Sette fatti chiave su FGP Fracking o fratturazione idraulica: tecnologia, storia, attrezzature

Questa tecnologia, che è stata utilizzata per intensificare il lavoro e aumentare la produzione dei pozzi petroliferi per più di mezzo secolo, provoca forse il dibattito più acceso tra ecologisti, scienziati, cittadini comuni e spesso anche gli stessi lavoratori dell'industria estrattiva . Nel frattempo, la miscela che viene pompata nel pozzo durante la fratturazione idraulica è costituita dal 99% di acqua e sabbia e solo dall'1% di sostanze chimiche.

Cosa ostacola il recupero dell'olio

La ragione principale della bassa produttività dei pozzi insieme alla scarsa permeabilità naturale della formazione e alla perforazione di scarsa qualità è una diminuzione della permeabilità della zona di formazione del pozzo di fondo. Questo è il nome dell'area della formazione intorno al pozzo, che è soggetta agli effetti più intensi di vari processi che accompagnano la costruzione del pozzo e il suo successivo funzionamento e violano l'equilibrio iniziale dello stato meccanico e fisico-chimico della formazione. La perforazione stessa modifica la distribuzione delle sollecitazioni interne nella roccia circostante. Una diminuzione della produttività del pozzo durante la perforazione si verifica anche a causa della penetrazione del fluido di perforazione o del suo filtrato nella zona di formazione del pozzo di fondo.

La scarsa perforazione dovuta all'utilizzo di perforatori di bassa potenza, soprattutto nei pozzi profondi, dove l'energia dell'esplosione delle cariche è assorbita dall'energia delle alte pressioni idrostatiche, può essere anche la ragione della bassa produttività dei pozzi.

Durante il funzionamento dei pozzi si verifica anche una diminuzione della permeabilità della zona di formazione del pozzo di fondo, accompagnata da una violazione dell'equilibrio termobarico nel sistema di formazione e dal rilascio di gas liberi, paraffina e sostanze resinose di asfalto dal petrolio, che ostruiscono lo spazio dei pori del serbatoio. Si nota anche un'intensa contaminazione della zona di formazione del pozzo di fondo a causa della penetrazione di fluidi di lavoro in essa durante varie operazioni di workover nei pozzi. L'iniettività dei pozzi di iniezione si deteriora a causa dell'ostruzione dello spazio poroso della formazione con prodotti di corrosione, limo, prodotti petroliferi contenuti nell'acqua iniettata. Come risultato di tali processi, la resistenza alla filtrazione di liquidi e gas aumenta, le portate dei pozzi diminuiscono e c'è bisogno di un'influenza artificiale sulla zona di formazione del fondo per aumentare la produttività dei pozzi e migliorare la loro connessione idrodinamica con la formazione.

Tecnologiafracking

Per migliorare il recupero del petrolio, intensificare il funzionamento dei pozzi di petrolio e di gas e aumentare l'iniettività dei pozzi di iniezione, viene utilizzato il metodo di fratturazione idraulica o fracking. La tecnologia consiste nel creare una frattura ad alta conduttività nella formazione del bersaglio sotto l'azione di un fluido immesso in esso in pressione per garantire l'afflusso del fluido prodotto sul fondo del pozzo. Dopo la fratturazione idraulica, la portata del pozzo, di regola, aumenta bruscamente - o il prelievo è significativamente ridotto. La tecnologia della fratturazione idraulica consente di "rivitalizzare" pozzi inattivi, dove la produzione di petrolio o gas con i metodi tradizionali non è più possibile o non redditizia.

La fratturazione idraulica (fratturazione idraulica) è uno dei mezzi più efficaci per aumentare la produttività dei pozzi, poiché porta non solo all'intensificazione dello sviluppo delle riserve situate nella zona di drenaggio del pozzo, ma anche, in determinate condizioni, rende è possibile espandere significativamente questa zona introducendo zone scarsamente drenate nella produzione e intercalari - e, quindi, ottenere un recupero finale dell'olio più elevato.

Storiametodo di fratturazione idraulica

I primi tentativi di intensificare la produzione di petrolio dai pozzi petroliferi risalgono al 1890. Negli Stati Uniti, dove la produzione di petrolio si stava sviluppando a un ritmo rapido in quel momento, è stato testato con successo un metodo per stimolare la produzione da rocce strette usando la nitroglicerina. L'idea era di far esplodere la nitroglicerina per schiacciare le rocce strette nella zona del fondo del pozzo e garantire un aumento del flusso di petrolio sul fondo. Il metodo è stato applicato con successo per qualche tempo, nonostante il suo evidente pericolo.

La prima fratturazione idraulica di successo commerciale fu effettuata nel 1949 negli Stati Uniti, dopodiché il numero iniziò ad aumentare drasticamente. A metà degli anni '50, il numero di operazioni di fratturazione idraulica eseguite ha raggiunto 3000 all'anno. Nel 1988, il numero totale di lavori di fratturazione eseguiti ha superato 1 milione, e questo è solo negli Stati Uniti.

Nella pratica domestica, il metodo della fratturazione idraulica è stato utilizzato dal 1952. Il picco di applicazione del metodo è stato raggiunto nel 1959, dopo di che il numero di operazioni è diminuito, e quindi questa pratica è cessata del tutto. Dall'inizio degli anni '70 alla fine degli anni '80, la fratturazione idraulica nella produzione nazionale di petrolio su scala industriale non è stata effettuata. In connessione con la messa in servizio di grandi giacimenti petroliferi nella Siberia occidentale, la necessità di intensificare la produzione è semplicemente scomparsa.

… E oggi è

La ripresa della pratica della fratturazione idraulica in Russia è iniziata solo alla fine degli anni '80. Attualmente, le posizioni di primo piano in termini di numero di operazioni di fratturazione idraulica sono detenute da Stati Uniti e Canada. Seguono la Russia, in cui l'uso della tecnologia di fratturazione idraulica è prodotto principalmente nei giacimenti petroliferi nella Siberia occidentale. La Russia è praticamente l'unico paese (senza contare l'Argentina) al di fuori degli Stati Uniti e del Canada dove la fratturazione idraulica è una pratica comune ed è percepita in modo abbastanza adeguato. In altri paesi, l'applicazione della tecnologia di fratturazione è difficile a causa di pregiudizi locali e fraintendimenti della tecnologia. In alcuni di essi, vi sono restrizioni significative all'uso della tecnologia di fratturazione idraulica, fino al divieto assoluto del suo utilizzo.

Un certo numero di esperti sostiene che l'uso della tecnologia di fratturazione nella produzione di petrolio è un approccio irrazionale e barbaro all'ecosistema. Allo stesso tempo, il metodo è ampiamente utilizzato da quasi tutte le principali compagnie petrolifere.

L'uso della tecnologia di fratturazione idraulica è piuttosto esteso, dai giacimenti a bassa permeabilità a quelli ad alta permeabilità in gas, condensati di gas e pozzi petroliferi. Inoltre, utilizzando la fratturazione idraulica, è possibile risolvere problemi specifici, ad esempio eliminare la produzione di sabbia nei pozzi, ottenere informazioni sulle proprietà del giacimento degli oggetti di prova nei pozzi di esplorazione, ecc.

Negli ultimi anni, lo sviluppo di tecnologie di fratturazione idraulica in Russia mira ad aumentare il volume di iniezione del propappante, la produzione di fratturazione dell'azoto e la fratturazione idraulica a più stadi nel giacimento.

Attrezzature perfrattura idraulica

L'attrezzatura necessaria per la fratturazione idraulica è prodotta da numerose imprese, sia straniere che nazionali. Uno di questi è la società TRUST-ENGINEERING, che offre una vasta gamma di attrezzature per la fratturazione idraulica in un design standard e sotto forma di modifica eseguita su richiesta del cliente. .

Come vantaggio competitivo dei prodotti di TRUST-ENGINEERING LLC, è necessario notare l'elevata quota di localizzazione della produzione; applicazione delle più moderne tecnologie progettuali e produttive; utilizzo di unità e componenti dei leader mondiali del settore. È inoltre importante notare l'elevata cultura del design, della produzione, della garanzia, del post-garanzia e del servizio post-vendita insita negli specialisti dell'azienda. Le attrezzature per la fratturazione idraulica prodotte da TRUST-ENGINEERING LLC sono più facili da acquistare grazie alla presenza di uffici di rappresentanza a Mosca (Federazione Russa), Tashkent (Repubblica dell'Uzbekistan), Atyrau (Repubblica del Kazakistan), nonché a Pancevo (Serbia) .

Naturalmente, il metodo di fratturazione idraulica, come qualsiasi altra tecnologia utilizzata nell'industria mineraria, non è esente da alcuni svantaggi. Uno degli svantaggi del fracking è che l'effetto positivo dell'operazione può essere annullato da situazioni impreviste, il cui rischio con un intervento così ampio è piuttosto elevato (ad esempio, è possibile una violazione imprevista della tenuta di un vicino serbatoio d'acqua ). Allo stesso tempo. la fratturazione idraulica è oggi uno dei metodi più efficaci di stimolazione dei pozzi, aprendo non solo formazioni a bassa permeabilità, ma anche serbatoi di media e alta permeabilità. Il massimo effetto della fratturazione idraulica può essere ottenuto introducendo un approccio integrato alla progettazione della fratturazione idraulica come elemento del sistema di sviluppo, tenendo conto di vari fattori, come la conduttività del giacimento, il sistema di posizionamento dei pozzi, il potenziale energetico del giacimento, la meccanica della frattura, caratteristiche del fluido di fratturazione e del proppante, vincoli tecnologici ed economici. ...

Direttore ICT SB RAS Dottore in Scienze Fisiche e Matematiche Sergey Grigorievich Cherny.

Perché è necessaria la fratturazione idraulica (fratturazione idraulica), perché è necessario modellarla, cos'è un modello avanzato e chi è interessato a questo - a queste e ad altre domande risponde il direttore dell'Istituto di tecnologie computazionali dell'SB RAS, Dottore in scienze fisiche e matematiche Sergei Grigorievich Cherny.

1. A cosa serve la fratturazione idraulica?

La fratturazione idraulica è stata inventata per lo sviluppo di giacimenti minerari e la costruzione di strutture sotterranee in condizioni geologiche e fisiche difficili - quando sono necessari metodi di distruzione controllata e scarico della massa rocciosa, la creazione di sistemi di drenaggio in essi, schermi isolanti e così via . La fratturazione idraulica occupa un posto speciale tra i metodi per intensificare il funzionamento dei pozzi di produzione di petrolio e gas e aumentare l'iniettività dei pozzi di iniezione. Nel 2015-2017 sono state eseguite 14-15 mila operazioni di fratturazione idraulica in Russia all'anno, negli Stati Uniti - circa 50 mila.

Il metodo della fratturazione idraulica consiste nel creare una frattura ad alta conduttività in un ammasso roccioso intatto per garantire il flusso sul fondo del pozzo di gas, petrolio, loro miscele, condense, acidi ecc. La pressione di iniezione è superiore alla pressione di frattura, quindi si forma una frattura. Per fissarlo allo stato aperto, viene utilizzato il proppant per incuneare la frattura o l'acido, che corrode le pareti della frattura creata. Il nome proppant deriva dall'abbreviazione inglese "propping agent" - proppant. In questa veste, ad esempio, vengono utilizzate sabbia di quarzo o speciali sfere di ceramica, che sono più forti e più grandi e, quindi, più permeabili.

2. Perché è necessaria la modellazione della fratturazione idraulica?

La creazione di una tecnologia di fratturazione idraulica richiede la modellizzazione del suo processo. Ciò consente di prevedere la geometria della frattura e di ottimizzare l'intera tecnologia di fratturazione idraulica. In particolare, è molto importante assicurare la corretta conformazione della frattura nella sezione iniziale della sua propagazione in prossimità del pozzo. Deve essere privo di curve strette, che possono portare alla comparsa di tappi che ostruiscono il canale per il pompaggio del petrolio o del gas prodotto. Sorge una domanda naturale: dove ottenere i dati geofisici sul giacimento, come permeabilità, porosità, compressibilità, stato tensionale e altri, necessari per il funzionamento del modello?

Questa domanda è sorta molto prima che lo sviluppo della tecnologia della fratturazione idraulica e la scienza proponessero molti metodi per determinare i vari parametri del problema. Questi includono l'analisi delle carote (campioni di roccia ottenuti durante la perforazione), e più sensori di pressione e deformazione installati in diverse parti del pozzo, e metodi sismici, in cui i confini dei vari materiali nella roccia sono determinati dal tempo di passaggio del materiale elastico onde indotte dalla superficie, e i loro parametri, e anche misurazioni della radioattività naturale, che possono mostrare, ad esempio, la posizione degli strati di argilla.

I geofisici dispongono di tecnologie comprovate, comprese quelle basate sulla perforazione sul campo e sulle misurazioni geofisiche, per determinare le principali sollecitazioni che si verificano in un massiccio intatto. Viene utilizzata anche una tecnologia mini-frac, in cui, in base ai parametri ottenuti nel processo di creazione di una piccola frattura, vengono calibrati modelli, in base ai quali verrà previsto il comportamento di una frattura più grande. Naturalmente, nessuno degli approcci può fornire un quadro completo, pertanto i metodi per ottenere informazioni sul serbatoio vengono costantemente migliorati, anche presso il nostro istituto. Ad esempio, abbiamo dimostrato che i parametri di fratturazione della roccia circostante il pozzo possono essere determinati risolvendo problemi inversi basati su modelli di filtrazione del fango di perforazione e dipendenze di pressione misurate nel pozzo. Determiniamo anche la struttura e i parametri dell'area vicino al pozzo in base ai risultati della registrazione del pozzo, risolvendo il problema inverso basato sulle equazioni di Maxwell.

3. Da quanto tempo viene eseguita la modellazione della fratturazione idraulica?

Relativamente molto tempo fa, dagli anni '50 del XX secolo, quasi subito dopo la fratturazione idraulica come metodo per aumentare la produttività di un pozzo, iniziò ad essere utilizzato. Allo stesso tempo, nel 1955, fu proposto uno dei primi modelli di fratturazione idraulica: il modello Khristianovich-Zheltov, che fu ulteriormente sviluppato nel lavoro di Girtsma e de Klerk ed è conosciuto in tutto il mondo come Christianovich-Girtsma-de Klerk (KGD). Poco dopo, sono stati creati due modelli più noti e ampiamente utilizzati: il modello Perkins-Kern-Nordgren (PKN) e il modello di frattura piatto-radiale. Questi tre modelli rappresentano rispettivamente tre concetti geometrici di base in una varietà di modelli piatti unidimensionali:

• propagazione rettilinea della cricca da una sorgente lineare di altezza infinita;
• propagazione rettilinea della cricca da una sorgente lineare di altezza finita;
• propagazione radiale simmetrica della cricca da una sorgente puntiforme.

Tre concetti di base e le loro modifiche descrivono abbastanza bene la fratturazione idraulica per i tipici orientamenti dei pozzi nei giacimenti di petrolio e gas convenzionali, che comportano perforazioni verticali o direzionali e una frattura idraulica per pozzo. Questi modelli non hanno perso la loro rilevanza e, per la loro velocità, sono utilizzati nei moderni simulatori di fratturazione idraulica, sia per ottenere informazioni primarie sulla frattura, sia per ottimizzare i parametri di fratturazione idraulica.

Tuttavia, allo stato attuale, a causa dell'esaurimento delle riserve tradizionali, facilmente recuperabili, lo sviluppo di giacimenti non convenzionali, caratterizzati da una struttura più complessa di giacimenti di petrolio e gas, sta prendendo sempre più piede nel mondo. Caratteristiche distintive di tali giacimenti sono la permeabilità di giacimento bassa (sabbia densa) e ultra bassa (gas da scisto e olio) o, al contrario, estremamente elevata (arenaria con olio pesante), la presenza di un sistema ramificato di fratture, che può contenere una o più famiglie orientate in direzioni diverse e incrociate. Molto spesso, lo sviluppo di tali campi non convenzionali diventa economicamente non redditizio senza uno stimolo alla produzione come la fratturazione idraulica. Allo stesso tempo, i modelli di fratturazione idraulica tradizionali non descrivono adeguatamente questi processi e sono necessari nuovi modelli più sofisticati (moderni, avanzati, migliorati).

4. ICT SB RAS è in grado di risolvere il problema della modellazione della fratturazione idraulica per i campi non convenzionali?

La fratturazione idraulica è una tecnologia complessa e lo sviluppo di un modello dell'intero processo non è in potere di un'istituzione, quindi team di scienziati di tutto il mondo si stanno concentrando su diverse parti di questa tecnologia. IVT ha una vasta esperienza nella modellazione della fase iniziale della propagazione della frattura idraulica: dalla sua formazione al raggiungimento di una dimensione di diversi metri. In questa fase, a differenza di una fessura sviluppata, le cui dimensioni raggiungono già centinaia di metri, la curvatura è fortemente e fortemente influenzata, che deve essere presa in considerazione.

Pertanto, stiamo sviluppando una direzione per migliorare i modelli in termini di considerazione della tridimensionalità del processo di propagazione. Per una descrizione realistica della propagazione del fronte di fessura in un caso tridimensionale arbitrario, è necessario applicare un criterio tridimensionale per trovare l'incremento del fronte di fessura e scegliere la direzione della sua propagazione, tenendo conto del misto carico in tutte e tre le modalità di sollecitazione. Tra i lavori esistenti dedicati ai modelli tridimensionali di propagazione, la deflessione del fronte della fessura è determinata solo dal secondo modo. Usano criteri piatti bidimensionali. Abbiamo costruito e verificato un nuovo modello numerico completamente tridimensionale della propagazione della frattura dalla cavità sotto l'influenza della pressione di un fluido iniettato di reologia complessa con un criterio di propagazione tridimensionale. Ha permesso di descrivere l'evoluzione della fessura dal momento della sua formazione al raggiungimento della direzione principale, tenendo conto della sua curvatura.

Un'altra caratteristica distintiva di questo modello è la considerazione simultanea del pozzo stesso e del carico variabile causato dal flusso di fluido nella frattura che si propaga dal pozzo. Tipicamente, nel lavoro di propagazione della frattura 3D, il pozzo non è presente nel modello. Nel migliore dei casi si considera un carico variabile nella frattura, causato dall'iniezione di fluido newtoniano in essa da una sorgente puntiforme.

Va inoltre notato che lo sviluppo tecnologico dei giacimenti non convenzionali è accompagnato dalla progettazione di nuovi fluidi di fratturazione e vari additivi ad essi (fibre, gregge, ecc.), Che modificano significativamente il comportamento reologico di questi fluidi. Ad esempio, il crescente interesse per giacimenti non convenzionali densi e ultra-densi con alto contenuto di argilla ha portato allo sviluppo di formulazioni speciali con frazioni di gas elevate e frazioni di acqua basse. Questi fluidi non alterano le proprietà di filtrazione della roccia e non ne provocano la distruzione fisica durante la loro iniezione.

Nella nostra monografia, pubblicata nel 2016, generalizziamo i modelli di frattura sviluppati dall'ICT SB RAS. Raccoglie i risultati pubblicati nelle riviste più votate incluse nelle basi di citazione di WoS e Scopus, come Engineering Fracture Mechanics, International Journal of Fracture e altri.

5. Perché hai bisogno di un modello modificato?

Come sarà localizzato il crack sviluppato è più o meno noto. C'è un termine piano di frattura preferito - il piano di propagazione della cricca preferita. Se sono noti gli sforzi (forze) che comprimono la roccia e le loro direzioni (è anche un problema determinarli, i geofisici sono impegnati in esso), allora questo piano non è difficile da determinare. Nei modelli e simulatori moderni, l'attenzione si concentra sulla configurazione della frattura in questo piano. Quando una frattura è appena originata da un pozzo, la posizione e la direzione sono influenzate non solo dalle sollecitazioni nella roccia, ma anche dal pozzo, dall'involucro e dalle perforazioni (fori nella roccia), dalla loro forma, dimensione. E la direzione della fessura all'inizio del processo non coincide sempre con il piano in cui giacerà la fessura sviluppata. Inevitabilmente, si verifica la curvatura della cricca, in cui si verifica la compressione della cricca. Tale pizzicamento può non solo portare all'adesione del proppante, ma anche causare una forte caduta di pressione vicino al pozzo. Ora nei simulatori, questa caduta di pressione viene presa in considerazione utilizzando un coefficiente empirico - il fattore pelle, e non con molto successo. Il nostro modello ci consente di prevedere e descrivere in modo più accurato questo effetto.

6. Il modello di fratturazione idraulica modificato può essere applicato direttamente ai campi?

Inizialmente, IWT non era focalizzato sull'implementazione di modelli noti e sullo sviluppo di tecnologie, ma si concentrava sulla creazione delle loro basi scientifiche. Tuttavia, queste basi hanno anche un'applicazione pratica diretta. Ad esempio, all'inizio del processo di frattura, è necessaria più pressione per iniziare una frattura che per mantenerla. E non è sempre facile determinare questa pressione e la quantità e il tipo di attrezzatura necessaria dipendono da essa. Nella letteratura mondiale vengono presentate stime analitiche approssimative, ci sono stati tentativi di calcoli, ma non è stata trovata la soluzione finale al problema. Abbiamo sviluppato un modello di inizio della frattura, che (il modello) prevede sia la pressione di frattura che il tipo di frattura formata e il suo orientamento dalla configurazione e dalle sollecitazioni nella roccia.

Questo modello non può essere applicato direttamente sul campo. Il calcolo e la configurazione richiedono del tempo. Inoltre, è richiesta una conoscenza precisa delle direzioni delle sollecitazioni, dei loro valori e delle direzioni di perforazione. Di solito, questa informazione non è disponibile, poiché l'accuratezza della misurazione non è sempre sufficiente, a causa del costo elevato, non vengono misurate tutte le sollecitazioni nella formazione, le direzioni delle perforazioni non possono essere determinate con precisione, poiché ci sono diversi chilometri dal luogo in cui l'involucro è fissato alle perforazioni.

Ma il modello può dire quali orientamenti del pozzo sono i più pericolosi dal punto di vista della fratturazione idraulica non riuscita, dal punto di vista della formazione di una frattura longitudinale (che è indesiderabile nella fratturazione idraulica a più stadi), la pressione intervalli necessari per iniziare la fratturazione idraulica. Ad esempio, abbiamo effettuato uno studio del genere per ordine della società Schlumberger per un campo in Oman, che si trova a una profondità di oltre quattro chilometri ed è altamente compresso non solo verticalmente, ma anche orizzontalmente, motivo per cui c'erano meno tentativi di fratturazione riusciti su di esso.

7. Qual è il futuro della fratturazione idraulica nel contesto del "nuovo petrolio"

Lo stato attuale delle tradizionali riserve di petrolio e gas può essere caratterizzato dalla parola "esaurimento". Una quantità crescente viene prodotta da giacimenti non convenzionali e difficili da recuperare. Esempi sono i portatori del cosiddetto "olio di scisto" o, per usare il termine corretto, "olio a bassa permeabilità" negli Stati Uniti e in Canada, o la formazione di Bazhenov in Russia. Quest'ultimo, sebbene disponga di enormi riserve, è molto più difficile da sviluppare. La roccia ha molte caratteristiche non solo rispetto ai bacini tradizionali, ma anche allo "shale" popolare nel continente americano. Innanzitutto, queste sono la permeabilità e la porosità, che sono rispettivamente centinaia e decine di volte deboli. Cioè, contiene meno olio e si sposta in peggio. Il petrolio da tali rocce non può essere prodotto senza l'uso della fratturazione idraulica.

In secondo luogo, rocce di questo tipo sono caratterizzate da forte stratificazione e plasticità, o meglio fluidità, elevata pressione interstiziale, che complica sia la fratturazione idraulica che la sua modellazione. Dal punto di vista di quest'ultimo, è necessario tenere conto anche dell'anisotropia delle sollecitazioni, del materiale, degli effetti plastici quando si descrive la propagazione della cricca, della non linearità delle deformazioni quando la cricca si deposita sul puntello. Vorrei sottolineare che, oltre alla fratturazione idraulica stessa, lo sviluppo di questa formazione richiede la soluzione di molti problemi scientifici e tecnologici, su cui stanno lavorando gli scienziati a Skolkovo e all'Università statale di Mosca, a San Pietroburgo ea Novosibirsk.

Negli ultimi decenni, l'industria globale del gas nei paesi sviluppati si è evoluta in una delle industrie tecnologicamente più avanzate. L'introduzione delle alte tecnologie ha trasformato l'industria e l'ha resa uno dei leader tecnologici dell'economia mondiale.

Essendo uno dei combustibili fossili più puliti e più abbondanti al mondo, il gas naturale viene sempre più utilizzato per generare energia. Ciò porta a una domanda sempre crescente di questo tipo di vettore energetico. Allo stesso tempo, come previsto da alcuni esperti, il consumo di carburante blu continuerà a crescere. In particolare, l'Agenzia internazionale per l'energia (Aie) prevede per i prossimi anni un'“età dell'oro” per il gas naturale. Sostituirà sempre più altri vettori energetici e la sua quota nell'energia mondiale crescerà fino al 25% entro il 2035 e oltre, rispetto all'attuale 21%.

L'industria del gas deve stare al passo con la crescente domanda e produrre più gas naturale, anche attraverso una crescita di qualità, cioè attraverso l'introduzione dell'innovazione tecnologica. Un potenziale significativo per l'ulteriore sviluppo dell'industria del gas risiede nello sviluppo dell'estrazione di fonti non convenzionali di gas naturale. Quindi, negli ultimi anni, lo sviluppo del gas di scisto negli Stati Uniti si è sviluppato rapidamente. A loro volta, per la Russia, sono rilevanti le tecnologie per l'estrazione del metano dai giacimenti di carbone. In particolare, nel russo "Gazprom" questa direzione è chiamata una delle direzioni principali della strategia di espansione della base di risorse della società del gas. Un posto speciale per espandere la base di risorse per le compagnie petrolifere e del gas nazionali ed estere è occupato dall'attuazione di progetti per la produzione di gas naturale sulla piattaforma marina, anche nell'Artico.

Questa sezione mette in evidenza alcune delle innovazioni che hanno trasformato l'industria del gas. Spiccano innanzitutto le tecnologie nel campo dell'esplorazione e della produzione. Inoltre, racconta le innovazioni che hanno ampliato il potenziale di utilizzo del gas naturale come combustibile e gli hanno permesso di rivendicare il ruolo di vettore energetico più promettente del 21° secolo.

Nuove tecnologie nel segmento dell'esplorazione e della produzione

Le innovazioni tecnologiche nel settore dell'esplorazione e della produzione hanno aperto nuove opportunità per l'industria per aumentare la produzione di gas naturale e soddisfare la crescente domanda. È importante che queste tecnologie siano riuscite a rendere l'esplorazione e la produzione di gas naturale più efficienti, sicure e rispettose dell'ambiente. Alcune delle innovazioni tecnologiche in questo settore sono riassunte di seguito:

o 3 Esplorazione sismica D e 4D- lo sviluppo dell'esplorazione sismica, che consente di ottenere e analizzare i dati sulla densità delle rocce in tre dimensioni, ha notevolmente modificato la natura della produzione di gas naturale. L'esplorazione sismica 3D combina le tradizionali tecniche di imaging sismico con potenti computer per creare modelli 3D degli strati del sottosuolo. Il rilievo sismico 4D li integra e consente di osservare i cambiamenti delle caratteristiche nel tempo. Grazie al 3D e al 4D, è diventato più facile identificare i campi promettenti, aumentare l'efficienza del loro sviluppo, ridurre il numero di pozzi asciutti, ridurre i costi di perforazione e ridurre anche i tempi di ricerca. Tutto questo porta a benefici economici e ambientali.

o CO 2 - Sabbia - Frac(frattura idraulica). Dal 1970 è stato utilizzato il metodo della fratturazione idraulica, che ha permesso di aumentare la resa di gas naturale e petrolio da formazioni sotterranee. La tecnologia di fratturazione idraulica CO2 - sabbia utilizza una miscela di sabbia proppante e CO2 liquida per formare ed espandere le fratture attraverso le quali petrolio e gas naturale possono fluire più liberamente. La CO2 poi evapora, lasciando in formazione solo sabbia senza che vengano rimossi altri residui del processo di fratturazione. Questa tecnologia consente di aumentare l'estrazione di gas naturale e allo stesso tempo non danneggia l'ambiente, poiché non crea rifiuti nel sottosuolo e protegge anche le risorse idriche sotterranee.

o Tubi a spirale(tubo a spirale) - una delle aree più dinamiche al mondo nella produzione di apparecchiature petrolifere e del gas. Il metodo di funzionamento dei pozzi con tubi a spirale si basa sull'uso di tubi flessibili senza maniche durante la perforazione e il funzionamento dei pozzi. Le tecnologie dei tubi a spirale includono un componente metallurgico - la produzione di tubi flessibili metallici speciali, la progettazione - la progettazione di apparecchiature di terra e fondo pozzo e la strumentazione del programma di elaborazione delle informazioni. Le tecnologie dei tubi a spirale riducono significativamente i costi di perforazione, nonché la probabilità di incidenti e fuoriuscite di petrolio, riducono la quantità di rifiuti e riducono il tempo di lavoro di 3-4 volte rispetto ai metodi tradizionali. I tubi a spirale possono essere utilizzati in combinazione con operazioni di perforazione impegnative per migliorare l'efficienza di perforazione, ottenere tassi di recupero di idrocarburi più elevati e avere un impatto ambientale inferiore.

o Sistemi di telemetria. Nella letteratura straniera, tali sistemi sono chiamati MWD (misurazione durante la perforazione) - sistemi sviluppati per misurare i parametri di perforazione e trasmettere informazioni alla superficie. Le informazioni ricevute ed elaborate utilizzando le moderne tecnologie di telemetria consentono agli operatori sul campo di monitorare il processo di perforazione, riducendo la probabilità di errori e incidenti. Inoltre, l'uso di sistemi di telemetria può essere utile per i geologi, fornendo informazioni sulle proprietà della roccia da perforare.

o Foratura sottile. Questa tecnologia può migliorare significativamente l'efficienza delle operazioni di perforazione e ridurre l'impatto ambientale. È un metodo economicamente valido per perforare pozzi esplorativi in ​​nuove aree, pozzi profondi in giacimenti esistenti e per estrarre gas naturale da giacimenti non sfruttati.

o Perforazione in alto mare(perforazione in acque profonde) . La tecnologia di perforazione in acque profonde ha fatto un grande balzo in avanti negli ultimi anni. Attualmente, consentono lo sviluppo sicuro ed efficiente dei depositi in acque oltre i 3 km. Attualmente, le principali direzioni per l'ulteriore sviluppo di queste tecnologie sono il miglioramento degli impianti di perforazione offshore, lo sviluppo di dispositivi di posizionamento dinamico e la creazione di complessi sistemi di navigazione.

o Frattura idraulica(fracking) - un metodo che consente lo sviluppo di depositi di idrocarburi, incluso il gas di scisto. Consiste nel fatto che una speciale miscela di acqua, sabbia e reagenti chimici viene pompata in una formazione rocciosa contenente gas ad alta pressione. Le fratture si formano nello strato portante il gas sotto pressione, attraverso le quali gli idrocarburi penetrano nel pozzo. Ora la fratturazione idraulica è ampiamente utilizzata nello sviluppo di giacimenti di petrolio e gas. Tuttavia, negli ultimi anni, le preoccupazioni sui rischi associati all'estrazione di questo metodo non si sono placate. La tecnologia di cui sopra è irta di inquinamento delle acque; inoltre, esiste un potenziale rischio di relazione tra l'uso del metodo della fratturazione idraulica e l'attività sismica.

I progressi tecnologici elencati forniscono solo una parte delle complesse tecnologie che sono state introdotte nella pratica nel campo dell'esplorazione e della produzione di gas naturale e vengono costantemente migliorate. Queste tecnologie hanno permesso all'industria del gas di ottenere migliori risultati economici e di sviluppare giacimenti che in precedenza erano considerati non redditizi.

A loro volta, esistono tecnologie che aprono la strada a un più ampio utilizzo del potenziale del gas naturale come vettore energetico. Questo è, prima di tutto, l'uso del gas naturale liquefatto, che ha rivoluzionato l'industria del gas. Inoltre, l'uso delle celle a combustibile apre grandi prospettive.

o Gas naturale liquefatto. Una delle aree più promettenti per lo sviluppo dell'industria del gas è lo sviluppo di nuove tecnologie e attrezzature per la produzione, lo stoccaggio, il trasporto e l'uso e la creazione di attrezzature per la liquefazione del gas naturale. Il GNL è un normale gas naturale che viene liquefatto artificialmente mediante refrigerazione a -160 ° C. Allo stesso tempo, il suo volume diminuisce di 600 volte. Il GNL è considerato una delle fonti energetiche più promettenti e rispettose dell'ambiente con una serie di vantaggi. Innanzitutto, è più facile da trasportare e stoccare rispetto al gas naturale convenzionale. Pertanto, nella sua forma liquida, il GNL non ha la capacità di esplodere o incendiarsi. Un vantaggio particolarmente importante del GNL in termini di sicurezza energetica è che può essere consegnato ovunque nel mondo, compresi quelli dove non ci sono gasdotti principali. Pertanto, per molti paesi, l'importanza del GNL sta aumentando sempre di più. In particolare, in Giappone, quasi il 100% del fabbisogno di gas è coperto dalle importazioni di GNL.

o Celle a combustibile. Attualmente, la ricerca continua nel campo della creazione di tecnologie economicamente interessanti per l'uso di celle a combustibile basate sul gas naturale. Sono in grado di fare un salto di qualità nell'uso del carburante blu, ampliando radicalmente il campo di applicazione del gas naturale. Si prevede che gli sviluppi nella produzione di elettricità da celle a combustibile creeranno presto una fonte di energia conveniente, sicura ed ecologica per i trasporti, l'industria e la sfera domestica. Le celle a combustibile sono simili alle batterie ricaricabili. Funzionano trasferendo un flusso di carburante (solitamente idrogeno) e ossidante ad elettrodi separati da un elettrolita. Eliminando la fase di combustione intermedia, è possibile aumentare l'efficienza del processo di generazione di energia. Pertanto, l'efficienza delle celle a combustibile è molto superiore a quella della generazione tradizionale che utilizza combustibili fossili. È importante che l'uso delle celle a combustibile possa ridurre drasticamente la quantità di emissioni nocive. Ad esempio, in alcuni tipi di celle a combustibile, i prodotti di reazione sono solo acqua e calore. Altri vantaggi delle celle a combustibile includono la loro affidabilità e la capacità di creare, sulla loro base, fonti energetiche compatte in grado di funzionare in modo autonomo.

Sviluppo di innovazioni nell'industria del gas in Russia

Il livello di sviluppo dell'innovazione nell'industria del gas russa è in uno stato insoddisfacente. In quasi tutte le aree chiave, gli stranieri sono tecnologicamente superiori alle aziende nazionali. In particolare, sono molto più in grado di lavorare sullo scaffale, utilizzano ampiamente metodi all'avanguardia per il recupero avanzato del petrolio e tecnologie di perforazione avanzate.

Le aziende russe sono piuttosto riluttanti a investire i propri fondi nei propri sviluppi tecnologici, che non garantiscono vantaggi commerciali e richiedono molti anni di investimenti nella produzione pilota. A loro volta, gli istituti di ricerca che lavorano per compagnie petrolifere e del gas o eseguono sviluppi per loro conto spesso semplicemente non sono pronti a risolvere compiti a lungo termine che richiedono grandi investimenti e sono accompagnati da rischi elevati.

Pertanto, il complesso del gas domestico investe principalmente solo nell'acquisizione di apparecchiature ad alta tecnologia. Di conseguenza, oggi l'industria del gas è diventata fortemente dipendente dal trasferimento di innovazioni dall'estero. Ciò, in particolare, avviene attirando appaltatori occidentali in progetti congiunti per trivellazioni in Russia. Inoltre, le società nazionali stanno attivamente prendendo in prestito la banca di ingegneria che hanno i leader del settore del gas e adattando le loro tecnologie progressive alle proprie risorse del sottosuolo.

Oggi, gli investimenti del complesso del gas in nuove tecnologie e sviluppi innovativi possono essere suddivisi in quattro aree.

La Russia prevede un aumento della pressione delle sanzioni. Il Regno Unito e gli Stati Uniti sono attivamente alla ricerca di nuovi motivi per discriminare le imprese russe. Tuttavia, i risultati dell'ultima ondata di sanzioni, iniziata nel 2014, sono tutt'altro che univoci. Anche studi indipendenti mostrano che il complesso russo di combustibili ed energia non ha sofferto molto delle restrizioni, inoltre, sono stati loro a spingere lo sviluppo dell'industria in Russia. Secondo gli esperti del settore, anche il possibile rafforzamento delle sanzioni anti-russe non diventerà critico per il complesso russo di combustibili ed energia, ma solo se il governo e le compagnie energetiche mobiliteranno le forze in tempo per creare un'industria ingegneristica nazionale che produca attrezzature per l'estrazione di riserve petrolifere difficili da recuperare (TRIZ).

La Russia deve imparare come estrarre TRIZ

Alla vigilia, il Centro Energetico della SKOLKOVO Business School ha presentato i risultati della sua ricerca” Prospettive per la produzione petrolifera russa: la vita sotto sanzioni”, Che ha analizzato l'impatto delle sanzioni imposte dagli Stati Uniti e dall'UE sul settore petrolifero russo, in particolare, sulla messa in servizio di nuovi giacimenti tradizionali in Russia, sullo sviluppo di progetti offshore e sulla produzione di petrolio Bazhenov. Gli autori dello studio hanno anche fatto una previsione di scenario della produzione petrolifera russa fino al 2030.

Il documento rileva che all'orizzonte fino al 2020, nonostante tutte le restrizioni, la Russia ha il potenziale per aumentare ulteriormente i volumi di produzione a scapito dei campi già preparati. Questo potenziale di rialzo a breve termine, tuttavia, potrebbe essere limitato da accordi con l'OPEC. Nel medio termine fino al 2025, anche in caso di forti restrizioni all'accesso alla tecnologia e di bassi prezzi del petrolio, i volumi di produzione non subiranno catastrofiche conseguenze. Allo stesso tempo, la ragione principale del calo della produzione durante questo periodo potrebbe non essere tanto la mancanza di accesso alle tecnologie occidentali per l'implementazione di nuovi progetti, ma la mancanza di capacità tecnologiche per intensificare la produzione nei campi esistenti.

Questo studio ha mostrato che la tecnologia più critica per mantenere la produzione petrolifera russa è la fratturazione idraulica (fratturazione idraulica), poiché è in grado di mantenere la produzione nei campi esistenti.

L'uso della fratturazione idraulica a più stadi (fratturazione idraulica a più stadi) promette un aumento della produzione in campi non convenzionali promettenti.

Gli autori dello studio sottolineano che nelle condizioni attuali, è lo sviluppo delle proprie tecnologie di fratturazione idraulica e di fratturazione idraulica multistadio, la produzione di flotte di fratturazione idraulica e di fratturazione idraulica multistadio nel paese e la formazione del personale dovrebbe diventare una priorità tecnologica per le aziende del settore e le autorità di regolamentazione. Tuttavia, finora il lavoro in questa direzione viene svolto a un ritmo ovviamente insufficiente. Come ha notato Ekaterina Grushevenko, un'esperta del Centro energetico SKOLKOVO, nel suo rapporto, non è stata prodotta una sola flotta di fratturazione idraulica nel periodo dal 2015 all'agosto 2017. I sistemi a controllo rotativo, secondo il sito web del Centro scientifico e tecnico di PJSC Gazprom Neft, alla fine del 2016 erano in fase di test. L'esperto ha sottolineato che TRIZ rappresenta già i due terzi delle riserve petrolifere.

Taglio della produzione non previsto fino al 2020

Direttore del Centro Energetico della SKOLKOVO Business School Tatiana Mitrova Nel suo discorso alla presentazione di questo studio, ha osservato che le prime sanzioni contro la Russia e le compagnie energetiche russe sono state introdotte nel 2014, ma non sono stati pubblicati studi speciali sul loro impatto sull'industria petrolifera.

“Non sapevamo quale risultato avremmo ottenuto. La prima ipotesi presumeva che le conseguenze sarebbero state molto gravi ", ha detto Mitrova. Tuttavia, i risultati hanno mostrato un quadro leggermente diverso dell'impatto delle sanzioni.

“Attualmente non si avvertono gravi conseguenze delle sanzioni nell'attività operativa delle società. In effetti, la produzione è cresciuta negli ultimi anni, nonostante i prezzi bassi e le sanzioni. L'industria petrolifera ha riportato successo. Ma la situazione attuale positiva non dovrebbe essere fuorviante, l'analisi del complesso delle sanzioni stessa parla della loro interpretazione molto ampia, e questa è la principale minaccia della pressione delle sanzioni ", ha affermato l'esperto.

Secondo lei, fino al 2020, secondo i risultati della modellazione, non sono previsti tagli alla produzione, poiché i progetti principali sono già stati finanziati.

“A partire dal 2020, le tendenze negative diventeranno più pronunciate e potrebbero portare a una diminuzione della produzione di petrolio in Russia del 5% entro il 2025 e del 10% entro il 2030 dagli attuali livelli di produzione. Una diminuzione della produzione in tali quantità, ovviamente, non è catastrofica per l'economia russa, ma tuttavia è piuttosto sensibile ", ha affermato Mitrova.

Ha sottolineato che le sanzioni sono una lunga storia e affinché l'industria petrolifera russa si adatti ad esse, sono necessari ulteriori sforzi da parte dello stato e delle aziende per sviluppare le proprie tecnologie e produrre le attrezzature necessarie.

“C'è una parte enorme della produzione di petrolio, che dipende direttamente dalla tecnologia di fratturazione idraulica. È la disponibilità di questa attrezzatura che ha il maggiore impatto sul volume della produzione di petrolio nel paese. Ma lo sviluppo e l'implementazione della produzione di questa tecnologia sono in gran parte compito del governo e dell'industria russi ", ha spiegato il direttore del Centro energetico.

Serve una nuova industria

Capo della Direzione Gas e Artico della SKOLKOVO Business School Romano Samsonov Nel suo discorso, ha notato che, secondo le sue osservazioni personali, in Russia solo sullo sfondo delle sanzioni si possono osservare progressi nello sviluppo e nella produzione delle proprie apparecchiature ad alta tecnologia.

“La situazione con la produzione di apparecchiature ad alta tecnologia è difficile, ma si può imparare a gestirla. In effetti, stiamo parlando della creazione di un intero sottoramo multifunzionale di ingegneria petrolifera e del gas ", ha affermato Samsonov.

Secondo i partecipanti alla ricerca "Prospettive della produzione petrolifera russa: la vita sotto sanzioni", un compito così ampio di creare un nuovo sotto-ramo di ingegneria pesante in epoca sovietica è stato risolto solo grazie alle direttive statali. Nelle condizioni della moderna economia di mercato, in cui si sta ora sviluppando la Federazione Russa, i meccanismi per l'attuazione di questo compito non sono ancora stati elaborati.

Tuttavia, questo è solo in Russia. Se guardi all'esperienza dei paesi occidentali che hanno superato con successo tutte le difficoltà per l'estrazione TRIZ, diventa chiaro che un tale metodo è stato trovato molto tempo fa. Ciò è più chiaramente visibile nell'esempio dell'industria statunitense dello scisto, che prestava attivamente prestiti anche durante il periodo di prezzi bassi, il che l'ha aiutata a sopravvivere. Ovviamente, un atteggiamento così tollerante delle banche nei confronti di questo settore della produzione di petrolio non poteva fare a meno della partecipazione statale. Ora i produttori di scisto riconoscenti stanno aiutando le autorità statunitensi a frenare l'OPEC e altri produttori di petrolio, influenzando attivamente il mercato globale del petrolio e del gas.

Ekaterina Deinogo

Tipi di fratturazione idraulica

Attualmente, nella pratica mondiale della produzione di petrolio, vengono utilizzati tre tipi principali di fratturazione idraulica: fratturazione idraulica convenzionale (fratturazione idraulica), fratturazione profonda (fratturazione idraulica) e fratturazione massiva (fratturazione multistadio). Ognuno di questi tipi ha la propria area di applicazione.

La fratturazione idraulica viene utilizzata come mezzo per aumentare la permeabilità della zona di formazione del fondo pozzo. Viene utilizzato, di norma, in singoli pozzi con una zona di fondo inquinata per ripristinare la loro naturale produttività, è caratterizzato dall'uso di una quantità insignificante di materiale di ancoraggio (5-10 tonnellate).

La fratturazione idraulica è uno dei metodi più efficaci per aumentare la produttività dei pozzi drenanti una formazione a bassa permeabilità (con una permeabilità inferiore a 0,05 μm 2). Questo processo è caratterizzato dall'uso di grandi quantità di materiale di fissaggio - 10-50 tonnellate e fluidi di frattura - formazione di 150-200 m. Questa è la principale differenza tra la fratturazione idraulica e la fratturazione idraulica convenzionale. L'area di applicazione della fratturazione idraulica sono i depositi a bassa permeabilità o le sue singole sezioni con l'obiettivo, in particolare, di ottenere la redditività dello sviluppo di tali depositi. La tecnologia della fratturazione idraulica è progettata per influenzare i giacimenti petroliferi non impoveriti (non sviluppati), dove le formazioni produttive sono rappresentate da giacimenti terrigeni (sabbiosi).

La fratturazione idraulica multistadio è una fratturazione idraulica massiccia, che viene utilizzata nella pratica nei giacimenti a bassa permeabilità dei giacimenti di gas. La caratteristica principale di questo processo è la creazione di crepe artificiali di lunghezza molto lunga. Per questi scopi vengono utilizzate grandi quantità di materiale di ancoraggio.

Nuove tecnologie di fratturazione idraulica

Una significativa espansione del campo di applicazione della fratturazione idraulica e un aumento del numero di operazioni nell'ultimo decennio sono associati all'intenso sviluppo delle tecnologie di lavorazione. Nuovi metodi efficaci includono la tecnologia di deposizione del materiale di sostegno alla fine della frattura o lo screening dell'estremità della frattura (TSO), che consente di aumentare intenzionalmente la sua larghezza, arrestando la crescita in lunghezza e quindi aumentare significativamente la conduttività (il prodotto di permeabilità e larghezza). Per ridurre il rischio che una fessura entri negli orizzonti di acqua o gas, nonché per intensificare lo sviluppo di riserve negli strati a bassa permeabilità, viene utilizzata una tecnologia di fratturazione idraulica selettiva. Nuovi materiali per la fratturazione idraulica vengono costantemente creati. Al fine di evitare la rimozione del proppante dalla frattura, è stata creata la tecnologia PropNET, che prevede l'iniezione di una speciale fibra di vetro flessibile nella formazione contemporaneamente al proppant, che, riempiendo gli spazi tra le particelle di proppant, garantisce la massima stabilità di il pacco prop. Per ridurre il grado di contaminazione residua della frattura, sono stati sviluppati fluidi a bassa fratturazione polimerica LowGuar e un sistema di additivi per il distruttore CleanFLOW. Viene utilizzato il fluido ClearFrac non inquinante, che non richiede un distruttore.

La base informativa per la fratturazione idraulica è in fase di miglioramento. Le principali fonti di informazione sono studi geologici, geofisici e petrofisici, analisi di laboratorio di carote, un esperimento sul campo, consistente nella conduzione di micro e mini fratturazioni idrauliche prima della fratturazione idraulica principale. Pertanto, viene determinata la distribuzione delle sollecitazioni nel giacimento, vengono determinate la pressione di frattura effettiva e la pressione di chiusura della frattura, viene selezionato il modello di sviluppo della frattura e vengono calcolate le sue dimensioni geometriche. Strumenti speciali consentono di determinare l'altezza e l'azimut della frattura. La "progettazione" della frattura viene eseguita utilizzando programmi speciali che tengono conto degli scopi della fratturazione idraulica.

L'utilizzo di nuove tecnologie consente di selezionare il fluido fratturativo e il materiale di sostegno che meglio si adattano alle condizioni specifiche, e di controllare l'apertura e la propagazione della frattura, il trasporto del materiale di sostegno in sospensione lungo l'intera frattura e il buon esito dell'operazione. Negli ultimi anni è stata sviluppata una tecnologia per un approccio integrato alla progettazione della fratturazione idraulica come elemento del sistema di sviluppo. Questo approccio si basa sulla presa in considerazione di molti fattori, tra cui la conduttività e il potenziale energetico della formazione, il sistema di collocazione dei pozzi di produzione e di iniezione, la meccanica della frattura, le caratteristiche del fluido di fratturazione e del proppante, i vincoli tecnologici ed economici.