Инновации и изобретения: Крио Фрэкинг — «ГРП без воды»

Научный нефтяной мир стоит на грани кризиса применения новых инструментов добычи трудно извлекаемых углеводородов. Теоретических выкладок и научных обоснований по поводу добычи сланцевой нефти (в России «ачимовские нефтеносные площадки», баженовская свита Западной Сибири, которые, кстати, по некоторым данным, гораздо рентабельнее американских сланцевых разработок) — великое множество.

Некоторые российские компании в малом нефтяном бизнесе  пытаются на свой риск проводить эксперименты и затем, подтягивая под них научную базу, применяют попытки внедрения  на территории России.

Однако есть опасения, что такие разработки перетекут в США и другие страны, а затем будут предложены отечественным нефтяным компаниям. Тем более, что примеры перетока научно-исследовательских данных по работам в нефтяной сфере существуют давно.

Таким примером может служить гидроразрыв пласта (ГРП), научная база которого, кстати, была изобретена и практически обоснована в СССР, но внедрена «на западе», а затем была привнесена в российскую нефтяную действительность как передовой опыт в нефтедобыче, затратный, к тому же, но более эффективный по отношению к добыче нефти известными технологиями. Высокодебитные скважины Севера Тюменской области позволяли это делать.

Производственный опыт. нуждается в апробировании новых технологий на больших площадках. Мы намеренно говорим о площадках, потому что «ачимовские месторождения» — это практически весь Север Западно-Сибирского плато.

Мы попросили порассуждать на эту тему исследователей этой проблематики, авторов новой технологии Крио Фрэкинга в нефтегазовой сфере, Василия Медведева и Булата Исламова.

 

Крио Фрэкинг как альтернатива ГРП

Медведев В.: Методы ГРП (фрэкинга) всё чаще подвергаются критике и нефтяные компании начали обращать существенно большее внимание на новые научные достижения, в том числе заявляя о потребности в безводных технологиях разрыва (т.н. сухой фрэкинг).

Разрабатываемая нашим предприятием ООО «ТехноНова», являющимся резидентом Энергетического кластера ТЦ «Сколково», технология «Крио Фрэкинг», помимо технологических и экономических преимуществ, направлена на снижение загрязняющих окружающую среду и недра факторов. Технология потенциально обладает такой же эффективностью по разрыву пласта, что и ГРП, но не несет никакого вреда для экологии – во время обработки жидкий азот превращается в газ и полностью выводится из породы.

Текущие тенденции говорят об усилении поддержки принципов, заложенных в технологию Крио Фрэкинга, не только со стороны государственных регуляторов, но и со стороны нефтегазовых компаний.

Исламов Б.: Проект Крио Фрэкинга, по сути, является технологией безводного разрыва пласта, которая основана на применении жидкого азота и синтезе двух физических явлений: криостатическое расширение пластового флюида при замерзании в микротрещиноватых породах на уровне матрицы, с целью разрушения межкристаллических связей и высыпания продуктов обработки в образовавшиеся поры, т.е. процесс стимуляции трещин; термодинамическое расширение жидкого азота, замкнутого на забое, при испарении под воздействием пластовой температуры (данный процесс сопровождается интенсивным ростом давления), что приводит к развитию и расширению трещин в породе.

Ключевой особенностью технологии является полное отсутствие потребности в воде. Несколько тонн жидкого азота, выступающего в качестве агента разрыва пласта, переходящего впоследствии в газообразное состояние, взамен сотни тонн воды и химикатов, половина которых безвозвратно остаются в пласте.

Стоимость однократного применения криодинамического метода ОПЗ составляет порядка 2100-3000 тыс. руб. (в зависимости от расчётной потребности в жидком азоте для каждой скважины индивидуально).

Медведев В.: Общеизвестные данные о стоимости ГРП – 6000 тыс. руб. и более за одну обработку.

 

Примеры применения жидкого азота в отрасли

Медведев В.: Детальная информация об экспериментальных работах, связанных с жидким азотом и проводимых зарубежными и российскими нефтегазовыми компаниями, в открытом доступе практически отсутствует. Доступны только ограниченные данные о деятельности в этом направлении компаний «Halliburton» и «AirProducts».

Испытания данными компаниями проводились на сланцевых пластах месторождений Grundmann, Rodvelt. Основным направлением исследований рассматривался разрыв пласта жидким азотом, в том числе сланцевых пород, с низкими фильтрационно-ёмкостными свойствами, в истощённых газовых коллекторах, в регионах с отсутствием водных ресурсов и неразвитой инфраструктурой.

Исламов Б.: Аналогичные работы проводились агентством «RPSEA» (проект «Colorado») путём закачки жидкого азота в скважину в два этапа.

Цель проекта «Colorado» была достигнута, воздействие жидкого азота в пласте и его способности к разрыву пласта подтвердились. Запланировано продолжение экспериментов в 2015 году с использованием оборудования из специальных сталей и термоизоляционных материалов.

Медведев В.: Данные о проведении подобных экспериментов с жидким азотом российскими нефтегазовыми компаниями отсутствуют.

Исходя из представленных данных можно говорить не только о растущем интересе нефтегазовых компаний к новым технологиям повышения дебита, но и к применению азота в частности. Технологий, повторяющих технологию Крио Фрэкинга, не выявлено.

 

О лабораторных исследованиях

Медведев В.: Работы в пласте, проводимые для увеличения дебита скважины, направлены на увеличение его фильтрационно-ёмкостных свойств, в первую очередь проницаемости. Проницаемость же напрямую зависит от физического параметра – пористости пласта. Исходя из этого, очень важно определить влияние того или иного воздействия (физического, химического, термического) на пористость и проницаемость образцов породы обрабатываемого пласта – кернов.

Эксперименты по исследованию таких влияний на керны продуктивных пород проводятся с замерами данных параметров до эксперимента и после.

Исламов Б.: В эксперименте по воздействию криостатического влияния на исследуемые параметры водонасыщенные и керосинонасыщенные керны образцов пород на некоторое время погружались в жидкий азот с целью достижения необратимой криодеструкции в их структуре. Проведённые нами эксперименты показали динамику качественных изменений параметров, а количественные результаты были занесены в итоговую таблицу.

Медведев В.: В результате проведённых экспериментов получены данные, подтверждающие увеличение пористости/проницаемости по водонасыщенному керну на 14/16%, так же и для керосинонасыщенного керна увеличение пористости/проницаемости произошло на 9/4%.

Исламов Б.: Эксперимент был проведен в полном объеме на научной базе Тюменского государственного нефтегазового университета. Все действия по проведению эксперимента выполнялись согласно отраслевой регламентирующей методике и были официально запротоколированы.

Однако необходимо отметить, что проект нуждается продолжении лабораторных исследований и экспериментов с целью получения более точных количественных и качественных характеристик, на которых будут основаны следующие циклы работ.

 

Доля скважин применимых для Крио Фрэкинга

Медведев В.: Крио Фрэкинг применим для обработки и разрыва пластов Баженовской свиты и Ачимовской толщи, характеризуемых низкими фильтрационно-ёмкостными свойствами и низкой продуктивностью, а также для водочуствительных пластов, пластов с аномально низким пластовым давлением и пластов с высокой расчленённостью.

Предпосылки к применению технологии в данных условиях следующие: жидкий азот не имеет трения, что способствует беспрепятственной фильтрации его в матрицу; жидкий азот химически инертен к горной породе и не способствует набуханию глинистых частиц; жидкий азот, в условиях аномально низких пластовых давлений, при фазовом переходе в газ, способствует быстрой и полной очистке пор и трещин породы, благодаря упруго-газонапорному режиму; жидкий азот не разрушает непроницаемые перемычки между пропластками, воздействуя только на обрабатываемый пропласток.

Исламов Б.: В силу того, что доля трудноизвлекаемых запасов в структуре российских запасов нефти непрерывно растет и уже превышает 70%, что напрямую сказывается на объемах бурения с целью вовлечение в разработку залежей с ТРИЗ. В настоящее время, для эффективной эксплуатации скважины с ТРИЗ, после бурения, каждая скважина подвергается гидравлическому разрыву пласта без первоначальных работ по освоению и пробной эксплуатации.

Исходя из доступных данных, в России в 2013 году было пробурено свыше 20 млн. м. (эксплуатационное бурение), в т.ч. горизонтальное свыше  4 млн.м., учитывая среднюю глубину скважин порядка 3000 м, можно считать, что за 2013 год введено в эксплуатацию более 6,5 тыс. эксплуатационных скважин, в т.ч. горизонтальных – порядка 1400 скважин, из них 83% в Западной Сибири. Увеличение объемов эксплуатационного бурения по сравнению с ранее 2011 и 2012 г.г. составляет 13% и 6% соответственно. Доля горизонтальных скважин увеличилась на 14%.

Медведев В.: В настоящее время в России на семидесяти, а в некоторых регионах – и на восьмидесяти процентах новых скважин проводится ГРП. Это связано с тем, что теперь в основном осваиваются пласты, недостаточно богатые углеводородами. В 2011 году в России были проведены 4664 операции ГРП на новых скважинах. Поскольку планируется освоение крупных месторождений, можно ожидать значительного роста количества операций ГРП на вводимых в эксплуатацию скважинах

Исламов Б.: Эти скважины составляют основную долю рынка для проведения работ по интенсификации притока путем разрыва пласта как традиционной технологией ГРП, так и новейшими технологиями безводного ГРП (DryFrack).

Помимо скважин, вышедших из бурения, существенно развит действующий фонд нефтяных скважин, который, как правило, требует периодической стимуляции призабойной зоны и отдаленной зоны пласта. В целом по России наблюдается положительная тенденция поддержания работоспособности фонда, так за март 2011 года действующий фонд скважин составил 135000 скважин, по состоянию на 2014 год доля действующих нефтяных скважин составляет порядка 139000 скважин.

Учитывая тот факт, что порядка 30% от общего объема действующего фонда скважин нуждается в первичном и повторном разрыве пласта, а также учитывая масштаб работ с применением технологии ГРП на территории России, проект ставит своей целью – в ближайшие годы охватить порядка 1% рынка эксплуатирующихся скважин.