Как это работает. Добыча нефти из битумных песков. Как добывают нефть из битумных песков

Благодаря высоким ценам на нефть, а также общему ухудшению мировой структуры запасов нефти, все больше и больше внимания уделяется развитию новых технологий добычи труднодоступного углеводородного сырья. В Канаде, запасы битумной нефти которой превышают запасы нефти Саудовской Аравии, успешно развиваются технологии разработки битуминозных песков (tar sands).

Один из способов, ставший уже традиционным, - это добыча нефтеносного песка карьерным способом с последующей обработкой горячей водой для отделения от него нефти. Другой способ, зарекомендовавший себя как коммерчески успешный, это (SAGD), предполагающий бурение парных горизонтальных скважин с закачкой пара в скважину расположенную в пласте на 5 м выше другой. Существуют также «холодные» методы добычи битума, предполагающие вместо закачки пара обработку битума в пласте растворителем (метод VAPEX).

Все эти методы имеют два существенных недостатка:

• достаточно высокая себестоимость получаемой нефти;
• ущерб, наносимый окружающей среде в процессе добычи.

Новая технология N-Solv , представляющая собой модифицированный метод закачки растворителя в пласт, позволяет увеличить добычу нефти из нефтеносных песков, снизить себестоимость нефти и свести воздействие на окружающую среду к минимуму.

В технологии N-Solv в качестве растворителя используется природный газ (пропан), что требует значительно меньше энергии по сравнению с использованием пара. Растворитель нагревают до невысокой температуры (~ 50°C) и закачивают в нефтеносный песок. Растворитель разлагает битум, самые тяжелые компоненты битума остаются под землей, а более легкая нефть и растворитель, пригодный для повторного использования, поднимаются наверх. Кроме того, масса получается менее вязкой, чем при традиционном подземном способе, и ее можно сразу транспортировать по нефтепроводу.

Сама идея использовать газ в качестве растворителя для извлечения нефти была предложена в 70-х годах прошлого века. Но из-за низкой скорости процесса растворения битума по сравнению со скоростью движения газа в пласте технология оказалась не применимой. Развитие современных технологий добычи позволили довести идею до практически реализуемого и коммерчески привлекательного метода разработки.

Использование технологии горизонтального бурения скважин, адаптированной для использования в нефтеносных песках, позволило увеличить площадь контакта с породой и соответственно ускорить процесс растворения битума, а также увеличить темп отбора нефти. Модернизация самой технологии N-solv посредством нагревания растворителя, а также очистки его от примесей метана позволило значительно повысить эффективность процесса. Было выяснено, что присутствие метана в пласте значительно ухудшает процесс теплообмена на границе растворитель-битум. А использование чистого растворителя нагретого до умеренной температуры обеспечивает очень эффективный механизм по удалению метана из пласта.

Испытание технологии на битумных залежах Атабаски показало значительно более высокую эффективность метода N-solv по сравнению с методом VAPEX, а также довольно широко используемым методом .

Преимущества технологии N-solv

Технология N-Solv – это «чистая» технология разработки битумных песков:

• Нет необходимости в использовании воды;
• Значительно снижает выбросы парниковых газов (на 85%)

Технология N-Solv обеспечивает практическую применимость для разработки залежей тяжелой нефти и природного битума:

• Подходит для выработки маломощных коллекторов
• Для начала добычи требуются меньшие капиталовложения
• Не требует дальнейшей модернизации и адаптации
• Требования к агенту закачки ниже по сравнению с технологией SAGD

Применение технологии окупается быстрее при меньшем риске. Технология N-Solv остается коммерчески привлекательной при цене на нефть порядка 30 долл. за баррель.

В среду 4 мая цены на нефть незначительно подросли, несмотря на рост коммерческих запасов в США. Драйвером роста стала эвакуация населения из Форта МакМюррея (Канада, провинция Альберта) из-за того, что огонь охватил регион, в котором сосредоточены месторождения битуминозного нефтеносного песка. По данным СМИ из зоны стихийного бедствия эвакуировано более 80 тыс. человек. Хуже того, по мнению ученых, запад Канады близок к экологической катастрофе. Вместе с лесами загорелись и залежи нефтяных песков.

Город Форт Мак-Маррей находится неподалеку от крупнейших нефтяных месторождений. Битуминозные пески в штате Альберта обладают гигантскими запасами нефти, превышающими объемы нефти, добываемой во всем мире.

Атабаска (англ. Athabasca) - месторождение битуминозных песков в Канаде (Альберта ), которое содержит в себе сырую нефть, кварцевый песок, глинозём и воду. Открыто в 1778 году, освоение началось 1967 году. Залежи находятся к северу и к северо-востоку от города Эдмонтон.

Площадь месторождения - 25,6 тыс. км².

_____________________________________________

Пески эти (дельта древней реки) насыщены битумом, среднее содержание которого достигает 82 %. Возраст их – около 125 млн. лет. Залегают они на глубинах 50- 500 метров. Запасы в пересчете на сырую нефть оцениваются в 1.6 трилионов барелей (1 нефтяной барель = 160 л) или 250 куб.kм, из которых около 200 миллиардов барелей возможно извлечь при существующих технологиях. Но, как известно, последние не стоят на месте. В последнее время из нефтяных песков Альберты получали более 1.6 миллионов барелей нефти в день.

Чтобы добраться до песка, сперва соскребают все деревья, почву, травы, всю природу. И копают вглубь. В среднем, из четырех тонн битума производят только один баррель нефти.

Только от 10 до 15 процентов от собранных песков содержат битумную смолу – вещество, которое в конечном итоге перерабатывается в бензин. Остальной шлак сбрасывается, он настолько токсичен, что работники используют пропановые пушки для отпугивания птиц, которые пытаются сесть на него. По оценкам нефтяной промышленности около 3 миллионов галлонов стекает в грунтовые воды Канады ежедневно. Не сложно и предположить, что горящие леса насквозь пропитались нефтью, потому и потушить их не получается.

Леса загорелись на западе Канады 1 мая. За четыре дня полностью выгорело почти две тысячи гектаров. На тушение брошены сотни пожарных и авиация. Но сухая погода и сильный ветер лишь раздувают огонь и гонят его к жилым домам.

Синоптики предупреждают, что ветер будет усиливаться и под огнем может оказаться вся провинция Альберта, а это почти четыре миллиона человек. Власти просят жителей быть готовыми к эвакуации в любой момент.

Геологические ресурсы в мире этого вида сырья огромны- 500 млрд. т. Запасы тяжелых нефтей с плотностью более вполне успешно осваиваются. При современных технологиях их извлекаемые запасы превышают 100 млрд. т. Особенно богаты тяжелыми нефтями и битуминозными песками Венесуэла и Канада. В последние годы растут объемы добычи тяжелых нефтей, составляя по разным оценкам около 12-15% от общемировой. Еще в 2000 г. в мире из тяжелых нефтей добывалось лишь 37, 5 млн.т. в 2005 г.- 42,5 млн.т., а к 2010-2015 гг. по прогнозу может составить уже около 200 млн.т., но при мировых ценах на нефть не ниже 50-60$/брр.

Нефтяные пески успешно разрабатывают в Канаде c 60-х годов прошлого века. Сегодня примерно половина нефти добываемой в этой стране приходиться на нефтяные пески. Под нефтяным песком, на самом деле, подразумевается смесь песка, воды, глины, тяжелой нефти и природного битума. Выделяют три нефтяных региона в Канаде со значительными запасами тяжелой нефти и природного битума. Это Athabasca, Peace River и Cold Lake. Все они находятся в провинции Альберта.

Для добычи нефти из нефтяных песков применяют два принципиально различных метода:

1) Открытым карьерным способом и 2) Непосредственно из пласта.

Карьерный способ добычи подходит для неглубоких залежей (глубиной до 75 м) и залежей, выходящих на поверхность. Примечательно, что в Канаде все залежи подходящие для карьерного способа добычи, расположены в районе Athabasca.

Карьерный способ добычи подразумевает, что нефтяной песок, попросту говоря, грузиться на самосвалы и перевозится на установку переработки, где его промывают горячей водой и таким образом отделяют нефть от всего прочего материала. Требуется добыть примерно 2 тонны нефтяного песка, чтобы получить 1 баррель нефти. Если это кажется вам довольно трудозатратным способом получить 1 баррель нефти, то вы правы. Зато коэффициент нефтеотдачи при этом способе добычи очень высок и составляет 75%-95%.

Рис. 1

Для извлечения тяжелой нефти непосредственно из пласта используют, как правило, тепловые способы добычи, такие как парогравитационное воздействие. Существуют также и «холодные» методы добычи, предполагающие закачку в пласт растворителей (например, метод VAPEX или технология N-Solv). Способы добычи тяжелой нефти непосредственно из пласта менее эффективны в плане нефтеотдачи по сравнению с карьерным способом. В то же время эти способы имеют некоторый потенциал к снижению себестоимости получаемой нефти за счет совершенствования технологий ее добычи.

Тяжелая/высоковязкая/битумная нефть привлекает все большее внимание нефтяной промышленности. Поскольку основные «сливки» в мировой нефтедобыче уже сняты, нефтяные компании просто вынуждены переключаться на менее привлекательные месторождения тяжелой нефти.

Именно в тяжелой нефти сосредоточены основные мировые запасы углеводородов. Вслед за Канадой, поставившей на свой баланс запасы тяжелой/битумной нефти, то же самое сделала и Венесуэла, имеющая огромные запасы этой нефти в поясе реки Ориноко. Этот «маневр» вывел Венесуэлу на первое место в мире по запасам нефти. Значительные запасы тяжелой нефти есть и в России, а также во многих других нефтедобывающих странах.

Огромные запасы тяжелой нефти и природных битумов требуют разработки инновационных технологий добычи, транспорта и переработки сырья. В настоящее время операционные затраты по добыче тяжелой нефти и природных битумов могут в 3-4 раза превосходить затраты на добычу легкой нефти. Переработка тяжелой высоковязкой нефти также более энергоемка и, как следствие, во многих случаях низкорентабельна и даже убыточна.

В России различные способы добычи тяжелой нефти испытывались на хорошо известном Ярегском месторождении высоковязкой нефти расположенном в Республике Коми. Продуктивный пласт этого месторождения, залегающий на глубине ~200 м, содержит нефть плотностью 933 кг/м3 и вязкостью 12000-16000 мПа·с. В настоящее время на месторождении осуществляется термошахтный способ добычи, зарекомендовавший себя как достаточно эффективный и экономически оправданный.

На Ашальчинском месторождении сверхвязкой нефти, расположенном в Татарстане, реализуется проект по опытно-промышленному испытанию технологии парогравитационного воздействия. Эта технология, правда без особого успеха, испытывалась также на Мордово-Кармальском месторождении.

Результаты разработки месторождений тяжелой высоковязкой нефти в России пока не внушают особого оптимизма. Требуется дальнейшее совершенствование технологий и оборудования для повышения эффективности добычи. В то же время потенциал к снижению себестоимости добычи тяжелой нефти есть, и многие компании готовы принимать в ее добыче активное участие.

Буквально за год Канада в 3,6 раза (!) увеличила свои запасы нефти. Если в 1998 году доказанные запасы нефти составляли 49,8 млрд. баррелей, то в 1999 году они составили уже 181,6 млрд. баррелей!* При этом страна переместилась с восьмого сразу на второе место по величине запасов среди нефтедобывающих стран, уступив только Саудовской Аравии. Как канадским нефтяникам удалось это сделать? Открытие новых крупных месторождений нефти? Ничего подобного. Степень разведанности запасов в Канаде довольно высока, а новых крупных открытий не было со времен 1979 года, когда было открыто месторождение Хайберния . Так что дело совсем не в новых нефтяных месторождениях. Так как же Канаде удалось так резко нарастить свои доказанные запасы нефти?

*По данным BP Statistical Review of World Energy 2014

Эта история началась давно и началась она с работ Карла Кларка

Канадский химик Карл Кларк родился в 1888 году в городке Джорджтаун, штат Онтарио. Высшее образование он получил в университете Макмастер, а в 1915 году в университете Иллинойса он получил степень доктора химических наук.

Надо сказать, что Канада обладает огромными запасами тяжелой нефти (битума). Залежи битуминозных песков были известны уже давно (например, крупнейшее месторождение Атабаска было открыто еще в 1778 году), но эффективного способа разработки таких залежей найдено не было. Их разработка сводилась в основном к поверхностному сбору битума с использованием его в строительных целях.

Для изучения способов разработки нефтяных песков правительство Альберы (провинции, в которой расположены все основные запасы тяжелой нефти) в 1921 году учредило Совет по научным и промышленным исследованиям (Scientific and Industrial Research Council). Первым участником этой организации стал Карл Кларк, а его основной задачей было найти эффективный способ переработки нефтяных песков.

Карл начал экспериментировать с различными способами отделения нефти от твердых частиц песка с использованием горячей воды и химикатов. В 1923 году он со своим коллегой Сидни Блэром построил небольшой экспериментальный завод по переработке нефтяного песка. Завод был способен переработать до 85 тонн исходного вещества в год, но большой проблемой оставались высокие затраты на нагрев воды. В 1925 году в процессе работы на Совет Карл Кларк, наконец, нашел эффективный способ извлечения нефти из нефтяных песков с помощью горячей воды и химических реагентов, который он запатентовал в 1929 году.

Метод этот заключается в том, что нефтяной песок, добытый карьерным способом, смешивают с горячей водой либо в специальном барабане, либо непосредственно в трубопроводе. Капельки нефти (битума) при этом отделяются от минеральных частиц песка и прикрепляются к небольшим воздушным пузырькам, которые помогают им переместиться в верхнюю часть смеси. Затем вся эта масса размещается в специальных разделительных сосудах, где насыщенная битумом пена просто откачивается с поверхности жидкости. Откачиваемая пена содержит порядка 65 процентов нефти, 25 процентов воды и 10 процентов твердых частиц.

Когда крупные зерна песка оседают, их перекачивают на специальные утилизационные площадки, где из них формируют своего рода дамбы в виде пруда. В эти пруды закачивают отработанную воду с оставшимися в ней мелкими частицами песка. Некоторое время вода отстаивается и после полного оседания всех твердых частиц оставшуюся чистую воду используют повторно.

Интересный факт: поскольку частицы минерального вещества после их обработки и извлечения из них нефти не оседают с изначальной плотностью, то получается, что каждый кубический метр добытого нефтяного песка превращается в 1,4 м³ отходов.

Обычно таким методом удается извлечь 88-95 процентов нефти, содержащейся в нефтяном песке, что делает этот метод весьма эффективным.

Когда канадские компании начали коммерческую добычу нефти из нефтяного песка в конце 1960-х, даже в нефтяной отрасли мало кто обратил на это внимание. Нефть была заключена в полутвердой вязкой пасте называемой битумом, смешанной с твердыми минеральными частицами. Залежи битумной нефти застывали зимой, а летом превращались в болотистые места, в которых тонуло оборудование. Долгое время никто не принимал всерьез возможности добычи нефти из таких трудноразрабатываемых залежей. Но со временем нефтяные пески были признаны полноценной и неотъемлемой частью нефтяной отрасли. А доктора Карла Кларка в Канаде теперь чтят, как разработчика эффективной технологии извлечения нефти из них.

Переход к технологиям добычи тяжелой нефти из пласта

Карьерный способ разработки нефтяных песков с помощью огромных экскаваторов и гигантских грузовиков позволяет вовлечь в добычу только 20% нефтяных запасов. Остальные запасы залегают на большой глубине вне пределов досягаемости карьерного метода. Поэтому следующим логическим шагом в развитии процесса освоения нефтяных песков был переход к добыче нефти непосредственно из пласта (так называемый in situ process). С этой целью были разработаны такие методы как метод , блестяще описанный в статье , VAPEX, CHOPS и некоторые другие (например, ).

Еще в 1940-х Карл Кларк пришел к выводу, что поверхностная добыча нефтяного песка и его дальнейшая переработка - не самый эффективный способ получения нефти. «До сих пор я был очень пессимистичен в отношении добычи тяжелой нефти непосредственно из пласта, но сейчас я становлюсь все более оптимистичен» - писал он. Но основная заслуга в разработке коммерчески успешного метода добычи тяжелой нефти из пласта принадлежит доктору Роджеру Батлеру – разработчику метода SAGD.

Родился Роджер Батлер в 1927 году в Великобритании в городке Илфорд, который с 1965 года считается частью Лондона. В 1951 году Роджер получил докторскую степень в области химии в Имперском колледже Лондона и почти сразу после этого иммигрировал в Канаду.

В 1955 году он начал работу в компании Империал Ойл, где проработал следующие 27 лет, в течение которых не только разработал технологию разработки тяжелой нефти методом SAGD, но и близкую ей технологию VAPEX, в которой вместо пара используется специальный растворитель.

В 1970-х Батлер, будучи работником компании Империал Ойл, разработал концепцию использования двух параллельных горизонтальных скважин с закачкой пара в одну из них, как возможный способ разработки глубокозалегающих залежей тяжелой нефти. Его концепция и ее дальнейшее превращение в коммерчески успешную технологию SAGD дало толчок к развитию других методов разработки глубокозалегающих залежей тяжелой нефти.

Признаваемый в настоящее время как отец технологии SAGD, Роджер Батлер сыграл ключевую роль в развитии методов разработки глубокозалегающих залежей тяжелой нефти. «Изобретение Роджером концепции SAGD стоит в одном ряду с изобретением Карлом Кларком процесса использования горячей воды и является одной из критически важных инноваций, которые позволили нефтяным пескам Канады стать одним из ключевых источников энергии в мире в масштабах Саудовской Аравии» - пишет Даг Лиллико, менеджер Совета по исследованиям Альберты.

Развитие инновационных технологий добычи нефти позволило Канаде создать многомиллиардную индустрию по добыче тяжелой нефти и природных битумов. И хотя затраты на добычу такой нефти гораздо выше, чем традиционной, она играет все более значимую роль в современной нефтяной индустрии.

В целом можно выделить три стадии освоения залежей нефтяных песков Канады:

• Поверхностная добыча нефтяного битума и его использование для нужд строительства, в том числе дорожного;
• Разработка нефтяных песков карьерным способом с их последующей переработкой;
• Добыча тяжелой нефти непосредственно из пласта

Таким образом, именно благодаря развитию инновационных технологий добычи тяжелой нефти и природных битумов Канаде удалось стать второй крупнейшей страной в мире по величине доказанных запасов нефти.

P.S. В течение 2008-2010 гг. такой же «фокус» с приростом запасов удалось проделать Венесуэле. Причем с гораздо большим эффектом. Еще в 2007 году она занимала только 6-е место по величине доказанных запасов нефти среди нефтедобывающих стран. А уже в 2010 году, благодаря постановке на баланс битумной/тяжелой нефти, залегающей в долине реки Ориноко, она заняла первое место в мире, значительно обогнав по этому показателю Саудовскую Аравию. Но это, как говорится, уже совсем другая история…

Современный мир невозможно представить без нефти. Развитие промышленности, существование городов и благополучие целых государств зависит от черного золота. По причине интенсивной эксплуатации запасы нефти истощаются, вынуждая нефтедобывающие компании заниматься поиском и обустройством все новых и новых месторождений. Кроме жидкой нефти в мире существуют и другие модификации этого полезного ископаемого. Одним из видов нетрадиционных углеводородов являются битумные (они же битуминозные) пески.

Битумные пески представляют собой смесь песка и глины, пропитанную битумом. Согласно современным теориям образования нефти, все ископаемые углеводороды, будь то природный газ, нефть или битумные пески, образуются в результате преобразования погребенных под землей растительных остатков. Битумы представляют собой более тяжелые и вязкие углеводороды, лишившиеся летучей фракции. По своему химическому составу они также несколько отличаются от нефти. Основным компонентом битума являются асфальтены, которые из-за своей вязкости при обычной температуре существуют в твердом состоянии. Месторождения битуминозных песков представлены в природе, как правило, в виде пластов, лежащих на небольшой глубине, и поэтому возможна их добыча открытым способом.

Одно из крупнейших месторождений битуминозных песков в мире расположено на юго-западе Канады, в провинции Альберта. В трех месторождениях на этой территории содержится до 70% всех мировых запасов. Добыча битумных песков ведется здесь открытым способом с 2003 года. Для того, чтобы добраться до пластов с полезными ископаемым, добывающие компании вырубают лес, который растет на поверхности. Гигантские по площади территории очищают от растительности и верхнего слоя грунта. Но эти бедствия не идут ни в какое сравнение с самим процессом добычи нефти из битумных песков. Для того, чтобы отделить битум от породы, через битумный песок пропускают нагретый водяной пар, который делает его более жидким. В результате добычи нефти подобным способом образуется большое количество отходов: пруды-отстойники с токсичной жидкостью, отвалы пустых пород, загрязненных углеводородами и тысячи квадратных километров территории, непригодной для жизни людей и животных. В опасных нефтесодержащих разливах ежегодно гибнут сотни птиц, а нефтедобывающие заводы Альберты выбрасывают в атмосферу тонны парниковых газов ежегодно.

Хотя нефтедобывающие компании обещают провести полную рекультивацию всех земель, вовлеченных в процесс добычи, это представляется маловероятным. Экологи, общественные организации и представители коренных народов этой провинции пытаются как-то повлиять на процесс масштабного загрязнения региона. Но пока мировые цены на нефть выше себестоимости ее добычи из битумных песков, в провинции Альберты все новые и новые земли будут вовлечены в этот процесс.

Битумные пески изначально считались альтернативным источником нефти. Но, как оказалось, альтернатива здесь только в способе добычи, а по масштабам влияния на окружающую среду подобные месторождения превосходят традиционные нефтяные промыслы. И то, что в начале пути казалось экономически выгодным делом, в результате обернулось экологической катастрофой, варианты ликвидации которой предстоит еще разработать.