Резервы сланцевой революции

Основная схема гидроразрыва пласта. Схема «НГ»

Со сланцевыми углеводородами (нефтью и газом) связаны большие надежды нефтегазового комплекса, главным образом американского, где так называемая сланцевая революция отмечает 10-летний юбилей. Но эта же революция породила проблемы, обойти которые оказалось не так просто.

Существует два вида сланцев, с которыми у непрофессионалов подчас возникает путаница.

Горючие сланцы – это осадочная порода (глинистая, известковистая или кремнистая), в которой в количестве от 10–15% до 60–80% содержится органическое вещество кероген. Горючая часть этих сланцев сапропелевая или гумусово-сапропелевая. Добываемая из таких сланцев высоковязкая сланцевая смола (shale oil) требует дополнительной обработки для ее превращения в нефть. В настоящее время добыча горючих сланцев для извлечения из них углеводородов считается неэффективной. 

Сланцы с низкими фильтрационно-емкостными свойствами – осадочные породы, содержащие обычную нефть (tight oil). Нефть из таких сланцев добывают либо непосредственно (легкая нефть), либо после предварительного термического или химического воздействия на также содержащийся в пласте кероген. Природный сланцевый газ связан не с горючими сланцами, как иногда ошибочно считают, а с темноцветными пелитоморфными сланцеватыми породами, в которых содержание органического вещества ниже 20%. 

Запасы сланцевых углеводородов в России и за рубежом

В России наиболее перспективной для добычи нефти из плотных (слабопроницаемых) коллекторов считается баженовская свита, залегающая на глубинах около 3 тыс. м в Западной Сибири. Площадь, содержащая эту свиту, составляет 2,3 млн кв. км, что примерно соответствует площади штата Техас и Мексиканского залива вместе взятых. Площадь эта в 80 раз больше площади крупнейшего американского месторождения Баккен, расположенного в Северной и Южной Дакоте. 

Именно разработка месторождения Баккен обусловила бум на американском нефтяном рынке. Добыча сланцевой нефти на этом месторождении составляет 500 тыс. барр. в сутки, а запасы здесь оцениваются в 11 млрд барр. нефти. Доказанные запасы сланцевого газа по итогам 2015 года в США составляют 5 трлн куб. м, что составляет 57% от всех запасов газа в стране (8,7 трлн куб. м). Добычу сланцевой нефти в США ведут также на месторождениях Eagle Ford (в Техасе), Bone Springs (в Нью-Мексико), а также Three Forks (в Северной Дакоте).

По данным Энергетического информационного агентства США (июнь 2013 года) извлекаемые ресурсы сланцевой нефти баженовской свиты Западной Сибири оцениваются в 75 млрд барр. (более 10 млрд т).

Благодаря баженовской свите Россия занимает второе место в мире по запасам сланцевой нефти. Они составляют оценочно 74,6 млрд барр., в то время как резервы США равны 78,2 млрд барр. Технически извлекаемые из баженовской свиты запасы сланцевого газа оцениваются в 8,07 трлн куб. м (столько же, сколько составляют общие запасы газа в США). Эти данные приводит американское Управление информации в области энергетики. Кроме баженовской свиты в разных районах России имеются и другие продуктивные горизонты, содержащие месторождения сланцевых углеводородов. Общие извлекаемые ресурсы сланцевой нефти в разных районах России варьируются в пределах от 20 до 100 млрд т.

Сланцевую нефть считают одним из важнейших резервов для дальнейшего развития топливно-энергетического комплекса. Однако в настоящее время технология добычи сланцевой нефти находится в стадии развития. Себестоимость такой нефти пока значительно выше себестоимости добычи традиционной нефти. Поэтому сланцевую нефть пока считают перспективным резервом на будущее, не влияющим существенно на сегодняшний рынок нефти.

Скважина по добыче сланцевых углеводородов. Фото Reuters

Более удачная судьба сложилась у сланцевого газа, уже существенно влияющего на газовый рынок. За минувшее десятилетие добыча сланцевого газа в США выросла с 37 млрд куб. м (в 2007 году) до 431 млрд куб. м (по итогам 2016 года), что составляет примерно половину всего добываемого здесь газа. Для сравнения: те страны мира, которые начали разработку этого энергоресурса на своей территории (Канада, Аргентина, Китай), совокупно добыли около 15 млрд куб. м.

Рост добычи и сокращение числа скважин

Ежедневная добыча газа в США из новых скважин в пластах со сланцевой структурой (плеях) до середины 2016 года имела по большей части восходящий тренд. Однако часть плеев по состоянию на 2017 год показывает сокращение ежедневной добычи, а часть – стагнацию. В 2017 году все плеи за исключением Eagle Ford не получают на своих новых скважинах прироста производительности. Сейчас лишь часть плеев показывает цену безубыточности ниже текущей рыночной. 

По мере развития технологий добычи сланцевого газа и адаптации их для добычи нефти из плотных коллекторов переоцениваются в сторону увеличения извлекаемые запасы нефти. При этом широко используют технологию горизонтального бурения в сочетании с гидроразрывом пласта (ГРП), посредством которого формируют высокопроницаемые трещины в пласте с целью обеспечения притока газа или нефти. США планируют таким способом к 2035 году увеличить добычу сланцевой нефти вдвое.

Истоки сланцевой революции

Считается, что настоящая сланцевая революция началась лишь в середине 2008 года. В том году среднегодовая цена нефти составила 96 долл. за баррель, что сделало добычу сланцевых углеводородов рентабельной. В настоящее время средний показатель себестоимости добычи составляет примерно 40–50 долл. за баррель. 

В России в наибольших масштабах сланцевая нефть добывается из баженовской сланцевой формации Западной Сибири. В 2011 году на трех разрабатываемых месторождениях (Западно-Салымское, Вехне-Салымское, Ваделыпское) было добыто 8,4 млн нефти (по данным компании «Салым Петролеум Девелопмент»). Накопленная добыча нефти за семь лет разработки на начало 2013 года составила около 45 млн т. 

Технологии гидроразрыва (фрекинга) вчера и сегодня

Основной вред для окружающей среды при добыче сланцевых углеводородов экологи видят именно в гидроразрыве целевого пласта. Однако сам по себе гидроразрыв появился еще задолго до сланцевой революции.

Назначение ГРП – интенсификация работы добывающих нефтяных и газовых скважин, а также увеличение приемистости нагнетательных скважин. Его цель – создание высокопроницаемых трещин в пласте для обеспечения притока добываемого углеводорода. Технология ГРП состоит в закачке с помощью мощных насосов в скважину жидкости, давление которой выше давления разрыва целевого пласта. Для поддержания сформировавшихся при этом трещин в раскрытом состоянии после последующего спада давления в терригенных породах используют расклинивающий агент (так называемый проппант), роль которого раньше выполнял кварцевый песок, а теперь – его синтетические заменители. В карбонатных породах для этой цели используют кислоту, которая разъедает стенки созданных трещин, не давая им полностью сомкнуться. Применение ГРП приводит к повышению дебита скважины в несколько раз.

Примечательно, что применение частными компаниями ЮКОС и «Сибнефть» ГРП на их месторождениях вызывало резкую критику со стороны конкурентов: оппоненты ГРП считали его варварским методом, приводящим к разграблению месторождений. Однако это не помешало им же самим вскоре использовать ГРП. Так, в ноябре 2006 года «Роснефть», получившая контроль над основным активом ЮКОСа («Юганскнефтегазом»), провела на Приобском месторождении крупнейший в России гидроразрыв нефтяного пласта. В настоящее время в «Роснефти» проводится более 2 тыс. операций ГРП в год, и абсолютное большинство новых скважин вводится в работу с ГРП. Существенно, что речь при этом даже не идет о сланцевых углеводородах, при добыче которых, как считают, ГРП приносит наибольший вред экологии. Так что в данном случае в явном виде имела место техническая политика. По некоторым данным, сегодня ГРП проводят примерно в половине скважин.

Развитие горизонтального бурения способствовало применению технологии многостадийного ГРП, при котором трещины создаются на нескольких участках скважины. В 2016 году «Газпромнефтью» проведен самый мощный в России 30-стадийный ГРП на Южно-Приобском месторождении.

Развитие новых технологий ГРП позволило увеличить дебит скважин и снизить опасное воздействие этого процесса на окружающую среду. Для снижения риска прорыва трещины в водо- или газоносные горизонты разработана технология селективного гидроразрыва. Для предотвращения выноса проппанта из трещин создана технология закачки в пласт одновременно с проппантом стекловолокна, обеспечивающего устойчивость проппантной пачки. Для снижения остаточного загрязнения трещин разработаны низкополимерные жидкости разрыва, а также не загрязняющие пласт жидкости. Современные исследования включают промысловый эксперимент, состоящий в проведении микро- и мини-гидроразрывов перед основным ГРП. Это позволяет определить распределение напряжений в пласте, исследовать механические свойства пород, определить эффективное давление разрыва и давление смыкания трещин, а также выбрать модель развития трещин и рассчитать геометрические размеры трещин.

При промышленной разработке газовых коллекторов со сверхнизкой проницаемостью в США, Канаде и ряде стран Западной Европы успешно применяют технологию массированного ГРП. При этом создают трещины протяженностью около 1000 м с закачкой от сотен до тысяч кубометров жидкости и от сотен до тысяч тонн проппанта. Это приводит к увеличению дебита в 3–10 раз.

Интенсивно развиваются технологии ГРП в горизонтальных скважинах. Разработаны технологии создания нескольких трещин в одной горизонтальной скважине. 

Появились и получили развитие технологии по интенсификации притока, в которых в качестве технологических жидкостей, закачиваемых в пласт, используют газожидкостные смеси с азотом. Закачанный в пласт азот благотворно влияет на процесс освоения скважины. В горизонтальных скважинах эту технологию используют в сочетании с применением колтюбинга (гибких труб).

Чем вреден гидроразрыв пласта

Добыча сланцевых углеводородов без ГРП крайне нерентабельна, это очевидно. Поэтому речь может в основном идти о минимизации ущерба, приносимого от применения ГРП целевому пласту и окружающей среде в приповерхностной зоне.

Разрушение пласта-коллектора затрудняет приток снизу очередных порций углеводородов, а нарушение герметичности самого коллектора может привести к последующей миграции нефти в расположенные выше пласты, содержащие водоносные горизонты. Это создает проблемы с чистой водой, столь знакомые обитателям Западной Сибири. К этому следует добавить сложность возможной миграции снизу новых порций нефти в пласт, разрушенный вместе с его покрышкой вследствие гидроразрыва. К геолого-техническим условиям, ограничивающим применение ГРП, относят близкое расположение к целевому пласту водоносных горизонтов и отсутствие надежных геологических экранов, а также отсутствие или низкое качество цементного кольца за обсадной колонной. 

Основной довод против ГРП – это загрязнение грунтовых вод химическими веществами. Эти вещества составляют 1% от закачиваемого при ГРП в скважину геля, они включают кислоту, противокоррозийный компонент, фрикционную смесь, клей и добавки для вязкости геля. Все эти элементы действительно токсичны и вредны для человека. Попасть в приповерхностную зону эти вещества могут в основном в случае негерметичной скважины. Однако проблемы утечек вредных веществ на поверхность и заражения чистых источников воды вследствие нарушения герметичности скважины существовали и до появления ГРП, так что проблема эта носит более общий характер. К слову, считается, что токсичных элементов в нефтегазонасыщенных пластах вполне хватает и без добавок, применяемых при ГРП.

Альтернативные технологии

Заслуживает внимания технология пропанового фрекинга, которую уже трудно назвать гидроразрывом, поскольку такой фрекинг проводится без воды. От обычного гидроразрыва эта технология отличается тем, что вместо традиционной смеси для ГРП в скважину закачивают сжиженный пропан. Так как он полностью испаряется после проведения разрыва пласта, а химикаты при этом не используют, то риски загрязнения воды или почвы чрезвычайно малы. Кроме того, водные источники в районе добычи сланцевых углеводородов не истощаются, так как для такого фрекинга вода не нужна вообще. Стоимость применения этой технологии в полтора раза превышает затраты на проведение стандартного ГРП. Поэтому применять ее целесообразно лишь на месторождениях с высокой рентабельностью.

Задолго до появления ГРП, еще в 1890-х годах, в США был успешно испытан метод стимулирования добычи нефти из плотных пород с помощью взрывов нитроглицерина в призабойной зоне. Этот метод просуществовал недолго из-за его очевидной опасности. Много лет спустя с этой же целью начали использовать взрывы ядерных зарядов. В 1965 году мне пришлось пережить землетрясение, вызванное таким взрывом в Башкирии. Тогда я случайно оказался в домике, расположенном в полутора километрах от эпицентра. Несколько секунд кирпичный домик ходил ходуном, по стенам пошли трещины, а входную дверь заклинило так, что выбраться из домика оказалось непросто. К слову, землетрясений от ГРП в Западной Сибири годами никто практически не ощущал, хотя в США сетуют и на такие вредные последствия ГРП. Останавливаться на явном вреде от использования ядерных взрывов в скважинах для подобных «мирных целей» нет смысла, так как такие явно варварские воздействия на среду прекращены вместе с запретом на испытания ядерного оружия.  

Идея волнового воздействия на пласт появилась после того, как канадские нефтяники обнаружили существенное повышение дебита нефти сразу после землетрясений. Объяснение этого феномена состояло в том, что повторный сейсмический толчок (афтершок), имеющий меньшую интенсивность, создает в продуктивном пласте гидродинамический удар, способствующий путем сжатия пород повышению дебита флюида. Основная сейсмическая волна к такому эффекту не приводит, поскольку создает в породе разрывы, понижающие в ней давление. Именно слабая волна, соответствующая афтершоку, обеспечивала увеличение диаметра пор в породе и итоговое увеличение выхода флюида. Канадская фирма Wavefront Tehnology запатентовала техническое решение, суть которого состоит в импульсном воздействии на пласт через буровую жидкость. Цель создаваемой таким путем экологической технологии – заменить ГРП. Эта технология находится в процессе активного внедрения, уже сейчас ее применяют более 150 скважин в Канаде и США.

Вибрационное сейсмическое воздействие на продуктивный пласт является технологией повышения дебита скважин без нарушения сплошности продуктивного пласта. Одно из новейших технических решений основано на изучении резонансной (доминантной) частоты колебаний пласта и последующем продолжительном излучении сейсмических колебаний на этой частоте при помощи мощных вибрационных источников. Существенно, что при этом никакого вторжения в буровой процесс не требуется вообще, так как виброисточник устанавливают на земной поверхности. Энергия, излучаемая источником в течение многих часов, эквивалентна по своему воздействию на пласт энергии афтершоков землетрясений и энергии мощных импульсных источников. При этом экологические проблемы, сопутствующие ГРП, снимаются с повестки дня вообще.