Извлечение нефти из сложных коллекторов требует проведения гидроразрыва пласта, при котором в скважину закачивается гелевый состав для образования трещин и транспортировки пропанта, предотвращающего их смыкание. После завершения операции гель необходимо полностью удалить, иначе он забьёт поры и остановит приток углеводородов. Для этого применяются химические реагенты-деструкторы. Существующие составы часто начинают действовать слишком рано, ещё на стадии закачки, когда гель должен сохранять вязкость. Попытки заключить реагент в пластиковые микрокапсулы с отсроченным действием также сталкиваются с трудностями: на глубинах 4-5 км, где залегает основная часть трудноизвлекаемых запасов, царит высокая температура (до 150°C) и колоссальное давление, под которыми полимеры размягчаются и теряют герметичность, высвобождая агент преждевременно.
Анна Абрамова
Фото: Рельеф поверхности микросферы под атомным силовым микроскопом. Источник фото: пресс-служба ПНИПУ
Новое решение: керамические капсулы
Учёные из Пермского Политеха совместно с китайскими специалистами разработали капсулы, устойчивые к экстремальным условиям, срабатывающие в заданный момент и стоящие в 3-4 раза дешевле пластиковых. Это решение признано идеальным для освоения глубокозалегающих трудноизвлекаемых ресурсов.
Исследование размещено в международном журнале «Construction and Building Materials».
Доля трудноизвлекаемой нефти в России демонстрирует устойчивый рост: с примерно 20% в 2010 году она увеличилась до 63% к 2025 году, а к 2050 году, согласно прогнозам, может достичь 87%. Традиционные месторождения с лёгкой нефтью постепенно истощаются, а новые открываются в более сложных геологических условиях. Углеводороды в них находятся в низкопроницаемых породах и не могут самопроизвольно поступать к скважине их буквально необходимо выжимать из пласта, что и определяет их категорию.
Для добычи такого сырья применяется технология гидроразрыва: в скважину под высоким давлением нагнетается жидкость, создающая в породе сеть трещин. Однако при снижении давления эти разломы начинают закрываться. Чтобы этого не происходило, в жидкость добавляют твёрдые частицы пропанта, которые, подобно распоркам, удерживают трещины открытыми.
Транспортная жидкость должна обладать достаточной вязкостью для равномерного распределения пропанта, поэтому её загущают до гелеобразного состояния. Выполнив свою функцию, гель становится препятствием, закупоривая поры и блокируя путь нефти. Для его ликвидации используют химические деструкторы. Их прямое добавление приведёт к преждевременному снижению вязкости геля и срыву операции, поэтому реагент помещают в капсулы с замедленным действием, которые активируются только после фиксации пропанта. Традиционно такие оболочки изготавливают из пластика.
Ключевые проблемы пластиковых капсул
Ключевая проблема заключается в том, что на целевых глубинах, где сосредоточены основные запасы, условия крайне агрессивны: температура достигает 150°C, а давление сопоставимо с океаническим. В такой среде пластиковые оболочки теряют прочность, деформируются и преждевременно высвобождают активное вещество. Кроме того, в процессе производства такие капсулы имеют тенденцию к слипанию, что мешает нанесению равномерного защитного покрытия и ведёт к нестабильной работе.
Совместная разработка российских и китайских исследователей предлагает решение капсулы-деструкторы на основе геополимерной керамики. Они сохраняют целостность при температурах до 150°C и давлениях до 50 МПа, обеспечивают точное время активации и имеют значительно более низкую себестоимость.
Инновационный материал и конструкция капсул
Успех обеспечен применением инновационного материала геополимерной керамики. Её производят из глинистого сырья и металлургических отходов, подвергая формовке и высокотемпературному обжигу (800–900°C). Полученный материал обладает твёрдостью камня, не плавится, не деформируется и сохраняет стабильность в экстремальных условиях. Технология позволяет создавать полые микросферы с контролируемой пористостью, что идеально для задачи инкапсулирования. Были изготовлены полые микросферы из геополимерной керамики. Под вакуумом в них был введён концентрированный раствор разрушителя, что позволило достичь высокой нагрузки почти 37% активного вещества. Этот показатель сравним с лучшими лабораторными образцами и пригоден для масштабирования. Затем микросферы покрыли тонким слоем фенольной смолы с добавкой кремнезёмной пудры, комментирует Сергей Чернышов, заведующий кафедрой «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, доктор технически ПНИПУ наук.
Фото: Сергей Чернышов, заведующий кафедрой «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, доктор технически ПНИПУ наук. Источник фото: пресс-служба ПНИПУ
Керамическая основа микросфер пористая, поэтому для обеспечения отсрочки действия требуется защитное покрытие. После тестирования различных вариантов предпочтение было отдано фенольной смоле, которая не подвержена коррозии, не размягчается при высоких температурах и давлении и обеспечивает точный контроль за высвобождением реагента.
Для предотвращения слипания капсул при производстве в покрытие вводили диспергаторы мелкодисперсные порошки. После испытаний талька, карбоната кальция и кремнезёмной пудры был выбран последний вариант, как наиболее лёгкий, химически инертный и эффективно предотвращающий агломерацию.
Двухстадийный механизм работы
Механизм работы новой капсулы двухстадийный. На первом этапе, в процессе закачки, вода из геля постепенно просачивается через микродефекты покрытия, медленно вымывая часть реагента и инициируя плавное разрушение геля. На втором этапе, после остановки закачки и падения давления, пласт сжимает капсулы, они разрушаются и мгновенно высвобождают оставшийся деструктор, обеспечивая полную очистку.
Результаты испытаний и экономика
Проведённые испытания подтвердили высокую эффективность. При температуре 150°C в течение 1,5 часов высвобождается 82% активного вещества, что достаточно для полной очистки. При давлении 50 МПа 81% капсул остаются неповреждёнными, гарантируя отсутствие преждевременного срабатывания. При 90°C гель с новыми капсулами сохраняет необходимую вязкость на 60–90 минут дольше, чем с обычным деструктором, что как раз соответствует требуемой продолжительности операции. Наибольшую долю в себестоимости составляют активный реагент и высокотемпературный обжиг керамики. Тем не менее, тонна новых капсул оценивается примерно в 8 тысяч юаней (около 105 тысяч рублей), что в 3–4 раза ниже стоимости пластиковых аналогов (30–50 тысяч юаней). При этом капсулы пригодны для хранения: за три месяца при комнатной температуре потеря активности составляет всего 2%, поясняет Хуаджи Лиу, профессор школы нефтегазового инжиниринга Китайского Нефтяного Университета в Циндао.
Вывод
Таким образом, керамические капсулы комплексно решают ключевые проблемы: устойчивы к экстремальным условиям скважины, обеспечивают контролируемое двухэтапное высвобождение, имеют существенно более низкую стоимость и хорошую сохраняемость. Это делает технологию высокоперспективной для промышленного применения при разработке трудноизвлекаемых запасов нефти.
Ранее журнал «Химагрегаты» публиковал данные о передовых разработках, удостоенных премии Правительства РФ за повышение коэффициента извлечения нефти.
Также на страницах нашего сайта вы можете узнать о том, как Китай наращивает объёмы добычи сланцевой нефти.