|
УДК 55.34.016 |
|
|
|
© Н. А. Еременко, 1991 |
Направления научных исследований в ГРР
Н.А. ЕРЕМЕНКО (ИГиРГИ)
Потребление нефти и природного газа в мире растет несмотря на политические, экономические и военные кризисы, а экологические проблемы обостряются вследствие эгоизма нашего поколения. Никакие заботы о будущем не заставят человечество отказаться от технического прогресса, обеспечиваемого такими энергоносителями, как нефть и газ. Человечество «обожглось» на использовании энергии атома, и борцы за экологию пока одерживают победу над АЭС, но до тех пор пока электростанции, флот и двигатели внутреннего сгорания не будут переведены на другие источники энергии, потребность в нефти и природном газе будет расти. Существует еще малоперспективная попытка решить этот вопрос переводом двигателей внутреннего сгорания на водород, полученный из воды, или заменой их электродвигателями. Почему-то упускается из виду, что и в том и другом случае речь идет о переносчиках энергии, а не об ее источниках. Получение водорода из воды требует больших затрат энергии, чем может быть получено при его сжигании. Аккумуляторы требуют зарядки, т.е. другого источника энергии. Оба варианта полезны для борьбы со смогом в больших городах, но в общепланетарном объеме в борьбе за чистоту атмосферы не дают выигрыша. Поэтому потребность в нефти и природном газе с каждым годом будет расти. Где же те ресурсы нефти и газа, которые должны обеспечить этот рост? Видимо, их следует искать в трех направлениях: в глубоких, пока еще плохо изученных частях осадочных бассейнов, на морских шельфах и неизвлеченных запасах разработанных залежей. Очевидно, что и усилия геологоразведочных работ на нефть и газ должны быть сосредоточены прежде всего в этих направлениях. Рассмотрим их.
Последние десятилетия нефтяная промышленность развивалась быстро. Накапливалась значительная информация. В передовых странах и компаниях эти данные поступают в ЭВМ, где они сортируются, классифицируются и подготавливаются для дальнейшего использования в целях усовершенствования поисково-разведочного процесса и разработки месторождений нефти и газа. В какой степени складывающаяся система завершена, как она использует получаемый фактический материал и способна ли к самоусовершенствованию? Практика работ дает отрицательный ответ на поставленные вопросы. Число успешных поисковых скважин все еще колеблется в пределах 30-40 %, а иногда опускается ниже. Вмешательство неординарных идей не всегда приводит к положительным результатам. Вспомним хотя бы скважину, пробуренную по рекомендации Т. Гольда в Швеции,- это пущенные на ветер миллионы долларов. Система работает удовлетворительно только в пределах соответствия натуре, заложенных в ней идей. Еще в XVII в. Р. Декарт утверждал, что в основу логических построений должна быть положена аксиома, не вызывающая никаких сомнений. В рассматриваемой системе вряд ли можно полагаться на совершенство идей.
В основе современных представлений о поисково-разведочных работах и разработке нефтяных и газовых месторождений лежит гравитационная теория. Эта теория разработана на фактическом материале, полученном при освоении глубин до 2-3 км, и до этих отметок она работает почти безупречно. На больших же глубинах изменения физических условий создают принципиально иную обстановку, что уже неоднократно отмечалось автором в ряде статей. Не вдаваясь в подробности, отметим рост взаимной растворимости УВ и воды при температурах выше 120-150 °С. При температурах 250-400 °С их взаимная растворимость становится неограниченной, образуется водогазонефтяной раствор. Неограниченная взаимная растворимость - признак нахождения флюидов в надкритическом или близком к нему состоянии, когда система флюидов становится однородной, исчезает поверхностное натяжение, несмотря на наличие разности концентраций прекращается диффузия и т. д. Та часть УВ, которая находилась в жидком, газообразном или сорбированном состоянии, перейдет в водогазонефтяной раствор. Оставшаяся часть ОВ, оказавшаяся в условиях автоклава, будет быстро преобразовываться: с одной стороны, пополнять запасы УВ, с другой - образовывать углеродистое вещество. Последнее способно при гидратации дать дополнительные УВ. Границы распространения такой системы флюидов будут определяться исключительно емкостью и термодинамической обстановкой. Это дает основание для отрицания основных положений гравитационной теории формирования залежей УВ и основанных на ней поисковых признаков. УВ отнюдь не будут стремиться двигаться по восстанию пластов к расположенным там ловушкам. При изменении направления миграции, отсутствии фаз и поверхностного натяжения само понятие о ловушках должно получить совсем иное толкование. Вместе с исчезновением одних поисковых признаков усиливаются или появляются новых. Главными признаками становятся состояние и энергия системы. Существенную роль при этом, видимо, могут играть значения ее плотности, электропроводности, скорости прохождения сейсмических волн и др. Вскрытие и опробование пластов должно предусматривать сохранение единой парогазонефтяной фазы в призабойной зоне во избежание отрицательного влияния фазовой проницаемости. Это обстоятельство может потребовать сохранения температуры при вскрытии пласта и дальнейших операциях. Возникает проблема работы всего оборудования в условиях довольно высоких температур. Проблема вполне решаемая судя по опыту Кольской сверхглубокой скважины. Отсутствие водогазонефтяных контактов и поверхностного натяжения ставит под сомнение возможность применения многих вторичных методов добычи нефти. Для решения упомянутой проблемы необходимо:
1. обобщение опыта испытаний скважин и сведений о характере получаемой в них продукции на глубинах свыше 6 км по СССР и миру;
2. выявление физических и физико-химических свойств парогазонефтяной системы в условиях надкритических и близких к ним давлений и температур при весьма вероятном участии в смеси H2S, СO2 и N;
3. изучение характера высаливания различных соединений из парогазонефтяной смеси в пористой (трещиноватой) среде при изменении р и t.
4. выяснение влияния каталитических свойств различных пород на образование, существование и разрушение смеси в условиях изменения термобарической обстановки;
5. изучение изменения свойств (инверсии) коллекторов и покрышек различного типа пород в широких интервалах р и t;
6. использование выявленных физических свойств смеси для их дистанционного распознавания и измерения в стволах скважин, что необходимо для разработки в дальнейшем методики поисково-разведочных работ и ГИС;
7. проведение экспериментальных исследований по характеру изменения свойств смеси при переходе из пласта в ствол скважины и т. д.
Вероятно, приведенный перечень далеко не полон и требует уточнений. Пока по нему в различных научных организациях ведутся разрозненные исследования. Для успешной работы необходимы составление единой научной программы и ее осуществление под единым научным руководством. Остается непонятным равнодушное отношение Министерства нефтяной и газовой промышленности к поставленной проблеме.
Признавая существенное значение энергетического состояния смеси логически допустимо влияние на нее любых энергетических полей Земли. Хорошо изучена решающая роль гравитационного поля на глубинах до 3 км, а на больших - усиливается значение барических и термических полей, о чем уже говорилось. Работами сибирских ученых во главе с А.А. Трофимуком показана возможность непосредственного перехода сейсмической энергии в химическую с образованием из О В углеводородов при низких температурах. Ю.А. Пицюхой обосновывается протекание аналогичных процессов при пластических деформациях. Начинаются, хотя и робко, исследования в этом направлении и других физических полей Земли. Представляется целесообразным изучение характера распределения энергии в цикле нефтегазообразования. Исследования в 1986 г. показали, что в системе осадочная порода - органическое вещество - вода общая энтропия системы растет несмотря на обязательное пополнение энергии системы за счет внешних источников. При этом удельный уровень энергии отдельных компонентов среднего члена системы оказывается выше удельной энергии исходного ОВ (принцип А.Ф. Добрянского). Все это происходит на фоне крайне неуравновешенного энергетического строения осадочной толщи в целом.
Неуравновешенное состояние определяется наличием в осадочной толще разности потенциалов различных видов энергии, являющихся первопричиной физико-химических и химических превращений и перемещений (миграции). В этом аспекте отнесение к нефтематеринским литологически однородных толщ (например, глин) с равномерным насыщением ОВ, по-видимому, ошибочно. В таких однородных толщах различные физико-химические процессы склонны к затуханию.
В условиях земной коры все источники энергии взаимодействуют между собой, обусловливая и контролируя друг друга, и в итоге определяют направленность процессов образования УВ и формирования (и разрушения) их залежей. Весьма вероятно, что изучение этого вопроса осуществимо лишь посредством энерго-энтропического метода исследований. Таким образом, возникает необходимость пересмотра основных положений геологии нефти и газа по происхождению, миграции и формированию залежей, закономерностей их размещения, поисков, разведки и разработки.
Пожалуй, нигде и никогда нефтяная и газовая промышленность не развивалась так быстро и успешно, как на морях. Североморская нефть «созрела» как раз вовремя, чтобы спасти Европу от глубокого энергетического кризиса. Некоторые страны (Великобритания, Норвегия) из потребителя превратились в поставщиков нефти на мировой рынок. Несмотря на имевшиеся вначале технические затруднения, за короткие сроки были освоены месторождения нефти и газа на европейском, американском, африканском и австралийском шельфах, не говоря уже о Персидском заливе. Успехи на море были обеспечены подготовленной научной основой. Активные научные исследования проводились не только отдельными странами, но и международным сотрудничеством, особенно в изучении дна океана. Еще остались неразведанными многие участки шельфов всех континентов. Особенно большие перспективы связываются с арктическим шельфом, в том числе и в водах СССР. В будущем можно быть уверенным в открытии на шельфах крупных месторождений нефти и газа. Разработанная техника позволяет осваивать глубины (моря) до 1 км, однако имеются проработки и больших глубин. По программе «Эурека» группа английских, французских и итальянских фирм разрабатывает полностью автоматизированную систему бурения. Основной целью этой программы является разработка легкой компактной буровой установки с применением роботов, новых материалов и систем с искусственным интеллектом. Это дает возможность освоить бурением глубины моря более 2000 м. Разрабатывается система создания подводного автоматизированного промыслового комплекса. Такие геологоразведочные работы обеспечены перспективными площадями (акватории) на несколько десятков лет. И пока промышленность занята освоением шельфа, есть время для науки более тщательно заняться изучением дна океана.
В 1976 г. группа ученых с участием автора высказала
идею о перспективности в морях только уплотненных осадков для поисков нефти и
газа. В неуплотненных осадках отсутствует покрышка - существенный признак
залежи в гравитационной теории. В соответствии с К. Терцаги (1961 г.), в
пористых осадках под слоем воды возникают внутрипоровые давления, которые могут
свести на нет давление уплотнения. При эффективном напряжении 
, равном или меньше
гидростатического, которое создается слоем воды, процессы уплотнения осадков
происходить не будут. Большая величина внутрипоровых давлений оказывает
благоприятное влияние на физические свойства образующихся коллекторов и
отрицательное на формирование покрышек. Об этом же свидетельствуют и результаты
изучения глубоководных осадков, пористость которых иногда достигает 70 %.
Уплотненные глинистые отложения, которые могут служить покрышками, почти не
встречаются в верхних частях разреза (600-1000 м) осадков океанов, изученного
бурением. Видимо, обстановка в осадке изменится только тогда, когда в нем
вследствие диагенетических процессов появятся прослои, не передающие
гидравлического давления.
Для условий Мирового океана уравнение К. Терцаги было выражено в следующем виде:
где g - ускорение свободного падения,
см/с2; h1 - глубина воды, м; h2
- мощность осадка, м;
- соответственно
плотность осадка и воды, г/см3; n - пористость, %; z
- глубина от уровня моря до расчетной поверхности, м.
Были произведены расчеты глубины залегания от дна моря
поверхности с положительными значениями 6 для осадочной толщи с параметрами
- 1,8; 2,0; 2,3 г/см3
и n - 50, 40, 30 %.
Вычислениями установлены минимальные мощности осадка, необходимые для начала
процесса его уплотнения в идеализированной среде, где отсутствуют
физико-химические факторы диагенеза, приводящие к образованию относительно
непроницаемых кремнистых или карбонатных прослоев. Появление подобных прослоев
должно явиться причиной резкого увеличения эффективного напряжения уплотнения.
По расчету, на глубинах 5,5-4; 4-2; 2-0,5 км максимальная мощность осадка
должна быть 3,9- 2,1; 2,8-1,1; 1,4-0,3 км соответственно, а на глубине до 100 м
- всего лишь 50 м. Изложенный принцип совместно с результатами сейсмических исследований
был использован в 1978 г. при изучении дна Тихого океана. При этом принималось,
что скорость сейсмических волн в неуплотненных осадках составляет 2,1-2,3 км/с.
Авторы пришли к выводу о распространении перспективных осадочных пород не
только на шельфах, но и в глубоководных котловинах, некоторых окраинных морях и
краевых частях ложа океана. Большая же часть дна океана оказалась лишенной
уплотненных осадков и, следовательно, бесперспективной. Насколько достоверен
этот вывод?
За прошедшие годы накоплен большой фактический материал по глубоководному бурению, геофизическим и геохимическим исследованиям. Представляется возможным переоценить перспективы нефтегазоносности дна не только Тихого океана, но и Мирового. Появились работы по оценке зон распространения газоконденсатов, но они не выходят за рамки теоретических представлений, так как пока не разработана технология получения промышленного газа из неглубоко залегающих (от дна) полей газоконденсата (?).
Современные теории о формировании залежей нефти и газа предусматривают обязательное перемещение УВ (миграцию) в ловушки и концентрацию их там. Может быть проведена параллель в сравнении условий впервые формирующейся залежи с разработанной, в которой оставлено более 50 % первоначально содержащейся нефти. Очевидно, вследствие естественных причин в разработанных нефтяных залежах нефть будет стремиться сконцентрироваться вновь. Процесс этот протекает медленно, хотя и становится заметным при длительной остановке разработки залежей. Такой процесс консолидации залежей наблюдался в Краснодарском крае и Грозненском районе во время войны. К сожалению, по ряду очевидных обстоятельств научные исследования не были проведены и хорошо обоснованные выводы на этих материалах не могут быть сделаны.
В 1970 г. автор совместно с С.П. Максимовым предложил в разработанных залежах проводить переформирование залежей искусственным путем, усиливая естественно идущие процессы, т. е. сокращая время консолидации в них нефти. В этих целях предлагалось прежде всего использовать вторичные и третичные методы, недостаточно эффективные в рамках кратковременной разработки залежи. Но эти предложения не были приняты тогдашним руководством Министерства нефтяной промышленности несмотря на горячую поддержку академика А.П. Крылова. Вопреки этому решению такие исследования были начаты в ИГиРГИ, но вскоре были прекращены. За короткий срок исследований в ИГиРГИ (Ю.В. Желтов, 1975 г.) получены интересные результаты по характеру распределения остаточной нефти в пласте и силам, способным вызвать их перемещение. Было предложено провести промышленный эксперимент на специально изученном для этого Сызранско-Забаровском месторождении Куйбышевской области. Затем теоретическая разработка темы была продолжена во ВНИИнефти. Здесь также получены интересные и обнадеживающие результаты, но нужен промышленный эксперимент. Неужели теперь при наблюдающемся снижении уровня добычи нефти, недостатке подготовленных запасов, в условиях самостоятельности предприятий не найдется нефтедобывающая организация, которая согласна взять на себя риск промышленного опробования предложенных методов?
Реализация рассмотренных направлений научных исследований, по мнению автора, может обеспечить растущую добычу нефти и газа необходимыми промышленными запасами. Изучение глубинных частей осадочных бассейнов требует прежде всего создания продуманной целенаправленной программы исследований, объединяющей возможности десятков научных организаций, и осуществления этой программы под руководством единого научного совета (или любой другой приемлемой централизованной формы). На морских шельфах уже ведется плодотворная работа как в СССР, так и за рубежом по обобщению накопленного материала и оценке запасов дна Мирового океана. Исследования могут быть проведены при международном сотрудничестве нефтяных компаний. В решении проблемы «реанимации» залежей нефти дело стоит за промышленным опробованием в одной из нефтедобывающих организаций.
This article is concerned with prospective trends in growth of oil and gas reserves. Three main directions may be pointed out: (I) pools in deep-buried portions of basins; (2) marine shelves; and (3) recovery of developed pools.