Рынок углеводородов не только играет важнейшую роль в экономике, но и определяет основные принципы мировой политики. Зачастую именно энергоносители дают толчок к развитию целых регионов и направлений бизнеса. В нашем проекте «ТЭК 360» мы рассмотрим ключевые тренды отрасли, перспективы ее развития, влияние на другие сферы экономик.
Тема
месяца
Будущее трубопроводного транспорта

Трубы после нефти: почему они будут нужны всегда

Говоря о транспортировке газа и нефти, мы чаще всего представляем бесконечные нитки трубопроводов, уже несущих в себе добытое сырье. Но сначала надо пробурить скважины, в которые тоже опускают трубы. И будущее топливно-энергетического комплекса в большой степени зависит от прогресса в этой области. Ведь даже в постнефтяную эпоху человечеству потребуется бурить скважины и в большом количестве.

Еще первые китайские буровики, несколько тысяч лет назад освоившие проходку скважин на воду, создали буровые штанги из бамбуковых стеблей, к которым крепилось внизу буровое долото. Также они столкнулись с необходимостью крепить стенки скважины, которые постоянно норовили обрушиться. Так появились первые обсадные трубы. Для этого использовали полые стволы деревьев. 

Лишь около 150 лет назад стали применяться металлические обсадные трубы. Их сворачивали из достаточно мягкого железного листа и склепывали по продольному шву. Вроде бы простая вещь, но такие трубы позволили увереннее пробивать скважины в слабых грунтах. С другой стороны — достаточно быстро стало ясно, что мягкий металл не годится для столь ответственной работы — сдвигающий грунт просто сминал трубы и перекрывал пробуренную ценой тяжких усилий скважину. Обсадные трубы стали делать из стали. 

Процесс бурения полтора века назад все еще мало изменился со времен Древнего Китая. Преобладало так называемое ударное бурение, которое заключалось в подъеме и сбрасывании в скважину специального долота, которое разрушало породу. После серии ударов долото извлекали, подливали в скважину воды, если было нужно, и с помощью желонки вычерпывали разбитую породу. Буровой процесс, таким образом, был прерывистым и весьма трудоемким. 

Все изменилось, когда в 1846 году французский инженер Пьер Паскаль Фовель пробурил в Перпиньяне скважину, используя промывку потоком воды. Вода подавалась сквозь колонну штанг и выходила наружу, вынося разбуренную породу. Мало того, обнаружилось, что если добавить в нагнетаемую воду определенное количество глины, то она цементирует стенки скважины. Скорость бурения возросла многократно, и одновременно упала его себестоимость. 

Следующий прорыв был сделан на рубеже XIX и XX веков, когда на арену вышло вращательное бурение. Скорость бурения и глубина скважин вновь возросли. В это же время российские инженеры Шухов и Бари предложили для подъема нефти из скважин использовать так называемый эрлифт — подъем жидкости за счет воздушных пузырей. Воздух закачивается с поверхности к забою скважины по специальным компрессорным трубам, опущенным в скважину, и, продвигаясь наверх между ними и обсадными трубами, захватывает с собой и нефть. 

20-е и 30-е годы прошлого века были богаты на новые изобретения. В частности, обнаружилось, что у вращательного бурения, при котором усилие вращения подается буровым станком с поверхности земли, есть свои «пределы роста». Длинная колонна буровых труб скручивалась и зачастую рвалась. Потребовались другие решения, и в 1922 году группа советских изобретателей во главе с Матвеем Капелюшниковым создала турбобур — особый двигатель, который находился в нижней части буровой колонны и создавал вращение за счет подачи бурового раствора. Гонка «вглубь» обрела новое дыхание. В 1930 году была пробурена скважина глубиной в 3 километра. 

Коническая самоцентрующаяся резьба и облегченные, равно как и утяжеленные, буровые штанги, различные виды буровых долот, коронок и прочего инструмента открывали все новые возможности для бурения. Даже Вторая мировая война не остановила прогресс в этой области, а, наоборот, подстегнула его.

Рост глубины скважин привел к столкновению с очень сложными природными явлениями. Напорные водоносные горизонты, газовые карманы, плывуны и деформации грунтов потребовали применения все более прочных обсадных труб. Проблема возникла и с буровыми колоннами — они начинали растягиваться под собственным весом. Металлурги и трубопрокатчики стали колдовать над новыми сплавами и технологиями производства. Тем более что на глубине буровики столкнулись с еще одной проблемой — ростом температуры, которая стала подбираться к 200 градусам. 

Высокая температура не только ослабляет прочностные свойства металла труб, она и резко увеличивает агрессивность среды в скважине, а коррозия просто уничтожает металл. Недра оказались очень опасной средой, и требования к качеству буровых труб и инструмента стали еще выше. 

Особую опасность для бурового оборудования представляет сероводородная агрессия. Сероводород присутствует в значительных количествах в составе природного газа многих месторождений. Он ухудшает свойства буровых растворов и приводит к разрушению труб и бурового инструмента. Для работы с таким природным газом на скважинах также потребовалось создавать специальные трубы, устойчивые к воздействию сероводорода. 

В начале XXI века стало ясно, что легкие месторождения газа и нефти заканчиваются. Стало активно развиваться направленное бурение, когда горизонтальная составляющая скважины может значительно превышать ее вертикаль. В связке с направленным бурением развивалась и технология гидроразрыва пласта, открывшая месторождения нефти и газа в сланцевых и прочих слабопроницаемых породах. Свои требования выдвигают и морские буровики. Все это вместе в последнее десятилетие сформулировало перед трубопрокатчиками новые требования и задачи. 

Каким будут буровые инструменты и трубы в будущем? Это зависит от того, какие месторождения будут разбуривать. И не только месторождения в классическом понимании этого слова. Есть много интересных проектов, которые связаны с геотермальной энергетикой — самой стабильной энергетикой для человечества в любом обозримом периоде его существования. 

Геотермальную электростанцию теоретически можно построить где угодно. Всего несколько километров в глубь земли — и температура пород будет приближаться к 100 градусам, то есть температуре кипения воды. Нужно только пробурить несколько скважин, обсадить их, чтобы изолировать поток рабочей воды от вышележащих водоносных горизонтов, — и станция готова. По одной трубе подавать холодную воду, а по другой принимать горячую или даже раскаленный пар. 24 часа в сутки круглый год — всегда. Но эти воды очень агрессивны, их потребуется часто менять, и поэтому геотермальные энергетики очень нуждаются в жаропрочных и коррозионно устойчивых трубах за приемлемую цену. 

В целом независимо от того, с какой целью вы ведете буровые работы, их усложнение требует расширения ассортимента соответствующего оборудования. Буровики формируют все новые заказы. И нет сомнений, что производители труб будут выпускать совершенно новые изделия из новых материалов. Эти разработки инженеров-трубников стимулируют и новые достижения буровиков, которые добираются до новых месторождений. Гонка «в глубь Земли» продолжается.