Каждая страна пытается всячески подчеркнуть свой вклад в общемировую копилку знаний. Так как многие решения «купить» принимаются на эмоциональном уровне, вклад в мировую науку и инженерное дело - вопрос не сколько престижа отдельных специалистов, сколько поддержания стоимости бренда страны в целом.
Поэтому и борьба за первенство в нефтегазовой отрасли идет не только за текущую рыночную долю или будущую добычу, но и за прошлые изобретения. Есть сотни примеров, когда одни и те же уравнения или подходы называются по-разному в разных языках. Кто же был первым? И насколько это вообще важно?
Первая нефтяная скважина
Нефть добывалась с незапамятных времен с поверхности в местах естественного просачивания. Известны упоминания о добыче нефти из построенных колодцев глубиной до 50 метров (в районе Баку с 1594 года).
Считается, что первую промышленную эксплуатационную скважину построил в 1858 году Эдвин Дрейк. После выхода на пенсию железнодорожник Дрейк мог путешествовать по стране бесплатно. Это и случайная встреча в отеле дало Дрейку работу геологоразведчика, оклад в $1000 в год и несколько акций компании Seneca Oil.
Строительство глубоких скважин в Пенсильвании до Дрейка считалось неразрешимой задачей из-за быстрого обрушения грунта. Промышленными новациями Дрейка стало применение парового двигателя вместо ручного привода и обсаживание ствола скважины наращиваемой чугунной трубой в процессе углубления ствола. Именно так 2500 лет назад китайцы бурили скважины глубиной до 500 метров для добычи рассола. Как повествуют китайские летописи, иногда в обсаженной бамбуком скважину прорывался горючий газ или нефть. Неудивительно, что единственным буровиком, согласившимся на авантюру Дрейка, был Вильям Смит — специалист по бурению скважин на соль.
Штанговый насос на эксплуатационной скважине. Насос приводится в движение паровой машине, которая топится дровами. Tarr Farm, Долина Нефтяной ручей (Oil Creek Valley), Пенсильвания, 1868. Фотография из музея Скважины Дрейка.
Между тем первая разведочная скважина, находится рядом с г.Баку. Она была построена под руководством инженера Василия Семенова, на ту же глубину — 21 метр. Из докладной записки наместника на Кавказе князя Воронцова от 14 июля 1848 г.: «… Директор Бакинских и Ширванских минеральных промыслов доносил, что пробурена на Биби-Эйбате буровая скважина, в которой найдена нефть».
Паровую же машину для бурения в России впервые применили лишь в 1859 году близ г. Подольска. Первая эксплуатационная скважина была построена в России на Кубани в 1864 году. Отставание в применении механизированного бурения определило и последующее отставание в применении других технологий добычи нефти. В них до поры просто не видели необходимости.
Пласт на разрыв
Ранние технологии бурения приводили к загрязнению призабойной зоны фильтратом бурового раствора на несколько метров вглубь пласта. Кроме того, скважины, пробуренные ударно канатным способом, не полностью вскрывали весь пласт, т.к. иначе обсадная колонна Дрейка перекрывала бы продуктивную зону. Дебит скважины из-за этого мог быть в десятки раз ниже возможного.
В 1865 году отставной полковник Э. Робертс получает патент № 59,936 на «торпедирование» призабойной зоны скважины. Услуга стоимостью $100-200 и роялти в 1/15 будущей добычи была столь популярна, что на рынке появилось множество шабашников («moonlighters»), нарушающих патент и технологию обращения с оружейным порохом и нитроглицерином. Робертсу пришлось нанимать детективов агентства Пинкертона и потратить в общей сложности $250 000 на судебные издержки, организовав крупнейшую в истории США защиту патента. Метод прекратил применяться лишь 5 мая 1990 года когда закончились складские запасы снятого с производства нитроглицерина.
Следующей технологией стало перфорирование обсадной трубы с помощью многозарядного перфоратора, что позволило спускать обсадную колонну ниже продуктивной зоны и вскрывать при этом весь пласт. C 1930 по 1956 год Ira McCullough получает множество патентов на перфораторы. Однако пласт перфорируется недостаточно глубоко, и добыча остается в несколько раз ниже потенциальной.
Для решения этой проблемы в 1947 году Floyd Farris и Joseph B. Clark (Stanolind Oil and Gas Corporation) нанимают компанию Halliburton для создания в пласте искусственной трещины – гидроразрыва пласта (ГРП), проходящей сквозь повреждение и заполненной более проводящим расклинивающим материалом — пропантом. Для этого нужно было поднять давление жидкости на забое выше горного давления и держать трещину открытой несколько часов, пока пропант закачиваемый с жидкостью займет свое место и насосы можно будет выключать.
Полевой эксперимент по гидроразрыву был проведен в 1947 году на газовом месторождении в Канзасе. Выкладки по газовому месторождению Hugoton, Канзас (глубины 730 метров) показывали необходимое давление 50-100 атм на устье (130-180 атм на забое) и объемы закачки несколько кубометров геля на базе дизельного топлива, смешанного с речным песком. Процесс был запатентован нефтяной компаний и тут же переуступлен по лицензии Halliburton. Первая промышленная операция 17 марта 1949 года в 12 милях от г. Данкэн, штат Оклахома. В тот же день вторая операция была проведена в соседнем Техасе.
К 1980 году на 500 000 скважин США было проведено более 150 000 операций ГРП. Повторные ГРП были проведены на 35% из них. Первая операция по созданию трещины третий раз в той же скважине (tri-frac) проведено в 1955 году. Максимальное количество операций ГРП было отмечено в 1955 г. — примерно 54 000 ГРП в год.
В СССР ГРП начали применять с 1952 г. Задолго до изобретения современных компьютеров, в 1955 году советские ученые Христианович и Желтов разработали первую двухмерную модель — KGD (Kristianovitch-Geertsma-de Klerk). В 1961 вторую 2D модель — PKN разработали Perkins и Kern, с модификаций Nordgren (1971). По прошествии полувека на рынке конкурируют десятки программ для псевдо-3D дизайна и оптимизации ГРП на базе модели PKN, подавляющее большинство создается и дорабатывается в США и Канаде. Более точное, полностью трехмерное одновременное моделирование геомеханики, гидравлики и процесса переноса требует вычислений длиной в несколько месяцев и не используется на практике.
Основной вектор развития моделей – более точный и быстрый прогноз многостадийных операций на нескольких горизонтальных скважинах одновременно (zip fracs). Также интересно описание интерференции трещин (stress shadowing) и транспорт пропанта, а также комбинирования вспомогательных технологий, включая закачку трассёров, использование оптоволокна, и микросейсмический мониторинг. В более далекой перспективе – потребуется переизобрести ранее протестированное использование пен на базе CO2 и азота.
Пик применения ГРП в СССР пришелся на 1959 г. С начала 1970-х и до конца 1980-х ГРП в СССР практически не проводилось, в связи с вводом в разработку крупных нефтяных месторождений Западной Сибири. Возрождение практики применения ГРП в России началось уже после падения цены на нефть, в конце 1980-х. За 1988-1995 гг. в Западной Сибири было произведено более 1,6 тыс. операций ГРП.
Во процессе раздела НК ЮКОС и передачи его активов НК Роснефть, ряд высокопоставленных чиновников называл ГРП «варварским» и «хищническим» методом добычи, что, однако, не помешало увеличить количество и тоннаж операций на тех же месторождениях в России с 5 000 в 2006 году до примерно 15 000 в 2016 году.
Из опыта разработки месторождений США в России может быть потенциал реперфорации и повторных ГРП, как это практикуется через 5-10 лет после первичной стимуляции скважины. За счет геомеханического моделирования возможно предсказать насколько новая трещина отклонится от старой, а гидродинамическая модель покажет зоны, которые необходимо доохватить заводнением. И если крылья новой трещины подцепят слабодренированные пропластки, резко сократится обводненность и содержание газа в добываемой жидкости. Это будет сигналом, что повторная операция не только увеличила темп отбора, но и извлекаемые запасы этого участка месторождения. Стоит ли говорить, что «варварский метод», без которого редко обходится новая скважина в России, уже привел к перевороту рынка, обрушению цены и началу экспорта американской нефти. С учетом высокой обводненности и низкого дебита по нефти в скважинах, пробуренных в 2012 году и ранее, технические риски большинства повторных ГРП невысоки – терять особо нечего.
Наращивая объемы
Благодаря тому, что нефть часто легче воды, давление в пласте способно доставить нефть на поверхность фонтаном. Но при этом дебит нефти получается в пять раз ниже максимально возможного, и энергии пласта хватает ненадолго. Для традиционных коллекторов – несколько месяцев, для сланцевых месторождений – до нескольких лет.
И опять промышленным новатором выступил Дрейк, взяв с кухни ручную помпу. Создав с поверхности разряжение в одну атмосферу, он увеличил добычу с 10 до 25 баррелей в день, оставив весь городок Titusville без оборотных бочек под виски. Этот пример хорошо показывает опасность сравнения только данных по дебиту. Без данных по давлению – финансовые аналитики могут легко ошибиться в несколько раз, сравнивая фонтанирующую через штуцер скважину со скважиной, работающей в пустой забой (AOF).
Насос на поверхности может создать разряжение и прибавить атмосферное давление к энергии самого пласта. Создать же большее разряжение можно насосом в скважине, но как привести его в движение? Первое решение – механическая передача с поверхности, но тогда нужна длинная штанга, ход которой и ограничит максимальный дебит. В 1865 году, только когда перестали фонтанировать скважины из первой волны промышленного бурения, американцы начали массовое использование погружных плунжерных насосов, с поршнем, приводимым в действие двигателем с поверхности через балансир от бурового станка и деревянную штангу (см. рисунок 1). В России новация нашла свой рынок только в 1874 году.
А что если скважины становятся все глубже и глубже и требуется создать давление в несколько сотен атмосфер? И буровики научились бурить наклонные скважины под нужным углом?
Тогда разумно поместить и насос, и двигатель в саму скважину. Для этого требуется сверхмалый размер устройства и большая мощность на единицу объема. Электрический двигатель был единственным на тот момент вариантом. В 1911 году Армаис Арутюнов открывает в Екатеринославле свою компанию и создает высокооборотный компактный электрический мотор, который может работать полностью погруженным в воду. А в 1916 году, доводит до ума работающую на одном валу пару: мотор и центробежный насос. При этом мощный мотор располагается ниже насоса и охлаждается набегающим потоком жидкости.
В 1919 году Арутюнов эмигрируют сначала в Берлин, затем, в 1923 году в Лос-Анджелес, где пытался убедить внедрить свою разработку. Везде следовал отказ был со словами, что устройство противоречит известным законам электричества. Примечательно, что за 50 лет до этого в Австрии профессор Грацкого университета Яков Пешль прочитал лекцию о неосуществимости использования переменного тока в электродвигателях одному из своих студентов. Студента звали Никола Тесла, а имя профессора Пешля навсегда останется в истории инженерного дела.
В 1928 году Арутюнов переезжает в Оклахому и с партнером Frank Phillips (директор Phillips Petroleum Co.) открывает свою компанию. В 1930 компания была переименована в REDA pump Co. (от Russian Electrical Dynamo of Arutunoff). В ней нашли работу сотни уволенных в Великую депрессию американских рабочих. К концу 30х годов REDA имела более 90 патентов, а Арутюнов ни в чем себе не отказывал до конца жизни. Его портрет висит в Зале Славы штата Оклахома.
Марка электроцентробежных насосов (ЭЦН) REDA была единственной на рынке США до 1957 года, и спустя столетие после создания прототипа все еще входит в продуктовую линейку Schlumberger. Примечательно то, что месторождение North Burbank Unit, на котором разбогател Frank Phillips, до сих пор дает нефть при помощи закачки CO2 (см. статью НГВ «Парниковый эффект в добыче нефти» в номере #13/14 за 2017 г.) и напора, создаваемого ЭЦН REDA.
Первый ЭЦН в СССР был спущен в 1943 г., когда из США по ленд-лизу были получены 53 насоса REDA. Отечественный аналог спущен 20 марта 1951 г. в скважину № 18/11 Грознефти. Западносибирскую провинцию стали осваивать гораздо позже месторождений Оклахомы и Техаса, поэтому дебиты остаются выше, чем на в США и требуют мощных насосов. До сих пор в России больше 80% нефти добываются ЭЦН. Ими оснащено более 80 000 скважин.
Сланцевая революция резко повысила дебиты скважин США, а дешевая нефть резко снизила зарплаты в России, так что для производителей ЭЦН России: Борец (ООО «Лысьванефтемаш»), Новомет (одноименная компания, г. Пермь), Алмаз (г. Радужный, ХМАО) и Алнас (ГК Римера – часть Холдинга ЧТПЗ) открывается уникальное окно возможностей. Но только если они смогут конкурировать шириной диапазона дебита при высоком газовом факторе с REDA (Schlumberger) и Centrilift (Baker Hughes), и ценой с китайскими производителями. Одним из барьеров входа будет, как не странно, отсутствие опыта работы по установке и обслуживанию ЭЦН у американцев. Для них эра массового применения ЭЦН закончилась в 1970х годах, но начинается снова, причем в тех же самых районах нефтедобычи, что и полвека назад.
Новые технологии и пилотные образцы часто появляются за пределами США, но удивительно системно штаты становятся местом их массового применения, доработки и превращения в массовый экспортных продукт. Изобретатели-счастливчики возможно и делает один уникальный прорыв, но истинные перевороты в индустрии делают люди, систематически перепробовавшие сотни и тысячи подходов и нашедшие верную комбинацию известных ранее технологий. Поэтому не сильно важно где технология родилась, важно кто первым догадался скрестить ее с несколькими уже известными и довести продукт для массового использования.
Американцы связывают рождение нефтяной индустрии с Дрейком не потому, что он был выдающимся изобретателем или хотя бы успешным бизнесменом. У него не было деловой хватки и метод бурения остался незапатентованным. Проигравшись на бирже в 1863 году, он был вынужден в старости жить на специальную пенсию штата $1,500/год (немыслимая по тем временам щедрость), в полтора раза выше своего стартового оклада от Seneca Oil.
Дрейк стал известен потому, что пошел против мнения специалистов по бурению водяных скважин, проскакал 90 миль в поисках буровика-соледобытчика, который возьмется за безумный заказ. Кроме того, он совместил известный способ бурения с известной технологией откачки воды. Добыча увеличилась в разы и стала коммерческой.
История помнит бакинские промыслы, советских математиков и российских инженеров, но рынку не нужны идеи, или удачные поисковые скважины. Нужна добыча, безотказно работающие устройства и программные пакеты, содержащие как детальную физику процесса, так и скоростные солверы для решения матричных уравнений. Но и это не главное, если в программе не будет сотен известных индустрии жидкостей ГРП и типов пропантов с библиотеками свойств, а учебник будет скорее рекламным буклетом.
Пользователю необходимо проводить оптимизацию для десятка сценариев, а не биться с неудобным в каждодневной работе инструментом и гадать над непонятными параметрами и исходными данными. Альтернатива новым методам есть – это старый добрый принцип, известный на всех языках — «мы всегда так делали». Поэтому чтобы не отстать, стоит работать на будущее, а не цепляться за великое прошлое.
Текст статьи отражает мнение автора и не отражает официальную позицию Texas A&M University