О нефти и газе доступным языком

«Для выбора места съехались заведующие бурением и управляющие промыслами и сообща определили ту площадь, в пределах которой должна быть заложена скважина. Однако с обычной в таких случаях осторожностью ни кто не решался указать ту точку, где следовало начинать бурение. Тогда один из присутствующих, отличавшийся большей смелостью, сказал, указывая на кружившую над ними ворону:

- Господа, если нам все равно, давайте начнем бурить там, где сядет эта ворона... Предложение было принято. Скважина оказалась необыкновенно удачной. Но если бы ворона пролетела на сотню ярдов дальше к востоку, то встретить нефть не было бы ни какой надежды...»

В России в середине 19 века продавался прибор - угадыватель нефти системы Менсфилда. Он состоял из стрелки и шкалы, которые устанавливались на деревянном колу, втыкаемом в землю. По мысли изобретателя, близкое залегание нефти должно было вызвать отклонение стрелки, которая как будто бы реагировала на протекание электрического тока между землей и атмосферой. Идея сама по себе была здравой, но вот надежность прибора... О ней достаточно красноречиво говорит тот факт, что проверка прибора до его покупки не разрешалась.

Впрочем, справедливости ради надо сказать, что большинство исследователей все-таки уповало не на слепую удачу или чудо-приборы, а на элементарный здравый смысл. В 70-е годы 19 века скважины чаще всего закладывались там, где нефть выступала на поверхность земли. «Раз уж она показывается на поверхности, - рассуждали поисковики, - то она наверняка есть и в глубине...»

Правда, и здравый смысл мог иногда подвести. В особенности если лужа нефти оказывалась следствием ее небрежной транспортировки или если ее «создали» нарочно.

В конце 19-го века был разработан еще один перспективный способ поиска. Скважины стали закладывать на «нефтяной линии», то есть на прямой, соединяющий две скважины, дающие нефть. Ход рассуждений при этом был прост. Если скважины А и В дают нефть, то вполне возможно, что будет продуктивной и скважина С, расположенная между ними.

Наблюдательные люди стали присматриваться и к геологическим условиям района, в котором расположены наиболее удачные скважины. Скажем, для районов Северного Кавказа - Майкопа, Грозного, Баку - направление нефтяных линий принималось параллельным направлению Главного Кавказского хребта. А когда в США однажды пробурили очень удачную скважину в низине, возникло правило, распространившееся затем по всему миру: скважины надо закладывать в низинах. Дескать, нефть, как жидкость, стекает именно сюда.

Однако вслед за этим кто-то случайно обнаружил нефть, пробурив скважину на склоне холма, и правило тут же поменялось на противоположное - искать нефть надо на возвышенности…

Таким методом (теперь его называют методом проб и ошибок, а в просторечии - методом «тыка»), конечно, невозможно было руководствоваться долго: слишком дорого обходилась каждая ошибка. Нефтепромышленники все чаще стали обращаться за помощью к геологам, умеющим по косвенным признакам, видимым на поверхности, угадывать, какое именно строение имеют недра в данном районе.

О ловушках

Прежде всего, нужно было выяснить, при каких именно геологических условиях может образовываться залежь - скопление нефти и газа в горных породах.

Геологи стали размышлять: сочетание каких природных условий способно привести к скоплению нефти? Прежде всего, в районе должны иметься так называемые коллекторы - горные породы, способные впитывать, а потом и отдавать жидкости и газы.

Среди каких пород искать коллекторы?

Надо сказать, что к тому времени все горные породы были уже поделены на три большие группы: осадочные, магматические и метаморфические.

Осадочные - как говорит само их название - образовались из осадка, опускавшегося когда-то на дно моря. Иногда, правда, подобные процессы могут наблюдаться и на суше: скажем, ветер может переносить мелкий песок и пыль на значительные расстояния и осаждать его за сотни, а то и тысячи километров от мест первоначального образования. К таким породам относятся пески, песчаники, глины, известняки, доломиты и некоторые другие.

Вторая группа - магматические породы. И тут название подсказывает, что к этой группе относятся породы, образовавшиеся из магмы. Остывая, выброшенная вулканами магма превращалась в граниты, базальты, порфириты.

Наконец, третья группа - породы, которые при своем рождении претерпели метаморфозы преобразования. Они могли образоваться как из осадочных, так и из магматических пород под воздействием высоких подземных температур и давлений. К метаморфическим породам относятся сланцы, мрамор, яшмы и др.

Как Вы сами теперь понимаете, нефть имеет смысл искать, прежде всего среди осадочных пород. Именно они обладают наилучшими коллекторскими свойствами.

Правда, коллектор коллектору рознь. Со временем их стали различать по пористости, то есть суммарному объему всех пор в данной породе, и по проницаемости - способности пропускать сквозь себя жидкость и газ. В принципе, пористость и проницаемость - взаимозависящие величины.

Но в природе бывают и трещиноватые коллекторы: порода сама по себе имеет мало пор - она достаточно плотна, зато покрыта сетью трещин, которые связаны в единую сеть и могут создавать каналы протяженностью в десятки километров. Скажем, какая-то порода обычно обладает плохими коллекторскими свойствами, но если она пронизана сетью макро- и микротрещин, то вполне может стать хранилищем нефти.

Впрочем, если бы вся толща осадочных пород состояла только из коллекторов, вряд ли в них могла образоваться сколько-нибудь крупная залежь. Ведь коллекторы не только накапливают, но с той же легкостью и отдают накопленное. Нефть и газ уходили бы наверх, к земной поверхности и испарялись, не успев сконцентрироваться в месторождение.

Следовательно, необходимо еще одно условие образования залежи - сверху она должна быть прикрыта каким-нибудь плотным экраном, то есть слоем пород, непроницаемых для нефти и газа. Такими породами-покрышками обычно бывают глины, каменная соль или известняки, если они не пронизаны трещинами.

И, наконец, для полноты счастья необходимо, чтобы в данном районе присутствовала антиклиналь. Так геологи называют изгиб пласта, направленного выпуклостью вверх. Под ним, словно в ловушке, скапливаются запасы нефти и газа.

Антиклинали очень часто образуются при пластическом течении каменной соли. В каком-то месте чересчур сдавили вышележащие горные породы. Снизу соляной пласт тоже подпирают твердые породы. И вот в поисках выхода из создавшихся тисков соляной пласт начинает смещаться в сторону. В том месте, где сверху давление ослабевает, соль тут же устремляется вверх, образуя антиклинальную складку.

К антиклинальным ловушкам относится подавляющее большинство обнаруженных месторождений нефти и газа в мире - почти 90% в России и около 70% за рубежом. Размеры залежей могут быть различны: от небольших - порядка 5 километров в длину и 2-3 в ширину, с высотой 50-70 метров, до гигантских - на сотни километров в длину, десятки в ширину и высотой в сотни метров. Скажем, одно из крупнейших в мире месторождений Гхавар в Саудовской Аравии имеет размеры 225 х 25 х 0,4 километра!

Встречаются и ловушки других типов. Например, тектонические экраны возникают при разрыве пластов во время тектонических подвижек. Вместе с антиклиналями их относят к ловушкам структурного типа (образовавшимися при изменении структуры земных недр).

Кроме них изредка встречаются ловушки и неструктурного типа. Характерный пример такой ловушки - погребенные рифы. Когда-то, в иные геологические эпохи, это в самом деле были рифы на дне первобытного моря. Но со временем они были перекрыты более поздними непроницаемыми породами, оказались в глубинах Земли и стали ловушками для нефти и газа, поскольку коралловый риф представляет собой цепь холмов или даже гор из пористого известняка, в которых могут быть даже пещеры-каверны.

Размеры таких горных цепей могут быть весьма внушительными. Правда, самые крупные месторождения, связанные с подземными рифами, которые к сегодняшнему дню обнаружены в Мексике, имеют протяженность всего около 200 километров при ширине 2-3 километра, но кто знает, какие новости преподнесут нам геологи завтра. Ведь далеко не все тайны подземных кладовых раскрыты.

Ну и полноты ради надо, видимо, сказать несколько слов о ловушках неструктурного типа, которые образуются в результате литологического выклинивания. В толще Земли слои горных пород могут размещаться под разными углами. И вот когда два горных пласта встречаются, при стыковке может образоваться клин-ловушка, заполненный коллекторными породами.

Иногда, такие залежи образуются по руслам погребенных рек. Подобные месторождения за их вид острые на язык американцы окрестили «шнурками для ботинок».

Надо добавить, что все сказанное о коллекторах, ловушках, погребенных рифах, антиклиналях относится не только к материковым месторождениям, но и к морскому дну, в первую очередь шельфу Мирового океана. Именно здесь в последнее десятилетие сделаны сенсационные геологические открытия. Они-то и стали основой новой отрасли промышленности - морской добычи нефти и газа. Но об этом поговорим позже.

Разведчики

Конечно, мы с вами перебрали далеко не все известные науке типы ловушек, не все способы их образования. Но и этих сведений достаточно, чтобы понять простую мысль: на поиск подземных кладовых должен отправляться человек, вооруженный знаниями о строении Земли.

Уже в первом десятилетии 20-го века никто не рисковал бурить разведочную скважину без предварительного геологического обоснования. Так наряду с нефтедобытчиками появилась новая профессия - нефтеразведчик.

Большинство крупных нефтедобывающих фирм и концернов обзавелись собственными геологическими службами или всякий раз обращались за помощью к геологам-консультантам. Широкое распространение получила геологическая съемка. Человек с молотком и рюкзаком проходил по местности, собирал образцы горных пород, описывал характерные выходы горных пластов на поверхность… А потом на основании полученных данных составлялась геологическая карта района, позволяющая судить не только о поверхностном рельефе местности, но и о характере залегания горных пластов под ней.

И результаты не замедлили сказаться. Если раньше нефть давала в лучшем случае одна скважина из 10 или даже из 20, то из скважин, пробуренных с учетом геологических предсказаний, в США, к примеру, оказались продуктивными 85%.

Авторитет геологов возрос настолько, что всякий уважающий себя американец обязательно консультировался со специалистом при покупке земельного участка. И это было далеко не лишним: землевладельцы частенько пускались на разного рода махинации чтобы повысить цену земли. Например, на глазах у покупателя из скважины начинали качать нефть, маслянистые пятна встречались по всей территории… И лишь опытный взгляд специалиста мог определить, что эти пятна сделаны специально, а нефть в скважину налита накануне.

И в наши дни, несмотря на развитие новых методов геологической разведки, полевая работа геологов не потеряла своего практического значения. Из года в год каждую весну в разные страны планеты отправляются геологические экспедиции. В поисках полезных ископаемых они «прочесывают» пядь за пядью самые отдаленные уголки.

Впрочем, и здесь бывают исключения. Новые месторождения могут быть открыты и там, где, казалось, и искать нечего. Так было установлено, что большое нефтяное месторождение находится под (в буквальном смысле) Парижем - столицей Франции.

Но такие случаи, конечно, редки. Чаще геологи отправляются все-таки в «поле». Так по традиции называется выезд в необжитую местность, хотя «полем» может оказаться и тайга, и тундра, и пустыня…

День за днем выходят геологи на маршруты, тщательно изучают горные породы, выходящие на поверхность, окаменевшие остатки доисторических животных и растений, копают шурфы и расчищают поисковые канавы, чтобы виднее было строение пластов. Работа эта не только романтичная, но и очень сложная. Хлеб романтики часто оказывается черным: только со стороны кажется, что ночевать в палатках, обедать у костра - очень веселое занятие. Одно дело - выход на природу, на пикник, на день-два, от силы на неделю, и совсем другое - жить такой жизнью долгие месяцы. И не просто жить, а напряженно работать, переносить большие физические нагрузки.

Но такая работа очень нужна. Ведь на основании собранных данных, по результатам последующей камеральной обработки, геологи составляют геологическую карту, на которой отмечаются все возможные залегания полезных ископаемых. Затем, как это часто бывает, по следам геолога-первопроходца идут люди многих других специальностей - буровики и дорожники, монтажники и промысловики… В безлюдном месте вырастает лес вышек, поселок, а то и город.

Сверху видно все

«Лицом к лицу лица не увидать - большое видится на расстоянии», - сказал поэт и попал, что называется, в самую точку. Уже первые космические полеты показали: поднявшись ввысь на несколько сотен километров удается увидеть то, чего мы никогда не можем разглядеть у себя под ногами - строение земных недр, обычно скрытых под покровом почвы, под верхними рыхлыми слоями.

Какую пользу это может принести говорит хотя бы такой факт. Летчик-космонавт СССР Олег Макаров, выезжая на встречу с жителями Салехарда, прихватил с собой в качестве сувенира фотографию окрестностей этого города, снятую с борта корабля «Союз-22». Встреча прошла успешно, но когда Макаров преподнес хозяевам свой подарок, прозвучал неожиданный вопрос:

- Сколько стоит этот снимок?

Макаров удивился:

- Нисколько. Это подарок.

Однако спрашивающий (это был один из геологов) не унимался:

- А фотографию можно дешифровать?

- Да, - ответил Макаров. - Если хотите, можно точно установить, когда и при каких обстоятельствах она была сделана…

Тут геолог облегченно вздохнул и улыбнулся:

- Спасибо. Вы только что подарили нашему городу двадцать миллионов рублей!

Именно в эту сумму обошлись бы аэрофотосъемка и последующая дешифровка фотографий данного района, которую геологи только собирались сделать.

Геологам помогает физика

Конечно, и полевая, и космическая съемка помогают специалистам узнать много нового о подземном строении горных пород. Но этих знаний зачастую все же оказывается недостаточно, чтобы с уверенностью судить, есть здесь нефть или нет? Чтобы «прощупать» недра получше, используют геофизические методы поиска полезных ископаемых.

Геофизики словно бы видят сквозь землю на глубину 5-6 километров. Как им это удается? В какой-то мере геофизические методы исследования недр можно сравнить с рентгеновским просвечиванием человеческого тела, а точнее - с ультразвуковой диагностикой. В тело Земли запускают пучок колебаний и по отражению волн от слоев горной породы судят о геологическом строении данного района.

В настоящее время используется четыре основных геофизических метода: сейсмический, гравиметрический, магнитный и электрический. Рассмотрим их по порядку.

Сейсморазведка основана на изучении особенностей распространения упругих колебаний в земной коре. Упругие колебания (или, как их еще называют, сейсмические волны) чаще всего вызываются искусственным путем.

Сейсмические волны распространяются в горных породах со скоростью от 2 до 8 км/с - поистине космические скорости! - в зависимости от плотности породы: чем она выше, тем больше скорость распространения волны.

На границе раздела двух сред с различной плотностью часть упругих колебаний отражается и возвращается к поверхности Земли. Другая же часть преломляется, одолевает границу раздела и уходит в недра глубже - до новой поверхности раздела. И так до тех пор, пока окончательно не затухнут.

Отраженные сейсмические волны, достигнув земной поверхности, улавливаются специальными приемниками и записываются на самописцы. Расшифровав графики, сейсморазведчики устанавливают потом границы залегания тех или иных пород. По этим данным строят карты подземного рельефа.

Такой метод отраженных волн был предложен советским геологом В.С.Воюцким в 1923 году и получил широкое распространение во всем мире. В настоящее время, наряду с этим методом, используют также и корреляционный метод преломленных волн. Он основан на регистрации преломленных волн, образующихся при падении упругой волны на границу раздела под некоторым, заранее рассчитанным критическим углом. Используются в практике сейсморазведочных работ и другие способы.

Раньше в качестве источника упругих колебаний чаще всего использовали взрывы. Теперь их стали заменять вибраторами.

Вибратор можно установить на грузовик и за рабочий день обследовать достаточно большой район. Кроме того, вибратор позволяет работать в густонаселенных районах. Взрывы наверняка потревожили бы жителей близлежащих домов, а вибрации можно подобрать такой частоты, что они не воспринимаются человеческим ухом.

Единственный недостаток этого способа - малая глубина исследований, не более 2-3 километров. Поэтому для более глубинных исследований применяют преобразователь взрывной энергии. Источником волн здесь по существу остается тот же взрыв. Но происходит он уже не в почве, как раньше, а в специальной взрывной камере. Взрывной импульс передается на грунт через стальную плиту, а вместо взрывчатки часто используют смесь пропана с кислородом. Все это, конечно, позволяет намного ускорить процесс зондирования недр.

Гравиметрический метод основан на изучении изменения силы тяжести в том или ином районе. Оказывается, если под поверхностью почвы находится горная порода малой плотности, например каменная соль, то и земное тяготение здесь несколько уменьшается. А вот плотные горные породы, такие, как, например, базальт или гранит, напротив, увеличивают силу тяжести.

Эти изменения устанавливает специальный прибор - гравиметр. Один из его простейших вариантов - грузик, подвешенный на пружине. Тяготение увеличивается - пружина растягивается; это фиксируется указателем на шкале. Тяготение уменьшается, пружина соответственно сокращается.

Ну, а каким образом на земное тяготение влияют залежи нефти и газа? Нефть легче воды, и породы, насыщенные нефтью или ее непременным спутником - газом, имеют меньшую плотность, чем если бы в них помещалась вода. И это, естественно, отмечает гравиметр.

Правда, подобные гравитационные аномалии могут быть вызваны и другими причинами, например залеганием пластов каменной соли, как мы уже говорили. Поэтому гравиразведку обычно дополняют магниторазведкой.

Наша планета, как известно, представляет собой огромный магнит, вокруг которого расположено магнитное поле. И на это поле могут эффективно влиять среди всего прочего и горные породы, залегающие в данном районе. Быть может, вы слышали или читали, как месторождения железной руды бывали открыты вследствие того, что пилоты пролетавших здесь самолетов удивлялись странному поведению магнитной стрелки? Ныне этот принцип используется и для поисков других видов полезных ископаемых, в том числе нефти и газа.

Дело в том, что в нефти очень часто содержатся примеси металлов. И, конечно, присутствие металла ощущается, правда не «магнитной стрелкой», а современными высокочувствительными приборами - магнитометрами. Они позволяют прощупать земные недра на глубину до 7 километров.

Еще один геофизический метод поиска полезных ископаемых - электроразведка - разработан в 1923 году во Франции и находит применение и по сей день. Собственно, это разновидность магнитной разведки с той лишь разницей, что фиксируется изменения не магнитного, а электрического поля.

Поскольку естественное электрическое поле на Земле практически отсутствует, то его создают искусственно, при помощи специальных генераторов и зондируют с их помощью нужный район. Обычно горные породы представляют собой диэлектрики, то есть их электрическое сопротивление велико. А вот нефть, как мы уже говорили, может содержать металлы, которые являются хорошими проводниками. Снижение электрического сопротивления недр и служит косвенным признаком присутствия нефти.

В последние годы все шире стал применяться еще один способ - электромагнитная разведка при помощи магнитогидродинамических (МГД) генераторов. Электромагнитным волнам стали доступны глубины от нескольких километров, когда ведутся поиски полезных ископаемых; до сотен километров, если речь заходит об общих исследованиях земной коры.

Сердцем современного МГД-генератора является ракетный двигатель, работающий на порохе. Но порох этот не совсем обычный: электропроводимость создаваемой им плазмы по сравнению с обычным ракетным топливом в 16000 раз выше. Плазма проходит через МГД-канал, расположенный между обмотками магнита. По законам магнитодинамики в движущейся плазме возникает электрический ток, который, в свою очередь, возбуждает электромагнитное поле в специальном излучателе - диполе. С помощью диполя и происходит зондирование Земли.

Всего за несколько секунд МГД-установка развивает мощность в десятки миллионов ватт. И при этом обходится без громоздких систем охлаждения, которые были бы неизбежны при использовании традиционных источников излучения. Да и сама установка в несколько раз легче других видов электрогенераторов.

Впервые эффективность МГД-установки была проверена в конце 70-х годов в Таджикистане. Тогда в районе хребта Петра I ученые провели первые опыты по МГД-зондированию, стараясь уловить признаки приближающегося землетрясения. Сигналы мощной 20-мегаваттной установки «Памир-1» регистрировались на расстоянии до 30 километров от нее.

Немного позднее МГД-установки были использованы для поиска нефтяных и газовых месторождений. Для начала был выбран достаточно известный нефтяной район - Прикаспийская низменность. Благодаря МГД-зондированию появилась еще одна возможность не только определить наличие нефтегазоносных слоев, но и четко оконтуривать месторождения. А ведь обычно для этого приходится бурить несколько дорогостоящих скважин.

Получив первые достоверные сведения о надежности МГД-способа, ученые не стали ограничиваться только разведкой в Прикаспийской низменности. Новый способ геофизической разведки недр был использован на Кольском полуострове, на шельфе Баренцева моря - в районах, имеющих мощные пласты осадочных пород, в которых обычно и прячется нефть. Анализ полученных данных показал, что залегание нефти здесь вполне вероятно.

Геохимические и гидрогеологические исследования

Вы обратили внимание, сколько геофизических методов имеют на вооружении нефтеразведчики? Действительно, много. Однако, ни один из методов не дает стопроцентного указания на присутствие нефти. Вот и приходится использовать их в комплексе.

Для начала обычно проводят магнитную разведку. Потом дополняют ее данными гравиметрии. Затем в ход идут методы электро- и сейсморазведки. Но даже этого зачастую бывает недостаточно для точного ответа. Тогда геофизические методы дополняют геохимическими и гидрогеологическими исследованиями.

Среди геохимических методов в первую очередь надо отметить газовую, люминисцентно-битуминологическую и радиоактивную съемки.

Газовая съемка была разработана в 1930 году. Было замечено, что вокруг любой залежи образуется как бы легчайший туман - так называемый ореол рассеяния. Углеводородные газы по порам и трещинам пород проникают из глубины Земли к поверхности, при этом растет их концентрация в почвенных водах и верхних слоях породы. Взяв пробу грунта и почвенных вод, нефтеразведчик с помощью чувствительного газоанализатора устанавливает повышенное содержание углеводородных газов, что и является прямым указателем близкого местоположения залежи.

Правда, чтобы такой способ работал достаточно надежно, необходимы приборы высочайшей чувствительности - они должны надежно обнаруживать один атом примеси среди десяти или даже ста миллионов других! Кроме того, как показывает практика, газовые аномалии могут быть смещены по отношению к залежи или же просто указывать на мелкие месторождения, не имеющей промышленной ценности.

Поэтому данный метод стараются дополнять, например, люминисцентно-битуминологической съемкой. Ее принцип основан вот на каком природном явлении. Над залежами нефти увеличено содержание битумов в породе. И если пробу породы подставить под источник ультрафиолетового света, то битумы тотчас начинают светиться. По характеру свечения, его интенсивности определяют тип битума и его возможную связь с залежью.

Радиационная съемка основана на другом природном феномене. Известно, что в любом районе имеется так называемый радиоактивный фон - небольшое количество радиации, обусловленное воздействием на нашу планету космического излучения, наличием в ее недрах радиоактивных трансурановых элементов и т.д. Так вот, специалистам удалось обнаружить интересную закономерность: над нефтяными и газовыми залежами радиоактивный фон понижается. Например, для месторождений Южного Мангышлака такое понижение равно 1,5 - 3,5 микрокюри за час. Такие изменения достаточно уверенно регистрируются существующими приборами. Однако этот метод находит пока ограниченное применение поскольку радиоактивные аномалии могут быть связаны не только с наличием промышленных залежей, но и с местным изменением состава пород, поверхностной геохимической обстановкой. Другими словами, у геохимиков пока нет надежных критериев позволивших бы им отличать, по каким именно причинам в данном регионе регистрируется аномалия. Но работы в этом направлении ведутся.

Почему пустеют подземные сосуды?

Ну вот, кажется, все необходимые обследования района проведены. Они показали его перспективность в смысле содержания в недрах запасов нефти и газа. Можно закладывать первую разведочную скважину? Нет, пожалуй, сначала нужно провести кое-какие расчеты.

Суть их сводится к следующему. Каждый знает разницу между сосудом и его содержанием. Граница между ними обычно четко определена. Ну а если «сосуд» не искусственный, а природный, и его не мыли несколько миллионов лет? Тогда определить разницу, а значит, и количество нефти и газа в таком сосуде не так-то просто.

Вот как решили эту задачу ученые.

Природа сама позаботилась собрать нефтегазосодержащие породы в гигантские «пиалы», состоящие из плотных непроницаемых пород. Правда, что бы сохранить содержимое, ей пришлось перевернуть их вверх дном. Глубинное давление вытесняет углеводороды, которые упираются в куполообразный потолок и оказываются в ловушке. Купол, хотя и находится глубоко под землей, легко улавливается геофизической аппаратурой. Остается вроде бы немного - пробурить в куполе скважину, подсчитать запасы залежи и нанести на геологическую карту новое месторождение. Но очень скоро геологи столкнулись с такими сюрпризами - стали попадаться ловушки заполненные лишь наполовину, а то и вовсе пустые.

Выяснить какую-то закономерность, объяснить феномен долгое время не удавалось. Ученые разных стран приложили немало усилий, чтобы решить задачу, заданную природой. И вот внимание геологов в конце концов сосредоточилось на конструкции самой ловушки. Оказалось, что и камни не вечны. Сосуд от старости стал не так уж надежен: микроскопические трещины, образовавшиеся в покрышке, дают части запасов улетучиться. И потери тут не маленькие - лишь одна трещина шириной всего в десятую долю миллиметра при обычном для глубин давлении выпускает из ловушки триста миллионов кубометров газа каждый миллион лет. Так что за прошедшие сотни тысячелетий «сосуд», действительно, мог основательно опустеть.

Но всегда ли нефть и газ уходят из ловушки? Все ли природные чаши имеют дефекты? Ответить на эти вопросы в общем-то означало создать новый метод локального прогноза запасов нефти и газа на том или ином месторождении. Исследования ученых показали: ловушки полностью сохраняют свои запасы лишь в том случае, если толщина промежуточного слоя достаточно велика, но все же меньше высоты всего поднятия, то есть если ловушка все-таки сохраняет свою куполообразность.

Так что теперь на геофизических картах специалисты указывают толщину каждого из трех слоев ловушки. При помощи современной техники это удается сделать с достаточно высокой точностью. Ну а дальше в дело вступает простая арифметика. От высоты купола нужно отнять высоту промежуточной прослойки. В итоге получается число, определяющее размер промышленной залежи.

Новый метод определения прогнозных запасов нефти и газа уже получил практическую проверку на нефтепромыслах. Знание законов геологической арифметики позволило сэкономить многие миллионы рублей, затрачиваемые раньше на напрасно закладываемые скважины.

Разведочное бурение

Да, теперь никто не закладывает скважину наобум, однако, как ни странно, определенная доля риска все-таки остается. Не удивляйтесь: и по сей день при закладке первой скважины немалую роль играет «госпожа Удача», а окончательный приговор всем прогнозам и расчетам выносит «мастер Долото».

То, что мы сейчас называем разведочным бурением, практикуется достаточно давно, хотя до поры до времени корректнее было бы назвать это действие разведочным долблением.

В 20-е годы 19-го столетия во Франции скважины бурили для поиска воды. В 1845 году французский инженер Фовель сделал фундаментально открытие - он нашел способ, как извлекать из скважины раздолбленную породу. «Ларчик открывался просто» - для этого нужно было использовать ту же воду, для поисков которой и проделывались первые скважины.

В конце 50-х годов 19-го века начали бурить нефтяные скважины. Скорость проходки в это время составляла не более метра в сутки, а глубина скважины редко превышала полкилометра.

Лишь в начале 20-го века скважины действительно начали бурить. Пионерами нового способа стали Бакинские промышленники, первыми опробовавшие роторное бурение. При вращении долота в скважине порода крошилась, истиралась, и ее обломки поднимали наверх при помощи водных растворов. Скорость проходки возросла до 400-500 метров в сутки! Скважины стали в 3-4 раза глубже.

Современные скважины бурят с учетом опыта всех предшественников. Порода разрушается буровым долотом, которое присоединено к бурильным трубам. По мере бурения долото изнашивается и его необходимо заменять. Это очень трудоемкая операция, ведь для смены долота нужно поднять всю колонну бурильных труб, снять изношенное долото, накрутить новое и снова произвести спуск всей колонны. Диаметр долота больше диаметра бурильных труб и после того, как долото проходит пласт породы, остается пространство между бурильной трубой и пробуренной породой. Буровой раствор с помощью мощных насосов подают в бурильные трубы, он опускается вниз, а потом поднимается вверх по затрубному пространству, т.е. пространству между бурильными трубами и пробуренной породой. Вверху буровой раствор очищается от выбуренной породы (шлама) и снова закачивается в скважину. Ротор - специальное устройство, которое на поверхности приводит во вращение бурильные трубы, которые в свою очередь придают вращательное движение долоту.

Сам по себе роторный инструмент весьма громоздкий и требует частой смены. Все это, конечно, сдерживало развитие роторного бурения. Действительно, куда это годилось, если при глубине скважины в 4 километра колонна бурильных труб, на которое насаживалось долото, весила уже более 200 тонн! Большая часть энергии тратилась уже не на углубление скважины, а на вращение самих труб.

В 1922 году советский инженер М.А.Капелюшников предложил новый оригинальный метод бурения - турбинный. Двигатель, вращавший долото, был опущен на дно скважины. Таким образом отпала необходимость во вращении всех колонны труб, а это, естественно, способствовало большей экономии энергии.

В дальнейшем метод турбинного бурения неоднократно усовершенствовался. Современный турбобур - это сложнейшая машина, длинной около 10 метров. Каждая ступень турбобура - всего их может быть около сотни - имеет два диска с профилированными лопатками. Один из дисков - статор - неподвижно закреплен в корпусе турбобура. Второй - ротор - вращается. А приводит турбобур во вращение буровой раствор, который под давлением нагнетается в скважину для вымывания остатков разбуренной породы и обтекает при этом роторные лопатки.

Каждая секция турбобура развивает относительно небольшое усилие. Однако их много, и суммарная мощность оказывается достаточной, чтобы пробурить и самую твердую породу.

В последние годы получили распространение и электрические турбобуры. Они приводятся в действие специальными электромоторами малого диаметра, опять-таки помещаемыми в нижнем конце колонны. Энергия подводится к двигателю по специальному кабелю, расположенному внутри бурильной трубы. Такой способ позволяет развивать на долоте значительные усилия, легко поддается автоматизации.

По существу, современная буровая установка представляет собой небольшое промышленное предприятие. Здесь есть и своя силовая подстанция, и установка для получения бурового раствора, и сама буровая вышка, на которой монтируются мощные лебедки, и другое оборудование, необходимое для спуска и подъема бурильных и обсадных труб.



Особое внимание при бурении уделяют буровому раствору. Он должен выполнять несколько задач. О некоторых мы уже говорили: поднимать на поверхность обломки выбуренной породы, приводить во вращение турбобур. Также буровой раствор охлаждает долото, которое при трении значительно нагревается. Почему в современном бурении в качестве бурового раствора не используют простую воду, как это делали раньше? Оказывается, что вода не очень удачно вписывается в эту роль. Да, вода действительно может выносить выбуренную породу. Но что произойдет, если вдруг процесс бурения неожиданно остановится? Такое вполне может произойти, хотя это нежелательное явление на буровой. В этом случае вся выбуренная порода, которая находится в воде, и которая уже направлялась наверх, начнет оседать вниз и через некоторое время с определенной глубины засыплет межтрубное пространство, по сути, похоронив на всегда долото, турбобур и, возможно, бурильную колонну. А это очень дорогостоящий инструмент. В настоящий момент есть долота, стоимость которых превышает полмиллиона рублей (2005 год). А стоимость колонны бурильных труб может превышать десять миллионов рублей. Для того, что бы такое не происходило применяют не воду, а специальный буровой раствор. Чаще всего глинистый раствор на основе глинопорошка. Такой раствор не дает оседать выбуренной породе, и при возобновлении бурения снова продолжить подъем шлама на поверхность.

К буровому раствору предъявляют еще одно требование. При бурении глубокой скважины на ее пути могут встречаться различные пласты различного характера (водные, нефтяные, газовые). Одним из главных условий бурения является обеспечение неприкосновенности пластов. Буровики должны пробурить скважину, а там уже другие специалисты разберутся какой пласт им нужен. Представьте себе пустое отверстие диаметром 30 сантиметров, глубиной 4 километра. Что произойдет, если такое отверстие загерметизировать сверху и оставить на произвол судьбы? Сначала из разных пластов различные смеси заполнят это пространство, а потом из пласта с наибольшим давлением жидкость или газ вытеснит остальные фракции и начнет проникать в другие пласты. А этими пластами могут оказаться водные пласты, близкие к поверхности земли и нефть или газ может появиться в реках и озерах, а потом и в городских водопроводах. Этого, конечно, допускать ни в коем случае нельзя. Поэтому пока идет процесс бурения весь ствол скважины заполнен буровым раствором, который не дает содержимому встречающихся пластов проникнуть в скважину. Для этого у бурового раствора должна быть определенная плотность, при этом он сам не должен убегать в пласты. Подобрать нужную плотность бурового раствора является не простой задачей, ведь на пути скважины как правило встречается много разных пластов. И, к сожалению, иногда невозможно подобрать нужную плотность, чтобы держать в равновесии все пласты. В этом случае, как правило, в скважине предусматривается так называемая промежуточная колонна обсадных труб. Скважина бурится до определенной глубины с одним параметром бурового раствора, затем спускаются металлические обсадные трубы, пространство между обсадными трубами и пробуренной породой цементируется так называемым тампонажным раствором. После чего продолжают бурение с другим буровым раствором. Понятно, что установленные выше обсадные трубы должны быть большего диаметра чем, бурильная колонна и обсадные трубы, которые будут спущены ниже. Иногда требуется устанавливать несколько промежуточных колонн и тогда конструкция скважины может принять такой вид:

Последняя колонна, которая спускается ниже остальных, называется эксплуатационной колонной. Часто первую промежуточную колонну называют кондуктором.

Однако к буровому раствору предъявляется еще одно требование, которому глинистые растворы соответствуют не в полной мере. Когда долото вскрывает покрышку и начинает проходку в коллекторе, в коллектор также попадает буровой раствор. Помимо того, что он подается под большим давлением в скважину, на коллектор давит весь столб жидкости. Ведь столб бурового раствора высотой 3-5 километров тоже создает значительное давление. В итоге может получиться, что часть бурового раствора попадет в коллектор возле скважины и забьет его поры. В итоге возле самой скважины коллектор окажется загрязненным и нефть не сможет легко просачиваться в скважину. Как правило, это сказывается на так называемом дебите скважины, т.е. объеме добычи. Если при правильном вскрытии пласта дебит мог составить одно значение, то при неправильном объем добычи скважины может уменьшится в несколько раз, а иногда и вообще быть равен нулю. Правда, это проблема больше касается эксплуатационных скважин, однако и в разведочных скважинах важно узнать показатели пластов. Что бы избежать таких неприятностей в последнее время используют различные буровые растворы, основанные не на глине. Большое распространение получили так называемые биополимерные растворы. Через некоторое время после вскрытия пласта данные растворы разлагаются и не оставляют после себя засоров в коллекторе.

Как правило, разведочные скважины бурят вертикальными. Т.е. без значительного отклонения от места забуривания. Наклонно-направленное бурение встречается в эксплуатационном бурении, о чем мы поговорим позднее.

Сверхглубокие скважины

Зачем нужны сверхглубокие?.. Признаемся сразу: это скважины дальней разведки; конечно, с их помощью специалисты не надеются обнаружить в данном месте залежи нефти, газа или других полезных ископаемых. Главная задача другая - исследование геокосмоса!

Ведь на сегодняшний день мы сравнительно много знаем о том, что происходит над нашими головами, в глубинах космоса, а вот что творится в каких-нибудь нескольких десятках километров у нас под ногами - представляем весьма слабо.

При сверхглубоком бурении трудности возрастают не пропорционально глубине скважины, а так сказать, по экспоненте. Обратимся к примерам.

Эпоха сверхглубокого бурения началась в 1961 году реализацией американского проекта «Мохол». Скважину заложили на дне Тихого океана, вблизи острова Гуадалупе, под четырехкилометровым слоем морской воды. Ожидалось, что буровой снаряд, пройдя 150 метров рыхлых донных пород, погрузится в 5,5-километровый слой твердых пород. А затем, пройдя и их, предоставит в руки исследователей вещество мантии - следующего после коры слоя недр нашей планеты.

Однако на практике все получилось совсем по-другому. Бурение остановилось после первых же 36 метров. Когда на борт бурового судна подняли колонну труб с первым керном, то потом уже не смогли отыскать устье начатой скважины. Не помогли ни системы динамической стабилизации, ни сложнейшие пеленгационные комплексы, расположенные вокруг судна на специальных заякоренных буях.

Все же соблазн вскрыть мантию именно на морском дне был очень велик. Как-никак, тут земная кора наиболее тонка: каких-нибудь 5 километров - и вот она, мантия! Поэтому семь лет спустя после первого опыта в море вышел «Челленджер» - специально оборудованное буровое судно грузоподъемностью свыше 10 тысяч тонн. Еще семь лет с него велось глубинное бурение. На сей раз дело завершилось сравнительно благополучно - скважину не потеряли. Но и добиться поставленной цели не смогли. В 1975 году бурение прекратили из-за технических сложностей, когда были вскрыты верхние базальтовые слои океанского дна.

Дальнейшая атака на мантию продолжалась уже на суше. Среди семейства сверхглубоких скважин, пожалуй, стоит отметить «Берту Роджерс», пробуренную в Оклахоме. Эта разведочная скважина впервые перешагнула 9-километровую глубину. Правда, победа далась нелегкой ценой. Для проходки ствола в молодых осадочных породах использовали мощнейшую технику - буровые установки грузоподъемностью 1000 тонн, которые ранее использовались военными для закладки пусковых шахт межконтинентальных баллистических ракет.

Столь большой запас мощности позволил разведчикам особо не церемониться, брать недра штурмом в лоб, не прибегая к особым техническим хитростям. Но и супермощное, сверхтяжелое буровое оборудование не смогло противостоять повышенному давлению: с глубины 9583 метров рассерженные недра в один момент «выплюнули» все приспособления, а вслед ударил мощный фонтан расплавленной серы.

В СССР в начале восьмидесятых годов прошлого века была заложена СГ-3 - Кольская сверхглубокая. Ее предшественницами среди отечественных сверхглубоких были СГ-1 и СГ-2 - АралСорская и Биикжальская.

Для очередной попытки проникнуть в глубины геокосмоса не случайно было выбрано место именно на Кольском полуострове. Словно бы для облегчения доступа к нижним этажам планеты, разрушительной силой льда, ветра и воды за последние сотни миллионов лет напрочь стесана 15-километровая толща континентальной коры. В некоторых районах прямо на поверхность выходят древние кристаллические породы Балтийского щита. Специалисты говорят, что здесь можно споткнуться о камешек возрастом в два миллиарда лет! Так что мантия как бы рядом.

Не надо думать, что здесь все шло как по маслу. Проблем хватало. Одна из главных - чтобы скважина не отклонялась от вертикали больше, чем это предусмотрено. (Для СГ-З было предусмотрено отклонение не более градуса на каждый из 15 километров глубины). Заметим попутно, что у американцев на «Берта Роджерс» забой ушел в сторону на 25 градусов.

Первые два километра буровикам удалось продержаться «в норме», надевая на турбобур специальные кольца с победитовыми наконечниками, которые жестко упирались в стенки ствола. Но когда забой попал в кавернозную зону, когда вокруг то и дело стали встречаться пустоты, центраторам стало не на что опираться, и они «повисли в воздухе».

Вновь вывести скважину на прямую дорогу удалось с помощью турбинного отклонителя. Это устройство снабдили телеметрической системой, которая мгновенно улавливала малейшие отклонения от вертикали, помогла буровикам удержаться «на курсе».

Так им удалось сравнительно спокойно нарастить колонну труб еще на несколько километров. И вдруг новое происшествие: на большой глубине вся связка труб с турбобуром на конце повела себя как сверхдлинная пружина, потерявшая жесткость из-за непомерной длины. На поворот колонны в устье, что по идее должно было бы исправить кривизну, «пружина» изгибалась лишь в своей верхней части, оставаясь в нижней неподвижной.

Что делать? Специалисты испробовали несколько безуспешных вариантов, пока не остановились, наконец, на одном. Клин решили выбивать клином, как советует русская пословица. А точнее, один эффект решили компенсировать другим: пружинный - маятниковым. Под турбобуром была смонтирована тяжеленная, залитая свинцом труба, которая, действуя подобно отвесу, старалась оттянуть бур по вертикали к центру Земли...

День за днем, год за годом крутилось и крутилось буровое долото. Время от времени его останавливали. Не только затем, чтобы сменить выкрошенные твердейшими породами алмазные зубья, но и чтобы поднять на поверхность драгоценную добычу - керн, аккуратно выпиленный кусочек древнего Балтийского щита.

Конечно, всем хочется потрогать его руками - кусочек камня, только что лежавший на многокилометровой глубине. Но сразу делать это опасно. Можно обжечься. Там, внизу, недра хранили камень при 200-градусной температуре. И все-таки, чуточку выждав, трогают. Велико нетерпение: вот она, желанная добыча! Крупицы знаний, которые с таким трудом добываются со столько огромной глубины. О чем они говорят?

В настоящее время в России работает специальное предприятие «Кольская сверхглубокая», которое продолжает работы по проведению исследований в этой уникальной скважине.

Промыслово-геофизические исследования в скважинах

Годы упорного труда, миллионы рублей тратятся, конечно, вовсе не для того, чтобы потрогать неостывшие кусочки породы, лежавшие на многокилометровой глубине. Керны исследуют всеми имеющимися в распоряжении науки физико-химическими методами.

В скважину также опускают десятки чутких датчиков, приборов, которые рассказывают исследователям о самочувствии земной коры. Промыслово-геофизические исследования, которые с легкой руки французских специалистов во всем мире называют каротажными или каротажем, дают возможность по всей длине скважины определить литологический состав, мощность пород, выделить интервалы залегания продуктивных горизонтов, установить коллекторские свойства горных пород... Словом, каротаж дает возможность ответить на сотни вопросов, интересующих специалистов.

Наверное, поэтому в настоящее время насчитывается свыше 40 различных методов каротажа - электрические, радиоактивные, акустические, индукционные... Но хороший результат дает только их оптимальное сочетание.

Например, по электрическому сопротивлению пород довольно четко можно выявить продуктивные горизонты, на которых стоит искать нефть и газ. Эти исследования дополняются акустическими и индукционными измерениями, позволяющими по тому, как распространяются вокруг скважины акустические колебания, как изменяется индуктивность близлежащих пород, оценивать их нефтенасыщенность.

Термометрический каротаж позволяет изучать изменение температуры вдоль ствола скважины. Эти данные позволяют расшифровать температурный режим недр, выделить газовые залежи, которые отмечаются по минимальным температурам. Дело в том, что адиабатическое расширение газа, согласно законам физики, приводит к понижению его температуры.

На СГ-3 (см. предыдущую статью «Сверхглубокие скважины»), кстати, температурный каротаж задал немало загадок. Поначалу температуры росли так медленно, что многие геофизики даже обозвали Балтийский щит «булыжником».

- Температурный режим в нем нарушен, говорили они, - щит пассивен, поэтому бесполезно искать тут рудообразования или какие-то другие залежи полезных ископаемых...

И действительно, поначалу температура возрастала очень медленно: на глубине 4 километра она составляла всего лишь 40° С, хотя по расчетам, давно должна была составлять градусов пятьдесят-шестьдесят... Потому случилось непредвиденное - температура, напротив стала нарастать ускоренными темпами и к 11-километровому рубежу достигла 200° С против ожидаемой сотни с небольшим. Что это - следствие древнего выветривания пород? Или ледяного «компресса», который длительное время прикрывал своей шапкой землю в данном районе?.. Пока геофизики разбираются в температурном феномене.

«Велико есть дело достигать во глубину земную разумом, куда рукам и оку досягнуть возбраняет натура; странствовать измышлениями в преисподней, проникать рассуждениями сквозь тесные расселины, и вечной ночью помраченные вещи и деяние выводить на солнечную ясность...»

Так писал в свое время М. В. Ломоносов, и его слова не потеряли своего значения за прошедшие два с лишним века. Все, о чем мы говорили в этой главе - не более, чем технические средства проникновения в тайны природы. Главный же ключ к познанию этих тайн - человеческий разум.

С помощью этого универсального инструмента был открыт еще один способ, позволяющий подвести итоговую черту под всеми другими методами исследования недр. Речь идет о возможности «сделать недра прозрачными».

Конечно, эти слова не надо понимать буквально. Речь идет о новом способе комплексного использования всех тех данных, о которых вы прочли ранее.

- С переходом к познанию глубоких горизонтов земной коры, - сказал по этому поводу известный советский геолог Н. И. Хитаров, - показ результатов геологических исследований на одной плоскости недостаточен. Нужны «объемные» геологические карты...

Что же должна, представлять собой такая карта? Метод инженеров-конструкторов, которые изображают объем на плоскости при помощи трех проекций одной детали, в данном случае не подходит; строение геологических структур подчас настолько сложно, что в трех проекциях немудрено запутаться. Тогда геологи решили воспользоваться опытом географов.

Как всем хорошо известно, что на обычных географических картах всегда присутствует и третье измерение - высота или глубина. Чем коричневый цвет горного массива, тем, значит, выше здесь горы. По тому же пути пошли и картографы подземных горизонтов. В качестве базы они берут определенную глубину, например 100 метров или 100 километров, - это зависит от масштаба карты и от того, для каких именно целей она предназначена. И дальше все как на обычной географической карте - цветом выделяется понижение или повышение данного района относительно уровня моря.

Если мы, например, будем рассматривать подобную карту Восточно-Европейской низменности, то увидим, что на ней преобладает зеленый цвет. Им выделены самые древние образования - архейские и протерозойские. Поверх него слой за слоем лежат более поздние, осадочные породы.

Чем глубже под осадочными породами находится поверхность кристаллического фундамента, тем темнее зелень на карте. В тех же местах, где фундамент поднялся выше уровня моря, вышел на дневную поверхность, цвет карты становится светло-оранжевым. Так выделены Тиманский кряж, Украинский и уже знакомый нам Балтийский щит.

Такая карта обобщает огромное количество сведений, накопленных геологией, в наглядном виде. На ней нашли отражение все методы исследования земных недр и в первую очередь, разведочное бурение - как источник самых достоверных сведений.

Ну, а чтобы не нагромождать на одну карту чересчур много сведений, стали делать послойные разрезы. Их можно сравнить, пожалуй, с поэтажными планами огромного небоскреба. Бессмысленно ведь показывать расположение комнат каждого этажа на одном общем плане - никто, наверняка, ничего не поймет. Вот так и послойные геологические карты. Для той же Восточно-Европейской платформы их будет издано около тридцати.

Возможно, из них когда-нибудь синтезируют и общую карту, использовав для этого методы голографии и помощь современной вычислительной техники. И тогда геологи действительно увидят своими глазами прозрачную Землю, смогут до тонкостей понять ее строение, досконально определят запасы полезных ископаемых.

...