Статьи

Резкое удешевление сырья на нефтегазовом рынке влияет не только на экономическую составляющую нашей жизни. Ученым-геофизикам, чьи задачи тесно связаны с добычей углеводородов, также приходится искать новые пути для разработки инструментария, который был бы более эффективным и в то же время менее затратным, чем уже существующий.

«Такие технологии требуют совершенно иных подходов и новых фундаментальных знаний, это сделать непросто», - говорит директор 2007—2017 гг. Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН академик Михаил Иванович Эпов.

На дне морском

Одна из проблем, связанных с освоением нефтегазовых ресурсов на шельфе, касается эффективности применения разведочной геофизики, а точнее - геоэлектрики. Сейчас это направление бурно развивается и характеризуется очень высокой стоимостью проводимых работ, поскольку системы, с помощью которых ведутся измерения и наблюдения, нужно располагать как можно ближе к объекту - то есть, в придонной части.

«Это приводит к тому, что необходимо создавать уникальное оборудование для расположения таких систем вблизи морского дна, специальные средства для определения координат установок и так далее, - комментирует Михаил Эпов. - Дорогое удовольствие!

Отсюда можно заключить, что при нынешних ценах на углеводороды использование подобных технологий будет практически не востребованым».

По словам ученого, существующая морская геоэлектрика во многом повторяет методы наземной электроразведки с одним только отличием - местоположением установок. Однако если рассмотреть вопрос более внимательно, оказывается: есть и принципиальная разница.

«Дело в том, что морская вода очень соленая, у нее высокая электропроводность, и этот показатель плавно изменяется (возрастает) от поверхности к морскому дну, - объясняет академик Эпов. - Раньше этим фактом просто пренебрегали».

Однако геофизики ИНГГ выяснили - если есть так называемый «вертикальный градиент» солености, то в слое морской воды при пропускании электрического тока возникает объемный заряд.

В модели антиклинальной ловушки (часть нефтяного коллектора, которая обеспечивает накопление и сохранение углеводородов), расположенной под морским дном, было вычислено распределение электрического поля.

Оказалось, распределения сильно различаются между собой, более того - объемный заряд, индуцированный в придонной области, можно использовать как вторичный электрический источник. Это позволяет переместить измерительную установку на морскую поверхность.

«Такое упрощение технологии приведет к уменьшению стоимости электроразведочных работ на море в несколько раз, - отмечает Михаил Эпов. - Просто потому, что мы правильно учли особенности геоэлектрического разреза на шельфе».

По волнам

Как говорит академик Эпов, примерно 90 % затрат на нефтяную геофизику приходится на сейсморазведку с её развитыми процедурами обработки и интерпретации, поэтому было бы целесообразно распространить их на другие неволновые геофизические методы, где таких эффективных систем нет или они очень сложны.

В первую очередь это относится к электроразведке, основанной на использовании эффектов электромагнитной индукции, описываемых диффузионными, а не волновыми дифференциальными уравнениями.

«Предпринималось очень много попыток эти электромагнитные процессы перевести в волновую область, - говорит Михаил Эпов, - и теоретически давно было показано, что это можно сделать, однако такие преобразования требуют высокоточных измерений в большом динамическом диапазоне, а вот их долгое время не могли реализовать на практике».

Сейчас же появились новые магнитные датчики, способные измерять с очень высоким разрешением - и оказалось, что давняя мечта специалистов электроразведки может быть осуществлена. «Возьмем систему наблюдений, которая состоит из генераторной петли на поверхности и набора магнитных приемников.

С помощью такого комплекса можно получить картины затухания электромагнитного поля на земной поверхности в зависимости от времени и расстояния до источника, - поясняет ученый. - Мы перевели электромагнитные сигналы в волновую область и получили некоторые аналоги поверхностных волн с частотной дисперсией.

В этом случае мы можем построить годографы (график зависимости времени пробега волны от источника до приемника), аналогичные сейсмическим, и использовать широкий арсенал средств и процедур обработки, накопленных в сейсморазведке.

Это открывает новые возможности комплексирования сейсмо- и электроразведки, первая из которых «освещает» внутреннюю структуру геологической среды, а вторая - её вещественный состав».

На контрасте

Одна из важнейших проблем, которая стоит перед теми, кто добывает нефть, связана с гидроразрывами пласта - искусственным увеличением его проницаемости за счёт нарушения сплошности среды с помощью специальной жидкости.

Дело в том, что этот процесс не всегда и не полностью контролируем, поскольку многие свойства нефтенасыщенного коллектора, который подвергается разрушению, либо неизвестны, либо варьируются в очень широком диапазоне. Поэтому проблема трассирования гидроразрывов является весьма важной практической задачей.

«Сейчас исследования гидроразрывов пытаются сделать сейсмическими методами, но мы обратились к опыту медицины, - рассказывает академик Эпов. - Если говорить о геофизике, то обычно поступают следующим образом: при наличии плохо выделяемого объекта создаётся более сложная высокочувствительная аппаратура и используют более мощные и ресурсоёмкие методы обработки.

Медицина же идет другим путем: использует введение контрастного вещества, чтобы «подсветить» нужную область и сделать её видимой для уже существующих приборов».

Геофизики ИНГГ двинулись в том же направлении и попытались улучшить видимость трещин гидроразрыва в электромагнитном поле. Для этого исследователи предложили добавить в пропант, то есть в ту жидкость, которая разрывает среду, электропроводящие наночастицы.

С одной стороны, они должны давать очень резкое уменьшение удельного электрического сопротивления, но в то же время стоить достаточно дешево. «До этого были предложения закачивать в трещины серебряную пудру, но это больше из области юмора», - отмечает Михаил Эпов.

Вещество, отвечающее всем требованиям, оказалось весьма простым и известным: углеродная сажа, производимая в огромных количествах и имеющая колоссальную электропроводность. Выяснилось: если добавить её в жидкость для гидроразрыва, тогда видимость трещин в электромагнитном поле возрастает примерно в десятки раз.

Ещё одно применение метода контрастирования - идентификация так называемых низкоконтрастных песчано-глинистых разрезов. Сейчас для выделения песчаных разностей, заполненных нефтью, используются очень сложные технологии - трехкомпонентный индукционный каротаж, например.

«Решить же такого рода вопросы можно гораздо более простым способом: применением широко используемого зонда, измеряющего естественное электрическое поле, - говорит Михаил Эпов. - Для этого нужно добавить в буровой раствор небольшое количество сильного окислителя, либо вырабатывать кислород в скважине.

Тогда мы увидим, что глинистые и песчанистые разности начнут выделяться гораздо лучше. Причем эти контрастирующие вещества очень быстро разлагаются - та же перекись водорода через несколько часов превращается в воду».

Как отмечает академик Эпов, эти методы ждут своего испытания на практике, однако численное и лабораторное (выполненное в Институте химии нефти СО РАН, г. Томск) моделирование уже показало хорошие результаты.

Точки разрушения

Еще одной важной практической задачей является исследование обсадных колонн - ими укрепляют любые нефтяные и газовые скважины. В процессе эксплуатации и с течением времени эти колонны деформируются и могут сломаться под влиянием внешних условий.

Учитывая, что это происходит не так уж редко, а каждая эксплуатационная скважина стоит десятки миллионов рублей, ущерб получается огромный. Соответственно, нужны методы, которые бы определяли моменты возникающей опасности (так называемая стадия предразрушения).

«Сейчас для этих целей используются специальные дефектоскопы, это очень сложные устройства, - комментирует Михаил Эпов. - Однако есть совершенно простое решение, оно основано на магнито-упругом эффекте, магнитострикции.

Дело в том, что стальная колонна является ферромагнетиком, то есть состоит из упорядоченных магнитных доменов. Если наступает стадия предразрушения, то в этом месте колонны доменная структура нарушается, и металл просто теряет свои магнитные свойства. Измерение соответствующего магнитного поля в скважине будет показывать такие интервалы.

Самое важное - для этого практически не требуется никаких дополнительных затрат».

Академик Эпов отмечает: «Подытоживая приведённые примеры, можно утверждать, что существует много вариантов построения значительно более простых технологий, с помощью которых специалисты способны решать сложные вопросы разведки и разработки нефтегазовых месторождений».