Не торопитесь консервировать скважину

Материалы рубрики читайте также в телеграм-канале «Техносфера, подъем!»

Наш журнал продолжает обсуждение проблем нефтегазодобычи, влияющих и на сам процесс добычи, и на экологию нефтегазодобывающих регионов, которое мы начали с интервью директора центра по энергопереходу Сколковского института науки и технологий Андрея Осипцова.

На этот раз мы встретились с директором Института проблем нефти и газа РАН, доктором технических наук, профессором РАН Эрнестом Закировым, известным специалистом в области нефтегазодобычи, автором многочисленных работ по этой тематике, в частности соавтором заинтересовавшей нас недавно опубликованной статьи «Методы добычи нефти и газа — нарастающий источник экологических катастроф», посвященной этим же проблемам. Значительная ее часть описывает недостатки современных технологий сооружения скважин, приводящие к возникновению аварийных ситуаций и, соответственно, серьезных экологических проблем, особенно на скважинах, выведенных из эксплуатации. Об актуальности этих проблем, например, для США свидетельствует статья, недавно опубликованная в американском издании OilPrice.com, в которой отмечается, что «миллионы заброшенных нефтяных и газовых скважин в США представляют серьезную угрозу для окружающей среды и здоровья населения».

Директор Института проблем нефти и газа РАН, доктор технических наук, профессор РАН Эрнест Закиров

Алексей Таранин

— В чем состоят недостатки современных технологий создания скважин, приводящие к аварийным ситуациям?

— Каждая скважина — это длинное сооружение из труб. И негерметичность любой из них может вызвать нежелательные последствия. Как в основном ликвидируют скважины сегодня? Делают несколько цементных мостов. Не весь ствол заливают, а только несколько интервалов делают и скважину оставляют. Снимают все устьевое оборудование и в лучшем случае сверху ставят тумбу. Зачастую даже такого не бывает. Я, например, знаю, что город Махачкала стоит на нефтегазовом месторождении и на устьях скважин, брошенных, строят дома и даже взрывы происходят. То есть, по большому счету, контроля за состоянием скважин даже в городе не осуществляется.

Недропользование в нашей стране развивается более ста лет, менялись компании, страна поменялась пару раз за это время. Ситуация очень сложная, кому предъявлять претензии? Большинство недропользователей на сегодня имеют юридический статус ООО, общества с ограниченной ответственностью. Вы представляете, они отвечают в рамках своего уставного капитала — десять тысяч рублей или в лучшем случае сто тысяч рублей. Что будет, когда они закончат разработку месторождений и с них уйдут? Если у вас эти цементные мосты разрушились, у вас сразу возникла сообщаемость подземной сферы, продуктивных коллекторов, из которых шла добыча, с поверхностью земли.

— А мост — это пробка такая?

— Да, пробка. Просто небольшая. Метров десять, например, заливают цементом, и все.

Дело в том, что на Земле наблюдаются ежедневные приливные явления. Они сказываются на движении флюидов под землей. Эти гидравлические процессы передаются на ствол скважины, и рано или поздно только от них весь цемент моста обсыплется на забой, и тогда ничто не будет удерживать нефть. А еще существуют сейсмические события, их влияние на состояние цементных мостов может быть значительным.

Если у вас нефтяная скважина, то в худшем случае нефть будет просто на поверхность выходить. Такие случаи бывают сегодня на многих месторождениях, разработка которых уже закончена. И их начинают разрабатывать заново. Почему? Пятьдесят лет они простояли, и вдруг замечают выход на дневную поверхность нефти и из-за этого решают возобновить разработку. Кроме того, на месторождениях восстанавливается первоначальное давление.

— А откуда эта нефть берется?

— А вот это самый главный вопрос. Физика процесса такова, что при разработке мы в принципе всю нефть никогда не добываем. Есть такое понятие «коэффициент извлечения нефти» — это соотношение того, что добыли, к тому, что есть в пласте. В среднем по стране сегодня этот коэффициент составляет 33 процента, то есть две трети нефти остается в пласте. По прошествии времени происходит переформирование запасов. Во-первых, месторождения приобщены к огромными водоносным системам с соответствующим давлением, часто достаточно высоким. Фильтрация вызывается перепадом давления, поэтому со временем вода с присущим ей давлением поступает в нефтенасыщенную зону пласта, как бы подпирает ее. Когда вы осуществляете разработку, вы зачастую снижаете давление в залежи. И теперь, когда вы закончили добычу, эта вода занимает освободившееся пространство и поднимает давление в залежи. Внутри залежи происходит переформирование запасов, всплытие нефти над водой из-за гравитационного фактора, поэтому все подвижное, что осталось в пласте, перераспределяется.

Особенно опасны газовые явления выделения из разработанных пластов. Газы могут иметь сложный компонентный состав, включать кислые компоненты. В принципе, возможны людские жертвы. СО₂, сероводород — это неприятные компоненты, а они зачастую бывают в газах, могут формировать в пониженных зонах природных ландшафтов опасные для жизни смеси.

При подъеме через подземную гидросферу газы портят природные подземные водоемы, возникают проблемы с питьевой водой. В регионах с развитой нефтедобычей питьевую воду нередко завозят, потому что естественные источники воды испорчены. Поэтому разнообразие отрицательных событий от некачественной ликвидации скважин очень велико.

В нашем институте успешно исследует последствия взрывной дегазации член-корреспондент РАН, замдиректора по научной работе Василий Игоревич Богоявленский. Он убедительно показывает, при выделении газ по разломам способен подниматься на земную поверхность. Может формироваться газовая микрозалежь, она способна взрываться, и тогда куски горных пород могут разлетаться по огромным территориям. Это не обязательно связано с разработкой нефтегазовых месторождений, но может индуцироваться ею. На долгое время разрабатываемых месторождениях нередко наблюдаются землетрясения, и в принципе происходит много чего, требующего изучения.

По-хорошему, после бурения скважины, ее полной отработки и выполнения ее назначения необходимо все вернуть к первоначальному состоянию. Настолько ее герметизировать, чтобы никаких выбросов не происходило в течение любого наперед заданного времени. В целом необходимо создать такую технологию строительства скважины, которая потом позволила бы извлечь все трубы, а весь ствол залить герметизирующим составом.

В рамках проекта «Генеральная уборка» до конца 2024 года в России будут убраны 500 опасных нефтегазовых скважин

nia.eco

— А есть такие составы? Это уже отработанные технологии, хотя бы частично?

— Частично — да. Кое-что уже можно делать, но над этим надо работать. Сегодня главная проблема в стране — нет ликвидационных фондов, в которых аккумулировались бы средства, необходимые для работ на скважинах после разработки месторождения. Стоимость ликвидационных работ бывает настолько высока, что, может быть, даже разрабатывать месторождение не стоило. Ведь все ликвидационные работы не бесплатные. Даже в таком дешевом варианте, как я сказал в самом начале, ликвидационные работы могут стоить миллион рублей на одну скважину. К сожалению, по большому счету вопросами ликвидационных фондов никто не занимается. Интереса у государства, как у владельца недр, нет, все отдано на откуп компаниям. Компании должны все это сделать, но у компании главная задача — максимизировать прибыль.

Поэтому нужны совместные индустриальные проекты. Времена, когда каждая нефтедобывающая компания разрабатывает отдельное техническое решение, на мой взгляд, уже прошли. Надо создавать консорциумы компаний, наших недропользователей, которые разработали бы лучшую технологию для ликвидации скважин. И потом уже серийно ее применяли. Сейчас каждый делает как считает нужным.

— То есть стандартов нет, которые бы это определяли?

— Кое-какие стандарты есть, но я показал, что они ущербны. Они не гарантируют вам, что через пять-десять лет скважина не потеряет все изолирующие мосты и не станет пропускать пластовый флюид.

— А можно ли оценить масштаб проблемы? Насколько много таких заброшенных скважин?

— Масштаб огромный, их сотни тысяч по миру, даже в нашей стране в районе 700 тысяч скважин. Но они все разные. И каждая из них — потенциальная проблема. Они все в той или иной мере работают, портят подземную сферу, а там уже ничего не проконтролируешь. Многие нежелательные события даже выделить невозможно, нужны рабочие методы, которые в любом случае, автоматизированно выполняли свою функцию. Например, залил специальный состав в ствол скважины и спокоен. Сегодня существуют специальные составы, которые, например, самовосстанавливаются. В них добавляют специальные компоненты, которые в процессе возникновения трещины ее самозалечивают. Но этим надо вдумчиво заниматься, понимаете?

Сегодня все живут только сегодняшним днем: как нарастить добычу, как увеличить экспорт, как получить деньги, а о том, что будет через десять лет, не очень думают.

Мы сейчас идем в такие регионы, на севера, где повсюду вечномерзлые породы, а мы можем их растеплять. Ведь находящийся под землей флюид еще и теплый, при подъеме по колонне он растепляет окружающие породы. Часто многолетние мерзлые породы бывают в сотни метров. Что потом будет? Будут провалы, люди гибнуть будут…

Сегодня следует посмотреть на все заброшенные месторождения: может быть, их можно заново разработать? Например, мы такой проект сейчас пытаемся запустить, на институт взять лицензию на недропользование под полигон и отработку технологии разработки уже отработанного месторождения. Наш пример связан месторождением, разработка которого закончена еще в 1960 году, оно 65 лет стоит без эксплуатации. Мы попробуем на нем внедрить свои наилучшие научные разработки, чтобы добывать нефть.

— Для того чтобы показать, что…

— Идет переформирование запасов. Возвращаясь к вашему вопросу, откуда берется нефть. Есть одно из важнейших открытий, которое было сделано академиком Андреем Алексеевичем Трофимуком со товарищи в геологии позднего СССР. Утверждается, что в какой бы форме углерод ни поступал в подземную гидросферу, на неоднородностях кристаллической решетки горных пород за счет механо-химической активации углерод вступает в реакции синтеза, а из воды выделяется водород. В результате синтезируются углеводороды практически при любых термобарических условиях. Реакции условно аналогичны химическим реакциям при газификации углей – реакциям Фишера — Тропша. Таким способом немцы во время Второй мировой войны производили синтетическое жидкое топливо. Только в нашем случае совершенно другие термобарические условия, давление и температура гораздо ниже.

Если такие процессы протекают в подземной гидросфере, когда вода разлагается, а углерод вступает в реакцию и создаются углеводороды и побочным продуктом выступает водород, летящий за нашей планетой длинным шлейфом, тогда, все, что нам говорят про климатические изменения, неверно. Конечно, этот вопрос надо отдельно решать: как все-таки нефть и газ формируются? Многие считают, что этот вопрос уже давно решен, но мы хотим его заново поставить и осуществить научный эксперимент.

Большинство думает, что углеводороды — органического происхождения, никто из геологов по-другому сегодня не ответит. Но сейчас накопился альтернативный материал, и потому мы хотим взглянуть на вопрос по-новому.

Например, на угольных шахтах главная проблема — метан. Возможно, он возникает как побочный продукт того процесса, который мы с вами обсуждаем. А именно: когда вы растрескиваете породу, то возникает механо-химическая активация и начинают идти реакции превращения углерода из угля с синтезом углеводородов. Тогда появление метана — следствие процесса разработки: вы добываете уголь, он трескается, и в этот момент создается метан. Поэтому, в принципе, продувать от метана бесполезно — вы все равно от него не избавитесь. Этот вопрос требует научного изучения.

Мы пытались данный вопрос решить с нефтегазодобывающими компаниями, мы вели переговоры с главными геологами, просили отобрать глубинные пробы и проанализировать, есть в добываемой продукции водород или нет.

— То есть вы хотите поставить какие-то устройства в забое, которые будут улавливать водород?

— Мы хотим много чего промониторить и посмотреть, а что же в реальности происходит. Например, на Ромашкинском нефтяном месторождении есть скважины-миллионники. Это скважины, на которых добыто более миллиона тонн нефти. Ни по одной геологической модели это невозможно чисто математически — нет таких запасов. А по факту они их извлекают. Значит, откуда-то они берут эту нефть. Мы говорим о том, что, видимо, есть подпитка снизу, из других глубоких горизонтов. Это дополнительное соображение, почему нельзя просто так ликвидировать скважину, — есть подпитка из глубины.

На Ромашкинском нефтяном месторождении есть скважины-миллионники. Это скважины, на которых добыто более миллиона тонн нефти

oilcapital.ru

Другой пример — Шебелинское газоконденсатное месторождение. Месторождение давно разбурено, вовлечения новых запасов не происходит, эксплуатируется на газовом режиме — пластовая вода не добывается. Оцененные геологические запасы уже полностью отобраны, а добыча идет по-прежнему, давление в скважинах не снижается. Это противоречит нашим представлениям. В пласте происходит нечто, чего мы не знаем. Почему происходит удержание давления там, где уже все мыслимые запасы отобраны? И подобного рода эксперименты нужны и на других месторождениях.

— Подпитка происходит сразу нефтью и газом или вот этими исходными веществами, которые потом их формируют?

— Это тоже дополнительный вопрос. Мы думаем, что нефтью и газом, но современные научные методы позволяют значимые флюидные потоки зафиксировать. Но надо специальным образом поставить эксперимент и посмотреть, где это происходит.

— И это должно быть массовое наблюдение.

— Да. В принципе, по косвенным признакам мы понимаем, что это явление наблюдается и на других месторождениях. Ромашкино — одно из крупнейших нефтяных месторождений России, и там подтверждающие соображения имеются. Но мы хотим более подробно на этот процесс взглянуть. Раз нефтяным и газовым компаниям это неинтересно, придется делать самим. Подтвердить или опровергнуть гипотезу — задача науки.

— Вы уже сказали об угрозах, которые возникают на любых месторождениях, но, видимо, они особые при добыче на Крайнем Севере и на океаническом дне?

— Это так. Представьте, что вы ведете добычу в море, да еще подо льдом. Как узнать, что у вас что-то там внизу произошло, как провести ремонтные работы, как остановить разливы? Поэтому надо сначала отработать технологии, а потом идти работать в таких сложных условиях. Жизнь очень многообразна и причудлива при создании проблем, ко всему надо быть готовым.

— А где их можно отработать?

— На суше. На обычных месторождениях.

— Есть уже примеры заделов в этой области?

— Много людей этими вопросами в принципе занимаются. Как ввели налог на сжигание углеводородного газа, все нефтяники стали его использовать, ибо электричество необходимо для работы нефтяных скважин. Используются погружные насосы, а им электричество все время необходимо. Нефтяники стали сжигать природный газ для производства электроэнергии. Фактически они стали утилизировать его только таким способом. Когда в Норвегии были введены подобные ограничения, природные газы стали закачивать в пласты, что привело к росту нефтеотдачи. Иными словами, за счет закачки газа увеличили коэффициент излечения нефти, поскольку газ — неплохой вытесняющий агент, в зависимости от давления и температуры. Поэтому только путем принуждения можно заставить совершенствовать нормативно-правовую базу для использования альтернативных вытесняющих агентов, кроме воды. Добровольно никто делать не будет, пока не штрафуют.

— Даже если случилось происшествие какое-то?

— Вот закончили разработку, сдали лицензию, предприятие ликвидировали, вы кому предъявите претензии? Если что-то произойдет, государство будет за свой счет устранять все последствия, за наши с вами налоги. Поэтому надо озаботиться этим сегодня. Мы много на эту тему пишем, и вопрос ликвидационных фондов — один из важнейших.

— И нефтяные или газовые компании должны заполнять этот фонд?

— Они должны его формировать от прибыли, которую они имеют сегодня, сознательно откладывая деньги на то, чтобы потом их использовать при ликвидационных работах. Поэтому, пока идет добыча, надо собирать деньги.

— В связи с тем, что вы говорили о процессах, которые возникают с углеродом в земле и образуются нефть и газ…

— Это не является сейчас мейнстримом научным. Считается, что этого не может происходить. Что органическое происхождение все объясняет.

— Но в свете этой вашей точки зрения одна из зеленых технологий — закачивание СО₂ — не будет ли приводить к формированию новых запасов нефти и газа?

— А это как раз и будет доказательством того, что нефть и газ, вообще-то, климатически нейтральные соединения, если мы покажем, что сжигаемый СО₂ потом самой природой захоранивается и утилизируется в пластах. Сегодня это никем не признается. Хотя СО₂ с метеогенными водами в каком-то количестве заносится в подземную гидросферу. Но это тоже вопрос, требующий отдельного изучения.

И действительно, возникает вопрос: что будет с закачанным в подземные водонасыщенные пласты СО₂? Ведь такие мировые проекты есть. Будет ли генерация водорода и углеводородов? С нашей точки зрения, должна происходить генерация водорода. Но для изучения этого явления надо поставить газохимическую съемку на территории полигона, чтобы оценить, есть эманация этого водорода над полигоном или нет. Это все научные эксперименты. Их никто не делает и, видимо, без нас и не сделает.

— А к чему может привести выделение водорода?

— Вообще-то водород — опасное соединение, в определенной пропорции с кислородом создается гремучая смесь, которая может самопроизвольно взорваться. Правда, для этого он должен скопиться, а обычно он просто улетает, ибо это самая мелкая и легкая молекула в природе.

— Но если мы закачиваем CO₂ в эти пласты, мы их герметизируем, ведь тогда там водород накопится?

— Это все очень интересно. Давайте промониторим, давайте поймем, что происходит. Например, давайте сделаем такую сеть наблюдений, чтобы о подземном объекте получить максимум информации. Нефтяники даже задачи такой не ставят. А ведь потенциально может происходить много хитростей: один газ (или жидкость) заменится на другой. Кроме того, давление может вырасти, если синтезируется много газа, а может, он растворяться будет. Необходимо ставить эксперимент и отдельно исследовать процесс.

Происходящие при этом процессы очень сложные, с межфазными обменами, их надо уметь мониторить. А пока мы о подземном месторождении нефти и газа практически ничего не знаем. В лучшем случае измеряется давление, а о таких важнейших параметрах пород, как пористость, проницаемость, мы практически ничего не знаем. Тем не менее нефтяники и газовики разрабатывают месторождения в условиях неопределенности, не имея полного представления об особенностях геологического строения.

Заброшенная нефтяная скважина в США

sciline.org

Типичное месторождение имеет размеры 100 километров, например, на 60 — такое длинное протяженное тело, толщиной еще в 100 метров. При разработке его в нескольких местах, можно сказать, иголочками протыкают и через них осуществляют добычу. И приличные объемы извлекают, и, например, 30 процентов нефти добывают, что само по себе совсем немало. Это только карьерным способом можно 100 процентов извлечь. Поскольку месторождения залегают зачастую на таких глубинах, где карьерный способ недоступен, нефтяники используют самые передовые подходы для того, чтобы организовать процесс разработки самым рациональным образом, в условиях неопределенности как параметров пласта, так и самого строения месторождения. Это и математические методы, и методы исследования скважин и пластов, и геофизика — все самое новое, что появляется в любых отраслях научного знания, все в том или ином виде начинает использоваться в отрасли.

— Директор центра по энергопереходу Сколковского института науки и технологий Андрей Осипцов, откликаясь на вашу статью, рассказал нам, что в Америке сейчас есть большая программа исследования заброшенных скважин.

— Это действительно так. Но у них с точки зрения бесхозяйственности ситуация еще более дикая: вы получили лицензионный участок, самым варварским методом его разработали, получили все, что хотели, и ушли. А скважин у них в разы больше, чем у нас. Особенно в связи со сланцевым бумом они бурят огромное количество скважин. У них плотности сетки скважин такие, которых у нас вообще никогда не бывает. У нас типичная плотность сетки на скважину — 16 гектаров. А у них через каждые сто метров длинные горизонтальные скважины. Что бы было в России, если бы мы могли такие плотные сетки скважин реализовать? А так в США огромный прогресс в скорости бурения, проведения технологических операций на них. В результате количество скважин в США раза в три больше, чем у нас.

— Но они реально исследуют сейчас?

— Понимаете, это ведь коммерческий вопрос. Что мы видим? В статьях пишут одно, а в жизни совершенно другое. И по коммерческим соображениям многие вещи не раскрываются. Мы с вами говорили про закачку СО₂. У нас в стране практически данный подход нигде не реализуется.

Такие проекты были во времена СССР, но сейчас почти нигде нет. Воду только одну качают. Хотя вода не лучший вытесняющий агент для многих отложений. В других странах — в Америке, Норвегии, Канаде — СО₂ качают очень много, и наши люди, работающие в этих компаниях, говорят, что сами предприятия во внутренних отчетах обращают внимание совсем на другие процессы, чем отражают в публикациях. Внутри компаний мониторят совсем другие процессы, чем пишут в статьях. Поэтому надо быть внутри системы, чтобы понимать, что там происходит. По публикациям мы видим, что за рубежом занимаются, но в каком объеме реально — трудно оценить. Мы видим только то, что появляется в официальной печати.

— У вас в статье речь идет о том, что технология гидроразрыва пласта — это тоже одна из угрожающих технологий.

— Конечно. Кстати, она изначально разрабатывалась в нашем институте. Скоро будет сто лет одному из создателей этого метода — Юрию Петровичу Желтову.

Когда бурится скважина, в призабойной зоне, в ее небольшой окрестности в проницаемую породу попадает буровой шлам. И он портит призабойную зону скважины. Это явление называют скин-эффектом.

Вокруг скважины возникает зона с ухудшенными фильтрационными емкостными свойствами. Гидроразрыв пласта изначально предполагал преодоление этой зоны. То есть он должен был только испорченную зону преодолеть и уже к более хорошо проницаемым породам подвести точку притока к скважине. Сейчас же делают совсем по-другому: создают длинную трещину, 200‒400 метров и больше. Она, естественно, распространяется по направлению наименьшего напряжения и доходит до естественных ограничений в виде кровли и подошвы пласта. И прорывает их.

Отвлечемся немного. Почему в принципе месторождения нефти и газа существуют? А потому, что есть покрышка, которая не позволяет утекать за ее пределы пластовому флюиду. Как только вы ее порвали, эти нефть и газ начинают вытекать вверх, выходя на поверхность, формируя техногенные залежи. То же самое возможно и без гидроразрыва, если у вас плохо зацементированная скважина. Скважина бурится одним долотом, а потом обсаживается железной трубой меньшего диаметра, возникающий зазор между обсадной трубой и породой необходимо зацементировать. Если этот цемент разрушен, по нему нефть и газ могут убегать наверх. Поэтому очень много обстоятельств, при эксплуатации месторождений приводящих к тому, что нефть и газ прорываются наверх. А при гидроразрыве — точно.

Мы предлагаем другой способ в качестве замены гидроразрыву. У нас есть технология циклического геомеханического воздействия. Но мы пока ее опробовали только на одной скважине в Татарии. Совместно с «ЛУКойлом», я надеюсь, мы скоро проведем ее опробование еще на ряде скважин. Резюмируя, могу сказать, что технологии не стоят на месте, все время идет развитие и то, что промышленность увлекается гидроразрывом, — неправильно. Есть другие методы, которые позволяют не создавать, например, скин-зону — бурить на равновесии или на депрессии. То есть надо использовать такой буровой раствор, создающий такое давление, чтобы оно было ниже, чем в пласте. Тогда продукты бурения не будут в пласт попадать, а будут из пласта сразу выноситься наверх.

— Подводя итог, не могли бы вы коротко сформулировать, в чем суть ваших предложений по решению всех обозначенных проблем?

— К сожалению, до некоторой степени мы отчаялись наладить отношения с отечественной промышленностью так, чтобы можно было непосредственно на действующих месторождениях решать научные вопросы. Например, откуда все-таки берутся нефть и газ? Мы хотим исследовать все протекающие в пластах процессы, реализовать на практике наши лучшие научные подходы. Показать на примере, а что может нефтегазовая наука дать реальной нефтегазодобыче.

Например, наша лаборатория — родина многофункциональных технологий, когда одновременно достигаются максимальные коэффициенты извлечения и газа, и нефти, и конденсата. У нас разработаны специальные подходы для разработки многих проблемных месторождений в стране. Мы всё открыто показывали, но наши наработки практически нигде не реализуются. Поэтому мы сами хотим на практике показать: ребята, вот так можно разрабатывать и достигать высоких коэффициентов извлечения.

— То есть вы хотите заняться добычей?

— Да. Ну а что делать? Не получается по-другому. Конечно, нам нужен инвестор, сейчас идут переговоры, возможно, мы запустим этот процесс в ближайшее время.

— Но ведь для этого вам тут нужно обзаводиться и производством достаточно серьезным. Не знаю, как сейчас, но одно время модной темой было создание малых предприятий при научном центре.

— Вот именно таким путем придется идти. Наша цель — показать, что наука может сделать, и подтолкнуть отрасль к реализации наших разработок.