Реферат: Зарождение науки о разработке нефтяных месторождений
В 1871 г. началось бурение скважины в районе Баку. В Балаханах на участке А.Мирзоева было завершено бурение скважины ручным ударным способом при помощи деревянных штанг глубиной 64м. Эта скважина явилась начальной вехой развития нефтяной промышленности Апшеронского полуострова. Во время пробного тартания произошел выброс газа и воды. Внезапное выделение газов, подземный гул, столб песка и воды, вставший над скважиной, были приписаны действию нечистой силы. По приказу бурового мастера скважину быстро забросали камнями и песком, водрузили поблизости крест. В этом году начинает эксплуатироваться первая продуктивная нефтяная скважина глубиной 45 м. Ее дебит составил около 2000 пудов в сутки (колодцы давали в сотни раз меньше нефти, чем скважины) 1872 год явился годом полного прекращения строительства нефтяных колодцев в Бакинском районе и перехода на бурение нефтяных скважин.
Развивалась наука о поиске нефтяных месторождений, наука о ведении геолого-разведочных работ, развивалась техника и технология буровых работ, росли глубины скважин, произведением показателей роста этих двух самостоятельных наук определялся рост добычи нефти в России. Автор считает целесообразным привести динамику добычи нефти в мире и по странам Россия и США (как основного конкурента в отрасли) в период до 1917 года (см. табл. 1).
Таблица 1 Добыча нефти в России и США
| Год | Мировая добыча нефти, тыс.т. в год (период) | Россия | США | ||
| Объем добычи | Объем добычи | ||||
| тыс.т. | % | тыс.т. | % | ||
| 1821-1858 | 175,2 | 175,2 | 100 | - | - |
| 1864 | 276,1 | 9,0 | 3,3 | 267,1 | 96,7 |
| 1900 | 19614,8 | 10352,5 | 52,3 | 7998,0 | 40,9 |
| 1913 | 50514,4 | 10281,0 | 20,0 | 31361,0 | 62,2 |
| 1917 | 64867,2 | 8800,0 | 13,6 | 42326,0 | 65,3 |
Снижение добычи нефти произошедшее после 1900 года вплоть до 1920-х гг. является результатом исторических процессов происходящих в мире и России (революция 1905-1907гг., первая мировая война 1914-1918гг., революции 1917 года, установление Советской власти, гражданская война, национализация капитала), и не является результатом развития науки. Следует сказать, что и нефтегазовая наука утратила темпы своего развития на фоне происходящих событий. И.М.Губкин занимавшийся геолого-поисковыми работами и развивавший именно эту важнейшую науку нефтегазовой отрасли говорил так: «Настоящим ученым я почувствовал себя только после установления Советской власти». Далее автор предлагает обратить взор на вклад именно этого ученого в развитие нефтяной науки и нефтедобычи России в целом. По мнению автора и многих исследователей именно И.М.Губкину принадлежит роль в зарождении науки о разработке нефтяных месторождений, что прослеживается в материалах приводимых в следующем параграфе.
2. Зарождение науки о разработке нефтяных и газовых месторождений
Для осуществления управления развитием всей нефтяной промышленности и, в частности, развитием разведки и разработки нефтяных месторождений Декретом Правительства страны был в мае 1918 г. учрежден Главный нефтяной комитет (Главнефтеком) в отделе топлива Высшего Совета Народного Хозяйства (ВСНХ) [2]. Инициатива в создании такого комитета принадлежала И.М.Губкину, который стал членом коллегии Главнефтекома и осуществлял в течение более 20 лет (до его смерти в 1939г) важнейшие мероприятия по управлению нефтедобычей и разработкой. Поэтому нефтяники имели все основания неофициально считать И.М.Губкина своим «нефтяным комиссаром». Обратим взор на опубликованные И.М.Губкиным работы и доклады, ведь не секрет, что они существенно повлияли на развитие нефтяной науки, нефтяной геологии в частности.
В первой, опубликованной в 1918 г. статье «Роль геологии в нефтяной промышленности», И.М.Губкин утверждал, что «геолог должен быть руководителем при разработке нефтяных месторождений, если хотят, чтобы эта разработка носила правильный, планомерный характер и давала максимум положительных результатов». Этим и последующими выступлениями И.М.Губкин старался показать необходимость научного подхода к разработке нефтяных месторождений, указывал на роль геологии не только в процессе поиска, но и непосредственно в процессе разработки месторождения. Это было, по мнению автора, очень правильным, своевременным высказыванием, которое можно отнести к революционным. Был дан толчок развитию научных основ разработки нефтяных месторождений. Возможно благодаря И.М.Губкину главная наука нефтяного дела «Подземная гидравлика» получила свое зарождение именно в 20-е годы в трудах Л.С.Лейбензона о чем будет сказано ниже.
В следующей, опубликованной в том же году статье «Нефтяная промышленность России», И.М.Губкин провел такой анализ состояния нефтяной промышленности нашей страны, из которого закономерно вырисовывались первейшие задачи ее реконструкции, что и подтверждается самим названием следующей его статьи, опубликованной в 1920 г., «Боевые задачи на нефтяном фронте». Состояние разработки нефтяных месторождений после их национализации было таково, что первейшей задачей И.М.Губкин считал необходимость бороться с технологически необоснованным массовым обводнением нефтяных скважин и продуктивных пластов.
С начала двадцатых годов стал проводить свои исследования в области разработки нефтяных месторождений, подсчета запасов нефти и технологии нефтедобычи проф. Л.С.Лейбензон. Первая его статья в этой области, опубликованная в 1923 г., и последующие послужили Л.С.Лейбензону основанием для создания им впоследствии новой науки – подземной гидравлики; без учета достижений этой науки нельзя проводить рациональную разработку нефтяных месторождений.
В начале же двадцатых годов грозненский геолог И.Н.Стрижов предложил свою систему разработки нефтяных месторождений. Учитывая возможность наличия газовой шапки в своде структуры, И.Н.Стрижов считал недопустимым начинать эксплуатационное бурение со свода и рекомендовал проводить бурение скважин, начиная с периферии структуры, поднимаясь по ее крыльям к своду. Такую систему разработки в опубликованной в то время в США литературе назвали «русской системой». В современной литературе силы приводящие нефть в движение описываются, как сила давления газовой шапки, а режим разработки называется «режимом газовой шапки». Не отрицая обоснованности «русской системы разработки» применительно к нефтяным залежам с газовой шапкой на своде, И.М.Губкин в последующем правильно считал недопустимым ее использование при разработке залежей нефти, в которых весь газ в пласте растворен в нефти, и главной силой, движущей ее к скважинам, является напор воды. Это высказывание также можно отнести к революционным, ведь в современной литературе выбор числа скважин, обоснование режимов их работы при водонапорном режиме определяется именно в зависимости от активности природной водонапорной системы создающей определенный напор на нефтяную залежь снизу.
Впервые в истории мировой нефтедобычи обоснование существования водонапорного режима (тогда его называли просто водяным или гидравлическим) разработки нефтеносных пластов было дано грозненскими геологами во главе с Н.Т.Линдтропом. В статье, опубликованной в 1925 г., Н.Т.Линдтроп привел фактические данные, доказывающие, что, например, в самых продуктивных (XIII, XVI) и других пластах Новогрозненского района (названного потом Октябрьским) весь газ в пласте находится в растворенном состоянии, и поэтому единственной силой, движущей нефть к скважинам, является напор краевой воды. Нефтеносный продуктивный пласт Н.Т.Линдтроп представил как водонапорную систему. начинающуюся с области питания на выходах пласта на более высоких гипсометрических отметках, чем в самой залежи. Н.Т.Линдтроп отметил явное взаимодействие водяных скважин, расположенных за контуром нефтеносности, с нефтяными скважинами, находящимися от них на сравнительно больших расстояниях внутри контура нефтеносности.
Забегая вперед, отмечу, что работа американского геолога С.Герольда, в которой была предложена классификация режимов нефтяных месторождений, в том числе и гидравлического, была проведена позже выполненных грозненскими геологами исследований, т.е. открытие гидравлического (водонапорного) режима принадлежит отечественным специалистам. Губкин в своих докладах и статьях, начиная с конца двадцатых годов, опирался на исследования грозненских геологов. Приведем несколько цитат из его статей, касающихся весьма важных вопросов, возбуждавших много споров.
«Возьмем основной вопрос о количестве скважин на единицу поверхности нефтяного участка. Участок можно разрабатывать, покрывая его более или менее густой сеткой скважин. При менее густой сетке скважин дебит каждой скважины будет выше, а трудовые затраты на добычу весовой единицы нефти будут ниже, чем при более густой сетке скважин. Следовательно, с увеличением густоты скважин себестоимость нефти будет повышаться. С повышением себестоимости нефти происходит уменьшение рентного дохода на тонну нефти. Но до известного предела это повышение себестоимости является выгодным с народнохозяйственной точки зрения, ибо параллельно с увеличением стоимости и падением рентного дохода на единицу нефтедобычи происходит увеличение общей массы нефти, добываемое на единицу поверхности, и увеличение общей массы рентного дохода, получаемого народным хозяйством. Следовательно, до известной степени повышение себестоимости нефти, связанное с изменением системы разработки месторождения, вполне оправдывается с народнохозяйственной точки зрения. Между тем, мы совершенно игнорировали это в нашей практике…»
«Наивыгоднейшей является не такая система разработки месторождения, при которой себестоимость является самой низкой, а такая при которой на единицу поверхности реализуется наибольшая сумма рентного дохода». «Нефтяная промышленность должна провести исследование вопроса о том, какая система разработки месторождения обеспечивает народному хозяйству реализацию наибольшей массы рентного дохода. По-видимому, в результате такого исследования нефтяной промышленности придется пересмотреть и значительно снизить нормы начального и конечного дебита скважин, которыми в настоящее время определяется рентабельность скважин».
Обе эти цитаты И.М.Губкина и по сей день заслуживают всеобщего обозрения и внимания. Ведь и по сей день не на всех месторождениях нашей страны при обосновании плотности сетки скважин исходят из позиций наиболее рационального использования запасов, скорее из позиций минимальной себестоимости, а при обосновании режимов работы – из позиций максимальной прибыли. Из этих цитат И.М.Губкина видно, как усердно он боролся за рациональную разработку нефтяных и газовых месторождений нашей страны.
Нам студентам и молодым нефтяникам следует признать именно роль И.М.Губкина в развитии науки о разработке нефтяных и газовых месторождений в нашей России. В США, в частности, эти заслуги перепадают на следующие известные имена: Ботсет, Верслюи, Виков, Иллинг, Маскет, Мур, Уайлд, Херст, Шилсюиз и др. Ознакомление с содержанием работ этих ученых содействовало ускорению развития отечественной науки в области разработки.
В заключении этого параграфа следует сказать, что зарождением науки о разработке нефтяных и газовых месторождений нефтяная промышленность обязана И.М.Губкину. Сам И.М.Губкин будучи геологом поисковиком развивал поисковую геологию, ему принадлежат гипотезы о наличии нефти в Уралоповолжье (что подтвердилось только после его смерти). А его цитаты о необходимости научного обоснования плотности сетки скважин, темпов отбора нефти из скважин, провозглашенные на всю страну зародили новую науку «Подземная гидравлика», которая является главенствующей в теории разработки нефтяных и газовых месторождений. В последующем добыча нефти в России определялась тремя составляющими: техника и технология бурения скважин, поисковая геология и подземная гидравлика. Необходимо признать, что до рациональной разработки было еще далеко. Разработка месторождений проходила на естественных режимах и никак не регулировалась.
3. Развитие «подземной гидравлики» - главенствующей науки о разработке нефтяных и газовых месторождений
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.
4. 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.