2411-3336 2541-9404 Записки Горного института Journal of Mining Institute Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University 10.31897/PMI.2022.55 pmi-15890 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15890 Drilling of deep and ultra-deep wells for prospecting and exploration of new raw mineral fields Бурение глубоких и сверхглубоких скважин с целью поиска и разведки новых месторождений полезных ископаемых Dvoynikov Mikhail V. Двойников М. В. Dvoynikov Mikhail V. Dvoynikov_MV@pers.spmi.ru 0000-0002-3798-9938 Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) Sidorkin Dmitrii I. Cидоркин Д. И. Sidorkin Dmitrii I. sidorkin_di@pers.spmi.ru 0000-0001-7342-1883 Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) Yurtaev Sergei L. Юртаев С. Л. Yurtaev Sergei L. ysl@inbox.ru 0000-0001-6467-3165 Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) Grokhotov Evgenii I. Грохотов Е. И. Grokhotov Evgenii I. grokhotov_ei@pers.spmi.ru 0000-0002-4620-2383 Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) Ulyanov Dmitrii S. Ульянов Д. С. Ulyanov Dmitrii S. ulyanovspmi@yandex.ru 0000-0001-8949-8682 Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) 29 12 2022 2022 258 945 955 09 06 2022 17 11 2022 29 12 2022 © Mikhail V. Dvoynikov, Dmitrii I. Sidorkin, Sergei L. Yurtaev, Evgenii I. Grokhotov, Dmitrii S. Ulyanov 2022 М. В. Двойников, Д. И. Cидоркин, С. Л. Юртаев, Е. И. Грохотов, Д. С. Ульянов Mikhail V. Dvoynikov, Dmitrii I. Sidorkin, Sergei L. Yurtaev, Evgenii I. Grokhotov, Dmitrii S. Ulyanov CC BY 4.0 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15890

Научно-технический прогресс за последнее столетие привел к колоссальному росту потребления полезных ископаемых, в том числе энергетических ресурсов. Большая часть эксплуатируемых месторождений нефти и газа уже значительно выработаны, поэтому необходимы поиски новых углеводородных ресурсов, в частности, на больших глубинах. В решении этой проблемы особая роль принадлежит глубокому бурению. В статье рассмотрен мировой и отечественный опыт бурения сверхглубоких скважин. Проанализированы методы и технологии, применявшиеся при строительстве скважин, а также осложнения и аварии, возникающие в процессе их проходки. В результате анализа было выявлено, что существующие ограничения параметров бурения глубоких и сверхглубоких скважин вызваны техническими характеристиками наземного и забойного бурового оборудования, не удовлетворяющими экстремальным условиям бурения. Предложены направления развития техники и технологий бурения глубоких и сверхглубоких скважин. Вводится понятие «экстремальные горно-геологические условия процесса бурения», характеризующее бурение в условиях гидростатического давления столба промывочной жидкости и высокой забойной температуры как при устойчивом, так и при неустойчивом состоянии ствола скважины, приближающихся к верхнему пределу рабочих технических характеристик компоновки низа бурильной колонны, самой бурильной колонны и промывочной жидкости.

Scientific and technological progress over the last century has led to an enormous increase in the consumption of minerals, including energy resources. Most of the exploited oil and gas fields are already considerably depleted, so it is necessary to search for new hydrocarbon resources, particularly at great depths. Deep drilling plays a special role in solving this problem. The article considers the world and Russian experience of ultra-deep wells drilling. The methods and technologies used in the construction of wells, as well as complications and accidents occurring during their drilling were analyzed. The analysis revealed that the existing limitations for drilling parameters of deep and ultra-deep wells are caused by the technical characteristics of surface and bottomhole drilling equipment, which do not meet the extreme drilling conditions. The directions for development of deep and ultra-deep well drilling machinery and technologies are suggested. The notion of extreme rock and geological drilling conditions is introduced, which describes drilling in conditions of hydrostatic pressure of flushing fluid column and high bottomhole temperature both at stable and unstable wellbore conditions, coming close to the upper limit of operating technical characteristics of bottomhole assembly, the drill string and flushing fluid.

 Ключевые слова глубокое бурение сверхглубокое бурение экстремальные горно-геологические условия процесса бурения повышение эффективности бурения совершенствование бурового оборудования Keywords deep drilling ultra-deep drilling extreme rock and geological drilling conditions increased drilling efficiency improvement of drilling equipment Han Liexiang. New progress of drilling and completion technologies for ultra-deep wells in the Sichuan-Chongqing Area // Oil Drilling & Production Technology. Vol. 41. Iss. 5. P. 555-561 (in Chinese). DOI: 10.13639/j.odpt.2019.05.001 Han Liexiang. New progress of drilling and completion technologies for ultra-deep wells in the Sichuan-Chongqing Area. Oil Drilling & Production Technology. 2019. Vol. 41. Iss. 5, p. 555-561 (in Chinese). DOI: 10.13639/j.odpt.2019.05.001 Попов В.С., Кременецкий А.А. Глубокое и сверхглубокое научное бурение на континентах // Соросовский образовательный журнал. 1999. № 11. C. 61-68. Popov V.S., Kremenetskii A.A. Deep and Superdeep Scientific Drilling on Continents. Sorosovskii obrazovatelnyi zhurnal. 1999. N 11, p. 61-68 (in Russian). XushengGuo, DongfengHu, YupingLi et al. Theoretical progress and key technologies of onshore ultra-deep oil/gas exploration // Engineering. 2019. Vol. 5. Iss. 3. P. 458-470. DOI: 10.1016/j.eng.2019.01.012 Xusheng Guo, Dongfeng Hu, Yuping Li et al. Theoretical progress and key technologies of onshore ultra-deep oil/gas exploration. Engineering. 2019. Vol. 5. Iss. 3, p. 458-470. DOI: 10.1016/j.eng.2019.01.012 Tianle Liu, Leusheva E.L., Morenov V.A. et al. Influence of polymer reagents in the drilling fluids on the efficiency of deviated and horizontal wells drilling // Energies. 2020. Vol. 13. № 18. № 4704. DOI: 10.3390/en13184704 Tianle Liu, Leusheva E.L., Morenov V.A. et al. Influence of polymer reagents in the drilling fluids on the efficiency of deviated and horizontal wells drilling. Energies. 2020. Vol. 13. N 18. N 4704. DOI: 10.3390/en13184704 Li Long, Yin Da, Li Lei et al. Application of Innovative High Density High-Perfomance Water-Based Drilling Fluid Technology in the Efficient Development and Production of Ultra-Deep Complicated Formations in the Tian Mountain Front Block in China // Offshore Technology Conference Asia, 20-23 March 2018, Kuala Lumpur, Malaysia. OnePetro, 2018. № OTC-28413-MS. DOI: 10.4043/28413-MS Li Long, Yin Da, Li Lei et al. Application of Innovative High Density High-Perfomance Water-Based Drilling Fluid Technology in the Efficient Development and Production of Ultra-Deep Complicated Formations in the Tian Mountain Front Block in China. Offshore Technology Conference Asia, 20-23 March 2018, Kuala Lumpur, Malaysia. OnePetro, 2018. N OTC-28413-MS. DOI: 10.4043/28413-MS Li Ning, Zhou Xiaojun, Zhou Bo et al. Technologies for Fast Drilling Ultra-Deep Wells in the HLHT Block, Tarim Oilfield // Petroleum Drilling Techniques. 2017. Vol. 45. Iss. 2. P. 10-14 (in Chinese). DOI: 10.11911/syztjs.201702002 Li Ning, Zhou Xiaojun, Zhou Bo et al. Technologies for Fast Drilling Ultra-Deep Wells in the HLHT Block, Tarim Oilfield. Petroleum Drilling Techniques. 2017. Vol. 45. Iss. 2, p. 10-14 (in Chinese). DOI: 10.11911/syztjs.201702002 Лобанов К.В., Чичеров М.В., Шаров Н.В. Пятидесятилетняя годовщина начала бурения Кольской сверхглубокой скважины // Арктика и Север. 2021. № 44. C. 268-284. DOI: 10.37482/issn2221-2698.2021.44.267 Lobanov K.V., Chicherov M.V., Sharov N.V. The 50th Anniversary of the Start of Drilling the Kola Superdeep Well. Arctic and North. 2021. N 44, p. 267-284 (in Russian). DOI: 10.37482/issn2221-2698.2021.44.267 Литвиненко В.С., Кудряшов Б.Б. Современные проблемы разрушения горных пород при бурении скважин // Записки Горного института. 2001. Т. 148. С. 14-21. Litvinenko V.S., Kudryashov B.B. Current problems of rocks destruction during well drilling. Journal of Mining Institute. 2001. Vol. 148, p. 14-21 (in Russian). Vasiliev N.I., Podoliyk A.V., Dmitriev A.N. et al. Controlled directional drilling of boreholes in glacial mass using carrying cable tool // Topical Issues of Rational Use of Natural Resources 2019: Proceedings of the XV International Forum-Contest of Students and Young Researchers under the auspices of UNESCO, 13-17 May 2019, St. Petersburg Mining University, Russia. London: CRC Press, 2019. Vol. 1. P. 245-252. Vasiliev N.I., Podoliyk A.V., Dmitriev A.N. et al. Controlled directional drilling of boreholes in glacial mass using carrying cable tool. Topical Issues of Rational Use of Natural Resources 2019: Proceedings of the XV International Forum-Contest of Students and Young Researchers under the auspices of UNESCO, 13-17 May 2019, St. Petersburg Mining University, Russia. London: CRC Press, 2019. Vol. 1, p. 245-252. Кучеров В.Г., Бессель В.В. Вызовы и риски глубокого и сверхглубокого бурения // Бурение и нефть. 2020. № 3. С. 12- Kucherov V.G., Bessel V.V. Challenges and Risks of Deep and Super Deep Drilling. Burenie i neft. 2020. N 3, p. 12-17(in Russian). Kadochnikov V.G., Dvoynikov M.V. Development of Technology for Hydromechanical Breakdown of Mud Plugs and Kadochnikov V.G., Dvoynikov M.V. Development of Technology for Hydromechanical Breakdown of Mud Plugs and Improvement of Well Cleaning by Controlled Buckling of the Drill String. Applied Science. 2022. Vol. 12. Iss. 3. N 6460. DOI: 10.3390/app12136460 Improvement of Well Cleaning by Controlled Buckling of the Drill String // Applied Science. Vol. 12. Iss. 3. №6460. DOI: 10.3390/app12136460 Tretyak A.A. Vibration Impact on the Strength Properties of Drill Bits, Tipped By Diamond Hard-Alloy Plates. Construction of Oil and Gas Wells on Land and Sea. 2016. N 10, p. 20-24 (in Russian). Третьяк А.А. Влияние вибраций на прочностные свойства буровых коронок, армированных алмазно-твердосплавными пластинами // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и море. № 10. C. 20-24. Ma Hongyan, Zheng Bangxian, Chen Jingwang et al. Optimized, safe and fast drilling technologies used in the ultra deep and high temperature wells in Yangshuiwu buried hill. Oil Drilling & Production Technology. 2020. Vol. 42. Iss. 5, p. 573-577 (in Chinese). DOI: 10.13639/j.odpt.2020.05.008 Ma Hongyan, Zheng Bangxian, Chen Jingwang et al. Optimized, safe and fast drilling technologies used in the ultra deep and high temperature wells in Yangshuiwu buried hill // Oil Drilling & Production Technology. 2020. Vol. 42. Iss. 5. P. 573-577 (in Chinese). DOI: 10.13639/j.odpt.2020.05.008 Petrakov D., Kupavykh K., Kupavykh A. The effect of fluid saturation on the elastic-plastic properties of oil reservoir rocks. Curved and Layered Structures. 2020. Vol. 7. N 1, p. 29-34. DOI: 10.1515/cls-2020-0003 Petrakov D., Kupavykh K., Kupavykh A. The effect of fluid saturation on the elastic-plastic properties of oil reservoir rocks // Curved and Layered Structures. 2020. Vol. 7. № 1. P. 29-34. DOI: 10.1515/cls-2020-0003 Litvinenko V.S. Digital Economy as a Factor in the Technological Development of the Mineral Sector. Natural Resources Research. 2020. Vol. 29, p. 1521-1541. DOI: 10.1007/s11053-020-09716-1 Litvinenko V.S. Digital Economy as a Factor in the Technological Development of the Mineral Sector // Natural Resources Research. 2020. Vol. 29. P. 1521-1541. DOI: 10.1007/s11053-020-09716-1 Simonyants S.L. The turbodrills era: results and prospects. Bulatovskie chteniya. 2020. Vol. 3, p. 336-341 (in Russian). Симонянц С.Л. Эпоха турбобуров: итоги и перспективы // Булатовские чтения. 2020. Т. 3. С. 336-341. Sklyanov V.I., Perepelkin M.A. Influence of rotation frequency of diamond cutting tool on the technical characteristics of exploratory drilling. Gornaya promyshlennost. 2017. N 5 (135), p. 96-97 (in Russian). Склянов В.И., Перепелкин М.А. Влияние частоты вращения алмазного породоразрушающего инструмента на технические показатели бурения разведочных скважин // Горная промышленность. 2017. № 5 (135). С. 96-97. Khlebnikov D., Myalitsin N. Turbodrills Improvement Methods for Drilling in Hard Rocks. Burenie i neft. 2013. N 6, p. 47-52 (in Russian). Хлебников Д.А., Мялицин Н.Ю. Методы совершенствования турбобура для бурения в крепких породах // Бурение и нефть. № 6. С. 47-52. Shulga D.K. Comparative analysis of technical characteristics of domestic and imported bottomhole motors for oil and gas drilling. Trudy XX Mezhdunarodnogo simpoziuma im. M.A. Usova, 4-8 aprelya 2016, Tomsk, Rossiya. Izd-vo Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2016. Vol. 2, p. 812-814 (in Russian). Шульга Д.К. Сравнительный анализ технических характеристик отечественных и импортных забойных двигателей для бурения скважин на нефть и газ // Труды XX Международного симпозиума им. М.А.Усова, 4-8 апреля 2016, Томск, Россия. Изд-во Томского политехнического университета, 2016. Т. 2. С. 812-814. Povalikhin A.S. 50 years of scientific breakthroughs in Earth exploration. Kolskaya ultra-deep well: a path to energy and raw material supply for humanity. Inzhener-neftyanik. 2020. N 1, p. 5-16 (in Russian). Повалихин А.С. 50 лет научному прорыву в исследовании Земли. Кольская сверхглубокая скважина: путь к энергетическому и сырьевому обеспечению человечества // Инженер-нефтяник. 2020. № 1. С. 5-16. Karasev D.V., Shcherbinina N.E., Karaseva T.V. Features Complications during Drilling Operations at Great Depths. Oil and Gas Business. 2015. N 4, p. 19-31 (in Russian). DOI: 10.17122/ogbus-2015-4-19-31 Карасев Д.В., Щербинина Н.Е., Карасева Т.В. Особенности осложнений при проведении буровых работ на больших глубинах // Нефтегазовое дело. 2015. № 4. С. 19-31. DOI: 10.17122/ogbus-2015-4-19-31 Archegov V.B., Nefedov Y.V. Oil and gas exploration strategy in evaluation of fuel and energy potential of Russian arctic shelf. Journal of Mining Institute. 2015. Vol. 212, p. 6-13 (in Russian). Арчегов В.Б., Нефедов Ю.В. Стратегия нефтегазопоисковых работ в оценке топливно-энергетического потенциала шельфа арктических морей России // Записки Горного института. T. 212. C. 6-13. Haige Wang, Hongchun Huang Wenxin Bi et al. Deep and ultra-deep oil and gas well drilling technologies: Progress and prospect. Natural Gas Industry B. 2022. Vol. 9. Iss. 2, p. 141-157. DOI: 10.1016/j.ngib.2021.08.019 Haige Wang, Hongchun Huang Wenxin Bi et al. Deep and ultra-deep oil and gas well drilling technologies: Progress and prospect // Natural Gas Industry B. 2022. Vol. 9. Iss. 2. P. 141-157. DOI: 10.1016/j.ngib.2021.08.019 Haige Wang, Yunhua Ge, Lin Shi. Technologies in deep and ultra-deep well drilling: Present status, challenges and future trend in the 13th Five-Year Plan period (2016-2020). Natural Gas Industry B. 2017. Vol. 4. Iss. 5, p. 319-326. DOI: 10.1016/j.ngib.2017.09.001 Haige Wang, Yunhua Ge, Lin Shi. Technologies in deep and ultra-deep well drilling: Present status, challenges and future trend in the 13th Five-Year Plan period (2016–2020) // Natural Gas Industry B. 2017. Vol. 4. Iss. 5. P. 319- Yuan Guodong, Wang Hongyuan, Chen Zongqi et al. Key Drilling Technologies for the Ultra-Deep Well Manshen 1 in the Tarim Basin. Petroleum Drilling Techniques. 2020. Vol. 48. Iss. 4, p. 21-27. DOI: 10.11911/syztjs.2020067 DOI: 10.1016/j.ngib.2017.09.001 Dvoynikov M., Sidorov D., Kambulov E. et al. Salt Deposits and Brine Blowout: Development of a Cross-Linking Composition for Blocking Formations and Methodology for Its Testing. Energies. 2022. Vol. 15. Iss. 19. N 7415. DOI: 10.3390/en15197415 Yuan Guodong, Wang Hongyuan, Chen Zongqi et al. Key Drilling Technologies for the Ultra-Deep Well Manshen 1 in the Tarim Basin // Petroleum Drilling Techniques. 2020. Vol. 48. Iss. 4. P. 21-27. DOI: 10.11911/syztjs.2020067 Zhang Hua, Ding Zhiwei, Xiao Zhenhua et al. Liner Cementing in Ultra-deep Wells with Narrow Drilling Window and Small Annular Clearance. Drilling Fluid & Completion Fluid. 2018. Vol. 35. Iss. 4, p. 87-91. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5620.2018.04.016 Dvoynikov M., Sidorov D., Kambulov E. et al. Salt Deposits and Brine Blowout: Development of a Cross-Linking Composition for Blocking Formations and Methodology for Its Testing // Energies. 2022. Vol. 15. Iss. 19. № DOI: 10.3390/en15197415 Dvoynikov M.V., Sidorkin D.I., Kunshin A.A., Kovalev D.A. Development of hydraulic turbodrills for deep well drilling. Applied Sciences. 2021. Vol. 11. Iss. 16, p. 134-154. DOI: 10.3390/app11167517 Zhang Hua, Ding Zhiwei, Xiao Zhenhua et al. Liner Cementing in Ultra-deep Wells with Narrow Drilling Window and Small Annular Clearance // Drilling Fluid & Completion Fluid. 2018. Vol. 35. Iss. 4. P. 87-91. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5620.2018.04.016 Youhong Sun, Feiyu Zhang, Qingyan Wang, Ke Gao. Application of “Crust 1” 10k ultra-deep scientific drilling rig in Songliao basin drilling project (CCSD-SKII). Journal of Petroleum Science and Engineering. 2016. Vol. 145, p. 222-229. DOI: 10.1016/j.petrol.2016.04.003 Dvoynikov M.V., Sidorkin D.I., Kunshin A.A., Kovalev D.A. Development of hydraulic turbodrills for deep well drilling // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. Iss. 16. 134-154. DOI: 10.3390/app11167517 Dvoynikov M.V., Budovskaya M.E. Development of a hydrocarbon completion system for wells with low bottomhole temperatures for conditions of oil and gas fields in Eastern Siberia. Journal of Mining Institute. 2022. Vol. 253, p. 12-22.DOI: 10.31897/PMI.2022.4 Youhong Sun, Feiyu Zhang, Qingyan Wang, Ke Gao. Application of «Crust 1» 10k ultra-deep scientific drilling rig in Songliao basin drilling project (CCSD-SKII) // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2016. Vol. 145. P. 222-229. DOI: 10.1016/j.petrol.2016.04.003 Gomaa I., Elkatatny S., Abdulraheem A. Real-time determination of rheological properties of high over-balanced drilling fluid used for drilling ultra-deep gas wells using artificial neural network. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2020. Vol. 77. N 103224. DOI: 10.1016/j.jngse.2020.103224 Двойников М.В., Будовская М.Е. Разработка углеводородной системы заканчивания скважин с низкими забойными температурами для условий нефтегазовых месторождений Восточной Сибири // Записки Горного института. 2022. Т. 253. С. 12-22. DOI: 10.31897.PMI.2022.4 Koteleva N., Buslaev G., Valnev V., Kunshin A. Augmented Reality System and Maintenance of Oil Pumps. International Journal of Engineering. 2020. Vol. 33. Iss. 8, p. 1620-1628. DOI: 10.5829/ije.2020.33.08b.20 Gomaa I., Elkatatny S., Abdulraheem A. Real-time determination of rheological properties of high over-balanced drilling fluid used for drilling ultra-deep gas wells using artificial neural network // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2020. Vol. 77. № 103224. DOI: 10.1016/j.jngse.2020.103224 Niu Xinming, Zhang Jinshuang, Zhou Haobo. Technological Challenges and Countermeasures in Well Control of Ultra-Deep Ultra-High Temperature and Ultra-High Pressure. Oil and Gas Wells. 2017. Vol. 45. Iss. 4, p. 1-7. DOI: 10.11911/syztjs.201704001 Koteleva N., Buslaev G., Valnev V., Kunshin A. Augmented Reality System and Maintenance of Oil Pumps // International Journal of Engineering. 2020. Vol. 33. Iss. 8. P. 1620-1628. DOI: 10.5829/ije.2020.33.08b.20 Nutskova M.V., Kuchin V.N., Kovalchuk V.S. Prevention and elimination of issues well completion. Perm Journal of Petroleum and Mining Engineering. 2020. Vol. 20. N. 1, p. 14-26 (in Russian). DOI: 10.15593/2224-9923/2020.1.2 Niu Xinming, Zhang Jinshuang, Zhou Haobo. Technological Challenges and Countermeasures in Well Control of Ultra-Deep Ultra-High Temperature and Ultra-High Pressure // Oil and Gas Wells. Vol. 45. Iss. 4. P. 1-7. DOI: 10.11911/syztjs.201704001 Arsenev A.A., Aleksandrov V.M., Mulyavin C.F. To the 70th anniversary of the drilling of Tyumen appraisal well N 1-R. History of the thorny path to the discovery of Tyumen oil. Bulatovskie chteniya. 2020. Vol. 7, p. 29-36 (in Russian). Нуцкова М.В., Кучин В.Н., Ковальчук В.С. Профилактика и ликвидация осложнений, возникающих при закачивании скважин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. 2020. Т. № 1. C. 14-26. DOI: 10.15593/2224-9923/2020.1.2 Арсеньев А.А., Александров В.М., Мулявин C.Ф. К 70-летию бурения Тюменской опорной скважины № 1-Р. История тернистого пути к открытию тюменской нефти // Булатовские чтения. 2020. Т. 7. С. 29-36.