Как известно, подземные флюиды и газы содержатся в порах, то есть пустотах горных пород. Такие пористые горные породы, насыщенные нефтью, газом, водой называются коллекторами. Поры соединяются между собой и поэтому жидкости и газы в коллекторах движутся.
Отношение объема пор, через которые происходит фильтрация жидкости или газа к общему объему образца породы называется эффективной пористостью. Пористость пород продуктивных пластов определяют в лабораторных условиях по керновому материалу.
Хорошими считаются коллекторы с пористостью от 15% до 25%.
Кроме объема пор имеет значение их размер. Породы с очень мелкими порами независимо от объема пор практически непроницаемы для жидкостей и газов. Это – флюидоупоры: глины, глинистые сланцы, соль, гипс. Размеры сечений субкапиллярных пор составляют менее 0,2 микрометра (мкм).
Для сравнения: человеческий волос бывает толщиной от 40 до 120 мкм.
Диаметры пор нефтегазовых коллекторов составляют более 1 мкм.
Проницаемость – это способность горных пород пропускать через себя жидкости и газы при перепаде давления. Абсолютно непроницаемых пород в природе нет. При сверхвысоких давлениях все породы проницаемы. Однако при сравнительно небольших перепадах давления в нефтяных коллекторах многие породы из-за слишком мелких пор являются низкопроницаемыми или оказываются практически непроницаемыми для жидкостей и газов.
Большая часть осадочных пород являются хорошо проницаемыми. Большие поры и их связанность создают проницаемость коллекторов и позволяют продукции поступать в скважину. Это так называемые традиционные резервуары нефти и газа. Проницаемость их может составлять от 100 до 1 000 миллидарси (мД). 1 000 миллидарси – это 1 дарси (1 Д).
Кроме месторождений с традиционными коллекторами много нефти и газа содержится в плотных, плохо проницаемых породах. Во многих странах мира были обнаружены большие запасы углеводородов в низкопроницаемых сланцевых коллекторах. Проницаемость большинства сланцевых пород составляет около 1 мД.
Что из себя представляют сланцы?
Горючие сланцы – это осадочные породы карбонатно-глинистого или кремнистого состава, содержащие от 10% до 70% органического вещества – керогена.
Подробнее о керогене можно почитать в статье: «Происхождение нефти».
Органическое вещество равномерно распределено в минеральной массе и поэтому тонкая пластинка или кусок горючего сланца загорается от спички, издавая специфический запах жженой резины.
При нагревании без доступа воздуха до 500°C или до 1000°C с доступом воздуха горючие сланцы выделяют смолу близкую по составу к нефти, горючие газы, подсмольную воду. Это так называемая керогеновая или сланцевая нефть.
Горючие сланцы издавна известны людям как горючие полезные ископаемые.
Более ста лет горючие сланцы добывают из Прибалтийского сланцевого бассейна на территории Эстонии. Залежи сланца здесь на глубине до 20 метров разрабатывают карьерным способом, а на глубине 60 метров шахтным способом. Выработку сланца производят камерным способом. От обрушения в камерах оставляют опорные целики породы.
70% добываемого сланца в Эстонии используется для производства электроэнергии. В Эстонии работают две крупнейшие в мире сланцевые электростанции.
Меньшую часть сланцев перерабатывают для получения сланцевой нефти путем пиролиза, то есть термического разложения керогена. По этой технологии измельченные куски сланца нагревают в вертикальной или горизонтальной вращающейся реторте барабанного типа до температуры пиролиза.
Эстония – второй производитель сланцевой нефти в мире после Китая. Также сланцевая промышленность с добычей ископаемого горючего сланца существует в Австралии, Бразилии, Германии.
Наземная переработка горючих сланцев возможна, когда залежи ископаемого доступны для шахтной добычи. Однако лишь немногие месторождения сланцев залегают на экономически целесообразной для такой добычи глубине.
Некоторыми зарубежными компаниями производились исследования и предпринимались попытки пиролиза сланцевого керогена в пластовых условиях.
В промышленных масштабах эти технологии не использовались, но моделировались процессы по нагреву больших объемов сланцевых залежей на глубине и доставки полученных углеводородов на поверхность по обычным скважинам.
Для нагрева и пиролиза породы предполагалось использовать большое количество вертикальных или горизонтальных скважин со спущенными в них электронагревателями и нагнетанием в пласт воздуха или углекислого газа. Эта способ подобен процессу инициирования внутрипластового горения для разжижения высоковязкой нефти.
Подробнее об инициировании пластового горения можно почитать в статье: «Каражанбас».
Другой способ состоит в сооружении ряда параллельных горизонтальных скважин с гидроразрывом пласта через них и заполнением образовавшихся трещин электропроводящей расклинивающей средой. Единственная горизонтальная скважина, проложенная под прямым углом к параллельным скважинам, соединяет их. По этой цепи соединяющихся скважин в электропроводящей среде пропускается ток. Таким образом создается большой пластинообразный нагревательный элемент на глубине для нагрева породы.
Но пока что глубинная переработка керогена не используется.
Кроме твердого керогена, горючие сланцы, как нефтематеринские породы содержат некоторое количество традиционной легкой нефти и сланцевого газа, состоящего в основном из метана.
В начале нашего века началось внедрение в промышленную эксплуатацию эффективных технологий извлечения нефти и газа из низкопроницаемых сланцевых коллекторов. За несколько лет добыча сланцевой нефти и газа увеличилась в разы. Масштабное промышленное производство сланцевых углеводородов привело к большому предложению их на рынке США. Журналисты назвали это явление сланцевой революцией.
Добыча нефти и газа из сланцев производится по специальной технологии.
Сначала пробуривают горизонтальную скважину.
Горизонтальная скважина – это наклонно-направленная скважина с протяженным горизонтальным участком.
В зависимости от назначения радиус поворота у горизонтальных скважин может быть разным.
При строительстве горизонтальной скважины возрастает объем бурения из-за удлинения ствола. Значительно усложняется технология проводки. Поэтому увеличиваются затраты на специальное оборудование. К буровым растворам предъявляются более высокие требования, и стоимость их растет. Усложняются геофизические работы. Велика вероятность осложнений, особенно в горизонтальном участке.
Все эти факторы увеличивают продолжительность строительства горизонтальной скважины в 1,5 – 2 раза, а себестоимость одного метра возрастает в 1,3 – 1,8 раза по сравнению с вертикальной скважиной такой же длины.
Для чего же строят горизонтальные скважины и в чем их преимущества?
Как и наклонно-направленные скважины горизонтальные скважины прокладывают к объектам недоступным вертикальным скважинам. Например, к горизонтам, расположенным под наземными сооружениями, болотами, водоемами.
Добуриться горизонтальными скважинами с берега до залежей под морским дном будет выгоднее, чем сооружать буровые платформы на шельфе.
Горизонтальная скважина, проложенная по коллектору малой вертикальной мощности, имеет большую поверхность вскрытия пласта по сравнению с вертикальной скважиной.
Горизонтальные скважины наиболее эффективны в продуктивных пластах, сложенных трещиноватыми карбонатными породами. Как правило, естественные трещины в пласте являются вертикальными. При пересечении их горизонтальным стволом значительно увеличивается объем дренирования продукции в скважину, а следовательно, и дебит.
Традиционное освоение месторождений с низкопроницаемыми коллекторами разбуриванием вертикальными скважинами может быть экономически нецелесообразным, а иногда невозможным, так как значительный объем запасов окажется невовлеченным в разработку. А горизонтальная скважина, имея большую поверхность вскрытия пласта снижает фильтрационные сопротивления в призабойной зоне, способствуя лучшему притоку продукции в нее.
Однако естественная фильтрация в низкопроницаемых сланцевых коллекторах не позволяет их промышленно разрабатывать. Поэтому для создания дополнительных каналов в сланцевых породах производят их гидроразрыв.
Горизонтальная часть скважины, расположенная в слое сланца, может быть длиной более 1500 метров. И на всем этом отрезке скважина должна принимать нефть и газ. Поэтому в горизонтальном стволе через установленные по длине интервалы многократно производят гидроразрывы пласта.
Для гидроразрыва низкопроницаемых сланцевых пород в скважину закачивают расчленяющую жидкость с давлением и расходом достаточными для образования в породе трещин и разрывов.
Чтобы трещины после сброса давления снова не сомкнулись в закачиваемую воду добавляют песок или керамические гранулы (9,5%) и стабилизатор (0,5%), удерживающий частицы во взвешенном состоянии. Песчинки или гранулы попадают в образовавшиеся трещины и остаются в них после снятия давления. И разрывы, и трещины не смыкаются.
Из-за большой длины горизонтального участка гидроразрыв пласта выполняют поэтапно. Технически невозможно, поддерживая высокое давление (более 70 МПа) обеспечить подачу расчленяющей жидкости с расходом более 15 м3/мин для создания гидроразрыва сразу по всей протяженности ствола. Даже при постадийном гидроразрыве на скважине одновременно работают до двадцати насосных агрегатов.
Технология строительства горизонтальной скважины и гидроразрыв пласта для добычи сланцевых углеводородов описаны в продолжении этой статьи: «Сланцевая революция (продолжение)» и показаны в ролике: «Сланцевая скважина».