Об авторе: Вадим Ахметгареев, кандидат технических наук, Sr. Engineering Advisor R&D в компании Terra Laboratories.
IT-разработки в помощь геологам
Нефтегазодобыча — наукоемкая сфера, поэтому здесь не обойтись без передовых технологий.
Есть два типа данных, получаемых о пласте:
- прямые — шлам (крошечные образцы породы, которые выносит на поверхность во время бурения), керн (образцы породы диаметром 5–10 см, которые специально выпиливаются также во время бурения), флюиды (жидкости и газы из пласта);
- косвенные — данные сейсморазведки, либо геофизических исследований скважин.
Одна из наиболее современных и эффективных технологий по изучению пласта — детализированный анализ шлама. Детализированный анализ шлама представляет собой исследование того, из каких минералов и элементов состоит шлам. Так как шлам — это мелкие кусочки выбуренной породы, то их исследования позволяют понять, чем представлен пласт: из каких пород и флюидов, и даже из каких элементов системы Менделеева он состоит. Новейшие методики, оборудование и софт могут выполнять эту процедуру непосредственно в самой скважине во время бурения.
Объединив данные по геофизике, шламу и керну, геологи получают очень подробную информацию об объекте. Уже сами по себе эти массивы данных широко используются как при дальнейшем бурении скважин, так и для того, чтобы повысить добычу.
Каждая пробуренная скважина — это всего лишь точка на площади распространения пластов. Что находится между этими точками, никто не знает. Для того, чтобы понять, что же находится между этими точками, используют 3D-сейсмику: геофизические исследования отражения от пластов искусственных сейсмических волн.
Современные IT-разработки и методики позволяют проводить количественную интерпретацию 3D-сейсмики. Для этого объединяются данные по керну, шламу, геофизике и 3D-сейсмике. В результате получают примерное представление о пористости и насыщенности пластов. Полученный комплекс данных позволяет построить настолько точную цифровую 3D-модель пласта, насколько это возможно. Программное обеспечение способно проводить симуляцию физических процессов движения флюидов, изменения напряжений и деформации пластов на таких 3D-моделях, адаптируя эти процессы к реальным промысловым данным (замерам добычи, давлений, промысловых исследований).
Существует целый ряд технологий, методик и оборудования, которые выполняют вышеуказанные операции и с каждым годом совершенствуются, автоматизируются и даже начинают сами «думать» за счет машинного или глубокого обучения, исключая тем самым возможность ошибки из-за человеческого фактора.
Современные мощные компьютеры и специализированный софт способны перенести реальный пласт в цифровой «двойник» (3D-модель) и затем на этой модели проводить все необходимые операции и исследования. Например, чтобы понять куда бурить добывающие и нагнетательные скважины, что и в каких объемах закачивать, какие скважины обрабатывать кислотой, химией, где и как проводить гидроразрыв пласта.
Причем вариантов этих операций на 3D-модели может быть бесконечно много, с минимальными затратами. А чтобы проверить все на реальном пласте, требуется гораздо больших денежных средств.
«Умные» решения для нетрадиционных коллекторов
Коллекторы — это горные породы, обладающие способностью вмещать нефть, газ и воду, и отдавать их при разработке. Нетрадиционными называют коллекторы с очень низкой проницаемостью: это сланцевые или плотные породы, содержащие нефть и газ в основном в естественных трещинах. Подавляющая часть добычи из таких коллекторов осуществляется в США, где и разрабатываются различные технологии по гидроразрыву пластов — основной способ заставить нефть и газ притекать к скважине.
В горизонтальной скважине длиной 1,6–3,2 км, проводят многостадийный гидроразрыв пласта (МГРП), где расстояние между стадиями 50–100 м. Разветвленная система искусственных трещин от МГРП соединяется с естественными трещинами пласта, и флюиды (нефть и/или газ и вода) начинают притекать к скважине.
Горизонтальная скважина — подвид скважин, в которых ствол скважины в продуктивном (нефтяном или газовом пласте) бурят под углом не менее 80 градусов к вертикали. Из-за того, что пласты расположены в основном горизонтально, то и бурение скважин в этих пластах горизонтально наиболее рационально, т.к. позволяет добывать гораздо больше.
Часто бывает так, что горизонтальный пласт разделен горизонтальными непроницаемыми пропластками (например, глиной). В результате получается своеобразный пирог из пропластков продуктивного пласта и непроницаемых пластов. В этом случае, если пробурить горизонтальную скважину, то она пройдет только по одному из продуктивных пропластков. Чтобы добывать нефть или газ со всех пропластков, проводят гидроразрыв пласта. Многостадийный гидроразрыв — подвид гидроразрыва пласта, который проводят именно в горизонтальных скважинах, в нескольких местах вдоль горизонтального ствола. Каждое такое место называют стадией.
Стоимость МГРП на одной скважине составляет $2–6 млн, поэтому оптимизация таких работ — важнейшая задача. Процесс МГРП протекает так:
- в скважину закачивают жидкость, которой разрывают породу;
- затем закачивают в трещины проппант (в основном представляющий собой песок). Вода при этом проталкивается дальше в пласт. Проппант закачивают в пласт во взвешенном состоянии в жидкости. Эта жидкость выталкивает ранее закачанную в пласт жидкость гидроразрыва;
- датчиками замеряют давление закачки на протяжении всего процесса.
Проппант нужен, чтобы пласт не сомкнулся. Если его не закачать, то горное давление, которое составляет в среднем для таких пластов 500-800 атмосфер (для сравнения, на поверхности земли деление 1 атмосфера), просто закроет трещины. Но проппант представляет собой песок, через который нефть спокойно протекает (если на пляже в песок налить жидкость, она пропитает его, так же и в пласте).
Для идентификации трещин часто используют доргостоящую микросейсмику. Однако современные «умные» решения с использованием специальных математических алгоритмов и машинного обучения могут обойтись без нее.
Идентификация трещин нужна, чтобы понять, почему на одной скважине дебит нефти получился больше, чем на другой, и чтобы правильно спроектировать гидроразрыв пласта.
«Умные» решения предельно точно обрабатывают полученные данные по давлениям и объему закачки и позволяют:
- Определить, в какие зоны пласта прошли трещины МГРП и, соответственно их форму, распространение.
- Выявить близлежащие естественные трещины пласта.
- Определить, какие стадии создали слишком длинные трещины, которые не требуются по проекту, а какие, наоборот, оказались слишком короткими и не охватили всю необходимую зону.
- Идентифицировать, из каких трещин МГРП идет приток флюидов и, соответственно, понять, какие вносят основной вклад в добычу.
- Понять, какие породы и напряжения в них приводят к образованию полезных или бесполезных трещин, и сгруппировать стадии МГРП в зависимости от типов пород.
- Определить время прекращения закачки жидкости гидроразрыва для достижения наилучшего результата. Причем эта процедура может проводиться в реальном времени во время закачки. Для МГРП в пласты закачиваются гигантские объемы воды, причем в основном пресной. Чтобы снизить расход воды, определение минимального объема закачки крайне важно.
Нанотехнологии в нефтегазовой отрасли
Под нанотехнологиями подразумеваются все технологии, в которых процессы происходят на микроуровне, приводя к результату на макроуровне.
Нефть и газ залегают в порах пород. Представьте камень: если на него капнуть воды, он пропитается и вода будет находиться в порах камня. Точно так же залегают в порах пород флюиды.
Одной из интереснейших технологий является закачка в нефтяные и газовые пласты смеси воды с наночастицами, которые изменяют свойства породы и/или закачиваемой воды. В некоторых случаях в закачиваемый раствор добавляют определенную химию для ускорения процессов. В результате такой раствор позволяет лучше отмывать нефть с поверхности пор и вытеснять ее к добывающим скважинам.
Разновидностей наночастиц огромное количество, но инженеры в основном стараются выбирать недорогие. Я участвовал в разработке технологии использования наночастиц из древесного и угольного пепла, а также золы от сжигания различных продуктов на предприятиях. Частицы такой золы или пепла меньше размеров поровых каналов, что позволяет им проникать вглубь пласта. Результаты показали очень высокую эффективность, сопоставимую с дорогостоящими наночастицами. Аналогичные решения применяются и в бурении, когда наночастицы не позволяют буровому раствору проникать в пористые породы.
Современное лабораторное оборудование способно на микро- и наноуровне изучать физико-химические процессы, происходящие между породой, насыщающими ее флюидами и флюидами, закачиваемыми через скважины. Одна из современных технологий, в которой предварительно исследуются данные процессы — это закачка «умной» воды. Для ее производства подбирается наиболее оптимальный состав солей, растворенных в воде. Это позволяет при закачке «умной» воды в пласт за счет различных ионно-обменных процессов, происходящих между солями закачиваемой и пластовой вод, а также частицами породы, отмывать из пласта больше нефти, либо блокировать участки, из которых идет вода.
Широкое распространение получили технологии с использованием волн различной частоты, в том числе магнитных, ультразвуковых. Механизм воздействия работает за счет физического действия на микро- и наноуровне на частицы пород и флюиды. Например, для удаления отложений парафинов, асфальтенов, смол, карбоната кальция в трубах, по которым потом закачивается нефть, используются специальные приборы, которые за счет ударно-резонансных частот разбивают молекулы отложений. Постепенно частицы отложений отделяются от стенок труб и выносятся потоком. Другим примером могут служить специальные ультразвуковые приборы, спускаемые в скважины, которые также очищают трубы и перфорационные отверстия от отложений различных типов. Своеобразная «встряска» позволяет частицам отделяться от поверхности, на которые они налипли, и дебит (пропускная способность) скважины повышается.
«Зеленые» технологии в сфере нефтегаза
В последние годы нефтегазовые компании активно внедряют различные технические решения по генерации солнечной, ветровой, гравитационной, гидротермальной электроэнергий на своих объектах, а также систем хранения этой электроэнергии. В связи с развитием электротранспорта, большинство нефтегазовых компаний оснащают свои заправочные станции модулями для зарядки электромобилей.
Мне довелось участвовать в разработке органических жидких редокс-батарей, используемых для промышленного хранения электроэнергии. Редокс-батареи — тип перезаряжаемой жидкой батареи, которая использует ионы различных химических элементов в разных степенях окисления для хранения химической потенциальной энергии.
Примечательно, что подбираемый для таких систем электролит производится из продуктов глубокой переработки нефти, а промышленные нефтегазовые объекты, которые ранее были построены и в настоящее время не используются из-за истощения скважин, могут быть применены в качестве резервуаров для хранения и перекачки электролита. Небольшой парк таких хранилищ способен обеспечить электроэнергией город среднего размера.
К «зеленым» технологиям в нефтегазовой сфере также можно отнести:
- закачку в скважины отходов с промышленных предприятий, в том числе химических заводов, электростанций. Подобранная к определенным пластовым условиям, закачка таких отходов, с одной стороны, работает как метод увеличения нефтеотдачи, с другой — как способ борьбы с загрязнением окружающей среды путем утилизации отходов;
- использование попутно добываемого нефтяного газа, который выделяется из нефти при ее подъеме с забоя скважины на устье, также является «зеленым» решением. Такой газ применяют для выработки электричества, обогрева промышленных объектов, очень часто перерабатывают в продукты потребления. В некоторых случаях, если его очень много, закачивают обратно в пласт в качестве метода увеличения нефтеотдачи;
- широко распространенная технология микробиологического воздействия также относится к категории «зеленых». В пласт закачиваются определенные бактерии и/или нутриетны (корм для бактерий), которые позволяют лучше отмывать нефть, либо блокируют поступление в скважины пластовой воды;
- еще более продвинутые технологии связаны с генетической модификацией бактерий для производства газа из угля. Скважины вскрывают не только нефтяные, газовые или водоносные пласты, иногда попадаются и угольные. Закачка таких бактерий в угольные пласты с наличием воды приводит к тому, что микроорганизмы поедают уголь, а продуктом их жизнедеятельности является метан, который затем добывают из тех же скважин.
Эти методы считаются экологичными, поскольку добыча углеводородов получена с использованием биотехнологий. По сути, это не прямая добыча в традиционном понимании, а прошедшая через бактерии. Кроме того, применение бактерий позволяет заменить дорогостоящие традиционные технологии и сэкономить ресурсы.