О нефти

Немного теории и практики на упрощённом уровне. Предыдущая статья на тему "О статистике углеводородов, её особенностях, о добыче и трендах" была тут: http://aftershock.news/?q=node/198552

Возьмём камень и польём его водой. Вода польётся по своим делам дальше вокруг камня. А если взять песок и полить его водой, то песок впитает в себя воду и потом её можно из него достать. Аналогично и нефть не впитается в камень и впитается в песок. Этот песок, а в общем случае любая порода, которая впитала в себя нефть - называется коллектором. Варианта попадания нефти в коллектор два:

1. в коллекторе изначально есть отложения, которые спустя миллионы лет станут нефтью и коллектор наполнится нефтью.
2. нефть мигрирует в коллектор из соседних нефтематеринских пород.

Логично, что коллектор характеризуется пористостью – т.е. отношением объёма пор к общему объёму.

1. Хороший коллектор – это жалкие 15-25% пористости
2. Средний – 10-15%
3. Плохой – 5-10%.

Типу породы обычно соответствуют некие показатели пористости. Например у песчаника ОБЫЧНО пористость высокая, а у глин – низкая.

Свободное пространство пористости бывает трёх типов:

1. Поры. Пример – песчаник. Размер и расположение заполняемых пор (синим) можно прикинуть по масштабу на рисунке внизу:

1. Трещины:

раскрытость трещин образца - около 0,2 мм.

1. Каверны. Возникают в результате выщелачивания водой растворимых частиц. Размер каверн - 1 мм-см-дм.

После того, как мы узнали, что порода содержит нефть и из-за хорошей пористости – большое количество, нам надо её добыть.

Мы пробурили дырку в нефтесодержащий пласт (толщиной от метров до десятков метров) и надеемся, что нефть начнёт мигрировать к нам в скважину. Логично, что через большие и по размеру и по количеству поры песчаника она будет мигрировать к нам хорошо, а через маленькие поры или трещины глин – плохо, вдобавок глина пластичная и имеет тенденцию трещины залеплять. Поэтому коллектор ещё надо охарактеризовать проницаемостью.

Если коллектор высокопроницаем, то всё будет хорошо и с большого расстояния (сотни-тысячи метров) нефть будет сочиться по порам и трещинам к нам в скважину. Если коллектор малопроницаем, то будет сочиться плохо.

Высокопроницаемые коллекторы – имеют коэффициент проницаемости в 0,5-10 и размерность "Дарси" (Д).

Среднепроницаемые коллекторы – 0.01-0.5 Д

Низкопроницаемые коллекторы – 0-0.01 Дарси и ниже.

По средне- и высокопроницаемым коллекторам нефть способна хорошо перемещаться (по низкопроницаемым - почти неспособна) и перемещается она вверх и однажды наткнётся на непреодолимую непроницаемую преграду ("покрышку"), например в виде каких-нить непроницаемых глин. Если эта преграда по пространственному строению и расположению имеет, например, купол, то нефть скопится вверху купола (в самом верху купола скопится газ) и если по пласту нефть может иметь очень небольшие концентрации, то там концентрация сильно вырастет. Называется эта штука - ловушка. Туда нам и нужно запендюрить скважину и качать, качать, качать…

Изначально были ровные слои, потом часть фундамента поднялась и сформировала перегиб (антиклиналь). Сверху нефть упирается в непроницаемый пласт и потому скапливается там.

В реале всё, как всегда, суровее (нижний рисунок - укрупнённая часть верхнего):

поэтому скважины бурятся не наобум, а с целью попасть куда надо:

отображена "покрышка", её горизонтали и расположение скважин. Форма - три купола. Разбуривали три ловушки - верх трёх куполов (глубина верхнего = 330 метров). Т.е. знать строение подземного рельефа и его слоёв - обязательно.

Также было бы неплохо эту нефть снизу «подтолкнуть» к нам в скважину. Для этого в пласт нагнетают воду, которая выталкивает нефть в верхнюю часть ловушки, к покрышке. На схематичном виде это выглядит так:

верхняя часть - вид сбоку, нижняя - сверху. купол-ловушка, и снизу купола водяные скважины нагнетают давление в купол. 

В итоге, упростив закон линейной фильтрации товарища Дарси, можно записать в скалярной форме:

Где v – скорость потока нефти через коллектор, k – коэффициент проницаемости коллектора, μ – вязкость нефти, Δp – разность давлений.

Т.е. при увеличении k (проницаемости коллектора) - "вэ" будет расти. Увеличивают k, например, гидроразрывом пласта за счёт образования новых больших трещин. Можно и ухудшить проницаемость по ошибке, если коллектор забьётся всяким мелкодисперсным "мусором".

Второй способ увеличить "вэ" - это уменьшить знаменатель, т.е. "мю", т.е. вязкость нефти. Для этого, например, можно закачать в пласт горячий водяной пар, нефть нагреется и потечёт быстрее.

улучшаем "Дельта пэ" с помощью нагнетания воды в пласт - перепад давления вырастет.

Часть 2. Практическое понимание вопроса.

Практическое понимание вопроса, имхо, лучше объяснять не через месторождения. На территории западной сибири раньше был водоём, что подразумевало отложение пород. Терригенных (обломки пород с суши, типа песка и т.п.), карбонатных (органика с воды) и т.п. Существовал он там долго, поэтому и накопилась куча всего и разными слоями.

Например есть такой ярус в стратиграфической шкале - сеноманский. Охватывает период с 100,5 до 93,9 миллиона лет назад. И почти весь газ разных месторождений западной сибири – сеноманский. Т.е. добывается из пород (коллекторов) этого яруса. Учитывая геологические процессы (всё вверх-вниз), глубины получились разные – 1000 – 1700 метров. Где он собрался в ловушках – там и добывают. Как учил AlreadyYet – сначала разрабатываются самые удобные месторождения, поэтому коллектор там само собой – высокой пористости (песчаник), проницаемости – высокие. Пока нам хватает сеномана. Потом нам придётся перейти, например, к туронским залежам (соседний ярус сверху, т.е. чуть более поздние - 93,9-89,8 млн лет назад).

Туронские залежи находятся там же (более поздние отложения в упомянутом водоёме и соответственно выше), но так сложилось, что его коллектор, в целом, низкопроницаемый.  Т.е. воткнуть скважину и… ничего в неё из коллектора особо не потечёт. Поэтому тут уже придётся поломать голову. Конечно есть куча нюансов, но в целом можно сказать, что придётся рвать пласт (ГРП), что увеличит проницаемость коллектора до 1000 Дарси. И таки пойдёт газ. На данный момент к туронским залежам только начинают подбираться, на месторождении «Южно-Русское». Но пока там добывают из сеноманских и лишь изучают туронские.

Помимо упомянутых, существуют валанжинские залежи и ачимовские. Валанжин уже добывают (месторождение «Заполярное», 120 млрд м³ в год), к ачимовским только подбираются и идёт какая-то небольшая добыча. Ибо не сахар, да и пока и без них обходимся. Например ачимовка – это уже 4000 метров. Когда повзраслеют детишки у моего поколения, будет совсем не сахар и скажут они спасибо своим папам, мамам и тем товарищам афтершока, кто какими-либо причинами оправдывает наш экспорт невосполнимых ценнейших ресурсов. Часто вижу в комментах оправдательные тезисы нашему экспорту. Ведь как известно, "электричество из розетки, деньги из тумбочки", газ - из трубы. Как только газ из трубы в родном доме пропадёт, я уверен, его экспорт перестанут оправдывать. Но завтра будет завтра.

Довольно популярен способ объяснения сути потреб.кредита как прожирание сегодня того, что дОлжно было прожрать "завтра", т.е. в случае долгосрочных - проедание благосостояния будущего, будущих поколений и перекладывания проблем на их плечи. Экспортная игла и стратегия - аналогично. Это сегодняшний отъём того, что не достанется через десятки лет нашим детям. Поэтому экспорт ресурсов - перекладывание сегодняшних наших проблем (типа "массированный экспорт ресурсов сегодня нужен для того-то и потому-то бла-бла-бла") на плечи будущих поколений. Всё, что добудем сегодня - не добудем завтра. И если в случае кредитов, бумажек и т.п. кредитора можно послать и не расплатиться по счетам, то проданные за бугор ресурсы уже не вернуть и платить однозначно придётся. И мямлить наши отмазки ("ой, ну нам надо было тогда проэкспортировать....") мы будем, краснея, нашим детям и внукам лично.

Учитывая, что нефть на мировых рынках дороже и шуб на неё можно купить больше, то с нефтью у нас туже. Добыча России - 10.5 Мб/д (в лидерах). Та же западная сибирь не резиновая и там давно многое падает, переходят на всё более неудобные пласты и коллекторы. Стагнацию по общероссийской добыче обеспечивают за счёт бега красной королевы - компенсируют падение старых новыми месторождениями. Например на нашем сверхгигантском нефтяном месторождении "Самотлор" есть пласт под незамысловатым названием АВ2-3, возраст - ранний мел (меловой период мезозойской эры), т.е. примерно 130 млн лет назад. Добыча из него нефти (именно нефти, а не скважинной жидкости) выглядела так:

Таких пластов - вагон и тележка

И потом переход на новый пласт. И параллельно делают ГРП на новых и старых скважинах на старом пласте (ГРП для наших месторождений 70-х и 80-х типа Самотлора, Приобья и др. - норма жизни). Но ГРП на старом пласте - не панацея и прежних объёмов никак не достичь. Пласты имеют тенденцию заканчиваться и потому все наши основные месторождения падают. Растут новые - те, которые поменьше, подальше и посложнее.

Обводнённость:

Вот так "умирают слоны". Стагнация и снижение последних лет графика - это просто законсервировали половину скважин с обводнённостями в 99%, поэтому "средняя по больнице" немного улучшилась.

В 2017 собираются вводить уже Юрубчёно-Тохомское месторождение – сложное геологическое строение, глубины в 4000м… Находится оно в бассейне Подкаменной Тунгуски, т.е. это не западная сибирь – это уже за Енисеем. Отложения - рифейско-вендские, т.е. примерно 800-600 млн лет назад. Дело пахнет керосином. Потом будет ещё восточнее – Якутия. Представляете трубопровод из Якутии на европейскую территорию России?

Наглядно упомянутое можно представить так: произошло поднятие и образовались кучи ловушек над поднятием - каждый слой сместился вверх и какждый образовал ловушку-купол, под цифрой 9:

Юг тюменской области. Геологический разрез юрских и меловых отложений Абалакской площади: 1 — песчаники, алевролиты; 2 — ритмичное переслаивание песчаников, алевролитов и глин; 3 — глины; 4 — глины битуминозные; 5 — перспективные ловушки на нефть; 6 — перспективные ловушки на газ; 7 — порфириты; 8 — граниты.

Вот берриасский ярус и валанжинский (отмечены справа на глубине 2 км), которые находятся в раннем мелу (с 145 по 130 млн лет назад) и всё ниже - это сегодняшняя добыча (в сумме Ахская, Тутлейская, Абалакская, Тюменская свиты и ниже).

И вот некое условное месторождение - это поверхность земли над, например, одним поднятием, которое сформировало ловушку если смотреть сверху, и ловушки, если смотреть сбоку.

В реале поднятий много по площади, и в каждую ловушку каждого поднятия можно забуриться:

Ямал. фиолетовый - залежи газа

Поэтому, имхо, для понимания удобнее оперировать не месторождениями (площадь наверху), а какими-либо горизонтальными единицами. Помимо деления последовательности отложений на геологические ярусы, их ещё делят на типы по литологическому составу - на свиты. Есть например нефтеносная свита, 10 метров песчанника, которая простирается далеко-далеко и образует ловушки и месторождения тут, там и далеко - сям, находится в 2-х геологичесмих ярусах, и потому её логичнее иметь как одну единицу. Где есть месторождения (читай - ловушки), там и будут добывать из неё. Например деление по свитам [кликабельно]:

По сторонам картинки - ордината в млн лет назад с указанием ярусов. Помимо тюменской и абалакской свит, которые нам уже знакомы, можно увидеть Баженовскую свиту (толстая посередине).

Особые надежды возлагаются на такое магическое словосочетание как «баженовская свита». Всё тот же западно-сибирский бассейн. Запасы не огромные, а огромнейшие. Но вот беда - в качестве коллектора глины, сланцы и всякие другие мерзости с вкраплениями линз песчаников. Добыть что-то получается лишь тогда, когда скважина попадает именно в линзу, которые там не везде. Поэтому половина скважин - "сухие" и баженовскую свиту лишь изучают. Теоретически можно что-то добыть из сланцев или из глин или что там ещё, но как - совершенно не понятно. ГРП далеко не всегда приводит к успеху из-за глин и АВПД (аномально-высокого пластового давления). Поэтому извлекаемые запасы пока неизвестны. От сотен млн тонн, до сотен млрд тонн.

Часть 3. Мир вокруг нас и традиционностей.

Ради интереса стоит взглянуть на пиндосов. Баккен (справа). разрез с глубин в 2600м до 3400м.

Сланцы самого Баккена - в середине разреза

Видно, что литостратиграфически Баккен состоит из трёх слоёв. Верхний (Upper Bakken) и Нижний  Баккен (Lower Bakken) – нефтеносные сланцы мощностью 20-40 метров, пористость – 3.5%, проницаемость – 1 микроДарси, Средний Баккен (Middle Bakken) – песчаник и доломиты мощностью 30 метров с пористостью 5% и проницаемостью 0.1-1 миллиДарси. Тип пористости – трещины. Отложения периодов: верхний девон и нижний карбон, т.е. 400-350 млн лет назад. Глубин, обеспечивающих созревание нефти, Баккен достиг 100 млн лет назад и после 50 млн лет назад начал немного подниматься. Учитывая ужасную проницаемость коллектора верхнего и нижнего Баккена (сланцы, тёмно-серым цветом), разбуривается песчаник просто плохой проницаемости Среднего Баккена (жёлтым) и там как раз обычная нефть, лёгкая и малосернистая, поэтому нефть Баккена относится к традиционной нефти низкопроницаемых коллекторов, а не к сланцевой. На заморском это звучит как tight oil.

Зелёная огромная фигурная скобка справа, Bakken petroleum system, показывает, что помимо упомянутых трёх слоёв (верхняя треть скобки), есть ещё и куча всего под Баккеном. Пока туда особо не заглядывают, но немного коммерческой добычи уже ведётся. И там тоже не сланцы. Тоже низкопроницаемый коллектор с традиционной нефтью.

Почему возникла эта путаница и нефть Баккена считалась сланцевой – сказать сложно. Есть несколько вариантов. Во-первых сланцы – это не камень, в общем случае это слоистая порода. Например слоистые глины могут относиться к сланцам. Во-вторых, нефтематеринская порода – это всё-таки сланцевые верхний и нижний Баккен. Т.е. нефть, зародившаяся в этих сланцах мигрировала в Средний. В третьих – Баккен называется сланцевой формацией (каковой и является). Ну а то, что в ней нашлись песчаники и доломиты, это уже дело десятое. Из-за «в третьих», всё, что добывается выше трёх слоёв Баккена или ниже (например «Three Forks») пойдёт (и уже идёт) в статистику Баккена. Собственно как и у нас на Южно-Русском например – турон и сеноман добывают из абсолютно разных пластов и всё пойдёт в статистику южно-русского. Кто-то где-то и разделит, но кто-то где-то точно соединит.

Что же тогда нетрадиционная и/или сланцевая нефть? Чёткого определения в мире нет. Все считают что хотят.

Что вообще бывает из нефтей:

1. нефть высокопроницаемых коллекторов (oil), основная нефть мира
   
2. нефть низкопроницаемых коллекторов (tight oil), 2 Мб/д (Bakken, Eagle Ford + мелочи)
3. сверхтяжелая нефть бассейна Ориноко (ок. 0.5 Мб/д)
   
4. созревшая нефть нефтеносных сланцев (shale oil) (почти не добывается)
   
5. Битуминозные пески (oil tar sands) (ок. 2 Мб/д)
   
6. Невызревшая нефть нефтеносных сланцев, (oil shale) (Почти не добывается)
   

   3. сверхтяжёлая нефть бассейна Ориноко

На данный момент хорошие свойства коллектора в сочетании с длинными горизонтальными стволами скважин позволяют добывать нефть без её нагревания в пласте, но из-за этого очень низкий коэффициент извлечения нефти [КИН] (около 10%, в то время как на традиционных - от 50%). В общем, в перспективе надо бы что-то придумывать. Если тяп-ляп Венесуэле перебиться, то можно и так. На данный момент объёмы менее 1 Мб/д.

   4. созревшая нефть нефтеносных сланцев (shale oil)

ну т.е. нормальная нефть, но в очень низкопроницаемом коллекторе - сланцах. Пробурить скважину, сделать ГРП и что-то потечёт. Но очень мало, т.к. ГРП - не панацея. Добывается экспериментально например из верхнего и нижнего Баккена.

   5. Битуминозные пески (oil tar sands). Вспомним:

обладают огромной вязкостью (100 Пуаз) и как не улучшай дельта пэ и k, течь никуда не будут, т.к. мю ну просто огромная. Поэтому пути два – либо достать их физически, вот так:

И потом вот так:

Потом нагреть и всё нужное стечёт.

Либо нагреть сразу в пласте (обычно делают именно так). Сейчас множество технологий добычи нефти битуминозных песков и почти все всё необходимое (нагревание) делают сразу в пласте. Добыча (светло-красным):

http://aftershock.news/?q=node/20631

т.е. около 2 Мб/д.

   6. Невызревшая нефть нефтеносных сланцев

В самом понятном случае делается так – берутся сланцы, в прямом смысле берутся открытым способом (или шахтным), и потом в них термическим воздействием преобразуют кероген («почти нефть») в нефть. EROEI этой добычи товарищу AY снится в страшных снах=) Технология невесёлая, да? Вот это и есть нетрадиционная сланцевая нефть в обычном понимании. Таким адом почти никто не занимается, как почти нет и другого ада, когда термическое воздействие проводят под землёй, в пласте, и там из «почти нефти» получается нефть и выкачивается наверх. Молекула керогена – тяжёлый набор мономеров, который надо преобразовать (пиролиз) на приемлемые углеводороды (С₅-С₁₆).

Источники (выбрал только те, инфа из которых пошла в статью):

http://www.iea-etsap.org/web/E-TechDS/PDF/P02-Uncon%20oil&gas-GS-gct.pdf
http://neftegaz.ru/science/view/519
http://www.dobi.oglib.ru/bgl/5515/83.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Oil_sands
https://oilandgas-investments.com/2013/energy-services/bakken-oil-three-forks-formation/
http://en.severneftegazprom.com/press/severneftegazprom-in-news/severneftegazprom-in-news_87.html
http://geolib.narod.ru/Journals/OilGasGeo/1995/04/Stat/03/stat03.html
http://neftegaz.ru/science/view/599/
http://energy.skolkovo.ru/upload/medialibrary/07c/SEneC_Tight_Oil_I.pdf
http://www.ncintech.ru/files/28-09-2010/2-prsnt-pergament.pdf
http://www.ngtp.ru/rub/9/3_2013.pdf
www.ngtp.ru/rub/9/19_2013.pdf

Данные по самотлору:
http://www.newreferat.com/ref-28570-1.html

Бажен:
http://www.gazprom-neft.ru/sibneft-online/arhive/195/832778/
http://pda.gazprom-neft.ru/sibneft-online/arhive/277/1094493/
http://www.ncintech.ru/files/28-09-2010/1-prsnt-chirkov.pdf
http://www.ncintech.ru/files/28-09-2010/3-prsnt-afanasiev.pdf
www.ncintech.ru/files/28-09-2010/5-prsnt-shpilman.pdf

Пару учебников залил сюда:
http://files.mail.ru/55D5EA0C9C7F437CB39DE2DA51F5A8FB

Вот, кстати, ещё наглядная картинка для представления вопроса:

в полном размере: http://www.rogtecmagazine.com/ru-blog/wp-content/uploads/Picture-323.png

P.S. Везде по цифрам и определениям есть нюансы, погрешности и диапазоны, но раскрывать всё - это неформат.