Нанотехнологии в добыче нефти, 2007. Нанотехнологии в добыче нефти


Нанотехнологии в добыче нефти, 2007

  • CategoryDocuments

  • View220

  • Download0

  • Posted on12-Mar-2016

Report
  • В РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 58 06’2007 НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО УДК 622.276.1/.4.001 © А. Я. Хавкин, 2007 А. Я. Хавкин (ИПНГ РАН) В России сосредоточены огромные запасы нефти и газа.Добыча и продажа этих энергоресурсов обеспечиваютзначительные поступления в российский бюджет. Существенный рост добычи в России во второй половине ХХ века был обеспечен открытиями уникальных месторожде- ний с приемлемыми геологическими условиями залегания нефти. В настоящее время деятельность нефтяных компаний на территории России сопряжена со сложными технологиче- скими проблемами, поскольку около 2/3 имеющихся запасов нефти и газа относятся к категории трудноизвлекаемых. Высокая стоимость технологий их добычи снижает доход- ность по сравнению с добычей нефти на Ближнем Востоке, в Африке и даже в ряде случаев в Северном море. Развитые страны мира тратят значительные средства на развитие неф- тяной науки, что позволяет создавать высокорентабельные технологии для извлечения трудноизвлекаемых запасов нефти. Согласно материалам Лондонского форума по нефтеотдаче применение уже освоенных современных технологий позво- лит повысить средний проектный коэффициент извлечения нефти (КИН) до 50 % к 2020 г., что означает увеличение миро- вых доказанных извлекаемых запасов нефти в 1,4 раза (т.е. на 65 млрд. т) [1]. В последнее десятилетие огромное значение для создания рациональных технологий разработки трудноизвлекаемых запасов нефти в России имело применение различных моди- фикаций горизонтальных скважин и гидроразрыва пласта. Не умаляя значимости этих технических решений, отметим необходимость более глубокого изучения механизма выте- снения нефти из нефтяных залежей в добывающие скважины. Нефтенасыщенные пласты представлены пористыми мате- риалами с различными размерами пор, поровых каналов и вещественными составами пород, определяющими особенно- сти взаимодействия пластовых и закачиваемых флюидов с породой. С учетом отмеченного можно сделать вывод о том, что вытеснение нефти из нефтяных залежей в добывающие скважины является не механическим процессом замещения нефти вытесняющей ее водой, а сложным физико-химиче- ским процессом, при котором определяющую роль играют явления ионнообмена между пластовыми и закачиваемыми флюидами с породой [2-5], т. е. наноразмерные явления. В последние годы при изучении и регулировании нанораз- мерных процессов в мире получены фундаментальные результаты в ряде научных направлений [6, 7]. Нанотехноло- гический подход означает целенаправленное регулирование свойств объектов на молекулярном и надмолекулярном уров- не (0,1-100 нм), определяющем фундаментальные параметры физических объектов [7, 8]. Наночастицы недостаточно вели- ки для непосредственного наблюдения и изучения и слишком велики для квантовомеханических расчетов. Поэтому при моделировании их можно рассматривать в качестве элемен- тов объектов большего размера [7]. Термин нанонаука возник не так давно, но многие из давно изучаемых макроразмерных процессов учитывали явления, происходящие на наноуровне, следовательно, их можно отнести к нанонауке [7]. Это характерно для наук о Земле в сфере нефтегазодобычи. В числе важнейших научно-технических проблем нефтега- зодобычи вице-президентом РАН Н.П. Лаверовым отмечены разработка математических моделей управления процессами извлечения нефти с использованием химических, физиче- ских, тепловых и иных методов воздействия на пласт; промы- шленная разработка и применение новых технологий нефте- газодобычи; создание и освоение технологий сжижения при- родного газа [9]. Основой этих направлений является геоло- гия, где роль нанонауки уже обозначена в механизмах мине- раллообразования и выветривания горных пород, преобразо- вании одних глинистых минералов в другие [7, 10]. На основе изучения наноразмерных комплексов в 1980-1990 гг. возни- кло новое направление – наноминералогия [11]. Примерно в те же годы стали активно исследоваться явления ионнообме- на в процессах нефтегазодобычи [2]. Поскольку характерные радиусы ионов не превышают 1 нм [12], технологии регули- рования ионообменных явлений в нефтегазовых системах относятся к нанотехнологиям. К объектам исследований нанонауки относятся ультрадис- персные системы (УДС), в том числе глины, аэрозоли, мицел- лярные коллоидные растворы, полимерные золи и гели, плен- ки жидкости на поверхности [8]. Эти объекты также очень важны для нефтегазовой сферы. Механизм перемещения нефти в пласте и ее извлечения во многом определяется молекулярно-поверхностными процес- Нанотехнологии в добыче нефти Nanotechnologies in an oil recovery A.Ya. Khavkin (Institute of Problems of Oil and Gas of RAS) The role of nanotechnologies in the development of sciences about the Earth, in particular, in an oil-and-gas complex, is considered. Ways of their application for increase an oil recovery and oil recovery ratio are offered.
  • РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО 06’2007 59 сами, протекающими на границах раздела фаз (породообра- зующие минералы – насыщающие пласт жидкости и газы - вытесняющие агенты) [13]. Поэтому проблема смачиваемо- сти – одна из важнейших проблем нанонауки в нефтегазовой сфере [14]. Поскольку глины являются ультрадисперсными системами [14], огромный объем исследований по регулированию состояния глинистых минералов в пористых средах с пол- ным основанием можно отнести к нанонауке. К ней также следует отнести исследования газогидратов, ряда процессов регулирования свойств перекачиваемой нефти и защемлен- ного водой газа, водонефтеподготовку. Технологии нефтегазодобычи, основанные на регулирова- нии ионообменных процессов и зарядовых взаимодействий – это технологии регулирования смачиваемости и толщины пленок жидкостей на поверхности пород, состояния глини- стых минералов, химического состава подаваемых в скважи- ны агентов, термотехнологии, биотехнологии, технологии на основе применения физических полей. Вице-президентом РАН Н.П. Лаверовым нанотехнологии отмечены в качестве важнейших проблем развития нефтегазодобычи [9]. Эффективность вытеснения нефти из нефтяных пластов определяется разномасштабными процессами. По применяе- мым методам мероприятия по воздействию на нефтяные пла- сты могут быть разделены на: - уточнение системы разработки (уплотнение сетки сква- жин, группирование объектов и пластов) – С; - гидродинамические (циклическое воздействие, измене- ние направления фильтрационных потоков, депрессии в добывающих или нагнетательных скважинах) – Г; - технические (гидроразрыв, бурение горизонтальных и наклонно направленных скважин, зарезка боковых стволов, перфорация, режим бурения) – ТН; - химические (применение ПАВ, полимеров, щелочей, кислот, эмульсий, солей, гелей, ШФЛУ, силикатов) – Х; - газовые (использование углеводородного и дымового газов, азота, водогазовых смесей, пен, термонеустойчивых агентов) – Г; - тепловые (закачка горячей воды, пара, термогенерирую- щих агентов) – Т; - физические (магниты, вибротехнологии, электровоздей- ствие) – Ф; - биологические (на основе биотехнологий) – Б; - комбинированные (К – из первых трех групп, КХ – не только из них). Буквенные обозначения групп технологий позволяют более кратко записывать тип мероприятия. С-технологии, основанные на изменении расположения скважин, имеют характерный масштаб сотни метров, ТН-технологии гидро- разрыва и горизонтальных скважин – десятки и сотни метров, ТН-технологии перфорации – метры, Х-технологии ликвидации заколонных перетоков – сантиметры и не могут быть отнесены к нанотехнологиям, КХ-технологии очистки закачиваемых вод (полимерные (загущающие), гелевые, полимер-дисперсные, водогазовые) – микрометры также не могут быть отнесены к нанотехнологиям. Следовательно, к нефтегазовым нанотехнологиям относятся Т, Ф, Б-техноло- гии. Г- и Х-технологии занимают промежуточную позицию между нанотехнологиями и макротехнологиями в зависимо- сти от применяемых реагентов и механизма их взаимодей- ствия с нефтяным коллектором. Анализ молекулярно-поверхностных процессов на грани- цах раздела фаз в пористых средах привел автора к выводу об определяющей роли капиллярного гистерезиса в процессах вытеснения нефти в пористых средах [3-5]. Капиллярный гистерезис зависит от смачивающих свойств поверхности пород, определяемых зарядовыми взаимодействиями, шеро- ховатости твердой поверхности и химической неоднородно- сти [5]. При этом и в гидрофильной, и гидрофобной среде капиллярный гистерезис направлен против движения выте- сняемой нефти. В соответствии с предложенной автором моделью вытесне- ния нефти в пористых средах [3-5] нефть с самого начала вытеснения разбивается на случайную систему кластеров вследствие зарядовых взаимодействий (наноявлений) в неф- тяном пласте. Движение кластеров имеет одинаковую схема- тизацию на микроуровне, уровнях элементарного физиче- ского объема и макромасштаба пласта. На всех уровнях дви- жение кластеров нефти определяется гидродинамическим напором закачиваемого агента и противодействием капил- лярного гистерезиса. На микроуровне капиллярный гистере- зис обусловлен гистерезисом углов смачивания, на уровнях элементарного физического объема и пласта - гистерезисом капиллярного давления при пропитке и дренировании. В традиционных расчетах наноявлениями ионнообмена между водной фазой и глинистыми минералами пренебрега- ли. Учет указанных явлений [2, 4, 5] показал, что при этом происходят весьма существенные макроизменения в процес- се вытеснения нефти в пористых средах. Приведем примеры значимости наноявлений в добыче нефти. Пример 1. КИН значительно уменьшается с увеличением доли глинистых минералов Кгл в нефтяном пласте [5]. Учет ионнообменных процессов между закачиваемой в пласт водой и скелетом пористой среды (с глинистыми минералами) и способы их регулирования послужили основой технологий (которые в соответствии с современным пониманием можно назвать нанотехнологии), позволивших повысить степень выра- ботки пластов и дебиты скважин [2, 4, 5]. На основе изучения ионообменных явлений с глинистой составляющей нефтяных пластов были установлены существенные изменения (на 2-3 МПа) полей давления в залежах, определено влияние особенно- стей нефтяных пластов и вязкости нефти при изменении мине- рализации закачиваемой воды и др. Экспериментальные исследования и промысловые испытания этих технологий подтвердили правильность научных выводов. Дополнительная добыча нефти превысила 0,5 млн. т [5]. Пример 2. Рассмотрим влияние плотности сетки скважин (ПСС) на КИН. Это один из важнейших вопросов разработки нефтяных месторождений [15]. С уменьшением числа сква- жин относительно их проектного числа снижается себестои- мость добычи нефти, а следовательно, растет прибыль. Традиционные математические модели многофазной фильтрации в пористых средах были основаны на крупно- масштабном описании пористых сред с характерным разме- ром элемента пористой среды от сантиметра и более. Капил- лярными эффектами как таковыми пренебрегали и считали, что они усредненно учитываются в так называемых фазовых проницаемостях, которые различны для воды и нефти. При этом не объяснялась роль ПСС. Определение зависимости фазовых проницаемостей от проницаемости коллектора и ПСС весьма сложное. В то же время применение одних и тех же фазовых проницаемостей для пластов различной проницаемости и на участках с раз- ной ПСС означает пренебрежение влиянием ПСС на КИН в гидродинамических расчетах. Возникало расхождение между
  • РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 60 06’2007 НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО опытом разработки и принципами, заложенными в тради- ционно используемые гидродинамические симуляторы. Такое пренебрежение наноявлениями смачивания в системе нефть- вода – порода приводило к устоявшемуся выводу о том, что при этом КИН не уменьшится, следовательно, увеличение текущей доходности путем остановки малодебитных скважин весьма желательно. Важно отметить, что учет расклинивающего давления при движении капель в капилляре приводит к нелинейной зависи- мости скорости от перепада давления даже для одной капли ньютоновской нефти [16]. Это означает, что в лаборатории на вискозиметре можно получить линейные зависимости скоро- сти нефти от перепада давления (т.е. начальный градиент для фильтрации нефти G2 = 0), а в пласте нефть, двигаясь как система кластеров, будет проявлять неньютоновские свойства (т.е. G2 > 0). Следовательно, теоретические оценки по тради- ционным моделям без учета наноявлений будут искажать прогнозные КИН. Расчеты с учетом наноявлений смачивания показали, что уменьшение ПСС с 50 до 100 га/скв снижает КИН на 10 пунк- тов и итоговую добычу нефти по участку на 50 тыс. т/100 га [5]. Таким образом, остановка части скважин увеличивает текущий отбор нефти из работающих скважин при уменьше- нии КИН. Следовательно, остановка большого числа малоде- битных скважин при общей рентабельной добыче нежела- тельна. Пример 3. Известно, что остаточная нефть отличается от начальной по физико-химическому составу из-за того, что в первую очередь из пласта выходят более легкие компоненты. Рассмотрим изменение КИН при отборе начальной и оста- точной нефти. Допустим, что нефть вязкостью 0,7 мПа⋅с состоит наполо- вину из компонентов вязкостью 0,6 мПа⋅с и наполовину из компонентов вязкостью 0,8 мПа⋅с. При проницаемости 0,035 мкм2 КИН при вязкости нефти 0,7 мПа⋅с составит 0,318. Полу- сумма КИН при отборе компонентов нефти вязкостью 0,6 и 0,8 мПа⋅с составит 0,313. Это означает, что можно оценивать КИН при вязкости нефти 0,7 мПа⋅с как полусумму значений при отборе компонентов нефти вязкостью 0,6 и 0,8 мПа⋅с. Но если отобрать сначала более легкие компоненты, то КИН остаточной нефти вязкостью 0,8 мПа⋅с составит только 0,194. Таким образом, расчеты с учетом наноявлений смачивания показали, что из-за значительно более низкого КИН довыра- ботка нефтяного пласта с остаточной нефтью будет намного менее рентабельна, чем целенаправленная добыча макси- мального объема нефти с самого начала разработки [5]. Поэ- тому пласт с остаточной нефтью скорей всего дорабатывать- ся не будет. Запасы нефти в таких объектах в России соста- вляют десятки миллиардов тонн. Из отмеченного следует, что наноявления определяют осо- бенности многих нефтегазовых технологий. Это означает необходимость более глубокого изучения наноявлений в нау- ках о Земле с целью повышения долгосрочной эффективно- сти добычи нефти и газа. Список литературы 1. Favennec Jean-Pierre. The Economics of EOR//Conference of Enhanced Oil Recovery (EOR), 6 December 2004, London, UK. - http://www.thecwcgroup.com. 2. Хавкин А.Я. Гидродинамические исследования процессов выте- снения нефти в сложных пластовых условиях с учетом обменных явлений. Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - М.: ИГиРГИ, 1982. – 24 с. 3. Хавкин А.Я. Закономерность вытеснения нефти в пористых сре- дах. Открытие № 80//Научные открытия. Сборник кратких описаний за 1998 г. РАЕН, 1999, М.-Н.Новгород. - С. 53-54. 4. Хавкин А.Я. Гидродинамические основы разработки залежей нефти с низкопроницаемыми коллекторами. - М.: МО МАНПО, 2000. – 525 с. 5. Хавкин А.Я. Геолого-физические факторы эффективной разра- ботки месторождений углеводородов. - М.: ИПНГ РАН, 2005. – 312 с. 6. Маврина Т.В. Наука уходит в наномир. Обсуждение в президиуме РАН//Вестник РАН. – 2002. - Т. 72. - № 10. - С. 905-909. 7. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований/Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса, П. Аливатоса. - М.: Мир, 2002. – 292 с. 8. Мелихов И.В. Физико-химия наносистем: успехи и пробле- мы//Вестник РАН. – 2002. – Т. 72. - № 10. - С. 900-909. 9. Лаверов Н.П. Топливно-энергетические ресурсы//Вестник РАН. – 2006. - Т. 76. - № 5. - С. 398-408. 10. Богатиков О.А. Неорганические наночастицы в природе//Вест- ник РАН. – 2003. - Т. 73. - № 5. - С. 426-428. 11. Рундквист Д.В. Доклад на годичном собрании ОГГГН РАН 23 марта 1998 г. 12. Краткий справочник физико-химических величин. - Л.: Химия, 1974. – 200 с. 13.Чураев Н.В. Физико-химия процессов массопереноса в пористых средах. - М.: 1990. – 272 с. 14. Климов Д.М. Обсуждение проблем нанотехнологий//Вестник РАН. – 2003. - Т. 73. - № 5. - С. 430-433. 15. Концепция программы преодоления падения нефтеотда- чи/Ю.А. Спиридонов, Р.А. Храмов, А.А. Боксермани и др. - М.: Гос- дума РФ, 2006. – 144 с. 16. Иванов В.Н., Калинин В.В., Старов В.М. Влияние расклиниваю- щего давления на фильтрационное движение капли в капилля- ре//Коллоидный журнал. – 1991. - № 2. - С. 251-258.
Reader embed your logo!

Description
Нанотехнологии в добыче нефти, 2007

documents.tips

Использование нанотехнологий в добыче нефти

Госнефтекомпания Азербайджана применила нанотехнологии в добыче нефти

Азербайджан, Баку, 6 мая – Госнефтекомпания Азербайджанa (ГНКАР) добилась получения дополнительных 300 тонн нефти со скважин за счет экспериментального применения нанотехнологий в ходе добычи сырья. Как говорится в сообщении ГНКАР, распространенном во вторник, методика была испытана на скважинах, эксплуатируемых НГДУ «Гум Адасы», «Сураханынефть» и «Абшероннефть».

oil_pump.jpg

В ходе исследований выявлено, что во время разработки пластовых вод, в результате повышения окисления среды путем отделения углерода происходит увеличение давления в системе, что приводит к отделению газа.

На основе полученных результатов подготовлена и реализована научно-практическая программа по созданию новых нанокомпозиционных материалов и их применения в нефтедобывающих системах.

Нанокомпозиционный материал был запатентован в государственном агентстве по стандартизации, метрологии и патентам в 2005 году.

http://capital.trendaz.com/index.shtml?…

ГНКАР начала использования в нефтедобыче нанокомпозитов, разработанных и запатентованных в Азербайджане

Баку – Использование нанотехнологий в Азербайджане имеет большое значение для увеличения нефтедобычи.

Как сказано в сообщении Государственной нефтяной компании Азербайджана (ГНКАР), Производственное объединение «Азнефть» ГНКАР провело работы с целью определить рациональность нанотехнологий при добыче нефти.

«На скважинах Нефтедобывающих управлений (НГДУ) «Песчаный остров» и «Сураханынефть» были проведены испытательные работы, и в результате добыто дополнительно 130 тонн нефти. Затем на скважинах были продолжены испытания и в то же время использована 1 скважина НГДУ «Абшероннефть». В результате было получено дополнительно более 170 тонн нефти. Таким образом, с каждой скважины была добыта дополнительно 1 тонна нефти», – сказано в сообщении.

На основе положительных результатов технологии впервые под руководством президента ГНКАР Ровнага Абдуллаева, I вице-президента ГНКАР Хошбахта Юсифзаде и ректора Бакинского государственного университета (БГУ) Абеля Магеррамова была подготовлена и реализована научно-практическая программа по созданию использованию в системе нефтедобычи нанокомпозитных материалов.

«Нанокомпозитный материал был зарегистрирован и получил патент в Государственном агентстве по метрологии, стандартизации и патентам в 2005 году», – сказано в сообщении.

  • Научные результаты использования композита были обсуждены и высоко оценены на международной научно-практической конференции вo Фрязино и на конгрессе в Тегеране.

Основоположниками нанотехнологий в Азербайджане являются академики Азад Мирзаджанзаде, Хошбехт Юсифзаде и Абель Магеррамов.

http://abc.az/…news_one.cgi?…

State Oil Company of Azerbaijan Republic (SOCAR)

http://en.wikipedia.org/…f_Azerbaijan

300 тонн на скважину… Это, наверное, не так уж и много. Но ведь это 300 «ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ» тонн, а сколько скважин могли бы дать эти дополнительные тонны воистину драгоценной (теперь) нефти! (Правда, во второй заметочке говорится о всего лишь 1 тонне). Так что, очевидно, речь идёт о существенном экономическом выигрыше, когда овчинка стОит выделки. Жаль, что не раскрывается состав нанокомпозиционного материала, тем более что он был запатентован ещё три года назад. Очевидно, что главный секрет здесь – это технология его использования. Ноу-хау. Тем не менее, упоминается возможный механизм использования/работы этого вещества – во время разработки пластовых вод, в результате повышения окисления среды путем отделения углерода происходит увеличение давления в системе, что приводит к отделению газа. Оказывается, всё очень просто! Теперь нефтяники и нефтехимики всего мира кинутся искать такого рода материалы. И всё равно нужно отдать должное первопроходцам: именно ГНКАР была «пионером» на этом пути (или были и другие «первопроходцы»?). Поэтому ей – наши поздравления!

www.nanonewsnet.ru

Нанотехнологии в добыче нефти, 2007

  • CategoryDocuments

  • View220

  • Download0

  • Posted on12-Mar-2016

Report
  • В РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 58 06’2007 НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО УДК 622.276.1/.4.001 © А. Я. Хавкин, 2007 А. Я. Хавкин (ИПНГ РАН) В России сосредоточены огромные запасы нефти и газа.Добыча и продажа этих энергоресурсов обеспечиваютзначительные поступления в российский бюджет. Существенный рост добычи в России во второй половине ХХ века был обеспечен открытиями уникальных месторожде- ний с приемлемыми геологическими условиями залегания нефти. В настоящее время деятельность нефтяных компаний на территории России сопряжена со сложными технологиче- скими проблемами, поскольку около 2/3 имеющихся запасов нефти и газа относятся к категории трудноизвлекаемых. Высокая стоимость технологий их добычи снижает доход- ность по сравнению с добычей нефти на Ближнем Востоке, в Африке и даже в ряде случаев в Северном море. Развитые страны мира тратят значительные средства на развитие неф- тяной науки, что позволяет создавать высокорентабельные технологии для извлечения трудноизвлекаемых запасов нефти. Согласно материалам Лондонского форума по нефтеотдаче применение уже освоенных современных технологий позво- лит повысить средний проектный коэффициент извлечения нефти (КИН) до 50 % к 2020 г., что означает увеличение миро- вых доказанных извлекаемых запасов нефти в 1,4 раза (т.е. на 65 млрд. т) [1]. В последнее десятилетие огромное значение для создания рациональных технологий разработки трудноизвлекаемых запасов нефти в России имело применение различных моди- фикаций горизонтальных скважин и гидроразрыва пласта. Не умаляя значимости этих технических решений, отметим необходимость более глубокого изучения механизма выте- снения нефти из нефтяных залежей в добывающие скважины. Нефтенасыщенные пласты представлены пористыми мате- риалами с различными размерами пор, поровых каналов и вещественными составами пород, определяющими особенно- сти взаимодействия пластовых и закачиваемых флюидов с породой. С учетом отмеченного можно сделать вывод о том, что вытеснение нефти из нефтяных залежей в добывающие скважины является не механическим процессом замещения нефти вытесняющей ее водой, а сложным физико-химиче- ским процессом, при котором определяющую роль играют явления ионнообмена между пластовыми и закачиваемыми флюидами с породой [2-5], т. е. наноразмерные явления. В последние годы при изучении и регулировании нанораз- мерных процессов в мире получены фундаментальные результаты в ряде научных направлений [6, 7]. Нанотехноло- гический подход означает целенаправленное регулирование свойств объектов на молекулярном и надмолекулярном уров- не (0,1-100 нм), определяющем фундаментальные параметры физических объектов [7, 8]. Наночастицы недостаточно вели- ки для непосредственного наблюдения и изучения и слишком велики для квантовомеханических расчетов. Поэтому при моделировании их можно рассматривать в качестве элемен- тов объектов большего размера [7]. Термин нанонаука возник не так давно, но многие из давно изучаемых макроразмерных процессов учитывали явления, происходящие на наноуровне, следовательно, их можно отнести к нанонауке [7]. Это характерно для наук о Земле в сфере нефтегазодобычи. В числе важнейших научно-технических проблем нефтега- зодобычи вице-президентом РАН Н.П. Лаверовым отмечены разработка математических моделей управления процессами извлечения нефти с использованием химических, физиче- ских, тепловых и иных методов воздействия на пласт; промы- шленная разработка и применение новых технологий нефте- газодобычи; создание и освоение технологий сжижения при- родного газа [9]. Основой этих направлений является геоло- гия, где роль нанонауки уже обозначена в механизмах мине- раллообразования и выветривания горных пород, преобразо- вании одних глинистых минералов в другие [7, 10]. На основе изучения наноразмерных комплексов в 1980-1990 гг. возни- кло новое направление – наноминералогия [11]. Примерно в те же годы стали активно исследоваться явления ионнообме- на в процессах нефтегазодобычи [2]. Поскольку характерные радиусы ионов не превышают 1 нм [12], технологии регули- рования ионообменных явлений в нефтегазовых системах относятся к нанотехнологиям. К объектам исследований нанонауки относятся ультрадис- персные системы (УДС), в том числе глины, аэрозоли, мицел- лярные коллоидные растворы, полимерные золи и гели, плен- ки жидкости на поверхности [8]. Эти объекты также очень важны для нефтегазовой сферы. Механизм перемещения нефти в пласте и ее извлечения во многом определяется молекулярно-поверхностными процес- Нанотехнологии в добыче нефти Nanotechnologies in an oil recovery A.Ya. Khavkin (Institute of Problems of Oil and Gas of RAS) The role of nanotechnologies in the development of sciences about the Earth, in particular, in an oil-and-gas complex, is considered. Ways of their application for increase an oil recovery and oil recovery ratio are offered.
  • РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО 06’2007 59 сами, протекающими на границах раздела фаз (породообра- зующие минералы – насыщающие пласт жидкости и газы - вытесняющие агенты) [13]. Поэтому проблема смачиваемо- сти – одна из важнейших проблем нанонауки в нефтегазовой сфере [14]. Поскольку глины являются ультрадисперсными системами [14], огромный объем исследований по регулированию состояния глинистых минералов в пористых средах с пол- ным основанием можно отнести к нанонауке. К ней также следует отнести исследования газогидратов, ряда процессов регулирования свойств перекачиваемой нефти и защемлен- ного водой газа, водонефтеподготовку. Технологии нефтегазодобычи, основанные на регулирова- нии ионообменных процессов и зарядовых взаимодействий – это технологии регулирования смачиваемости и толщины пленок жидкостей на поверхности пород, состояния глини- стых минералов, химического состава подаваемых в скважи- ны агентов, термотехнологии, биотехнологии, технологии на основе применения физических полей. Вице-президентом РАН Н.П. Лаверовым нанотехнологии отмечены в качестве важнейших проблем развития нефтегазодобычи [9]. Эффективность вытеснения нефти из нефтяных пластов определяется разномасштабными процессами. По применяе- мым методам мероприятия по воздействию на нефтяные пла- сты могут быть разделены на: - уточнение системы разработки (уплотнение сетки сква- жин, группирование объектов и пластов) – С; - гидродинамические (циклическое воздействие, измене- ние направления фильтрационных потоков, депрессии в добывающих или нагнетательных скважинах) – Г; - технические (гидроразрыв, бурение горизонтальных и наклонно направленных скважин, зарезка боковых стволов, перфорация, режим бурения) – ТН; - химические (применение ПАВ, полимеров, щелочей, кислот, эмульсий, солей, гелей, ШФЛУ, силикатов) – Х; - газовые (использование углеводородного и дымового газов, азота, водогазовых смесей, пен, термонеустойчивых агентов) – Г; - тепловые (закачка горячей воды, пара, термогенерирую- щих агентов) – Т; - физические (магниты, вибротехнологии, электровоздей- ствие) – Ф; - биологические (на основе биотехнологий) – Б; - комбинированные (К – из первых трех групп, КХ – не только из них). Буквенные обозначения групп технологий позволяют более кратко записывать тип мероприятия. С-технологии, основанные на изменении расположения скважин, имеют характерный масштаб сотни метров, ТН-технологии гидро- разрыва и горизонтальных скважин – десятки и сотни метров, ТН-технологии перфорации – метры, Х-технологии ликвидации заколонных перетоков – сантиметры и не могут быть отнесены к нанотехнологиям, КХ-технологии очистки закачиваемых вод (полимерные (загущающие), гелевые, полимер-дисперсные, водогазовые) – микрометры также не могут быть отнесены к нанотехнологиям. Следовательно, к нефтегазовым нанотехнологиям относятся Т, Ф, Б-техноло- гии. Г- и Х-технологии занимают промежуточную позицию между нанотехнологиями и макротехнологиями в зависимо- сти от применяемых реагентов и механизма их взаимодей- ствия с нефтяным коллектором. Анализ молекулярно-поверхностных процессов на грани- цах раздела фаз в пористых средах привел автора к выводу об определяющей роли капиллярного гистерезиса в процессах вытеснения нефти в пористых средах [3-5]. Капиллярный гистерезис зависит от смачивающих свойств поверхности пород, определяемых зарядовыми взаимодействиями, шеро- ховатости твердой поверхности и химической неоднородно- сти [5]. При этом и в гидрофильной, и гидрофобной среде капиллярный гистерезис направлен против движения выте- сняемой нефти. В соответствии с предложенной автором моделью вытесне- ния нефти в пористых средах [3-5] нефть с самого начала вытеснения разбивается на случайную систему кластеров вследствие зарядовых взаимодействий (наноявлений) в неф- тяном пласте. Движение кластеров имеет одинаковую схема- тизацию на микроуровне, уровнях элементарного физиче- ского объема и макромасштаба пласта. На всех уровнях дви- жение кластеров нефти определяется гидродинамическим напором закачиваемого агента и противодействием капил- лярного гистерезиса. На микроуровне капиллярный гистере- зис обусловлен гистерезисом углов смачивания, на уровнях элементарного физического объема и пласта - гистерезисом капиллярного давления при пропитке и дренировании. В традиционных расчетах наноявлениями ионнообмена между водной фазой и глинистыми минералами пренебрега- ли. Учет указанных явлений [2, 4, 5] показал, что при этом происходят весьма существенные макроизменения в процес- се вытеснения нефти в пористых средах. Приведем примеры значимости наноявлений в добыче нефти. Пример 1. КИН значительно уменьшается с увеличением доли глинистых минералов Кгл в нефтяном пласте [5]. Учет ионнообменных процессов между закачиваемой в пласт водой и скелетом пористой среды (с глинистыми минералами) и способы их регулирования послужили основой технологий (которые в соответствии с современным пониманием можно назвать нанотехнологии), позволивших повысить степень выра- ботки пластов и дебиты скважин [2, 4, 5]. На основе изучения ионообменных явлений с глинистой составляющей нефтяных пластов были установлены существенные изменения (на 2-3 МПа) полей давления в залежах, определено влияние особенно- стей нефтяных пластов и вязкости нефти при изменении мине- рализации закачиваемой воды и др. Экспериментальные исследования и промысловые испытания этих технологий подтвердили правильность научных выводов. Дополнительная добыча нефти превысила 0,5 млн. т [5]. Пример 2. Рассмотрим влияние плотности сетки скважин (ПСС) на КИН. Это один из важнейших вопросов разработки нефтяных месторождений [15]. С уменьшением числа сква- жин относительно их проектного числа снижается себестои- мость добычи нефти, а следовательно, растет прибыль. Традиционные математические модели многофазной фильтрации в пористых средах были основаны на крупно- масштабном описании пористых сред с характерным разме- ром элемента пористой среды от сантиметра и более. Капил- лярными эффектами как таковыми пренебрегали и считали, что они усредненно учитываются в так называемых фазовых проницаемостях, которые различны для воды и нефти. При этом не объяснялась роль ПСС. Определение зависимости фазовых проницаемостей от проницаемости коллектора и ПСС весьма сложное. В то же время применение одних и тех же фазовых проницаемостей для пластов различной проницаемости и на участках с раз- ной ПСС означает пренебрежение влиянием ПСС на КИН в гидродинамических расчетах. Возникало расхождение между
  • РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 60 06’2007 НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО опытом разработки и принципами, заложенными в тради- ционно используемые гидродинамические симуляторы. Такое пренебрежение наноявлениями смачивания в системе нефть- вода – порода приводило к устоявшемуся выводу о том, что при этом КИН не уменьшится, следовательно, увеличение текущей доходности путем остановки малодебитных скважин весьма желательно. Важно отметить, что учет расклинивающего давления при движении капель в капилляре приводит к нелинейной зависи- мости скорости от перепада давления даже для одной капли ньютоновской нефти [16]. Это означает, что в лаборатории на вискозиметре можно получить линейные зависимости скоро- сти нефти от перепада давления (т.е. начальный градиент для фильтрации нефти G2 = 0), а в пласте нефть, двигаясь как система кластеров, будет проявлять неньютоновские свойства (т.е. G2 > 0). Следовательно, теоретические оценки по тради- ционным моделям без учета наноявлений будут искажать прогнозные КИН. Расчеты с учетом наноявлений смачивания показали, что уменьшение ПСС с 50 до 100 га/скв снижает КИН на 10 пунк- тов и итоговую добычу нефти по участку на 50 тыс. т/100 га [5]. Таким образом, остановка части скважин увеличивает текущий отбор нефти из работающих скважин при уменьше- нии КИН. Следовательно, остановка большого числа малоде- битных скважин при общей рентабельной добыче нежела- тельна. Пример 3. Известно, что остаточная нефть отличается от начальной по физико-химическому составу из-за того, что в первую очередь из пласта выходят более легкие компоненты. Рассмотрим изменение КИН при отборе начальной и оста- точной нефти. Допустим, что нефть вязкостью 0,7 мПа⋅с состоит наполо- вину из компонентов вязкостью 0,6 мПа⋅с и наполовину из компонентов вязкостью 0,8 мПа⋅с. При проницаемости 0,035 мкм2 КИН при вязкости нефти 0,7 мПа⋅с составит 0,318. Полу- сумма КИН при отборе компонентов нефти вязкостью 0,6 и 0,8 мПа⋅с составит 0,313. Это означает, что можно оценивать КИН при вязкости нефти 0,7 мПа⋅с как полусумму значений при отборе компонентов нефти вязкостью 0,6 и 0,8 мПа⋅с. Но если отобрать сначала более легкие компоненты, то КИН остаточной нефти вязкостью 0,8 мПа⋅с составит только 0,194. Таким образом, расчеты с учетом наноявлений смачивания показали, что из-за значительно более низкого КИН довыра- ботка нефтяного пласта с остаточной нефтью будет намного менее рентабельна, чем целенаправленная добыча макси- мального объема нефти с самого начала разработки [5]. Поэ- тому пласт с остаточной нефтью скорей всего дорабатывать- ся не будет. Запасы нефти в таких объектах в России соста- вляют десятки миллиардов тонн. Из отмеченного следует, что наноявления определяют осо- бенности многих нефтегазовых технологий. Это означает необходимость более глубокого изучения наноявлений в нау- ках о Земле с целью повышения долгосрочной эффективно- сти добычи нефти и газа. Список литературы 1. Favennec Jean-Pierre. The Economics of EOR//Conference of Enhanced Oil Recovery (EOR), 6 December 2004, London, UK. - http://www.thecwcgroup.com. 2. Хавкин А.Я. Гидродинамические исследования процессов выте- снения нефти в сложных пластовых условиях с учетом обменных явлений. Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - М.: ИГиРГИ, 1982. – 24 с. 3. Хавкин А.Я. Закономерность вытеснения нефти в пористых сре- дах. Открытие № 80//Научные открытия. Сборник кратких описаний за 1998 г. РАЕН, 1999, М.-Н.Новгород. - С. 53-54. 4. Хавкин А.Я. Гидродинамические основы разработки залежей нефти с низкопроницаемыми коллекторами. - М.: МО МАНПО, 2000. – 525 с. 5. Хавкин А.Я. Геолого-физические факторы эффективной разра- ботки месторождений углеводородов. - М.: ИПНГ РАН, 2005. – 312 с. 6. Маврина Т.В. Наука уходит в наномир. Обсуждение в президиуме РАН//Вестник РАН. – 2002. - Т. 72. - № 10. - С. 905-909. 7. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований/Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса, П. Аливатоса. - М.: Мир, 2002. – 292 с. 8. Мелихов И.В. Физико-химия наносистем: успехи и пробле- мы//Вестник РАН. – 2002. – Т. 72. - № 10. - С. 900-909. 9. Лаверов Н.П. Топливно-энергетические ресурсы//Вестник РАН. – 2006. - Т. 76. - № 5. - С. 398-408. 10. Богатиков О.А. Неорганические наночастицы в природе//Вест- ник РАН. – 2003. - Т. 73. - № 5. - С. 426-428. 11. Рундквист Д.В. Доклад на годичном собрании ОГГГН РАН 23 марта 1998 г. 12. Краткий справочник физико-химических величин. - Л.: Химия, 1974. – 200 с. 13.Чураев Н.В. Физико-химия процессов массопереноса в пористых средах. - М.: 1990. – 272 с. 14. Климов Д.М. Обсуждение проблем нанотехнологий//Вестник РАН. – 2003. - Т. 73. - № 5. - С. 430-433. 15. Концепция программы преодоления падения нефтеотда- чи/Ю.А. Спиридонов, Р.А. Храмов, А.А. Боксермани и др. - М.: Гос- дума РФ, 2006. – 144 с. 16. Иванов В.Н., Калинин В.В., Старов В.М. Влияние расклиниваю- щего давления на фильтрационное движение капли в капилля- ре//Коллоидный журнал. – 1991. - № 2. - С. 251-258.
Reader embed your logo!

Description
Нанотехнологии в добыче нефти, 2007

dokumen.tips

Нанотехнологии в добыче нефти, 2007

  • CategoryDocuments

  • View220

  • Download0

  • Posted on12-Mar-2016

Report
  • В РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 58 06’2007 НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО УДК 622.276.1/.4.001 © А. Я. Хавкин, 2007 А. Я. Хавкин (ИПНГ РАН) В России сосредоточены огромные запасы нефти и газа.Добыча и продажа этих энергоресурсов обеспечиваютзначительные поступления в российский бюджет. Существенный рост добычи в России во второй половине ХХ века был обеспечен открытиями уникальных месторожде- ний с приемлемыми геологическими условиями залегания нефти. В настоящее время деятельность нефтяных компаний на территории России сопряжена со сложными технологиче- скими проблемами, поскольку около 2/3 имеющихся запасов нефти и газа относятся к категории трудноизвлекаемых. Высокая стоимость технологий их добычи снижает доход- ность по сравнению с добычей нефти на Ближнем Востоке, в Африке и даже в ряде случаев в Северном море. Развитые страны мира тратят значительные средства на развитие неф- тяной науки, что позволяет создавать высокорентабельные технологии для извлечения трудноизвлекаемых запасов нефти. Согласно материалам Лондонского форума по нефтеотдаче применение уже освоенных современных технологий позво- лит повысить средний проектный коэффициент извлечения нефти (КИН) до 50 % к 2020 г., что означает увеличение миро- вых доказанных извлекаемых запасов нефти в 1,4 раза (т.е. на 65 млрд. т) [1]. В последнее десятилетие огромное значение для создания рациональных технологий разработки трудноизвлекаемых запасов нефти в России имело применение различных моди- фикаций горизонтальных скважин и гидроразрыва пласта. Не умаляя значимости этих технических решений, отметим необходимость более глубокого изучения механизма выте- снения нефти из нефтяных залежей в добывающие скважины. Нефтенасыщенные пласты представлены пористыми мате- риалами с различными размерами пор, поровых каналов и вещественными составами пород, определяющими особенно- сти взаимодействия пластовых и закачиваемых флюидов с породой. С учетом отмеченного можно сделать вывод о том, что вытеснение нефти из нефтяных залежей в добывающие скважины является не механическим процессом замещения нефти вытесняющей ее водой, а сложным физико-химиче- ским процессом, при котором определяющую роль играют явления ионнообмена между пластовыми и закачиваемыми флюидами с породой [2-5], т. е. наноразмерные явления. В последние годы при изучении и регулировании нанораз- мерных процессов в мире получены фундаментальные результаты в ряде научных направлений [6, 7]. Нанотехноло- гический подход означает целенаправленное регулирование свойств объектов на молекулярном и надмолекулярном уров- не (0,1-100 нм), определяющем фундаментальные параметры физических объектов [7, 8]. Наночастицы недостаточно вели- ки для непосредственного наблюдения и изучения и слишком велики для квантовомеханических расчетов. Поэтому при моделировании их можно рассматривать в качестве элемен- тов объектов большего размера [7]. Термин нанонаука возник не так давно, но многие из давно изучаемых макроразмерных процессов учитывали явления, происходящие на наноуровне, следовательно, их можно отнести к нанонауке [7]. Это характерно для наук о Земле в сфере нефтегазодобычи. В числе важнейших научно-технических проблем нефтега- зодобычи вице-президентом РАН Н.П. Лаверовым отмечены разработка математических моделей управления процессами извлечения нефти с использованием химических, физиче- ских, тепловых и иных методов воздействия на пласт; промы- шленная разработка и применение новых технологий нефте- газодобычи; создание и освоение технологий сжижения при- родного газа [9]. Основой этих направлений является геоло- гия, где роль нанонауки уже обозначена в механизмах мине- раллообразования и выветривания горных пород, преобразо- вании одних глинистых минералов в другие [7, 10]. На основе изучения наноразмерных комплексов в 1980-1990 гг. возни- кло новое направление – наноминералогия [11]. Примерно в те же годы стали активно исследоваться явления ионнообме- на в процессах нефтегазодобычи [2]. Поскольку характерные радиусы ионов не превышают 1 нм [12], технологии регули- рования ионообменных явлений в нефтегазовых системах относятся к нанотехнологиям. К объектам исследований нанонауки относятся ультрадис- персные системы (УДС), в том числе глины, аэрозоли, мицел- лярные коллоидные растворы, полимерные золи и гели, плен- ки жидкости на поверхности [8]. Эти объекты также очень важны для нефтегазовой сферы. Механизм перемещения нефти в пласте и ее извлечения во многом определяется молекулярно-поверхностными процес- Нанотехнологии в добыче нефти Nanotechnologies in an oil recovery A.Ya. Khavkin (Institute of Problems of Oil and Gas of RAS) The role of nanotechnologies in the development of sciences about the Earth, in particular, in an oil-and-gas complex, is considered. Ways of their application for increase an oil recovery and oil recovery ratio are offered.
  • РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО 06’2007 59 сами, протекающими на границах раздела фаз (породообра- зующие минералы – насыщающие пласт жидкости и газы - вытесняющие агенты) [13]. Поэтому проблема смачиваемо- сти – одна из важнейших проблем нанонауки в нефтегазовой сфере [14]. Поскольку глины являются ультрадисперсными системами [14], огромный объем исследований по регулированию состояния глинистых минералов в пористых средах с пол- ным основанием можно отнести к нанонауке. К ней также следует отнести исследования газогидратов, ряда процессов регулирования свойств перекачиваемой нефти и защемлен- ного водой газа, водонефтеподготовку. Технологии нефтегазодобычи, основанные на регулирова- нии ионообменных процессов и зарядовых взаимодействий – это технологии регулирования смачиваемости и толщины пленок жидкостей на поверхности пород, состояния глини- стых минералов, химического состава подаваемых в скважи- ны агентов, термотехнологии, биотехнологии, технологии на основе применения физических полей. Вице-президентом РАН Н.П. Лаверовым нанотехнологии отмечены в качестве важнейших проблем развития нефтегазодобычи [9]. Эффективность вытеснения нефти из нефтяных пластов определяется разномасштабными процессами. По применяе- мым методам мероприятия по воздействию на нефтяные пла- сты могут быть разделены на: - уточнение системы разработки (уплотнение сетки сква- жин, группирование объектов и пластов) – С; - гидродинамические (циклическое воздействие, измене- ние направления фильтрационных потоков, депрессии в добывающих или нагнетательных скважинах) – Г; - технические (гидроразрыв, бурение горизонтальных и наклонно направленных скважин, зарезка боковых стволов, перфорация, режим бурения) – ТН; - химические (применение ПАВ, полимеров, щелочей, кислот, эмульсий, солей, гелей, ШФЛУ, силикатов) – Х; - газовые (использование углеводородного и дымового газов, азота, водогазовых смесей, пен, термонеустойчивых агентов) – Г; - тепловые (закачка горячей воды, пара, термогенерирую- щих агентов) – Т; - физические (магниты, вибротехнологии, электровоздей- ствие) – Ф; - биологические (на основе биотехнологий) – Б; - комбинированные (К – из первых трех групп, КХ – не только из них). Буквенные обозначения групп технологий позволяют более кратко записывать тип мероприятия. С-технологии, основанные на изменении расположения скважин, имеют характерный масштаб сотни метров, ТН-технологии гидро- разрыва и горизонтальных скважин – десятки и сотни метров, ТН-технологии перфорации – метры, Х-технологии ликвидации заколонных перетоков – сантиметры и не могут быть отнесены к нанотехнологиям, КХ-технологии очистки закачиваемых вод (полимерные (загущающие), гелевые, полимер-дисперсные, водогазовые) – микрометры также не могут быть отнесены к нанотехнологиям. Следовательно, к нефтегазовым нанотехнологиям относятся Т, Ф, Б-техноло- гии. Г- и Х-технологии занимают промежуточную позицию между нанотехнологиями и макротехнологиями в зависимо- сти от применяемых реагентов и механизма их взаимодей- ствия с нефтяным коллектором. Анализ молекулярно-поверхностных процессов на грани- цах раздела фаз в пористых средах привел автора к выводу об определяющей роли капиллярного гистерезиса в процессах вытеснения нефти в пористых средах [3-5]. Капиллярный гистерезис зависит от смачивающих свойств поверхности пород, определяемых зарядовыми взаимодействиями, шеро- ховатости твердой поверхности и химической неоднородно- сти [5]. При этом и в гидрофильной, и гидрофобной среде капиллярный гистерезис направлен против движения выте- сняемой нефти. В соответствии с предложенной автором моделью вытесне- ния нефти в пористых средах [3-5] нефть с самого начала вытеснения разбивается на случайную систему кластеров вследствие зарядовых взаимодействий (наноявлений) в неф- тяном пласте. Движение кластеров имеет одинаковую схема- тизацию на микроуровне, уровнях элементарного физиче- ского объема и макромасштаба пласта. На всех уровнях дви- жение кластеров нефти определяется гидродинамическим напором закачиваемого агента и противодействием капил- лярного гистерезиса. На микроуровне капиллярный гистере- зис обусловлен гистерезисом углов смачивания, на уровнях элементарного физического объема и пласта - гистерезисом капиллярного давления при пропитке и дренировании. В традиционных расчетах наноявлениями ионнообмена между водной фазой и глинистыми минералами пренебрега- ли. Учет указанных явлений [2, 4, 5] показал, что при этом происходят весьма существенные макроизменения в процес- се вытеснения нефти в пористых средах. Приведем примеры значимости наноявлений в добыче нефти. Пример 1. КИН значительно уменьшается с увеличением доли глинистых минералов Кгл в нефтяном пласте [5]. Учет ионнообменных процессов между закачиваемой в пласт водой и скелетом пористой среды (с глинистыми минералами) и способы их регулирования послужили основой технологий (которые в соответствии с современным пониманием можно назвать нанотехнологии), позволивших повысить степень выра- ботки пластов и дебиты скважин [2, 4, 5]. На основе изучения ионообменных явлений с глинистой составляющей нефтяных пластов были установлены существенные изменения (на 2-3 МПа) полей давления в залежах, определено влияние особенно- стей нефтяных пластов и вязкости нефти при изменении мине- рализации закачиваемой воды и др. Экспериментальные исследования и промысловые испытания этих технологий подтвердили правильность научных выводов. Дополнительная добыча нефти превысила 0,5 млн. т [5]. Пример 2. Рассмотрим влияние плотности сетки скважин (ПСС) на КИН. Это один из важнейших вопросов разработки нефтяных месторождений [15]. С уменьшением числа сква- жин относительно их проектного числа снижается себестои- мость добычи нефти, а следовательно, растет прибыль. Традиционные математические модели многофазной фильтрации в пористых средах были основаны на крупно- масштабном описании пористых сред с характерным разме- ром элемента пористой среды от сантиметра и более. Капил- лярными эффектами как таковыми пренебрегали и считали, что они усредненно учитываются в так называемых фазовых проницаемостях, которые различны для воды и нефти. При этом не объяснялась роль ПСС. Определение зависимости фазовых проницаемостей от проницаемости коллектора и ПСС весьма сложное. В то же время применение одних и тех же фазовых проницаемостей для пластов различной проницаемости и на участках с раз- ной ПСС означает пренебрежение влиянием ПСС на КИН в гидродинамических расчетах. Возникало расхождение между
  • РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 60 06’2007 НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО опытом разработки и принципами, заложенными в тради- ционно используемые гидродинамические симуляторы. Такое пренебрежение наноявлениями смачивания в системе нефть- вода – порода приводило к устоявшемуся выводу о том, что при этом КИН не уменьшится, следовательно, увеличение текущей доходности путем остановки малодебитных скважин весьма желательно. Важно отметить, что учет расклинивающего давления при движении капель в капилляре приводит к нелинейной зависи- мости скорости от перепада давления даже для одной капли ньютоновской нефти [16]. Это означает, что в лаборатории на вискозиметре можно получить линейные зависимости скоро- сти нефти от перепада давления (т.е. начальный градиент для фильтрации нефти G2 = 0), а в пласте нефть, двигаясь как система кластеров, будет проявлять неньютоновские свойства (т.е. G2 > 0). Следовательно, теоретические оценки по тради- ционным моделям без учета наноявлений будут искажать прогнозные КИН. Расчеты с учетом наноявлений смачивания показали, что уменьшение ПСС с 50 до 100 га/скв снижает КИН на 10 пунк- тов и итоговую добычу нефти по участку на 50 тыс. т/100 га [5]. Таким образом, остановка части скважин увеличивает текущий отбор нефти из работающих скважин при уменьше- нии КИН. Следовательно, остановка большого числа малоде- битных скважин при общей рентабельной добыче нежела- тельна. Пример 3. Известно, что остаточная нефть отличается от начальной по физико-химическому составу из-за того, что в первую очередь из пласта выходят более легкие компоненты. Рассмотрим изменение КИН при отборе начальной и оста- точной нефти. Допустим, что нефть вязкостью 0,7 мПа⋅с состоит наполо- вину из компонентов вязкостью 0,6 мПа⋅с и наполовину из компонентов вязкостью 0,8 мПа⋅с. При проницаемости 0,035 мкм2 КИН при вязкости нефти 0,7 мПа⋅с составит 0,318. Полу- сумма КИН при отборе компонентов нефти вязкостью 0,6 и 0,8 мПа⋅с составит 0,313. Это означает, что можно оценивать КИН при вязкости нефти 0,7 мПа⋅с как полусумму значений при отборе компонентов нефти вязкостью 0,6 и 0,8 мПа⋅с. Но если отобрать сначала более легкие компоненты, то КИН остаточной нефти вязкостью 0,8 мПа⋅с составит только 0,194. Таким образом, расчеты с учетом наноявлений смачивания показали, что из-за значительно более низкого КИН довыра- ботка нефтяного пласта с остаточной нефтью будет намного менее рентабельна, чем целенаправленная добыча макси- мального объема нефти с самого начала разработки [5]. Поэ- тому пласт с остаточной нефтью скорей всего дорабатывать- ся не будет. Запасы нефти в таких объектах в России соста- вляют десятки миллиардов тонн. Из отмеченного следует, что наноявления определяют осо- бенности многих нефтегазовых технологий. Это означает необходимость более глубокого изучения наноявлений в нау- ках о Земле с целью повышения долгосрочной эффективно- сти добычи нефти и газа. Список литературы 1. Favennec Jean-Pierre. The Economics of EOR//Conference of Enhanced Oil Recovery (EOR), 6 December 2004, London, UK. - http://www.thecwcgroup.com. 2. Хавкин А.Я. Гидродинамические исследования процессов выте- снения нефти в сложных пластовых условиях с учетом обменных явлений. Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - М.: ИГиРГИ, 1982. – 24 с. 3. Хавкин А.Я. Закономерность вытеснения нефти в пористых сре- дах. Открытие № 80//Научные открытия. Сборник кратких описаний за 1998 г. РАЕН, 1999, М.-Н.Новгород. - С. 53-54. 4. Хавкин А.Я. Гидродинамические основы разработки залежей нефти с низкопроницаемыми коллекторами. - М.: МО МАНПО, 2000. – 525 с. 5. Хавкин А.Я. Геолого-физические факторы эффективной разра- ботки месторождений углеводородов. - М.: ИПНГ РАН, 2005. – 312 с. 6. Маврина Т.В. Наука уходит в наномир. Обсуждение в президиуме РАН//Вестник РАН. – 2002. - Т. 72. - № 10. - С. 905-909. 7. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований/Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса, П. Аливатоса. - М.: Мир, 2002. – 292 с. 8. Мелихов И.В. Физико-химия наносистем: успехи и пробле- мы//Вестник РАН. – 2002. – Т. 72. - № 10. - С. 900-909. 9. Лаверов Н.П. Топливно-энергетические ресурсы//Вестник РАН. – 2006. - Т. 76. - № 5. - С. 398-408. 10. Богатиков О.А. Неорганические наночастицы в природе//Вест- ник РАН. – 2003. - Т. 73. - № 5. - С. 426-428. 11. Рундквист Д.В. Доклад на годичном собрании ОГГГН РАН 23 марта 1998 г. 12. Краткий справочник физико-химических величин. - Л.: Химия, 1974. – 200 с. 13.Чураев Н.В. Физико-химия процессов массопереноса в пористых средах. - М.: 1990. – 272 с. 14. Климов Д.М. Обсуждение проблем нанотехнологий//Вестник РАН. – 2003. - Т. 73. - № 5. - С. 430-433. 15. Концепция программы преодоления падения нефтеотда- чи/Ю.А. Спиридонов, Р.А. Храмов, А.А. Боксермани и др. - М.: Гос- дума РФ, 2006. – 144 с. 16. Иванов В.Н., Калинин В.В., Старов В.М. Влияние расклиниваю- щего давления на фильтрационное движение капли в капилля- ре//Коллоидный журнал. – 1991. - № 2. - С. 251-258.
Reader embed your logo!

Description
Нанотехнологии в добыче нефти, 2007

docslide.com.br

Нанотехнологии в добыче нефти, 2007

  • CategoryDocuments

  • View220

  • Download0

  • Posted on12-Mar-2016

Report
  • В РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 58 06’2007 НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО УДК 622.276.1/.4.001 © А. Я. Хавкин, 2007 А. Я. Хавкин (ИПНГ РАН) В России сосредоточены огромные запасы нефти и газа.Добыча и продажа этих энергоресурсов обеспечиваютзначительные поступления в российский бюджет. Существенный рост добычи в России во второй половине ХХ века был обеспечен открытиями уникальных месторожде- ний с приемлемыми геологическими условиями залегания нефти. В настоящее время деятельность нефтяных компаний на территории России сопряжена со сложными технологиче- скими проблемами, поскольку около 2/3 имеющихся запасов нефти и газа относятся к категории трудноизвлекаемых. Высокая стоимость технологий их добычи снижает доход- ность по сравнению с добычей нефти на Ближнем Востоке, в Африке и даже в ряде случаев в Северном море. Развитые страны мира тратят значительные средства на развитие неф- тяной науки, что позволяет создавать высокорентабельные технологии для извлечения трудноизвлекаемых запасов нефти. Согласно материалам Лондонского форума по нефтеотдаче применение уже освоенных современных технологий позво- лит повысить средний проектный коэффициент извлечения нефти (КИН) до 50 % к 2020 г., что означает увеличение миро- вых доказанных извлекаемых запасов нефти в 1,4 раза (т.е. на 65 млрд. т) [1]. В последнее десятилетие огромное значение для создания рациональных технологий разработки трудноизвлекаемых запасов нефти в России имело применение различных моди- фикаций горизонтальных скважин и гидроразрыва пласта. Не умаляя значимости этих технических решений, отметим необходимость более глубокого изучения механизма выте- снения нефти из нефтяных залежей в добывающие скважины. Нефтенасыщенные пласты представлены пористыми мате- риалами с различными размерами пор, поровых каналов и вещественными составами пород, определяющими особенно- сти взаимодействия пластовых и закачиваемых флюидов с породой. С учетом отмеченного можно сделать вывод о том, что вытеснение нефти из нефтяных залежей в добывающие скважины является не механическим процессом замещения нефти вытесняющей ее водой, а сложным физико-химиче- ским процессом, при котором определяющую роль играют явления ионнообмена между пластовыми и закачиваемыми флюидами с породой [2-5], т. е. наноразмерные явления. В последние годы при изучении и регулировании нанораз- мерных процессов в мире получены фундаментальные результаты в ряде научных направлений [6, 7]. Нанотехноло- гический подход означает целенаправленное регулирование свойств объектов на молекулярном и надмолекулярном уров- не (0,1-100 нм), определяющем фундаментальные параметры физических объектов [7, 8]. Наночастицы недостаточно вели- ки для непосредственного наблюдения и изучения и слишком велики для квантовомеханических расчетов. Поэтому при моделировании их можно рассматривать в качестве элемен- тов объектов большего размера [7]. Термин нанонаука возник не так давно, но многие из давно изучаемых макроразмерных процессов учитывали явления, происходящие на наноуровне, следовательно, их можно отнести к нанонауке [7]. Это характерно для наук о Земле в сфере нефтегазодобычи. В числе важнейших научно-технических проблем нефтега- зодобычи вице-президентом РАН Н.П. Лаверовым отмечены разработка математических моделей управления процессами извлечения нефти с использованием химических, физиче- ских, тепловых и иных методов воздействия на пласт; промы- шленная разработка и применение новых технологий нефте- газодобычи; создание и освоение технологий сжижения при- родного газа [9]. Основой этих направлений является геоло- гия, где роль нанонауки уже обозначена в механизмах мине- раллообразования и выветривания горных пород, преобразо- вании одних глинистых минералов в другие [7, 10]. На основе изучения наноразмерных комплексов в 1980-1990 гг. возни- кло новое направление – наноминералогия [11]. Примерно в те же годы стали активно исследоваться явления ионнообме- на в процессах нефтегазодобычи [2]. Поскольку характерные радиусы ионов не превышают 1 нм [12], технологии регули- рования ионообменных явлений в нефтегазовых системах относятся к нанотехнологиям. К объектам исследований нанонауки относятся ультрадис- персные системы (УДС), в том числе глины, аэрозоли, мицел- лярные коллоидные растворы, полимерные золи и гели, плен- ки жидкости на поверхности [8]. Эти объекты также очень важны для нефтегазовой сферы. Механизм перемещения нефти в пласте и ее извлечения во многом определяется молекулярно-поверхностными процес- Нанотехнологии в добыче нефти Nanotechnologies in an oil recovery A.Ya. Khavkin (Institute of Problems of Oil and Gas of RAS) The role of nanotechnologies in the development of sciences about the Earth, in particular, in an oil-and-gas complex, is considered. Ways of their application for increase an oil recovery and oil recovery ratio are offered.
  • РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО 06’2007 59 сами, протекающими на границах раздела фаз (породообра- зующие минералы – насыщающие пласт жидкости и газы - вытесняющие агенты) [13]. Поэтому проблема смачиваемо- сти – одна из важнейших проблем нанонауки в нефтегазовой сфере [14]. Поскольку глины являются ультрадисперсными системами [14], огромный объем исследований по регулированию состояния глинистых минералов в пористых средах с пол- ным основанием можно отнести к нанонауке. К ней также следует отнести исследования газогидратов, ряда процессов регулирования свойств перекачиваемой нефти и защемлен- ного водой газа, водонефтеподготовку. Технологии нефтегазодобычи, основанные на регулирова- нии ионообменных процессов и зарядовых взаимодействий – это технологии регулирования смачиваемости и толщины пленок жидкостей на поверхности пород, состояния глини- стых минералов, химического состава подаваемых в скважи- ны агентов, термотехнологии, биотехнологии, технологии на основе применения физических полей. Вице-президентом РАН Н.П. Лаверовым нанотехнологии отмечены в качестве важнейших проблем развития нефтегазодобычи [9]. Эффективность вытеснения нефти из нефтяных пластов определяется разномасштабными процессами. По применяе- мым методам мероприятия по воздействию на нефтяные пла- сты могут быть разделены на: - уточнение системы разработки (уплотнение сетки сква- жин, группирование объектов и пластов) – С; - гидродинамические (циклическое воздействие, измене- ние направления фильтрационных потоков, депрессии в добывающих или нагнетательных скважинах) – Г; - технические (гидроразрыв, бурение горизонтальных и наклонно направленных скважин, зарезка боковых стволов, перфорация, режим бурения) – ТН; - химические (применение ПАВ, полимеров, щелочей, кислот, эмульсий, солей, гелей, ШФЛУ, силикатов) – Х; - газовые (использование углеводородного и дымового газов, азота, водогазовых смесей, пен, термонеустойчивых агентов) – Г; - тепловые (закачка горячей воды, пара, термогенерирую- щих агентов) – Т; - физические (магниты, вибротехнологии, электровоздей- ствие) – Ф; - биологические (на основе биотехнологий) – Б; - комбинированные (К – из первых трех групп, КХ – не только из них). Буквенные обозначения групп технологий позволяют более кратко записывать тип мероприятия. С-технологии, основанные на изменении расположения скважин, имеют характерный масштаб сотни метров, ТН-технологии гидро- разрыва и горизонтальных скважин – десятки и сотни метров, ТН-технологии перфорации – метры, Х-технологии ликвидации заколонных перетоков – сантиметры и не могут быть отнесены к нанотехнологиям, КХ-технологии очистки закачиваемых вод (полимерные (загущающие), гелевые, полимер-дисперсные, водогазовые) – микрометры также не могут быть отнесены к нанотехнологиям. Следовательно, к нефтегазовым нанотехнологиям относятся Т, Ф, Б-техноло- гии. Г- и Х-технологии занимают промежуточную позицию между нанотехнологиями и макротехнологиями в зависимо- сти от применяемых реагентов и механизма их взаимодей- ствия с нефтяным коллектором. Анализ молекулярно-поверхностных процессов на грани- цах раздела фаз в пористых средах привел автора к выводу об определяющей роли капиллярного гистерезиса в процессах вытеснения нефти в пористых средах [3-5]. Капиллярный гистерезис зависит от смачивающих свойств поверхности пород, определяемых зарядовыми взаимодействиями, шеро- ховатости твердой поверхности и химической неоднородно- сти [5]. При этом и в гидрофильной, и гидрофобной среде капиллярный гистерезис направлен против движения выте- сняемой нефти. В соответствии с предложенной автором моделью вытесне- ния нефти в пористых средах [3-5] нефть с самого начала вытеснения разбивается на случайную систему кластеров вследствие зарядовых взаимодействий (наноявлений) в неф- тяном пласте. Движение кластеров имеет одинаковую схема- тизацию на микроуровне, уровнях элементарного физиче- ского объема и макромасштаба пласта. На всех уровнях дви- жение кластеров нефти определяется гидродинамическим напором закачиваемого агента и противодействием капил- лярного гистерезиса. На микроуровне капиллярный гистере- зис обусловлен гистерезисом углов смачивания, на уровнях элементарного физического объема и пласта - гистерезисом капиллярного давления при пропитке и дренировании. В традиционных расчетах наноявлениями ионнообмена между водной фазой и глинистыми минералами пренебрега- ли. Учет указанных явлений [2, 4, 5] показал, что при этом происходят весьма существенные макроизменения в процес- се вытеснения нефти в пористых средах. Приведем примеры значимости наноявлений в добыче нефти. Пример 1. КИН значительно уменьшается с увеличением доли глинистых минералов Кгл в нефтяном пласте [5]. Учет ионнообменных процессов между закачиваемой в пласт водой и скелетом пористой среды (с глинистыми минералами) и способы их регулирования послужили основой технологий (которые в соответствии с современным пониманием можно назвать нанотехнологии), позволивших повысить степень выра- ботки пластов и дебиты скважин [2, 4, 5]. На основе изучения ионообменных явлений с глинистой составляющей нефтяных пластов были установлены существенные изменения (на 2-3 МПа) полей давления в залежах, определено влияние особенно- стей нефтяных пластов и вязкости нефти при изменении мине- рализации закачиваемой воды и др. Экспериментальные исследования и промысловые испытания этих технологий подтвердили правильность научных выводов. Дополнительная добыча нефти превысила 0,5 млн. т [5]. Пример 2. Рассмотрим влияние плотности сетки скважин (ПСС) на КИН. Это один из важнейших вопросов разработки нефтяных месторождений [15]. С уменьшением числа сква- жин относительно их проектного числа снижается себестои- мость добычи нефти, а следовательно, растет прибыль. Традиционные математические модели многофазной фильтрации в пористых средах были основаны на крупно- масштабном описании пористых сред с характерным разме- ром элемента пористой среды от сантиметра и более. Капил- лярными эффектами как таковыми пренебрегали и считали, что они усредненно учитываются в так называемых фазовых проницаемостях, которые различны для воды и нефти. При этом не объяснялась роль ПСС. Определение зависимости фазовых проницаемостей от проницаемости коллектора и ПСС весьма сложное. В то же время применение одних и тех же фазовых проницаемостей для пластов различной проницаемости и на участках с раз- ной ПСС означает пренебрежение влиянием ПСС на КИН в гидродинамических расчетах. Возникало расхождение между
  • РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 60 06’2007 НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО опытом разработки и принципами, заложенными в тради- ционно используемые гидродинамические симуляторы. Такое пренебрежение наноявлениями смачивания в системе нефть- вода – порода приводило к устоявшемуся выводу о том, что при этом КИН не уменьшится, следовательно, увеличение текущей доходности путем остановки малодебитных скважин весьма желательно. Важно отметить, что учет расклинивающего давления при движении капель в капилляре приводит к нелинейной зависи- мости скорости от перепада давления даже для одной капли ньютоновской нефти [16]. Это означает, что в лаборатории на вискозиметре можно получить линейные зависимости скоро- сти нефти от перепада давления (т.е. начальный градиент для фильтрации нефти G2 = 0), а в пласте нефть, двигаясь как система кластеров, будет проявлять неньютоновские свойства (т.е. G2 > 0). Следовательно, теоретические оценки по тради- ционным моделям без учета наноявлений будут искажать прогнозные КИН. Расчеты с учетом наноявлений смачивания показали, что уменьшение ПСС с 50 до 100 га/скв снижает КИН на 10 пунк- тов и итоговую добычу нефти по участку на 50 тыс. т/100 га [5]. Таким образом, остановка части скважин увеличивает текущий отбор нефти из работающих скважин при уменьше- нии КИН. Следовательно, остановка большого числа малоде- битных скважин при общей рентабельной добыче нежела- тельна. Пример 3. Известно, что остаточная нефть отличается от начальной по физико-химическому составу из-за того, что в первую очередь из пласта выходят более легкие компоненты. Рассмотрим изменение КИН при отборе начальной и оста- точной нефти. Допустим, что нефть вязкостью 0,7 мПа⋅с состоит наполо- вину из компонентов вязкостью 0,6 мПа⋅с и наполовину из компонентов вязкостью 0,8 мПа⋅с. При проницаемости 0,035 мкм2 КИН при вязкости нефти 0,7 мПа⋅с составит 0,318. Полу- сумма КИН при отборе компонентов нефти вязкостью 0,6 и 0,8 мПа⋅с составит 0,313. Это означает, что можно оценивать КИН при вязкости нефти 0,7 мПа⋅с как полусумму значений при отборе компонентов нефти вязкостью 0,6 и 0,8 мПа⋅с. Но если отобрать сначала более легкие компоненты, то КИН остаточной нефти вязкостью 0,8 мПа⋅с составит только 0,194. Таким образом, расчеты с учетом наноявлений смачивания показали, что из-за значительно более низкого КИН довыра- ботка нефтяного пласта с остаточной нефтью будет намного менее рентабельна, чем целенаправленная добыча макси- мального объема нефти с самого начала разработки [5]. Поэ- тому пласт с остаточной нефтью скорей всего дорабатывать- ся не будет. Запасы нефти в таких объектах в России соста- вляют десятки миллиардов тонн. Из отмеченного следует, что наноявления определяют осо- бенности многих нефтегазовых технологий. Это означает необходимость более глубокого изучения наноявлений в нау- ках о Земле с целью повышения долгосрочной эффективно- сти добычи нефти и газа. Список литературы 1. Favennec Jean-Pierre. The Economics of EOR//Conference of Enhanced Oil Recovery (EOR), 6 December 2004, London, UK. - http://www.thecwcgroup.com. 2. Хавкин А.Я. Гидродинамические исследования процессов выте- снения нефти в сложных пластовых условиях с учетом обменных явлений. Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - М.: ИГиРГИ, 1982. – 24 с. 3. Хавкин А.Я. Закономерность вытеснения нефти в пористых сре- дах. Открытие № 80//Научные открытия. Сборник кратких описаний за 1998 г. РАЕН, 1999, М.-Н.Новгород. - С. 53-54. 4. Хавкин А.Я. Гидродинамические основы разработки залежей нефти с низкопроницаемыми коллекторами. - М.: МО МАНПО, 2000. – 525 с. 5. Хавкин А.Я. Геолого-физические факторы эффективной разра- ботки месторождений углеводородов. - М.: ИПНГ РАН, 2005. – 312 с. 6. Маврина Т.В. Наука уходит в наномир. Обсуждение в президиуме РАН//Вестник РАН. – 2002. - Т. 72. - № 10. - С. 905-909. 7. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований/Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса, П. Аливатоса. - М.: Мир, 2002. – 292 с. 8. Мелихов И.В. Физико-химия наносистем: успехи и пробле- мы//Вестник РАН. – 2002. – Т. 72. - № 10. - С. 900-909. 9. Лаверов Н.П. Топливно-энергетические ресурсы//Вестник РАН. – 2006. - Т. 76. - № 5. - С. 398-408. 10. Богатиков О.А. Неорганические наночастицы в природе//Вест- ник РАН. – 2003. - Т. 73. - № 5. - С. 426-428. 11. Рундквист Д.В. Доклад на годичном собрании ОГГГН РАН 23 марта 1998 г. 12. Краткий справочник физико-химических величин. - Л.: Химия, 1974. – 200 с. 13.Чураев Н.В. Физико-химия процессов массопереноса в пористых средах. - М.: 1990. – 272 с. 14. Климов Д.М. Обсуждение проблем нанотехнологий//Вестник РАН. – 2003. - Т. 73. - № 5. - С. 430-433. 15. Концепция программы преодоления падения нефтеотда- чи/Ю.А. Спиридонов, Р.А. Храмов, А.А. Боксермани и др. - М.: Гос- дума РФ, 2006. – 144 с. 16. Иванов В.Н., Калинин В.В., Старов В.М. Влияние расклиниваю- щего давления на фильтрационное движение капли в капилля- ре//Коллоидный журнал. – 1991. - № 2. - С. 251-258.
Reader embed your logo!

Description
Нанотехнологии в добыче нефти, 2007

docslide.net

Нанотехнологии в нефтедобывающей отрасли // Добыча и переработка // Наука и технологии

Неблагоприятные геологические условия и низкая экономическая эффективность нефтедобычи в России активизируют инновационную деятельность по созданию, приобретению, производству и широкому применению новых высокоэффективных технологий.

Нефтепромысловые проблемы

Недостаток инвестиционных средств (особенно в условиях нынешнего кризиса) и слабое финансирование инновационных изысканий вынуждает нефтедобывающие компании усиленно эксплуатировать старый фонд.

Анализ промысловых данных свидетельствуют о том, что при текущей обводненности отдельных скважин 94–96%, эксплуатация существующих технических средств в старых месторождениях становится нерентабельной. Дальнейшее применение традиционных технологий не только снижает конкурентоспособность отечественных нефтедобывающих компаний, но и создает угрозы экономической безопасности будущим поколениям.

Неблагоприятные геологические условия и низкая экономическая эффективность нефтедобычи в России определяют единственно возможный путь развития любой нефтедобывающей компании — активная инновационная деятельность по созданию, приобретению, производству и широкому применению новых высокоэффективных технологий в области разработки месторождений и нефтедобычи.

Нанотехнологии – в центре внимания

В числе знаковых событий для отрасли – организация и проведение Государственной корпорацией «РОСНАНО» первого Международного форума по нанотехнологиям, который состоялся 3–5 декабря в г. Москве, в Центральном выставочном комплексе «Экспоцентр». Важным фактором является не только внимание Форума к проблемам оптимизации и повышения эффективности нефтедобычи, но и посвящение данному вопросу первого дня в рамках дискуссии «Нанотехнологии в нефтегазовой промышленности».

Стратегически важные направления форума вырабатывались при непосредственном участии Руководителя ГК «РОСНАНО» А.Б. Чубайса, Директора РНЦ «Курчатовский институт» М.В. Ковальчука, Заместителя Генерального директора ГК «РОСНАНО» А.Б. Малышева, Директора Международного форума по нанотехнологиям А.М. Кацнельсона, и других подвижников развития наукоемкой экономики в России. Степень их положительного влияния на технологическое будущее страны еще только предстоит оценить.

Активное участие в работе Форума принимали специалисты российской научно-производственной компании ООО «РАМ», которые в соответствии с «Федеральной программой развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года», разработали передовую технологию нанесения металлалмазных покрытий с нанокристаллической структурой на изделия, работающие в экстремальных условиях. На основе данной технологии компанией ООО «РАМ» внедрены в нефтедобывающую отрасль инновационные, принципиально новые золотниковые клапаны модели «Норма» для установок электроцентробежных (УЭЦН) и штанговых глубинных (ШГН) нефтяных насосов.

«Норма»: успешный опыт

В настоящее время клапаны «Норма» (Рис. 1, 2) установлены в более чем 100 механизированных скважинах на месторождениях ОАО «НК Роснефть», «НК Лукойл», ОАО «ТНК-ВР», ОАО «Татнефть», ОАО «Башнефть» и др. Технология нано-алмазного хромирования и конструкторские новации клапанов позволяют гарантированно повысить надежность насосного оборудования, снизить энергозатраты, увеличить сроки межремонтного периода и объемы добычи, особенно в условиях вязкой и обводненной нефти, на наклонно-направленных и малодебитных скважинах. Итоги промысловых испытаний показали, что оснащение ШГН клапанами «Норма», при неизменных эксплуатационных параметрах, повышает производительность насосов на 38%, а коэффициент подачи – на 12,5%. Применение золотниковых клапанов в УЭЦН при внеплановых остановках погружного оборудования сокращает время запуска насоса до 15 секунд, увеличивая объем добычи нефти.

В качестве примера существенных потерь добывающих компаний можно привести фактор отключения УЭЦН при прохождении грозовых фронтов или внеплановых остановках погружного оборудования. Простой насосного оборудования (из-за негерметичности шариковых и тарельчатых клапанов происходит «турбинное» вращение вала, из-за чего повторное включение насоса возможно после осаждения столба нефти в колонне) приводит к понижению добычи нефти на скважине. Если отключение охватывает десятки скважин на месторождении, то потери становятся существенными для всей нефтедобывающей компании.

Разработанный ООО «РАМ» клапан «Норма – 73» (Рис. 2) позволяет полностью устранить данную проблему, так как применение эксцентрично смещенных колец, образующих лабиринтное уплотнение, создает надежную герметичность и позволяет осуществлять пуск насоса сразу после его остановки. Рассчитав количество и время простоев УЭЦН из-за указанного фактора, можно легко определить экономическую эффективность клапана для нефтедобывающей компании (или определенного месторождения).

Экономические оценки специалистов свидетельствуют о том, что переоснащение только одного насосного парка УЭЦН 9 крупных нефтедобывающих компаний России на клапаны «Норма», позволит им ежегодно получить дополнительную выручку св. 1,7 млрд. долларов США (при стоимости барреля нефти 40$). Потери нефти из-за использования шариковых клапанов характеризуются устойчивостью и значительными объемами.

Вместе с тем, наш опыт внедрения инновационной продукции в нефтедобывающей отрасли России свидетельствует о том, что несмотря на экономический эффект и технологичность изделий, добывающие компании инертно внедряют новейшие российские технологии. Данный фактор негативно влияет на производительность труда в отрасли и повышает их расходы. В ряде случаев мы столкнулись с фактами прямого лоббирования сотрудниками средних управленческих звеньев закупок низкоэффективных, устаревших клапанов в ущерб интересам своих компаний.

Задача понижения энергозатрат не менее актуальна и важна для современной добычи ископаемых. Скважины, оборудованные ШГН с золотниковыми клапанами «Норма», заметно снизили количество ходов плунжера, оптимизировав уровень добычи. Из-за повышенного в 1,4 раза проходного сечения клапана, происходит не только снижение гидравлического сопротивления (а стало быть, снижение энергозатрат), но и увеличивается объем добычи нефти. Расчеты показывают, что на единицу добываемого объема нефти, снижение энергозатрат составляет около 38%. Кроме того, золотниковый клапан быстрее срабатывает на закрытие, т.к. вес золотника на 25% больше веса шарика. Высокая герметичность клапанов позволяет реализовать еще одно техническое преимущество – возможность надежной опрессовки труб НКТ.

Несмотря на указанные выше технические преимущества, руководители подразделений некоторых нефтяных компаний, в ходе принятия решения о закупке инновационных клапанов ООО «РАМ», выдвигают требование о наработке клапанов свыше 900 суток. При этом, нельзя не отметить, то, что требование ГОСТ Р-51896–2002 «Насосы скважинные штанговые (общие технические требования)» в ст. 13 «Гарантии изготовителя» предусматривают гарантийный срок эксплуатации насосов нормального исполнения (при содержании механических примесей от 0,1 – до 0,5 г\л и минерализации 10–20 г\л) – 12 месяцев. Наши клапаны отработали свыше 670 суток, обслуживают третью смену новых ШГН, надежно перекрыв двойную гарантию ГОСТа. Остается только сожалеть о том, что в ожидании тройной гарантии – 900 суток наработки – нефтедобывающие компании существенно теряют в объемах добычи, а стало быть и в выручке…

Весомым фактором конкурентного преимущества клапанов серии «Норма» служит также их повышенная износо-коррозийная стойкость вследствие покрытия основных частей, находящихся под нагрузкой, нано-алмазным хромом. Увеличение износостойкости рабочих поверхностей клапана превышает в 5,7 раз аналоги обычного твердого хромирования при толщине слоя в 1,8 раз меньшем.

В 2006 году в процессе исследований свойств покрытий, внедряемых ООО «РАМ», немецкой компанией DICO NORD GmbH и Софийским институтом металловедения данные преимущества были подтверждены (Рис. 3).

 

Сфера использования технологии ООО «РАМ» по нанесению нано-алмазных хромовых покрытий не ограничивается только клапанами «Норма». Мы планируем расширить применение покрытий на узлы трения подшипников, валов, втулок и т.п., что увеличит износостойкость в 2–5 раз бурового и гидравлического оборудования, металлорежущего инструмента (сверла, фрезы, метчики, резцы и т.п.), формообразующего инструмента (штампы, матрицы, пуансоны, фильеры и т.п.).

Приглашаем наших читателей к совместному плодотворному сотрудничеству и надеемся на то, что лекарства по преодолению технологических проблем российской нефтедобычи находятся в наших совместных руках. Его своевременное использование – залог здоровья и конкурентоспособности отрасли.

P.S. Выражаем благодарность сотрудникам ЗАО «ЭКА» за профессиональные консультации и плодотворное сотрудничество по нефтяной тематике.

neftegaz.ru


Смотрите также