Первые нефтяные скважины, ГРП, ЭЦН, сланцевая нефть – как это было

Новые технологии нефтедобычи появлялись за пределами США, но именно Америка была местом их массового применения и превращения в экспортные продукты.

Вклад в мировую науку и инженерное дело сегодня считается вопросом поддержания стоимости бренда страны в целом. Поэтому борьба за первенство в нефтегазовой отрасли идет не только за текущую рыночную долю или будущую добычу, но и за прошлые изобретения. Об этом пишет Сергей Парсегов в статье «Первая нефть: кто стал пионером добычи углеводородов», опубликованной в Forbes.

КАК ПЕНСИОНЕР И СОЛЕДОБЫТЧИК ПЕРЕВЕРНУЛИ НЕФТЕДОБЫЧУ
Считается, что первую промышленную эксплуатационную скважину построил в 1858 году железнодорожник Эдвин Дрейк. После выхода на пенсию он мог путешествовать по стране бесплатно. Случайное знакомство помогло ему получить 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. Эдвин решил применить паровой двигатель вместо ручного привода и обсадить ствол скважины наращиваемой чугунной трубой в процессе углубления ствола. Именно так 2500 лет назад китайцы бурили скважины глубиной до 500 метров для добычи рассола. Иногда в обсаженной бамбуком скважину прорывался горючий газ или нефть. Единственным буровиком, согласившимся на эту авантюру, был Вильям Смит — специалист по бурению скважин на соль.
Штанговый насос на эксплуатационной скважине приводился в движение паровой машине на дровах.
Между тем первая разведочная скважина находится рядом с Баку. Она была построена в 1848 году под руководством инженера Василия Семенова, на ту же глубину — 21 метр. 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. В них просто не видели необходимости.
Ранние технологии бурения приводили к загрязнению призабойной зоны фильтратом бурового раствора на несколько метров вглубь пласта. 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 получил патент на «торпедирование» призабойной зоны скважины. Услуга была столь популярна, что на рынке появилось множество «шабашников» («moonlighters»), нарушающих патент и технологию обращения с оружейным порохом и нитроглицерином.

«ВАРВАРСКИЙ» МЕТОД ГРП
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.
Эксперимент по гидроразрыву был проведен в 1947 году на газовом месторождении в Канзасе. 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 гидроразрыв пласта 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.
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.
В процессе раздела ЮКОСа и передачи его активов «Роснефти», ряд высокопоставленных чиновников называл ГРП «варварским» и «хищническим» методом добычи. Это 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.
«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.

ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС КАК ВЫЗОВ НАУКЕ
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.
Для решения этой проблемы Дрейк приспособил ручную помпу. Создав с поверхности разряжение в одну атмосферу, он увеличил добычу с 10 до 25 баррелей в день. Этот пример 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.
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 американцы начали массовое использование погружных плунжерных насосов, с поршнем, приводимым в действие двигателем с поверхности через балансир от бурового станка и деревянную штангу. 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 открыл в Екатеринославле свою компанию и создал высокооборотный компактный электрический мотор, который мог работать полностью погруженным в воду. А в 1916 году он доработал работающий на одном валу мотор и центробежный насос. При этом мощный мотор располагался ниже насоса и охлаждается набегающим потоком жидкости.
В 1923 году Арутюнов эмигрировал в Лос-Анджелес, где пытался убедить внедрить свою разработку. Везде следовал отказ со словами, что устройство противоречит известным законам электричества.

В 1928 году Арутюнов с партнером Frank Phillips (директор Phillips Petroleum Co.) открыл свою компанию в Оклахоме. 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.
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, на котором разбогател Frank Phillips, до сих пор дает нефть при помощи закачки CO2 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 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.

НЕ ВАЖНО, ГДЕ ИЗОБРЕЛИ – ВАЖНО, ГДЕ ВНЕДРИЛИ
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. Они должны 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.
Новые технологии и пилотные образцы часто появляются за пределами США, но именно Америка становится местом их массового применения, доработки и превращения в массовый экспортных продукт. Изобретатель возможно и сделает 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. Дрейк стал известен потому, что пошел против мнения специалистов по бурению водяных скважин, нашел 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. Поэтому чтобы не отстать, стоит работать на будущее, а не цепляться за великое прошлое.