Для современного периода развития промышленности характерно потребление огромного количества нефти. Она идет не только для получения различных видов топлива и масел. С каждым годом все больше, и больше нефти используется для получения синтетического каучука, искусственных волокон, пластмасс, лекарств и тысяч других продуктов.
В 1975 году в нашей стране намечено извлечь из недр 496 миллионов тонн нефти. Для этого ежегодный прирост добычи нефти в девятой пятилетке должен составлять в среднем 30 миллионов тонн. Потребуется открыть, и освоить новые месторождения, пробурить десятки тысяч скважин. Ни не только освоение новых месторождений позволит увеличить добычу нефти. Крупным резервом является более полное и быстрое извлечение нефти из подземных кладовых. В Директивах XXIV съезда КПСС по развитию народного хозяйства в девятой пятилетке поставлена задача разработать эффективные методы добычи, повысить степень извлечения нефти, и конденсата из недр.
Эта статья рассказывает об одном из перспективных методов стимулирования добычи нефти и газа - подземными ядерными взрывами.
ПЛАСТОВАЯ ЭНЕРГИЯ
В 1971 году во всем мире было добыто около 2,5 миллиарда тонн нефти. При этом примерно 3 миллиарда тонн жидкого топлива оказалось погребенным в недрах месторождений.
Что же это за не извлекаемые остатки нефти, которые в среднем составляют более половины от первоначальных ее геологических запасов?
Доля извлекаемой нефти в большинстве случаев - своеобразный технико-экономический предел, который зависит от многих природных факторов, а также обусловлен уровнем техники, и технологии эксплуатации подземных кладовых.
Нефтяники разрабатывают подземные скопления нефти и газа, которые, как говорят геологи, приурочены к наиболее приподнятым участкам продуктивных пластов - сводовым частям складок горных пород, обладающих сравнительно высокой пористостью, и достаточной проницаемостью, то есть способностью пропускать через себя жидкости и газы. Горные породы с такими свойствами называются коллекторами. Нефтяные коллекторы - это песчаники, известняки, доломиты, и другие проницаемые породы, которые изолированы от основного горного массива такими слабопроницаемыми породами, как глина или глинистые сланцы. Снизу нефтяную залежь, как правило, О1раничивают породы, насыщенные водой, а в верхней части залежи весьма часто скапливается газ, образуя газовую шапку.
Когда скважина попадает в нефтяную залежь, она не просто откупоривает скопление жидкого топлива, но и вскрывает природный аккумулятор энергии. Источником ее служит напор вод, окружающих (либо подпирающих) нефтяной пласт, напор газа, выделяющегося из раствора в нефти, и расширяющегося с уменьшением пластового давления, и, наконец, сила гравитации. Все эти компоненты составляют то, что у нефтяников принято называть пластовой энергией. Под действием ее и происходит вытеснение нефти из пласта к скважине. По мере того, как первоначальные запасы энергии истощаются, пластовое давление падает, и соответственно уменьшается дебит скважин - объем выдаваемой ими нефти за единицу времени.
К моменту истощения энергии из пласта удается извлечь лишь часть содержавшейся в нем нефти. Полнота извлечения характеризуется коэффициентом нефтеотдачи - отношением объема добытой нефти к тому объему ее, который первоначально содержался в залежи. При использовании только естественной пластовой энергии он не превышает 30 - 50 процентов.
Повышение коэффициента нефтеотдачи - очень важная народнохозяйственная проблема. Увеличение полноты извлечения нефти лишь на несколько процентов сулит значительные выгоды. Ведь затраты на дополнительную добычу нефти на действующих промыслах неизмеримо меньше расходов, которые связаны с поиском и освоением новых месторождений. Повышение коэффициента извлечения нефти на промыслах Советского Союза лишь на 1 процент равносильно открытию, и вводу в эксплуатацию крупнейшего месторождения с годовой добычей около 4 миллионов тонн.
ЭФФЕКТ СТИМУЛИРОВАНИЯ
Для более полного извлечения нефти используются специальные технические приемы. Наибольшее распространение ПО' лучил метод искусственного поддержания пластового давления. Суть его такова.
В продуктивный пласт через нагнетательные скважины закачивают воду в объеме, равном (или большем) объему извлекаемой нефти. В результате пластовая энергия в залежи сохраняется на оптимальном уровне. Срок фонтанирования скважин удлиняется (такой способ добычи - самый экономичный), что позволяет значительно сократить объем буровых работ и снизить себестоимость нефти.
Применение искусственного заводнения пластов позволило нашей стране в течение последних десяти лет получить дополнительно около 1 миллиарда тонн нефти. Этот метод применяется на 170 месторождениях, на долю которых приходится 70 процентов всей добычи жидкого топлива.
Чтобы увеличить полноту извлечения, применяют, и другие методы нагнетание в залежь газа (тоже с целью поддержания заданного пластового давления), вытеснение нефти из коллектора с помощью перемещающегося вдоль пласта очага горения и др.
Однако многие залежи нефти находятся в толщах коллекторов, пористость которых неоднородна, проницаемость низка. В этих случаях применение методов искусственного поддержания пластовой энергии не дает устойчивого эффекта.
Один из методов стимулирования добычи нефти при разработке таких залежей-торпедирование скважин, то есть воздействие на коллектор взрывом. В скважину опускают специальный снаряд-торпеду, и там ее взрывают (с помощью электро-запала и кабеля, выведенного на поверхность). В результате образования глубоких трещин проницаемость призабойной зоны продуктивного пласта резко возрастает, что позволяет увеличить суточную добычу нефти в 5 - 10 раз. Но такое увеличение продуктивности скважин оказывается кратковременным. Уже через несколько дней начинается заметное уменьшение притока нефти, особенно в пластах с низкой проницаемостью. Это объясняется тем, что в результате торпедирования скважин проницаемость увеличивается лишь в призабойной зоне коллектора, ограниченной несколькими метрами, в то время, как протяженность нефтяной залежи измеряется сотнями метров, и даже километрами.
Ясно, что для получения устойчивого и долговременного эффекта стимулирования добычи нефти, и газа искусственные трещины нужно создавать в возможно большем объеме пласта. Но для этого следует при взрыве освобождать несравнимо большее количество энергии, чем то, которое заключено в зарядах применяющихся торпед.
Естественно, напрашивался вывод увеличить заряды торпед. Но этот путь неприемлем, так, как он требует увеличения размеров торпед, и соответствующего увеличения диаметра скважин. А дополнительные расходы на бурение скважин большего диаметра не окупятся.
ЯДЕРНЫЙ ВЗРЫВ
Овладение ядерной энергией открыло перспективы, и в решении проблемы стимулирования добычи нефти. В тех случаях, когда использование химических взрывчатых веществ оказывается экономически неэффективным, было выдвинуто предложение применять ядерные заряды.
Отнесенная к единице объема заряда энергия ядерных взрывов в десятки, сотни тысяч раз больше, чем удельная энергия взрывов химических веществ. Это позволяет размещать ядерные заряды огромной мощности в относительно небольших по размеру контейнерах.
Сама технология проведения подземного ядерного взрыва в общих чертах такова. Бурится зарядная скважина. В нее на заданную глубину спускают подвешенный на бронированном кабель-канате контейнер с зарядом. Чтобы улучшить использование энергии взрыва, проводят тщательную герметизацию скважины - ее забойку (так называют, и материал для заполнения, и сам процесс заполнения свободного пространства между зарядом, и поверхностью земли - дневной поверхностью). Затем осуществляют детонацию заряда из укрытия, расположенного на безопасном расстоянии от зарядной скважину.
Ядерный взрыв - это практически мгновенное освобождение энергии при делении ядер атомов урана (либо плутония) или при синтезе ядер атомов легких элементов.
Энергию ядерного взрыва принято выражать в килотоннах тротилового эквивалента (кт). Этот параметр показывает, какое количество килотонн химического взрывчатого вещества тринитротолуола нужно взорвать, чтобы получить такой же эффект, как, и при взрыве данного ядерного заряда. При детонации ядерного устройства мощностью, например, в килотонну, за десять миллиардных долей секунды выделяется энергия в количестве 4,2-101уэрг. Мощность даже такого относительно весьма «слабого» взрыва примерно в 2 миллиарда раз превышает установленную мощность всех электростанций Советского Союза.
Одно из основных требований к любому методу интенсификации отбора нефти состоит в том, что вне зависимости от эффективности его влияния на нефтеотдачу он не должен нарушать естественных условий изоляции пласта. В противном случае это может повлечь за собой разгерметизацию залежи, и утечку нефти в непродуктивные пласты.
Чтобы этого не случилось при ядерном стимулировании, мощность заряда, глубина его заложения, а также размещение его в пласте должны быть точно рассчитаны. При этом исходят из условия, что зона механического воздействия взрыва на горный массив не выйдет за пределы коллектора.
Вот почему используемые при стимулировании добычи нефти ядерные взрывы рассчитываются так, чтобы они были взрывами полного внутреннего действия,' при которых не происходит выброса разрушенной породы на дневную поверхность. Такие взрывы (их называю! камуфлетными) характеризуются следующим механизмом действия (см. схемы А, Ь, В, и Г внизу).
В зоне ядерного взрыва начальная температура превышает 10 миллионов градусов, а давление достигает миллиарда атмосфер. Мощный фронт ударной волны движется радиально - от центра заряда. Происходит испарение, плавление, дробление, смещение, и растрескивание окружающей породы. В зоне испарения пород образуется сферическая полость, которая расширяется до тех пор, пока давление заключенных в ней газов не уравновесится горным давлением налегающих пород. Расплавленная порода стекает с кровли, и стенок полости вниз; здесь она собирается в прудок, и постепенно затвердевает в нерастворимую стеклообразную массу.
По мере снижения давления газов внутри полости свод, и стенки ее обрушиваются (чему способствует также воздействие волны растяжения, отраженной от поверхности земли). Это приводит к образованию вертикальной трубы обрушения с полусферическим основанием, и куполообразным сводом. Весь объем первоначальной сферической полости распределяется в промежутках между кусками обрушившейся породы.
В результате проведения камуфлетных ядерных взрывов в любых горных породах (исключая солевые отложения) образуется труба обрушения. Размер ее зависит от мощности ядерного заряда, глубины его заложения, и типа пород.
Проницаемость среды в самой трубе обрушения в миллионы раз больше естественной проницаемости продуктивного коллектора, а в зоне распространения трещин она возрастает в десятки, и сотни раз. Благодаря этому нефть (или газ) со скоростью, многократно превышающей скорость фильтрации до проведения ядерного взрыва, поступает из глубины пласта в трубу обрушения, которая играет роль сильно увеличенного ствола скважины. Нефть здесь аккумулируется, и добыча ее, по сути дела, приобретает характер отбора из подземного накопителя-хранилища.
ПРОБЛЕМА БЕЗОПАСНОСТИ
При ядерном стимулировании добычи нефти основной источник опасности - возможность заражения нефти, и газа радиоактивными продуктами взрыва.
Исследования показали, что до 90 процентов радиоактивных продуктов взрыва локализуется, и консервируется в нерастворимом стекловидном материале расплава, застывшего на дне трубы обрушения. Остальная часть радиоактивных изотопов, характеризующихся различной продолжительностью жизни (от нескольких секунд до нескольких лет), остается в газообразной фазе продуктов взрыва, которая контактирует с нефтью и смешивается с природным газом. Напрашивается вывод - не начинать отбор нефти из зоны ядерного стимулирования, пока не завершится естественный распад всех радиоактивных изотопов. Но тогда пришлось бы ждать многие годы, что неприемлемо с технико-экономической точки зрения. Какой же выход? На практике поступают следующим образом. Выждав время, необходимое для распада короткоживущих изотопов (от нескольких дней до нескольких месяцев), с помощью скважины вскрывают трубу обрушения. Затем снижают концентрацию оставшихся долгоживущих изотопов до безопасного уровня. Для этого загрязненный газ многократно разбавляют или замещают воздухом (либо чистым природным газом). В порядке дополнительной меры предосторожности отбираемый из зоны ядерного стимулирования газ в течение определенного времени используется только для промышленных нужд - в качестве котельного топлива или сырья в нефтехимическом производстве.
Данные многочисленных исследований показали, что содержащаяся в пласте нефть не получает во время ядерного стимулирования остаточной радиоактивности, и может применяться, как нефть, добытая любым другим методом.
Ядерные взрывы вызывают упругое колебание всего близлежащего в зоне стимулирования горного массива, и земной поверхности. Поэтому при заданной глубине заложения заряда его единичную мощность ограничивают до такой величины, при которой обеспечивается полная сейсмическая безопасность наземных сооружений в районе работ.
Подземные ядерные взрывы могут проводиться лишь на месторождениях, расположенных в малонаселенной местности. При этом должны быть приняты все необходимые меры, чтобы обеспечить полную безопасность, как персонала, участвующего в проведении работ, так, и тех, кто проживает в сейсмически опасной зоне.
Опыт проведения многочисленных подземных ядерных взрывов показал, что четкое выполнение современных мер радиационной безопасности позволяет полностью решить проблему защиты людей, и окружающей среды при проведении ядерного стимулирования добычи нефти.
ПРОМЫСЛОВЫЙ ОПЫТ ЯДЕРНОГО СТИМУЛИРОВАНИЯ
Опытно-промышленная отработка ядерного стимулирования добычи нефти впервые была начата в Советском Союзе. Доклад о результатах работ был сделан группой советских ученых, и инженеров на VIII Мировом нефтяном конгрессе (Москва. 1971 г.).
Подземные ядерные взрывы проводились на двух месторождениях, где ожидаемая конечная нефтеотдача при современных методах эксплуатации не могла быть выше 30 процентов.
На первом месторождении взорвали три ядерных заряда общей мощностью около 13 килотонн, расположив их на глубине 1 350 метров в той части залежи, которая содержала наибольшее количество остаточной нефти. После взрывов было установлено, что зона распространения трещин находится в радиусе 300 - 400 мэтров от зарядных скважин, а единичные трещины отмечены на расстоянии до 800 метров. В результате ядерных взрывов возросла производительность 20 близлежащих скважин, и суммарный отбор нефти из залежи увеличился более чем на одну треть.
Вторым объектом ядерного стимулирования было месторождение, где нефтяной пласт состоит из известняков, и доломитов, обладающих крайне неравномерной пористостью, и проницаемостью. Это затрудняло отбор нефти, так, что большая часть ее оставалась в недрах. На этом месторождении последовательно взорвали два ядерных заряда мощностью по 8 килотонн каждый. В итоге продуктивность 7 эксплуатационных скважин, расположенных на расстоянии до 800 метров от эпицентров взрыва, увеличилась примерно в 1,5 раза.
Во время ядерного стимулирования на обоих месторождениях была обеспечена полная безопасность обслуживающего персонала, и местного населения. Не отмечено ни радиоактивного заражения нефти, ни, каких-либо изменений ее физико-химических свойств. Это позволило уже через несколько дней после взрывов начать нормальную эксплуатацию месторождений.
ДЛЯ ДОБЫЧИ ГАЗА
Использование подземных ядерных взрывов актуально, и для газодобывающей промышленности, так, как имеется немало крупных месторождений газа, в которых огромные запасы считаются непромышленными только потому, что их рентабельная добыча невозможна из-за исключительно низкой проницаемости коллекторов.
Первый ядерный стимулирующий взрыв был проведен в США в конце 1967 года на газовом месторождении Пикчард Клиффе (штат Нью-Мехико), где продуктивный пласт имеет очень низкую проницаемость. После возобновления добычи оказалось, что дебит скважины в зоне стимулирования в 6 раз больше производительности скважин на соседних участках.
В 1969 году в районе Баттлемент Меса (штат Колорадо) был проведен другой ядерный взрыв с целью исследовать возможности промышленной разработки месторождения Рулисон, в котором содержится около 300 миллиардов кубометров газа. Из-за низкой проницаемости, и неоднородности коллектора при современных методах добычи из пласта можно извлечь не более 7 процентов от его геологических запасов.
Ядерное устройство мощностью 40 килотонн взорвали в газовом пласте на глубине более 2,5 километра. Исследование проб газа, отбиравшегося из трубы обрушения, показало, что его радиоактивность лежит значительно ниже норм безопасности для населения. Частично это объясняется тем, что в ядерном устройстве был использован экранирующий контейнер из карбида бора, интенсивно поглощающий нейтроны. Необходимо отметить, что начало буровых работ по вскрытию трубы обрушения было задержано на 6 месяцев после взрыва, чтобы обеспечить распад короткоживущих радиоактивных изотопов. Однако на основании полученного здесь опыта сделан вывод, что нет необходимости задерживать вскрытие трубы обрушения более чем на 2 месяца.
Сейчас отбор газа из стимулированного участка этого месторождения ведется в промышленных масштабах. Предполагается, что в результате ядерного стимулирования газоотдачу продуктивного пласта удастся увеличить в 7 - 10 раз.
По расчетам американских специалистов, ядерное стимулирование только непромышленных месторождений позволит более чем в 2 раза увеличить извлекаемые газовые запасы США.
СООРУЖЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ
Сейчас наблюдается огромный рост потребления природного газа, который служит источником энергии в промышленности, в быту. Основная трудность, с которой столкнулась индустрия распределения газа, связана с сильным колебанием его потребления в течение суток, дней недели, месяца, времени года. Поэтому для пиковых расходов приходится создавать различные средства для хранения газа рядом с местами его потребления.
Для хранения газа в большинстве случаев используют каверны соляных пластов, старые шахты, а также выработанные нефтяные и газовые пласты. Последние весьма удобны, так, как их просто оборудовать, и эксплуатация их не требует значительных затрат. Но многие удобно расположенные истощенные продуктивные пласты уже заняты под хранилища.
Для сооружения газовых хранилищ предложено создавать ядерными взрывами полости или трубы обрушения в очень плотном и непроницаемом пласте соли (или глинистого сланца), находящегося в районе, достаточно близком к потребителям (конечно, на расстоянии, не меньшем допустимого по соображениям сейсмической безопасности). Газ будет закачиваться в такие полости, и содержаться там под давлением, равным давлению налегающих пород на данной глубине.
Если мощность подземного ядерного взрыва в, каком-либо районе ограничена по соображениям сейсмической безопасности, газохранилище заданного объема удается создать в результате последовательных взрывов нескольких зарядов малой мощности.
Подземные ядерные взрывы можно использовать также для создания нефтехранилищ, которые имеют те же преимущества, что и хранилища газа. Такие подземные склады, способные вмещать миллионы тонн жидкого топлива, необходимы вблизи крупных морских гаваней, при разработке морских нефтяных месторождений в районах континентального шельфа, в арктических районах, где требуется собирать добытую нефть в ожидании прибытия танкеров или завершения строительства трубопроводов.
Первые ядерные взрывы, проведенные глубоко в недрах нефтяных, и газовых залежей, открыли еще одну страницу в использовании атомной энергии в мирных цепях.
Нефтяники получают на вооружение новую технологию, которая окажется настоящим «эликсиром молодости» для старых, но еще богатых топливом месторождений с истощенной пластовой энергией. Ядерный мирный взрыв позволит «распечатывать» и вводить в эксплуатацию огромные, но скупые на отдачу залежи нефти, и газа.
