4 сент. 2024 г.
Учёные Института нефти и газа Сибирского федерального университета изучили влияние нанодобавок на смачиваемость, межфазное натяжение и скорость капиллярной пропитки специальных гелей, которые используются в нефтедобыче для гидроразрыва нефтеносного пласта.
Наночастицы улучшают качество таких гелей — защищают от высоких температур, делают ещё более вязкими, помогают легче проникать в пласт. Кроме того, нанодобавки дешевле и экологичнее традиционных химических реагентов для фрекинга.
Гидравлический разрыв пласта (ГРП, фрекинг) — один из методов усиления работы нефтяных и газовых скважин. В пласте создаётся высокопроводимая трещина, чтобы усилить приток добываемого ископаемого (газа, воды, нефти или их смеси) к скважине. В результате применения технологии отдача скважины значительно возрастает. Зачастую таким способом «оживляют» простаивающие скважины, где добыча стандартными способами стала невозможной и нерентабельной. Также гидравлическому разрыву пласта подвергают новые скважины, где стандартная добыча затруднена.
Разрыв пласта делают с помощью специальных жидкостей. Например, сшитых полимерных гелей. Такие гели нагнетают в скважину под большим давлением, в результате чего происходит разрыв горной породы, появляются новые трещины и каналы, через которые углеводороды могут двигаться в пласте к добывающей скважине.
Добавка в гели сферических наночастиц оксида кремния и оксида алюминия, одностенных углеродных нанотрубок, а также нановолокон оксида алюминия может значительно улучшить приток нефти из пласта в нефтяную скважину после проведения гидроразрыва пласта. Такой способ интенстификации нефтедобычи экономически выгоден — он позволяет отказаться от дорогостоящих химических реагентов, которые обычно используются в процессе приготовления жидкостей для гидроразрыва пласта. Также добавки из наночастиц более экологичны, чем традиционные химические добавки.
Сшитые гели готовятся из типичного гелеобразователя — биополимера гуаровой камеди, который смешивается с тетраборатом натрия в глицерине, так происходит «сшивка» геля. Готовый сшитый гель для гидроразрыва пласта очень напоминает по консистенции популярное у детей развлечение — слаймы, вязкие желеобразные игрушки. Мы добавляли в эту гелевую основу разные наночастицы, в частности, оксидов кремния и алюминия. Также проверили углеродные нанотрубки и нановолокна оксида алюминия. Размер частиц — от 11 до 216 нанометров. Массовая концентрация нанодобавок в гелях варьировалась от 0,01 до 0,8 %,— сообщил старший преподаватель кафедры бурения нефтяных и газовых скважин СФУ Владимир Жигарев.
Учёных интересовало, как влияет размер, концентрация, материал и форма частиц на свойства жидкостей ГРП, и какие нанодобавки делают сшитые гели максимально эффективными.
Оказалось, что добавка наночастиц в малых концентрациях ухудшает смачиваемость гелей при взаимодействии с горной породой и увеличивает межфазное натяжение, а при больших концентрациях, наоборот, улучшает смачиваемость и снижает поверхностное натяжение. При прочих равных условиях наночастицы оксида кремния оказывают большее влияние на характеристики смачиваемости и межфазное натяжение по сравнению с наночастицами оксида алюминия. Также учёные установили, что добавка одностенных углеродных нанотрубок значительно влияет на смачиваемость (увеличивают водоотталкивающие свойства) и увеличивает межфазное натяжение на 30 % даже при очень малых концентрациях 0,05–0,1 %.
В целом наночастицы значительно улучшают свойства сшитых гелей — спасают их от разрушения под действием высоких температур, помогают лучше проникать в трещины и делают ещё более вязкими.
При введении нанодобавок смачивание сшитых гелей ГРП уменьшается, а межфазное натяжение растёт. Значит, растёт и скорость капиллярной пропитки — гель быстрее проникает в пласт. Если добавить наночастицы подходящего размера в оптимальной концентрации в гель, он станет более подходящим под конкретные пластовые условия, приобретёт нужную вязкость или станет термоустойчивее. Если использовать малые добавки наночастиц (0,2 масс. %), можно значительно снизить количество дорогостоящих химических реагентов, которые используются при приготовлении жидкостей ГРП со схожими характеристиками,— отметил Владимир Жигарев.
Учёные отметили, что для выхода усовершенствованных нанодобавками гелей ГРП на рынок нефтедобычи нужно провести опытно-производственные испытания в полевых условиях на настоящем пласте, чем и планируют заняться исследователи в ближайшем будущем.
Кстати, помимо уменьшения расходов на химические реагенты и улучшения притока нефти из пласта к скважине сшитые гели, «улучшенные» наночастицами оксидов кремния и алюминия, а также нановолокнами алюминия, могут снизить экологическую нагрузку нефтедобывающих кластеров на природу.
Исследование поддержано Российским научным фондом (грант № 23-79-30022).
Источник фото: https://news.sfu-kras.ru/node/29066
Личный кабинет