Нефтегазовая наука и практика XXI века: новые идеи и парадигмы

PETROLEUM GEOLOGY: SCIENCE AND PRACTICE IN THE 21-st CENTURY. NEW IDEAS AND PARADIGMS

N. ZAPIVALOV, Institute of Petroleum Geology and Geophysics of the SB RAS, Novosibirsk State University

Актуальность работы определяется необходимостью сосредоточить научную мысль и практические усилия на изучении и управлении «жизнью» месторождений на основе принципиально новых концепций в нефтегазовой геологии. Цель работы: обозначить новые тенденции и подходы в развитии нефтегазовой геологии; обосновать применение реабилитационных циклов в процессе освоения нефтегазовых месторождений, особенно в период их активной (форсированной) разработки; установить порог устойчивости состояния флюидонасыщенных систем; предложить метод моделирования динамики нефтегазовых месторождений. Результаты. Обосновано применение реабилитационных циклов в процессе освоения нефтегазовых месторождений. Дана эмпирическая оценка значения критического порога устойчивого состояния флюидонасыщенной системы в процессе разработки месторождения, равного величине депрессии на пласт 5 – 8 МПа. Предложен и обоснован метод моделирования динамики состояний углеводородных месторождений с помощью эволюционного уравнения вида ∂p/∂t = Z(p,a,t). Предложен метод техногенного инициирования ускоренного процесса метасоматической доломитизации в карбонатных коллекторах, направленный на создание или обновление высокопродуктивных очагов на месторождении. Предлагаются инновационные концепции, идеи и подходы для дальнейшего развития научной мысли в нефтегазовой сфере.

The current importance of the paper is determined by the vital necessity that research and practical efforts should be now focused on studying and controlling the oilfield «life», based on conceptually new ideas and methods in petroleum geology. The aim of the article: outline new trends and approaches in the development of petroleum geology. To substantiate the use of rehabilitation cycles in the process of developing an oilfield, and especially at its active (forced) stage. To define the perturbation threshold for state equilibrium of a fluid-saturated system. To propose a method for simulating dynamics of a hydrocarbon deposit. Results: the use of rehabilitation cycles in the process of developing an oilfield is substantiated. An empirical estimation is given of the value of critical perturbation for state equilibrium of a fluid-saturated system in the process of developing an oilfield, equal to formation depression of 5–8 MPa. A method for simulating oilfield dynamics is suggested and the use of an evolutionary equation ∂p/∂t = Z(p,a,t) is justified. A method is proposed to create or renew highly-productive foci at an oilfield through technogenic initiation of an accelerated metasomatic dolomitisation in carbonate reservoirs. Innovative conceptions and approaches are suggested for the further development of petroleum science.

Новые подходы в нефтегазовой геологии

В нефтегеологической науке XXI века преобладают идеи современной нелинейной динамики с ее концепциями хаоса и самоорганизации.
Установлено, что углеводороды имеются во всех слоях земной коры, а также предполагаются в космосе. Имеется много различных достаточно авторитетных точек зрения на генезис углеводородов [1 – 2].
Многолетний опыт работы в нефтегазовой геологии привел автора к выводу об ограниченной применимости классической органической гипотезы, хотя именно он впервые в Западной Сибири в 1958 г. на основе изучения опорных скважин в марьяновской (впоследствии переименованной в баженовскую) свите (Верхняя Юра) выделил нефтематерин­скую толщу (геохимическая пачка А). Этому была посвящена кандидатская диссертация. Но сейчас у автора другая парадигма, не предполагающая приверженности какой-либо одной концепции генезиса нефти.
Создать общую теорию нафтидогенеза, пригодную для любых геологических условий, видимо, невозможно. Выделение региональных нефтематеринских толщ в качестве единого и обязательного источника нефтегазообразования является некорректным.
Надо признать и то, что различные виды палеореконструкций, по существу, являются виртуальными и вряд ли могут считаться уверенными ориентирами для выбора благоприятных нефтегазовых объектов, поскольку любая флюидопородная система подвергается вторичным, наложенным процессам. Особенно важно учитывать метасоматоз. Поэтому мы имеем дело с молодыми залежами и современными фильтрационно-емкостными параметрами пласта; их преобразование может быть очень быстротечным. Принципы возрастной аналогии и методика расчетов категорийных запасов по эталонам не отвечают требованиям достоверности решения нефтегеологических задач. Н.А. Еременко и Дж. Чилингар [3] утверждали, что в очень короткое геологическое время коллектор может стать покрышкой, а покрышка – коллектором.
Скопления нефти и газа обнаружены во всех типах пород и во всех стратиграфических горизонтах на суше и в акваториях. По существу, наша планета является единым нефтяным полигоном.

В нефтегеологической науке XXI века преобладают идеи современной нелинейной динамики с ее концепциями хаоса и самоорганизации.


Мифы о «пике нефти» [4] опровергнуты новыми доказательствами и фактами [5, 6]. Месторождения углеводородов могут быть открыты в самых неожиданных местах и условиях. Темпы и объемы добычи нефти и газа, а также цены зависят от различных природных, техногенных и рыночных флуктуаций, включая многие геополитические факторы. Но век углеводородной цивилизации никогда не закончится. Это подтверждается наличием и открытием новых разнообразных источников углеводородов (традиционных и нетрадиционных), а также созданием инновационных методов и технологий их добычи и утилизации. Это убедительно демонстрируют следующие графические материалы: динамика доказанных запасов нефти за последние 20 лет, динамика добычи нефти в мире и динамика потребления нефти (рис. 1 – 3).
70 стран в мире имеют разведанные запасы нефти, более 65 стран осуществляют добычу нефти, и практически все государства мира в той или иной степени используют углеводородное сырье для различных целей.
Ясно, что углеводородных ресурсов в земных недрах много, но требуется разумное (научное) использование этих крайне важных для человечества богатств.
Надо признать, что в России тоже постоянно увеличивается добыча нефти, за исключением периода перестройки и смены общественно-политической формации (1989 – 2001 гг.) (рис. 4).

Исследования, обобщения и результаты

Нефтегазонасыщенный пласт представляет собой целостную взаимосвязанную систему: породы (минералы) + флюиды (нефть, газ, вода). Залежь нефти – это «живая» флюидопородная система, поэтому ее жизнь подчиняется законам спонтанной саморегуляции. Следует сосредоточить научную мысль и практические усилия на изучении и управлении «жизнью» месторождений. Необходимо учитывать, что эта «жизнь» зависит от многих градиентных факторов в быстротечном режиме. Залежь нефти может сформироваться, расформироваться и вновь образоваться. Поэтому многие скопления нефти и газа являются молодыми.
Промысловые исследования и наблюдения во многих регионах позволили установить, что критическим порогом устойчивого состояния флюидонасыщенной системы в процессе разработки месторождения является величина депрессии на пласт 5 – 8 МПа [7, 8]. Это значение является практически универсальным и применимо для всех типов коллекторов. Флюидодинамические системы (залежи, месторождения) являются по многим параметрам очаговыми, вероятнее всего, фрактальными объектами с неравномерной продуктивностью [9].

Темпы и объемы добычи нефти и газа, а также цены зависят от различных природных, техногенных и рыночных флуктуаций, включая многие геополитические факторы. Но век углеводородной цивилизации никогда не закончится.

Примером нарушения естественных природных процессов является Верх-Тарское месторождение, которое было уничтожено за 10 лет ускоренной выработки активных запасов за счет завышенных темпов добычи и неумеренного применения ГРП и заводнения [10] (рис. 5). Автор в течение многих лет предлагает создать на основе этого уникального района, где есть нефть в песчаниках мезозоя (Верх-Тарское), карбонатных породах палеозоя (Малоичское) и даже в гранитах Межовского массива, научно-технологический и образовательный федеральный полигон для натурных исследований, апробации новых и тиражирования инновационных технологий по всему спектру нефтегазового производства, но активной поддержки пока не получил.
Именно Верх-Тарское месторождение нуждается в щадящей технологической реабилитации, поскольку природная реабилитация может оказаться очень длительной. Есть методы и предложения, но недропользователь не готов ими воспользоваться.

Уравнение состояния флюидонасыщенной системы

В первом приближении динамика состояний углеводородных месторождений может описываться эволюционным уравнением вида
∂p/∂t = Z(p,a,t),
где p=(p1,p2,...,pk) – выбранный набор динамических величин, характеризующих состояние системы; a=(a1,a2,...,al) – набор параметров системы; t – временная переменная; Z – оператор, скорее всего, нелинейный, действующий на p и универсальный для всех (или для достаточно представительного класса) месторождений, который должен быть определен на основании эмпирических закономерностей развития углеводородных скоплений.
Такой вид имеют уравнения динамики механических систем, жидкостей и газов, классических физических полей, атомных систем, галактик и пр. Во всех перечисленных областях уравнения такого вида являются основой успешного исследования самых сложных процессов и явлений.
Наиболее эффективным представляется построение натурных флюидодинамических моделей на основе фактических данных, отраженных в уравнениях переноса и баланса углеводородных масс и сопут­ствующих компонентов. Это особенно важно для подтверждения закона о критическом пороге состояния нефтегазонасыщенных систем, эмпирически равному 5 – 8 МПа депрессии на пласт, и оценки очаговой подпитки месторождений.

О нерешенных задачах

Все еще остается нераскрытой «тайна» большой нефти в глубинном комплексе Западной Сибири (палеозой и докембрий), в том числе в погребенных гранитах [11]. Много творческих усилий и практических дел автор посвятил именно этой проблеме. Этот марафон длится уже более 50 лет. Препят­ствием является геологическая неопределенность классического термина «фундамент». А.А. Трофимук называл палеозой «золотой подложкой Западной Сибири».
О баженитах и сланцевой нефти Западной Сибири можно складывать легенды и даже достигать некоторых успехов, но главного нефтяного дыхания, видимо, не получить. По данным исследований [12], отложения баженовской свиты по своей геохимической специализации относятся к формации металлоносных черных сланцев; баженовская свита, по сравнению со средними данными для черных сланцев мира, более чем в 3 раза обогащена U, Zn, Sr, Ba и в 1,5 раза – As, Co и Tb. Содержание урана в породах колеблется от 2 до 171 г/т, при среднем его содержании в 40,9 г/т. Ориентировочно можно оценивать ресурсы этого металла в исследуемом районе на уровне 3 млрд т.
Встает, возможно, не праздный вопрос: может быть, из Западно-Сибирских баженитов добывать уран и другие металлы, хотя бы в отдельных перспективных районах (может быть, вместе с нефтью)?

Обсуждение, предложения и выводы

В настоящее время в мире повсеместно осуществляется форсированная коммерческая добыча легко извлекаемой нефти всеми доступными сверхинтенсивными методами. Остаточная нефть (запасы) к настоящему моменту составляет 55 – 70 %. Чтобы добывать эту остаточную (трудноизвлекаемую) нефть из продуктивных пластов, нужны принципиально новые идеи и технологии. Большой интерес и очевидные перспективы представляют прорывные нанотехнологии в нефтегазовой геологии [8, 13].
В научных исследованиях, в прогнозах, поисках, разведке и разработке месторождений следует ориентироваться на установление зон (очагов) с активным градиентным флюидным режимом в каждый отдельный момент времени. Методов и технологий таких инновационных процедур сейчас достаточно, включая высотные и космические съемки. Рекомендуются, например, методика ДФМ [14] и технология спектрального анализа микросейсм (SAM) [15].

70 стран в мире имеют разведанные запасы нефти, более 65 стран осуществляют добычу нефти, и практически все государства мира в той или иной степени используют углеводородное сырье для различных целей.

В процессе освоения нефтегазовых месторождений, особенно в период их активной (форсированной) разработки, необходимо применять реабилитационные циклы, способствующие быстрому восстановлению энергии пласта и фильтрационных свойств, а также образованию новых объемов углеводородных масс. В итоге это обеспечит длительную жизнедеятельность объекта, высокую конечную нефтеотдачу, соблюдение экологических стандартов, а также существенную экономию труда и капитала.
Активные процессы современной очаговой подпитки углеводородных скоплений и соответствующее увеличение запасов, безусловно, представляют научный и практический интерес, определяя направление нанотехнологической нефтегазовой революции. Наглядным и убедительным примером очаговой подпитки углеводородных скоплений может служить Ромашкинское месторождение (Татарстан) (рис. 6).

Нужно сосредоточить научную мысль и практические усилия на изучении и управлении «жизнью» месторождений. Необходимо учитывать, что эта «жизнь» зависит от многих градиентных факторов в быстротечном режиме. Залежь нефти может сформироваться, расформироваться и вновь образоваться.

По оценке академика АН РТ Р.Х. Муслимова, на Ромашкинском месторождении ежегодно происходит восполнение около 3 млн т нефти. По его мнению, завершающая стадия разработки месторождений может длиться сотни лет [16, 17]. Подпитка отдельных зон и очагов на многих разрабатываемых месторождениях и образование новых объемов углеводородов является доказанным фактом.
Многие скважины и месторождения по разным причинам подлежат ликвидации. Необходима временная консервация этих скважин для осуществления реабилитационных циклов [18 – 19] с возможной подпиткой, после чего станет возможна их повторная эксплуатация. Эта идея подтверждена фактами, приведенными в недавней статье И.А. Дьячука [20]. Однако переформирование залежей по принципу капиллярно-гравитационной сегрегации представляет упрощенный вариант. Природные процессы намного сложнее.
Особый интерес представляют доломиты в карбонатных толщах, образованных за счет позднего метасоматоза. Наноразмерные метасоматические процессы увеличивают не только пористость, но и проницаемость, способствуют образованию хороших и часто высокодебитных карбонатных коллекторов. Можно инициировать ускоренный техногенный процесс метасоматической доломитизации и создавать или обновлять высокопродуктивные очаги на месторождении [21]. В принципе, внедрение в науку и практику нанотехнологических подходов крайне необходимо [9].
Следует в различных нефтегазовых районах организовать научно-технологические полигоны, аналогичные полигону GBRN (Global Basin Research Network) у побережья Луизианы, где расположено гигантское месторождение Мексиканского залива «Юджин Айленд». Если это слишком затратно или трудно по каким-либо другим причинам, то нужно иметь хотя бы по одной научно-исследовательской скважине на каждом работающем месторождении.

Отложения баженовской свиты по своей геохимической специализации относятся к формации металлоносных черных сланцев; баженовская свита, по сравнению со средними данными для черных сланцев мира, более чем в 3 раза обогащена U, Zn, Sr, Ba и в 1,5 раза – As, Co и Tb. Содержание урана в породах колеблется от 2 до 171 г/т, при среднем его содержании в 40,9 г/т.

Важны постоянные наблюдения в непрерывном режиме за изменениями в самом флюидонасыщенном пласте. Омар Хайям утверждал: «Чтобы избежать одной ошибки, надо сделать тысячу наблюдений и тысячу измерений». Можно напомнить, что в Кольской сверхглубокой скважине (12 262 м) многие априорные геологические и геофизические модели оказались неподтвержденными. Геофлюидодинамический мониторинг земных глубин резко отстает от космического мониторинга. Это отставание может оказаться фатальным для цивилизации!

Необходимо в различных нефтегазовых районах организовать научно–технологические полигоны, иметь хотя бы по одной научно–исследовательской скважине на каждом работающем месторождении.

Рекомендации на ближайшую перспективу XXI века

Уже сегодня следует сосредоточиться на рациональной разработке действующих месторождений с целью щадящей выработки остаточной (трудноизвлекаемой) нефти (Improved Oil Recovery), а также на обнаружении новых, в том числе вторичных, углеводородных скоплений по всему стратиграфическому разрезу (включая глубинные горизонты и различные породно-флюидные ассоциации) в районах с развитой многоплановой инфраструктурой.
Если этого не сделать, то огромные массы утвержденных остаточных запасов нефти останутся в недрах Западной Сибири до следующих «новых» открытий уже ранее открытой нефти.
Для решения всех этих и многих других проблем нужен весь могущественный потенциал российской науки, в том числе фундаментальной. Недропользование должно быть научным.
Природные нефтегазовые системы надо беречь. В этом – основная экологическая парадигма.

Литература

1. Молчанов В.И., Гонцов А.А. Моделирование нефтегазообразования. Новосибирск: ОИ ГГМ, 1992. 246 с.
2. Баренбаум А.А. Научная революция в проблеме происхождения нефти и газа. Новая нефтегазовая парадигма // Георесурсы. 2014. № 4 (59). С. 3 – 9.
3. Еременко Н.А., Чилингар Г.В. Геология нефти и газа на рубеже веков. М.: Наука, 1996. 176 с.
4. Hubbert K.M. Nuclear energy and the fossil fuels // Drilling and Production Practice: Proceedings of American Petroleum Institute Spring Meeting. Houston, Texas, 1956. Pp. 7 – 25.
5. Klare M. Peak oil is dead // Oil and Maritime. 2014. June. Pр. 36 – 38.
6. Yergin D. There will be oil // The Wall Street Journal. 2011. September 17 [Электронный ресурс]. URL: http://www.wsj.com/articles/SB10001424053111904060604576572552998674340 (дата обращения: 12.09.2015).
7. Запивалов Н.П., Попов И.П. Флюидодинамические модели залежей нефти и газа. Новосибирск: ГЕО, 2003. 198 с.
8. Запивалов Н.П. Динамика жизни нефтяного месторождения // Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 321. № 1. С. 206 – 211.
9. Запивалов Н.П., Смирнов Г.И., Харитонов В.И. Фракталы и наноструктуры в нефтегазовой геологии и геофизике. Новосибирск: ГЕО, 2009. 131 с.
10. Запивалов Н.П. Новосибирская нефть-2010 как зеркало российской «нефтянки» // Эко: всероссийский экономический журнал. Новосибирск: Наука, 2010. № 9. С. 31 – 49.
11. Айзберг Р.Е., Гарецкий Р.Г., Запивалов Н.П. и др. Проблемы нефтегазоносности верхнепротерозойских и палеозойских комплексов Беларуси и Сибири: монография / под ред. В.А. Москвича. Минск: БЕЛГЕО, 2003. 360 с.
12. Рихванов Л.П., Усольцев Д.Г., Ильенок С.С., Ежова А.В. Минералого-геохимические особенности баженовской свиты Западной Сибири по данным ядерно-физических и электронно-микроскопических методов исследований // Известия Томского политехнического университета. 2015. Т. 326. № 1. С. 50 – 63.
13. Хавкин А.Я. Актуальные стратегические задачи нефтедобычи // 25 лет РАЕН: Сборник статей. Секция нефти и газа. М.: Изд-кий центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2015. С. 11 – 21.
14. Писецкий В.Б. Прогноз флюидодинамических параметров бассейна по сейсмическим данным. Екатеринбург: УГГГА, 2011. 10 с.
15. Ведерников Г.В. Прогноз залежей углеводородов по характеристикам микросейсм: избр. статьи. Новосибирск: Изд-во «Свиньин и сыновья», 2012. 202 с.
16. Иктисанов В.А. Основные загадки нефти // 25 лет РАЕН: Сборник статей. Секция нефти и газа. М.: Изд-кий центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2015. С. 186 – 191.
17. Муслимов Р.Х. Новый взгляд на перспективы развития супергигантского Ромашкинского месторождения // Геология нефти и газа. 2007. № 1. С. 3 – 12.
18. Запивалов Н.П. Пять неотложных мер нефтедобычи Западной Сибири // Эко: всероссийский экономический журнал. 2015. № 5. С. 111–117.
19. Беднаржевский С.С., Запивалов Н.П., Смирнов Г.И. Реабилитационные циклы нелинейной динамики нефтегазовых месторождений как основа повышения их продуктивности // Наука и бизнес: пути развития. № 4 (46). 2015. С. 27 – 31.
20. Дьячук И.А. К вопросу переформирования нефтяных месторождений и пластов // Георесурсы. 2015. № 1 (60). С. 39 – 45.
21. Запивалов Н.П. Инновационные технологии в разведке и разработке нефтегазовых месторождений на основе новой геологической парадигмы // Георесурсы. № 1 (56). 2014. С. 23 – 28.

References

1. Molchanov V.I., Gontsov A.A. Modeling of oil and gas formation. Novosibirsk, «OIGGM» (United Institute of Geology, Geophysics and Mineralogy) Publ., 1992. 246 p.
2. Barenbaum A.A. The Scientific Revolution in the Oil and Gas Origin Issue. New Oil and Gas Paradigm // Georesources. 2014, vol. 59. No. 4. Pp. 3 – 9.
3. Eremenko N.A., Chilingar G.V. Geology of oil and gas at the turn of the century. Moscow, Nauka Publ., 1996. 176 p.
4. Hubbert M.K. Nuclear energy and the fossil fuels // Drilling and Production Practice. Proc. of American Petroleum Institute Spring Meeting. Houston, Texas, 1956. Pp. 7 – 25.
5. Michael Klare. Peak oil is dead // Oil and Maritime. 2014. June. Pр. 36 – 38.
6. Daniel Yergin. There Will Be Oil. The Wall Street Journal, 2011, September 17 [Электронный ресурс]. URL: http://www.wsj.com/articles/SB10001424053111904060604576572552998674340 (дата обращения: 12.09.2015).
7. Zapivalov N.P., Popov I.P. Fluidodynamic models for petroleum systems. Novosibirsk: Geo, 2003. 198 p.
8. Zapivalov N.P. Dynamics of oilfield life // Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. 2012, vol. 321. No. 1. Pp. 206 – 211.
9. Zapivalov N.P., Smirnov G.I., Kharitonov V.I. Fractals and nanostructures in petroleum geology and geophysics. Novosibirsk: GEO, 2009. 131 p.
10. Zapivalov N.P. Novosibirsk oil as a mirror of Russian oil scenario // Eko: vserossiyskiy ekonomicheskiy zhurnal. 2010. No. 9. Pp. 31 – 49.
11. Ayzberg R.E., Garetsky R.G., Zapivalov N.P. et al. Problems of oil-and-gas capacity of the Upper-Proterozoic and Paleozoic complexes in Belarus and Siberia. Minsk, BelGeo Publ., 2003. 360 p.
12. Rikhvanov L.P., Usoltsev D.G., Ilenok S.S., Ezhova A.V. Mineralogical and geochemical features of the Bazhenov formation, West Siberia, according to nuclear-physics and electron-microscopic methods of research // Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. 2015, vol. 326. No. 1. Pp. 50 – 63.
13. Khavkin A.Ya. Key strategical problems in oil production at present. 25 years of RANS: collected works (Oil and Gas Section). Moscow: Publishing centre of Gubkin Russian State Oil-and-Gas University, 2015. Pp. 11 – 21.
14. Pisetsky V.B. Prognosis of fluid-dynamic parameters of a basin based on seismic data. Yekaterinburg, Ural State Mining University, 2011. 10 p.
15. Vedernikov G.V. Prognosis of hydrocarbon pools by characteristics of microseisms: selected papers. Novosibirsk, Publishing House «Svin’in i synov’ya», 2012. 201 p.
16. Iktisanov V.A. The main enigmas of oil. 25 years of RANS: collected works (Oil and Gas Section). Moscow: Publishing centre of Gubkin Russian State Oil-and-Gas University, 2015. Pp. 186 – 191.
17. Muslimov R.Kh. A new approach to prospects of development of the super-giant Romashkinskoe oilfield // Geologiya nefti i gaza. 2007. No. 1. Pp. 3 – 12.
18. Zapivalov N.P. Five urgent steps in oil production of West Siberia. EKO: vserossiyskiy ekonomicheskiy zhurnal. 2015. No. 5. Pp. 111 – 117.
19. Bednarzhevskiy S.S., Zapivalov N.P., Smirnov G.I. Rehabilitation cycles of nonlinear dynamics of petroleum fields to improve their efficiency // Nauka i biznes: puti razvitija. 2015, vol. 46. No. 4. Pp. 27 – 31.
20. Dyachuk I.A. Reformation of oil fields and reservoirs // Georesources. 2015, vol. 60. No. 1. Pp. 39 – 45.
21. Zapivalov N.P. Innovative Technologies in Oil and Gas Fields Exploration and Development Based on the New Geological Paradigm // Georesources. 2014, vol. 56. No. 1. Pp. 23 – 28.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Запивалов Н.П.

    Запивалов Н.П.

    д.г.-м.н., главный научный сотрудник

    Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН профессор Новосибирский государственный университет

    Просмотров статьи: 4092

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru