Методы увеличения нефтеотдачи

При современных методах добычи 70% запасов нефти остается под землей. Как можно снизить эту цифру и какие исследовательские задачи необходимо для этого решать, рассказывает Алексей Черемисин, специалист по экспериментальным исследованиям Центра добычи углеводородов Сколтеха и преподаватель магистерской программы «Нефтегазовое дело». ПостНаука и Сколковский институт науки и технологий представляют курс «Наука нефти», посвященный современным технологиям добычи углеводородов.

Каждый год возникают прогнозы, на сколько еще лет хватит человечеству нефти и газа. Эти прогнозы очень разные: кто-то называет 20 лет, кто-то 50 лет, а кто-то даже 100 лет. Давайте поговорим о том, сколько же нефти у нас осталось, в каких запасах и как мы можем ее добывать.

Запасы нефти и газа можно подразделить на несколько категорий. К традиционным запасам относятся такие, которые экономически выгодно добывать при текущих технологиях, которые уже разработаны и доступны. Трудноизвлекаемыми называют те запасы, которые возможно добывать при снижении налоговых нагрузок или предоставлении каких-то льгот. Также выделяют нетрадиционные запасы — те запасы, для которых сейчас человечество не знает технологий добычи. Изначально нефть начинали извлекать методом фонтанной добычи: инженеры бурили скважину, после чего без помощи каких-либо насосов нефть сама вытекала на поверхность. В дальнейшем ее транспортировали и перерабатывали. Таким способом можно добывать нефть достаточно короткое время, потому что потом быстро падает давление в пласте и мы не можем обеспечить самотек.

На следующем этапе включается механизированная добыча нефти, для которой необходимо установить либо штанговый насос для малодебетных скважин, либо погружной насос для более высокодебетных скважин. Эти методы разработки позволяют добыть только 10–20% от всех запасов, после чего нужно включить методы поддержания давления. Традиционно для этого используют закачку воды. Когда мы бурим сетку скважин, в часть скважин, которые называются нагнетательными, мы нагнетаем воду и проталкиваем нефть к добывающим скважинам. Но и в этом случае мы можем добыть 30–40%, максимум 50% в зависимости от качества резервуара.

Для повышения эффективности разработки необходимо применять методы увеличения нефтеотдачи, потенциал которых зависит от типа конкретного метода. Стандартный коэффициент извлечения нефти составляет 30–35%. Это значит, что около 70% нефти остается под землей. Связано это с тем, что сейчас не оптимизированы методы разработки.

Выделяют химические методы увеличения нефтеотдачи, связанные с добавлением химических добавок. Традиционно используют поверхностно-активные вещества, которые снижают межфазное натяжение на границе «нефть — вода» и позволяют добывать дополнительную нефть. Полимерные добавки увеличивают вязкость водной фазы и охват пласта. Сейчас очень активно разрабатываются технологии добавления наночастиц в водную фазу вместе с разными полимерами. Это позволяет существенно повысить коэффициент нефтеизвлечения. Основная проблема применения химических методов увеличения нефтеотдачи связана со стоимостью реагентов и максимальным пределом эффективности, то есть мы можем повысить коэффициент извлечения нефти всего на 5–10%.

Существуют термохимические методы увеличения нефтеотдачи, где мы используем тепло: либо закачку нагретого реагента, либо генерацию тепла внутри пласта. Это позволяет, во-первых, изменить вязкость нефти и ее физико-химические свойства, а во-вторых, существенно повысить коэффициент извлечения нефти.

Сейчас рассмотрим два основных тепловых метода, которые уже применяются. Первый — это паротепловое воздействие, оно применяется при разработке тяжелых нефтей. Канадцы используют данную технологию для разработки битумных песков, а сейчас эта технология активно применяется и в России. Тяжелая нефть имеет очень высокую вязкость, при нормальных усовиях это некое резинообразное вещество, которое не течет. Для его добычи необходимо понизить его вязкость. Существует несколько методов, как мы это можем сделать. Можно закачивать пар, разогревая пласт и понижая вязкость нефти.

Что нужно сделать для закачки пара? Во-первых, мы должны подготовить воду, чтобы ее нагреть и сгенерировать пар. То есть мы должны очистить воду, которую можно либо добывать из водонасыщенных пластов или брать на поверхности, потом нагреть ее и закачать. В зависимости от глубины месторождения мы достаточно много тепла потеряем при закачке. Поэтому сейчас применяются гибридные методы. В гибридных методах совместно закачивают пар и воздух, что позволяет с помощью химических реакций в пласте разогреть его до более высоких температур и увеличить коэффициент извлечения нефти. В данном случае мы закачиваем бесплатный реагент, то есть сжатый воздух, и генерируем энергию внутри пласта.

Второй метод можно проиллюстрировать, говоря о баженовской свите. Баженовская свита в России — это самый большой источник нетрадиционных углеводородов. В рамках этого месторождения можно выделить традиционные низкопроницаемые коллекторы, где можно бурить горизонтальную скважину, сделать многостадийный ГРП и осуществлять добычу стандартными методами. Помимо этого, в баженовской свите присутствует очень большое количество органического вещества в форме твердых углеводородов, так называемого керогена. В зависимости от участка месторождений кероген может составлять до 50% от всего органического вещества. А кероген — это нетекучее вещество даже в условиях высокой температуры, при которой залегает баженовская свита, от 80 до 110 градусов. И его невозможно добывать традиционными методами.

Для решения таких задач во всем мире сейчас ведутся разработки методов термохимического воздействия, связанных с закачкой теплоносителя. Для этих целей можно использовать воду, потому что она обладает максимальной теплоемкостью и легкодоступна, особенно в условиях Западной Сибири. Вода подогревается на поверхности, в некоторых случаях до сверхкритического состояния, то есть температуры выше 373 градусов. После закачки воды в пласт идет разогрев пласта, а твердое органическое вещество преобразуется в жидкие углеводороды, которые мы можем после этого добывать. Коммерчески доступной технологии на данный момент не существует. Идут испытания по подобным технологиям за рубежом, а в России испытания этой технологии планируются.

Вторая технология, которая сейчас активно развивается, связана с закачкой воздуха высокого давления. И принцип воздействия очень похож. Разогревая пласт, мы прежде всего вытесняем ту нефть, которая там уже есть. Разогревая пласт, мы ускоряем процесс преобразования органического вещества в жидкие углеводороды. В принципе можно было бы подождать 20–30 миллионов лет, и органическое вещество преобразуется в нефть само, после чего мы можем его добыть. Но мы хотим этот процесс существенно ускорить. При внутрипластовом горении горячий фронт вытесняет нефть перед собой и разогревает окружающие пропластки. Таким способом можно генерировать синтетическую нефть, параметры которой мы можем варьировать, правильно подбирая температуру и время воздействия. 

Все это можно называть нетрадиционными технологиями для нетрадиционных запасов. Сейчас они в стадии отработки в лаборатории и в стадии отработки при численном моделировании. Возникает целая серия научных задач, которые до сих пор не решены. Например, это фильтрация в пористой среде при характерном размере пор единицы и десятки нанометров. Нужно учесть фильтрацию пара и горячей жидкости, то есть многофазную фильтрацию. Все эти процессы происходят одновременно, и моделировать это как в лаборатории, так и численно достаточно трудно. Также не созданы модели химических реакций, и нет методологии, как их создавать. Этими вопросами сейчас занимается весь мир. 

Еще одна перспективная технология, которая сейчас разрабатывается, — это газовые методы воздействия. Нефть обычно добывается вместе с попутным нефтяным газом. Часто месторождения находятся в удаленных регионах, и утилизация попутного газа экономически нецелесообразна. То есть необходимо либо построить трубопровод, либо придумать какую-то систему транспортировки. Соответственно, сейчас активно развиваются газовые методы увеличения нефтеотдачи. В качестве примера можно привести смешивающее вытеснение — закачивание попутного обезжиренного газа для поддержания давления в пласте вместо воды. В некоторых режимах в зависимости от физико-химических свойств нефти мы можем использовать смешивающее вытеснение, когда у нас идет полное смешивание между газом и нефтью, и тогда можно реализовать режим однофазной фильтрации. Это позволяет существенно повысить коэффициент извлечения нефти.

Также среди газовых методов увеличения нефтеотдачи следует отметить закачку углекислого газа. Мы все знаем о парниковом эффекте и потеплении климата. Человечество генерирует достаточно много углекислого газа. Одна из технологий утилизации, которая уже развита в США, но не в России, — это закачка углекислого газа в месторождения для увеличения нефтеотдачи и попутной утилизации парникового газа. Над этими технологиями мы сейчас работаем, в том числе применительно как к традиционным месторождениям, так и не к традиционным. В баженовской свите мы рассматриваем технологию циклической закачки углекислого газа, которая позволяет в полтора-два раза поднять коэффициент извлечения нефти по сравнению с коэффициентом извлечения нефти при многостадийном ГРП и горизонтальном бурении.

Если 10–30 лет назад ресурсный фактор был определяющим для компаний, то есть основной задачей было найти месторождение, оценить его и эффективно разработать, то сейчас технологический фактор важнее. Потому что большинство крупных месторождений уже разведано, известно их положение, лицензии уже распределены. Сейчас нужны технологии эффективной разработки. Нужно добыть максимум нефти и сделать это экономически выгодно. Сейчас возникает широкий спектр исследований как у нас в центре, так и во всем мире по повышению технологической и экономической эффективности методов увеличения нефтеотдачи.