Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2018
Ключевые слова: бурение, фильтрация, смачиваемость, наноэмульсии, наножидкости, нефтеотдача, продуктивный пласт, заводнение керна, кин, тяжелая нефть, кольматация, гидроразрыв
Аннотация: Нефтегазовая индустрия является одной из важнейших отраслей экономики России. Ее устойчивое развитие требует, с одной стороны, разведки новых месторождений, а с другой, рационального освоения уже существующих. В частности, требуется создание новых технологий увеличения нефтеотдачи уже разрабатываемых пластов, освоение ранее использПоказать полностьюовавшихся и законсервированных месторождений, бурение. Помимо этого, такие технологии должны увеличить нефтеотдачу разрабатываемых пластов, уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду. Одним из возможных и перспективных способов решения этих проблем является использование в широком смысле нанотехнологий.?Целью исследований, выполненных коллективом в этом году, является комплексное и систематическое изучение влияния добавок наночастиц различного размера и состава на температурную зависимость вязкости и реологических характеристик буровых растворов, изучение свойств эмульсий и наноэмульсий, изучение межфазного натяжения и смачиваемости растворов с наночастицами и наноэмульсиями, а также численное моделирования выноса шлама из горизонтальных скважин буровыми растворами с наночастицами и моделирование проникновения растворов с наночастицами в пласт.?За второй год проекта получены следующие результаты.?1. Получены результаты систематического экспериментального исследования температурной зависимости вязкости буровых растворов, модифицированных наночастицами различного размера и состава. Резкое изменение вязкости и реологических характеристик буровых растворов на водной основе при изменении температуры является негативным обстоятельством, затрудняющим их применение при бурении скважин в условиях высоких температур. Поэтому разработка буровых растворов, обладающих высокой температурной стабильностью является чрезвычайно актуальной задачей. В результате исследований было показано, что добавка наночастиц существенно влияет на температурную зависимость вязкости глинистых и глино-полимерных суспензий. Добавка наночастиц делает вязкость бурового раствора менее чувствительной к изменениям температуры. Так, для бурового раствора с 3 мас.% наночастиц оксида кремния размером 10 нм при повышении температуры с 25 до 80оС эффективная вязкость увеличивается примерно в 2,5 раза, в то время как для базового бурового глинистого раствора без наночастиц повышение вязкости при аналогичном увеличении температуры составляет около 10 раз. Было установлено, что с увеличением температуры влияние добавки наночастиц на вязкость буровых растворов снижается. Так, если при комнатной температуре добавка 3 мас.% наночастиц повышает вязкость глинистой суспензии примерно в 8 раз, то при температуре 80оС, это повышение составляет около 3 раз. Было показано, что размер наночастиц также влияет на температурную зависимость вязкости буровых растворов. В общем случае уменьшение размера наночастиц приводит к усилению зависимости вязкости раствора от температуры.?В целом по итогам этой части исследований было установлено, что вязкость модифицированных наночастицами буровых растворов менее подвержена влиянию температуры, что очень важно для их практического применения.?2. Получены результаты систематического исследования реологии разработанных буровых растворов в зависимости от температуры. Показано, что с увеличением концентрации наночастиц, действие температуры на реологические характеристики буровых растворов ослабевает. Так, например, было установлено, что при повышении температуры с 25 до 80оС предельное напряжение сдвига для базового раствора увеличивается примерно в 15 раз, в то время как для раствора, модифицированного 3 мас.% наночастицами оксида кремния размером 10 нм такое повышение составляет около 3 раз. Таким образом было показано, что добавка наночастиц делает реологические свойства глинистых буровых растворов более стабильными в зависимости от температуры. Было показано, что температурная зависимость реологических свойств исследуемых суспензий также значительно зависит не только от концентрации, но и от размера добавляемых наночастиц. Установлено, что с уменьшением размера наночастиц их влияние на температурную зависимость реологических параметров усиливается. ?3. Получены результаты систематического исследования вязкости и реологических свойств нескольких десятков эмульсий и наноэмульсий на углеводородной основе. Сегодня буровые растворы на углеводородной основе начинают широко применяться при бурении скважин. Данные растворы оказывают минимальное отрицательное воздействие на продуктивный пласт, имеют высокую взвешивающую и несущую способность для предотвращения накопления шлама в скважине, обладают повышенными смазочными свойствами. Поэтому дальнейшее совершенствование растворов на углеводородной основе очень актуально с практической точки зрения.?В ходе выполнения проекта было изучено влияние объемного содержания и вида базового масла в эмульсии, вида и концентрации эмульгатора, температуры и длительности ультразвуковой обработки на свойства получаемой эмульсии. В результате были подобраны необходимые реагенты и определены их оптимальные концентрации, разработана технология приготовления эмульсий с высокой коллоидной устойчивостью и температурной стабильностью. ?4. Получены систематические данные численного моделирования выноса частиц шлама из горизонтальных скважин буровыми растворами, модифицированными наночастицами. В настоящее время бурение наклонно-направленных скважин широко применяется при разработке нефтегазовых месторождений. Наряду с очевидными преимуществами таких скважин на горизонтальных участках возникают дополнительные сложности, требующие дальнейшего совершенствование буровых растворов.?В результате систематического моделирования, выполненного в данном проекте, исследованы зависимости эффективности выноса шлама и перепада давления в скважине от концентрации, размера и вида наночастиц, а также от скорости вращения буровой колонны, расхода бурового раствора и угла наклона скважины к горизонту. Исследование влияния добавок наночастиц в буровой раствор на эффективность транспорта шлама из горизонтальной скважины показало, что добавка наночастиц приводит к значительному улучшению промывки скважины (в 2,7 раз для двухпроцентной по массе концентрации наночастиц оксида кремния размером 10 нм). Было установлено, что с увеличением угла наклона скважины от вертикали положительное действие добавки наночастиц на эффективность выноса шлама возрастает. Кроме того, показано, что добавка наночастиц делает процесс транспорта шлама менее чувствительным к углу наклона скважины. Таким образом было показано, что добавка наночастиц в буровой раствор будет наиболее эффективна именно для горизонтально-направленных скважин.?5. Получены результаты расчетного исследования проникновения флюида с наночастицами в пористую среду на примере задачи вытеснения нефти. Анализ результатов моделирования показал, что добавка наночастиц в вытесняющую жидкость значительно влияет на процесс вытеснения нефти из пористой породы. В отличие от вытеснения нефти водой, которая продвигается по насыщенной нефтью породе в виде отдельных струек, наножидкость вытесняет нефть фактически однородным фронтом. В результате чего значительно повышается коэффициент извлечения нефти. Показано, что наносуспензия с 1 мас.% SiO2 размером 5 нм позволяет повысить КИН примерно в 2,15 раза по сравнению с водой. Анализ полученных данных позволил установить, что основной причиной увеличения КИН при вытеснении нефти наножидкостью является улучшение смачивания горной породы.?6. Получены результаты экспериментальных исследований межфазного натяжения и смачиваемости поверхности в системах: наноразмерная суспензия/нефть/горная порода, наноразмерная эмульсия/пластовая вода/горная порода, наноразмерная эмульсия/дистиллированная вода/горная порода, нефть/вода/горная порода, нефть/пластовая вода/горная порода. Эти данные имеют первостепенное значение в вопросах применения наноэмульсий и наносуспензий для повышения коэффициента извлечения нефти при заводнении пласта.?Показано, что на характеристики смачиваемости водо-нефтяных систем существенно влияет присутствие наночастиц. С увеличением концентрации наночастиц межфазное натяжение на границе нефть/наносуспензия снижается (в 1,7 раза при 1 мас.% наночастиц SiO2 размером 31 нм), а краевой угол для капли нефти на горной породе в наносуспензии, напротив, возрастает. При этом весьма существенно (с 71° до 153°). Кроме того, показано, что это влияние зависит от размера наночастиц. С уменьшением размера наночастиц краевой угол смачивания на границе нефть/наносуспензия/горная порода увеличивается, а коэффициент межфазного натяжения нефть/наносуспензия, напротив, уменьшается. Действие добавки наночастиц на смачиваемость поверхности горной породы нефтью в наносуспензии существенно зависит от материала горной породы. Анализ литературы показывает, что систематическое исследование влияния размера наночастиц на краевой угол смачивания и поверхностное натяжение системы нефть/наносуспензия/горная порода выполнены впервые. В результате исследований микро- и наноэмульсий было установлено, что с увеличением содержания масла в эмульсии значение краевого угла смачивания уменьшается. Исследования межфазного натяжения в системах наноэмульсия/вода и пластовая вода показали, что коэффициент межфазного натяжения увеличивается с увеличением содержания масла в эмульсии примерно в 2,3 раза. При низких содержаниях масла в эмульсии были получены аномально низкие значения коэффициента межфазного натяжения (3 мН/м). ?Таким образом, было установлено, что использование наносуспензий и наноэмульсий может радикально менять смачиваемость нефтью горной породы, что позволяет значительно повысить коэффициент извлечения нефти.?Совершенно очевидно, что полученные за это время результаты являются далеко не оптимальными. Наверняка можно подобрать такие параметры наночастиц, при которых эти результаты будут еще интереснее для практического применения. Поскольку, в отличие от суспензий с макро- и микроскопическими размерами частиц, свойства наносуспензий зависят от размеров и материала наночастиц и изменяются значительно уже при небольших их концентрациях. Это открывает широкую перспективу применения наночастиц для управления характеристиками буровых растворов и интенсификации нефтеотдачи при заводнении пласта.?