Применение волоконно-оптической технологии для исследования нефтегазовых месторождений

Натурные испытания опытного образца ВОИС для 4D-4C исследований показали высокую эффективность поиска нефтегазовых месторождений

ЖЕРЕБЦОВ В.Д., ВИНОГРАДОВ Ю.А.
НПП ООО «Аква», Россия , КФ ГС РАН, Россия

Большая часть перспективных нефтегазоносных структур в РФ находятся на шельфе и в транзитных зонах, при этом лишь для 14% из них созданы трехмерные геолого-геофизические модели, позволяющие надежно оценить запасы и приступить к стадии освоения месторождений.

Темпы разведочных работ не обеспечивают восполнение погашаемых запасов на эксплуатируемых месторождениях и их качественного мониторинга, что обусловлено в значительной степени отсутствием в РФ высокопроизводительных систем поиска и мониторинга.

Почти полвека на рынке измерительных систем и датчиков, применяемых для поиска и при мониторинге морских месторождений, доминируют электронные измерительные технологии, которые предполагают преобразование измеряемого параметра в электрический сигнал и последующую его обработку (электродинамический, электромагнитный, пьезокерамический и др.). Современной альтернативой этому традиционному подходу является использование волоконно-оптических измерительных систем (ВОИС), в которых измеряемый параметр преобразуется в оптический сигнал, передающийся по оптоволокну [Жеребцов].

С конца 90-х годов ведущие зарубежные нефтегазовые компании BP, StatoilHydro, Shell и другие, совместно с предприятиями ВПК США, Англии, Норвегии расширили применение конверсионных разработок для морской геофизики с тем, чтобы уже в ближайшее время заменить традиционные измерительные комплексы на ВОИС, имеющие значительные экономические, технические и экологические преимущества [Terry Knott]. Натурные испытания опытного образца ВОИС для 4D-4C исследований, проведенные в 2007 г. компанией Stingray Geophysical в Северном море, показали высокую эффективность поиска нефтегазовых месторождений и возможность повышения отдачи пласта на 50%.

Помимо поисковых систем, начато внедрение контрольно-мониторинговых комплексов с ВОИС для исследования гидродинамики скважин (температура, давление) и состояния морских трубопроводов.

Преимущества ВОИС при создании систем акусто-сейсмического мониторинга оффшорных зон обусловлены такими свойствами оптоволоконной аппаратуры как широкополосность; малые потери при передаче сигнала; малый диаметр и масса кабельной системы; эластичность, механическая прочность; безиндукционность (отсутствует влияние электромагнитной индукции, а значит и опасные проявления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линиям электропередач, импульсами тока в силовой сети); взрывобезопасность; высокая электроизоляционная прочность; высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, пресной и морской воде [Окоси Т. и др., Коломиец]. Разработка ВОИС относится к сфере высоких технологий и предполагает широкое вовлечение нанотехнологий в область измерений, чему в последние годы уделяется особое внимание в стратегических национальных программах развития научно-технического потенциала России.

До 1992 г. Россия лидировала в области разработки волоконно-оптических измерительных технологий (ВОИТ), ориентированных на решение оборонных задач и спецприменений, однако в последующие 15 лет это направление не получало поддержки, как впрочем и отечественное геофизическое приборостроение на стандартной (электрической) технологии, что привело к существенному отставанию от ведущих морских держав в этой отрасли. Многокомпонентные донные измерительные системы, крайне необходимые для высокоточных сейсмических исследований и мониторинга месторождений на шельфе, так и не успели получить развития в СССР [5]. Современная аппаратура, содержащая высокоточные приборы и компоненты ВОИС, фактически находится под запретом к ввозу в РФ в связи с возможностью ее двойного применения, поэтому российские научно-исследовательские суда при выполнении работ на российском шельфе до сих пор вынуждены использовать устаревшую зарубежную сейсмоакустическую технику, малопригодную для 3D-4D моделирования и детальной разведки морских месторождений.

Вышеуказанные обстоятельства предопределяют актуальность организации в России собственного производства ВОИС на основе научно-технического задела, который еще сохранен в специализированных научных предприятиях России. Внедрение инновационных технологий в морскую геологоразведку позволит повысить разрешающую способность сейсмоакустических исследований в 8-10 раз, существенно повысит детальность и точность построения объемных моделей нефтегазовых полей, что даст возможность уменьшить затраты на разведочное бурение работ и обеспечит снижение стоимости разведки нефти и газа на сотни миллиардов рублей.

Перспективы и преимущества использования ВОИТ для организации сейсмологического и сейсмоакустического мониторинга газовых и нефтяных месторождений на Баренцевоморском шельфе.

Для контроля и управления геодинамическим режимом в зонах освоения Штокмановского газоконденсатного месторождения (ШГКМ) и нефтяных месторождений на шельфе Баренцевого моря, а также на участках прокладки морских трубопроводов в соответствии с концепцией «Геодинамическая безопасность освоения углеводородного потенциала недр России» (2000) должен быть сформирован Блок сейсмологического мониторинга (БСМ) для постоянной регистрации природных и техногенно-индуцированных землетрясений на территории промышленного освоения. Это особенно важно именно в районе освоения ШГКМ, где по предварительным оценкам индуцированная сейсмичность может достичь 8-9 баллов [5]. БСМ должен обладать чувствительностью, гарантирующей обнаружение и точную локацию событий с магнитудой 1-2, поскольку они способны вызвать опасные оползни и сплывы в рыхлом покрове морского дна. БСМ должен также обеспечивать надежное определение гипоцентров толчков в контурах месторождения и вблизи него.

В состав БСМ следует включить два типа регистраторов сейсмичности:

1. береговой комплекс - расположенные на суше (побережье и острова Баренцевого моря) сейсмические группы, аналогичные действующему комплексу СИЗК «Апатиты» [Виноградов], опытную эксплуатацию которого осуществляет Кольский филиал Геофизической службы РАН с 1992 г.;

2. донный комплекс БСМ, основанный на ВОИТ, размещенный на месторождении и вдоль морского магистрального трубопровода (ММТ).

Береговой комплекс при соответствующих инвестициях может быть сформирован в течение 1-2 лет с использованием стандартной аппаратуры и апробированных КФ ГС РАН программных средств сбора и обработки информации.

Следует подчеркнуть, что береговой комплекс сможет фиксировать в промзоне Штокмановского проекта только события с магнитудой 2,0-2,5 по шкале Рихтера, что для гарантированного контроля геодинамической безопасности особо ответственных объектов морских промыслов нельзя считать достаточным.

С учетом этого обстоятельства, на площадке ШГКМ и на трассе ММТ на участках с повышенным риском оползней целесообразно установить донные комплексы сейсмомониторинга, ориентированные на регистрацию микроземлетрясений с М<2. Оптимальным вариантом построения донной сети служат многокомпонентные ВОИС. Они способны работать на всех глубинах в пределах Баренцевоморского шельфа в течение 20-30 лет, т.е. практически весь период активной отработки ШГКМ, обеспечивая регистрацию сверхслабых сейсмоакустических событий.

Кроме мониторинга, донная сеть сейсмодатчиков может быть использована для построения 3-D разрезов с целью контроля напряженно-деформационного состояния пород в пределах месторождения, оперативно отслеживать изменения порового давления внутри пласта, контролируя эффективность его отдачи.

Помимо высокочувствительного мониторинга на промплощадках, донные ВОИС могут быть применены в качестве системы контроля состояния ММТ в режиме реального времени. Линейно-распределенные ВОИС обладают значительными техническими, экономическими и экологическими преимуществами по сравнению с традиционными электрическими измерительными устройствами, применяемыми в настоящее время ОАО «Газпром» [Зубков]. В частности, длина измерительного устройства на основе ВОИС может достигать 300 км, что соизмеримо с протяженностью прибрежного, наиболее рискованного, отрезка Штокмановского ММТ. При организации виброакустической диагностики состояния ММТ с применением ВОИС следует учесть, что система действует в диапазоне частот двойного применения, что накладывает специальные требования на персонал, который будет привлекаться к этим работам в Баренцевоморском регионе.

К основным угрозам безопасности морских сооружений можно отнести следующие:

• утечка продуктов, обусловленная физическим старением, износом и коррозией трубопроводов;

• повреждение сооружений вследствие техногенных аварий, сейсмических воздействий, оползневых сдвигов почвы;

• несанкционированные врезки с целью корыстных хищений нефти, нефтепродуктов или газа;

• террористические акты, саботаж или другие криминогенные факторы.

Имеющиеся на сегодняшний день в РФ и в ОАО «Газпром» системы мониторинга состояния морского трубопровода и сооружений ШГКМ в режиме реального времени (рабочий режим) не обеспечивают необходимый уровень контроля в отношении указанных угроз, поэтому перспектива улучшить ситуацию за счет применения пространственно-распределенных ВОИС представляется весьма привлекательной.

Исходя из вышеизложенного считаем необходимым начать в районе Штокманского газоконденсатного месторождения реализацию специального проекта, направленного на развитие современных измерительных комплексов с применением нанотехнологий и на повышение экологической и промышленной безопасности при разработке и освоении ШГКМ. Осуществление проекта может способствовать повышению эффективности отработки месторождения.

Цель проекта: создание новой технологии и технических средств сейсмоакустических исследований нефтегазовых месторождений РФ в частотном диапазоне 0.2 Гц - 15 кГц с динамическим диапазон не менее 150 дБ. Количество сейсмоакустических каналов донной многокомпонентной системы составит 120-240 каналов, с возможность расширения системы на модульном принципе до 3000-10000 каналов.

Основным результатом проекта станет создание в России конкурентоспособной морской сейсмоакустической измерительной системы для исследования и мониторинга нефтегазовых месторождений. Их использование позволит эффективно решать проблемы воспроизводства минерально-сырьевой базы, доосвоения вышедших из эксплуатации месторождений, разведки новых запасов и многое другое. Перечисленные факторы определяют стратегическое значение проекта для Российской Федерации.

Литература
Жеребцов В.Д. Морская геофизическая волоконно-оптическая измерительная система // Тр. конференции «Нефть и газ Арктического шельфа - 2004», С 64
Terry Knott. «Making light of seismic» // Oilonline, 3, 2005
Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. Л.: Энергоатомиздат, 1990, 312 с.
Коломиец Л.Н. Волоконно-оптические датчики в информационно-измерительных системах. // Датчики и системы. №1, 2006, с.8-14.
Виноградов А.Н. и др. Сейсмичность Баренцевоморского шельфа и обеспечение геодинамического мониторинга при эксплуатации Штокмановского газоконденсатного месторождения // Материалы Международной конференции «Нефть и газ Арктического шельфа 2006», Мурманск, 15-17 ноября, 2006 г. изд. Ассоциации «АрктикШельф», 2006. – С. 63-66.
Зубков А.И., Левин А.О. Волоконно-оптические датчики и системы в нефтяной отрасли. Современное состояние, перспективы развития.// Датчики и системы. №7, 2004.

Нефть и газ арктического шельфа-2008: материалы конференции