Что закачать в пласт для максимальной нефтотдачи?
Тезис о том, что доля трудноизвлекаемых запасов нефти в России растёт, рефреном звучит на всех конференциях и форумах. Решением могут стать методы увеличения нефтеотдачи (МУН). Однако нельзя использовать в скважине первый попавшийся реагент и ждать хороших результатов. В этом вопросе нужна тщательная подготовка. О том, как подбирают нужную комбинацию для каждого месторождения, нам рассказали в Казанском федеральном университете.
«Универсального» реагента не существует
Использование химических МУН широко применяется на зрелых месторождениях, когда остаточная нефть уже не вытесняется пластовой водой. В таких случаях большего эффекта можно достичь, используя поверхностно-активные вещества (ПАВ). Немаловажными являются вопросы, связанные с восстановлением коллекторских свойств скважины, её призабойной зоны до нормированного уровня. Спрос на технологии растёт, но одновременно с этим встаёт вопрос, как подобрать нужный реагент.
«Понятно, что все хотят получить какой‑то универсальный продукт, который можно было бы закачать в любой коллектор. Но реальность не такова: нужны технологии, который позволяют быстро подбирать, настраивать химию.
Задача нашей лаборатории как раз в этом заключается. Мы работаем со скважинами со всей России, и везде есть свои особенности. Например, коллекторы в Республике Татарстан характеризуются низкой температурой и высокой минерализацией.
А в Западной Сибири, наоборот, — высокой температурой, умеренной или низкой минерализацией. На шельфе используется морская вода. Плюс работаем с зарубежными странами: Вьетнамом, Оманом. Там тоже высокие температуры, очень интересные по составу нефти. То есть разброс условий, где будет применяться специализированная химия, очень большой», — объяснил заместитель руководителя по научной деятельности Инжинирингового центра КФУ Алексей Малахов.
При подборе ПАВ специалисты опираются на накопленный опыт, анализ литературы и новые технологии хемоинформатики. Но реагенты необходимо сначала проверять в лабораторных условиях. Это исследования свободного объёма и системы моделирования пластовых условий. В первом случае важным для ПАВ является параметр межфазного натяжения на границе воды и нефти. Речь идёт о поверхностной энергии, которая определяет взаимодействие нефти с водой.
«ПАВ добавляют как раз для того, чтобы снизить этот показатель. Чем меньше межфазное напряжение, тем эффективнее вытесняется нефть из пор коллектора. Другой важный параметр — смачиваемость. Её измерения у нас проводят на специализированном оборудовании, которое как раз определяет этот параметр при определённых температуре и давлении. Далее идут все возможные смежные тесты: растворимость, стабильность, выдержка, в том числе в анаэробных средах. И, когда уже готова химия, подобрана концентрация, её тестируют в системах моделирования коллекторских свойств», — отметил Алексей Малахов.
Воспроизводим пластовые условия в лаборатории
Конечно, решение подобных задач требует использования специального оборудования. Во время визита в КФУ, нам удалось увидеть за работой фильтрационные установки.
«Здесь мы моделируем пластовые условия, чтобы проверить эффективность ХМУН. Например, сейчас здесь порядка 150 бар пластового и 200 бар горного давления. В данный момент проводим эксперимент с поверхностно-активным веществом при температуре 25 °C и повышенной минерализации воды, что является осложнёнными условиями для ПАВ.
Путём комплексного подбора мы пришли к оптимальной композиции и сейчас её исследуем. Оцениваем количество вытесненной нефти и, исходя из этого, делаем выводы об её эффективности», — рассказал научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории химических методов увеличения нефтеотдачи КФУ Эмиль Бадретдинов.
Если говорить о фильтрационных установках, то в среднем на эксперимент уходит три-четыре дня, тогда как в условиях реального месторождения эти процессы займут намного больше времени. Стадия закачки ПАВ в лаборатории длится три-четыре часа, а на объекте — может занять месяцы.
«Чтобы насытить модель, мы закачиваем туда нефть, чтобы воспроизвести пластовые условия. Какой‑то промежуток времени мы закладываем на „старение” (восстановление смачиваемости), после чего подаём пластовую воду. Управляем процессом с помощью плунжерного насоса, который может работать при высоких давлениях», — прокомментировал ход работ сотрудник лаборатории КФУ.
В качестве материала для эксперимента используют образец керна, добытый непосредственно на анализируемом месторождении. В данном случае его длина — 15 сантиметров. Этот выбор не случаен.
«Есть минимальные требования к колонке, которые зависят от фильтрационно-ёмкостных свойств керна. Нежелательно использовать короткие модели, может возникнуть погрешность измерения. При 15 сантиметрах её вероятность снижается до минимума.
Можно использовать и более длинные колонки — до 30 сантиметров, однако это приводит к сильному удорожанию эксперимента, увеличивает сроки его реализации. Поэтому нужно искать баланс между качеством и скоростью. Этот вопрос, как правило, решается по согласованию с заказчиком.
Обычно керновый материал используют один раз при тестировании специальной химии. Я знаю, что в каких‑то случаях керн экстрагируют, пытаются удалить из него ПАВ и используют повторно. Но так поступать не рекомендуется, потому что поверхностно-активные вещества имеют свойство адсорбироваться на породе, и не всё может быть успешно удалено», — пояснил Эмиль Бадретдинов.
Одна установка — множество применений
Подобные станции бывают разными. Блочные установки имеют трёхфазную систему фильтрации, которая может обеспечить большое количество дизайнов тестов. Но у отдельных модульных станций тоже есть свои преимущества: их можно оперативно «пересобрать» для новой задачи.
«Зачастую мы выполняем исследования по стандартам API, российским ГОСТам. Но во время научной деятельности и отработки различных заказов по техническим услугам или в рамках реализации НИОКР, как правило, возникает свой дизайн проведения теста. Например, к нам приходят заказчики с вопросом, как этот реагент будет закачиваться непосредственно на скважине.
Соответственно, наша задача — определить оптимальные расходы и объёмы используемой химии, проверить всё это на небольшом образце керна. И на основе множества экспериментов построить модель того, как это будет работать на коллекторе.
Как правило, полученные результаты адаптируются для промышленного применения при помощи гидродинамических моделей. На основе этих результатов можно дать рекомендации на проведение непосредственно опытно-промысловых испытаний», — рассказал Алексей Малахов.
Наблюдаемый нами эксперимент как раз проходил на мобильной станции. В её конструкцию периодически вносят изменения, чтобы проработать какую‑то необычную технологию.
«То, сколько это займёт времени, зависит от сложности задачи и опыта сотрудников. Мы успели „набить руку”, поэтому на то, чтобы переоборудовать установку, как правило, уходит не более одного дня», — отметил Эмиль Бадретдинов.
Газовые МУН: возможности и риски
Для повышения нефтеодачи можно использовать не только синтезированную «химию». В скважины закачивают попутный нефтяной газ (ПНГ), обезжиренные или, наоборот, жирные ШФЛУ, углекислоту во всех её видах и фазовых состояниях, различные дымовые смеси, в которых могут присутствовать азот, кислород, СО2.
Преимущество этого метода в том, что большинство из этих веществ есть в наличии у недропользователей, являясь в данном случае отходами производства. Конечно, здесь также нужны тщательные предварительные исследования. Этим в КФУ занимаются также и в лаборатории гидратных технологий, утилизации и хранения парниковых газов.
«Здесь мы изучаем пластовые флюиды с помощью PVT-системы. С её помощью можем моделировать термобарические условия давлением до 1000 атмосфер и температурой до +200 °C. Это позволяет исследовать объёмные и фазовые свойства всех типов флюидов, которые у нас добывают: пластовую нефть, газ и газоконденсат. С точки зрения термобарических условий разбег очень большой. Есть месторождения с температурами +5 °C, а в Западной Сибири уже +110 °C.
В основном наше оборудование используется для лабораторного сопровождения газовых методов увеличения нефтеотдачи. Реальные характеристики месторождения (давление, температуру) мы вносим в систему и воспроизводим в лабораторных условиях. Затем моделируем добавление в эту среду различных агентов МУН и смотрим, как это влияет на поведение флюида.
То есть мы можем произвести оценку эффективности по закачке разных композиций. Фактически это скрининг-методы, с помощью которых можно оценивать применимость такого рода увеличения добычи, но без лабораторных исследований они мало осуществимы.
Да, существуют цифровые модели, но без подобной проверки в них остаются большие неопределённости», — пояснил научный сотрудник лаборатории гидратных технологий, утилизации и хранения парниковых газов Георгий Сергеев.
С помощью PVT-установки сотрудники лаборатории не только изучают газожидкостное равновесие, но и проводят оценку рисков, связанных с дестабилизацией твёрдых отложений. Использование газовых методов без предварительной проработки не просто не принесёт результата, но и может серьёзно навредить.
«Допустим, есть нефтяное месторождение с довольно низким коэффициентом извлечения. И есть источник ПНГ, который можно довольно дёшево и в больших объёмах поставить. При этом у компании уже есть необходимое оборудование по нагнетанию газа в пласт. Но встаёт вопрос, что при внесении ПНГ будет выступать не только как агент МУН, но и, например, в качестве осадителя асфальтенов.
Это может губительно сказаться на проницаемости горной породы как таковой. Соответственно, существует специальный комплекс лабораторных экспериментов для выявления рисков. Потенциально закачка этого газа может привести к тому, что асфальтены начинают просто „вываливаться” и образовывать отдельную твёрдую фазу. И это может случиться в пласте. Это буквально погубит коллектор», — привёл пример Георгий Сергеев.
Несмотря на все сложности, газовые МУН набирают популярность в последние годы, считает учёный. Связано это, прежде всего, с законодательными ограничениями на сжигание ПНГ. Нефтегазовые компании в любом случае должны думать над тем, как утилизировать попутный газ. В связи с этим растёт интерес к нему в качестве агента вытеснения. Хорошие перспективы и у комбинированных методов: водогазовых, термогазохимических, полагает Георгий Сергеев.
ПАВ из отечественного сырья: насколько это реально?
Путь новых разработок к заказчику отнюдь не устлан розами. Приходится преодолевать различные сложности. В случае с химическими методами нефтеотдачи это прежде всего дефицит сырья для малотоннажной химии. До 2022 года его преимущественно закупали за рубежом.
Алексей Малахов признаёт, что три года назад подобная проблема встала и перед рынком ПАВ, однако за это время ситуация стабилизировалась.
«Наш опыт показал, что потребление поверхностно-активных веществ из-за рубежа — это не единственный вариант. Из доступного сырья, которое представлено у СИБУРа, ряда других компаний, можно производить системы, которые хорошо адаптируются к разным месторождениям.
Можно сказать, что рынок взял стабильный курс на производство ПАВ либо на компонентах отечественного производства, либо с минимальным их привлечением из дружественных стран. По сути дела, мы в КФУ составляем бенчмарк (сравнительный анализ отраслевых практик, — прим. ред.), который покажет, какое есть российское сырьё и какие системы где работают. В последний раз такую работу в мире проводили в 2011 году», — прокомментировал ситуацию заместитель руководителя по научной деятельности Инжинирнгового центра КФУ.
Следующий барьер на пути развития малотоннажной химии — небольшой объём рынка, из-за чего крупные компании не горят желанием вкладываться в это направление. В КФУ это понимают, поэтому не только создают новые соединения, но и прорабатывают перспективы масштабирования производства.
«Недавно у нас открылся технопарк „Малотоннажные химические технологии”, и внутри него реализуется несколько инжиниринговых центров. Один из них сосредоточен на гПАВах, полимерах, гелевых системах. То есть всё, что нужно для химических методов увеличения нефтеотдачи. Нам кажется, что именно этого звена не хватало для того, чтобы замкнуть цепочку между лабораторным синтезом и крупномасштабным внедрением.
Инжиниринговый центр в первую очередь нужен для того, чтобы убедить многих заказчиков химических продуктов и крупнотоннажных производителей, что эти вещи реализуемы и могут работать.
То есть задача — создать мостик, отработать технологию, внедрить её в промышленность в интервале от одного года до трёх лет, продемонстрировать, что эта химия на конкретных месторождениях показывает хорошие результаты. После этого технология заведена, по сути, под ключ», — заключил директор Технологического парка КФУ Михаил Варфоломеев.
Установки с пометкой «Сделано в России»
Много вопросов вызывает ситуация с оборудованием, в том числе лабораторным. Смогут ли российские учёные обойтись без поставок из Европы или США?
«Поначалу казалось, что невозможность закупить импортные установки и вправду сильно мешает, что работать дальше будет невозможно. Тем не менее российские производители показали большую гибкость в адаптации. И многие компании, которые делают фильтрационное оборудование, и вправду полностью локализованы в России.
В первую очередь за счёт того, что у них есть свои площадки для производства элементов фильтрационных станций. Это станки ЧПУ, которые вытачивают оборудование по разработанным и сертифицированным чертежам.
В частности, мы эксплуатируем несколько таких станций и знаем, что у коллег полностью локализовано производство именно „железа”. Другое дело, что установка может включать какие‑то элементы, адаптированные для конкретных заказчиков. Например, мы говорили, что нам нужен дифференциальный манометр до 40 бар.
Если в России найти его невозможно, то производители обращаются за рубеж и заказывают его там. Но это незначительный процент относительно всей установки. Можно смело говорить, что минимум на 60% эти станции можно производить в России, и достаточно много компаний этим уже занимаются», — прокомментировал ситуацию Сергей Малахов.
В лаборатории гидратных технологий, утилизации и хранения парниковых газов также используют отечественную PVT-установку. Причём приобрели её ещё до объявления санкций, пять лет назад.
«Оборудование собрали по нашему техническому заданию в Тюмени. До этого они были официальными дистрибьюторами по поставке зарубежных лабораторных установок, но постепенно пришли к тому, чтобы собирать их самостоятельно. У нас как раз стоит пилотный образец. За эти годы мы её модернизировали с точки зрения как самой конструкции, так и программного обеспечения. До этого я работал на зарубежном оборудовании и могу сказать, что оно имеет как свои плюсы, так и минусы. То, что стоит у нас, нисколько не хуже», — рассказал Георгий Сергеев.
Получается, отечественные компании уже имеют успешный опыт производства лабораторного оборудования. Встаёт вопрос, найдутся ли на эти товары покупатели. На первый взгляд, этот рынок выглядит ограниченным по объёмам. Однако в КФУ заверяют, что спрос есть и он не иссякнет в ближайшие годы.
«Мы уже в течение двух лет испытываем острую потребность в постоянном увеличении количества фильтрационных станций, потому что запрос на тестирование и разработку новых химических продуктов напрямую упирается в наши технологические возможности. Компьютерным моделям нужны эмпирические данные. Чтобы получить их в короткий срок в достаточном объёме, нам требуется большое количество экспертов, инженеров и, конечно, „железа”. Это фильтрационные станции, риометры, другое лабораторное оборудование.
Сейчас все научные институты испытывают плюс-минус те же проблемы. А количество месторождений, которое было вовлечено в разработку за счёт применения химических продуктов, с каждым годом растёт. Соответственно, каждый такой участок, даже отдельная скважина требует предварительной лабораторной оценки, будут эти реагенты там работать или нет.
Причём это касается не только наших внутренних разработок. Компании передают нам на проверку химию, которую уже купили или планируют приобрести у коммерческих поставщиков. Или они в принципе не знают, что приобрести, и просят провести полномасштабный обзор рынка. Всё это, конечно, требует вложений в технику», — подчеркнул Сергей Малахов.
По сравнению с фильтрационными, PVT-исследования в области газовых МУН получили широкое распространение только в последние 7–9 лет, отмечает Георгий Сергеев. Поэтому отечественных производителей подобного оборудования пока не так много. Впрочем, скоро ситуация может измениться.
«Параметры, которые характеризуют околокритические и газоконденсатные пластовые системы, могут быть получены только при помощи специальных полнообзорных PVT-установок. Их по стране у нас не так много, и зачастую там стоит американское или французское оборудование, которое в целом может работать ещё десятки лет. Но сейчас „Газпром нефть” и „НОВАТЭК” запускают свои исследовательские центры. И приоритет там отдаётся отечественным производителям.
Связано это не только с большой доступностью, но и с ценой. Российские разработки в техническом плане не хуже, но при этом иногда бывают в несколько раз дешевле. Научные центры, такие как наш, тоже нуждаются в оборудовании. Нашу установку мы начали активно эксплуатировать в 2021 году, и все эти годы она не простаивала. То есть загруженность высокая», — отметил г-н Сергеев.
ИИ для производства химии: отрасль на пороге новой революции?
Впрочем, в этом уравнении расчёта потенциального спроса может появиться новая переменная. Вероятно, уже скоро большинство экспериментов будут проходить не в лабораториях, а в виртуальном пространстве.
«Просто так технологического лидерства не достичь, нужен резкий скачок. И одно из перспективных направлений — это применение искусственного интеллекта в химии для создания и разработки новых продуктов. В лаборатории можно сделать 10–20 синтезов. А если посмотреть, сколько всего можно сделать итераций, то счёт пойдёт на тысячи. Человеческой жизни не хватит, чтобы все их проверить, а, может, какая‑то из них является ключевой и там сидит эффективный способ, реагент или продукт.
На цифровом заводе этих синтезов можно будет сделать десятки тысяч, выбрать из них самые перспективные и уже их проверить в лаборатории. То есть экономятся сотни часов работы. Важно, что в „цифровом заводе” можно задавать сырьё, условия. То есть можно ориентироваться на конкретную производственную мощность с её характеристиками. ИИ позволит ускорить процесс и расширить границы поиска новых интересных реагентов», — пояснил Михаил Варфоломеев.
С тем, что компьютерное моделирование со временем повысит эфективность лабораторных исследований, согласен и Сергей Малахов. Причём речь идёт не о таком отдалённом будущем, как может показаться на первый взгляд.
«Методы хемоинформатики для прогнозирования эффективности и создания новых молекул ПАВ и полимеров для химических методов увеличения нефтеотдачи являются очень перспективными. Они получают входные данные, какая молекула, когда и где работала, и модель на базе нейронных сетей предсказывает другие молекулярные структуры, которые тоже, возможно, будут эффективны.
На уровне стартапов уже прорабатывают синтетические лаборатории без участия человека, где все операции выполняет робот-манипулятор. Технически, я думаю, в интервале пяти лет мы уже увидим подобное на практике.
Сама технология уже известная, она вышла из фармацевтики. Там уже случилась такая революция, которая сейчас идёт в ХМУН. Также разработаны базы данных, которые начали использоваться нейронными сетями. В нашем случае она насыщается за счёт литературных источников, результатов нашей работы», — рассказал г-н Малахов.
Естественно, всё это пока не может работать без человека. Нужны программисты, которые корректируют процессы с точки зрения машинной логики. Не обойтись без экспертной группы, специалисты которой скажут, какую молекулу реально синтезировать, а какую невозможно «приготовить» в России. Однако это не отменяет того, что внедрение ИИ станет настоящей революцией в отрасли и заметно сократит количество лабораторных исследований.
Впрочем, это дело хоть и недалекого, но всё же будущего. Пока же применение МУН невозможно без предварительной тщательной проработки в научных центрах. И в этих условиях не может не радовать, что в России для этого имеются компетенции и оборудование. Остаётся самое главное — вывести эти разработки на коммерческий уровень.
Текст: Андрей Халбашкеев.
Фото редакции PromoGroup Media.
