Разработка нефтегазовых месторождений: вчера, сегодня, завтра

Лопухов А.Н.  (ОАО «Самотлорнефтегаз)
к.э.н    Аванян Э.А.  (ООО «Нитинойл)
к.т.н.   Халов М.О.   (МАИ)

Pазработкой нефтегазовых месторождений в общепринятом понятии считается «осуществление научно обоснованного процесса извлечения из недр, содержащихся в них углеводородов и сопутствующих им полезных ископаемых. Этот процесс включает в себя разбуривание месторождений и выработку запасов нефти и газа» [1]. В данной статье мы расширяем это понятие и добавляем в него и процесс подготовки нефти, газа и воды (ПНГВ), с транспортировкой до ПНГВ. Это позволит нам рассмотреть месторождение как единую систему, которой можно управлятьпомере ее развития.

Нефтегазовое дело ведет свое начало с момента появления первой нефтяной скважины, пробуренной полковником Эдвином Дрейком в 1859 году в США, штат Пенсильвания. Глубина скважины составляла 23м (75 футов). 27 августа была получена нефть, которую откачивали ручным насосом [2]. В России первая скважина была пробурена в 1864г. на территории Кубани, русским предпринимателем А.Н. Новосельцевым [1]. Кратко рассмотрим процесс развития нефтегазового дела, приурочив его к этапам, выбранным исходя из динамики мировой добычи нефти, т.к. извлеченная из недр нефть, является конечным показателем разработки месторождений (рис 1) [2]. На рисунке представлен график мировой добычи углеводородов в период с 1960 по 2006 годы.

Из представленного графика видно, что рост добычи углеводородов до 1950 года является плавным, но с 1950г. ее рост начинает ускоряться, увеличиваясь каждое десятилетие в геометрической прогрессии. В период с 1980г. по 1989г. происходит стабилизация уровня добычи нефти, а с 1989г. наблюдается стабильный рост. Отсюда и этапы: первый с 1859 года по 1950год, второй этап с 1950 года по 2000 год и третий этап с 2000 года по 2011 год.

Первый этап
В данном периоде произошло много значительных открытий в науке и технике, которые впоследствии сыграли огромную роль в развитии нефтегазового дела. Наиболее значимы из них:
»    Вышла в свет работа А.П. Крылова «Научные основы разработки нефтяных месторождений». Эта работа сыграла ключевую роль в создании самостоятельной области науки о разработке нефтяных месторождений;
»    Заложены и сформированы новые науки — физика нефтяного и газового пласта, подземная гидродинамика, разработка нефтяных и газовых месторождений, техника и технология добычи нефти и газа [3];
»    Осуществляются первые попытки моделирования разработки нефтяных пластов – электромоделирование (П.М.Белаш);
»    Выдвинут комплексный принцип решения методических и прикладных задач, с привлечением для этой цели трех отраслей знаний – промысловой геологии, подземной гидродинамики, отраслевой экономики;
»    Организовано Бюро разработки нефтяных месторождений. Бюро рассматривало разработку залежей, месторождений и их группу, как комплексную проблему;
»    Совершенствуется бурение скважин, ударный способ заменяется роторным, а затем турбинным. Разрабатываются новые способы породоразрушения (электробур, взрывное бурение);
»    Применяется фонтанная арматура, для транспортировки нефти используются трубы, появляется газлифтный способ добычи. Создается новая техника для эксплуатации скважин (ЭЦН, ШГН);
»    Первый ГРП проведен в США (1947г);
»    Создана первая вычислительная машина (1946 г. США, 1949 г. Англия);
»    Открыт ряд крупных месторождений, вот некоторые из них: Саудовская Аравия (Аль-Гавар, 1948г., запасы 20 млрд. т.; Абкаик, 1940г., запасы 1,9 млрд.т.; Катиф, 1946г., запасы 1.5 млрд.т.). Мексика (Чиконтепек, 1926г., запасы 22,1 млрд.т.). Кувейт (Большой Бурган, 1946г., запасы 13 млрд.т.). Венесуэла (Шельф Боливар, 1917г.. 8,3 млрд.т.). Россия (Ромашкинское, 1948г., 5 млрд.т.) [4].

Средняя стоимость барреля нефти в рассматриваемом периоде сохранялась на уровне 20 долл./барр., только в начальный период с 1861г. по 1876г., происходили изменения в диапазоне 10 – 110 долл./барр. (курс 2008г.).

Второй этап
На втором этапе были продолжены работы, фундаментальные основы которых были заложены в первом периоде.
»    Решение проблем связанных с разработкой залежей со смешанным режимом (водонапорный и режим растворенного газа), существенно продвинулись вперед;
»    Значительное развитие получили системы разработки (обосновано внутриконтурное заводнение с разрезанием залежи рядами нагнетательных скважин);
»    Заводнение стало основным методом воздействия на залежи;
»    Получили развитие тепловые (закачка в пласт теплоносителя, внутрипластовое горение) и физико-химические (углеродные растворители, двуокись углерода, полимерные и мицеллярно-полимерные) методы воздействия на пласт;
»    Для решения задач фильтрации жидкости в пористой среде использовались численные методы (математические);
»    Разработаны методики оценки параметров пласта по результатам гидродинамических исследований;
»    Созданы теоретические основы математического моделирования пластовых систем. Модель нелетучей нефти (Bler-Oil model) или бета-модель [6];
»    Нашли широкое применение новые методы и компьютерные приложения, по моделированию разработки месторождений, разработанные в Норвегии (STORM, IRAP) (Haldorsen &MacDonald, 1987), Стемфорде (SCRF, GSLIB) (Deutsch and Journal, 1992), IFP (Heresim) [7];
»    Вышел регламент по проектированию разработки месторождений, в котором была поставлена  задача построения трехмерных геологических и гидродинамических моделей (1996г.). Большую роль в развитии моделирования в дальнейшем, сыграло постановление Центральной комиссии по разработке о необходимости построения 3D геологических и гидродинамических моделей при создании проектов разработки [7];
»    Заложены методические основы расчета параметров разработки месторождения с применением вероятно-статистических моделей. Возникли и стали развиваться модели трещиноватых и трещиновато- пористых нефтенасыщенных пластов;
»    Развивались методы непосредственного учета неоднородностей при фильтрации жидкости в нефтяных пластах;
»    Разработаны методики применения вероятно-статистических методов в практике нефте- и газодобыче, а также методики применения синергетики при моделировании процессов нефте- и газодобыче [8];
»    Широко применяются новые технологии, материалы и оборудование, при разведке и разработке месторождений;
»    Получила развитие вычислительная техника;
»    Создано особое конструкторское бюро по конструированию, исследованию и внедрению бесштанговых насосов (ОКБ БН). Основатель А.А.Богданов (1950г.);
»    При эксплуатации скважин используется струйные (1969г.), винтовые (1980г.). диафрагменные насосы, разработана технология «тандем» (ЭЦН+струйный насос);
»    Теоретически обосновано проведение ГРП в СССР (Христианович С.А. Желтов Ю.П. 1953г.);
»    Первые попытки применения автоматизированных систем управления на нефтепромыслах Азербайджана (1951-1952г., не успешны) [9];
»    Утверждены основные положения по обустройству и автоматизации нефтегазодобывающих предприятий (1968г.) [9];
»    Открыт ряд крупных месторождений, вот некоторые из них: Саудовская Аравия/Кувейт (Сафания-Хафджи, 1951г., запасы 11 млрд.т.), Саудовская Аравия (Манифа, 1966г., запасы 3,7 млрд.т., Хурайс, 1963г., запасы 2.7 млрд.т., Шайба, 1956г., запасы 2,4 млрд.т., Зулуф, 1965г., запасы 2 млрд.т., Берри, 1964г., 1,9 млрд.т., Абу-Сафи, 1966г., 1 млрд.т.). ОАЭ (Верхний Закум, 1969г., запасы 8,2 млрд.т., Нижний Закум, 1965г., запасы 2,5 млрд.т.). Китай (Дацин 1959г., запасы 6,3 млрд.т.). США (Прудхо Бэй Орайон, 1969г., запасы 3,5 млрд.т.). Мексика (Группа Кантарел, 1971г. запасы 5,7 млрд.т.). Казахстан (Тенгиз, 1979г. запасы 3,1 млрд.т). Россия (Самотлорское, 1965г., запасы 7,2 млрд.т., Приобское, 1982г., 5 млрд.т.) [4].

За указанный период цена одного барреля нефти менялась в разных диапазонах. 1950г. – 1970г. средняя цена составила 18долл./барр., 1970г. – 1986г. цена выросла до 100 долл./барр. и упала до 27 долл./барр. С 1986г по 2000г. средняя цена составила 27долл./барр. (курс 2008г.).

Третий этап
На данном этапе продолжаются работы по совершенствованию процессов разработки месторождений нефти и газа.
»    Ведутся детальные исследования в области геологии, геофизики, газогидродинамики. Разрабатываются методики анализа промысловых данных, методики по оценки запасов. Быстро развиваются методы увеличения нефтеотдачи пластов (тепловые и физико-химические МУН), как в масштабе скважин, так и в масштабе месторождения в целом и т.д. [10];
»    Модернизируются процессы и технологии бурения, разрабатываются новые методики оценки эффективности работы и технического состояния оборудования. Повышается качество растворов используемых при бурении, качество тампонажных растворов. Совершенствуется телеметрическая система, проводятся работы по бурению боковых стволов и многоствольных скважин и т.д. [10];
»    Улучшают методики исследования скважин, применяются новые методы ограничения водопритоков (ОВП), с применением полимеров, также технологии ремонтно-изоляционных работ (РИР). Внедряются термобарохимические методы, методы акустического и вибровоздействия  для повышения нефтеотдачи пластов. Вводятся новые методы борьбы с солеотложением и парафиноотложением. Разрабатываются и внедряются различные виды анализов (разработки, эффективности применения технологий и т.д.), находят применения гибкие НКТ и т.д. [10];
»    В 2006 году на Приобском месторождении (Компания «Роснефть»), компанией «Newco well Service» был проведен гидроразрыв пласта (ГРП), в пласт было закачано 864 тонны пропанта (стандартный объем 30т.);
»    Широко внедряются новые модификации центробежных насосов (фирм «Алнас», «REDA», «Борец»), оборудованных датчиками давления и температуры. Изготавливаются и используются малогабаритные насосы (3 и 2 групп), двухвинтовые погружные мультифазные насосы, вентильные электродвигатели. Применяются интеллектуальные станции управления «Новомет», «Электон». Внедряются высокоточные системы погружной телеметрии для УЭЦН, энергосберегающие технологии, методы диагностики для оценки ресурса оборудования [10];
»    Ведутся разработки промыслового оборудования с применением новых материалов (Нитинол);
»    При эксплуатации скважин используют клапаны-отсекатели, оборудование раздельной добычи и закачки [11]. Существующая запорная арматура имеет ручной и механический приводы;
»    Модернизируются системы управления процессами подготовки нефти, внедряются системы управления подготовкой нефти в аварийных ситуациях. Используются цифровые датчики давления и температуры, сконструирован мультинейропроцессор, для АСУ ТП нефтегазового комплекса;
»    Внедряется технология интеллектуальных электрических сетей на нефтедобывающих предприятиях, системы автоматизации управления техническим состоянием технологическогооборудования, методы системного анализа в решении задач управления сложными техническими системами [10];
»    Совершенствуется вычислительная техника и программное обеспечение (программы для расчетов, хранения и обработки промысловой информации);
»    Широко внедряется программное обеспечение для моделирования разработки нефтяных и газонефтяных месторождений (ROXAR, PETREL, ECLIPSE) [11];
»    Вышел «Регламент по созданию постоянно-действующих геолого-технологических моделей нефтяных и газонефтяных месторождений» (2000г.) [11];
»    Утверждены «Методические рекомендации по созданию постоянно действующих геолого-технологических моделей нефтяных и газонефтяных месторождений» (2003г.) [11];
»    Решаются проблемы организации производства при построении и сопровождении геолого-гидродинамических моделей, подсчете запасов и проектирование разработки нефтегазовых месторождений [10];
»    Разработана концепция математического моделирования пластовых систем на базе метода линий тока [10];
»    Рассмотрена возможность применения технологий беспроводных систем управления на перерабатывающих предприятиях [13];
»    Разработан метод беспроводного геофизического контроля работы продуктивных пластов [14];
»    Испытывается технология интеллектуальных скважин на подземном хранилище газа [15];
»    Интегрированное моделирование – практическая реализация концепции «Интеллектуальное месторождение». Глобальный подход к управлению активами.[16];
»    Предлагается технология дистанционного управления разработкой месторождения [17];
»    Практически, внедрены проекты «Интеллектуальное месторождение» — «ТНК-BP» [18], «Роснефть» [19], «SPD» (Салым Петролеум Девелопмент) [19], «Татнефть», «ЛУКОЙЛ», «Сургутнефтегаз», «Славнефть». В основном все проекты связаны с удаленным мониторингом и управлением добывающими скважинами;
»    Открыт ряд крупных месторождений: Бразилия (Кариока Сугар Лоаф, 2008г., запасы 11 млрд.т.), Казахстан (Кашаган Западный, Восточный и Юго-Западный, 2000г., запасы 6,4 млрд.т.), Иран (Фердоус, 2003г., запасы 4,9 млрд.т., Даште-Абадан, 2001г., запасы 4,1 млрд.т., Ядаваран 2003г.,3 млрд.т.) [4].

Стоимость барреля нефти за данный период значительно увеличилась от 27 до 79 долл./барр. В 2011 году она выросла до 100 долл. [4].
Значительный вклад в развитие нефтегазового дела внесли: Д.И.Менделеев, А.М.Бутлеров, И.М.Губкин, В.Г.Шухов, А.Дарси, Л.С.Лейбензон, В.Н.Щелкачев, С.А. Христианович, И.Н.Стрижов, А.П.Крылов, А.Х.Мирзаджанзаде, Ф.А.Требин, Б.Б.Лапук, И.А.Чарный, Маскет, Виков, Ботсет, Леверетт, М.М.Глоговский, М.Ф.Мирчинка, И.М.Николаевский, П.Я.Полубаринова-Кочина, А.Коншин, Р.Арнольд, Р.Андерсен, Реква, С.Чарноцкий, К.Биль, Дж.Льюис, В.Котлер, М.В.Абрамович, В.В.Билибин, М.М.Тихвинский, И.М.Муравьев, А.Н.Дмитриевский, Ф.С. Абдулин, В.М.Муравьев, Ш.К.Гиматудинов, Ю.В.Вадецкий, Х.Азиз, Э.Сеттари, Х.Ф.Азизов, А.Н.Дроздов, П.Д.Ляпков, К.Р.Уразаков, В.В.Андреев, В.П.Жулаев, В.Н.Ивановский, В.И.Дарищев, А.А.Сабиров, С.И.Иванов, Ю.П.Желтов, И.Т.Мищенко, С.Н.Закиров, К.С.Басниев и др. [1,2,3,5].

Анализируя представленные выше этапы можно определить направления, которые будут развиваться наиболее быстро в будущем:

Очень большое внимание уделяется 3D моделированию (выпущен регламент, методические рекомендации по созданию моделей, ведутся разработки программных продуктов по моделированию «t-Navigator», масштабная работа по созданию математических моделей для решения специалистами практических проблем и т.д.).

Гидравлический разрыв пласта (ГРП), появившейся еще в 1947 году США, обоснован и признан эффективным методом интенсификации добычи. Потенциальные возможности компаний проводящих ГРП, велики. Технологий проведения много (поинтервальный, мощный и т.д.), поэтому проведение его в перспективе будет эффективным. Тем более что значительное количество запасов сосредоточено в коллекторах имеющих низкие фильтрационно-емкостные свойства.

Начиная с 2000 года, появилось много технологий связанных с оборудованием раздельной эксплуатации (ОРЗ и ОРД). Это обусловлено тем, что совместная разработка объектов запрещена, а указанное оборудование позволяет это делать, тем самым приносит дополнительный прирост добычи нефти.

Появилось много технологий направленных на ограничение водопритоков (ОВП) и проведение ремонтно-изоляционных работ (РИР), что связанно с высокой обводненностью скважин. До 1990 года большого объема данных видов работ не проводилось, но исходя из того что за последние два года их количество выросло, в частности по Самотлору, можно говорить о перспективности этих методов.

На всех вышеперечисленных этапах был актуальным вопрос внедрения современных технологий, материалов, с применением которых создавалось новое оборудование. В перспективе оно тоже будет актуальным. Наибольшее количество разработок и внедрений в последнем периоде связаны с автоматизированной системой управления (датчики давления и температуры; автоматизация систем подготовки нефти, газа и воды; «интеллектуальные» станции управления УЭЦН, УШГН; практическое внедрение проектов «интеллектуальное месторождение»; «интеллектуализация» электрических сетей; дистанционно-управляемая запорная арматура; беспроводные системы управления; развиваются информационные технологии и т.д.). Основы этого процесса заложены ещё в 1968 году. Внедрение всего вышеперечисленного позволит сделать месторождение «интеллектуальным».

Подводя общий итог можно сформулировать следующие выводы:месторождений углеводородов.
»    В работе использовались комплексные методы, связанные как с объединением нескольких научных направлений, так и объединением науки и производства что дало существенные результаты.
»    Успешно развиваются такие науки как подземная гидродинамика, физика нефтяного и газового пласта, разработка месторождений нефти и газа, техника и технология добычи нефти, фундамент которых заложен в предыдущем периоде.
»    Месторождения открытые после 1950 года, в большинстве своем вводятся согласно проектам разработки, с применением заводнения, что позволило значительно продлить срок фонтанирования скважин.
»    В период с 2000 по 2011 годы получило большое развитие 3D моделирование, как результат на сегодняшний день существуют и используются постоянно-действующие геолого-технологические  модели месторождений.
»    Рост цены на углеводороды за 16 лет составил 63,5 долл./барр.

Увеличение среднегодовой цены на углеводороды с 15,5долл./барр. (1994г.) до 79долл./барр. (2010г.) связанно отчасти и с увеличение её себестоимости. Это закономерный процесс, т.к. месторождение истощается, дебит скважин по нефти падает, а по жидкости вырастает. Постоянное увеличение жидкости повышает затраты на её утилизацию. Отсюда и рост себестоимости. Чтобы этого, избежать необходимо либо снижать затраты на производство (персонал, транспорт, оборудование, утилизация жидкости и т.д.), либо увеличивать дополнительную добычу нефти без прироста объемов добываемой жидкости, либо применять все вместе. Для снижения затрат на персонал необходимо проводить поэтапную автоматизацию технологических процессов производства и в последствии подходить к концепции «интеллектуального месторождения». Для снижения затрат на утилизацию жидкости необходимо применять технологии ограничения водопритоков (ОВП) и проводить ремонтно-изоляционные работы (РИР) (отключение обводненных интервалов и пластов, устранение заколонных перетоков). Для увеличения дополнительной добычи нефти необходимо реализовывать эффективные геолого-технические мероприятия, применять оборудование раздельной добычи.

Проблема увеличения коэффициента извлечения нефти стоит давно, огромное количество специалистов и ученых занимаются этой проблемой. В будущем получит развитие и применение эффективных методов увеличения нефтеотдачи пластов: тепловые методы, физико-химические методы, акустическое и вибровоздействие, проведение комплексных мероприятий – например РИР и кислотная обработка пласта, регулирование разработки путем ограничения или увеличения закачки, использование циклической закачки и т.д.

Наряду с этим все большее применение получит использование системного подхода к освоению месторождений в масштабе нефтегазодобывающего региона на основе применения моделирования и управления добычи на всем цикле его эксплуатации как за счет применения 4-D моделирования и управления разработкой в режиме реального времени, так и за счет применения новых технологий геонавигации и горизонтального бурения, заканчивания скважин для одновременно-раздельной эксплуатации нескольких продуктивных пластов. Получит широкое распространение полная автоматизация промыслов и применение новых видов материалов и оборудования для снижения себестоимости добычи и экономии трудозатрат, что особенно актуально для разработки шельфовых месторождений и месторождений на территориях с суровыми климатическими условиями.

Это позволит поддерживать добычу на высоких уровнях и обеспечить энергетическую безопасность страны.

Список источников
1.    Желтов. Ю.П. «Разработка нефтяных месторождений». М. «Недра» 1986. 332с.
2.    Щелкачев В.Н. «Отечественная и мировая нефтедобыча» М. АНО ИКИ. 2002. 132с.
3.    А. П. Крылов, М. М. Глоговский, М. Ф. Мирчинк, Н. М. Николаевский, И. А. Чарный. «Научные основы разработки нефтяных месторождений». Второе издание. М. АНО ИКИ. 2004. 416с.
4.    Терентьев. С. «Нефть». М. ККК. 2011. 416с.
5.    Мищенко И.Т. «Скважинная добыча нефти».М. «Нефть и Газ». 2003. 816с.
6.    Х. Азиз. Э. Сеттари. «Математическое моделирование пластовых систем». Второе издание. М. АНО ИКИ. 2004. 416с.
7.    Гладков. Е.А. «Геологическое и гидродинамическое моделирование месторождений нефти и газа». Т. ТПУ. 2012. 84с.
8.    А.Х. Мирзаджанзаде. М.М. Хасанов. Р.Н. Бахтизин. «Моделирование процессов нефтегазодобычи». М. АНО ИКИ. 2004. 368с.
9.    Горев С.М. «Автоматизация производственных процессов нефтяной и газовой промышленности». Изд-во КамчатГТУ. 2003. – 263с.
10.    Публикации журналов «Нефтяное дело», 2001-2011г. электронная версия; «Нефтяное хозяйство», 2001 – 2011 годы., «Нефть Газ Новации» 2001 -2011г.
11.    «Инженерная практика», № 3, 2011г, № 4 2010г.
12.    Леонов И.В. Диссертация М. 2011г.
13.    I.McPherson, «Нефтегазовые технологии». США. № 2 2008г.
14.    А.А.Шакиров. Диссертация, 2009г.
15.    K.Браун, «Нефтегазовое обозрение», США, 2008г.
16.    С.Лушникова, 2010г. Schlumberger.
17.    Дж. Алгерой. «Нефтегазовое обозрение». 2001г., США.
18.    Пчельников Р.Л. «Инженерная практика», № 10, 2011г.
19.    «Rogtec», № 22, 2010г.