Перспективы разработки месторождение сланцевого газа методами волнового воздействия

В статье дан анализ существующих методов разработки сланцевых месторождений. Экологические проблемы, сопровождающие добычу сланцевого газа при интенсификации газовыделения, ставят серьезный вопрос о выборе перспективных методов разработки месторождений сланцевого газа и сланцевой нефти. Предлагается использование методики волнового воздействия на подобные пласты. Одним из методов оценки эффективности создания волновых импульсов в целях повышения фильтрационных характеристик может стать математическое моделирование гидродинамических процессов, происходящих в пласте.

ОБЩИЙ АНАЛИЗ ДОБЫЧИ СЛАНЦЕВЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ

Несмотря на относительную «молодость», сланцевый газ на сегодняшний день можно считать наиболее перспективным видом газового топлива из всех так называемых нетрадиционных видов углеводородов. В какой мере добыча сланцевого газа станет конкурирующим источником газа в сравнении с разработкой традиционных газовых месторождений? Сегодня мнения по этой проблеме разные и даже диаметрально противоположные: от объявления разработки месторождений сланцевого газа промышленной революцией, угрожающей России, до проблемы чересчур раздутой, а ажиотажа - следствием пиар-компании тех фирм, которые уже вложили огромные деньги в разработку таких месторождений и ищут новых инвесторов.

Вопрос не в том, что неразработанных традиционных источников значительно меньше, чем даже уже известных пластов сланцевого газа, дело в цене вопроса. Технологии добычи во всем мире развиваются так быстро, что стремительное удешевление газа заставит пересмотреть стратегические направления развития многих государств и даже, вероятно, повлияет на направления геополитики.

Говоря о топливных запасах в общем контексте, нужно сказать, что георесурсы газа, в том числе и нетрадиционные, очень велики и разнообразны. При этом угольный метан небезопасен. Кроме того, используемые для его добычи методы, в том числе гидроразрыв пласта (ГРП), не являются экологически чистыми. Поэтому, несмотря на добычу угольного метана в 60 млрд м(3) и десятки тысяч пробуренных скважин, даже в США этот вид «нетрадиционного» топлива нельзя оценивать как слишком перспективный. Что же касается России, даже в традиционных угольных районах угольный метан не добывается, правда, прежде всего из-за его высокой себестоимости, хотя разговоры о создании новых методов добычи угольного метана идут уже довольно долго и в среде производственников, и в научном сообществе, работающем в области нефтегазового производства.

Газовых гидратов в мире колоссальное количество, но, несмотря на значительный интерес огромного числа стран к вопросу разработки месторождений газовых гидратов, экономически целесообразной технологии пока не создано [1]. Для добычи гидратов необходимо либо поднять температуру, либо снизить давление. На словах все просто. Но реальные перспективы нерадужны. Недаром всплеск научного интереса к проблеме добычи газогидратов некоторое время назад потихоньку заместился осторожным скепсисом. Как известно, из плотных песчаников удается извлечь 5-10% газа, т.е. месторождения малодебитны и пока их разработка экономически неэффективна.

Мировые запасы сланцевого газа весьма велики - сотни триллионов кубометров, находящихся внутри пластов, фактически равномерно рассредоточенных по миру. Что касается России, предварительно установлено наличие сланцевого газа в пределах Тимано-Печорской провинции, Енисейского кряжа и в ряде других районов, но, как говорят специалисты, никакой экономической целесообразности в его добыче в России пока нет и в ближайшие годы, видимо, не предвидится.

Сейчас в США добывают уже около 200 млрд м(3) сланцевого газа [2], т. е. 30% от общей добычи газа. Если верить этим цифрам, количество добываемого в США сланцевого газа превышает количество газа, которое Газпром экспортирует в Европу. США полностью отказались от импорта сжиженного газа только за счет сланцевого, хотя пару лет назад они были крупнейшим его импортером. Теперь США стали экспортером газа. Терминалы на побережье, построенные для приема газа, переделываются для того, чтобы сжижать американский газ и везти его в Европу. Таким образом, даже если цифры по добыче сланцевого газа в США слегка завышены (как полагают многие эксперты) и если после довольно активной выработки самых рентабельных месторождений (и по наиболее упрощенным технологиям) в будущем в США добыча сланцевого газа пойдет на спад, однозначно можно говорить о том, что газовый рынок уже не будет таким, как раньше, и прежде всего именно благодаря сланцевому газу. Разработка сланцевых месторождений требует применения специальных технологий добычи, и тем не менее, например, Китай планирует к 2015 г. добывать уже до 7 млрд м(3) сланцевого газа.

Разработка сланцевых месторождений сопряжена с огромными темпами бурения. Себестоимость этого процесса в России значительно выше, чем в США, темпы добычи неравномерны и характеризуются сильным спадом в довольно короткий период, следующий за пиковой добычей. Именно поэтому добыча сланцевого газа в России пока не считается перспективной, большее внимание уделяется проблеме разработки «сланцевой нефти» - керогена. В России наиболее протяженные пласты керогенсодержащих пород относятся к так называемой баженовской свите. Кроме того, абалакская и фроловская свиты Западной Сибири также характеризуются большими запасами керогена. Глубины залегания таких пластов - около 2 км, ореол распространения - более 1 млн км(2). К слову, бум, связанный с добычей сланцевого газа в Америке, по оценкам аналитиков, уже к 2016 г. разразится «бумом сланцевой нефти», себестоимость которой в Америке оценивается менее чем в 10 долл.

С отработкой и удешевлением технологии бурения горизонтальных скважин с 1990 г. удалось на порядки снизить затраты на разработку сланцев и существенно увеличить отдачу скважин, в том числе путем применения метода ступенчатого ГРП. Сначала скважину бурят как обычно, т.е. вертикально. На глубине залегания сланцевых пород бур разворачивают горизонтально, и дальнейшее бурение ведется вдоль напластования продуктивного слоя породы. При этом применение многоствольного горизонтального бурения из одной скважины сразу в нескольких направлениях позволило сделать технологию еще более эффективной.

ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С РАЗРАБОТКОЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СЛАНЦЕВ

Однако не все так радужно. Существует несколько типов проблем, которые необходимо решать при разработке месторождений сланцев. Во-первых, это чисто технологические вопросы, к которым относятся: снижение себестоимости (число необходимых скважин), закрепление трещин ГРП (использование специальных проппантов), ориентирование трещин, использование более экологически безопасных составов жидкостей ГРП. Помимо экологических проблем опыт разработки месторождений сланцев в США показал наличие следующих отрицательных аспектов добычи сланцевого газа [3]:

технологическая проблема нехватки крупных запасов воды для проведения ГРП сочетается с обратной проблемой утилизации отработанной загрязненной воды;

особенность технологии добычи сланцевого газа состоит в непрерывном бурении большого числа скважин и частом проведении процесса ГРП;

сланцевые скважины имеют гораздо меньший срок эксплуатации, чем скважины месторождений обычного природного газа: на традиционных месторождениях - обычно 30-40 лет; опыт эксплуатации сланцевой залежи Barnett в США показал, что около 15% скважин, пробуренных в 2003 г., уже через пять лет полностью перестали давать продукцию, при этом уже через год дебит скважины падает на 30 и даже на 80%;

добыча сланцевого газа рентабельна только при наличии спроса и высоких цен на газ, тем более что сланцевый газ обычно является менее теплотворным, чем природный.

НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СЛАНЦЕВ

Опыт добычи в американских сланцевых бассейнах показывает, что каждое сланцевое месторождение требует индивидуального научного подхода и имеет совершенно уникальные геологические особенности, характеристики эксплуатации, а также существенные проблемы добычи.

Можно сказать, что самые существенные проблемы, сопровождающие добычу сланцевого газа с использованием технологии бурения вертикально-горизонтальных скважин и организацией множественных гидроразрывов, лежат в экологической плоскости.

Во-первых, как уже упоминалось, это проблема забора и утилизации технической воды для проведения процесса ГРП.

Во-вторых, использование в процессе ГРП экологически неблагоприятных жидкостей (соль, кислоты, ПАВ и т.д.) и проппанта. Несмотря на то что гидроразрывы проводятся гораздо ниже уровня грунтовых вод, строение сланцевых месторождений таково, что токсичными веществами могут быть заражены почвенный слой, грунтовые воды и воздух. Многие месторождения сланцев залегают неглубоко (например, пенсильванские пласты в США - около 200-300 м). Установлено, что в районах добычи сланцевого газа грунтовые воды содержат значительное количество химических реагентов (толуол, бензол, диметилбензол, этилбензол, мышьяк и др.). Это происходит за счет просачивания химических веществ через трещины, образовавшиеся в толще осадочных пород, в поверхностные слои почвы. Такому процессу способствует само строение сланцевых месторождений, не имеющих жесткого скелета, отличающегося слабыми прочностными свойствами. Современные технологические схемы проведения ГРП с образованием вертикальных трещин способствуют нарушению сплошности «покрышки» сланцевого месторождения и утечке жидкостей ГРП в верхние водоносные горизонты. Многочисленные повторные ГРП только обостряют ситуацию в плане загрязнения вышележащих слоев.

В мире, в том числе и в России, существуют технологии ГРП без применения проппант-гелей, на чистой воде. Это один путь.

Другой путь может быть основан на создании технологии, которая в большей мере могла бы контролировать дизайн трещины. Стандартный ГРП характеризуется возникновением вертикальных трещин, что связано с неоднородностью поля напряжений в пласте. Для сланцевых месторождений, имеющих преимущественно слоистую неоднородную структуру, идеальным было бы расслоение пород вдоль плоскости их напластования. При этом увеличение трещиноватости сланцевых отложений путем создания мелкой сетки пусть даже вертикальных, но при этом коротких трещин могло бы, с одной стороны, увеличить газоотдачу, с другой - помогло бы хотя бы частично избежать неблагоприятных экологических последствий, вызванных нарушением «покрышки».

Добиться подобного эффекта можно, например, применяя технологии волнового воздействия на пласты. Популярность и перспективность таких методов в настоящее время широко обсуждается в среде практиков и теоретиков нефтегазового инжиниринга [4]. Как известно, порода газонасыщенных сланцев тверже, чем традиционная газонасыщенная. При этом пористость невелика, кроме того, поры слабосвязанные. Поэтому фильтрация в таких пластах очень слабовыраженная (в десятки тысяч раз медленнее, чем в традиционных газонасыщенных коллекторах). Именно эти свойства сланцевых пластов побуждают искать методы повышения проницаемости породы. Отсюда использование множественного ГРП, а далее требуется возбуждение избыточного давления, при этом могут применяться и микрозаряды. Основная цель такой операции - расслоить сланцевый «монолит» на отдельные листы, между которыми нагнетается песок для противодействия последующему «слипанию» пластов на глубине.

ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗРАБОТКИ СЛАНЦЕВОГО ГАЗА И СЛАНЦЕВОЙ НЕФТИ

Для того чтобы эффективно и экологически безопасно разрабатывать месторождения нетрадиционных видов топлива, требуется уже сейчас искать новые технологии и строить опытные демонстрационные модули. При этом в настоящее время другие методики, отличные от ГРП, для сланцевых месторождений фактически отсутствуют. Возможно, с одной стороны, эффективными могли бы стать такие методы, которые позволили бы получить в пласте значительные градиенты давлений, сравнимые или даже выше, чем давления ГРП, с другой - способ создания таких волн не должен приводить к появлению в пласте дополнительных химических загрязнителей. К таким методикам можно отнести технологии создания волн высокого давления.

Сейчас в стадии опробования находятся несколько методов возбуждения волн высокого давления путем высокотемпературного разложения специально созданных составов путем продавливания их в пласт или закачки в уже существующую трещину ГРП. Несомненным плюсом таких методов можно считать то, что в результате специально подобранных составов при термохимической реакции не образуется дополнительных вредных соединений, усугубляющих экологические последствия такой обработки. Такая методика уже довольно хорошо показала себя при пуске нескольких «сухих» нефтяных скважин.

Так как разработка сланцев в промышленном масштабе имеет непродолжительный характер, практически отсутствует информация для построения динамических моделей процессов в таких пластах. В настоящее время проблема создания численных моделей, наиболее точно отражающих процессы, происходящие в пласте, остается актуальной. Создание моделей воздействия на керогенсодержащие породы представляет собой сложный комплекс сочетания физических лабораторных, промысловых и, наконец, численных экспериментов. Уточнение создаваемых математических моделей путем отражения в них реальных физических свойств становится все более актуальным, так как технологически процессы разработки коллекторов даже традиционного углеводородного сырья усложняются, не говоря уже о создании принципиально новых технологий.

Для переноса волновых технологий в практику разработки сланцевых месторождений и понимания гидродинамической картины течения в пласте необходимо создать модели, которые позволили бы увидеть процесс в динамике. Первым шагом в этом направлении можно считать модели течения в анизотропных пластах, какими, безусловно, являются сланцевые месторождения. Помимо сланцевости, т. е. способности разделяться на параллельные слои, сланцы характеризуются анизотропией всего комплекса фильтрационноемкостных свойств [5].

Авторы уже предпринимали попытки «обсчитать» процесс воздействия на керогенсодержащие пласты [6]. Отсутствие фактического экспериментального материала и результатов промысловых исследований затрудняет создание замкнутой гидродинамической модели, описывающей динамику процесса с учетом химических реакций и фазовых переходов.

Простейшая математическая модель пласта с учетом анизотропии упругих и фильтрационных свойств коллектора и флюида может быть описана на основе общепринятого подхода, сначала без учета теплового расширения флюида и коллектора (изотермическая постановка).

В так называемой упругой постановке задачи (сжимаемый анизотропный скелет, сжимаемый флюид) были проведены расчеты перераспределения давления в пласте, когда первоначальный импульс модулируется на определенном расстоянии от скважины в существующей трещине, образованной в результате процесса ГРП или непосредственно в матрице пласта. На рис. 1 показано, как меняется распределение давления при создании импульса повышенного давления в зоне горизонтальной трещины. Расчеты были проведены в целях рассмотрения гидродинамики течения в пласте и оценки величины импульса давления, регистрируемого на забое скважины. По горизонтали на рис. 1 отложено расстояние от скважины (длина трещины - 30 м), по вертикали - глубина пласта (вдоль оси скважины). Зона трещины, характеризуемая повышенными значениями проницаемости, ограничена черной линией. Цветовой гаммой отмечен уровень давления (пластовое значение - 20 МПа). В соответствии с идеологией предложенного метода можно предполагать, что вокруг трещины ГРП возможно создание области повышенной трещиноватости (гантелевидной формы), где проницаемость изменится после воздействия, что видно на рис. 1. При этом уровне начальных давлений в зоне реакции 230 МПа (рис. 2) импульс, приходящий на забой скважины, составляет около 30%, т. е. давление на забое не превышает безопасного уровня. На рис. 2 приведена динамика давления в двух точках пласта: в области создания скачка давления и на забое скважины, т. е. на левой границе модели.

Авторами проведены несколько серий численных экспериментов, в том числе по моделированию динамики фильтрационных процессов в случае, когда зона повышенного давления находится непосредственно в матрице пласта на некотором удалении от скважины. Технологически получить такой случай можно путем последовательной закачки нескольких жидкостей, в том числе и энерговыделяющей химически активной. Проведенные многочисленные эксперименты с варьированием объемов закачиваемых флюидов и изменением состава смеси (изменение уровня первоначально возбуждаемого импульса) позволяет оценить размер предполагаемой зоны повышенной трещиноватости, возникающей при волновом воздействии, и при этом отслеживать вопросы безопасности работ на скважине. Использование усложненной модели с учетом кинетики фазовых превращений и перераспределения тепла в пласте дает возможность получить не только оценочные результаты, но и провести более углубленные исследования воздействия волн давления на пласты сланцев.

***

Список литературы

1. Якуцени В. П. Основные виды и перспективная значимость ресурсов нетрадиционных источников углеводородного сырья // Основы прогноза и поисков нетрадиционных углеводородного сырья: сб. науч. тр. - Л. :ВНИГРИ, 1989. - С. 7-11.

2. Ткаченко И.Ю., Бриллиантов Н.Д. Сланцевый газ: анализ развития отрасли и перспектив добычи. [Электронный ресурс.] - Режим доступа: http://www.vavt.ru/journal/id/3003CDC01/$File/43-54.pdf (дата обращения: 01.04.2013 г.).

3. Адамович Б. А. Экологические проблемы сланцевого газа // Наука и техника: электр. журн. - 2012. [Электронный ресурс.] - Режим доступа: http://oko-planet.su /science/sciencediscussions/157121-ekologicheskie-problemy-slancevogo-gaza.html (дата обращения: 01.04.2013 г.).

4. Дыбленко В. П. Волновые методы воздействия на нефтяные пласты с трудноизвлекаемыми запасами. Обзор и классификация. - М.: ВНИИОЭНГ, 2008.

5. Dmitriev M.N., Dmitriev N.M., Kravchenko M.N. Rapoport-Leas Model for Two-phase Flow in Anisotropic Porous Media // Proc 13th Eur. Conf. on the Math, of Oil Recov. (ECMOR XIII), Biarritz, France, 10-13 Sep. 2012. - P. 45-57.

6. Вольпин С.Г., Диева Н.Н., Кравченко М.Н. Построение модели процесса разработки керогеносодержащего коллектора // Сб. науч. тр. ОАО «ВНИИНефть». - 2010. - Вып. 143. - С. 78-85.

(с) Спецвыпуск журнала «Газовая промышленность» - Вузовская наука – нефтегазовой отрасли (692/2013)