Введение
Добыча сырой нефти из нефтяного месторождения, которую невозможно извлечь иными способами, процессы, применимые к традиционным нефтяным месторождениям. Увеличение нефтеотдачи (сокращенно EOR), также известное как третичная добыча, – это извлечение сырой нефти из нефтяного месторождения, которую невозможно извлечь иными способами. В то время как первичные и вторичные методы добычи основаны на разнице давления между поверхностью и подземной скважиной, увеличение нефтеотдачи работает за счет изменения химического состава самой нефти, чтобы облегчить ее извлечение. По данным Министерства энергетики США, углекислый газ и вода закачиваются вместе с одной из трех технологий EOR: термическое воздействие, газовое воздействие и химическое воздействие. Более продвинутые и экспериментальные методы EOR иногда называют четвертичной добычей.
processes applicable to conventional oil fields
Enhanced oil recovery (abbreviated EOR), also called tertiary recovery, is the extraction of crude oil from an oil field that cannot be extracted otherwise. Although the primary and secondary recovery techniques rely on the pressure differential between the surface and the underground well, enhanced oil recovery functions by altering the chemical composition of the oil itself in order to make it easier to extract. EOR can extract 30% to 60% or more of a reservoir's oil, According to the US Department of Energy, carbon dioxide and water are injected along with one of three EOR techniques: thermal injection, gas injection, and chemical injection. More advanced, speculative EOR techniques are sometimes called quaternary recovery.
Методы
Существует три основных метода повышения нефтеотдачи (EOR): впрыск газа, термическое воздействие и химическое воздействие. Впрыск газа, использующий такие газы, как природный газ, азот или углекислый газ (CO2), обеспечивает почти 60 процентов объёма добычи в рамках EOR в Соединенных Штатах.
Впрыск газа
Впрыск газа или смешиваемое вытеснение в настоящее время является наиболее распространенным методом повышения нефтеотдачи. Смешиваемое вытеснение – это общий термин для процессов закачки, при которых в пласт вводятся газы, смешивающиеся с нефтью. Процесс смешиваемого вытеснения поддерживает давление в пласте и улучшает вытеснение нефти за счет снижения межфазного натяжения между нефтью и газом. Это означает устранение границы раздела между двумя взаимодействующими жидкостями, что обеспечивает полную эффективность вытеснения. В качестве газов используются CO2, природный газ или азот. Наиболее часто для смешиваемого вытеснения применяют углекислый газ, поскольку он снижает вязкость нефти и обходится дешевле сжиженного нефтяного газа. В 2011 году проекты по интенсификации добычи нефти с использованием солнечной энергии были запущены в Калифорнии и Омане. Этот метод аналогичен термическим методам повышения нефтеотдачи, но использует солнечную установку для производства пара. В июле 2015 года Petroleum Development Oman и GlassPoint Solar объявили о подписании соглашения на 600 миллионов долларов на строительство солнечного поля мощностью 1 ГВт на нефтяном месторождении Амаль. Проект, получивший название Miraah, станет крупнейшим в мире солнечным полем по пиковой тепловой мощности. В ноябре 2017 года GlassPoint и Petroleum Development Oman (PDO) завершили строительство первого блока солнечной электростанции Miraah в срок и в рамках бюджета, успешно обеспечив подачу пара на нефтяное месторождение Амаль-Вест. Также в ноябре 2017 года GlassPoint и Aera Energy объявили о совместном проекте по созданию крупнейшего в Калифорнии солнечного объекта для повышения нефтеотдачи на нефтяном месторождении South Belridge Oil Field, расположенном недалеко от Бейкерсфилда, штат Калифорния. Ожидается, что объект будет производить около 12 миллионов баррелей пара в год с помощью теплового солнечного парогенератора мощностью 850 МВт, а также сократит выбросы углерода на 376 000 метрических тонн в год.
Паровое наводнение
Паровое наводнение (см. эскиз) – один из способов теплового воздействия на пласт, заключающийся в закачке пара в скважину по схеме, аналогичной схеме заводнения. В конечном итоге пар конденсируется в горячую воду; в паровой зоне нефть испаряется, а в зоне горячей воды – расширяется. В результате расширения нефти снижается её вязкость и увеличивается проницаемость пласта. Для обеспечения эффективности процесс должен быть циклическим. Это основная технология повышения нефтеотдачи, применяемая в настоящее время.
Пожарные наводнения
Пожарное заводнение наиболее эффективно при высокой нефтенасыщенности и пористости. Сгорание генерирует тепло непосредственно в пласте. Непрерывная закачка воздуха или другой газовой смеси с высоким содержанием кислорода поддерживает фронт горения. По мере распространения огня он движется по пласту к добывающим скважинам. Тепло от горения снижает вязкость нефти и способствует испарению пластовой воды с образованием пара. Пар, горячая вода, продукты сгорания и зона дистиллята совместно выталкивают нефть перед фронтом горения к добывающим скважинам. Существуют три метода сгорания: прямое, обратное и влажное. При прямом сгорании используется запальник для воспламенения нефти. По мере продвижения огня нефть вытесняется от него к добывающей скважине. При обратном сгорании закачка воздуха и воспламенение происходят с противоположных сторон. При влажном сгорании вода закачивается сразу за фронтом горения и превращается в пар за счет нагрева горных пород. Это гасит пламя и обеспечивает более равномерное распределение тепла.
Химическая инъекция
Впрыск различных химических веществ, обычно в виде разбавленных растворов, используется для повышения подвижности и снижения поверхностного натяжения. Впрыск щелочных или каустических растворов в пласты, содержащие нефть с естественным содержанием органических кислот, приводит к образованию мыла, которое может снизить межфазное напряжение до уровня, достаточного для увеличения добычи. Введение разбавленного раствора водорастворимого полимера для увеличения вязкости закачиваемой воды может повысить объем извлекаемой нефти в некоторых коллекторах. Разбавленные растворы поверхностно-активных веществ, таких как нефтяные сульфонаты или биосурфактанты, например рамнолипиды, могут быть использованы для снижения межфазного напряжения или капиллярного давления, препятствующего движению капель нефти в пласте. Это анализируется с точки зрения числа Бонда, которое соотносит капиллярные силы с гравитационными. Особо эффективными в снижении межфазного напряжения могут быть специальные составы на основе масла, воды и поверхностно-активного вещества – микроэмульсии. Применение этих методов обычно ограничено стоимостью химических веществ, а также их адсорбцией и потерями на породу нефтесодержащих пластов. Во всех этих методах химические вещества закачиваются в несколько скважин, а добыча осуществляется из близлежащих скважин.
Потопительные полимеры
Полимерное заводнение заключается в смешивании полимерных молекул с длинной цепью с закачиваемой водой для увеличения её вязкости. Этот метод повышает эффективность охвата пласта по вертикали и площади за счет улучшения отношения подвижности воды к нефти. Поверхностно-активные вещества могут использоваться совместно с полимерами и гиперразветвленными полиглицеролами; они снижают межфазное напряжение между нефтью и водой. Это уменьшает остаточную нефтенасыщенность и повышает макроскопическую эффективность процесса. В первичные поверхностно-активные вещества обычно добавляют ко-ПАВ, активаторы активности и сорастворители для повышения стабильности состава. Щелочное заводнение – это добавление гидроксида натрия в воду для закачки. Это достигается за счет снижения поверхностного натяжения, изменения смачиваемости породы, эмульгирования нефти, мобилизации нефти и облегчения извлечения нефти из породы.
Наножидкости с низкой соленостью
Процессы EOR могут быть улучшены с помощью наночастиц тремя способами: нанокатализаторами, наножидкостями и наноэмульсиями. Наножидкости – это основные жидкости, содержащие наночастицы в коллоидных суспензиях. Наножидкости выполняют множество функций при интенсификации извлечения нефти (EOR), включая создание разъединяющего давления в порах, блокирование каналов, снижение межфазного напряжения, улучшение отношения подвижности, изменение смачиваемости и предотвращение выпадения асфальтенов. Наножидкости облегчают создание разъединяющего давления для извлечения нефти, заключенной в осадочных отложениях, посредством агрегации на границе раздела. Альтернативно, изменение смачиваемости и снижение межфазного напряжения являются другими механизмами интенсификации извлечения нефти (EOR).
Микробная инъекция
Микробная инъекция является частью микробиологического повышения нефтеотдачи и редко используется из-за её более высокой стоимости и недостаточной распространенности технологии. Эти микробы действуют либо путем частичного расщепления длинных молекул углеводородов, либо путем выработки биосурфактантов, либо путем выделения углекислого газа (который затем действует, как описано в разделе о закачке газа). Для осуществления микробиологической инъекции применялись три подхода. В первом подходе в нефтяное пласт закачивают бактериальные культуры, смешанные с источником питания (обычно используют углевод, например, мелассу). Второй подход, используемый с 1985 года, заключается в закачке питательных веществ в пласт для поддержания активности существующих микроорганизмов; эти питательные вещества стимулируют бактерии к увеличению производства природных поверхностно-активных веществ, которые они обычно используют для метаболизма сырой нефти в подземных условиях. После истощения закачанных питательных веществ микробы переходят в состояние близкое к отключению, их внешняя поверхность становится гидрофильной, и они мигрируют в зону контакта нефти и воды, где способствуют образованию капель нефти из основной массы, облегчая их перемещение к скважине. Этот подход применялся на нефтяных месторождениях в районе Фор-Корнерс и на нефтяном месторождении Беверли-Хиллз в городе Беверли-Хиллз, штат Калифорния. Третий подход используется для решения проблемы парафиновых компонентов сырой нефти, которые имеют тенденцию осаждаться по мере подъема нефти к поверхности, поскольку температура на поверхности Земли значительно ниже, чем в нефтяных пластах (обычно температура падает на 9–10–14 °C на тысячу футов глубины).
Жидкие сверхжидкости из углекислого газа
Диоксид углерода (CO2) особенно эффективен в пластах глубиной более 2000 футов, где CO2 находится в сверхкритическом состоянии. При высоком давлении и использовании с легкими нефтями, CO2 смешивается с нефтью, что приводит к увеличению её объема и снижению вязкости, а также, возможно, к уменьшению поверхностного натяжения между нефтью и горной породой пласта. В случае низкого давления или тяжелых нефтей, CO2 образует несмешивающуюся фазу или смешивается с нефтью лишь частично. Возможно некоторое увеличение объема нефти, и вязкость нефти все равно может быть значительно снижена. В таких случаях от половины до двух третей закачанного CO2 возвращается вместе с добываемой нефтью и обычно повторно закачивается в пласт для снижения эксплуатационных расходов. Остальная часть удерживается в нефтяном пласте различными способами. Углекислый газ как растворитель имеет преимущество в виде более низкой стоимости по сравнению с другими аналогично смешивающимися жидкостями, такими как пропан и бутан.
Водоизменный газ (WAG)
Впрыск газа с переменным использованием воды (WAG) – это еще одна технология, применяемая в методах повышения нефтеотдачи (EOR). В дополнение к углекислому газу используется вода. Применяется солевой раствор, чтобы избежать нарушения карбонатных пород в нефтяных скважинах. Вода и углекислый газ закачиваются в нефтяную скважину для увеличения объемов извлечения нефти, поскольку они, как правило, обладают низкой взаимной растворимостью с нефтью. Совместное использование воды и углекислого газа также снижает подвижность углекислого газа, повышая его эффективность при вытеснении нефти из пласта. Согласно исследованию, проведенному Ковшеком, использование небольших порций как углекислого газа, так и воды позволяет быстро увеличить добычу нефти.
Импульс плазмы
Технология плазменного импульса – это метод, применяемый в США с 2013 года. Эта технология была разработана в Российской Федерации в Санкт-Петербургском государственном горном университете при финансовой и технической поддержке инновационного центра «Сколково». Команда разработчиков в России и группы внедрения в России, Европе и теперь в США протестировали эту технологию в вертикальных скважинах, и почти 90% из них продемонстрировали положительный эффект. Технология повышения нефтеотдачи (EOR) с использованием плазменного импульса создает тот же эффект, что и многие другие технологии, но без негативного воздействия на экологию. В большинстве случаев объем воды, добываемой вместе с нефтью, фактически снижается по сравнению с объемом до применения EOR, а не увеличивается. Среди текущих клиентов и пользователей этой новой технологии – компании ConocoPhillips, ONGC, «Газпром», «Роснефть» и «Лукойл». Она основана на той же технологии, что и российский импульсный плазменный двигатель, который использовался на двух космических кораблях и в настоящее время совершенствуется для применения в горизонтальных скважинах.
Экономические издержки и выгоды
Добавление методов увеличения нефтеотдачи (МУН) увеличивает стоимость нефти – в случае CO2 обычно от 0,5 до 8,0 долл. США за тонну CO2. С другой стороны, увеличение добычи нефти является экономической выгодой, при этом выручка зависит от текущих цен на нефть. Наземные методы EOR при ценах на нефть 15–20 долл. США за баррель оказались рентабельными в диапазоне чистой прибыли 10–16 долл. США за тонну закачанного CO2. Текущие цены зависят от множества факторов, но могут определять экономическую целесообразность любой технологии, при этом более сложные и дорогостоящие технологии становятся экономически оправданными при более высоких ценах. Например, при цене на нефть около 90 долл. США за баррель экономическая выгода составляет примерно 70 долл. США за тонну CO2. Министерство энергетики США оценивает, что 20 миллиардов тонн уловленного CO2 могут дать 67 миллиардов баррелей экономически извлекаемой нефти. Нефтегазовая промышленность утверждает, что использование уловленного антропогенного углекислого газа, полученного при разработке месторождений бурого угля, для производства электроэнергии и поддержки EOR из существующих и будущих нефтяных и газовых скважин предлагает комплексное решение энергетических, экологических и экономических проблем США.
Электростанция "Граничная плотина", Канада
Проект электростанции Boundary Dam Power Station компании SaskPower в 2014 году модернизировал свою угольную электростанцию технологией улавливания и хранения углерода (CCS). Завод улавливает 1 миллион тонн в год, которые продавались компании Cenovus Energy для увеличения нефтеотдачи на месторождении Weyburn, до продажи активов Cenovus в Саскачеване компании Whitecap Resources в 2017 году. Ожидается, что в рамках проекта будет захоронено 18 миллионов тонн CO2 и дополнительно извлечено нефти, что продлит срок эксплуатации месторождения на 25 лет. Планируется хранить более 26 миллионов тонн CO2 (с учетом добычи) на месторождении Weyburn, а также еще 8,5 миллионов тонн CO2 (с учетом добычи) в проекте Weyburn Midale Carbon Dioxide Project, что приведет к чистому сокращению CO2 в атмосфере за счет хранения углекислого газа на нефтяном месторождении. Это эквивалентно снятию с дорог почти 7 миллионов автомобилей на год. С момента начала закачки CO2 в конце 2000 года проект по увеличению нефтеотдачи (EOR) в основном соответствует прогнозам. В настоящее время на месторождении дополнительно добывается около 1600 м3 (10 063 баррелей) нефти в сутки.
Петра Нова, США
Проект Petra Nova использует аминную поглощающую технологию после сжигания для улавливания части выбросов углекислого газа от одного из котлов электростанции W. A. Parish в Техасе и транспортирует его по трубопроводу на нефтяное месторождение West Ranch для повышения нефтеотдачи пластов.
Проект Kemper, США (отменен)
Энергетический объект компании Mississippi Power в округе Кемпер, или проект "Кемпер", должен был стать первым в своем роде в США и выйти на полную мощность в 2015 году. Однако компонент по газификации угля был впоследствии отменен, и станция была переоборудована в традиционную электростанцию с комбинированным циклом, работающую на природном газе, без технологий улавливания углерода. Дочерняя компания Southern Company сотрудничала с Министерством энергетики США и другими партнерами с целью разработки более экологичных, экономичных и надежных методов производства электроэнергии из угля, а также поддержки производства нефти с применением методов увеличения нефтеотдачи (EOR). Технология газификации предназначалась для использования в качестве топлива для электростанции с интегрированным газификационно-паровым циклом.
Вейбурн-Мидейл, Канада
В 2000 году на нефтяном месторождении Вейбурн-Мидаль в Саскачеване начали использовать EOR в качестве метода добычи нефти. В 2008 году месторождение стало крупнейшим в мире хранилищем углекислого газа. Углекислый газ поступает по 320 км трубопроводу с завода по газификации угля Dakota Gasification. По оценкам, проект EOR позволит захоронить около 20 миллионов тонн углекислого газа, добыть примерно 130 миллионов баррелей нефти и продлить срок службы месторождения более чем на два десятилетия. Место также примечательно тем, что здесь проводилось исследование влияния EOR на сейсмическую активность в окрестностях. Министерство энергетики США (DOE) оценило, что полное использование CO2 EOR "нового поколения" в Соединенных Штатах может создать дополнительные извлекаемые запасы нефти. Реализация этого потенциала будет зависеть от доступности коммерческого CO2 в больших объемах, что может стать возможным благодаря широкому внедрению технологий улавливания и хранения углерода. Для сравнения, общий объем неразработанных внутренних нефтяных ресурсов США, остающихся в земле, превышает , большая часть которых пока не подлежит извлечению. DOE оценивает, что в случае полной реализации потенциала EOR государственные и местные бюджеты получат 280 миллиардов долларов доходов от будущих роялти, налогов на добычу и подоходного налога штатов с производства нефти, помимо других экономических выгод. Основным препятствием для дальнейшего использования CO2 EOR в Соединенных Штатах является недостаток доступного CO2 по приемлемой цене. В настоящее время существует разница в стоимости между тем, сколько нефтедобывающая компания может позволить себе заплатить за CO2 в нормальных рыночных условиях, и стоимостью улавливания и транспортировки CO2 с электростанций и промышленных предприятий, поэтому большая часть CO2 поступает из природных источников. Однако использование CO2 с электростанций или промышленных предприятий может снизить углеродный след (при условии захоронения CO2 под землей). Для некоторых промышленных источников, таких как переработка природного газа или производство удобрений и этанола, разница в стоимости невелика (потенциально 10–20 долларов США за тонну CO2). Для других источников CO2, включая производство электроэнергии и различные промышленные процессы, затраты на улавливание выше, и разница в стоимости значительно увеличивается (потенциально 30–50 долларов США за тонну CO2). Инициатива по интенсификации добычи нефти объединила лидеров промышленности, экологических организаций, профсоюзов и правительств штатов для продвижения CO2 EOR в Соединенных Штатах и сокращения разрыва в ценах. В США нормативные акты могут как способствовать, так и замедлять развитие EOR для использования в улавливании и использовании углерода, а также в общем производстве нефти. Одним из основных нормативных актов, регулирующих EOR, является Закон о безопасной питьевой воде 1974 года (SDWA), который предоставляет EPA большую часть полномочий по регулированию EOR и аналогичных операций по добыче нефти. Агентство, в свою очередь, делегировало часть этих полномочий своей Программе контроля за подземными инъекциями. Затем EPA собирает информацию от местных органов власти и отдельных скважин, чтобы убедиться, что они соблюдают общие федеральные правила, такие как Закон о чистом воздухе, который определяет порядок отчетности для любых операций по секвестрации углекислого газа. Помимо вопросов, связанных с атмосферой, большинство этих федеральных правил направлены на то, чтобы инъекции углекислого газа не наносили серьезного ущерба водным ресурсам Америки. В целом, локализация регулирования EOR может усложнить реализацию проектов EOR, поскольку различные стандарты в разных регионах могут замедлить строительство и потребовать различных подходов к использованию одной и той же технологии. В феврале 2018 года Конгресс принял, а президент подписал закон о расширении налоговых льгот по улавливанию углерода, определенных в разделе 45Q Налогового кодекса США. Ранее эти льготы были ограничены 10 долларами за тонну и общим лимитом в 75 миллионов тонн. В рамках расширения проекты по улавливанию и использованию углерода, такие как EOR, будут иметь право на налоговый кредит в размере 35 долларов за тонну, а проекты по секвестрации – 50 долларов за тонну. Расширенный налоговый кредит будет доступен в течение 12 лет для любого предприятия, построенного до 2024 года, без ограничений по объему. В случае успеха эти льготы "могут способствовать секвестрации от 200 миллионов до 2,2 миллиарда метрических тонн углекислого газа" и снизить стоимость улавливания и секвестрации углерода с текущих 60 долларов за тонну на Petra Nova до 10 долларов за тонну.
Влияние на окружающую среду
Улучшенные скважины для добычи нефти обычно выкачивают на поверхность большие объемы попутной воды. Эта вода содержит рассол и может также содержать токсичные тяжелые металлы и радиоактивные вещества. Ненадлежащий контроль за этим может нанести серьезный вред источникам питьевой воды и окружающей среде. Для предотвращения загрязнения почвы и воды используются скважины для закачки, в которые попутная вода закачивается глубоко под землю. В Соединенных Штатах деятельность по закачке регулируется Агентством по охране окружающей среды США (EPA) и правительствами штатов в соответствии с Законом о безопасной питьевой воде. EPA разработала правила контроля за подземными инъекциями (UIC) для защиты источников питьевой воды. Улучшенные скважины для добычи нефти регулируются EPA как скважины "класса II". Эти правила обязывают операторов скважин повторно закачивать рассол, используемый для повышения нефтеотдачи, глубоко под землю через скважины класса II.