Увеличение нефтеотдачи в свете новых достижений академической науки

По данным Министерства природных ресурсов и экологии РФ перспективы наращивания сырьевой базы традиционной нефти в России весьма значительны – наиболее достоверные ресурсы категории С3 превышают 12,5 млрд т, а прогнозные ресурсы меньшей достоверности (категорий D1 + D2) оцениваются более чем в 47 млрд т. Основу российской сырьевой базы жидких углеводородов составляет Западно-Сибирский нефтегазовый бассейн, который аккумулирует две трети запасов, – половину прогнозных и 40% перспективных запасов нефти. Нефть бассейна имеет хорошие качественные характеристики, она в основном легкая и средняя по плотности, мало- и среднесернистая. Но коэффициент извлечения нефти в бассейне меняется в широких пределах. Малопроницаемые коллекторы содержат более половины запасов бассейна, аккумулируя высококачественную нефть.

Стабилизация и рост экономики России во многом определяются эффективной и устойчивой работой нефтяной промышленности, которая наряду с газовой отраслью способна обеспечить потребности не только внутреннего, но и внешнего рынка.

Сегодняшние достижения нефтяной отрасли России во многом явились результатом использования заделов, сформированных во времена СССР. Однако за 60 лет промышленной разработки нефтяных месторождений их основные эксплуатационные объекты находятся в поздней стадии разработки, которая характеризуется высокой выработанностъю залежей нефти и значительным обводнением продукции скважин. Наметилась четкая негативная тенденция: истощение традиционных запасов нефти и снижение темпов роста ее добычи.

Два десятка российских нефтяных месторождений относятся к уникальным (с запасами более 300 млн тонн). Они обеспечивают треть национальной нефтедобычи. В то же время многие из них (Самотлорское, Ромашкинское, Мамонтовское, Федоровское и др.) находятся на поздних стадиях разработки. Они истощены и сильно обводнены. Еще несколько месторождений-гигантов вышли на стабильный максимум разработки.

В то же время, по данным Минэнерго РФ, 2/3 разведанных запасов относятся к трудноизвлекаемым, в том числе 13% – высоковязкая нефть, 36% – коллекторы с низкой проницаемостью, 14% – подгазовые зоны (нефтяные оторочки), 4% – малые толщины пластов. Получается, что в современных условиях лишь треть российских запасов нефти пригодна к рентабельной разработке.

Почти половина неразрабатываемых запасов нефти находится в мелких и средних месторождениях, их более 1000. Многие из них удалены от инфраструктуры, дорогостоящи и сложны в разработке, поэтому перспективы таких месторождений весьма неоднозначны.

Факторы, сдерживающие повышение коэффициента извлечения нефти

Полнота извлечения нефти измеряется параметрами, характеризующими воздействие на пласт в микро- и макромасштабе. Интегральной характеристикой эффективности добычи нефти является коэффициент извлечения нефти (КИН). Уровень нефтеотдачи принято считать основным критерием рациональной системы разработки месторождений. Чем выше КИН, тем в большей степени система разработки месторождений отвечает критериям рациональности. Основы рациональной разработки месторождений, сформировавшиеся в советское время, обеспечивали достижение КИН, близкого к 50% уже в 60-е годы прошлого столетия, тогда как в настоящее время он едва дотягивает до 33%.

Тенденция к снижению КИН обусловлена как геологическими, так и технологическими факторами (рост доли трудноизвлекаемых запасов, высокая обводненность продукции, техногенные изменения пласта и др.). Помимо этих причин существенным фактором является слабое использование новых знаний, полученных в последние десятилетия.

Существующие многообразные методы активного воздействия на пласт унифицированы с гидродинамической точки зрения и основаны на теории многофазной многокомпонентной фильтрации, оснащенной современными информационными и программными продуктами (в основном зарубежного образца). Принципиальной составной частью этих методов является классическая теория фильтрации флюидов в изотропной среде, в основе которой лежат закон Дарси и гипотеза о капиллярном давлении и относительных фазовых проницаемостях (ОФП) как универсальных равновесных функциях локальной насыщенности. Заметим, что ОФП дают значительный вклад в коэффициент нефтегазоизвлечения, их корректное определение является принципиально важным.

Таким образом, за последние 40-60 лет идейного продвижения в теории разработки месторождений углеводородов не произошло. Вместе с тем в последние десятилетия появились новые научные результаты, показывающие, что основные допущения классической теории во многих практически важных случаях не выполняются, а сами результаты далеки от использования в реальных проектах. Прежде всего, это относится к месторождениям с падающей добычей, с высокой степенью обводненности, к трудноизвлекаемым запасам в низкопроницаемых, неоднородных, анизотропных коллекторах, к высоковязким тяжелым нефтям, техногенно измененным пластам, глубоким залежам и др.

Будет ли востребована наука для увеличения КИН?

Отметим лишь некоторые новые научные результаты и технологии, полученные сотрудниками институтов РАН, которые следует учитывать при проектировании разработки и эксплуатации месторождений.

Исследование техногенных изменений свойств, структуры, организации порового пространства и состава пластовых флюидов, формирование защемленных флюидных фаз не только в околоскважинных зонах, но и в межскважинных пространствах (ИПНГ РАН).

Разработана программа для ЭВМ с целью управления созданной базой данных и расчета физико-механических свойств пород-коллекторов нефтяных месторождений по данным сейсморазведки и ГИС (Институт физики Земли РАН – ИФЗ РАН).

Создан отечественный симулятор для моделирования гидроразрыва пласта в расширенной постановке с учетом эффектов переориентации полей пластовых напряжений (Институт прикладной математики РАН – ИПМ РАН).

Разработан программный комплекс для моделирования процессов тепломассопереноса и неизотермической многокомпонентной фильтрации с учетом кинетики окисления жидких углеводородов в продуктивных пластах-коллекторах (Институт проблем управления РАН – ИПУ РАН).

Дано научное обоснование и рекомендации по практическому применению технологии направленной разгрузки пласта для увеличения продуктивности скважин. Разработана численная модель изменения фильтрационно-емкостных свойств прискважинной зоны при использовании данной технологии (Институт проблем механики РАН – ИПМех РАН).

Научное обоснование методических подходов к локализации запасов нефти краевых и подстилающих нефтяных оторочек на длительно разрабатываемых нефтегазоконденсатных месторождениях в режиме истощения газоконденсатной шапки (ИПНГ РАН, ЦЭМИ РАН).

Дано обоснование новых технологий применения метода объемной интерпретации гравитационных полей при эксплуатации нефтяных и газоконденсатных месторождений (ИФЗ РАН, ИПНГ РАН).

Разработаны технологии управления геомеханическими и термодинамическими процессами при разработке нефтяных и газоконденсатных месторождений (ИПНГ РАН, ИПМех РАН, ИПУ РАН).

Созданы методы управления свойствами глин в процессе эксплуатации нефтяных месторождений на основе исследования изолирующих и емкостных свойств глин и их изменений в ходе литогенеза (Институт геоэкологии РАН).

Разработаны рекомендации для выявления перспективных нефтегазовых объектов в глубокозалегающих доюрских отложениях месторождений севера Западной Сибири на основе комплекса геологических и геофизических методов исследования, фундаментальных исследований эндогенных процессов энергетики, флюидодинамики и дегазации (ИПНГ РАН).

Теоретически и экспериментально обоснованы новые представления о характере зависимости между абсолютной и фазовыми проницаемостями в процессах двухфазного вытеснения флюидов. Доказано, что относительные фазовые проницаемости (ОФП) в анизотропных средах зависят не только от насыщенности, но и от направления вытеснения. В практике проектирования разработки месторождений анизотропия абсолютной проницаемости учитывается лишь косвенно путем задания ее вертикальной составляющей в 10-2-10-3 раз меньше измеренных значений проницаемостей вдоль оси симметрии керна. ОФП всегда задаются как скалярные функции насыщенности для данной породы-коллектора и фильтрующихся жидкостей. Аналогичный результат зависимости от направления течения был установлен экспериментально для капиллярного давления. Это кардинально меняет наши представления о капиллярных эффектах и их связи с изменяющейся смачиваемостью скелета породы в процессе извлечения нефти. Полученные результаты важны как для повышения достоверности и полноты исходной информации для гидродинамических моделей, так и для проводки горизонтальных скважин и подсчета запасов (ИПНГ РАН).

Разработана современная методика комплексного исследования анизотропного кернового материала (терригенного и карбонатного), позволяющая определять абсолютную проницаемость, ОФП, капиллярное давление, упругие константы образца породы для различных типов анизотропии (ИПНГ РАН, ИПМех РАН).

Разработаны научные основы новых интегрированных технологий, обеспечивающих эффективную разработку месторождений УВ с трудноизвлекаемыми запасами на основе новых физико-математических моделей и адекватных численных алгоритмов изучения механизмов управления энергетикой месторождения и расчета многофазных фильтрационных потоков (ИПМ РАН, ИПНГ РАН).

Создано новое поколение полимерно-гелевых реагентов с заданными свойствами и на их основе – технологии, позволяющие управлять флюидопотоками и увеличивать нефтеотдачу пластов с большой степенью обводненности (ИПНГ РАН).

Научно обоснована и подготовлена к внедрению технология минимизации выноса песка в нефтяные скважины на месторождениях с падающей добычей, основанная на создании полимерно-гелевого породообразующего фильтра в околоскважинной зоне, задерживающего механические примеси с сохранением проводимости для нефти (ИПНГ РАН).

Дано научное обоснование технологии водоизоляции скважин с помощью колтюбинга без подъема оборудования на основе математической модели (ИПНГ РАН).

Обнаружен новый физико-химический эффект разложения газогидратов путем инжекции углекислого газа, что может быть основой технологии разработки газогидратных залежей (ИПНГ РАН).

Экспериментально установлены особенности фазового поведения многокомпонентных углеводородных смесей в окрестности критических точек; результаты могут быть использованы для определения типа залежи и выбора режима и технологии разработки нефтяных и газовых месторождений (ИПНГ РАН).

Особый стратегический акцент следует сделать на освоение арктического шельфа. Запасы арктического шельфа и транзитные возможности Северного морского пути признаны ключевыми стратегическими ресурсами, освоение которых является задачей государственной важности.

Принципиально важным должно стать создание новых технологий до начала активной разработки месторождений Арктики. Важным направлением может стать использование подводных модулей для освоения морских месторождений континентального шельфа. Заметим, что промышленная эксплуатация уникальных подводных компрессорных станций на шельфах Норвежского и Северного морей начата в 2015 году. Развитие этого направления в России обеспечит значительные экономические и экологические преимущества над существующими технологиями (строительство капиталоемких надводных морских платформ с жилыми помещениями для персонала, энергоустановки и др. оборудование).

Необходима реализация проекта «точечных» промысловых геолого-геофизических исследований до процесса бурения морских скважин.

Потребуются новые решения и технологии физико-химического мониторинга акваторий, где ведется добыча нефти, гидроакустический мониторинг шельфа, технологии мобильного отслеживания состояния подводного трубопровода. Задачей ученых должна также стать разработка системы мониторинга чрезвычайных ситуаций (в частности, разливов нефти) и оценки угроз окружающей среде. Не только в России, но и нигде в мире нет технологии ликвидации разливов в арктических условиях.

В условиях существенно усложнившейся структуры запасов УВ и горно-геологических условий их залегания одним из основных многопараметрических научных приоритетов в области проблем нефти и газа становится разработка инновационных технологий для увеличения КИН на основе использования новых знаний в различных областях науки. А сама теория проектирования разработки месторождений УВ становится мультидисциплинарной, базирующейся на современных методах геофизических исследований, подземной гидромеханике и на физике пласта, на физической химии, механике гетерогенных сред, теории многофазной многокомпонентной фильтрации, термодинамике и теории фазовых превращений, гидрогазодинамике, теории упругости и пластичности, на исследовании УВ систем в около- и сверхкритических состояниях.

Современный этап развития нефтегазовой науки переживает переломный момент. Он вызван невиданным размахом компьютеризации и информатизацией всей инфраструктуры, связанной с поиском, разведкой и разработкой нефтяных и газовых месторождений, внедрением достижений фундаментальных научных исследований в технику и технологию добычи, транспорта и переработки нефти и газа, что дает возможность перейти к инновационному этапу развития нефтяной и газовой промышленности России.