2. Применение термогазового воздействия на нефтяные пласты для интенсификации добычи на месторождениях Западной Сибири

В последние годы в связи с истощением во многих регионах мира активных запасов нефти резко возрос интерес к нетрадиционным видам углеводородного сырья, в частности к горючим (нефтеносным) сланцам. Из-за возросших требований к защите окружающей среды от техногенных загрязнений получение жидких углеводородов из добываемых шахтным или открытым способом сланцев на современном этапе нерентабельно. Однако при реализации скважинного способа разработки залежей сланцев может оказаться рентабельной, так как отходы производства в виде шлака и токсичных «выхлопов» будут захоронены на достаточно больших глубинах, что снизит до минимума затраты на мероприятия по охране окружающей среды.

В России в рамках Федеральной целевой программы « Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» под руководством ОАО «РИТЭК» реализуется проект « Создание и внедрение инновационного технологического комплекса для добычи трудноизвлекаемого и нетрадиционного углеводородного сырья (кероген, битуминозные пески, высоковязкие нефти)». Составная часть этого проекта – разработка технологии добычи углеводородного сырья из отложений Баженовской свиты в Западной Сибири. Слагающие ее породы являются ближайшим аналогом нефтяных сланцев. Помимо газов и жидкой нефти, в отложених Баженовской свиты объемное содержание углеводородов в виде керогена составляет 40%. Освоение углеводородных ресурсов этой свиты – одно из актуальных направлений обеспечения энергетической безопасности страны.

Использование традиционных методов добычи позволяет извлечь лишь несколько процентов от запасов нефти, содержащихся в поровом пространстве, доля которого в отложениях Баженовской свиты в несколько раз меньше пористости нефтенасыщенных коллекторов, разрабатываемых в настоящее время. Основные причины такого положения заключаются в следующем. Баженовская свита представляет собой очень сложный геологический объект, стратиграфически классифицируемый как Ю0, основой которого является органо-минеральный каркас из глинистых, кремнистых и карбонатных пород с высоким содержанием органического вещества - керогена. Углеводороды содержатся в трех агрегатных состояниях: газообразном; жидком (нефть); твердом (нерастворимое в органических растворителях органическое вещество - кероген, который невозможно извлечь за счет процессов дренирования).

До последнего времени усилия специалистов по разработке нефтяных месторождений были сосредоточены на создании технологии наиболее полного извлечения жидкой нефти. Однако даже такой широко распространенный метод интенсификации добычи нефти из низкопроницаемых коллекторов, как гидроразрыв пласта, оказался недостаточно эффективным при разработке залежей нефти Баженовской свиты, в частности, из-за высокого содержания в породе пластичных материалов (глин). Более перспективным для разработки низкопроницаемых коллекторов является использование термических методов. Термические напряжения достаточны для создания трещин, а образующиеся при термодеструкции газы обеспечивают необходимое для предотвращения смыкания трещин давление. Кроме того, в узкой зоне на фронте горения температура может повышаться до 1000 °С и более, что достаточно для обжига глинистых минералов, усадки их примерно на 10 % и потери ими при этом пластических свойств.

Открытая пористость увеличивается кратно и значительная часть нефти, содержащейся в закрытых порах, становится подвижной. Кроме того, происходят процессы превращения керогена, содержание которого в породе иногда достигает 40 %. Кероген является главной частью органического материала в отложениях Баженовской свиты и рассматривается как вещество, генерирующее на стадии катагенеза основное количество нефти и газа.

Отличительная особенность пластов Баженовской свиты - повышенная температура, достигающая 140 °С. Температура вышележащих пластов ачимовской пачки составляет 85-90 °С, нижележащего пласта Ю1 - редко превышает 100 °С. По мнению большинства исследователей, отложения БС - нефтематеринские породы. В результате взаимного влияния органической и минеральной составляющих породы при повышенных температурах, а также условий залегания происходит преобразование керогена в жидкую нефть и газ. Однако такие условия (тонкое смешение пород и наличие значительного количества глинистых веществ) затрудняют эффективную фильтрацию нефти и газа в песчаные коллекторы с развитой открытой пористостью.

Баженовская свита сверху повсеместно экранирована мощной пачкой подачимовских глин, снизу - преимущественно глинистыми породами георгиевской и абалакской свит. В результате возникают зоны аномально высокого пластового давления (АВПД), превышающего гидростатическое в 1,5-2 раза. На всей площади развития отложений Баженовской свиты при ее вскрытии бурением не обнаружено подвижной пластовой воды. Нефти, полученные при испытании скважин отложений Баженовской свиты, легкие, малосернистые и низкопарафинистые. На отдельных участках, где отложения свиты залегают непосредственно на проницаемых породах пласта Ю1 васюганской свиты или отделяются от него слоем часто трещиноватых карбонатно - глинистых пород толщиной несколько метров, образуются литологические окна, служащие путями миграции нефти из Баженовских отложений в нижележащие проницаемые породы.

Поскольку количество керогена, катагенетически готового для преобразования в нефть, чрезвычайно велико, первоочередной технологической задачей является обеспечение условий для ускоренного его преобразования в жидкие и газообразные продукты и создания каналов фильтрации для продвижения как нативной (содержащейся в исходном поровом пространстве) нефти, так и полученной в результате ускоренного преобразования керогена «синтетической» нефти к забоям добывающих скважин.

По данным многочисленных литературных источников искусственное преобразование керогена в «синтетическую» нефть в лабораторных условиях заметно отличается от процессов, проходящих в земной коре. Деструкция керогеновой матрицы и образование углеводородов в условиях лаборатории требуют значительно более высоких температур, поэтому при искусственном пиролизе керогена приходится его нагревать до температуры 400 °С и выше, в то время как процессы нефтеобразования в земной коре происходят при температуре 130-150 °С, но длятся, вероятно, многие миллионы лет.

Это обусловливает некоторое отличие состава продуктов пиролиза керогена от состава углеводородов нефти. В продуктах пиролиза присутствуют олефины, которые практически никогда не наблюдаются в нефтях. В пластовых условиях при сравнительно невысоких температурах (менее 130 °С) преобразование керогена протекает постепенно, при этом успевают происходить процессы перераспределения водорода, характерные для превращений органических соединений, адсорбированных на алюмосиликатах (глинах). В результате образуются насыщенные и ароматические углеводороды, т.е. углеводородные смеси, по составу более близкие к нефтяным.

Отсутствие притоков и нефтепроявлений из БС на значительной площади ее развития, а также низкая нефтеотдача пласта на высокопродуктивных участках обусловлены слабым развитием или практически полным отсутствием трещиноватых интервалов в теле Баженовской свиты на значительных зонах ее развития. Образование широкой сети трещин при воздействии на гидрофобизированные породы свиты не смачивающим породу флюидом под высоким давлением или под влиянием теплового поля либо совместно того и другого позволяет с высокой вероятностью предполагать, что большая часть нефти может быть извлечена из Баженовской свиты при таких воздействиях.

Согласно литературным данным нефтевмещающие породы БС сложены четырьмя основными компонентами: глинистыми минералами (массовое содержание 22-30 %); минералами кремнезема (35-40 %); органическим веществом (10-12 %) и карбонатными минералами (8-52 %), которые образуют большое число литотипов. При этом глинистые минералы могут служить катализаторами газообразующих процессов, в частности, получения синтез газа: С+Н₂О→СО+Н₂ , - являющегося ценным сырьем для органического синтеза.

В пустотном пространстве высококарбонизированных прослоев органическое вещество находится главным образом в виде жидкой нефти, а содержание керогена не превышает единиц процентов. Из-за сравнительно высокой проницаемости этих пород по ним и происходит фильтрация нефти.

Малопроницаемая матрица, хотя и содержит основные запасы органического вещества, вследствие очень высокого фильтрационного со­противления в процессе разработки практически не участвует. Промысловые данные, полученные при разработке месторождений БС, показали, что такие важные для разработки параметры как пустотность, начальный дебит и накопленная добыча хорошо коррелируются с пластовой температурой. Чем выше последняя, тем больше пустотность, выше начальный дебит и, как следствие, накопленная добыча. Исходя из результатов этих исследований, была разработана концепция, обосновывающая использование технологии теплового воздействия, в частности термогазового метода, как наиболее перспективного направления повышения эффективности разработки Баженовской свиты. Из изложенного следует, что основой создания эффективной технологии разработки БС должен стать метод, включающий:

а) преобразование керогена в жидкие или газообразные углеводороды;

б) создание в матрице системы фильтрационных каналов, обеспечивающих поступление из нее флюида в прослои-коллекторы.

Проведенные лабораторные исследования показали, что методы влажного внутрипластового горения: совместной или раздельной закачки в пласты Баженовской свиты воды и воздуха (термогазовый метод) - наиболее технологически и экономически эффективны. При их лабораторном моделировании установлено, что коэффициент извлечения нефти (КИН) может достигать 85-95 %. При этом в результате термической деструкции сапропелевого органического вещества дополнительно образуются жидкие углеводороды и большой объем углеводородного газа.

Целесообразность опробования методов воздействия на отложения БС предопределяется ее широким распространением на территории Западной Сибири, высокой нефтенасыщенностью порового пространства пород, большими геологическими запасами нефти и приуроченностью отложений к обустроенным территориям. Выбор параметров реализуемой технологии предопределен конкретными геолого-физическими и коллекторскими харак­теристиками. В связи с этим актуально создание методики изучения значимых для реализации технологии свойств образцов породы БС и ее нефтегенерационного потенциал.