Сколько на Земле осталось нефти? Как можно добывать труднодоступную нефть? Возможна ли вообще наша жизнь без нефти и природного газа и что такое водородная энергетика? Какие проблемы геофизикам необходимо решать для перехода к безуглеродной экономике? На каких физических принципах разрабатываются современные приборы и оборудование для изучения недр? Об этом и многом другом рассуждает Сергей Андреевич Тихоцкий, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, директор Института физики Земли РАН, руководитель научно-технического центра прикладной геофизики МФТИ.
– Сергей Андреевич, несмотря на то что вы руководите большим институтом, вы также продолжаете заниматься научной деятельностью. Чем занимается ваш коллектив?
– Мы занимаемся развитием технологий, приборов, программного обеспечения для геофизической разведки и поисков полезных ископаемых, геофизического мониторинга. Мы также изучаем физические свойства пород коллекторов углеводородов и занимаемся геомеханическим моделированием. В последнее время в связи с трендом на зеленую экономику, на декарбонификацию, мы также стали заниматься вопросами мониторинга подземных хранилищ СО2 и водорода. Иначе говоря, мы занимаемся развитием технологий изучения недр и стараемся использовать при этом современные достижения физики.
Я начинаю с того, и для меня это принципиальное кредо, что иду к конечному потребителю технологии – к сервиснику, буровику – и спрашиваю, что необходимо сделать, чего вам сейчас не хватает для того, чтобы, допустим, точнее вести сейсмическую разведку и мониторинг разработки в каких-то сложных геологических условиях, чтобы не было аварийности при бурении на акваториях и т.д. Это достаточно общие и упрощенные вопросы, но идея именно такая.
Дальше мы на этом пути пытаемся найти какие-то точки соприкосновения, прорывные технологические решения, которые позволят качественно увеличить какие-то показатели производства. Это общая схема работы. А конкретных направлений достаточно много, потому что мы физики. Был замечательный физик академик Мигдал, который говорил: «Настоящий физик должен уметь делать все, даже принять роды».
– Приходилось?
– К счастью, нет. Но я всегда говорю, что не нужно бояться никаких задач. Меня это всегда мотивирует больше всего. Если я понимаю, что передо мной есть конечная задача, есть конечный потребитель, я понимаю, для чего я это делаю, – это основная мотивация. А на этом пути задачи непростые, потому что среды, с которыми мы работаем, очень сложные. Горная порода состоит из огромного количества компонентов. Поры и трещины, в которых находится нефть, микроскопические, размерами могут быть меньше микрометра. Сама порода состоит из большого количества различных минералов, а эти минералы обладают разными физическими свойствами. В порах находятся вода, нефть и газ, все они между собой взаимодействуют. И как ведет себя такая среда при воздействии на нее – эта задача с точки зрения физики очень непростая.
На этом пути нам надо сделать что-то действительно интересное, чтобы можно было узнать больше о такой среде. Для этого приходится решать очень непростые и увлекательные задачи физико-математического плана. И это вторая мотивация, потому что жить должно быть интересно. Если работа неинтересна, то это плохо, потому что мы на работе проводим заметную часть жизни. И если эта часть жизни проходит неинтересно, то жить, наверное, грустно. Поэтому стараешься построить свою жизнь так, чтоб, с одной стороны, быть востребованным, полезным, а с другой – делать что-то действительно интересное.
Это потрясающее ощущение, когда ты сделал прогноз, например, по продуктивности скважин, и тебе через какое-то время звонят и говорят: «Да, все подтвердилось, и все работает». Это одно из лучших ощущений в жизни, которые приходилось испытывать.
– Допустим, подтвердилась продуктивность скважины. Что вы дальше делаете и какие методы применяете для того, чтобы эту труднодоступную нефть извлечь? Как я понимаю, нефть становится все более труднодоступной и все глубже залегает.
– Есть различные методы воздействия на пласт. Наиболее традиционный метод – это гидроразрыв пласта. Мы сами непосредственно гидроразрывом и другими методами повышения нефтеотдачи не занимаемся, мы занимаемся исследованием физико-механических свойств пород, что необходимо для того, чтобы правильно проводить гидроразрыв и безопасно бурить скважины.
Дело в том, что очень важно, куда пойдет трещина гидроразрыва – будет она вертикальной или горизонтальной. Не дай бог, она прорвется через покрышку, произойдет разгерметизация пласта. В результате нефть может попасть, допустим, в смежные пласты, и мы можем ее просто потерять. А может попасть в водоносный пласт.
– А это каким-то образом можно предотвратить?
–Для того чтобы это предотвратить, нужно правильно промоделировать соответствующий процесс. Непосредственно моделированием гидроразрыва занимаются наши партнеры и коллеги – в МФТИ, в Сколтехе, в других университетах и в нефтяных компаниях, а мы занимаемся тем, что изучаем свойства пород и помогаем определить напряженно-деформированное состояние пласта, для того чтобы они могли правильно моделировать гидроразрыв.
Согласно всем известной поговорке «где тонко, там рвется», трещина идет в том направлении, в котором для ее распространения требуются наименьшие затраты энергии. Это общий принцип. Это означает, что она идет в направлении оси максимального горизонтального сжатия. Показать, куда в данном конкретном месторождении направлена эта ось, – весьма интересная задача, и мы с коллегами разработали тут оригинальную методику.
У нас есть замечательный сотрудник Никита Дубиня, который является автором этой методики. Он предложил использовать измерения трещиноватости в скважинах, для того чтобы весьма точно – более точно, чем существующие классические методы, – определять не только направления, но и величины напряжений в пласте. А это важно для того, чтобы проектировать гидроразрыв, но не только для этого.
Когда вы бурите скважину, ведь что происходит? Вот земля, она находится в напряженном состоянии, просто потому что на недра сверху давит, как минимум, вес вышележащих пород. Помимо этого, мы знаем, что существуют тектонические напряжения и тектонические движения, которые приводят к тому, что недра как бы сдавливаются с боков. Даже если мы возьмем простейшую литостатику и по простейшей формуле умножим плотность на ускорение свободного падения и на глубину, то мы получим колоссальные давления, мегапаскали.
Соответственно, если вы в этой среде бурите полость, скважину, то что произойдет? Довольно естественно, что там возникает концентрация напряжений вокруг этой полости, и стенки этой скважины просто начнут обрушаться. Для того чтобы это не происходило, бурят, как правило, при закачивании в скважину бурового раствора. Это не просто вода, а это вода утяжеленная, в которую подмешивают специальные компоненты – глинистые частицы, а бывают более сложные компоненты, которые позволяют создать противодавление, чтобы это все не обрушалось.
Но проблема в том, что, если вы сделаете слишком тяжелый буровой раствор, произойдет обратный процесс – у вас этот буровой раствор начнет поглощаться пластом. Что при этом происходит? У вас, допустим, была нефть, а буровой раствор, который поглощается в пласт, оттесняет нефть от скважины. Возникают сложности обводнения пласта и целый ряд других проблем.
Поэтому нужно пройти между Сциллой и Харибдой, подобрать плотность бурового раствора так, чтобы, с одной стороны, не происходило обрушения, не происходило прихватов бурового инструмента, а с другой стороны, чтобы у вас не происходило поглощения и растрескивания пласта. Это называется «окно безопасного бурения». Для того чтобы это сделать, нужно знать напряженное состояние пласта и физико-механические свойства пласта.
– И вы всё это знаете?
– У нас есть очень хорошая лаборатория, в которой и определяются физико-механические свойства горных пород. Здесь было получено много интересных результатов, потому что в действительности стандартов нет. Определение физико-механических свойств ведется на основе некоего обобщения и опыта, то есть практики. Стандарт есть на так называемое одноосное сжатие, но оно нерелевантно состоянию пласта, а вот по хорошим трёхосным тестам общепринятых стандартов просто нет.
И здесь иногда случаются чудеса. Ведь как выбуривают образцы горной породы из керна? Скважина вошла вертикально, и вы подняли на поверхность цилиндр – полноразмерный керн. Берут этот цилиндр и выбуривают из него цилиндрик меньшего размера вертикально вдоль оси керна. Потом помещают его в установку, и получается, что максимальное сжатие вдоль оси у вас по вертикали. Апеллируют к тому, что на больших глубинах максимально именно вертикальное сжатие, потому что это вес вышележащих пород, которые все сдавливают.
Интуитивно кажется понятным, но если вы посмотрите на эту проблему более детально, выполните моделирование, а особенно если это моделирование не в рамках простых упругих моделей, то вы обнаружите интересные вещи. За счет того, что вы пробурили полость, у вас возникла концентрация напряжений вблизи оси скважины, которая привела к тому, что в окрестности скважины доминирует так называемый режим сдвига, и вертикальное напряжение вблизи оси скважины оказывается уже не максимальным, а промежуточным, а максимальным оказывается одно из горизонтальных.
Отсюда следует, что, с точки зрения здравого смысла, образцы из керна нужно выбуривать не вертикально, а горизонтально. Масса таких моментов: когда начинаешь хорошо разбираться в деталях, понимаешь, что все не так просто. И это еще я говорю только о простых породах – изотропных, как это называется.
А бывают породы анизотропные, и у них свойства меняются в зависимости от направления. Там все оказывается еще более сложно. И вот так мы цепляемся, одно за другим, и, в конечном счете, получаем целый ряд каких-то проблем, которые приходится решать.
– Сергей Андреевич, как вы думаете, на сколько нам еще хватит нефти? Я слышала разные оценки – от совсем маленьких сроков до чуть ли не бесконечных.
– Цифры по оценкам расходятся нерадикально. Американское Энергетическое агентство в 2013 году выпустило доклад, в соответствии с которым России при текущем на 2013 год уровне добычи (а с тех пор он уже вырос, если не ошибаюсь) нефти хватало где-то до середины 30-х годов.
Потом была оценка министерства природных ресурсов, там назывался, кажется, 40-й год. Я совсем недавно слышал еще одну оценку, там тоже 40-е годы назывались. Если текущий уровень добычи сохраняется, то запасов нефти нам хватает где-то до 30-х – 40-х годов. Но только я хочу подчеркнуть – запасов традиционной нефти.
– А есть еще какая-то нетрадиционная нефть?
– Да, есть нефть, которую извлекать получается плохо. Ну, например, знаменитая Баженовская формация. Термин, который мне больше всего нравится, называется «трудноизвлекаемые запасы». То есть запасы есть, мы понимаем, что их извлечь можно, но трудно. Почему? Например, потому что очень низкая проницаемость.
Соответственно, для того чтобы эту нефть извлечь, нужны новые методы. О гидроразрыве мы сегодня поговорили, но это далеко не единственный метод, и его недостаточно для того, чтобы все проблемы решить.
Поэтому сейчас возникают другие подходы к интенсификации добычи. Это соляно-кислотная обработка, парогазовое воздействие, метод внутрипластового горения. При внутрипластовом горении в пласт закачивают воздух, и за счет интенсивного окисления происходит самовоспламенение, либо инициируют горение. При этом происходит следующий эффект: выгорает в основном тяжёлая, высоковязкая нефть, и на фоне горения возникают горячие газы, которые работают как поршень, который вытесняет легкую нефть. Ещё иногда закачивают в пласт также и воду, чтобы образующийся водяной пар также вытеснял нефть. Там много нюансов, многие коллективы над этим работают, например, в Казанском университете, в Сколтехе.
– А это не опасно?
– Да, технология небезопасная. Она вызывает определенные возражения со стороны экологов. Совершенно ясно: для того чтобы этой технологией пользоваться, процесс нужно очень тщательно контролировать и моделировать. Вот как раз вопросы геофизического мониторинга такого процесса – наша сфера деятельности.
Интересно, что метод этот был предложен в Советском Союзе еще в 30-е годы прошлого века Шейнманом и Дуброваем. Было сделано множество работ по моделированию этого процесса внутрипластового горения. Там и прямые, и обратные задачи по внутрипластовому горению решались, но вот промышленную технологию так и не создали. Сейчас это в каком-то смысле возрождение.
– И сколько же таких запасов?
– По этим запасам мы превосходим США и Евросоюз вместе взятые. У нас намного больше нетрадиционной нефти. Мы превосходим Китай. Если эту нефть взять, то мы обеспечены запасами нефти до того момента, когда она станет не так нужна.
– А такой момент настанет?
– Конечно, есть встречный процесс, связанный с энергопереходом, уходом от углеродной экономики, связанный с глобальным потеплением и так далее. Но это не произойдет быстро.
Сейчас можно услышать, что в некоторых странах Европы уже до 30% энергии вырабатывается за счёт возобновляемых источников: ветроэнергетики, солнечной энергетики. Но надо понимать, что это только доля возобновляемых источников в выработке электроэнергии. Отопление не считают. Отопление, промышленные установки, где сжигают газ, и так далее, – это не включают в данный баланс. Таким образом, доля возобновляемых источников в суммарном энергетическом балансе – меньше. Ну, и кроме того, возобновляемые источники имеют такое свойство: их мощность существенно непостоянна. Ветер то дует, то не дует, солнце тоже не всегда светит. Надо как-то компенсировать эти провалы. Очень интересна и перспективна, конечно, водородная энергетика: аккумулирование энергии за счёт производства водорода и его последующего сжигания. Это экологически чистый процесс: когда сжигают водород, получается вода. Но КПД пока очень низкий, и стоимость такой энергии получается очень высокой. Наверное, за этим направлением будущее. Сейчас в МФТИ проектируется и будет создана первая научная станция в Арктике, на Ямале – уникальный комплекс, работающий полностью на возобновляемых источниках и водородном цикле. Потрясающе интересный проект, при реализации которого найдены и ещё будут найдены очень важные технические решения. Но путь до массового применения таких технологий, определённо, ещё долгий.
Соответственно, потребности в газе будут очень велики еще очень долго, потому что газ – наиболее экологически безопасное углеводородное топливо. Из всех видов углеродного топлива наиболее экологически опасен уголь, потому что он производит наибольшее количество как углеродного следа, так и микрочастиц, которые попадают в атмосферу, и это приводит к заболеваниям. На втором месте нефть, и самый безопасный, конечно, газ.
Поэтому газ очень востребован, и, оказывается, что его нужно много, и его нужно запасать в хранилищах. Поэтому, как бы мы ни хотели избежать потепления и совершить энергопереход в короткие сроки, надо понимать, что этот процесс небыстрый по объективным причинам.
При этом даже после энергоперехода нефть нам все равно будет нужна. Из всего того, что сейчас на мне надето, половина из нефти сделана. Телефон в кармане, синтетические ткани – это всё нефть. Посмотрим вокруг – это же все пластик. И куда мы от этого денемся?
Нефть и вообще углеводороды всегда будут оставаться важнейшим ресурсом для химической промышленности. Этого не избежать, но производство можно сделать экологически безопасным. Это не сжигание. Поэтому говорить о том, что у нас будет радикально падать в ближайшие годы и даже в ближайшие десятилетия потребность в углеводородах, – мне кажется, совершено неправильно.
– Предлагаю поговорить об учебном процессе, который также для вас чрезвычайно важен, и о той лаборатории, которая не так давно была организована в МФТИ. Что это за лаборатория?
– Называется она лаборатория скважинной, инженерной и разведочной геофизики и входит в состав Научно-Технического Центра прикладной геофизики и изучения минеральных ресурсов. Занимаемся мы, как в лаборатории, так и в Центре, как раз созданием технологий, приборов и программного обеспечения для геофизической разведки и мониторинга недр. В сотрудничестве с нашими индустриальными партнерами, среди которых компании «Алроса», «ТНГ-Групп», «Геотек», МАГЭ, и другими мы делаем новые отечественные приборы и аппаратно-программные комплексы для сейсмических наблюдений, для исследования скважин, для геофизического мониторинга. Они должны не просто заместить импорт, но и быть по характеристикам лучшими, нежели импортные. Это, например, приборы для детального изучения стенок скважин, для мониторинга на шельфе и другие. Мы также разрабатываем программное обеспечение для того, чтобы интерпретировать эти данные.
Одна из наших интересных разработок, которая интегрировала ряд передовых технических решений, – это донная сейсмическая коса. Это средство регистрации колебаний, предназначенное для мониторинга и разведки месторождений на шельфе морей, в транзитной зоне и в условиях предельного мелководья.
Когда вы разрабатываете месторождение, нефть снизу обычно подперта водой, и, когда вы откачиваете нефть, у вас поднимается так называемый водонефтяной контакт. Там целый ряд проблем, и, для того чтобы это понять, нужно мониторить, как развивается месторождение, в частности определять положение водонефтяного контакта. Для того чтобы изучать положение водонефтяного контакта, нужно делать очень точные сейсмические исследования, регистрировать регулярно с некоторым интервалом сейсмические колебания, которые возникают в среде, как отклик на возбуждение этих колебаний, допустим, проходящим кораблем, оснащённым источником. На суше все прекрасно работает, и большая проблема на море состоит в том, что там нужно поставить на морское дно сейсмическую станцию, потом ее нужно поднять, считать с нее данные, перезарядить и через некоторое время опять поставить. А изменения волновой картины в процессе разработки невелики, и погрешность, возникающая из-за изменения координат приёмников, может свести на нет все усилия. Мониторинг с использованием донных станций – так называемая 4D-сейсмика, или time-lapse seismic, – затруднен, потому что погрешности, которые возникают в связи с этой проблематикой, довольно велики.
У нас разработана система, которая сочетает современные оптоволоконные технологии и молекулярно-электронные датчики колебаний. Это новый принцип регистрации сейсмических колебаний, который позволяет создать датчики с более широким частотным диапазоном и, что очень важно, с низким энергопотреблением. За счёт этого возможно осуществлять питание датчиков по оптоволокну. И вот такая система, она многие важные проблемы позволяет решить. Соответственно, вы в течение всего жизненного цикла месторождения можете проводить повторные съемки и мониторить, что происходит с месторождением.
На основе тех же принципов можно создать оборудование для исследований в скважинах, в частности – для мониторинга подземных хранилищ CO2 и водорода, что является составной частью перехода к безуглеродной энергетике. Мы в этом смысле не фиксируемся на нефти – изучение недр имеет значительно более широкий круг применений, а мы готовы решать те задачи, которые будут ставить жизнь и логика научно-технического развития.
Что, кроме прочего, замечательно на физтехе – это то, что спектр компетенций здесь огромен. Если нужно найти специалиста по волоконной оптике – пожалуйста, вот специалист по волоконной оптике. По математическому моделированию – лучшие школы, коллективы. Нужно найти металлообрабатывающие станки – вот металлообрабатывающие станки. МФТИ – это же практически город. Здесь есть всё и, конечно, лучшие специалисты по физике, математике и технике, практически по любым отраслям.
– Нет, наверное, только специалистов, принимающих роды.
– Вот разве что. Хотя поликлиника есть. В этом смысле возможность работать с лучшими специалистами своего дела позволяет решать самые сложные задачи. И вообще я считаю, что нужно находиться среди людей, которые умнее тебя. Это ведущий наш технический вуз. Возвращаясь к вашему вопросу про образование, здесь самые сильные студенты в области физики и техники. Так было с момента основания вуза, и так же это и сейчас. Возможность привлекать ребят в лабораторию, которым интересно, у которых горят глаза, давать им какие-то знания, бесценна. И учиться у них, потому что они выдвигают замечательные идеи.
– Вас не смущает тот факт, что вам приходится учиться у молодежи, а не ей у вас, как это часто принято?
– Нисколько не смущает. Я уже говорил – жизнь должна быть интересной. А учиться, с моей точки зрения, это самое интересное, что может быть.
