К огдавлению журнала

УДК 553.98.061.3 © А.Н.Дмитриевский, 1997

Природные ресурсы России, в первую очередь топливно-энергетические, являются ее национальным достоянием. По суммарной добыче нефти и газа Россия и сегодня занимает 1-е место в мире. В настоящее время на долю России приходится почти седьмая часть суммарного производства первичных энергоресурсов. В стране сосредоточено 13 % мировых запасов нефти и 15 % ее добычи. На долю России приходится более 36 % запасов природного газа и 27 % его добычи.

Самоотверженным трудом нескольких поколений нефтяников, газовиков и геологов в нашей стране был создан уникальный нефтегазовый комплекс. Нефтяная и газовая промышленность б.СССР развивалась темпами, не имеющими аналогов в мировой практике. В течение двух десятилетий ежегодный прирост добычи нефти составлял 20-25 млн т, а газа 35-40 млрд м³. В 1985 г. был достигнут рекордный прирост добычи природного газа - около 50 млрд м³. Максимальная добыча нефти пришлась на 1987 г. -624 млн т (в том числе Россия - 570 млн т). Такого количества нефти никогда не добывала ни одна страна в мире. И сегодня можно с уверенностью сказать, что эти показатели останутся в истории нефтяной промышленности абсолютным рекордом. Газовая промышленность вышла на максимальную отметку в 1991 г., когда было добыто 815 млрд м³ (в том числе Россия - 642,2 млрд м³).

В связи с распадом СССР добыча нефти, в России, на долю которой приходилось более 90 % общесоюзной добычи, начала быстро снижаться. При этом темпы падения добычи нефти превышали темпы прироста в лучшие годы. Особенно резко добыча стала сокращаться начиная с 1990 г. Если в 1989 г. в России было добыто 555 млн т нефти, то в 1990 г. только 516 млн т, а в 1991 г. - 461 млн т. Дальнейшее ежегодное снижение добычи нефти колебалось от 62 млн т в 1992 г. до 36 млн т в 1993 г. В последующем темпы сокращения добычи нефти стали снижаться. В 1996 г. добыто 301 млн т нефти и конденсата, т.е. сокращение составило 5,8 млн т нефти по сравнению с 1995 г., тогда как в 1995 г. было добыто на 10,9 млн т нефти меньше, чем в 1994 г.

Причины подобного сокращения темпов добычи нефти известны и широко анализировались в печати. Главной причиной, безусловно, является резкое снижение капиталовложений в нефтяную и газовую промышленность. Следует также подчеркнуть, что наращивание добычи нефти в послевоенные годы осуществлялось за счет запасов легкой маловязкой нефти крупных и гигантских месторождений. В то же время доля оставляемой в недрах "до лучших времен" нефти, приуроченной к коллекторам сложного состава и строения, высоковязкой и серосодержащей нефти постоянно увеличивалась. Все большее число месторождений переходило в завершающую стадию разработки, когда резко возрастает обводненность пластов, а в добываемой продукции более 90 % приходится на долю воды. Запасы с такими характеристиками необходимо разрабатывать с использованием иных технологий, чем применявшиеся ранее, когда в экс плуатации находились залежи нефтей нормальной вязкости, в коллекторах с высокой или удовлетворительной проницаемостью, а по фазовому составу преобладали чисто нефтяные скопления. Интенсивное заводнение нефтяных пластов при разреженных сетках эксплуатационных скважин, что весьма успешно практиковалось в течение десятилетий, становится неэффективным, а иногда вообще неприемлемым. Необходимо внедрение нетрадиционных технологий с целью повышения производительности скважин в сложных горно-геологических условиях.

Таким образом, экономический кризис, потрясший страну в конце 80-х - начале 90-х гг., совпал по времени с технологическим кризисом, что крайне отрицательно сказалось на состоянии нефтяной промышленности. Россия постепенно переходит в категорию второразрядной добывающей страны и'утрачивает свои лидирующие позиции в мировой нефтяной промышленности.

Институт проблем нефти и газа Российской академии наук и Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации (ИПНГ) создан в 1987 г. на базе кафедр и лабораторий Государственной академии нефти и газа им.И.М.Губкина. Это позволило объединить преимущества традиционных академических учреждений и динамизм высшей школы, базирующейся на постоянном притоке молодых творческих сил, и определило быстрое становление и развитие института. Перед коллективом института была поставлена задача — разработать фундаментальный базис новых технологий в поиске, разведке и разработке месторождений нефти и газа. Остановимся на основных направлениях и результатах фундаментальных исследований в геологии нефти и газа.

1. Системно-геологические исследования литосферы, начатые в ГАНГ им.И.М.Губкина в середине 70-х гг., были успешно продолжены в ИПНГ. Три научные конференции "Системный подход в геологии" определили научные коллективы, занимающиеся изучением этой проблемы в нашей стране. Эти исследования получили новое развитие в последних разработках ученых ИПНГ.

Системный синтез различных подходов в геодинамике привел к созданию вакуумной концепции строения природных систем, о чем неоднократно докладывалось на международных конференциях и геологических конгрессах в Японии (1992 г.) и Китае (1996г.). Суть ее состоит в достаточно обоснованной системе физических представлений о механизмах, энергетике и материальных носителях различных уровней организации природных систем. В результате были сформулированы понятия о ступенях проявления вакуума (обобщение понятия синергетики) и системном движении материи как движении по уровням организации (обобщение понятия самоорганизации).

Выделены семь ступеней проявления вакуума, рождения и существования материального мира. На I ступени в результате самопроявления начинается преобразование абсолютного вакуума, приводящее на II ступени к формированию пространства - времени, в результате саморазвертывания которого образуется первично упорядоченный вакуум. На III ступени появляются первичные вакуумные возбуждения, создаются условия для возникновения пустого вращающегося пространства, что приводит к рождению первичного движения. На IV ступени в результате самоорганизации происходит формирование геометрической структуры. На V ступени отмечается рождение материи, полей, энергии, на VI ступени формирование материальной структуры и на VII ступени появление материальных систем, начало бытия материи. Все эти преобразования объединяются общим понятием системное движение материи, в результате действия которого "вещи в себе" становятся "вещами для нас".

а) совместно с французскими учеными успешно проводятся работы по созданию нового класса алгоритмов для ЭВМ, которые реализуют вакуумную концепцию системного подхода и претендуют на роль универсальных системных алгоритмов. Среди зарубежных ученых такие алгоритмы еще называют "квантовыми", поскольку они основаны на специфической логике квантовых систем и описывают этапы рождения систем из вакуума. Реализация этих алгоритмов на ЭВМ позволит эффективно моделировать динамику сложных природных и техногенных процессов и исследовать тонкие системные связи. В частности, на этом пути могут быть созданы автоматизированные системы нового поколения, включающие современные экспертные системы, которые будут комплексно решать задачи поиска, разведки и разработки месторождений нефти и газа;

б) в рамках концепции системного движения материи формируются новые подходы к проблеме динамики неустойчивости в природных системах. Получило развитие фундаментальное научное направление, связанное с понятием системного равновесия. Эти подходы потребовали решения новых задач в области: математики (создается "структурная теория катастроф", в которой в дополнение к обычной теории катастроф разрабатываются формальные методы описания рождения структур во время катастрофы);

физики (появляются новые аспекты квантовой физики, связанные с квантовой природой вакуумного поля, возникающего в неустойчивых процессах, а также рождается новое направление в квантовой термодинамике, которое можно назвать иерархической квантовой теорией); геодинамики (макроквантовое поведение больших масс вещества, находящихся в критическом состоянии); геофизики (изучение автоволновой природы геофизических полей и проявления квантовой сущности при их синтезе и комплексировании). Отдельные результаты по указанным направлениям были доложены в Парижском университете, в Центре Луи де Бройля французской академии наук, на заседании рабочей группы президиума Российской академии наук (заседание проходило под председательством акад. А.П.Александрова); в) развитие представлений о реологии больших масс вещества Земли, находящихся в критическом состоянии, привело к созданию нового раздела в геодинамике, получившего название "квантовая геодинамика". Это новое научное направление требует гораздо более глубокого "погружения" в методы современной физики и физической химии, чем это принято в "нелинейной геодинамике", развиваемой в последнее время многими исследователями. Эти исследования проводятся при тесном взаимодействии с группами ученых в ИФЗ РАН (руководитель чл.-корр. РАН А.В. Николаев) и ИОФ РАН (руководитель акад. РАН А.С. Прохоров). В отличие от традиционных подходов к геодинамике, основанных на классических моделях механики сплошной среды, квантовая геодинамика позволяет провести тонкий анализ энергоструктуры Земли, эволюционирующей во времени, пронизывающей все явления природы и обладающей макроквантовыми свойствами. Это дает ключ к объяснению поведения сложных природных систем;

2. Проводятся исследования роли подземных вод в нелинейной и квантовой геодинамике как синхронизатора широкого спектра природных процессов, связанных с нефтегазообразованием и нефтегазонакоплением. Поведение воды в природных системах контролируется системой физических полей, которая в свою очередь определяется энергоструктурой Земли. Подобное взаимодействие применительно к нефтегазообразованию и нефтегазонакоплению инициирует тепломассоперенос, деструкцию УВ, гидролиз, катионный обмен, сорбцию и ряд других физико-химических превращений в системе вода — порода, что в конечном счете определяет региональную потенциальную возможность пластовых систем к образованию УВ. Воздействие энергоструктуры Земли на подземную гидросферу приводит к активации воды на молекулярно-атомарном уровне.

3. В связи с изучением нелинейных процессов в геологических средах проведены теоретические исследования в сотрудничестве с МГУ им.М.В. Ломоносова в области нелинейных сейсмических волн применительно к разработке резонансных методов сейсмоакустического воздействия на нефтегазовые пласты. Разработаны математические модели распространения, взаимодействия и преобразования упругих волн в насыщенных пористых средах. Выведены нелинейные эволюционные уравнения типа Кортевега - де Фриза-Бюргеса и Шредингера, позволяющие рассчитывать эффекты образования осциллирующих волн, и трехволновые резонансные механизмы взаимодействия. Полученные результаты позволяют оценить резонансные частоты пластов и темпы накопления изменения пластовых параметров (температура, давление, скорость фильтрации и т.д.) в результате сейсмоакустического воздействия.

4. Построена модель нелинейной консолидации геологической среды в масштабе геологического времени. Доказано, что характерная динамика в этих временных масштабах описывается нелинейными моделями, аналогичными квантовым. Дальнейшее теоретическое исследование физико-химических процессов в геологической среде на основе современных представлений о структуре вещества на квантовом уровне позволило сделать важный для геологии вывод: при больших интервалах времени могут проходить физико-химические превращения вещества, которые в обычных временных масштабах не реализуются. Это касается процессов кристаллизации, химических реакций в жидкой фазе и т.д. Эти результаты позволяют говорить о собственно геологиче ских, физико-химических процессах, которые не реализуются в лабораторных условиях в обычных интервалах времени.

5. Изучение волновых процессов в сферических оболочках Земли позволило установить:

наличие ревербераторов - своеобразных ядерных котлов, которые являются мощными источниками энергии и определяют специфику геодинамических процессов в литосферной оболочке Земли.

Результаты этих исследований дали возможность разработать теоретический базис ревербераторной тектоники - нового научного направления, включающего как основные положения учения о геосинклиналях, так и теоретические построения, разработанные сторонниками новой глобальной тектоники. Ревербераторная тектоника снимает многие противоречия прежних тектонических построений.

6. Проведенные исследования позволили обосновать новые закономерности размещения месторождений нефти и газа в литосферной оболочке Земли. Автоволны генерировали планетарно-упорядоченные дизъюнктивы многоцикловой усталости, обеспечивали формирование зон напряженного состояния и разуплотнения, активных и пассивных участков земной коры, которые контролируют размещение скоплений УВ в земной коре. Установлена приуроченность месторождений нефти и газа к так называемым D-широтам (работы выполнены совместно с учеными ИФЗ РАН и МГУ им.М.В.Ломоносова). На фактическом материале показано, что месторождения УВ могут формироваться в результате локального воздействия на флюидную систему энергетических составляющих автоволновых процессов геосферных оболочек Земли.

7. При изучении нефтегазоносности больших глубин выяснилась правомерность сопоставления залежей нефти и газа с вторичными флюидизированными очагами, аналогами промежуточных (приповерхностных) магматических (вулканических) и сейсмических очагов. Формирование вторичных флюидизированных очагов - скоплений УВ - следует связывать с глубинной УВ-дегазацией. Активное вторжение флюидов сопровождается многочисленными эффектами, отражающими связь вторжения с нелинейными геодинамическими процессами. В пространственных неравномерностях размещения нефти и газа в скоплениях, их тектоническом контроле также проявляются аналогии с процессами магматизма и формирования рудных месторождений.

8. Изложенные данные позволяют по-новому подойти к проблеме происхождения нефти и газа. Главный вывод - в природе имеют место самые различные процессы, приводящие к образованию УВ. Поэтому образование нефти и газа может идти как на базе преобразования органического материала в диагенезе и катагенезе, так и за счет глубинных источников, реализующих минеральную схему синтеза УВ-соединений.

9. Месторождения нефти и газа представляют собой равновесные неустойчивые системы, формирование которых происходило в течение миллионов лет. После бурения первых же скважин происходит разрушение системы, изменение свойств всех элементов и структуры. В то же время система стремится сохранить свои элементы, формируя "пригожинские структуры", находящиеся в состоянии неравновесной устойчивости. При этом теряется возможность сохранения и использования внутренней энергии системы при извлечении УВ из недр. Теоретические исследования ученых ИПНГ показывают возможность и необходимость перехода от разработки нефтяных и газовых месторождений к созданию механизмов и способов управления разрушением месторождения с максимальным сохранением начальных условий существования равновесной неустойчивости, позволяющей максимально использовать собственную энергию системы.

Все существующие способы разработки месторождений используют технологии, работающие на последней, VII ступени проявления вакуума и имеющие поэтому ограниченные возможности, касается ли это способов поршневого вытеснения УВ или тепловых, физико-химических и микробиологических методов. Переход к новой идеологии управления разрушением месторождений предполагает создание способов управления двумя подсистемами, каждая из которых привносит свой вклад в возможность наиболее полного извлечения УВ из недр. Первая подсистема - это минеральный скелет резервуара, свойства которого (в частности, состав, степень разрушения, поверхностная активность породообразующих минералов; наличие или отсутствие трещиноватости; размер пор и пустот и т.п.) в значительной мере определяют возможности отдачи или связывания УВ. Для улучшения параметров углеводородоотдачи пластов необходимо разработать способы управления коллекторскими свойствами природного резервуара. Вторая подсистема - УВ и содержащиеся в них попутные компоненты. Для их извлечения необходимо как можно дольше сохранять УВ-систему в первичном состоянии, что позволит использовать энергию пласта и перевести УВ-систему в соответствующее фазовое состояние (т.е. перевести нефтяную залежь в газоконденсатную, газоконденсатную - в газовую; растворить нефтяную оторочку и т.п.). Только после использования энергетического потенциала залежи, т.е. максимально сохранив равновесную неустойчивость и природные условия IV, V и VI ступеней системного движения материи, можно переходить к технологиям VII ступени. Но и в этом случае мы имеем возможность воспользоваться сохранившейся энергией пласта. Например, применяя волновые методы, не "атаковать" пласт мощными вибраторами с поверхности, а, используя внутреннюю энергию при волновом воздействии, "заставить" работать резонансные явления, что окажет более мощное и эффективное воздействие на пласт и обеспечит максимальное вытеснение УВ из недр.

10. Как показали глубокие фундаментальные исследования, проводимые в ИПНГ, УВ-система, стремясь сохранить свои элементы и структурные связи, а также параметры, обеспечивающие равновесную неустойчивость, постоянно меняет свойства своих элементов. При этом отмечаются фазовые переходы и формирование в пластовых условиях новых компонентов УВ-системы. Установлены возможности образования в пластовых условиях фулеренов, золота, серебра, платины, редкоземельных элементов. Особенно активно эти процессы протекают в околокритическом состоянии, когда при незначительном изменении параметров системы происходит изменение фазового состояния. Это в свою очередь способствует "усвоению" элементов глубинного происхождения ("глубинных пришельцев", диффундирующих компонентов и т.п.), а также обеспечивает извлечение из минерального скелета породы различных по составу компонентов и перевод их в состав УВ-системы.

Подобные условия особенно активно проявлялись в недрах Прикаспийской впадины, которая представляет собой своеобразный "котел", под мощной соленосной крышкой которого флюиды находятся в околокритическом состоянии. Эти условия способствовали обогащению УВ-систем чрезвычайно ценными компонентами, стоимость которых, как показали наши расчеты, часто превосходит стоимость нефти, газа и конденсата, добываемых из этих же месторождений.

11. Как известно, эффективность многих технологических процессов, используемых в нефтяной и газовой промышленности, может быть достигнута только на основе глубоких знаний о фазовых превращениях, происходящих на всем пути движения флюидов. Изучение фазовых превращений многокомпонентных УВ-смесей в особых термобарических условиях, позволяющее управлять фазовым состоянием в реальных промышленных масштабах, - одна из основных задач фундаментально-прикладных исследований в нефтяной и газовой промышленности.

Natural resources of Russia, primarily fuel and energy, are its national property. In 1987, in the system of Academy of sciences there was set up an institute specially oriented at the development of fundamental oil and gas science - Institute of Oil and Gas Problems on the base of departments and laboratories of the State Academy of Oil and Gas named after I.M.Gubkin. This allowed to combine both advantages of traditional academic institutions and higher schools dynamics based on the continuous increase of younger constructive energies, and governed a rapid build-up and development of the Institute.

The main trends and results of fundamental studies in oil and gas geology are as follows:

1. Systematic-geological investigations of lithosphere

2. Studies of underground water role in nonlinear and quantum geodynamics as synchronizer of a wide range of natural processes related to oil and gas formation and accumulation

3. In collaboration with Moscow State University named after M.V.Lomonosov theoretical investigations in the field of nonlinear seismic waves have been carried out as applied to the development of seismic acoustic resonance stimulation method for oil and gas reservoirs

4. A model of nonlinear consolidation of geological medium in the scale of geological time was constructed

5. Studies of wave processes in the Earth's spheric mantle

6. Studies conducted allowed to substantiate new regularities of oil and gas fields distribution in the Earth's lithospheric mantle

7. Studies of oil and gas potential at greater depth allowed to recognize the validity of oil and gas pools correlation with secondary fluid sources

8. Data presented allow to take a new view of oil and gas origin

9. Oil and gas fields are the equilibrium unstable systems being formed during million of years

10. Based on detailed fundamental studies of the Institute, hydrocarbon system having a tendency to preserve its elements and structural links as well as parameters providing equilibrium unstability steadily varies the properties of its elements

11. Efficiency of many technologies used in oil and gas industry may be achieved only on the basis of detailed studies on phase transformations occurred all the way of fluid movement.