Философската течност: или пътят на всяка капка петрол (част II)

Философската течност: или пътят на всяка капка петрол (част II)
20 May 2024

В тази втора част ви разказваме за предизвикателствата при търсенето и добива на нефт и газ (първа част е тук)

Март 1938 година. Саудитска Арабия. Районът Дамам. Въпреки вярванията на експертите, че геологическите структури в района са много близки като характер до тези в Бахрейн, където вече се добива нефт, някого години неуспешни опити са довели до отчаяние шефовете на компанията Socal (Standard Oil of California, днешния Chevron). Само упоритостта на главния геолог Макс Щайнеке, и вярата му в натрупания от геолозите и геофизиците опит в търсенето на нефт, убеждава мениджърите и акционерите да продължат да сондират. Той е убеден, че по време на Миоцена, когато започва се отваря Червено море и Арабската плоча да се отделя от Африканската, тук се създават условия за натрупване на сериозни нефтени залежи. Резултатът от упоритостта му е бликването на първия фонтан и откриването на цяла плеяда от нефтени залежи станали пословични с размерите си.

30 години по-късно. Прудо бей (Заливът Прудо), Аляска 1968 година. След многократни сондажи на BP, Sinclair Oil и ARCO, за търсене на нефт в района мисията е определена като невъзможна. Геолозите решават да направят един последен опит – сондаж наречен Prudhoe Bay State Well No. 1. Открито е най-голямото находище на конвенционален нефт в Северна Америка. До ден днешен. Вярно е че технологиите за търсене на нефт в тези периоди са далеч по-трудоемки, времеемки и не разполагат с възможностите на компютърен анализ, но е вярно също и че става дума за откриване на огромни залежи. Нещо, което в наши дни вече е почти невъзможно да се случи.

Бъдещето в краткосрочен и дългосрочен план             

В пътната карта на Shell, в частта касаеща добива на нефт, се споменава, че плановете на компанията за близкото бъдеще включва не значителното разширяване на търсенето на нови петролни залежи, а оптимизацията на съществуващите функционални находища, с които компанията под една или друга форма работи. Това обаче е възможно само благодарение на дългогодишния опит, натрупан във времето и довел до създаването от компанията на процеси като Digital Twinning или формиране на виртуални „двойници“ на производствените съоръжения и 4D анализи на находищата, всички изискващи мощни компютърни технологии. Това в наши дни води до повишаване на ефективността на производствените процеси, намаляване на вероятността за аварии и подобряване на безопасността и опазването на околната среда. Както автомобилните компании, които развиват различни и многопосочни технологични решения, за да осигурят мобилност с наличните възможности в краткосрочен и дългосрочен план, така и големите и отговорни петролни компании като Shell, създават мултицелеви  стратегии, които имат за цел изграждане на допълнителни производствени вериги за био и синтетични горива, за втечнен природен газ, за развитие на водородна икономика. Компанията разработва пластово складиране на въглероден двуокис, изгражда огромна мрежа от зарядни станции за електричество и т.н.

Но до добиването на пазарна зрялост на подобни технологични решения ние ще трябва да  разчитаме на възможността да зареждаме качествени горива в резервоарите си и едната от целите на компанията е да осигури този енергиен поток. Както разбира се и за авиацията и енергийния сектор.      

“Exploration and Development”

В тази втора част от поредицата ще се спрем на начина по който компаниите са откривали и усвоявали нефтените находища, за да достигнат до днешните възможности за ефективен добив. Изминало е много време от появата на теорията на геолога на Shell Марион Кинг Хуберт през 50-те години, който доказва че добивът на нефт в определен район следва крива с профил на камбана, като максимумът съвпада приблизително с точката на изчерпване на половината от запасите. Изчисленията са комплексни, но в същността си идеята се свежда до факта при търсенето в определен район най-бързо се откриват големите находища, добивът от които е по-лесен и в по-големи количества. Теорията му се оказва вярна за преполовяване на запасите в Щатите (без Аляска) през 70-те години, а интерполацията му в световен мащаб, доскоро чертаеше мрачна картина за следващите години. Картина, на която ние трябваше да сме съвременници в момента. Безспорен в подкрепа на тази теза е фактът, че в момента компаниите не откриват големи находища на нефт, а множество малки по цял свят. От друга страна обаче, връхната точка непрекъснато се мести, а междувременно САЩ се превърнаха в нетен износител на нефт и газ, изпреварвайки всички останали през миналата година. Какво всъщност се случва? Просто, с развитието на технологиите за добив и ефективно извличане на нефта от находищата, кривата на Хуберт променя своя формат, особено когато в уравнението се добавят неконвенционалните източници като добив на нефт от шисти. Също развили се благодарение на технологичния напредък.

 Развитието на технологиите                 

Стремителният ръст в тази посока обаче започва още през първите десетилетия на XX в. Днес, предварителните изследвания и анализи спестяват неимоверно много средства в този, и без това много скъп, бизнес. Една мощна компютърна програма за триизмерен и четириизмерен анализ на пластовете би могла да съкрати перото „разходи” на нефтена компания със стотици милиони долари инвестиции за търсещи и проучвателни сондажи. Четириизмерното изследване 4D на практика е динамично 3D изследване, но проведено в едни и същи точки за продължителен период от време и показва как се променя обемът на петрола в различните части на резервоарите, колко от него на практика остава и как да се процедира след това.

Още в началото на XX в., времето когато находища се търсят край естествени утечки на нефт, вече е отминало, тъй като местата, където нефтът се появява на повърхността на земята, са нищожна част от общия брой петролни находища. Един канадец на име Т. Стери Хънт, след като наблюдава и изследва топографското разпределение на нефтените прояви, установява, че находища понякога се откриват край издължени структури с куполообразна форма. Ако слоевете под подобни хълмове следват тези извивки, има вероятност мигриращият нефт да бъде хванат в капан. Именно Хънт нарича тези структури антиклинали. След множество разочарования обаче се оказва, че нещата не са чак толкова прости.

Учените се заемат с разработване на геологични, а впоследствие и на геофизични методи за търсене. Започват да се извършват детайлни анализи на почвите в геоложките антиклинали, като най-вероятни резервоари на нефт – такова, каквото се оказва първото нефтено находище в Тексас, Спиндълтоп. Анализът на скалите, тяхната порьозност и проницаемост разкриват на геолозите голяма част от обилната, но все пак недостатъчна като количество информация за структурата на местността.

Кръстче като в тотото

Работата на геолога – след множество аналитични изследвания – е да постави на голямата карта едно кръстче и да отсече „тук”. Това кръстче обаче значи много за една нефтена компания и би могло да й коства милиони долари напразни инвестиции – както впрочем става в повечето случаи. Въпреки наличието на сложни компютърни технологии и симулации разходите за търсене на нефт си остават огромни. Ако се придържаме към теорията на Хубърт, отнасяща се за конвенционалните нефтени залежи, днешните находища вече са все по-трудно откриваеми, значително по-малки и се намират в такива места, където изискват специални технологии. Ако се поровите малко в сайта на Oil and Gas Journal ще откриете потвърждение на този факт – колко нови, но сравнително малки находища се откриват в момента. Времето на така неречените „нефтени слонове“ или гиганти като саудитския Гавар е отминало и е много рядко някой да открие нещо като находището Тъндър хорс, намиращо се в дълбоките води на Мексиканския залив. В този случай наистина става дума за гигантско количество инвестирани средства.    

В книгата си „Петролната индустрия” Чарлз Конуей, който 22 години е работил за гиганта Gulf, описва геолога като човек, който попълва фиш за тото, защото неговата работа се състои в това, да избере едно място на картата. Това е точката, където трябва да се извърши сондаж, за да се провери пригодността на терена за евентуален добив на нефт. Работата на тези хора трябва да бъде много прецизна, защото диаметърът на отвора, който сондата пробива, е всичко на всичко двайсетина сантиметра и е много вероятно целта да бъде пропусната макар и с малко, с което да се провали целият иначе перспективен проект. „Днешният учен геолог”, твърди друг нефтен аналитик – Майкъл Икономидес, е „рядка птица, индивидуалист, притежаващ една мистична комбинация от интуиция, образование и късмет”.

Този бизнес изглежда свързан с магическо вълшебство, красива романтика и – разбира се – с много пари, но въпреки огромния напредък на науката и технологиите довежда и до много разочарования. А и самата красота и романтика в тази професия са трудно разбираеми за мнозина, когато стане дума за търсене на черната течност чрез сондажи в недостъпни места, сред опустошителния студ на далечния север, непоносимата горещина на пясъчната пустинята или непроходимата девствена и влажна джунгла, пълна с лепкави изненади, животни и насекоми. Но сондьорите са особена порода пристрастени към нефта люде, които за разлика от много други трудно се разделят със своята мания и се вкопчват в нея – хората, докоснали се веднъж до черното злато, рядко се отказват от него. Сондирането за търсене на нефт в продължение на много десетилетия се ръководи от принципа на „пробата и грешката”. Спомнете си филма „Кръв ще се лее“ с Даниъл Дей-Луис правен по романа на Ъптън Синклер, за който той получи Оскар и Златен глобис. Учените не престават да предупреждават, че нови сондажи, дори и в по презумпция нефтоносни райони, могат и да не доведат до никакви положителни резултати, погребвайки десетки милиони долари инвестиции.

Къде търсят нефт?

С времето геолозите научават, че ако гледат на света като на един голям потенциален нефтоносител, веднага трябва да изключат от изследванията си значителна част от него – там, където има вулканични и метаморфни скали. Следователно търсенето трябва да се осъществява в районите с утаечни скали и признаци на черни глини. Пионерите геолози прекарват много време сред тези скали, престоявайки месеци и дори години в отдалечени и „екзотични” места, като концентрират вниманието си върху подземните пластове от скали. Когато открият оголвания, те взимат образци от тях и ги изпращат в лабораторията, а после чертаят геологична карта на местността. Така се изчислява наклонът на скалите, установяват се антиклиналите и синклиналите, като именно първите са потенциалните „кандидати” за изследване. Т. нар. „повърхностна геология” днес обаче играе несъществена роля при изследване на пластовете и всъщност значението й за търсенето на нефт започва да намалява още през 20-те години. За анализ постепенно започват да се използват по-съвременни методи – в практиката навлизат гравитационните методи, измерващи земното привличане. Технологията, създадена от един унгарски физик преди Първата световна война, е използвана от германците по време на войната за установяване на местоположението на опустошените от вражеската армия румънски нефтени находища. Днешният геолог прекарва голяма част от времето си пред компютъра. Още преди да бъде създаден гравитометърът обаче е изобретен магнитометърът – изключително прецизно устройство, отчитащо силата на локалното магнитно поле. Подобни инструменти са били използвани за измерване и установяване на потенциални колектори на нефт на базата на предварително известните факти за различната плътност на скалите (солните куполи например имат по-ниско ниво на гравитация – те са пластични образувания, в чиито извивки често е откриван нефт).

Сеизмичните методи

Сеизмичните изследвания са сред най-модерните методи за анализ на пластовете. Технологията е създадена пак от германците и пак по време на Първата световна война за откриване на местоположението на вражеската артилерия и за първи път е използвана за търсене на нефт точно преди 100 години, през 1924 г., от германската компания Seismos в Щатите и Мексико. Първото откритие направено благодарение на нея е находището под солния купол Орчард в Тексас. Първоначално за реализацията на този метод използват взривни материали. Амониев нитрат се смесва с дизелово гориво, за да се получи високоексплозивна смес. След това тази субстанция се налива в съд, в който се поставя свързан с жици детонатор. С помощта на сонди изследователите пробиват отвори, в които да се поставят зарядите, а в други отвори се монтират специални прецизни микрофони, наречени геофони, имащи за задача да измерват звуковия сигнал, преминаващ през земните пластове. С помощта на взривовете се създават изкуствени механични вълни, а специални устройства, поставени в оборудвани с високотехнологични инструменти камиони, записват целия живот на вълната, който обикновено трае около четири секунди.

В днешни дни най-често тези вълни се генерират с помощта на специални машини, поставени върху рамите на товарни автомобили. Чрез мощни хидравлични помпи те нанасят резки удари с голяма сила. Геофоните отчитат отразените вълни и по степента на тяхното проникване и начина на отражение и изкривяване се изработва картина на вида, мястото и разположението на подземните пластове. През първите години за записване и впоследствие за анализ на отразените вълни служи сеизмографът, изобретен за запис на земните трусове. Анализът на данните се извършава прецизно от геофизици, които изработват сложни статистически модели, следвайки тенденциите, оформени от вече откритите находища, или предположенията за наличието на древни морета и делти на реки. Тук е добре да се отбележи, че за еволюцията на тези технологии значително помагат дигиталните системи и именно нефтените компании са едни от първите клиенти на компютърните фирми. По време на кризата сред производителите от компютърния бранш петролните фирми се оказват в основата на тяхното оцеляване. Предтечите на първите спътникови снимки за анализ на пластовете датират от началото на века – това са т. нар. „аерофотоснимки” на местността – техника, създадена също през Първата световна война и въведена за първи път в търсенето на петрол от Union Oil (Unocal). Районът на споменатия в началото на началото на този разказ Дамам в Саудитска Арабия е сниман с помощта на самолет и специална лента на Kodak изработена за специфичните условия на работа. През 30-те години самолети De Havilland неуморно кръстосват небето над планините Загрос в Персия (по-късно Иран), за да снимат повърхността и анализират пластовете. Днес разцвет в тази област получават технологиите с използване на дронове.

Покрай нефтената индустрия изниква още една наука – анализът на миниатюрните изкопаеми при сондирането. Чрез изследването на тези организми новата наука, наречена „микропалеонтология”, установява евентуалния произход на пластовете и наличието на организми, които са се утаили на дъното на моретата. А ние вече знаем какво може да означава това.

Електричеството в помощ на търсенето на нефт

След Първата световна война, в началото на второто десетилетие на ХХ в., във Франция братята Конрад и Марсел Шлюмберже се заемат със задачата да създадат теория и практичен модел за изследване на потенциални нефтени находища. Те провеждат редица експерименти първоначално в лабораториите на минното училище в Париж, а после и в Щатите. Идеята им е проста, но гениална – да се измерват електрическите свойства на течностите, като в основата на разработката им стои фактът, че нефтът и водата имат различна електропроводимост. Така с помощта на електроди може да се измерва проводимостта на пластовете и да се установява евентуалното наличие на нефт. Първото голямо доказателство за ефективността на теорията е откриването на едно от находищата в Грозни. Компанията Slumberger започва бизнеса си с договор в СССР, за да се превърне в една от най-известните днес технологични компании в нефтения бранш и най-голямата компания за нефтосервизни услуги в света.

Въпреки че описаните техники са теоретично безукорни, те са само насочващи и могат да индикират евентуалното наличие на петрол. За да се стигне до реално откритие, е необходимо да се направи „стратиграфско сондиране на продуктивни хоризонти”.

Извършването на сондаж не е никак проста работа. Още в началото на този бизнес сондьорите разбират, че ако отворът му остане открит, под влияние на външните условия той бързо може да създаде проблеми. Ако не бъде стабилизиран, има вероятност да се разруши и да напълни резервоара с парчета и отломки, или пък да се получи пробив и да се създаде връзка с друг резервоар, което не е никак желателно – както не е желателно и да се смеси вода с нефта.

Още през 20-те години на ХХ в. един находчив 18-годишен младеж на име Ърл Халибъртън създава техника за укрепване на сондажните отвори. Хрумва му да напъха в отвора метална тръба, която да циментира отвън, а за да преминава нефтът през стените, в нея е поставен взрив, който я перфорира. По подобие на Schlumberger, Halliburton става една най-известните компании свързани с изследванията и разработването на петролни находища.

По този начин изобретеният от Алфред Нобел, чийто брат Лудвиг притежава и ръководи нефтена компания в Русия преди Революцията влиза в употреба с пълна сила в нефтения бизнес. Всъщност взривните вещества вече са на особена почит сред една група хора, подвизаващи се в нефтените полета. Тяхната професия, вероятно най-необикновената и опасна в този бизнес, възниква в през 80-те години на XIX в. и просъществува почти до средата на XX в. – това са така наречените „стрелци“. Те използват нитроглицерин, за да предизвикат принудително изтичането на нефта към повърхността. Тази дейност е описана още през 1883 г. в един тогавашен брой на списание „Сенчъри” по следния начин:

„Когато един кладенец вече намали значително дебита си, той бива „торпилиран”, за да се осигури нов поток от нефт. Дълга тънка тръба, съдържаща шест до осем кварти нитроглицерин, се спуска внимателно в дупката, а върху нея пък се пуска тежко метално шило. То се стоварва върху нитроглицерина, а ужасяващата сила на последващата експлозия разкъсва пясъчника и освобождава затворения нефт и газ. Земята се разтърсва и скоро нефтът потича като шприцован към нефтената кула”. Хората, наричани иронично torpedoe-man, са едни от най-колоритните и интригуващи персонажи в нефтените региони. Те се движат с каруци, а по-късно с автомобили, но нерядко шансовете не са на тяхна страна...

„Сатърдей Ивнинг Пост” нарича тази професия „най-опасната на света” – според списанието „стрелците” са най-самотните хора и биват отбягвани като прокажените. Малцина са онези, които смеят да се приближат до техните каруци или автомобили, натоварени с метални съдове, на които са нарисувани череп и кости и чинно е написано „Внимание, нитроглицерин”.

Изкуствен интелект в помощ на ефективния добив на нефт

Тази професия достига своя „разцвет” през 20-те години в Тексас, където някои от стрелците постигат наистина феноменални успехи, взривявайки находища с по 1000 кварти нитроглицерин. През 1917 г. използването на нитроглицерина толкова нараства, че една от компаниите построява завод за производство му досами полетата на Северен Тексас. За съжаление самият завод става жертва на взрив, който остава в историята като един от най-впечатляващите инциденти в този бизнес. Стрелците усъвършенстват самоубийствените методи, но времето на подобни ексцесии постепенно си отива. През 1928 г. Dow Chemical и Pure Oil създават киселини и други химикали, с помощта на които се стимулира производителността на находищата. В началото на 50-те години Amoco за първи път използва метод за нагнетяване на вода и пясък под високо налягане в скалните формации, по-късно започват да се инжектират и втечнени газове.

Днес принудителният добив на нефт не използва толкова драстични методи като взривяването. Изсмукването на нефта на повърхността не е лесна работа и зависи от много фактори – от вида му, от неговата гъстота и плътност, от наличието на разтворен газ, газова шапка и т. н. При тежкия нефт практически е невъзможно извличането без помощни средства.

Пример за предизвикателствата с които сега се сблъскват нефтените компании е проблемът на BP с добива в Азербайджан. Изправен пред намаляващия капацитет на основното петролно находище Азери-Чираг-Гюнешли (ACG), операторът на находището BP стартира най-голямата си програма за сеизмично проучване, насочена към оптимизация, респективно максимално възможното увеличаване на добива. Новото проучване ще струва 370 милиона долара за пет години и ще обхване площ от 740 квадратни километра, като се фокусира върху двата основни резервоара в находището ACG. Самото проучване ще бъде извършено от подизпълнителя Caspian Geo LLC с помощта на два специализирани кораба, използвайки гореспоменатата проучвателна техника 4D сеизмично проучване. В случая става дума контролирани експлозии на морското дъно, за да се изпратят сеизмични вълни през километри скали отдолу. Данните от отраженията на тези вълни ще се записват и анализират, за да се получи триизмерна (3D) и четиризммерна картина на нефтените резервоари. Фирмата се стреми да получи цялостно разбиране на архитектурата на резервоара, за да идентифицира начини за минимизиране на бъдещи изненади и оптимален добив от находището през следващите десетилетия. Обикновено сеизмичните проучвания се използват, за да се идентифицират нови запаси от нефт и газ, но в този случай целта е само да се помогне за по-доброто разбиране на съществуващите запаси, а не да се идентифицират нови.

Намаляващо производство

Производството от петролното поле ACG започна през 1997 г. и достигна своя връх през 2010 г. с около 835 000 барела на ден. Оттогава добивът е намалял значително, като според най-новите анализи на BP през третото тримесечие на миналата година производството е средно само 368 000 барела на ден, или спад от 11 процента спрямо година по-рано.

Снижаването представлява сериозен спад в печалбите за BP, която оперира находището, а също и за самия Азербайджан, който разчита на приходите от продажбата на петрол и газ за над 90 процента от приходите си. Но подобен спад е нормален за петролно находище, от което се добива нефт интензивно вече в продължение на повече от 25 години.

Подобна е картината при много находища в Сибир.  От находището Самотлор превърнало се в мит сред хората на нефта заради колосалните си размери се извлича 96 процента вода и едва 4 процента нефт. Много от компаниите добиват нефт само от местата където това е рентабилно, ускорявайки още повече процеса на изтощаване на находищата. Този „изборен добив“, самите руски специалисти наричат „разубоживание запасов“ или „разреждане на запасите“, което в дългосрочен план може да доведе до изключително негативни последици.  

Същевременно с това именно високото ниво на технологична зрялост осигурява на компаниите в САЩ възможност да увеличат добива на петрол от шисти, в степен много по-голяма от очакваното. През 2014 година страните от ОПЕК се договориха за увеличаване на добива на нефт с цел намаляване на цената и елиминиране на растящата заплаха от компаниите за добив на шистов нефт. Действията им постигнаха ефект и цената на петрола стана нерентабилна за компании с висока себестойност на добива. Той се засили още повече по време на Ковид кризата с рязкото снижаване на цената на петрола. Американските нефтени компании обаче се оказаха изключително корави и показаха че много бързо могат да възстановят ефективния добив от шисти. 

За да разберем какво съдържа нефтът и начинът по който се преработва в рафинерията или нефтопреработващото предприятие е добре да знаем и какво представляват и как се добиват различните видове нефт.  

Видовете нефт

Има много видове нефт – от съвсем леки до вискозни, полутвърди органични материали. Нефтът обикновено е черен или зелен, но би могъл да бъде светложълт и дори прозрачен. Плътността на суровия нефт варира много и в зависимост от нея той се квалифицира като лек, със средна плътност и тежък. Американският институт по нефта (American Petroleum Institute) я измерва в градуси API, като, разбира се, има и други класификации. Най-тежкият нефт се нарича битум. Подобни находища имат промишлено значение, само ако са плитки и се разработват по минни методи. В тежкия нефт се съдържат и малко по-леки фракции, и дори известно количество разтворен газ, но те много трудно могат да се извлекат на повърхността. За промишлен добив трябва да се използват помощни методи като инжектиране на пара. Слабоподвижният (черен) нефт е по-лек. Той обаче бързо загубва естественото си налягане в резултат от малкото количество разтворен газ и се налага да се използват методи за вторичен добив с помощни средства. Подвижният нефт или лек нефт, е много подвижен и се добиват по-лесно под влияние на собственото си налягане. Това са ценни и скъпи „сортове“, защото съдържат по-голямо количество бензинови фракции. По тази причина откриването на промишлени находища, съдържащи такъв нефт, е най-радостното събитие за нефтените компании. Съдържанието на сяра под 1% означава, че е открит „сладък“ петрол, а над 1% – „кисел”. По-голямата част от сярата се отделя от петрола още преди рафинирането. Затова и киселият нефт е по-евтин – той изисква повече обработки.

Shell iShale е нов тип интелигентен добив от малки находища на шистов нефт с помощта на захранване от слънчеви панели.  

В зоната от 50 до 70 градуса API се класифицират така наречените ретроградни кондензатни газове. Името „ретрограден” идва от факта, че в тези находища газовете започват да се втечняват при намаляване на налягането – точно обратно на физичните закони, според които газът се втечнява при повишаване на налягането. Всички въглеводороди в резервоар с ниска плътност (над 60 градуса AРI) се намират в газова фаза. Когато обаче газовете се извлекат на повърхността, от тях се отделят леките течности – т. нар. газокондензат. Както ще видим в следващата част тези течности са много ценни нефтопродукти за производството на бензини. Сухият газ се добива от газови находища, в които се съдържа основно метан и има малки количества етан, пропан и бутан и невъглеводородни газове – азот, въглероден двуокис и т. н.

(следва)

Най-добрият в класа си?