08.08.2023
Ученые показали: распространенный метод повышения нефтеотдачи может «испортить» сланцевую скважину
Научная группа из Сколтеха изучила эффект от закачки в нефтеносный сланец двух химических составов для повышения нефтеотдачи. Оказалось, что обе испытанные жидкости – водный раствор промышленного поверхностно-активного вещества и взвесь наночастиц диоксида кремния – не подходят для разработки сланцевых месторождений. Вместо того чтобы облегчать добычу, эти химические агенты могут, наоборот, «запереть» нефть в пласте. По этой причине ученые рекомендуют исследовать альтернативные варианты повышения нефтеотдачи на сланцевых месторождениях. Работа опубликована в журнале Energy & Fuels.
По мере разработки скважины давление в нефтеносном пласте падает, и в какой-то момент продолжать извлекать нефть становится нерентабельно или даже невозможно без закачки в скважину разного рода веществ для увеличения нефтеотдачи. Причем на сланцевых месторождениях этот момент наступает раньше – на многих из них добыча вовсе не ведётся без повышения нефтеотдачи.
Методы повышения нефтеотдачи делятся на три категории. Термические, подразумевают нагрев пласта с целью снижения вязкости нефти и повышения мобильности – для этого используют, например, пар, горячую воду или воздух для реализации внутрипластового горения нефти. Мобильность также можно увеличить закачкой углекислого, природного газа и др. – газовые методы основаны на эффекте расширения, «набухания» нефти и снижения вязкости за счет растворения более легких компонент. Наконец, в химических методах может использоваться вода с самыми разными добавками, и механизмы повышения нефтеотдачи у них отличаются.
Сланцевые месторождения – ценный ресурс, который расширяет возможности нефтедобывающих компаний и стран. Это источник углеводородов там, где раньше их с коммерческой точки зрения не было. Однако извлекать сланцевую нефть труднее, чем обычную, а проверенные временем методы повышения нефтеотдачи здесь могут иметь иной эффект, чем на традиционных месторождениях. Понять, какая часть привычного арсенала работает, какая нет и от чего это зависит – ключевая задача научных работников в нефтяной отрасли.
Этот вопрос отчасти прояснила научная группа из Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха. Младший научный сотрудник Александра Щербакова, старший научный сотрудник Елена Мухина и их коллеги выполнили численное моделирование и провели два уникальных и технически сложных эксперимента на образцах нефтеносного сланца в рамках долгосрочного проекта по изучению способов увеличения нефтеотдачи баженовской свиты под руководством профессора Алексея Черемисина. Цель экспериментов – проверить, целесообразно ли применять для повышения нефтеотдачи на сланцевых месторождениях закачку воды с наночастицами диоксида кремния либо раствор поверхностно-активного вещества – этот класс соединений известен в быту как основной компонент моющих средств и мыла.
«Мы рассмотрели 13 флюидов и выбрали два из них для испытаний на насыщенных нефтью цилиндрических образцах породы из баженовской свиты – группы месторождений в Западной Сибири, где сконцентрирована большая часть горючих сланцев в России, – рассказала первый автор научной публикации, младший научный сотрудник Александра Щербакова. – Сначала в образец закачали воду, и коэффициент вытеснения нефти составил 53%. В полевых условиях было бы меньше, но, грубо говоря, смысл этого показателя такой, что примерно половину нефти в коллекторе удалось бы извлечь. Этот показатель послужил ориентиром для оценки эффективности двух агентов, действие которых мы исследовали».
Первый агент – поверхностно-активное вещество с названием (сульфонат эфира натриевой кислоты). Хотя он действительно повысил коэффициент нефтеотдачи, в итоге показатель составил всё те же 53%, что и при закачке обычной солёной воды, а значит, тратить деньги на этот промышленный химикат нет смысла.
Закачку первого агента не только выполнили экспериментально, но и смоделировали. Оказалось, что компьютерная модель верно предсказывает коэффициент нефтеотдачи, но упускает существенный побочный эффект. А именно, эксперимент показал, что поверхностно-активное вещество значительно снизило проницаемость породы, блокировав часть каналов в ней. Так что полагаться только на модели в решении описанной задачи явно преждевременно.
В эксперименте со вторым агентом, взвесью наночастиц в воде, проблема снижения проницаемости породы проявилась еще сильнее. «Из-за небольшого размера пор и каналов в породе, которые не превышают размер наночастиц, фильтрация флюидов с наночастицами может в конечном итоге привести к критическому повреждению сланцевой породы», – предостерегают в своей статье авторы исследования.
«Мы показали, что закачка воды и поверхностно-активного вещества – сравнительно недорогой и успешно используемый на традиционных месторождениях метод повышения нефтеотдачи – хуже подходит для добычи из сланцевых залежей, в частности баженовской свиты, и несет в себе существенные риски. Чтобы узнать, сработают ли на сланцах другое поверхностно-активное вещество или иные методы повышения нефтеотдачи, закачка газа, например, нужны дополнительные исследования», – подытожила старший научный сотрудник Елена Мухина, руководившая организацией и выполнением исследования.
Описанное в пресс-релизе исследование является частью долгосрочного проекта Сколтеха и «Газпром нефть». Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках соглашения № 075-10-2022-011.
Справка:
Сколтех – негосударственный международный университет, который готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит передовые исследования по приоритетным направлениям научно-технологической повестки, содействует внедрению технологий и развитию предпринимательства. В институте работают центры по направлениям искусственного интеллекта, наук о жизни и агротехнологий, современной инженерии и перспективных материалов, энергоэффективности и энергоперехода, телекоммуникаций и фотоники, перспективных исследований. Основанный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, Сколтех дважды вошёл в топ-100 лучших молодых университетов мира престижного рейтинга Nature Index (2019 и 2021 год), а в 2022 году стал лучшим в России университетом в области компьютерных наук, генетики и молекулярной биологии по версии рейтинга Research.com.