Открытие нефти и газа, и способа их применения в качестве нового универсального топлива явилось мощным катализатором начавшегося в середине XIX века бурного технического прогресса.
Развитие химических производств, усовершенствование старых и возникновение новых видов транспорта, широкое применение природного газа в быту активизировали поиск, разведку, промышленное освоение нефтяных и газовых месторождений.
Сегодня, несмотря на интенсивные поиски и применение альтернативных энергоисточников, использование двигателей внутреннего сгорания, выработка тепла и электроэнергии поставили мировую экономику в тотальную нефтегазовую, «углеводородную» зависимость. И спрос на углеводороды возрастает несмотря на все субъективные причины сопутствующие этому процессу.
В этих условиях появилась опасная тенденция отставания уровня разведки новых месторождений от темпов потребления нефтепродуктов. Дело в том, что в последние годы в мире находят меньше нефти, чем ее расходуется. При этом вновь разведанная нефть находится во все более труднодоступных местах. Крупномасштабное освоение перспективных залежей на континентальных шельфах и в более глубоких акваториях моря, горных районах, удаленных заполярных областях, на больших глубинах требует все больших капиталовложений и времени.
Чрезвычайно актуальным стал, также, в недавнем прошлом риторический вопрос дискретности, истощения запасов углеводородов.
В связи с этим, первостепенное значение в нефтегазовой индустрии приобретают целенаправленные и эффективные методы обнаружения новых перспективных залежей. Практика поисков и разведки нефти и газа опирается пока на отдельные идеи и эмпирические закономерности, а не на законченную теоретическую концепцию. В настоящее время наука не в состоянии объяснить с достаточной степенью достоверности механизм образования многих месторождений, обнаруженных геологами за последние десятилетия, а уж тем более предсказать их существование.
Более века в нефтегазовой геологической науке объективно сосуществуют две концепции происхождения нефти: биогенная и абиогенная (минеральная), которые принципиально расходятся в представлении об источниках углеводородов.
Сторонники органического происхождения нефти признают все горючие углеродистые ископаемые (нефть, газ, асфальты, уголь, горючие сланцы) генетически родственными образованиями и рассматривают осадочную толщу как очаг генерации углеводородов путем фоссилизации останков живых существ, попадающих туда главным образом из области фотосинтеза.
Фоссилизация — это совокупность процессов превращения погибших организмов в ископаемые, сопровождаемая физико-химическими преобразованиями с переходом осадков во включающие их породы.
В ходе преобразования донных отложений в осадочные горные породы - литогенеза, органическое вещество в результате длительных, продолжавшихся десятки и сотни миллионов лет химических и биохимических процессов превращалось в кероген. Дальнейшее созревание макромолекул керогена сопровождалось отделением от него углеводородных компонентов – «микронефти». Мигрируя из материнской горной породы в проницаемые пласты, микронефть насыщала пласты-коллекторы – своеобразные природные резервуары ограниченные низкопроницаемыми породами. При этом считается, что состав и качество исходного органического вещества, а также состав материнской горной породы принципиального значения для нефтеобразования не имеют. Необходимы лишь условия для созревания керогена.
В основе современной гипотезы органического генезиса углеводородов лежат взгляды академика Ивана Михайловича Губкина на происхождение нефти, впервые подробно изложенные им в 1932 году в книге «Учение о нефти».
В качестве исходного материала для образования нефти И.М.Губкин рассматривал битуминозный ил животно-растительного происхождения – сапропель. Ранее, в 1919 году академик Н.Д.Зелинский проводил опыты с сапропелем из озера Балхаш. Тогда при его переработке удалось получить бензин, керосин, тяжелые масла, метан.
Долгое время считалось, что первоначальное и сравнительно быстрое накопление органических останков обязательно должно идти в прибрежных зонах морей и океанов, где жизнь наиболее активна. Первичные органические отложения со временем перекрывались молодыми наносами, которые предохраняли нижележащие слои от окисления. Дальнейшие биохимические реакции происходили уже без доступа кислорода под воздействием анаэробных бактерий. По мере тектонических перемещений в глубину, в пласте обогащенном органическим веществом возрастали температура и давление. Эти процессы, впоследствии получившие название катагенеза и приводили к преобразованию органики в нефть.
В последующие годы многие положения органической теории были расширены и дополнены. В наше время, например, считается, что формирование нефти происходило и в естественных водоемах: озерах, болотах и реках на континентах.
Интересную гипотезу о воздействии подземных электрических разрядов на процессы нефтеобразования выдвинул, в свое время, член-корреспондент АН СССР А.А.Воробьев. По мнению А.А.Воробьева, в результате трещинообразования и взаимного трения плит земной коры в ходе тектонических процессов происходит электризация горных пород, сопровождающаяся в дальнейшем мощными разрядами с образованием частиц плазмы. То есть, процессы подобные атмосферным грозам происходят и в недрах планеты. При этом, метан выделяющийся из органических соединений, под воздействием подземного электричества может подвергаться частичному дегидрированию, образую свободные углеводородные радикалы: СН, СН2, СН3. Соединяясь между собой, они образуют ацетилен, этилен и другие углеводороды входящие в состав нефти.
В геологической практике давно отмечена резко отличающаяся от окружающих своеобразная форма облаков над трещинооборазованиями в земной коре. Увеличение электропроводимости приземного слоя атмосферы также указывает на аномалии и зоны разломов. Эти факты косвенно подтверждают гипотезу академика А.А.Воробьева. Таким образом, кроме давления и температуры, в сложных многоступенчатых процессах образования углеводородов участвует и электричество.
Биогенная концепция происхождения нефти объясняет основные особенности распространения нефти:
- подавляющее большинство месторождений нефти и газа расположено в осадочных горных породах;
- количество рассеянной микронефти в осадочных породах превышает все разведанные запасы нефти и газа на земном шаре;
- в каждом нефтегазоносном регионе залежи нефти и газа приурочены в основном к пластам горных пород определенного возраста – стратифицированы.
Химический состав нефти в месторождениях и состав рассеянной нефти в горных породах имеют много общего с составом живого вещества. Оптическая активность нефти присущая и живому обусловлена присутствием в ней порфиринов (правда в виде ванадиевых и никелевых комплексов, а не железо-магниевых, как в живом веществе). В последние годы установлена близость многих других структур нефти и живого вещества. Нефть в залежах и микронефть рассеянная в породах содержит хемофоссилии – углеводороды обнаруженные в живых организмах, реликтовые структуры – изопренаны, стераны, тритерпаны. Эти структуры, составляющие более 40% углеводородов нефти, хотя и не полностью идентичны биомолекулам, но связаны с ними не очень сложными переходами.
Очевидно, что все эти особенности распространения нефти и ее химического состава как нельзя лучше согласуются с теорией биогенного происхождения углеводородов. Однако, наиболее принципиальные вопросы в рамках этой теории, такие как:
- источники энергии для синтеза нефтяных углеводородов из керогена;
- механизм собирания рассеянных углеводородов в скопления;
- формы и энергия миграции нефти в горных породах;
- происхождение типов нефтей;
- стадии процессов породообразования - литогенеза преимущественно связанные с нефтеобразованием и по сей день остаются дискуссионными.
Кроме этого, биогенная концепция при всем ее стремлении к универсальности не в состоянии объяснить:
- неравномерность, хаотичность распространения скоплений углеводородов;
- обнаруженные во многих районах залежи нефти и газа в кристаллических, в том числе в вулканических и магматических породах, залегающих ниже осадочного покрова;
- широкое распространение в кристаллических породах и во многих рудах рассеянных углеводородов и углеродистых минералов (в том числе «капли нефти» в кристаллах) вне контактов с осадочными породами;
- отсутствие каких-либо существенных специфических признаков «нефтематеринских» горных пород, кроме наличия рассеянной нефти, близкой по составу к обычной нефти;
- нефть и газ на больших глубинах.
В настоящее время в мире уже разрабатываются сотни месторождений на отметках ниже 4500 м. Пластовые температуры на таких глубинах существенно выше оптимальных температур, при которых, согласно органической теории происходило созревание керогена и отделение углеводородов.
Все это побуждает исследователей искать иную, более общую модель нефтеобразования, основанную на неорганическом синтезе углеводородов.
Минеральная (глубинная) концепция происхождения нефти возникла еще на заре нефтяной промышленности и развивалась как альтернатива биогенной теории.
Неорганическая концепция рассматривает нефтегазообразование и формирование нефтяных и газовых месторождений как одно из проявлений общего, более широкого природного процесса – дегазации Земли. Этот эволюционный процесс является одним из главных факторов сформировавшим современный облик внешних оболочек планеты и создавшим на ранних стадиях геологической истории гидросферу, атмосферу, а в дальнейшем и биосферу. Сегодня процессы глубинной дегазации связанные с внутренней динамикой Земли проявляются, главным образом, в зонах глубинных разломов земной коры, для которых характерна высокая сейсмичность и вулканизм.
Преобладающие компоненты исходящих газов – пары воды, СО2, Н2S, H2, N2 и углеводороды. Предполагается, что в зонах разломов на больших глубинах в определенных термобарических условиях возникают очаги нефтеобразования – происходит природное образование углеводородов. Из этих очагов массы синтезированных углеводородов и других продуктов химических реакций поднимаются по проницаемым зонам земной коры в области меньших давлений и образуют в природных резервуарах – пластах-коллекторах ограниченных флюидоупорами нефтяные и газовые месторождения.
«Процесс этот был, если верно представляется уму, всеобщим, повсеместным, но только местами были условия для удержания внутри масс нефти и ее сохранения» - писал Д.И.Менделеев.
В 1876 году на заседании Русского химического общества Д.И.Менделеев впервые обстоятельно изложил свою «карбидную» гипотезу образования нефти.
По модели Менделеева, вода поступающая вглубь по разломам земной коры, встречается в недрах с карбидами железа. В результате химических реакций в условиях высоких пластовых температур и давлений образуются оксиды железа и углеводороды, например этан. Полученные соединения по тем же разломам поднимаются в верхние горизонты и насыщают пористые пласты. Так образуются нефтяные и газовые месторождения.
В своем докладе Д.И.Менделеев приводил опыты по получению водорода и ненасыщенных углеводородов воздействием серной кислоты на чугун, содержащий достаточное количество углерода.
Тогда идеи Д.И.Менделеева не имели успеха у геологов, считавших что лабораторные опыты значительно отличаются от природных глубинных процессов. В дальнейшем многие предположения ученого подтвердились данными на основе современных исследований и геологической практики.
Минеральная концепция происхождения нефти объясняет такие особенности распространения углеводородов и их скоплений:
- -большинство скоплений нефти и газа в горных породах возникли значительно позже (через десятки и сотни миллионов лет) образования самих пород. К настоящему времени сохранились, в основном лишь сравнительно молодые месторождения. Более древние, вероятно, были разрушены геологическими процессами;
- нефть и газ могут залегать в любых горных породах, имеющих свободные емкости и условия для удержания и сохранения флюидов. Этим условиям отвечают главным образом осадочные породы;
- наличие гигантских и сверхгигантских месторождений нефти и газа. Вообще, размеры месторождений в верхних слоях земной коры ограничиваются лишь объемами природных резервуаров – коллекторов и условиями сохранения;
- приуроченность в нефтегазоносных областях углеводородных скоплений к породам определенного возраста внутри бассейна. Стратифицированность залежей, то есть расположение пластов в вертикальном разрезе связана с общностью условий образования горных пород, формирования в них коллекторских и других физических свойств;
- высокая концентрация в нефтях металлов и большое содержание битуминозных веществ в некоторых рудах;
- широкое распространение в любых горных породах нефтегазоносных областей рассеянных углеводородов. Нефть в месторождениях – только малая часть мощного потока углеводородов из глубин захваченная ловушками–коллекторами.
Таким образом, неорганическая концепция предлагает универсальную схему нефтеобразования, которая удовлетворительно объясняет, по словам Д.И.Менделеева: «все главные факты нефтенахождения и то, что нефть находится рассеянною во всех краях света».
Современная техника и методы исследований не позволяют пока распознавать и непосредственно изучать очаги нефтеобразования. Поэтому в настоящее время нет общего мнения о глубине и характере зон синтеза углеводородов, химических реакциях происходящих в них, предыстории химических элементов образующих нефть. Предполагается, что наряду с изначально глубинными продуктами, частично это могли быть и углерод, водород, азот, выделившиеся в высокотемпературных зонах из биогенного вещества.
Не обнаружены также конкретные проявления процессов миграции углеводородов из очагов нефтеобразования.
Однако, несмотря на эти и некоторые другие дискуссионные вопросы, минеральная концепция происхождения нефти позволяет сделать очень важные практические выводы.
Во-первых, это перспективность всех проницаемых горизонтов до кристаллического фундамента включительно, залегающих под горизонтами с ранее известными нефтепроявлениями.
Во-вторых, дислокация нефтегазовых скоплений в местах глубинных разломов.
С развитием новых технологий и усовершенствованием буровой техники во всем мире начались интенсивные поиски углеводородов на недоступных ранее сверхглубинах.
В результате, к настоящему времени разрабатывается более 1000 зарубежных месторождений нефти и газа в интервале глубин 4500-8100 м. Начальные извлекаемые запасы их составляют 7% от мировых по нефти и 25% по газу. Среди этих месторождений выделяется 25 нефтяных и газовых гигантов. Немало месторождений на глубинах 4500-7500 м выявлены и в различных районах СНГ.
Статистический анализ по Мексике и США показывает коэффициент промышленных открытий нефти и газа на больших глубинах от 50% до 71%.
Кроме этого, сейчас в мире можно указать более 280 месторождений нефти и газа, в которых часть разведанных запасов находится в кристаллических породах фундамента осадочных бассейнов. Они известны на всех континентах и их шельфах, кроме Антарктиды. Этими породами являются габбро, граниты, гранодиориты, гранофиры, гранитогнейсы, амфиболиты, кристаллические сланцы и некоторые другие. Как показывает детальный геологический анализ ряда месторождений, нефть и газ могли проникнуть в кристаллические породы только снизу по разломам.
Все эти открытия являются серьезными доказательствами абиогенной, мантийной природы углеводородов.
Нельзя не упомянуть и о феномене восполнения запасов углеводородов в «старых залежах». В последние годы на многих месторождениях, разработку которых прекратили в свое время из-за высокой обводненности продукции и нерентабельности, были отмечены факты появления притоков нефти в давно законсервированных скважинах отработанных залежей.
Феномен восполнения запасов выработанных залежей хорошо иллюстрирует история повторного ввода в эксплуатацию нескольких старых нефтяных месторождений Башкортостана. Сначала в скважинах ликвидированных с герметизацией устья, но без установки нижних цементных мостов и простоявших длительное время (более 20 лет) случайно были обнаружены нефтепроявления. Замеры пластового давления проведенные по скважинам показали значения близкие к давлению в начале разработки, а колонны были заполнены нефтью. При повторном пуске в эксплуатацию дебиты восстановленных из ликвидации и заново обустроенных скважин практически соответствовали первоначальным, обводненность была низкой.
Ввод месторождений в повторную разработку продлил срок их эксплуатации и увеличил коэффициент извлечения нефти.
Наиболее ярко восполнение запасов углеводородов было отмечено на площадях Ромашкинского месторождения в Татарстане. Добыча нефти при повторном вводе в эксплуатацию ряда объектов этого месторождения, в совокупности, значительно превысила ранее утвержденные запасы.
Для изучения механизмов переформирования залежей и определения источников восполнения запасов углеводородов на Ромашкинском месторождении, в рамках Программы глубинного изучения недр, проводятся научные исследования и опытно-промышленные работы.
Возможность повторного ввода в эксплуатацию старых залежей определяет принципиально новый подход ко всему процессу разработки месторождений. Так, уже на начальном этапе разработки должны предусматриваться мероприятия по своевременной консервации на длительный срок выбывающих из эксплуатации обводненных и нерентабельных скважин. Месторождение достигшее предела экономической рентабельности, должно консервироваться на длительный срок.
На законсервированном месторождении должен быть организован опорный фонд наблюдательных скважин для своевременного определения завершения периода переформирования залежей. При строительстве скважин, в зависимости от конкретных геологических условий должны предусматриваться меры касающиеся долговечности конструкции.
Анализируя, в целом, обе концепции происхождения нефти – биогенную и абиогенную, нетрудно прийти к выводу, что их построения связаны с различными методологическими подходами к проблеме. То есть, каждая из альтернативных концепций основываются на объяснении различной совокупности фактов и по-разному ставит вопрос нефтеобразования.
Если в биогенной теории важно, что исходное вещество для углеводородов первоначально находилось в осадочных породах, то в минеральной, наиболее существенным моментом образования месторождений является миграция вещества из глубинных недр Земли. Парадокс в том, что обе взаимоисключающие, на первый взгляд гипотезы в самом общем виде не противоречат большинству известных сейчас фактов залегания нефти в недрах.
Несмотря на нерешенность многих вопросов, исследования в аспектах биогенной и минеральной концепций дали значительные научные результаты. Эти научные разработки обогатили геологию, геохимию и химию нефти новыми закономерностями, которые активно используются практикой.
В последнее время в научной среде наметилась тенденция к созданию единой теории происхождения нефти и газа. Выдвигается концепция полигенеза, «микстгенетическая» теория образования углеводородов. При создании новой дуалистической (абиогенно-биогенной) концепции синтеза углеводородов считается необходимым рассматривать комплекс всех данных в аспекте нефтегазовой геологии с использованием нетрадиционных подходов для интерпретации фактических материалов. Имеется в виду, что для объяснения нефтегазоносности недр предлагается учитывать тектонику и энергетику процессов, свойственную Земле в целом, включая кратковременные выбросы энергии и вещества, внутренние электрические поля, автоволновые процессы.
Несомненно, новый перспективный подход к вопросу происхождения нефти объединяющий бывших оппонентов и снимающих антагонизм двух концепций плодотворно скажется на развитии нефтегазовой геологии и обогатит мировую науку эволюции и строения Земли.
О буровой вышке читаем статью "Буровая вышка".
Про бурильный инструмент можно почитать статью "Бурильный инструмент".
Об операциях с бурильной колонной читаем статью "Спуско-подъемные операции в бурении".
О бурении читаем статьи: "Бурение скважины. Часть первая" и "Бурение скважины. Часть вторая".
О креплении скважины читаем статью "Крепление скважины".
Об эксплуатации скважины читаем статью "Эксплуатация скважины".
