В начале 20-х годов XX в. еще не использовались подавляющее большинство фундаментальных представлений о физике и механике нефтяных пластов и процессах извлечения из них нефти и газа. При этом основной закон фильтрации был открыт французским инженером Анри Дарси еще в 1856 г. при изучении движения воды в фильтрах водоочистных сооружений. Как оказалось впоследствии, уравнения установившейся и неустановившейся фильтрации нефти аналогичны уравнениям математической физики Лапласа и Фурье, открытым в начале XIX в. Однако при разработке нефтяных месторождений эти уравнения стали использовать только в 30-х гг. XX в.
Применение законов математической физики принадлежит в нашей стране Л.С.Лейбензону. В докладе Л.С.Лейбензона «Современное состояние гидромеханического исследования нефтяных и газовых пластов» было впервые выдвинуто такое совершенно правильное утверждение: управление разработкой и эксплуатацией нефтеносного пласта не может быть обеспечено без использования сведений термодинамики, физики, механики и гидромеханики. В докладе были кратко приведены основные законы движения воды, нефти, газа и газированной нефти в пористой среде и те выводы из этих законов, на основании которых следует изучать явления взаимодействия скважин и определять основные принципы разработки пласта. Как уже отмечалось выше, наука (пока мы выявили три ее составляющие) о разработке нефтяных и газовых месторождений развивалась как теория (работы Л.С.Лейбензона и в последующем его учеников) и как практика. Практика, следует отметить, направляла своими данными развитие теоретической науки. Наука о разработке нефтяных и газовых месторождений становилась как теоретическая и практическая наука. Вклад в практику разработки вносили доклады и работы по анализу разработки разрабатываемых нефтяных месторождений. Так, например, С.Н.Шаньгиным был сделан доклад на тему «Практика разработки Грозненских месторождений нефти». Доклад, который был дополнен на этом съезде докладами Т.А.Осениной и Н.М.Карпенко, посвященными особенностями разработки Новогрозненского и Старогрозненского нефтяных месторождений. Во всех докладах были охарактеризованы особенности разработки нефтяных месторождений в условиях ярко выраженного водонапорного режима. Особое внимание уделялось установлению областей питания и выходов нефтеносных пластов, что вполне соответствовало развитию передовых идей, впервые сформулированных в 20-х годах грозненскими геологами во главе с Н.Т.Линдтропом.
Доклад И.Г.Пермякова был посвящен методам оценки месторождений на Эмбе, режиму их и методике выбора систем разработки. Докладчик правильно указал на то, что развитие Эмбинского района всецело зависит от ввода в эксплуатацию новых месторождений, для которых надо правильно спроектировать системы разработки. Применительно к особенностям Эмбинских месторождений докладчик и предложил основные принципы проектирования их разработки.
В 1934 г. была опубликована получившая широкую известность монография (она же была рекомендована и как учебник для втузов) профессора Л.С.Лейбензона, посвященная полному и систематичному изложению подземной гидравлики. Отмечая огромное значение монографии Л.С.Лейбензона, необходимо сделать одну существенную оговорку, у отца теории фильтрации Чарлза Слихтера Л.С.Лейбензон, как отмечает В.Н.Щелкачев, заимствовал ошибочную идею для водонапорного режима. Ч.Слихтер, Ф.Форхгеймер и Л.С.Лейбензон считали, что при установившемся притоке жидкости из пласта к скважине эта скважина имеет в пласте строго определенный радиус влияния. В области пласта за пределами этого радиуса жидкость остается неподвижной. Получается явное противоречие: не может быть установившегося притока жидкости к скважине и установившегося потока в области влияния, если через границу области влияния жидкость в нее не притекает. По Слихтеру, Форхгеймеру и Лейбензону получалось, что две скважины в одном и том же пласте, которые устойчиво работают в условиях жесткого водонапорного режима, друг на друга совсем не влияют, если они удалены друг от друга на расстояние двойного радиуса влияния.
Автор считает полезным упомянуть о широко применяемом в современных исследованиях метода гидропрослушивания скважин (смена режима в одной скважине фиксируется в соседних реагирующих скважинах; устанавливают наличие или отсутствие литологического экрана между скважинами в сообщающемся пласте, устанавливают свойства пласта по линии соединения скважин; величина возмущения обратно пропорциональна квадрату расстояния между скважинами), который подтверждает наличие связи между скважинами.
Позднее уже в 1934-1935 гг. В.Н.Щелкачев ознакомился с передовыми идеями грозненских геологов и в проводившихся в ГрозНИИ исследованиях водонапорного режима отбросил представление о «радиусе влияния» скважины, заменив его «радиусом контура питания» или «расстояния от скважины до контура питания».
Первым полномасштабным учебником, в котором излагались наиболее полно сведения о режимах нефтеносных пластов и основы теории их разработки, был учебник И.М.Муравьева и Ф.А.Требина (1937).
В 1939 г. была опубликована монография В.Н.Щелкачева «Интерференция скважин и теория пластовых водонапорных систем». Эта монография представляла собой первое строгое изложение гидромеханической теории пластовых водонапорных систем на основе правильного представления о таких системах, выработанного грозненскими геологами. Тем самым это было первое физически правильное обоснованное изложение теории водонапорного режима. Следует сказать, что развитие подземной гидравлики не дало такого бурного роста в темпах добычи, как это случилось, например в XIX в., когда научились бурить скважины, но послужило более рационально разрабатывать месторождение, правильно проектировать систему разработки, управлять режимом работы залежи, управлять и прогнозировать динамику изменения основных технологических показателей. Забегая вперед, лишь скажу, что развитие теоретических основ разработки, в частности основ разработки при упруговодонапорном режиме дали в последующем почву для развития искусственных методов воздействия на залежь нефти, о чем будет сказано в следующем параграфе. Развитие теоретических и практических основ разработки при водонапорном режиме уже было дано, как отмечалось выше, грозненскими геологами и профессором В.Н.Щелкачевым.
Применение искусственных методов воздействия на режим разработки - Есть результат развития подземной гидравлики и науки о разработке нефтяных месторождений в целом
В 1942 г. в Московском нефтяном институте было создано Проектно-исследовательского бюро (ПИБ). Работу бюро возглавил Б.Б. Лапук, а позже А.П.Крылов. Упоминание ПИБ в данном параграфе не случайно, потому что многие важные достижения науки и техники и их внедрение в производство происходили именно от этой организации. Об этом будет сказано ниже. В данном параграфе также будут приводиться исследования, косвенно относящиеся искусственным методам воздействия, но внесшие немаловажное развитие обсуждаемой в данной работе науке.
Итак, ПИБ сосредоточило свое внимание на таких вопросах:
1. Создание теории разработки на основе трех наук: промысловой геологии, подземной гидродинамике и экономике.
2. Применение этой теории к проектированию систем разработки.
3. Выполнение проектов разработки крупнейших нефтяных месторождений по заданию промышленности.
4. Содействие внедрению выполненных проектов.
Следует подчеркнуть, что к работе ПИБ были привлечены многие ученые: П.М.Белаш (по вопросам электромоделирования), П.Я.Полубаринова-Кочина и И.А.Чарный (по решению соответствующих задач подземной гидродинамики), инж. М.М.Глоговский, В.Н.Щелкачев (по развитию теории упругого режима), Б.Э.Казарновская, геолог С.Т.Коротков, экономист доктор Н.М.Николаевский и др.
В 1943 г. были опубликованы результаты исследований Н.Я.Полубариновой-Кочиной, посвященные решениям «прямой» и «обратных» задач гидравлики нефтяного пласта. Решения «обратных» задач гидравлики позволили определять весьма важные для проектирования разработки гидродинамические характеристики нефтеносных пластов. Автор указывает на то, что в современной учебной литературе подобные методики получили название как задачи по «идентификации». Решение этих задач существенно упростилось вследствие развития ЭВМ в последние годы.
Под руководством В.Н.Щелкачева проводились исследовательские работы на промыслах Грознефти в тяжелые годы войны, когда фашисткие войска перерезали железную дорогу по линии Грозный – Ростов и когда в 1944 г. фашисткие войска были отброшены к западной границе нашей Родины. Затруднения, возникшие в вывозе нефти, позволяли останавливать скважины и проводить серьезные исследования. В.Н.Щелкачев так вспоминает: «В определенном смысле военная обстановка помогла исследованиям. Однако, с другой стороны, обстановка была, конечно, очень тяжелой для коллектива исследователей». По словам В.Н.Щелкачева был накоплен бесценный практический опыт по упругому режиму.
Следует сказать, что теория упругого режима широко применяется уже на протяжении более полу века на промыслах при исследовании скважин. Это так называемые методы КВД (кривая восстановления давления) или КВУ (кривая восстановления уровня – менее точный вариант исследования). Эти методы были разработаны В.Н.Щелкачевым и позволяют определять гидродинамическими методами исследований гидродинамические и фильтрационные параметры пласта или пластов. Это лишний раз доказывает неоценимость вклада В.Н.Щелкачева в развитие науки о разработке нефтяных и газовых месторождений, в частности в развитии упругого режима и исследований, базирующихся на полученных решениях. Автор пишет эти строки, испытывая глубокое уважение и восхищение этому человеку.
При ПИБ образовали группу по интенсификации нефтедобычи и нефтеотдачи. На эту Группу были возложены такие обязанности: подбор объектов из числа нефтяных пластов отечественных месторождений для внедрения на них новейших методов интенсификации нефтедобычи и увеличения нефтеотдачи (МУН); оказание помощи производственным организациям при внедрении этих методов; изучение и обобщение соответствующего зарубежного опыта.
В этот неспокойный период, когда страна остро нуждалась в нефти, составлялся проект разработки крупнейшего в мире Туймазинского нефтяного месторождения в Башкирии. ПИБ и в частности Группа по интенсификации добычи не остались в стороне в принятии множества проектных решений. Данные исследований девонских продуктивных пластов утверждали возможность их разработки только на упруговодонапорном режиме. Тогда одному из членов Группы, собиравшему геолого-промысловую информацию Г.К.Максимовичу пришла в голову идея провести аналогию девонских пластов Туймазинского месторождения (тогда крупнейшего в СССР) с пластом Вудбайн месторождения Восточный Техас в США. Месторождение это было открыто в 1930 г., и его разработка в условиях упругого режима широко описывалась начиная с 1938 г. в статьях крупнейших специалистов США – Шилсюиза, Херста, Маскета и др. На месторождении Восточный Техас в 1936 г. был начат и в 1938 г. впервые в мире промышленно освоен процесс законтурного заводнения. На основании всего этого Г.К.Максимович предложил (он был именно первым, внесшим это предложение) проводить разработку Туймазинского месторождения обязательно с применением законтурного заводнения. Технология заключается в закачке воды в водоносную часть через нагнетательные скважины, с целью увеличения искусственного ускорения вытеснения нефти водой.
По поводу заводнения (внутриконтурного), о котором будет более подробно описано ниже, автор хочет привести историю «О дядюшке Сэме» пересказанную студентам Альметьевского нефтяного института (среди которых некогда находился автор этой работы) из уст многоуважаемого преподавателя АлНИ, д.т.н., профессора Мельникова Г.М. (к сожалению покойного).
«В Америке был некий дядюшка Сэм, когда одна из его добывающих скважин максимально обводнилась, он решил её законсервировать. Он оказался настолько жадным, что не оставил обсадную колонну гнить в земле, а извлек ее для повторного использования. Далее скважину законсервировал, как полагается. Жадность дядюшки Сэма привела к существенному росту дебита соседней скважины. Соседняя скважина стала фонтанировать. Оказалось после извлечения обсадной колонны из забрасываемой скважины вышележащий водоносный пласт начал интенсивно подавать воду в нефтеносный. Таким образом, случайно был применен без технического обоснования и планирования метод законтурного заводнения».
Возвращаясь к проектированию Туймазинского нефтяного месторождения, впервые в мире в проекте был использован метод законтурного заводнения, как искусственный метод воздействия применяемый сначала разработки (в США законтурное заводнение применяли после частичного обводнения пласта). Это было результатом развития практической и теоретической науки о разработке месторождений углеводородов. Проект разработки под руководством А.П.Крылова был составлен; с 1946 г. процесс законтурного заводнения начал осваиваться и с июня 1948 г. считался освоенным промышленно.
Метод законтурного заводнения был своего рода революцией в разработке нефтяных месторождений. Продвинулась вперед практика разработки, теория разработки. Метод воздействия дал огромный результат. По сути дела ученые предложили искусственно создавать (симулировать) упруговодонапорный режим, искусственно поддерживать давление в нефтяном пласте. Для сравнения автор приводит динамику дебитов нефти в добывающих скважинах при разработке на естественных режимах и с воздействием на пласт путем нагнетания воды. Как видно из приводимых графиков дебит нефти на естественных режимах стремительно падает от максимального значения, а при воздействии сохраняется на максимальном уровне.
Следует сказать, что именно благодаря применению законтурного заводнения на Туймазинском нефтяном месторождении Башкирия на протяжении 6-7 лет держала первое место по добыче нефти в СССР, до открытия и применения на Ромашкинском нефтяном месторождении в Татарии законтурного, приконтурного и внутриконтурного заводнений. О истории принятия такого решения пойдет разговор в последующем. Но прежде автор хочет привести данные, подтверждающие уникальность этих двух месторождений: Туймазинского и Ромашкинского. В мире насчитывается всего 7 месторождений нефти с геологическими запасами более 2-х млрд. т. Начальные геологические запасы Туймазинского месторождения превышали 2 млрд. т, а Ромашкинского по некоторым оценкам доходили до 4,7 млрд. т.
Первым ученым, предложившим внутриконтурное заводнение, был профессор математики Николай Семенович Пискунов. Н.С.Пискунову было ясно, что для интенсивной и эффективной разработки высокопродуктивных пластов надо поддерживать в них давление. Понятно было и то, что рассчитывать на поддержание пластового давления только способом законтурного заводнения было нельзя. Н.С.Пискунов предложил внедрить на Ромашкинском месторождении, кроме законтурного – еще и внутриконтурное заводнение. Тогда многим казалось непонятным: как такое принципиально важное предложение мог сделать математик. Уместны по этому поводу высказывания великого ученого А.Эйнштейна: «Какой-то ученый начинает заниматься новой для него областью и совсем не знает о том, что в этой области считается дозволенным, а что недозволенным. Ученый предлагает такое совершенно новое решение сложного вопроса в исследуемой им области, которое оказывается обоснованным, разумным, полезным, хотя и совершенно неожиданным. Нахождение ученым неожиданного, но разумного решения связывается с тем, что он не был связан ни с какими догмами». Это лишний раз доказывает пользу взаимодействия различных наук, так немало случаев, когда взаимодействие науки о разработки нефтяных и газовых месторождений с такими базовыми науками как математика, физика, химия и даже биология позволяло создавать новые технологии разработки месторождений углеводородов.
Создание искусственных методов воздействия существенно повысило конечный коэффициент нефтеотдачи месторождений (рост составил более, чем в два раза на крупных по размерам месторождениях). Но, к сожалению, в последующем никакие достижения науки и техники не позволили достичь предыдущего роста. Вот уже десяток лет средний коэффициент нефтеотдачи по стране не увеличивается, а снижается. Во-первых, структура запасов ухудшается (остаются лишь трудноизвлекаемые запасы), во-вторых, наука не выдает новых практичных идей, подобных тем, которые были описаны выше. В последние годы популярно горизонтальное бурение, это новшество носит технологический характер, но автор не приводит данные по развитию этого направления, так как это еще одна работа. Но автор указывает на то, что горизонтальное бурение порой отрицательно сказывается на конечном коэффициенте нефтеотдачи, особенно в многопластовых эксплуатационных объектах.
В заключение этого параграфа хочется сказать, что наука о разработке нефтяных и газовых месторождений зародилась в XX в. и получила свое практическое и теоретическое развитие благодаря следующим ученым: И.М.Губкин, Л.С.Лейбензон, И.Н.Стрижов, А.П.Крылов, М.М.Максимов, С.А.Христианович, Ф.А.Требин, Б.Б.Лапук, И.А.Чарный, В.Н.Щелкачев и др.
Заключение
В первом параграфе данной работы приводится анализ развития нефтедобычи в России до ХХ в. Приводятся материалы о характерах проявления нефти, способах примитивной добычи. Как показывает анализ, развитие нефтедобывающей промышленности определялся двумя составляющими: геолого-поисковыми работами; развитием технологии и техники строительства колодцев, а в последующем скважин, как технических сооружений для добычи нефти. Разработка месторождения протекала на естественном режиме, колодцы и скважины сооружались на площади хаотично. Бурное развитие во многом определилось успехом бурения Новосильцевым на Кубани первой в мире скважины. Продуктивности скважин возросли во много раз, в отличии от колодцев; их строительство было дешевле, быстрее; скважины значительно превышали колодцы по глубине, что открывало новые нефтяные источники для нефтяников. Автор условно называет переход от колодезного способа добычи к скважинной «первой революцией в нефтедобыче».
Во втором параграфе анализируется период зарождения главенствующей науки в нефтедобыче «подземной гидравлики». Развитие науки в новом направлении, в направлении рациональной и управляемой разработки нефтяных месторождений было обеспечено мужеством и упорством И.М.Губкина. Именно он, выступая с высокопоставленных государственных трибун, будучи «нефтяным комиссаром СССР», не раз заявлял о необходимости научно обоснованного управления разработкой. Выступал с предложениями обоснования рациональных дебитов скважин, оптимальных сеток (расстановка скважин на площади нефтеносности). Он также развивал теории режимов разработки. В этот период был выявлен водонапорный режим (описан в третьем параграфе), Стрижовым была создана «русская система» разработки нефтяного месторождения с газовой шапкой. В третьем параграфе приводятся доказательства о разделении науки на практическую и теоретическую составляющие, что сыграло немаловажную роль в становлении науки, как самостоятельной. Как уже упоминалось, теоретическая часть развивалась благодаря Л.С.Лейбензону, а практическая – благодаря геологам-промысловикам, в частности, грозненским. Главный вывод параграфа: наука о разработке нефтяных и газовых месторождений стала состоять из трех составляющих: геолого-поисковые работы, технология и техника сооружения скважин, подземная гидравлика.
Четвертый параграф «Применение искусственных методов воздействия – есть результат развития подземной гидравлики» показал, как в рамках ПИБ (проектно-исследовательское бюро) были созданы новые технологии разработки: вначале законтурное заводнение, в последующем внутриконтурное заводнение. Эти технологии позволили существенно увеличить дебиты добывающих скважин, точнее удерживать их на начальном высоком уровне благодаря поддержанию пластового давления в пласте путем закачки воды в пласт. Автор создание искусственных методов воздействия на залежь нефти называет «Второй революцией в нефтедобыче». Как показывает история развития нефтедобычи во второй половине ХХ в. и в начале ХХI в. подобных революций в рассматриваемой науке еще не было. Этот факт подтверждается уменьшением конечного коэффициента нефтеотдачи на месторождениях разрабатываемых в нашей стране в настоящее время. И по сей день метод заводнения является единственно масштабно применяемой технологией и обеспечивает 99% добычи нефти в стране.
Развитие науки о разработке нефтяных и газовых месторождений и становление ее как самостоятельной произошло благодаря видным ученым: И.М.Губкину, Л.С.Лейбензону, И.Н.Стрижову, А.П.Крылову, М.М.Максимову, С.А.Христиановичу, Ф.А.Требину, Б.Б.Лапуку, И.А.Чарному, В.Н.Щелкачеву и др. Вечная им слава и память!
Список литературы
1. История нефтегазового дела России / А.М.Шаммазов и др. – М.: И90 Химия, 2001. – 316 с.
2. История управления разработкой и история разработки нефтяных месторождений СССР и России: Монография. – М.:Нефть и газ, 1998. – 172 с.
3. Шаммазов А.М., Мастобаев Б.Н. Очерки по истории нефтяной индустрии СССР. – Уфа: Изд-во УГНТУ 1999. – 126 с.
4. Нефть и газ России: история и перспективы. Ассоциация международного сотрудничества (АМС), Москва; Центр исследований предпринимательства и общества (КРЕС), Женева 1995
5. Нефть России: взгляд топ-менеджера - М.: Издательский центр «Классика», 2001
6. Гарибян Э.С. Нефть России после распада СССР / Под редакцией гранд-доктора философии, канд. эконом. наук, доктора политических наук, профессора Ю.В.Уткина. – М.: Гелиос АРВ, 2005. – 144с.
7. Развитие техники добычи нефти в СССР (1917-1941гг.) / автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук – М.: Институт истории естествознания и техники АН СССР, 1989
8. Вдовыкин Г.П. История нефтяного дела в России. – М.: Компания Спутник +, 2003. – 50 с.
9. История и развитие газовой промышленности – М.: Информационно-рекламный центр газовой промышленности (ИРЦ Газпром), 1997
10. Нефть страны советов. Проблемы истории нефтяной промышленности СССР (1917-1991 гг). / Под общей редакцией действительного члена РАЕН, доктора экономических наук В.Ю.Алекперова, Москва – 2005