Ученые СПбГУ нашли способ удешевить нефтедобычу
Брызжущая из‑под земли нефть, счастливые измазанные лица нефтяников — забудьте. Всю легкую в добыче нефть мы по большому счету выкачали, остаются так называемые трудноизвлекаемые запасы. Ученые ищут способы сделать их «менее трудноизвлекаемыми».
Профессор Тихомиров с помощью воды, масла и жидкости для мытья посуды показывает процесс нефтедобычи. Кстати, в Сети выложен бесплатный вебинар для школьников, он так и называется: «Как добывать нефть в домашних условиях». / Фото автора
Фрактальные фигуры
Вот как добывали нефть раньше. Есть месторождение, допустим, размером 10 на 10 км, где нефть залегает на глубине 2 км. Бурим скважину, толща земли давит на нефть, та поднимается по скважине — получаем черный фонтан и счастливого забрызганного нефтяника.
Вот как обстоят дела сейчас. Нефть в пласте еще есть, но ее приходится буквально подталкивать «к выходу». Чтобы она поднялась из добывающей скважины, нужно в другую, нагнетательную, что‑то закачать. Самое дешевое — воду. Но с этим трудности: из‑за большой разницы в вязкости жидкостей вода прорывается сквозь нефть. Делает она это очень красиво, образуя причудливые фрактальные фигуры. Вы могли видеть подобные, скажем, при электрическом пробое диэлектрика — проще говоря, при ударе молнии.
Наибольшую известность этот феномен получил под названием «ячейка Хеле-Шоу»: в узком зазоре между стеклами менее вязкая жидкость распределяется сложными ветвистыми структурами. Внешне эти фигуры похожи на лучи снежинок или на кораллы, но нефтяников такие художества только раздражают. Наверное, поэтому им дано неизящное название «вязкие пальцы». Как только самый быстрый «палец» прорывается к добывающей скважине — считай, мы уже добываем не нефть, а воду.
Дорогого «киселя» хлебать
Чтобы этого не происходило, в мировой нефтедобыче для «подталкивания» нефти применяют более вязкие, чем вода, жидкости. Например, водорастворимый полимер. Профессор СПбГУ Сергей Тихомиров называет его «киселем»: действительно, большинство полимеров основано на полиакриламиде, а он используется и в кулинарии.
Но такой «кисель» очень не дешев. Если подталкивать «черное золото» только им, нефтедобыча сильно дорожает, а то и вовсе становится нерентабельной. Поэтому закачивают некое рассчитанное количество «киселя» в определенной концентрации, а потом вновь запускают воду, которая двигает этот химраствор по пласту.
Проблема в том, что и тут вода норовит прорваться, теперь уже сквозь вязкий полимерный раствор. Снова появляются «вязкие пальцы», хоть и вызванные другими физическими процессами. Когда вода проходит сквозь полимерный слой, он перестает двигаться и подталкивать нефть к добывающей скважине. Опять двадцать пять.
Отсюда два вопроса. Сколько должно быть «киселя», чтобы нефтедобыча все же оставалась рентабельной? И есть ли хитрый способ уменьшить количество полимеров, не прогадав в нефтедобыче?
Вот над этим и думали ученые Лаборатории имени П. Л. Чебышева СПбГУ, Математического института имени Леонарда Эйлера и Политеха — вместе со специалистами компании «Газпром нефть». С ней у Лаборатории Чебышева СПбГУ давняя дружба. Начиналось со спонсорства по программе социальных инвестиций «Родные города», а с 2016 года сотрудничество распространилось на научно-техническую сферу. Конкретно эта задача звучала в духе «изучить методы извлечения нефти и подумать, как их улучшить».
Подрезать углеродный след
Обычно математики при расчетах необходимого количества полимеров учитывают в формулах только скорость самого быстрого «вязкого пальца». Логично: полимер нагнетается один раз, в определенной концентрации и в определенном количестве, а за ним следует вода. Поэтому важно, как быстро она прорвется сквозь полимер. То, что творится «в хвосте» (или, как говорят, на заднем фронте) полимера, где его уже подпирает вода, в формулах не учитывают. Это просто ни к чему.
А нашим оказалось «к чему». Профессор Сергей Тихомиров объясняет: можно закачать полимер иначе — не однократно, а поэтапно, постепенно понижая вязкость. Сначала нагнетаем «кисель» нужной концентрации, но в меньшем количестве. А потом заливаем не воду, а снова полимер, но уже в меньшей концентрации. И лишь на самом последнем этапе «подталкиваем» водой.
Фокус не в самой идее. Она была известна. Фокус — в способе расчета оптимальной концентрации. Для этого и понадобилось учитывать не только скорость самого быстрого «пальца», но и происходящее «в хвосте».
Эту модель проверили на полимерах разных вязкостей. Работает. Если визуально, то работает она так: «вязкие пальцы» становятся менее выраженными — куда менее красивыми (тут если и «снежинка», то изрядно подтаявшая и бесформенная), зато нефть к скважинам вытесняется более равномерно.
Такой метод позволяет снизить расходы на химреагенты до 17 %. Модель — часть коммерческого проекта, поэтому подробностей не раскрывают, но поскольку метод масштабируется на все месторождения, планируют получить многомиллионную экономию. К тому же технология может пойти на экспорт: формула применима для вычисления нужного соотношения «киселя» и воды в разных условиях, в том числе на месторождениях в других странах.
Еще преимущества — не требуются сложные вычисления на суперкомпьютерах. И «способ, безусловно, экологичнее традиционного, потому что мы будем использовать меньше полимера», — комментирует Сергей Тихомиров. Экологичность, правда, косвенная: если нужно использовать меньше полимеров, то можно сократить самый грязный этап, их производство. А значит, уменьшить «углеродный след».
Пока это только теоретические расчеты: должны пройти лабораторные исследования, испытания на тестовом полигоне. А пока профессор Тихомиров хоть школьникам, хоть журналистам, хоть представителям нефтяной отрасли доступно показывает действие модели с помощью подручных материалов. Роль нефти выполняет оливковое масло (именно оно больше всего похоже на нефть, не подсолнечное), в роли полимеров выступает что‑нибудь крахмальное (да хоть и вправду густой кисель). В роли воды — вода, но подкрашенная для наглядности.
Материал опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» № 17 (7100) от 01.02.2022 под заголовком «Средство от «вязких пальцев»».
Комментарии