Жидкости ГРП: в поисках лучшей альтернативы

Гидроразрыв пласта уже давно зарекомендовал себя как один из самых эффективных методов повышения нефтеотдачи. Однако конечный результат здесь во многом зависит от качества расходных материалов, в частности жидкостей ГРП. Традиционно в качестве сырья для этих целей использовали гуар.

Однако теперь у него появились конкуренты. Речь идёт в первую очередь о полиакриламиде. Сможет ли синтетический полимер потеснить на этом рынке гуар? Ответ на этот и другие вопросы искали участники сессии «Технологические жидкости: от вопросов ГРП до промысловых задач» на II Всероссийском саммите по гидроразрыву пласта в рамках Технологической недели TNF 2024.

Полиакриламид vs гуар: достоинства и недостатки двух вариантов

Жидкости на основе гуара уже много лет справлялись со своими задачами при проведении ГРП. Почему же сервисные и добывающие компании всё чаще смотрят в сторону синтетических полимеров?

«Полиакриламид намного эффективнее с точки зрения контроля роста трещины по высоте, есть преимущество и по остаточной проводимости», — отмечает инженер по реализации сервисных услуг ГРП ООО «Технологическая компания Шлюмберже» Ильяс Ислямов.

К этому стоит добавить снижение содержания химических добавок, уменьшение операционного цикла под ГРП (так как исключается необходимость нагрева воды) и совместимость с альтернативными источниками воды (артезианской, сеноманской, подтоварной).

Конечно, это не означает, что полиакриламид лишён недостатков. Его использование в качестве жидкости для гидроразрыва также связано с определёнными проблемами. Так, нужно учитывать риск потери связи трещины и скважины. Также есть опасность не вскрыть всю продуктивную мощность и не закрепить продуктивные пропластки. Наконец, существует риск потери связности частей трещины по вертикали при наличии внутренних мощных перемычек, перечисляет Ильяс Ислямов.

В свою очередь, директор по развитию, направление нефти и газа ООО «СНФ Восток» Дмитрий Конюхов, ссылаясь на мировую практику, отметил, что ПАА (полиакриламид) даёт более «чистый» ГРП. Меньшее количество вспомогательных реагентов, оптимальная геометрия трещины потенциально позволяют снизить количество закачиваемого проппанта, заключает эксперт «СНФ Восток».

Преимущества и недостатки полиакриламида по сравнению с гуаровыми системами фиксируют и специалисты ООО «ВЕЛЛПРОП».

«Если говорить о достоинствах ПАА, то это чистая трещина, отсутствие хлопьев и осадка у разрушенной жидкости ГРП на основе ПАА, как следствие, высокая остаточная проводимость пропантной упаковки и повышенная, по сравнению с гуаровой жидкостью, устойчивость к бактериальной деструкции.

Кроме этого стоит отметить высокую пескоудерживающую способность при невысокой вязкости. Плюс при использовании некоторых полиакриламидов с высокой скоростью гидратации допустимо приготовление жидкости ГРП с пониженной температурой воды.

Есть и недостатки: в отдельных случаях возможно образование нерастворимых осадков разрушенной ЖГРП на основе некоторых ПАА с некоторыми технологическими жидкостями (например, жидкость глушения или раствор соляной кислоты). Для некоторых типов синтетических ПАА требуется использование специализированного (не солевого) стабилизатора глин», — перечисляет менеджер по развитию бизнеса ГРП ООО «ВЕЛЛПРОП» Ильшат Тимкин.

В свою очередь, ведущий эксперт по интенсификации добычи нефти и газа ООО «БурСервис» Владимир Астафьев главными преимуществами гуаровых гелей ГРП называет их стабильность и способность транспортировать проппант. Основной проблемой таких жидкостей специалист считает снижение проводимости проппантной пачки и притрещинной зоны пласта, что очень влияет на разработку низкопроницаемых пластов.

«Это и является причиной для поиска альтернативных жидкостей гидроразрыва: полиакриламидных или на основе ПАВ. Синтетические жидкости гидроразрыва оказывают меньшее влияние на изменение ФЕС трещины и пласта, но обладают более низкой способностью транспортировки проппанта», — резюмирует Владимир Астафьев.

Отдельная история — проведение повторного ГРП. Традиционно в таких случаях применялся сшитый гуаровый гель. Как отмечает технический эксперт по ГР ООО «Технологическая Компания Шлюмберже» Светлана Павлова, это надёжная высоковязкая система, имеющая отличные песконесущие свой­ства. В то же время нужно учитывать низкую остаточную проводимость трещины, недостаточный Xf и невозможность удаления остатков полимера во время работы скважины.

В результате было принято решение использовать альтернативные жидкости, хотя это и было сопряжено с существенными рисками. Можно сказать, что их достоинства вытекают из недостатков гуаровых систем и наоборот. Низкую вязкость и худшие песконесущие свой­ства «компенсируют» высокая остаточная проводимость трещины, больший по сравнения со сшитым гелем Xf, и возможность дополнительной деструкции полимера высокоминерализованной (пластовой) водой.

«Само по себе проведение ГРП на низковязкой жидкости — сложная задача, потому что у данных систем песконесущая способность ниже, чем у сшитых гелей. Далее задача осложняется тем, что это повторный ГРП. У низковязких жидкостей способность к раскрытию трещины намного ниже, чем у сшитых гелей. Отягчающим фактором здесь было наличие проппанта от первого подхода. Пришлось увеличить количество чистой жидкости, сократить конечную концентрацию проппанта. На данный момент достигнутый эффект рассматриваем как положительный.

Но нужен более долгосрочный мониторинг: как ведут себя скважины, как долго сохраняется высокая приёмистость. При этом уже точно можно отметить снижение стоимости закачки. Плюс в этом случае возможно использование более дешёвых расклинивающих агентов, таких как кварцевый песок. Кроме этого, есть часть гуара, которая никогда не разрушается, даже если брейкер очень эффективно работает.

У нас есть исследования, что из скважин выходит только порядка 60–70%. То есть 30–40% остаются как минимум на полгода, а может быть, навсегда. И это добывающая скважина, а здесь нагнетательная, единственное окошко, когда может выйти гуар, — это отработка. А здесь даже если остались кусочки полиакриладмида, то закачка пластовой воды позволит его разрушить», — рассуждает Светлана Павлова.

Что мешает внедрению полиакриламида?

Так стоит ли ожидать, что альтернативные жидкости окончательно вытеснят гуаровые системы? Эксперты полагают, что если это и произойдёт, то явно нескоро.

«Поскольку на сегодняшний день в большинстве добывающих компаний ГРП с использованием синтетики относится к опытно-­промышленным работам и отсутствует производственная программа по данному направлению, то прогноз потребления может носить весьма условный характер. По нашей оценке, на сегодняшний день потребление синтетики не превышает 5–10% объёма потребления гуара. Полное вытеснение гуароборатных систем синтетическими в настоящий момент видится маловероятным», — считает Ильшат Тимкин.

К тому же, оценивая перспективы синтетических жидкостей, стоит учитывать ряд сдерживающих факторов. Владимир Астафьев среди них видит в первую очередь простое копирование технологий без достаточной проработки к местным условиям.

«Существует много жидкостей на основе ПАА, но в США используют только некоторые из них, те что обеспечивают высокую продуктивность скважин после проведения ГРП. Несомненно, мы должны учитывать этот опыт, но технологии нужно адаптировать к условиям наших месторождений. На опыте отечественных компаний мы видим, что успешность применения ПАА жидкостей в гидроразрыве пласта напрямую связана с качественным подбором рецептур и проведением лабораторных и натурных экспериментов.

Для этого необходимо развитие экспериментальных и теоретических исследований, программного обеспечения и лабораторного оборудования. Применение полиакриламидных жидкостей гидроразрыва должно быть тесно связано с изменением технологий закачки и модернизацией оборудования», — полагает Владимир Астафьев.

С тем, что нужен «тюнинг» этой технологии для среднепроницаемых коллекторов, согласен и Дмитрий Конюхов. Однако, по словам представителя «СНФ Восток», российские сервисные компании успешно справляются с этой задачей, если к ним поступают соответствующие запросы от нефтяных компаний.

Следующий вопрос: насколько выбор конкретной жидкости ГРП зависит от особенностей конкретного месторождения?

Дмитрий Конюхов полагает, что вещество можно подобрать для любого месторождения, но проще всего это сделать на низкопроницаемых коллекторах.

Непреодолимых барьеров не видят здесь и в «ВЕЛЛПРОП».

«Синтетические гелеобразователи закрывают потребности заказчиков для низкопроницаемых коллекторов и коллекторов с низким пластовым давлением, где возможны большие поглощения, приближенность пласта к водоносным участкам. Геологические и физические свой­ства пластов при планировании использования полиакриламида практически идентичны гуаро-­боратной системе, но при этом продолжается изучение поведения систем на основе синтетических гелеобразователей для условий АВПТ (аномально высоких пластовых температур) и пластов с высокими напряжениями», — поясняет Ильшат Тимкин.

Хотя особенности свой­ств систем на основе полиакриламида всё же накладывают свой отпечаток: например, ограничения на этапе подбора скважин-­кандидатов для проведения ГРП. По его мнению, ключевой фактор, сдерживающий более активное внедрение технологии, — экономический. Здесь мы подходим, пожалуй, к главному преимуществу гуара — его относительно низкой стоимости. Именно в этом кроется секрет его популярности в России на протяжении многих лет. Однако производители полиакриламида утверждают, что в последнее время ситуация на рынке изменилась.

«Синтетика выигрывает в плане ценовой стабильности, мы уже несколько раз видели, как цена гуара резко вырастала в 3–5 раз, что делало очень затратными все операции. Ну и нужно учитывать предсказуемость свой­ств: полиакриламид можно сложить таким образом, который отвечает твоим потребностям. Гуар же имеет определённую структуру, и существенно изменить её уже никак не получится. Кроме этого с ним нужно подавать намного больше реагентов.

Неслучайно, что в США постепенно переходят на безгуаровые системы. При этом, разрыв по стоимости вероятно будет сокращаться с увеличением объёма операций с ПАА. Нужно также иметь в виду, что для солёной воды, при высоких температурах ПАА обойдутся дороже, но и будут иметь преимущества перед гуаром.

Кроме этого, оптимальная геометрия трещины (с большей длиной и с меньшей высотой в сравнении с более вязким сшитым гуаром) на ПАА потенциально позволяет снизить количество закачиваемого проппанта и, как следствие, общую стоимость работ», — отмечает Дмитрий Конюхов.

Подобные скачки цены на гуар объясняются тем, что он на 100% импортируется. Многочисленные попытки вырастить его на просторах России и стран СНГ не увенчались успехом.

Владимир Астафьев, в свою очередь, отмечает, что цена и гуаровых, и синтетических жидкостей зависит от их качества и доступности на рынке. Поэтому дать однозначный ответ на вопрос, какой из вариантов экономически более выгодный, сложно.

«Ценообразование, естественно, зависит от используемого объёма химии, наличия локальных производителей, таможенных пошлин и прочего. Увеличение потребления ПАА должно способствовать росту количества местных производителей и снижению стоимости. В качестве примера можно привести стоимость компоновок заканчивания для МГРП, цена которых значительно снизилась при возросшем спросе и появлении отечественных производителей», — считает г-н Астафьев.

С тем, что в последние годы цены на синтетический гелеобразователь действительно снизились, согласен и Ильшат Тимкин.

«Но, учитывая достаточно большое количество используемых типов полиакриламида, дать точную оценку сокращения сложно. Значительно снизить стоимость синтетических жидкостей ГРП позволит полная локализация производства полиакриламида в РФ», — полагает представитель «ВЕЛЛПРОП».

В свою очередь, Дмитрий Конюхов видит потенциал для дальнейшего снижения стоимости систем на ПАА в смещении фокуса на порошковую форму реагентов. Впрочем, это тема для отдельного разговора.

Порошок или жидкость?

Полиакриламид в качестве вещества для ГРП можно использовать в виде порошка или в жидкой форме (эмульсии или суспензии). Традиционно в России большей популярностью пользуется второй вариант, однако возможно, что скоро расклад на этом рынке изменится. Так, Дмитрий Конюхов отмечает, что в последние 3–5 лет себестоимость порошковой формы реагента стала ниже, чем у суспензий.

И мировая практика потребления ПАА в ГРП также подтверждает всё большее распространение реагентов в твёрдых формах. Формулируя подобный вывод, эксперт опирается на результаты исследования, которое провели специалисты холдинга SNF (куда входит ООО «СНФ Восток»).

Низкая себестоимость — не единственное преимущество порошковых форм.

«Эмульсия — наиболее естественная форма полиакриламида, но сейчас мы видим, что всё больше используется порошок. Обычно жидкая форма синтетического загустителя и/или понизителя гидравлического трения представляет собой эмульсию полимера с концентрацией около 30–35% активного ПАА.

Для „раскрытия” цепочки полимера и перевода его в эффективную форму необходимо инвертировать эту эмульсию и затем гидратировать полимер. По сравнению с эмульсией/суспензией, у порошкового полимера отсутствует необходимость смыва неводного растворителя и стабилизатора (эмульгаторов и деэмульгаторов)», — рассказывает Дмитрий Конюхов.

Более того, для повышения эффективности процесса можно использовать специальное оборудование для подачи и гарантированной гидратации порошка. В результате лабораторные работы показали, что порошок развил максимальное снижение трения в 60% за 30 секунд, а эмульсии понадобилось около 120 секунд для достижения плато.

Разница существенная. Эксперты SNF предполагают, что это может быть связано с необходимостью инвертирования эмульсии и гидратации полимера, тогда как порошок может быть полностью предгитратирован, а на месторождение подаваться уже из двухпроцентного готового раствора.

Таким образом, авторы исследования выделяют сразу несколько плюсов использования порошка. В первую очередь это снижение логистических затрат и экологичность. Кроме того, при эквивалентных концентрациях порошковый продукт позволил увеличить песконесущую способность жидкости на 20%.

В то же время при этом варианте придётся вкладываться в дополнительное оборудование для приготовления раствора непосредственно на месторождении. Впрочем, в SNF полагают, что эти расходы должны окупиться за счёт большей эффективности порошковой формы.

«В последние годы кратно выросли поставки в виде порошка по холдингу SNF, видим, как коллеги из СНГ успешно переходят на такие реагенты», — заключил Дмитрий Конюхов.

Опыт использования порошковых форм ПАА в России пока не так велик, однако уже можно сделать определённые выводы. Так оказалось, что мгновенная гидратация мелкодисперсного сухого порошка — это не всегда хорошо.

«Классно работать с порошком, но есть и сложности. Возникают операционные проблемы по прокачке через оборудование, потому что он мгновенно становится не только вязким, но ещё и очень эластичным. И его вязкость меняется при любом повороте, сужении. Кроме того, на определённых расходах оборудованию становится тяжело, и приходится снижать нагрузку. С этой точки зрения у эмульсий есть свои преимущества — у них чуть помедленнее гидратация», — поделилась опытом Светлана Павлова.

Так что, как мы видим, точка в споре «порошок или эмульсия» ещё не поставлена.

Не полиакриламидом единым

Стоит отметить, что полиакриламид — одна из самых распространённых, но не единственная альтернатива гуаровым системам. Один из таких вариантов — проведение работ по ГРП с использованием углеводородных жидкостей.

«Изначально, когда ГРП в конце 1990‑х — начале 2000‑х только зарождался, очень большая часть операций проводилась на жидкости на углеводородной основе», — вспоминает директор по развитию бизнеса ООО «Пакер Сервис» Камиль Каримов.

Такой интерес к углеводородным жидкостям не случаен. Они имеют ряд весомых преимуществ. При контакте с водой идёт большое набухание кернового материала, соответственно, это приводит к ухудшению проницаемости и при бурении, и при ГРП.

Здесь же не происходит негативного воздействия углеводородной основы на коллектор и не меняется смачиваемость породы. Кроме этого после разрушения углеводородная жидкость смешивается с нефтью без образования эмульсий и осадков. Наконец, при таком варианте минимизируется вероятность гидратообразований.

Встаёт вопрос: если у этих жидкостей столько преимуществ, почему же они уступили место на сцене гуаровым системам? Пришло время поговорить о недостатках этих веществ. Камиль Каримов в их числе назвал более высокую фильтроотдачу, меньшие показатели эффективности жидкости ГРП при работе с коллекторами с проницаемостью от 50 мД и меньшее гидростатическое давление за счёт меньшей плотности.

Но, пожалуй, ключевой фактор — это более высокая цена углеводородных жидкостей по сравнению с аналогами. Казалось бы, используя нефть, которую добывают на этой же скважине, можно нивелировать этот разрыв и прийти к среднерыночной стоимости. Однако представитель «Пакер Сервис» настаивает, что в большинстве случаев правильно будет использовать дорогое дизельное топливо.

«Лабораторным и практическим путём определили критерии доступности нефти для проведения ГРП. И больше 90% всей нефти оказалась непригодной. В первую очередь по критериям безопасности (излишнее давление паров)», — отмечает Камиль Каримов.

Это не единственное требование к углеводородным жидкостям, которому не соответствует нефть на большинстве месторождений. Так, содержание серы не должно превышать 0,5%, иначе произойдёт существенное ухудшение качества геля. Если в жидкости окажется более 1% воды, это приведёт к преждевременному распаду и разрушению геля. Наконец, важное требование — полное отсутствие механических примесей.

При этом в «Пакер Сервис» полагают, что все эти ограничения не ставят крест на перспективах углеводородных жидкостей. На некоторых месторождениях они по-прежнему могут быть очень эффективны.

Подбираем нужную воду для жидкостей ГРП

Если вернуться к полимерам, то очевидно, что, будь то гуар или полиакриламид, для закачки в скважину его сначала нужно развести водой. И это иногда тоже может стать проблемой.

«Развитие новых удалённых месторождений в Западной Сибири осложнено отсутствием традиционных источников воды. А её транспортировке мешает отсутствие постоянных автодорог. „Зимники” стоят только 3 месяца», — рассказывает инженер-­технолог по ПНП ООО «Технологическая Компания Шлюмберже» Руслан Ханнанов.

В качестве решения он предлагает использовать воду из сеноманских скважин. Конечно, это связано с определёнными сложностями, однако, как полагают в «Технологической компании Шлюмберже», все они решаемы (см. таблицу 1).

Проблема	Решение
Снижение термостабильности сшитого геля	Введение в жидкость ГРП дополнительных источников гидроксидов ионов
Разрушение полимерных цепей	Введение в воду в процессе подготовки мягких окислителей
Повышенная сила раствора	Добавление медленно растворимой щёлочи
Сшивание полимера во время гидратации	Перед приготовлением линейного геля вводился лиганд

В то же время, по словам Руслана Ханнанова, использование сеноманской воды имеет ряд преимуществ:

• снижение стоимости за счёт оборудования и химических реагентов на 5%;
• производительность флотов ГРП — среднее время на операцию уменьшено 20%;
• снижение аварийности — сокращено количество рейсов автоцистерн;
• воздействие на окружающую среду — на 6% снижен объём выбросов СО2.
  

Ещё один интересный подход — проведение ГРП на холодной воде. Известно, что нагрев жидкости до нужной технологии занимает значительную долю в общей себестоимости операции. К тому же это связано и с временными задержками. Эта технология как раз позволяет снизить затраты и сократить непроизводительное время, отмечает главный специалист по разработке и внедрению новых технологий ОПД ГРП и НТ ООО «КАТКонефть» Владимир Колдобенко.

Представитель компании рассказал об опытно-­промышленных испытаниях в ХМАО и ЯНАО по применению гуаровых жидкостей без нагрева воды. В рамках эксперимента весной и осенью использовалась вода температурой от +6 до +15 °С с добавлением стабилизирующей добавки. А летом — при температуре воды выше +16 °С без использования добавки и без нагрева.

Результаты в целом подтвердили изначальную гипотезу: среднее время нагрева одной ёмкости сократилось с 1,5 до 0,5 часов, а среднее количество операций в сутки возросло с 1,7 до 2,6. Всего в рамках ОПИ было выполнено более 1000 успешных ГРП.

Итак, рынок жидкостей ГРП переживает сейчас интересные времена: сразу несколько альтернативных веществ готовы потеснить гуаровые системы. У каждого из них есть свои достоинства и ограничения, и, пожалуй, ни у кого нет однозначного ответа, за которым из них будущее. Возможно, лучший выход — это как раз многообразие вариантов. В любом случае, предстоит ещё много исследований и опытных работ.

---

Рекомендации специалистов «Технологической компании Шлюмберже» по проведению работ с полиакриламидом (по материалам презентации на II Всероссийском саммите по гидроразрыву пласта):

• необходимость оценки времени закрытия трещины и времени оседания проппанта перед проведением работ;
• необходимость поиска баланса между эффективной полудлиной, закреплённой высотой и закреплённой шириной трещины;
• мероприятия по снижению скорости оседания проппанта в низковязкой жидкости;
• применение практики контроля расхода в сочетании с оценкой эффективности жидкости, времени закрытия трещины, времени оседания проппанта;
• увеличение агрессивности дизайнов (увеличение конечной концентрации и размера проппанта при сохранении мультимодальности 2040/1620/1820, тоннажности) с учётом целей проведения ГРП;
• проведение работ с добавлением деградируемого волокна;
• оптимизация формулировки жидкости — снижение концентрации полимера, увеличение концентраций брейкера;
• кластерные ГРП на ПАА с деградируемым волокном и кварцевыми песками;
• гибридные работы, сочетание ПАА (буфер + проппантные стадии) и гуаровой системы (проппантные стадии).

Слово экспертам

Ильшат Тимкин, менеджер по развитию бизнеса ГРП ООО «ВЕЛЛПРОП»

«При формировании собственного подхода применения технологии, конечно, изучаем опыт зарубежных коллег. В целом полиакриламид уже довольно обширно используется, и применение жидкости ГРП на основе синтетики адаптировано к российским условиям. Сейчас идёт тиражирование на уже изученных геологических условиях месторождений РФ».

Дмитрий Конюхов, директор по развитию, направление нефти и газа ООО «СНФ Восток»

«В последнее время в отрасли всё больше распространяется ГРП с применением синтетических загеливателей, в основном полиакриламидов. Технология уже прошла широкую и убедительную апробацию на месторождениях РФ и СНГ и в настоящее время во многих случаях может успешно конкурировать с системами на гуаровой камеди.

Сейчас сложно строить точные прогнозы, но я думаю, что точно будет рост по использованию жидкостей на основе ПАА. Пока технология ещё оценивается с точки зрения долговременных эффектов, также отсутствует специализированное оборудование для подачи порошка полиакриламида».

Владимир Астафьев, ведущий эксперт по интенсификации добычи нефти и газа ООО «БурСервис»

«Низкопроницаемые коллекторы и нетрадиционные залежи являются основным объектом для проведения ГРП и МГРП на синтетических жидкостях. Для таких пластов нужно создание длинных трещин для максимизации зоны дренирования, и нет необходимости закачивать большие концентрации проппанта.

Важно учитывать пористость и проницаемость, температуру и давление, изменение смачиваемости порового пространства породы жидкостями ГРП, образование эмульсий при взаимодействии с пластовыми флюидами и набухание глинистых минералов при контакте с жидкостью гидроразрыва».

---

---

Текст: Андрей Халбашкеев.
Фото редакции PromoGroup Media.