудование, насосы бурового типа, а также системы для циркуляции жидкости.
2.    Органы для обеспечения сооружения энергией: электрические, бензиновые или дизельные моторы, приводы различного типа, гидравлическая система, пневматические устройства.
3.    Дополнительные части (вспомогательного типа). К ним относятся механизмы для транспортировки, металлические изделия, запасные лебедки, осветительные приборы, средства по отоплению, водоснабжению и т.д.
4.    Информационные органы, которые отвечают за регулировку, корректировку и отслеживание параметров процесса бурения.
5.    Органы управления.

Буровая вышка является главным узлом во всем оснащении установок, и к числу ее функций относятся следующие задачи:
•    Поддержка колонны на талевом устройстве.
•    Операции по спуску и подъему, при которых используются трубы различного вида (обсадные, а также изделия для бурения).
•    Расположение в стволе самих труб для процесса бурения.

Другим видом важного оборудования для бурения являются лафеты: это навесные устройства, которые устанавливаются на экскаваторную технику. Масса лафета может составлять от 10 и более тонн. Конструкция лафета состоит из ходовой части, которая работает от мотора гусеничного типа со встроенным тягловым механизмом, имеющим гидравлическую схему устройства. Навесной лафет может использоваться в работе по уплотнению грунтовых слоев, бурении, которое осуществляется посредством пневматического ударного оборудования, и при бурении под установку свай и анкеров.

Роторные механизмы являются еще одним важным элементом буровых установок любого типа. Данные устройства используются для вращения инструмента, а также поддержки бурильной колонны в процессе создания скважины.

Для спуска и подъема оборудования на буровую установку ставится лебедка. Данный механизм может применяться для манипуляций с обсадными и буровыми трубами, передаче вращательного момента на конструкцию ротора,  а также передаче того или иного инструмента в зону забоя.

Использование бурильных установок имеет весьма широкий спектр применения. За счет того, что с ними может применяться различное дополнительное оборудование, бурильные сооружения распространены в разных сферах деятельности человека, в том числе в нефтедобыче.

5 самых больших буровых установок: нефтегазовые колоссы

Среди всех творений инженерного гения человека, буровые платформы – это Гулливеры, в сравнении с которыми даже крупные суда кажутся лилипутами. Представьте себе конструкцию весом более полумиллиона тонн, способную бурить скважины до 10-13 км и созданную руками человека! Сегодня мы расскажет вам о рукотворных колоссах, порожденных мировой промышленностью.

Нефтяная платформа – это огромный промышленный комплекс, предназначенный для бурения скважин и добычи залегающего на большой глубине углеводородного сырья. Установки для добычи нефти и газа из недр Земли поражают воображение: представьте себе рукотворную конструкцию весом полмиллиона тонн, способную бурить скважины до 10-13 км даже в условиях частичного погружения под воду – и вы поймете, что это триумф инженерной мысли современного человека. Но даже среди этих могучих сооружений есть гиганты, один вид которых вызывает трепет.

TROLL-A

Железобетонная промысловая платформа TROLL-A – это самый тяжелый в мире искусственный объект, способный перемещаться по поверхности нашей планеты. Общий вес платформы по добыче природного газа составляет 1,2 миллиона тонн при загруженном балласте, (сухой вес – порядка 650-680 000 тонн) а высота – 472 метра (из которых 369 занимает подводная бетонная структура). Это настоящее чудо инженерной мысли, установленное на норвежском газонефтяном месторождении Troll в Северном море.

Буровые установки «Уралмаш»

Самые большие наземные буровые установки с 70-х годов производили в нашей стране. БУ «Уралмаш-15000» была задействована при бурении Кольской сверхглубокой скважины: конструкция высотой с 20-этажный дом была способна пробурить скважину глубиной до 15 км! А вот самыми большими установками на плавучих платформах, считаются системы Aker H-6e, тоже произведенные норвежцами. Площадь рабочей палубы такой конструкции составляет 6300 м2, а глубина бурения достигает 10 км.

Statfjord-B

Нельзя пройти мимо буровой установки Statfjord-B, самого большого плавучего технического сооружения в мире. Высота вышки, построенной в Норвегии в 1981 году, вместе с бетонным основанием составляет 271 метр, а общий вес конструкции – 840000 тонн. Промышленный комплекс может добывать до 180000 баррелей нефти в день, при этом резервуаров хватит на 2000000 баррелей. Более того, платформа представляет собой настоящий город на воде: помимо буровой установки, на ней размещены семиэтажная гостиница высокого класса, химлаборатория, вертолетная площадка и целый парк спасательной и вспомогательной техники.

Perdido Spar 

А вот самая глубоководная платформа расположена в Мексиканском заливе, где пришвартована на глубине 2450 метра над нефтегазовым месторождением Perdido. Максимальная производительность платформы – 100000 баррелей нефтесырья в день! Высота Perdido Spar составляет 267 метров, то есть это настоящая подводная Эйфелева башня!

Eva-4000

Еще один гигант, но уже нового поколения – буровая платформа Eva-4000, тоже расположенная в Мексиканском заливе, в 240 км от Луизианы. Она принадлежит компании Noble Amos Runner и при высоте в 106 метров (на платформе не предусмотрен жилой комплекс) способна осуществлять бурение на глубине 9700 метров.