Несмотря на прогнозы о том, что в ближайшем будущем топливная промышленность якобы останется не у дел, специалисты предрекают таким полезным ископаемым, как нефть и газ, продолжительную актуальность и еще не скорый закат. Однако смена парадигм в энергетическом комплексе точно произойдет – например, предполагается, что голубое топливо (оно же природный газ), станет в несколько раз более востребованным у населения, чем черное золото (нефть), которое в настоящий момент оказывает существенное влияние на мировую экономику.
И все же сейчас темпы добычи и одного, и другого ископаемого остаются высокими, а, значит, занятые в этом сегменте люди будут стараться делать все возможное для обнаружения и получения их максимальных запасов. В этом им помогут новые технологии.
Разведка и бурение: современные методы
Прежде чем приступить к процессу добычи, нефть или газ нужно отыскать в недрах земли. Компаниям приходится работать в условиях постоянно увеличивающегося спроса на данные ресурсы, – так, согласно прогнозам, пик их актуальности придется на 2023 год. Именно поэтому добывающие организации осваивают передовые методы, которые помогут обеспечить достаточное снабжение жителей земли ценными запасами, а также сделать их разработку максимально безопасной, эффективной и экологически чистой.
Сейсморазведка представляет собой изучение основных характеристик горных пород с целью выявления того, какая порода находится в данном месте, и насколько глубоко от поверхности она залегает. Главными ориентирами здесь выступают закономерности, наблюдаемые в земной коре при искусственном создании упругих волн. Эти периодические колебания вызываются благодаря:
- взрывам тротиловых зарядов в неглубоких 10- или 20-метровых впадинах;
- регулярно возобновляемому и длительному вибрационному воздействию (например, с помощью специальных машин).
Сегодня сейсморазведка вышла на качественно новый уровень, ведь получение информации, важной с точки зрения инженерной геологии (объемы, возраст, состояние полезного ископаемого и др.), теперь возможно в 3 измерениях благодаря высокотехнологичным приемным аппаратам. В отличие от 2D-метода, где устройства помещаются на одной прямой линии относительно источника, здесь оборудование расставляется по всему периметру предположительной зоны разведки. Это позволяет выявить комплексную ценность в контексте последующей добычи, ведь на экраны мощных компьютеров выводятся вовсе не недостаточные сведения, а наглядные объемные модели подземных слоев с исчерпывающими данными.
Иногда результативность и экономичность способа повышается еще больше за счет отслеживания перспективного месторождения во времени (4D-метод). Анализ непрерывно изменяющихся характеристик способен помочь работникам не только снизить издержки, связанные с бурением, но и свести к минимуму количество сухих скважин (тех, что оказались непродуктивными и не дали промышленного притока ценных ресурсов).
Оксид углерода, песок, ГРП: безопасное сочетание
Следующая новая технология нефтяной и газовой добычи впервые начала использоваться еще в далеком 1947 году, однако до сих пор она продолжает считаться инновационной и высокоэффективной с точки зрения объемов пород, извлекаемых из подземных образований. Основой метода является гидравлический разрыв пласта – процесс, во время которого в пробуренную скважину подается находящаяся под давлением смесь веществ (воды, песка и химических реактивов). В результате подобного воздействия, забивающего отверстие, происходит образование и расширение трещин, благодаря чему приток полезного ископаемого становится более интенсивным, а работа с ним – легче.
В качестве своеобразных «наполнителей» для ГРП могут использоваться разные материалы. Если говорить о рабочей жидкости, то обычно здесь применяются солянокислотные растворы или растворы с высокомолекулярными полимерами, а также в некоторых случаях – собственно сырая нефть. Расклинивающим материалом, как правило, выступает кварцевый песок или какой-либо пропант с гранулами до 1,5 мм.
Один из самых результативных показателей демонстрирует смешиваемый с песком оксид углерода, вводимый в скважину по технологии ГРП. Впоследствии он испаряется, благодаря чему в пласте остается только песок, неспособный оказать на почву никакого разрушительного эффекта. Так что данный метод позволяет не только сделать разработку месторождения намного более интенсивной, но и защитить окружающую среду, породы и грунтовые воды от накопления опасных отходов.
В русский язык словосочетание перекочевало из английского, где «coiled tubing» дословно переводится как «колонна гибких труб». В настоящий момент оборудование, выполненное по этой технологии, считается самым инновационным среди остальных. Принципиально новым здесь является отказ от традиционных сборных бурильных установок в пользу гибких непрерывных (безмуфтовых) труб. Этот метод позволяет нефтяной и газовой промышленности:
- становиться все менее зависимой от расходов;
- уменьшать количество отходов;
- сокращать время эксплуатации в 3-4 раза по сравнению с выполнением работ в рамках обычного способа!
Колтюбинг неразрывно связан с металлургической промышленностью, ведь сначала он требует производства гибких механизмов легкого, среднего или тяжелого класса, затем – правильной сборки конструкторами, и уже в самом конце – установки ПО для обслуживания аппаратного комплекса и грамотного преобразования получаемой информации. Главным недостатком технологии является отсутствие у нее возможности вращения, ввиду чего добывающие компании все же предпочитают бурить основные скважины с помощью традиционных установок. Лишь после этого они подключают к разработке месторождения оборудование для колтюбинга, куда могут относиться не только гибкие металлические трубы, но и режущие инструменты, насосы, техника для нагрева жидкостей, разнообразные насадки и многое другое.
Данная новая технология в нефтяной и газовой отрасли, носящая название «Measurement while drilling» («Измерения в процессе бурения), вновь оказывается неразрывно связанной с методико-математическим аппаратным обеспечением и компьютеризацией. Дело заключается в том, что для предотвращения ошибок, аварий и ЧП сотрудникам нужно все время следить за ключевыми показателями процесса, и, в частности, за положением оси скважины в пространстве. Для этого даже была разработана особая категория, рассматривающая измерение углов, – инклинометрия, в рамках которой и происходит развитие различных телеметрических систем контроля. Часть их датчиков располагается под землей, в то время как другая находится над поверхностью. Связь между ними осуществляется по следующим каналам:
- гидравлическим;
- акустическим;
- электромагнитным;
- электропроводным и многим другим.
Сегодня функционал этих автоматизированных установок расширяется практически с каждым днем. Например, самые передовые механизмы, называемые «модульными», позволяют не только контролировать основные технологические и навигационные характеристики, но и осуществлять частичные геофизические изыскания и исследовать;
- виброметрию;
- сопротивление горных пород;
- естественное гамма-излучение добываемых полезных ископаемых и пр.
Другие направления: транспортировка и хранение
Немаловажным также является перевозка нефти и газа и их дальнейшая эксплуатация. Так, сегодня все добывающие организации перешли на технологию использования универсальных контейнеров-цистерн по стандарту ISO, которые не загрязняют атмосферу ввиду отсутствия малейших дыр и трещин даже на стыковых местах. Однако некоторые компании решили пойти еще дальше и превратить их… В самостоятельные долгосрочные хранилища для ценных ресурсов! Во-первых, так действительно удается избежать аварий, ведь необходимость проводить по несколько сливных и наливных операций попросту отсутствует. Потребитель оформляет договор купли-продажи и получает голубое топливо или черное золото все в том же контейнере либо с помощью логистической услуги от заказчика, либо путем самостоятельной транспортировки груза. Подобный метод позволяет значительно сэкономить на капиталовложениях, ведь не требует ни насосного оборудования для перекачки, ни взаимодействия с посредническими нефтяными и газовыми базами. Полезное ископаемое фактически доставляется в руки клиента прямо с добывающего завода.
Одним из активно осваиваемых в настоящее время способов хранения нефти и газа также является помещение их в подземные резервуары многолетнемерзлых дисперсных пород. Они не сказываются на качестве хранимых продуктов даже при продолжительном контакте и отвечают требованиям по стабильной устойчивости. Будущая «емкость» оттаивается, после чего очищается от водогрунтовой смеси, заполняется и тем самым как бы герметично закупоривается.
Пусть за подобным хранилищем и необходимо постоянно следить, т.к. теоретически здесь в любой момент могут проступить признаки деформации окружающих пластов или понижение температуры с последующим оттаиванием льдов, все же это – оптимальное решение для длительного сбережения ресурсов. В отличие от наземных стальных тар, подземные многолетнемерзлые массивы оказываются предельно чистыми с экологической точки зрения и практически невзрывоопасными, ведь регулируются естественными условиями.
Виды ГРП
В настоящее время в мировой нефтедобывающей практике используются три основных вида гидравлического разрыва пласта: обычный гидроразрыв пласта (ГРП), глубокопроникающий (ГГРП) и массированный (МГРП). Каждый из этих видов имеет свою область применения.
ГРП используется как средство увеличения проницаемости призабойной зоны пласта. Применяется, как правило, в отдельных скважинах с загрязненной призабойной зоной с целью восстановления их естественной продуктивности, характеризуется использованием незначительного количества закрепляющего материала (5-10 тонн).
ГГРП является одним из наиболее эффективных методов, позволяющих увеличить продуктивность скважин, дренирующих низкопроницаемый пласт (с проницаемостью менее 0,05мкм 2). Характеризуется этот процесс использованием больших количеств закрепляющего материала - 10-50тонн и жидкостей разрыва - 150-200м 3. В этом случае создаются трещины или система трещин значительной протяженности (50-100 и более метров), охватывающие не только призабойную зону, но и значительную часть пласта. В этом основное отличие ГГРП от обычного ГРП. Область применения ГГРП - низкопроницаемые залежи или отдельные её участки с целью, в частности, достигнуть рентабельности разработки таких месторождений. Технология ГГРП предназначается для воздействия на неистощенные (невыработанные) нефтяные залежи, где продуктивные пласты представлены терригенными (песчаными) коллекторами.
МГРП - массированный гидроразрыв пласта, который на практике применяется в низкопроницаемых коллекторах газовых месторождениях. Основной особенностью этого процесса является создание искусственных трещин очень большой протяженности. Для этих целей используются большие количества закрепляющего материала.
Новые технологии ГРП
Существенное расширение области применения гидравлического разрыва и рост числа операций в течение последнего десятилетия связаны с интенсивным развитием технологий проведения обработок. К новым эффективным методам следует отнести технологию осаждения проппанта на конце трещины или концевое экранирование трещины (TSO), которая позволяет целенаправленно увеличить ее ширину, остановив рост в длину, и тем самым существенно увеличить проводимость (произведение проницаемости и ширины). Для снижения риска попадания трещины в водо- или газоностные горизонты, а также для интенсификации выработки запасов низкопроницаемых слоев применяется технология селективного гидроразрыва. Постоянно создаются новые материалы для ГРП. С целью предотвращения выноса проппанта из трещины создана технология PropNET, предусматривающая закачку в пласт одновременно с проппантом специального гибкого стекловолокна, которое, заполняя промежутки между частицами проппанта, обеспечивает максимальную устойчивость проппантной пачки. Для снижения степени остаточного загрязнения трещины разработаны низко полимерные жидкости разрыва LowGuar и система добавок к деструктору CleanFLOW. Применяется незагрязняющая пласт жидкость ClearFrac, которая не требует деструктора.
Совершенствуется информационная база проведения ГРП. Основными источниками информации являются геологические, геофизические и петрофизические исследования, лабораторный анализ керна, промысловый эксперимент, состоящий в проведении микро- и минигидроразрывов перед основным ГРП. Таким образом определяется распределение напряжений в пласте, определяется эффективное давление разрыва и давление смыкания трещины, выбирается модель развития трещины, рассчитывается её геометрические размеры. Специальные приборы позволяют определить высоту и азимут трещины. С использованием специальных программ с учетом целей ГРП осуществляется «дизайн» трещины.
Применение новых технологий позволяет подобрать жидкость разрыва и проппант, максимально соответствующие конкретным условиям, и проконтролировать раскрытие и распространение трещины, транспорт проппанта во взвешенном состоянии вдоль всей трещины, успешное завершение операции. В последние годы разрабатывается технология комплексного подхода к проектированию ГРП как элемента системы разработки. Такой подход основан на учете многих факторов, в том числе проводимости и энергетического потенциала пласта, системы размещения добывающих и нагнетательных скважин, механики трещины, характеристик жидкости разрыва и проппанта, технологических и экономических ограничений.
В последнее время в нефтяном производстве все чаще стали использовать гидроразрыв пластов (ГРП). ГРП является одним из эффективнейших методов воздействия на призабойную зону скважин. Самый первый опыт гидроразрыва пласта в Когалымском регионе был проведен в 1989 году на Повховском месторождении. С этого момента прошло много времени, были внедрены разные технологии гидроразрыва , и этот процесс стал неотъемлемой частью работы всех месторождений предприятия. Если раньше основной задачей ГРП было восстановление естественной продуктивности пласта, ухудшенной в процессе бурения и эксплуатации скважин, то сейчас в приоритете - увеличение нефтеотдачи пластов на месторождениях, находящихся на поздней стадии разработки как за счет вовлечения в разработку слабодренируемых зон и интервалов в объектах с высокой степенью выработки запасов, так и вовлечение в разработку низкопроницаемых, сильнорасчлененных объектов. Два наиболее важных направления развития в нефтедобыче за последние 15 лет - это как раз гидроразрыв пласта и бурение горизонтальных скважин. У этой комбинации очень высокий потенциал. Горизонтальные скважины можно бурить либо перпендикулярно, либо вдоль азимута развития трещины. Практически ни одна технология в нефтегазовой промышленности не дает столь высокой экономической отдачи. В этом убедились сотрудники Тевлинско-Русскинского месторождения , испытав на скважине 1744Г метод поинтервального ГРП. Об успешном опыте нам поведал ведущий инженер отдела повышения нефтеотдачи пластов Юрий Миклин.
В эпоху высоких цен на энергоносители добывающие компании стремятся извлечь максимум из своих активов, добывая столько углеводородов, сколько оправдано экономически, - рассказывает Юрий, - с этой целью часто вовлекаются в разработку протяженные интервалы пласта посредством горизонтальных скважин. Результаты традиционного гидроразрыва пласта в таких скважинах могут оказаться неудовлетворительными по экономическим и технологическим причинам. Метод поинтервального или, как еще говорят, многоинтервального ГРП , способен обеспечить более эффективную выработку запасов нефти за счет увеличения площади контакта трещины с пластом и создания высокопроводящих путей для движения нефти. Ухудшенные коллекторские свойства пластов вынуждают добывающие компании искать все новые и новые пути экономически более выгодных путей строительства скважины для дальнейшей стимуляции интересующих пластов с использованием последних достижений науки и техники. Осознавая это, компании стремятся сократить время, а соответственно, и расходы на дополнительные спускоподъемные операции и работу бригад капитального ремонта скважин с помощью специального оборудования, которое становится составной частью скважины.
Одним из путей выхода является заканчивание скважины с горизонтальным окончанием хвостовиком с циркуляционными клапанами на компоновке, которые служат для закачивания смеси жидкости с проппанитом. Эта компоновка включает в себя разбухающие пакеры, предназначенные для закрепления хвостовика и придания ему устойчивости в открытом необсаженном стволе.
Процесс гидроразрыва пластов заключается в создании искусственных и расширении имеющихся трещин в породах призабойной зоны при воздействии повышенных давлений жидкости, нагнетаемой в скважину. Вся эта система трещин связывает скважину с удаленными от забоя продуктивными частями пласта. Для предотвращения смыкания трещин в них вводят крупнозернистый песок, добавляемый в жидкость, нагнетаемую в скважину. Длина трещин может достигать нескольких десятков метров.
Здесь надо учитывать, что расстояние между местами установки циркуляционных клапанов и соответственно местами инициирования трещин в горизонтальном стволе будет влиять на производительность каждого участка, - отмечает Юрий, - то есть требуется выбрать оптимальное расстояние между трещинами, исходя из геометрии проектируемых трещин. Мы должны максимально обезопасить себя от пересечения трещин в продуктивном пласте, что может явиться причиной осложнений при проведении ГРП. В идеальном случае максимальный дебит возможен при расстоянии между трещинами, равным радиусу дренирования. Это условие невыполнимо, учитывая конструкцию скважины 1744Г, поэтому расположение трещин необходимо было выбирать с максимально возможным удалением друг от друга.
Учитывая наклонное залегание пластов, горизонтальные скважины наилучшим образом повышают площадь контакта с продуктивным пластом. Проведение ГРП по технологии «Zone Select» проходит следующим образом: сначала производится гидроразрыв самого дальнего интервала через компоновку, в которой уже открыт циркуляционный клапан. После чего с поверхности в колонну НКТ (насосно-компрессорных труб) вместе с продавочной жидкостью запускается шар, который, достигая забоя скважины, сначала открывает второй циркуляционный клапан для обработки следующего участка, а затем садится в специальное седло, отсекая обработанный интервал. При двух интервалах обработки используется один шар. Пропорционально увеличению количества интервалов обработки увеличивается и количество шаров. Причем каждый следующий шар должен быть большего диаметра, чем предыдущий. Шары изготавливаются из алюминия, и это важно. После стимуляции необходимого количества интервалов и закачки расчетного количества смеси жидкости и песка флот ГРП уезжает со скважины. На скважину становится флот ГНКТ (гибкие насосно-компресорные трубы), который осуществляет промывку, фрезерование шаров и освоение скважины с определением профиля притока и добывных возможностей скважины. Освоение производится азотом - это наиболее перспективное направление по снижению давления на забой скважины. В ТПП «Когалымнефтегаз» по данной технологии была проведена обработка двух интервалов скважины 1744Г Тевлинско-Русскинского месторождения. По сравнению с соседними горизонтальными и наклонно-направленными скважинами после проведения на них ГРП по стандартной технологии, на данной скважине были получены более высокие технологические показатели. Первоначальный дебит нефти на скважине 1744Г составил порядка 140 тонн в сутки.
Напоследок хочется отметить, что именно масштабное применение ГРП позволяет остановить падение добычи нефти на месторождениях ТПП "Когалымнефтегаз" и увеличивает выработку запасов из средне- и низкопродуктивных коллекторов. Преимуществами проведения поинтервального ГРП в горизонтальных скважинах по технологии «Zone Select» является не только увеличение эффективной площади контакта пласта со скважиной, дренирующей пласт, но и преодоление повреждения призабойной зоны ствола скважины после бурения, а также приобщение в разработку слабодренируемых участков с низкими фильтрационно-емкостными свойствами. Это свидетельствует о том, что горизонтальные скважины с применением поинтервального ГРП более эффективны и экономически выгодны.
Россия ожидает усиления санкционного давления. Великобритания и США активно ищут новые поводы для дискриминации российского бизнеса. Однако результаты последней волны санкционной политики, начавшейся в 2014 году, далеко не однозначны. Даже независимые исследования показывают, что российский топливно-энергетический комплекс не сильно пострадал от ограничений, более того, именно они подтолкнули развитие промышленности в России. По мнению отраслевых экспертов, возможное усиление антироссийских санкций также не станет критичным для ТЭК России, но только в том случае, если правительство и энергокомпании вовремя мобилизуют силы для создания отечественной машиностроительной отрасли, выпускающей оборудование для добычи трудноизвлекаемых запасов нефти (ТРИЗ).
Россия должна научиться добывать ТРИЗ
Накануне Энергетический центр бизнес-школы СКОЛКОВО представил результаты своего исследования «Перспективы российской нефтедобычи: жизнь под санкциями », где было проанализировано влияние санкций, введенных в США и ЕС, на российский нефтяной сектор, в частности на ввод в России новых традиционных месторождений, развитие шельфовых проектов, добычу баженовской нефти. Авторы исследования также сделали сценарный прогноз российской нефтедобычи до 2030 года.
В документе отмечается, что на горизонте до 2020 года, несмотря на все ограничения, у России есть потенциал для дальнейшего увеличения объемов производства за счет уже подготовленных месторождений. Этот краткосрочный потенциал роста, однако, может быть ограничен договоренностями с ОПЕК. В среднесрочном периоде до 2025 года, даже в случае жесткого ограничения доступа к технологиям и низкой цене на нефть, объемы добычи пострадают не катастрофически. При этом главной причиной спада добычи в этот период может стать не столько отсутствие доступа к западным технологиям для реализации новых проектов, сколько отсутствие технологических возможностей по интенсификации добычи на действующих месторождениях.
Данное исследование показало, что наиболее критическая технология для поддержания объемов российской нефтедобычи – это ГРП (гидроразрыв пласта), поскольку она способна обеспечить поддержание добычи на действующих месторождениях.
Применение МГРП (многостадийного гидравлического разрыва пласта) обещает рост добычи на перспективных нетрадиционных месторождениях.
Авторы исследования подчеркивают, что в сложившихся условиях именно разработка собственных технологий ГРП и МГРП, выпуск флотов ГРП и МГРП внутри страны и подготовка персонала должны стать технологическим приоритетом для компаний отрасли и регуляторов. Однако пока работа в этом направлении ведется явно недостаточными темпами. Как отметила в своем докладе эксперт Энергетического центра бизнес-школы СКОЛКОВО Екатерина Грушевенко, в период с 2015 по август 2017 года не было произведено ни одного флота ГРП. Роторно-управляемые системы, согласно данным сайта НТЦ ПАО «Газпром нефть», на конец 2016 года находились в стадии испытания. Эксперт подчеркнула, что уже сейчас две трети нефтяных запасов приходится на ТРИЗ.
До 2020 года сокращения добычи не ожидается
Директор Энергетического центра бизнес-школы СКОЛКОВО Татьяна Митрова в своем выступлении на презентации данного исследования отметила, что первые санкции в отношении России и российских энергетических компаний были введены в 2014 году, но никаких специальных исследований об их влиянии на нефтяную отрасль опубликовано не было.
«Мы не знали, какой результат мы получим. Первая гипотеза предполагала, что последствия будут очень тяжелыми», – рассказала Митрова. Однако результаты показали несколько иную картину влияния санкций.
«В настоящее время никаких серьезных последствий санкций в операционной деятельности компаний не ощущается. Действительно, добыча в последние годы росла, невзирая на низкие цены и санкции. Нефтяная отрасль рапортовала об успехах. Но позитивная текущая ситуация не должна вводить в заблуждение, анализ самого комплекса санкций говорит об их очень широкой трактовке, в этом и заключается основная угроза санкционного давления», – указала эксперт.
По ее словам, до 2020 года, согласно результатам моделирования, сокращения добычи не предвидится, поскольку основные проекты уже профинансированы.
«Начиная с 2020 года негативные тенденции будут проявляться все более заметно и могут привести к снижению добычи нефти в России на 5% к 2025 году и на 10% к 2030 году от текущих уровней добычи. Снижение добычи в таких размерах, конечно, не катастрофично для российской экономики, но тем не менее достаточно чувствительно», – заявила Митрова.
Она подчеркнула, что санкции – долгая история и для того чтобы российская нефтяная отрасль к ним адаптировалась, необходимы дополнительные усилия государства и компаний по разработке собственных технологий и производства необходимого оборудования.
«Есть огромная часть нефтедобычи, которая напрямую зависит от технологии ГРП. Именно наличие данного оборудования оказывает наибольшее влияние на объемы нефтедобычи в стране. Но разработка и внедрение производства данной технологии в большей степени задача российского правительства и промышленности», – пояснила директор Энергетического центра.
Требуется новая отрасль
Руководитель направления «Газ и Арктика» бизнес-школы СКОЛКОВО Роман Самсонов в своем выступлении отметил, что, по его личным наблюдениям, в России только на фоне санкций можно наблюдать прогресс в разработке и производстве собственного высокотехнологического оборудования.
«Ситуация с производством высокотехнологичного оборудования сложная, но ей можно научиться управлять. Фактически речь идет о создании целой многофункциональной подотрасли нефтегазомашиностроения», – отметил Самсонов.
По мнению участников исследования «Перспективы российской нефтедобычи: жизнь под санкциями», столь масштабная задача по созданию новой подотрасли тяжелого машиностроения в советские времена решалась только благодаря государственным директивам. В условиях современной рыночной экономики, в которой сейчас развивается РФ, механизмы для реализации этой задачи еще не отработаны.
Впрочем, это только в России. Если посмотреть на опыт западных стран, которые с успехом преодолевают все трудности для добычи ТРИЗ, становится ясно, что такой способ давно найден. Наиболее отчетливо это видно на примере сланцевой индустрии США, которая активно кредитовалась даже в период низких цен, что помогло ей выжить. Очевидно, что столь терпимое отношение банков к этому сектору нефтедобычи не могло обойтись без госучастия. Теперь же благодарные сланцевики помогают властям США сдерживать ОПЕК и других производителей нефти, активно влияя на мировой нефтегазовый рынок.
Екатерина Дейнего
