Глава 8 необходимость учета наноявлений для мониторинга разработки нефтяных залежей. Будущие нефтегазовые нанотехнологии

Традиционные математические модели много­фазной фильтрации в пористых средах основаны на крупномасштаб­ном описании пористых сред с характерным размером элемента по­ристой среды от сантиметра и более. Капиллярными эффектами как таковыми пренебрегается и считается, что они усреднено учитыва­ются в, так называемых, фазовых проницаемостях, которые различны для воды и нефти. Различие давлений в фазах за счет «учета» капил­лярного давления практически мало отличается от расчетов без тако­го учета. Определение зависимости фазовых проницаемостей от про­ницаемости коллектора и ПСС весьма сложная многопараметриче­ская задача. Но применение одинаковых фазовых проницаемостей для зон с различной проницаемостью и с разной ПСС означает пре­небрежение влиянием ПСС на КИН в гидродинамических расчетах .

Расчетные оценки в программных комплексах (ПК) по традиционным моделям без учета наноявлений будут давать иска­женные прогнозы КИН.

Наноявления смачивания определяют подвижность нефти и газа в заводненной части пластов.

Наноявления необходимо учитывать при созда­нии ПК для мониторинга разработки.

8.1. Влияние наноявлений в системе «нефть- газ- вода- порода» на кин

Учет влияния плотности сетки скважины показывает, что то большое число бездействующих скважин приводит не только к потере в суммарной текущей добыче, но и де­формирует запроектированные системы разработки, что, в свою оче­редь, ведет к уменьшению конечной нефтеотдачи пластов – КИН .

Рассмотрение эффективности и доразработки залежей показывает, что из-за значительно более низкого значения КИН довыработка нефтяного пласта с остаточной нефтью заводнением (да и с примене­нием нанотехнологии) будет намного менее рентабельна, чем целена­правленная добыча максимального объема нефти с самого начала разработки. Довыработка пласта заводнением с остаточной нефтью при таком КИН скорей всего производиться не будет. Возможно, по­этому остаточные запасы нефти в обводненных зонах в России состав­ляют десятки миллиардов тонн.

8.2. Необходимость наноочистки закачиваемой воды для повышения кин

Для эффективной разработки низко­проницаемых пластов необходимо очищать закачиваемую воду от наночастиц. Для этого придется применять нанофильтры или исполь­зовать другие нанотехнологии.

В России больше четверти запасов нефти находится в пластах с низкой проницаемостью. С учетом доли глиносодержащих коллекто­ров, которые становятся низкопроницаемыми при начале заводнения, доля низкопроницаемых коллекторов еще больше. Поэтому ситуация такова - для того, что добывать нефти в десятки миллионов раз больше 1 т, необходимо удалять из закачиваемой воды частицы размером в десятки миллионов раз меньше 1 м, т.е. наночастицы.

8.3. Будущие нефтегазовые нанотехнологии

Говоря о будущих технологиях в добыче нефти и газа надо под­черкнуть, что исследование наноявлений так активно развивается, что предсказать все новые направления применения нанотехнологии не­возможно. Но даже те результаты, которые известны уже сегодня, го­ворят о ряде новых направлений в технологиях разработки нефтега­зовых месторождений и удешевлении затрат на доведение углеводо­родов до товарной продукции.

Так, новые возможности транспорта газа появились в связи с возможным использованием явления сверхпроводимости. Как из­вестно, явление сверхпроводимости наступает тогда, когда провод­ник, обладающий соответствующими свойствами, помещается в сре­ду с температурой - 98°С и ниже. Эти условия достигаются, когда стержень, выполненный из специальной керамики или другого мате­риала, обеспечивающего сверхпроводимость, помещается в среду сжиженного метана. В этом случае можно по одному трубопроводу со стержневым сверхпроводящим материалом подавать без потерь электроэнергию и сжиженный газ. Такая технология позволит заме­нить значительное число газопроводов большого диаметра и линии электропередач на трубопровод малого диаметра, резко уменьшить потери энергии, улучшить управляемость потоками энергии и, есте­ственно, сэкономить огромное количество металла. Для реализации этого проекта необходимо подобрать материал для стержневой части трубопровода и решить проблему эффективной его изоляции.

Весьма перспективны так называемые «молекулярные нанотех­нологии», связанные с управлением структурными свойствами мик­родисперсных систем, базовые частицы которых образованы из срав­нительно небольшого числа макромолекул, обладающих способно­стью к самоассоциации. Отличительной особенностью ряда молеку­лярных нанотехнологии является отсутствие необходимости «силь­ных» воздействий на дисперсную систему (например, связанных с введением высоко активных химических реагентов, биологических субстанций, использованием физических полей высокой интенсивно­сти). В нефтегазовых средах естественным объектом воздействия мо­лекулярных нанотехнологии являются их дисперсные фазы, образо­ванные наноагрегатами асфальтено-смолистых веществ и микрокри­сталлами парафинов.

Исследования показали, что макроскопические эксплуата­ционные характеристики нефтегазовых сред (вязкость, плотность) могут претерпевать значительные скачкообразные изменения в ре­зультате микроструктурных фазовых переходов в нанодисперсных компонентах нефти. Подобные фазовые переходы могут быть индуцированы весьма слабыми (но специфическими) внешними воздействиями. Так, жидкие углеводородные среды, находящиеся при нормальных пластовых условиях, могут практически полностью те­рять текучесть после кратковременного повышения окружающей температуры на 7-10°С.

Молекулярный механизм потери текучести состоит в избира­тельной термоактивации защитных оболочек, образуемых молекула­ми смол вокруг молекулярных нанокластеров асфальтенов. Лишен­ные защитных оболочек, нанокластеры асфальтенов приобретают существенную поверхностную активность и начинают играть роль цементирующих агентов в образовании протяженного пространст­венного каркаса микрокристаллов парафинов, привлекающих моле­кулы более легких компонентов нефти. В результате подобных про­цессов жидкие углеводородные среды приобретают гелеподобные свойства. В ряде случаев может наблюдаться практическое отверде­вание таких сред.

Также в практике разработки нефтегазовых месторождений по­добные эффекты снижения текучести также могут иметь место при вытеснении нефтегазовых флюидов к добывающим скважинам в тер­мически неоднородных коллекторах. Предварительный анализ имеющихся геофизических данных показал, что термические неодно­родности, способные оказать влияние на стабильность нанодисперс­ных фаз нефтей и привести к потере подвижности пластовых флюи­дов, могут достаточно часто встречаться, например, на разрабатывае­мых месторождениях Татарстана. В практическом плане «молекуляр­ная нанотехнология» предотвращения вышеупомянутых нежелатель­ных эффектов снижения подвижности нефти может состоять в опти­мизации взаимного расположения нагнетательных и добывающих скважин.

Для предотвращения таких эффектов потери текучести, когда они не желательны, необходим строгий учет температуры закачиваемой воды, имеющей разную температуру зимой и летом, особенно в северных условиях. Эффекты потери текучести, кроме отрицательного влияния на разработку, могут быть использованы для улучшения разработки, например, для решения вопросов водоизоляции обвод­ненных пластов, тем более, что остаточные нефти имеют большую вязкость и содержат больше тяжелых компонентов, чем нефть в на­чальном состоянии пластов.

Нанотехнологии могут также помочь в разработке новых мето­дов измерений. Крошечные по размерам датчики можно разместить на любом оборудовании, в том числе и подземном. Тем самым, мож­но резко повысить количество и качество информации о продуктив­ном пласте.

Э.Дрекслер в своей книге «Машины создания или грядущая эра нанотехнологии» выдвинул научную идею о создании и исполь­зовании программируемых механизмов или машин, имеющих наноразмеры. Такие механизмы получили название «нанороботы», ма­шины по сборке из отдельных атомов и молекул различных объектов, предварительно заданных человеком.

На популярном сайте Интернета Wired.com в одной из статей утверждается, что нанороботы будут патрулировать поры и каналы нефтяных и газовых пластов, следить за потоками углеводородов и решать, как улучшить нефтеотдачу пласта. Находящиеся в разных частях пласта нанороботы будут обмениваться информацией. Они будут управлять друг другом и решать, в каких зонах нужно увели­чить отбор нефти, а в каких увеличить объем закачиваемой воды или другого рабочего агента. Более того, концепцию нанороботов отстаи­вают ряд авторов и на последних конференциях нефтегазового про­филя.