Нефть представляет собой горючую жидкость, состоящую из углеводородов, которая формируется и скапливается в подземных пористых горных слоях, находящихся в геологических структурах-ловушках. Несмотря на устоявшееся мнение, она не формирует подземных водоемов, а находится в микроскопических полостях. Данная характеристика значительно усложняет процесс добычи – применяемые ранее методы позволяют извлечь не более 40% ресурсов, поскольку молекулярные связи прочно удерживают сырье в природных отложениях. В то же время, современные способы увеличения нефтеотдачи также обладают существенными ограничениями. Так, тепловые методы требуют больших затрат энергии, газовые технологии – использования дорогостоящих химических веществ, а применяемые химические составы теряют эффективность из-за поглощения горными породами и создают угрозу для окружающей среды. Для преодоления этой проблемы специалисты Пермского Политеха создали экологически безопасную наножидкость, которая позволяет эффективно извлекать до 70% запасов.
Статья опубликована в журнале «Molecular Liquids».
Нефть – это горючая маслянистая жидкость, образующаяся в природе и представляющая собой сложную смесь углеводородов с органическими добавками. Она накапливается в подземных пористых породах, таких как песчаник или известняк, которые служат пластовыми резервуарами. Для накопления нефти необходимо наличие геологической ловушки – подземной структуры, препятствующей её движению и способствующей накоплению нефти и газа).
Характерной чертой залегания является то, что нефтеносные слои не формируют подземных водоемов, а находятся в микроскопических порах и трещинах пористой породы. В структуре месторождения природные компоненты закономерно разделены по плотности: газ занимает верхний слой, ниже находится нефть, а основание заполнено пластовой водой, граница между ними — водонефтяной контакт.
Конструкция подземного резервуара оказывает непосредственное воздействие на результативность добычи. Даже при успешном бурении и использовании общепринятых способов извлечения, существенная доля углеводородов остается в слое — капиллярные силы настолько сильно удерживают сырье в микроскопических порах, что стандартные технологии позволяют добыть не более 40% от общего объема запасов. Для извлечения оставшихся 55-75% требуется использование специализированных методов повышения нефтеотдачи.
В настоящее время разработано несколько различных методик, однако, несмотря на их эффективность, они не лишены недостатков. К примеру, тепловые технологии, включая закачку пара, в основном применяются для работы с плотной, вязкой нефтью. Они повышают текучесть нефти за счет нагрева пласта, но требуют значительных затрат энергии и использования сложного, дорогостоящего оборудования. Газовые методы, такие как подача углекислого газа или азота, позволяют эффективно вытеснять углеводороды, смешивая их с соответствующими агентами, однако их использование ограничено доступностью и стоимостью необходимых реагентов, а также сложностями, связанными с контролем за распространением газа в пласте.
Химические методы признаются наиболее эффективными, поскольку они позволяют извлечь больше нефти с использованием соленой воды с добавками. В этом случае в жидкость добавляют полимеры, придающие ей консистенцию, напоминающую кисель, или поверхностно-активные вещества, способствующие отделению нефти от горных пород. Полученный раствор под давлением закачивается в недра, где он вытесняет и «вымывает» углеводороды из микроскопических пор. Однако существенным недостатком является то, что значительная часть этих добавок поглощается горными породами или разрушается под воздействием высоких температур, что существенно увеличивает стоимость добычи и снижает эффективность процесса. Кроме того, химические реагенты способны проникать в грунтовые воды, загрязнять почву при утечках и накапливаться в окружающей среде.
Специалисты Пермского Политеха создали новую химическую формулу, которая позволяет извлекать до 70% полезных ресурсов.
Наножидкость создается с использованием умягченной воды с минимальным содержанием солей, что существенно улучшает экономическую эффективность данной технологии. В ее состав входят два вида наночастиц – алюминиевые и кремниевые (микроскопические элементы, размер которых сопоставим с молекулой, позволяющие проникать в самые незначительные пространства). Алюминиевые наночастицы обеспечивают проникновение жидкости в мельчайшие трещины породы и разрушают скопления сырья извне, в то время как кремниевые выполняют «точечное» воздействие изнутри – они проникают в залежи углеводородов и разрушают их структуру. В результате плотные нефтяные массы теряют свою структуру, распадаясь на множество мелких капель. Это создает условия для более эффективного вытеснения – вода легко захватывает образовавшиеся частицы и направляет их к скважине.
Для предотвращения слипания частиц в раствор были введены специальные стабилизаторы – Тритон X-100 и Бридж 35. Эти компоненты формируют защитный слой вокруг каждой частицы, обеспечивая их взаимное отталкивание, аналогично отталкиванию одноименных полюсов магнитов. Кроме того, функционирование всей системы основано на использовании умягченной воды с пониженным содержанием солей, что способствует повышению эффективности вытеснения нефти из горных пород.
Чтобы гарантировать бесперебойную работу всех элементов, специалисты осуществили серию экспериментов для определения наиболее подходящей концентрации.
— Проведенные испытания растворов с различной концентрацией выявили, что наилучший результат достигается при уровне 350 ppm (что соответствует 0,035% или 350 грамм состава на тонну воды). Как пояснил Дмитрий Мартюшев, профессор кафедры «Нефтегазовые технологии» и доктор технических наук, именно такая дозировка провоцирует необходимые преобразования.
Если бы нефть и вода вели себя как два мощных магнита, обладающих сильным взаимным притяжением, добавление наножидкости уменьшило бы эту связь в шестнадцать раз. В результате вода начинает свободно перемещаться между каплями нефти, а она, в свою очередь, легко отделяется от поверхности породы. Жидкости объединяются в единый поток и активно выталкивают нефть к скважине.
Подтверждение эффективности состава, полученное в ходе испытаний на реальных образцах породы, было достигнуто при моделировании условий, максимально имитирующих пластовые.
— Изучение проводилось с использованием кернов – цилиндрических фрагментов горных пород, полученных из нефтяного пласта. На первом этапе через образец пропускали воду с низкой минерализацией, что позволило извлечь 55% нефти. Это сопоставимо с результатами, получаемыми при использовании стандартных методов. Вместе с тем, значительное количество углеводородов осталось в микропорах и не было извлечено обычными способами, поскольку молекулярные силы удерживали нефть в узких каналах, препятствуя её вытеснению водой, — пояснил Дмитрий Мартюшев.
После этого в образец была добавлена умная наножидкость. Это позволило извлечь еще 15% нефти относительно первоначальных запасов. В результате общий коэффициент вытеснения нефти достиг 70%, что на 21,5% превышает показатель, полученный при использовании только воды. Кроме того, эффективность данной разработки оказалась в 1,5–3 раза выше, чем у традиционных аналогов, которые в среднем обеспечивают увеличение добычи всего на 5–15%. Примечательно, что повышение нефтеотдачи сопровождалось увеличением давления в системе, что указывает на способность раствора проникать в самые узкие подземные каналы и выталкивать ранее недоступные запасы.
Не менее важным является и экологическая безопасность состава, обусловленная использованием нетоксичных компонентов, отсутствием образования вредных соединений в обрабатываемом слое и применением в небольших концентрациях. Это выделяет его на фоне многих традиционных решений, способных загрязнять грунтовые воды и почву.
Благодаря этому раствор поддерживает стабильную консистенцию в течение двух недель, не разделяясь на слои. На практике это проявляется в виде полностью гомогенной жидкости, в которой все составляющие элементы равномерно распределены и не образуют осадка.
Это особенно важно для промышленного использования, так как позволяет транспортировать, хранить и применять состав без необходимости постоянного перемешивания или восстановления его характеристик. Предложенное решение обеспечивает значительный эффект при ограниченных затратах, что делает технологию рентабельной.
Информация предоставлена пресс-службой ПНИПУ