ЛЕКЦИЯ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАСТОВЫХ ЖИДКОСТЯХ И О

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Бурный научно-технический прогресс и высокие темпы развития различных отраслей науки и мирового хозяйства в Х1Х – ХХ вв. привели к резкому увеличению потребления различных полезных ископаемых, особое место среди которых заняли нефть и горючие(природные) газы.

Нефть и горючие газы известны человечеству с доисторических времен. Археологическими раскопками установлено, что на берегу Ефрата нефть добывалась за 6-4 тыс. лет до н.э. Использовалась она для различных целей, в том числе и в качестве лекарства. Древние египтяне применяли асфальт (окисленную нефть) при бальзамировании. Добывали они его, по сообщению древнегреческого историка и географа Страбона (63 г.до н.э. – 23-34 гг. до н.э.), преимущественно у берегов Мертвого моря. Нефтяные битумы использовались для приготовления строительных растворов и как смазка. Нефть являлась составной частью зажигательного средства, вошедшего в историю под названием «греческого огня».

В средние века нефть использовалась для освещения улиц в ряде городов Ближнего Востока, Южной Италии и др.

В России нефть известна с незапамятных времен. По свидетельству древних историков еще в III - IV вв. с территории Азербайджана в Иран вывозилась нефть. На Тамани обнаружены глиняные амфоры с нефтью, добытой в 1Х или Х в.

В 1594 г. в Азербайджане был вырыт первый нефтяной колодец глубиной 35 м. В конце ХVIII в. в районе Баку было известно уже много таких колодцев. Нефть, добываемую из них, сливали в ямы, обложенные камнями ( амбары). Колодезный способ добычи нефти просуществовал до 1872 г.

В начале Х1Х в. в России, а затем в середине Х1Х в. в Америке из нефти путем ее возгонки было получено осветительное масло, названное керосином. Керосин использовался в лампах, изобретенных во второй половине Х1Х в. Игнатием Лукасевичем и широко распространившихся по всему миру. Впервые керосиновая лампа освещала операционный стол во львовском госпитале.

До середины Х1Х в. нефть добывалась в небольших количествах, в основном из неглубоких колодцев вблизи естественных выходов ее на дневную поверхность. Со второй половины Х1Х в. спрос на нефть стал резко возрастать в связи с широким использованием паровых машин и развитием на их основе промышленности, которая требовала больших количеств смазочных веществ м более мощных, чем сальные свечи, источников света.

С 1873 г. В Азербайджане начинается разведка и освоение крупнейших в мире по тому времени месторождений в Раманах, Сабунчах, Балаханах и Бибиэйбате с общими извлекаемыми запасами более 500 млн.т. Через 12 лет, в 1884 г.

они дали 6,2 млн. т. нефти. На этих и некоторых других месторождениях России в 1901 г. было добыто 11,5 млн. т. нефти, что составляло 50 % мировой ее добычи. Помимо Азербайджана на территории России в дореволюционное время осуществлялась добыча нефти в Грозном, на Кубани и в небольших объемах в других районах. Геологоразведочные работы и исследования с целью поисков нефти проводились учеными и специалистами также на Северном Кавказе ( П.С.Паллас, Д.И.Менделеев, Г.В.Абих, Ф.Б.Кошкуль, А.П.Карпинский, Д.И.Иванов, И.М.Губкин и др.); В Ухтинском районе ( Г.Д.Романовский, Ф.Н.Чернышов, А.П.Павлов и др.); в Урало-Эмбинском районе (П.С.Паллас, П.И.Рычков, С.Н.Никитин и др.); В Средней Азии ( Д.П.Петров, В.Н.Вебер, К.П.Калтцкий и др.); В Урало-Поволжье ( Г.Д.Романовский, И.М.Губкин,В.И.Миллер, А.Д.Архангельский и др.); на о-ве Сахалин ( Л.Ф.Бацевич,Н.Н.Тихонович, П.И.Полевой и др.).

Несмотря на сотни лет, прошедшие с начала использования отечественной нефти, в 1998 г. нефтяной промышленности нашей страны исполнилось лишь 134 года. Датой ее рождения принято считать 1864 г., когда на Кубани под руководством А.Н.Новосильцева была пробурена с помощью механического привода первая скважина глубиной 198 м.

Распространение механического способа бурения обусловило рост мировой добычи нефти с 300 тыс. т в 1850 г. до 4,4 млн. т в 1881 г. и до 22,5 млн. т. в 1901 г.( в том числе 11,5 млн. т на территории России).

Для начала развития нефтепромыслов в России характерно проявление инициативы отечественных предпринимателей, благодаря усилиям которых добыча нефти в 1883 г. составила уже 1,5 млн. т . Однако царское правительство не поддерживало их начинания, отдавая предпочтение иностранным дельцам. Уже к началу ХХ века отечественные предприниматели были вытеснены иностранными компаниями не только с нефтяных промыслов, но и из торговли нефтепродуктами. К 1917 г. 70 % капиталовложений в нефтяную промышленность принадлежало иностранному капиталу – английскому, французскому, американскому, шведскому и др. В руках иностранных фирм находилось 60 % добычи нефти и 75 % оборота торговли нефтепродуктами в России.

За 53 года дореволюционного периода техника в нефтяной промышленности оставалась примитивной, не развивалась. Ударное бурение, внедренное в 70-х годах прошлого века, не претерпело никаких изменений и к 1917 г. нефть ( если она не фонтанировала) добывалась желонками. Все работы по бурению скважин и добыче нефти выполнялись в основном вручную. Но и в таких условиях добыча нефти в России в 1913 г. составила 10,2 млн. т или половину мировой, причем 75 % всей добычи нефти в России обеспечивал Бакинский район. В 1916 г. было добыто нефти: в Бакинском районе – 8 млн. т , на Северном Кавказе ( Грозный и Майкоп) 1,7 млн. т , в Средней Азии и Казахстане 300 тыс. т .

Первая мировая война, гражданская война, интервенция и сопутствующие им разруха и дезорганизация экономики отбросили нефтяную промышленность России к уровню конца Х1Х в. Бурение скважин почти полностью прекратилось. Фонд действующих скважин резко сократился вследствие интенсивного их обводнения. В 1921 г. в России было добыто только 3,8 млн. т нефти, столько же сколько и в 1890 г.

Вскоре после национализации нефтяная промышленность Советского Союза значительно окрепла и начала бурно развиваться, дав стране уже в 1928 г. 12,1 млн. т , а в 1938 г. – 27,3 млн. т нефти.

В годы Великой Отечественной войны (1941–1945) значительно замедлилось развитие добычи нефти в связи с выбытием из строя нефтепромыслов Северного Кавказа. Однако в последующие послевоенные пятилетки благодаря самоотверженному труду советских нефтяников добыча нефти начинает вновь возрастать еще более высокими темпами: в 1950 г. страна получила свыше 35 млн. т нефти, в1956 г.–83,8 млн. т, в 968 г.– 309 млн. т, в 1976 г. – 520 млн. т , в 1980 г.-603 млн. т.

На рубеже ХХ – ХХI веков в истории развития нефтедобывающей промышленности России можно выделить три главнейших этапа. Для каждого из них характерна своя технология, назначение и реализация отборов нефти.

На первом этапе ( до 40 – х гг. ХХ столетия ) было типичным площадное разбуривание месторождения с применением некоторого принципа вскрытия нефтяного пласта ( сверху вниз, позднее снизу – вверх). Во главу угла ставилось использование естественной энергии пласта, иногда с локальным воздействием на пласт ( закачка воды или газа с отбором нефти через ближайшие из пробуренных скважин). Главным считалось тщательное изучение стратиграфии всей толщи и регулирование отборов в соответствии с интересами потребителя и с изученностью продуктивности пласта методами промысловой геологии. В результате проведенных исследований было установлено, что любой пласт представляет собой единую гидродинамическую систему, поэтому к нему можно применить расчетные математические методы.

На втором этапе ( 40 – 60 –е гг.) было предложено проводить предварительное гидродинамическое проектирование с выделением экономически оптимального варианта расстановки скважин. Ключевым элементом эффективной разработки была идея о поддержании пластового давления за счет законтурного заводнения, а на гигантских месторождениях моноклинального типа – внутриконтурного ( 60-70-е гг.).

В результате практически сохранялась начальная энергия пласта и значительно продлевался фонтанный способ отбора нефти с большими дебитами эксплуатационных скважин. Тем самым стало возможным разбуривать месторождение редкими сетками скважин и добиться большой экономии металла, на производство которого уходили основные трудозатраты в период восстановления народного хозяйства в послевоенные годы.

Стало возможным выделить большее число буровых станков на разведочное бурение, что обусловило впоследствие непрерывное расширение запасов нефти, а затем и природного газа.

Проблема повышения нефтеотдачи решалась поэтапно добуриванием новых скважин уже с учетом полученных сведений о неоднородностях и оставшихся целиков нефти ( из за прорывов вод ).

Наиболее трудным был вопрос выбора систем разработки на месторождениях ( или участках ) с ухудшенными коллекторскими свойствами. Решающую роль при обосновании системы играли экономические факторы, увязанные с геологическим строением пласта и гидродинамическими расчетами в каждом конкретном случае.

Громадную роль в этом периоде сыграла отечественная нефтегазовая наука. Перевод проектирования разработки на научную основу впервые практически был осуществлен в ПИБ – Проектно-исследовательском бюро Московского нефтяного института им. И.М.Губкина. В последующем на его базе был создан головной институт ВНИИнефтегаз, ныне им. А. П. Крылова. Затем выросла целая сеть региональных институтов, взявшая на себя труд составления проектов практически всех месторождений СССР.

Комплексный подход к проблеме проектирования разработки нефтяных месторождений обеспечил восстановление, а затем бурный рост добычи нефти и газа, что стабилизировало экономику всей страны. Расширившийся экспорт рос-

сийской нефти за рубеж, особенно в условиях борьбы за передел рынков и цен, развернувшейся в те годы между странами ОПЕК и международными нефтяными компаниями, позволил обеспечить непрерывный приток твердой валюты в больших объемах.

Полученные средства тех лет не инвестировались в сбалансированное развитие отечественной промышленности, даже в модернизацию нефтеперерабатывающей промышленности, которая могла позволить постепенную замену экспорта сырой нефти на более ценные нефтепродукты, а также уменьшить в выходе долю мазута, использовавшегося как простое топливо.

В 80 – е годы возможности громадных объемов добычи нефти низкой по себестоимости ( за счет фонтанного способа отбора), уменьшаются, поскольку пластовая энергия основных месторождений исчерпывается, а новых, столь же богатых, как Ромашкино и Самотлор, открыто не было.

Между тем планы расширения добычи остались прежними, что заставило переходить к сверхвысоким отборам нефти в нарушение технологического баланса. Для этого были пробурены сотни и тысячи эксплуатационных скважин ( за счет уплотнения сетки скважин) фактически «на воду» – сверхвысокие отборы привели к спаду пластовых давлений и обводнению пластов. Так постепенно стал происходить переход к механизированным способам добычи, следовательно к увеличению обслуживающего персонала, что привело к социальным трудностям в удаленных регионах страны.

Общий рост затрат привел к «перекапитализации» отрасли и значительно снизил возможности разведочного бурения, а это по существу лишает отрасль будущего. Утверждения ряда известных геологов о необъятных запасах углеводородов и о возможности добычи нефти в 1000 млн. т. оказались неподкрепленными открытием реальных богатых месторождений.

Технологический выход из возникшего тупика в те годы увидели в увеличении нефтеотдачи, которая действительно связана с увеличением скоростей движения воды. Казалось бы, этот фактор мотивирует и сверхотборы. На деле же он положителен для стимулирования подвижности нефти на микроуровне, т.е. главным образом уже в обводненных пластах. В режимах замещения нефти водой рост перепадов и скоростей течений вреден, поскольку приводит к неустойчивости фронта вытеснения, а следовательно и к возникновению застойных зон крупномасштабных целиков пропущенной нефти.

С начала 90 – х годов начался третий этап развития отрасли. Каковы же его особенности ? Перечислим их :

· замедление темпов прироста новых запасов из-за неоправданно больших объемов эксплуатационного бурения и относительно малого объема разведочного бурения в 80 – е годы;

· усложнение геолого-физических условий на новых месторождениях;

· тяжелые природные условия новых районов добычи углеводородов;

· поздняя стадия разработки крупнейших месторождений;

· отбор остаточной нефти месторождений в обустроенных районах России;

· возрастание удельного веса категории трудноизвлекаемых запасов ( заводненные пласты, подгазовые зоны пластов, высоковязкие нефти, низкопроницаемые коллекторы, аномально сложнопостроенные залежи нефти.

За последние 15 лет запасы со степенью выработанности более 50 % возросли в 1,9 раз, а более 80 % - в 4 раза. Доля добычи с объектов, выработанных более 80 % , возросла с 4,6 до 17 %. Положение усугубляется износом техники и отсутствием доступных фондов, а нефтяные компании страны еще не готовы к соответствующим капиталовложениям.

Подводя итог вышесказанному можно отметить, что в настоящий момент нефтяная промышленность России переживает тяжелые времена по двум причинам.

Во-первых, с конца 80 –х годов в связи с тем, что преимущества, имеющиеся ранее благодаря открытию крупнейших месторождений нефти (Ромашкино, Самотлор и др.) и поддержанию пластового давления (при редкой сетке скважин), были исчерпаны и произошло изменение структуры извлекаемых запасов и необходимой технологии их извлечения. Нефтяники теперь вынуждены добывать нефть из пластов высокой водонасыщенности ( в 40 – 60 % ) - с самого начала разработки или в силу обводнения. Отборы нефти проводятся из низкопроницаемых коллекторов ( проницаемость ниже 10 – 40 мД ). Эксплуатируются подгазовые залежи нефти, подстилаемые подошвенными водами, месторождения с летучими нефтями, ведется добыча конденсата из газовых пластов. Гигантские месторождения, главным образом за счет которых добыча нефти совсем недавно составляла 624 млн. т обводняются.

Во-вторых, экономические неурядицы в стране, нараставшие с 1985 г., достигли своего апогея к 1992 г. , что самым неблагоприятным образом сказалось на состоянии фонда скважин и системах разработки в целом. Последующая перестройка самой организации нефтяной промышленности с переходом на новые (рыночные) отношения также отодвинула технологические проблемы на более поздние сроки. Начались массовые отключения высокообводненных, а также низкодебитных скважин на месторождениях. Это привело в большинстве случаев к расбалансировке системы разработки, т.е. к нарушению условий, при которых реализуется повышенный коэффициент нефтеотдачи.

В результате наложения указанных факторов добыча нефти снизилась вдвое ( в 1995 г. добыто только 306 млн. т ).

Проектная мощность по ряду месторождений реализуется на 10 – 20 %. Система цен и налогов не позволяет применять существующие технологии разработки месторождений с трудноизвлекаемыми запасами.

Таким образом, современное состояние нефтяной промышленности предопределяет наступление нового этапа в развитии фундаментальных научных знаний о нефти и газе на основе прогрессивных достижений последнего времени в области науки, техники и технологий. На основе результатов фундаментальных исследований должно происходить обеспечение нефтегазового комплекса новыми технологиями.

Вышеописанное позволяет обозначить круг современных проблем разработки нефтяных месторождений.

1. Необходимость дальнейшего повышения степени извлечения нефти на основе геологического, гидродинамического и геофизического изучения пласта и построение постоянной компьютерной модели для каждого крупного месторождения. Повышение нефтеотдачи пласта обеспечивается стимулированием притока к скважинам, увеличением площадей дренирования за счет горизонтальной проводки стволов скважин и крупномасштабного гидроразрыва, использованием физико-химических методов воздействия на продуктивную толщу.

2. Геофизическое обоснование методов увеличения нефтеотдачи и отбора нефти в сложных условиях требует интенсивной разработки нового физико-математического моделирования природных и техногенных процессов в продуктивной толще и вмещающем массиве.

3. Обеспечение дальнейшего развития комплексного много дисциплинарного подхода к разработке месторождений углеводородов.

4. Возрождение контроля за разработкой месторождений, осуществление исследований конкретных скважин.

5. Создание необходимых условий для исследований закономерностей фазовых переходов жидких и газообразных углеводородов при термобарических условиях, характерных для разработки вновь открываемых месторождений.

6. Постановка исследований по более активному использованию физических полей для повышения степени извлечения углеводородов из недр.

7. Проведение теоретических и экспериментальных исследований в области механики нефтегазоносных пластов применительно к актуальным проблемам геологии, геофизики, бурения и разработки месторождений.

8. Решение природоохранных проблем разработки месторождений осуществлять на основе мониторинга экологической обстановки с помощью дистанционных методов (подземно-наземно-аэрокосмический мониторинг объектов нефтяной и газовой промышленности).

9. Геолого-геофизические наблюдения за месторождением завершать созданием адекватной компьютерной модели.

10. Ориентироваться на вскрытие пластов скважинами с наибольшей эффективной поверхностью вскрытия, т.е. наклонными и горизонтальными скважинами в зависимости от геометрии толщин.

11. Создавать новые технологии первичного и вторичного вскрытия пласта.

12. На месторождениях с низкопроницаемыми коллекторами изучать результативность применения крупномасштабных гидроразрывов пласта с использованием высокого давления, специальных жидкостей разрыва и нагнетания в пласт агентов по закреплению трещин.

13. Совершенствовать и внедрять вибротехнологию отбора остаточной нефти из заводненных пластов и исследовать результаты ее внедрения.

14. Развивать теоретические и экспериментальные исследования в области фильтрации многофазных систем.

15. Обобщить опыт разработки сложнопостроенных месторождений и обеспечить создание систем комплексной разработки месторождений нефти.

ЛЕКЦИЯ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАСТОВЫХ ЖИДКОСТЯХ И О