Аспирант Ендураева Н.А.

Самарский Государственный Технический Университет

Генезис методов воздействия на высоковязкие нефти и природных битумов

Важнейшей составляющей сырьевой базы нефтяной отрасли не только России, но и ряда других нефтедобывающих стран мира являются запасы высоковязких нефтей и природных битумов. Недостаточная разработанность темы, необходимость детального изучения и выявления её роли в решении экономических задач определили актуальность ретроспективного анализа развития методов воздействия на высоковязкие нефти в научном и историческом контексте.

В ходе исследовании выявлено, что важным условием успешного развития нефтедобывающей промышленности, достижение ею передовых рубежей в мировой экономической системе во многом обусловлено реализацией в широких масштабах новых технологий. В условиях дефицита ресурсной базы объективно возросла потребность в новых технологиях. В связи с чем изменение научно-технического потенциала является следствием появления новых методов воздействия на высоковязкие нефти. Дальнейшее развитие инноваций в области разработки нефтяных месторождений непосредственным образом связано с повышением научно-технического уровня обоснованности экономически эффективного применения методов увеличения нефтеотдачи, привлечением к планированию и проектированию современных более совершенных методик расчета, менее затратных и более эффективных технологий. Лишь при выполнении этого условия можно рассчитывать на гармонизацию интересов в деле рационального недропользования.

Характерной особенностью современной нефтедобычи в мировой структуре является увеличение сырьевых ресурсов доли трудноизвлекаемых запасов, к которым относятся, в основном, тяжелые и высоковязкие нефти с вязкостью более 30 мПа·с [8]. Отмечается, что за пределами этой вязкости происходят осложнения при добыче нефти. Высоковязкие нефти подразделяются на три группы: 30-100; 100-500 и более 500 мПа·с. Высоковязкие нефти в определенном интервале температур проявляют резко выраженные «неньютоновские» свойства, без учета которых организовать рациональную эксплуатацию скважин, сбор, подготовку и транспорт нефтей является невозможным [4]. Запасы таких углеводородов значительной степени превышают запасы маловязких и легких углеводородов и, по оценкам специалистов, они составляют не менее 1 трлн. т. В странах с развитой промышленностью они рассматриваются не как резерв добычи нефти, а рассматриваются в качестве основной базы развития на ближайшие годы [8].

На сегодняшний день в мировой практике существуют различные способы разработки залежей ВВН и ПБ, которые обуславливаются геологическим строением и условиями залегания пластов, физико-химическими свойствами пластового флюида, состоянием и запасами углеводородного сырья, климатографическими условиями. Условно их можно разделить на группы: 1-карьерный и шахтный способы разработки; 2-«холодные» способы добычи; 3-тепловые методы добычи.

Шахтный способ добычи нефти известен с XVIII века. В разное время он достигал промышленных масштабов на месторождениях Пешельбронн (Франция), Витце и Гайде (Германия), Кымпина и Сарате-Монтеору (Румыния), Хагисияма (Япония), Керн-Ривер и Норт-Тисдейл (США). Он использовался также на нефтяных месторождениях Австрии, Чехословакии, Польши, Канады и других стран [9].

Впервые шахтный способ добычи высоковязкой нефти был применен на месторождении Пешельбронн во Франции. В 1845 году на месторождении был построен ствол глубиной 72 метра и параллельные штреки протяженностью 300 метров с расстояниями между ними 16 метров. Из выработок извлекались битумные пески, поднимались на поверхность, отмывались горячей водой, и таким образом получали густую нефть плотностью 965-975 кг/м3. В 1963 году шахтная добыча на Пешельбронне была прекращена. Итог этой разработки таков: с поверхности добыто 2 миллиона тонн, дренажным шахтным способом на уже истощенной залежи - 1 миллион тонн. [9].

Первыми опыт Пешельбронна использовали немцы на месторождении Витце, которое разрабатывалось скважинами с поверхности с незначительным извлечением (15-20%). В 1920 году там была построена первая нефтяная шахта с двумя стволами до глубины 260 метров, на которой с помощью дренажных выработок в пласте добывалась тяжелая нефть. За время существования шахт (1920-1952 годы) на месторождении Витце было добыто 765 тысяч тонн нефти. Тогда как за 51 год работы поверхностного промысла традиционными скважинами было добыто вполовину меньше [9].

Помимо Пешельбронна и Витце, шахтный способ применялся также в Гайде и в Тюрингии, на месторождении Сарата Монтеору в Румынии. Шахтная добыча нефти на месторождении Хагашияма в Японии осуществлялась с 1940 года до 1954 года. На сегодняшний момент те страны, что еще добывают нефть шахтным способом, используют обработку паром. Он разогревает нефть, которая стекает в нижерасположенные скважины.

В России добыча нефти посредством применения шахтных методов разработки осуществлялась на многих месторождениях с конца XIX века (первая попытка имела место на Уйташском месторождении в Дагестане). Для добычи сверхвязких нефтей из сравнительно неглубоких залежей с 30-40-х гг. используется шахтный метод, предусматривающий создание горных выработок над или под нефтяным пластом с последующим бурением большого числа мелких скважин из специальных камер (А. Я. Кремс, С. М. Бондаренко, А. И. Адамов и др.).

До 1943 года разрабатывали залежи природного битума из подземных выработок на Шугуровском месторождении. В 1932 году на одном из участков Старогрозненского месторождения был построен рудник, на котором к 1935 году общая протяжённость горных выработок достигла 645 метра. Самый большой опыт шахтной разработки нефтяных месторождений накоплен на Ярегском месторождении в Коми ACCP, где с 1939 года ведётся промышленная разработка залежей (в конце 1980 года - единственной промышленной нефтяной шахты в мире) [1].

К середине 1950 года объем годовой добычи нефти на шахтах достиг максимального уровня в 390 тысяч тонн в год, а затем стал неуклонно снижаться. Нефтеотдача пласта по-прежнему оставалась крайне низкой (не более 6 %), каждая тонна нефти давалась слишком дорогой ценой. К концу 1960 года было решено внедрить в промышленных масштабах принципиально новую систему эксплуатации месторождения, которая получила название "Термошахтный способ добычи нефти". В 1966-1971 годах в научно-исследовательских институтах «ВНИИнефть» и «ПечорНИПИнефть» была обоснована технология термошахтной добычи нефти. На основании этих работ в 1968-1971 годах проведены опытно-промышленные работы по исследованию различных систем паротеплового воздействия на пласт в условиях нефтяных шахт. В результате чего была разработана и внедрена двухгоризонтная система термошахтной разработки [6].

В CCCP исследования по скважинной горной технологии велись в институтах Академии Наук CCCP, академий наук союзных республик, в Межотраслевом научно-техническом комплексе "Нефтеотдача" (с головным институтом ВНИИнефть), в научно-производственном объединении "Союзгазтехнология", в институтах и научно-производственных объединениях отраслевых горнодобывающих министерств, а также в нефтяных и горных вузах (МИНГ им. И. М. Губкина, Уфимский и Грозненский нефтяные институты, Ивано-Франковский институт нефти и газа, Ленинградский и Московский горные институты и др.).

Периодические издания, освещающие скважинные горные технологии: журналы "Нефтяное хозяйство" (с 1920), "Азербайджанское нефтяное хозяйство" (с 1920), "Газовая промышленность" (с 1956), "Геология нефти и газа" (с 1957), "Инженер-нефтяник" (с 1961), "Вестник Академии Наук CCCP" (с 1931), "Известия Академии Наук CCCP. Серия геологическая" (с 1936), "Известия ВУЗов. Нефть и газ" (с 1958) и др.

Перспективными по геолого-техническим условиям для шахтной разработки нефтяных месторождений являются несколько десятков месторождений высоковязких нефтей и природных битумов в Татарии, Казахстане, Узбекистане, Азербайджане, Грозненской области, Краснодарском крае и др. Имеются также перспективы применения шахтной разработки нефтяных месторождений на залежах тяжёлых нефтей в ряде зарубежных стран - Канаде, Венесуэле, США, Кувейте и др. [7].

Идея использования теплового фактора для увеличения нефтеотдачи пластов и разработка средств для этой цели принадлежат советской науке.

Впервые в мировой практике с конкретными и обоснованными предложениями об испытании и применении термического способа воздействия на пласт выступали сотрудники Государственного исследовательского нефтяного института (ГИНИ, Москва). В 1931-1932 годах сотрудник этого института А.Б. Шейнман предложил подвергнуть нефтяные пласты термическому воздействию. Для проведения такого эксперимента был выбран участок на южном отводе Нефтегорского промысла (Краснодарский край). Полученные результаты по применению высокотемпературных теплоносителей для разработки нефтяных месторождений позволили в кратчайший срок распространить этот опыт на месторождениях Сахалина, Азербайджана, Коми и др. [1].

Об успехах кубанских нефтяников по промышленному освоению термических методов добычи нефти неоднократно сообщалось в центральной печати. Так, газета «Известия» в 1965 году сообщала о полученных высоких технологических и технико-экономических результататх применения термических методов увеличения нефтеотдачи пластов [1].

Впервые термические методы добычи были применены в 1934-1935 годах на Нефтяно-Ширванском месторождении (Краснодарский край); в 1980 году широко используются в СССР на месторождениях: Усинское (Коми АССР), Каражанбаское, Кенкиякское (Казахстан), Охинское (Сахалин), а также за рубежом - на Суплаку-де-Баркэу (Румыния), Ист-Тиа-Хуана, Боливар (Венесуэла), Керн-Ривер, Сан-Андро, Слосс (США).

В середине 1990 года XX века исследования и тем более реализация крупномасштабных проектов в данном направлении приостановились из-за отсутствия государственного финансирования. Падение цен на нефть в этот же период до уровня 15 долларов США за баррель не позволяло разрабатывать рентабельно даже крупные и обустроенные нефтяные месторождения обычных нефтей [3]. Сегодня государство осознало важность поиска новых технологий и оборудования для добычи тяжелой, высоковязкой нефти - ценного сырья для получения множества полезных нефтехимических продуктов. Если раньше тяжелые остатки были в избытке, они шли на выработку нефтебитумов, то теперь с углублением переработки в нашей стране уменьшился выпуск нефтебитумов почти вдвое по сравнению с 90-ми гг. XX века. Актуальной становится разработка месторождений ПБ и их использования для получения данной категории нефтепродуктов [2].

Активное участие в решении проблемы практической реализации тепловых методов принимали участие специалисты ВНИГРИ. Специалистами ВНИГРИ на опытных участках месторождений полуострова Бузачи были изучены основные технологии разработки ВВН и ПБ и их модификации: влажное внутрипластовое горение (ВВГ) и метод паротеплового воздействия (ПТВ) - и их влияние на полноту извлечения попутных компонентов - ванадия и никеля. проведенные расчеты показали, что разработка месторождений ВВН и ПБ с промышленным содержанием металлических компонентов при применении метода ВВГ приводит к существенным экономическим потерям, которые усугубляются еще тем, что сгорает 10-40 кг нефти на 1 м3 пласта. В последствии этот метод не получил промышленного распространения, в том числе и на месторождениях ПБ в Татарстане, где также проводились опытно-промышленные работы. [3]

Специалистами ОАО «Удмуртнефть» совместно с учеными ряда институтов проводились работы по созданию принципиально новых ресурсо и энергосберегающих технологий, позволяющих вывести заведомо нерентабельные запасы высоковязких нефтей Гремихинского месторождения в разряд прибыльных [9].

В результате созданы, запатентованы и внедрены в производство принципиально новые высокоэффективные технологии теплового воздействия: импульсно-дозированное тепловое воздействие (ИДТВ), импульсно-дозированное тепловое воздействие с паузой (ИДТВ(П), теплоциклическое воздействие на пласт (ТЦВП) и его модификации.

В мае 2006 года специалистами ОАО «Татнефть» начат уникальный проект по добыче сверхвязких нефтей на Ашальчинском месторождении с использованием технологии парогравитационного воздействия. Для повышения ее эффективности была проведена экспериментальная оценка использования нефтяных растворителей совместно с закачкой пара. С целью выбора подходящего растворителя для вытеснения сверхвязких нефтей Ашальчинского и Мордово-Кармальского месторождений исследованы физико-химические свойства следующих растворителей: миа-прома, кичуйского нестабильного бензина, абсорбента Н, девонской нефти, нефраса 120/200, смесового растворителя «МС-50», нефраса 130/150, нефраса 150/200, нефраса 150/300, стерлитамакского абсорбента, дистиллята, дизельного топлива, абсорбента А-2, печного топлива [9].

Парогазовое воздействие. Интересна технология инновационного технико-технологического комплекса парогазового воздействия разработанная в ОАО «РИТЭК». Суть ее состоит в том, что в парогазогенераторной установке теплоноситель образуется непосредственно в призабойной зоне пласта. При генерации теплоносителя в призабойной зоне тепловые потери при транспортировке пара практически отсутствуют. Экономичность таких устройств по эффективности сжигания топлива примерно на 30% выше, чем у наземных установок [9].

В мае 2009 года в скважине 249 Мельниковского месторождения в Республике Татарстан были начаты опытно-промысловые испытания парогазогенераторного комплекса на монотопливе, которые уже дали положительные результаты. Это завершающий этап разработки уникальной комплексной технологии, позволяющей осуществлять добычу высоковязкой нефти на больших глубинах. Данная технология и разработанный комплекс оборудования открывают большие возможности для добычи нетрадиционного сырья, в частности в Республике Татарстан, где сосредоточены значительные запасы высоковязкой нефти [9].

В настоящее время в России тепловые технологии применяются на 12 объектах, в том числе паротепловое воздействие на 7 объектах, внутрипластовое горение на 1 объекте, нагнетание горячей воды на 4 объектах. Охват балансовых запасов нефти составляет около 180 млн.т, из них 140 млн.т-процнссом паротеплового воздействия составила 25 млн.т.

Признанные «светила» нефтяного дела, «классики» современных методов интенсификации добычи нефти: уважаемые профессора Боксерман А. А., Раковский Н. Л., Гарушев А. Р., Вахитов Г. Г., Рузин Л. М. и многое другие однозначно высказываются о том, что эффективность внедрения любых методов воздействия на продуктивный пласт - это система, основное место в которой занимает четкое понимание геолого-физических, гидродинамических условий нефтяной залежи, а также достоверный анализ опыта применения того или иного метода, для аналогичных условий продуктивного пласта.

Библиографический список

1. Байбаков Н.К. Тепловые методы разработки нефтяных месторождений / Н.К. Байбаков, А.Р. Гарушев. – М.: Недра, 1988. – 343 с.

2. Данилова, Е.А. Тяжелые нефти России / Е.А. Данилова // The Chemical Journal. – 2008. – декабрь - С. 36-37.

3. Искрицкая Н.И. Экономическая эффективность инноваций ВНИГРИ при освоении месторождений высоковязких нефтей и природных битумов / Н.И. Истрицкая // Нефтегазовая геология. Теория и практика. – 2006. – №3 С. 1-12.

4. Елеманов Б.Д., Герштанский О.С. Осложнения при добыче нефти. – М.: Наука, 2007. – С. 419.

5. Козлов В.Б. Комплекс технико-технологических решений по оптимизации теплового воздействия на глубокозалегающие залежи высоковязкой нефти :На примере пермо-карбоновой залежи Усинского нефтяного месторождения
:автореф. дис. к-та тех. наук: 25.00.17 / В.Б. Козлов. - Ухта., 2004. - 28с.

6. Левин Л.Ю. Особенности добычи высоковязкой нефти на примере Ярегского месторождения / Л.Ю. Левин, Д.С. Кормщиков // Научные исследования и инновации. – 2010. - №2 с. 33-36.

7. Николин, И.В. Методы разработки тяжелых нефтей и природных битумов / И.В. Николин // Наука – фундамент решения технологических проблем развития России. – 2007. - №2 c. 54-68

8. Полищук Ю.М. Тяжелые нефти: аналитический обзор закономерностей пространственных и временных изменений их свойств/ Ю.М. Полищук, И.Г.Ященко // Нефтегазовое дело. - 2005. - № 3. - С. 21 – 30.

9. Neftegas. 2014. [Электронный ресурс]. URL: http://magazine.neftegaz.ru/Деловой журнал Neftegas.ru (Дата обращения: 18.02.2014)