Огонь, вода и трубы горения: Сколтех открыл уникальную лабораторию

Как считают многие эксперты в России, эра технологий заводнения в нефтедобыче завершается. За этой технократической формулой скрывается  потенциальная революция: необходимость смены парадигмы в добыче нефти. Именно этот принцип взят за основу в новой лаборатории Центра добычи углеводородов Сколтеха.

В рамках проходящей в Сколково конференции Startup Village лабораторию посетили глава компании «Газпром нефть» Александр Дюков, заместитель председателя правительства Аркадий Дворкович и Президент Фонда «Сколково» Виктор Вексельберг. 

 

Ректор Сколтеха Александр Кулешов показывает вице-премьеру Аркадию Дворковичу лабораторию Центра добычи углеводородов Сколтеха.Фото: Sk.ru

По словам Александра Дюкова, компания которого активно участвовала в создании лаборатории, выдавая рекомендации и формулируя технологические вызовы, которые стоят перед отраслью, «увиденное потрясает – настолько серьезный уровень лаборатории, оборудования». Как заявил глава «Газпром нефти», «у нас есть четкое понимание, как мы будем эту лабораторию использовать» Он выразил уверенность в том, что в ближайшие годы на этой площадке будут достигнуты конкретные результаты, которые трансформируются в дополнительную добычу и повышение ее эффективности.

В тот же день руководство Газпромнефти и Сколтех подписали рамочное соглашение о сотрудничестве.

На фото, стоят: Александр Дюков, Аркадий Дворкович, Виктор Вексельберг. Сидят: ректор Сколтеха Александр Кулешов и первый заместитель главы «Газпром нефти» Вадим Яковлев. Фото: Sk.ru 

Выступая на церемонии, Виктор Вексельберг отметил принципиальный, по его мнению, момент: лаборатория становится частью всей экосистемы проекта «Сколково». “Будучи частью Сколтеха, она будет открыта для образовательного процесса студентов Сколтеха. Значит, у нас появятся молодые специалисты, которые будут обладать наиболее передовыми, востребованными знаниями” В.Вексельберг считает, что «Газпром нефть» подала “хороший пример”, и за ней последуют другие российские нефтяные компании. “Хотел бы выразить уверенность в том, что при участии Сколтеха и Фонда «Сколково» нам точно удастся открыть в ближайшее время новую страницу в разработке нефтяных запасов России, и мы останемся конкурентоспособны в очень непростой ситуации, которая сейчас складывается на международных рынках”.

Александр Дюков: «Увиденное потрясает – настолько серьезный уровень лаборатории, оборудования»

«Рассчитываем на хорошие результаты, – поддержал Президента Фонда Аркадий Дворкович. – Весь смысл наличия технологического университета в «Сколково» состоит в том, чтобы этот учебный и научный центр трансформировал фундаментальные знания в практику. Спасибо компании «Газпром нефть» за то, что поверила в этот центр и будет здесь работать в качестве полноправного партнера». В этом же духе выразился ректор Сколтеха Александр Кулешов, особо отметивший роль компании «Газпром нефть» как первого “пилотного заказчика” для лаборатории университета.

Лаборатория

Уникальная не только в России, но и в мире, лаборатория позволяет тестировать новейшие технологии для месторождений нефти и газа, исходя из понимания, что эпоха, когда нефть вытесняли из пласта под напором воды, – до сих пор наиболее распространенная технология в России и многих других нефтедобывающих странах – уходит в прошлое.

С каждым годом нефть добывать все сложнее и дороже. «У лаборатории Сколтеха гигантский потенциал, потому что во всем мире наблюдается снижение производства в пределах 4-5% на традиционных месторождениях, а спрос на энергоносители растет, несмотря на все большую доступность других источников энергии, – говорит Sk.ru канадский профессор, директор международных программ, Радж Мехта из Университета Калгари. – У Канады и России много общего; у нас очень трудные для разработки месторождения. Технологии, над которыми работает Сколтех, имеют огромный потенциал для России, а со временем – и для всего мира. Эти технологии позволяют добывать больше нефти с меньшими издержками, чтобы удовлетворять мировой спрос».

Справедливости ради следует заметить, что существуют и прямо противоположные оценки перспектив спроса на ископаемое топливо. По прогнозу Bloomberg, пик спроса на нефть будет достигнут к 2020 г., а дальше наступит спад спроса, который к 2040 году снизится на 20 миллионов баррелей в день. Что на 36 млн баррелей в день ниже, чем средний по индустрии прогноз нефтяных компаний на 2040 год, а это, в свою очередь, – величина, превышающая сегодняшний объем добычи всех стран ОПЕК.

Это противоречит прогнозу Международного энергетического агентства (IEA), согласно которому спрос на нефть в мире вырастет к 2040 году до 103,5 млн баррелей в день, т.е. более чем на 10%.

Радж Мехта и его учитель профессор Гордон Мур участвовали в запуске лаборатории в Сколково. Подобная лаборатория имеется в Калгари, а сами тепловые методы увеличения нефтеотдачи, которые в основном и будут тестироваться в Сколтехе, разработаны профессором Муром и его коллегами в Канаде (аналогичные теоретические разработки еще раньше осуществлялись и в СССР, но они не дали большого практического результата, о чем речь пойдет ниже).

Директор Центра добычи углеводородов Сколтеха Михаил Спасенных. Фото: Sk.ru

«Оборудование, которое вы здесь видите, разработано в университете Калгари, – говорит в интервью профессор Мур. – Однако, если вы обратите внимание на те аналитические инструменты, которые использует Сколтех, потенциал этой лаборатории существенно выше, чем нашей. Компетенции, которые привносит наша лаборатория из Калгари, – это технологии, связанные с высоким давлением, с высокими температурами; у большинства других лабораторий таких технологий нет. Но нам не хватает многих аналитических инструментов и навыков, и эта информация будет, безусловно, очень полезной для лучшего понимания процессов. В Сколтехе действительно есть технологии, которых нет в Канаде. Некоторые из рутинных испытаний, которые вы здесь проводите, – у нас такие не делаются. Так что синергия между двумя нашими группами превосходная».

Профессор Университета Калгари Гордон Мур. Фото: Sk.ru

«На что способна лаборатория Сколтеха? – вступает в разговор профессор Мехта. – Она поможет определять, какие конкретно технологии подходят для тех или иных конкретных месторождений. Если у вас есть месторождения с низким давлением, как, например, в Татарстане, или, напротив, очень глубоко залегающие месторождения под высоким давлением, как в Сибири, появляется возможность подобрать для каждого из них соответствующую более эффективную и менее дорогую технологию для устойчивой добычи нефти».

«На большинстве месторождений нефть вытесняют водой, осуществляя заводнение,  – рассказывает Михаил Спасенных, директор Центра добычи углеводородов Сколтеха. – Если нефть вязкая, ее надо предварительно разогреть, чтобы понизить вязкость. В любом случае всю нефть добыть невозможно, значительная часть остается в резервуаре. Чтобы повысить коэффициент извлечения нефти необходимо применять методы увеличения нефтеотдачи.  Для повышения нефтеотдачи используются различные методы, включая закачку в пласт растворов ПАВ, полимеров, газов, горячей воды или пара. Один из подходов связан с закачкой в пласт воздуха, в результате чего инициируется процесс внутрипластового горения, который позволяет очень значительно увеличить нефтеотдачу».

Гордон Мур: «В Сколтехе действительно есть технологии, которых нет в Канаде. Некоторые из рутинных испытаний, которые вы здесь проводите, – у нас такие не делаются. Так что синергия между двумя нашими группами превосходная».

Порядок цифр в себестоимости нефтедобычи таков, что экспериментировать на натуре, подбирая оптимальный метод вытеснения нефти методом проб и ошибок, не по карману даже самым курпным нефтяным компаниям, особенно при нынешних мировых ценах на энергоносители. Оборудование, установленное в лаборатории Сколтеха, позволяет проводить эксперименты гораздо дешевле и эффективнее.

Но лаборатория позволяет искать решения не только для сложных коллекторов. Еще одна проблема – это месторождения на поздней стадии разработки, каких в России очень много. «Это когда, закачав воду, добываешь примерно столько же воды, сколько закачиваешь, а нефть при этом не вытесняется, – поясняет замдиректора Центра добычи углеводородов Алексей Черемисин. – Взять нефть с помощью заводнения уже нельзя, но есть возможность попробовать это сделать путем закачки воздуха или газов: в общем вытеснять остаточную нефть с помощью более активного агента, чем вода. Такой остаточной нефти очень много: обычно коэффициент извлечения нефти не превышает 30 – 40%».

Для создания лаборатории Сколтех арендовал в исследовательском центре «Ренова Лаб» в иннограде почти тысячу квадратных метров. Во временном здании, в котором сейчас располагается Сколковский институт науки и технологий, нет подходящих помещений, которые выдержали бы многотонное оборудование. Один только пресс для исследований механических свойств пород в пластовых условиях (он позволяет исследовать образцы при давлениях до 1000 атмосфер, что примерно соответствует условиям на глубине 5 км) весит больше 9 тонн, приводит пример Алексей Черемисин. Каждая из двух труб горения – порядка 2,5-3 тонн. Защитный периметр – около 12 тонн.

Фото: Sk.ru

Лаборатория состоит из двух зон: условно грязной, где может образовываться сероводород – она оборудована специальными вытяжными системами с газоконвертором и многочисленными системами безопасности, и – условно чистой, где проводятся тонкие геохимические, петрофизические, геомеханичские и другие исследования.  

Заместитель директора Центра добычи углеводородов Сколтеха Алексей Черемисин. Фото: Sk.ru

В первой зоне размещены три установки для моделирования широкого спектра процессов, связанных с тепловым воздействием на пласт (закачка пара, горячей воды, воздуха, теплоносителя, содержащего катализаторы и другие), условно называемые «трубы горения». С помощью системы среднего давления можно исследовать процессы, протекающие в нефтяном пласте при давлении до 210 атмосфер и температуре до 1200 градусов Цельсия. Вторая «труба горения» позволяет проводить исследования при высоком давлении, до 420 атмосфер и также до 1200 градусов, что соответствует  наиболее высоким пластовым давлениям нефтяных месторождений. Третья установка ступенчатого температурного окисления,  позволяет детально исследовать окислительный процесс в системе породы с нефтью и кинетику окислительных процессов. Системы по анализу газов каждой из установок позволяют в реальном времени получать сведения об углеводородных и не углеводородных газах, образующихся в эксперименте в процессе теплового воздействия на пласт.

Система среднего давления рассчитана для работы с высоковязкой нефтью, говорит заместитель директора Центра добычи углеводородов Сколтеха Алексей Черемисин. Система высокого давления рассчитана под работу с легкими нефтями. Здесь можно моделировать все процессы: это заводнение, закачка горячей воды, закачка любых газов, закачка воздуха (для внутрипластового горения), закачка пара и любые комбинации этих методов. Хотя разработки тепловых методов увеличения нефтеотдачи ведутся во многих странах, аналогичных по масштабу и возможностям лабораторий, помимо Сколтеха, существует всего одна – она находится в университете Калгари в Канаде. 

Михаил Спасенных: «Задача исследований состоит в том, чтобы с помощью экспериментов в лаборатории определить параметры, которые необходимы для моделирования и оптимизации схемы разработки реального месторождения, включая кинетические параметры окисления углеводородов, тепловые эффекты, изменение состава и свойств нефти и другие.  В России существуют различные типы месторождений, для которых могут быть применены различные виды тепловых методов увеличения нефтеотдачи. Для каждого вида месторождений должна быть подобрана своя технология. Первой задачей является определение технологии, которая лучше работает на объекте. Когда эта задача решена, мы переходим к решению второй задачи – оптимизации применения данной технологии для конкретного месторождения».

Профессор Университета Калгари Радж Мехта .Фото: Sk.ru

В «чистой» зоне лаборатории установлено оборудование по изучению механических свойств горных пород в пластовых условиях. Производитель – крупная американская компания, которая также делает стенды для исследования самолетов и автомобилей. По словам Алексея Черемисина, на этом прессе можно исследовать образцы от 25 до 100 мм в диаметре при давлениях до 1000 атмосфер, что соответствует глубине около 5 км и перекрывает реальные глубины для большинства месторождений. На данном оборудовании можно проводить как изучение механических свойств пород, так и изменение пористости и проницаемости породы в процессе нагрузки в диапазоне температур от 0 до 200 градусов. А.Черемисин называет геомеханический пресс уникальным, в России – это вторая система, аналогичная модель есть только в Санкт-Петербургском горном университете, где она используется в большей степени для горной промышленности. К тому же пресс, установленный в Сколтехе, оборудован целым рядом новых дополнительных систем, которые существенно расширяют возможности использования данного оборудования. «Из того оборудования, которое реально в ближайшие годы будет применяться для изучения механических свойств коллекторов и процесса ГРП, установленный в Сколтехе пресс будет наиболее мощным и универсальным» – добавляет Михаил Спасенных.

Михаил Спасенных: «Задача исследований состоит в том, чтобы с помощью экспериментов в лаборатории определить параметры, которые необходимы для моделирования и оптимизации схемы разработки реального месторождения»

В этой части лаборатории также устанавливается оборудование для разработки и оптимизации химических методов увеличения нефтеотдачи. «Мы планируем использовать методы основанные на закачке в пласт газов, растворов поверхностно активных веществ и полимеров, которые позволяют существенно повысить коэффициент извлечения нефти, – говорит Алексей Черемисин. – Фильтрационная установка позволит нам  разрабатывать технологии вытеснения нефти с использованием всех возможных видов химического и газового воздействия на пласт. Исследования, которые мы здесь будем делать, уже расписаны до конца года».

В лаборатории установлено оборудование для проведения петрофизических и геохимических исследований, в том числе, нетрадиционных коллекторов. Оборудование для изучения органического вещества включает пиролизер, газовые хроматографы, мощный хромато-масс-спектрометр, использующий двумерную хроматографию и времяпролетный масс-спектрометр высокого разрешения. Уже более двух лет в центре успешно функционирует лаборатория изучения тепловых свойств горных пород в широком спектре пластовых условий. В ближайшее время появятся установки для изучения пород ультранизкой проницаемости, а также рентгеновский томограф, который позволит исследовать пустотное пространство пород и процессы вытеснения в пластовых условиях на образцах керна от 1 миллиметра до 100 мм в диаметре, в том числе, при высоком давлении.

Фото: Sk.ru

Отдельное помещение лаборатории отдано под исследования газогидратных отложений – это работы на длительную перспективу: добыча газа из газогидратных отложений, а также безопасность бурения на Арктическом шельфе и в зонах вечной мерзлоты. Здесь будет оборудована достаточно большая климатическая комната, в которой можно проводить исследования вечномерзлых пород, не размораживая их. Один из проектов направлен на создание технологии замещения гидратов метана углекислым газом направленная на решение двух задач: добычи газа и утилизации СО2.

Превратности метода

«Пионерами тепловых методов воздействия на нефтяной пласт являются канадцы, – рассказывает Михаил Спасенных. – В России есть своя школа тепловых методов увеличения нефтеотдачи, но это привычная история из серии Ладыгин-Эдисон, Попов-Маркони. Нашими партнерами являются, как Гордон Мур, автор многих технологий, применяющихся в Канаде, так и Аркадий Анатольевич Боксерман, работающий в России. Боксерман начал свои работы по тепловому воздействию – так называемый термогазовый метод – в Советском Союзе еще до того, как они были изобретены в Канаде, и эти две линии развивались параллельно. Однако пока в России было много месторождений традиционной нефти, востребованность данных технологий не была высокой: пока у тебя есть нормальная нефть, не нужно разрабатывать сложные месторождения тяжелой нефти тепловыми методами. По мере истощения традиционных месторождений потребность в таких методах возрастает. Сейчас в канадской провинции Альберта добывается такое количество нефти, которое сопоставимо с добычей нефти в основных нефтедобывающих регионах России. Однако в Канаде это в основном тяжелая нефь и битум, в связи с чем канадские университеты и канадские компании изначально разрабатывали тепловые методы, которые они сейчас применяют и которые мы хотим адаптировать и использовать для российских месторождений».

Профессор Радж Мехта из канадского Университета Калгари очень высоко отзывается о своих российских коллегах: «Наша группа в Канаде работает над этими конкретными технологиями уже 45 лет. В России также имеется значительная экспертиза и очень квалифицированные люди, так что мы будем учиться у них в той же степени, в какой они учатся у нас. Это уникальная коллаборация, и мы в ней очень заинтересованы. Вместе мы сможем решить многие проблемы. Исторически в России научными лидерами в этой области были профессор Аркадий Боксерман, Загиди Мамедов, Дмитрий Антониади. Они заложили целую научную школу, актуальность идей которой не утрачена по сей день. На этой научной базе можно совершить гигантский прорыв, чтобы заставить эти технологии работать», – говорит он. Отвечая на вопрос Sk.ru, ожидает ли канадская сторона практической пользы для Университета Калгари от работы лаборатории Сколтеха, профессор Мехта говорит: «Несомненно, потому что некоторых технологий, которые есть у вас, у нас нет. К тому же это гораздо более современная лаборатория. Мы в своей лаборатории накопили как положительный опыт, так и опыт ошибок».

Профессор Мур подтверждает: «Лаборатория Сколтеха – это действительно наиболее полная система из тех, в создании которых мы принимали участие. Когда мы вернемся домой, нам захочется все там переделать. Когда создается столь масштабный проект, в процессе учатся все. Допустим, у нас есть технологии. Но ты начинаешь обсуждать их с людьми, которые в этих технологиях разбираются, и тебе приходит в голову, что кое-что можно сделать по-другому, что-то изменить. Так что это еще и процесс обучения. Когда ты работаешь с хорошими людьми, ты многому учишься».

Фото: Sk.ru

«В любой части света всегда самое важное – это люди, – подчеркивает Радж Мехта. – Когда мы познакомились с небольшой командой Центра добычи углеводородов Сколтеха, то были очень рады убедиться в том, что это люди дела, которые сочетают глубокое знание технологий с точным пониманием потребностей своей страны. То есть они одновременно очень глубоко разбираются и в специфических технологиях, и в более широком технологическом контексте; отдают себе отчет в том, кто в мире что умеет делать в нашей сфере. В определенных областях их квалификация выше нашей. Так что нам было очень приятно строить с ними партнерство, вместе работать».

Радж Мехта: «В любой части света всегда самое важное – это люди. Когда мы познакомились с небольшой командой Центра добычи углеводородов Сколтеха, то были очень рады убедиться в том, что это люди дела, которые сочетают глубокое знание технологий с точным пониманием потребностей своей страны»

Договор о сотрудничестве в области науки и образования между Университетом Калгари и Сколтехом подписан в ноябре 2014 г и рассчитан на пять лет, каковой срок может быть продлен. В прошлом году пять представителей Университета Калгари, включая профессоров Мура и Мехту, читали лекции в Сколтехе. Осуществляется также студенческий обмен. «Мы только в самом начале пути, – утверждает Радж Мехта. – Мы удовлетворены ходом сотрудничества: все происходит очень профессионально. Более того, Сколтех играет роль научного хаба, через который мы устанавливаем сотрудничество с другими российскими университетами – Казанским госуниверситетом и Сургутским госуниверситетом. В середине июня представители СурГУ и Сколтеха посетят Университет Калгари. Мы планируем реализовать совместный проект, в котором также будет участвовать Всемирный банк».

Михаил Спасенных: «У нас действительно партнерские отношения. Лидирующая роль тут принадлежит Университету Калгари. Они адаптируют свой курс и читают его для наших студентов, впоследствии мы его читаем сами. В отношении производства оборудования мы выступаем в качестве заказчика, а они это оборудование разрабатывают, изготавливают и нам поставляют, но мы участвуем во всех этих процессах. Мы вместе планировали, каким должно быть оборудование, вместе готовили документацию, а затем вместе занимались пуско-наладочными работами. У нас разработана программа совместных исследований, в том числе, на базе лаборатории Университета Калгари. Мы привлекали к этим исследованиям российские компании, которые давали нам задачи, давали керн, нефть, и на этих установках проводили работу».

Аркадий Дворкович благодарит Раджа Мехту за помощь в оборудовании лаборатории Сколтеха. Фото: Sk.ru

Понятно, что пока мы больше учимся от канадцев, чем они от нас. У канадских коллег хорошая экспертиза, но есть области, где мы определенно сильнее. Для технологий теплового воздействия очень важно знать тепловые свойства пород и флюидов, такие, как теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность, коэффициент линейного расширения; в Сколтехе эту тему ведет Юрий Анатольевич Попов, мировой лидер в данном направлении.  Со стороны Университета Калгари проявляется большой интерес к нашему опыту и знаниям. В ближайшее время мы планируем организовать визит Юрия Анатольевича и его группы в Канаду для совместной работы и выполнения коммерческих проектов совместно с университетом Калгари.

Другая область, где мы можем сделать вместе больше, это углубленный анализ химического и изотопного состава пород и углеводородов для понимания и оптимизации процессов, протекающих в пласте в процессе разработки месторождений. Здесь наши возможности выше и объединение различных экспертиз дает синергетический эффект, когда мы вместе гораздо сильнее, чем по отдельности. В дальнейшем мы планируем работать на базе двух лабораторий».

Алексей Черемисин: «С открытием лаборатории в Сколково открываются новые перспективы во взаимодействия Сколтеха с индустрией»

С открытием лаборатории в Сколково открываются новые перспективы во взаимодействия Сколтеха с индустрией. По словам Алексея Черемисина, сейчас обсуждаются исследования совместно с компанией Зарубежнефть: «Мы уже загружаем керн этой компании – в рамках тестирования проведем предварительное исследование. Мы очень активно работаем с компанией Газпромнефть; уже провели большой объем исследований для Газпромнефти на оборудовании в нашей лаборатории в Сколтехе. Наконец, сейчас активно обсуждается взаимодействие с Лукойлом. Речь идет о длительной, на 3-5 лет программе исследований по тяжелой нефти и нетрадиционным запасам (доманик)». 

Текст – Михаил Бакланов, SK.ru
Фото – Виталий Шустиков, SK.ru 
 
Tweet about this on Twitter0Share on Facebook1Pin on Pinterest0Share on Tumblr0Share on VK