CC BY
113
И.А. Сагидуллин, В.Н. Поляков, С.А. Блинов Наноматериалы в нефтегазодобыче: разработка и опыт внедрения
УДК: 622.276
И.А. Сагидуллин, В.Н. Поляков, С.А. Блинов
ООО «КВАРЦ», Азнакаеео, [email protected]
НАНОМАТЕРИАЛЫ В НЕФТЕГАЗОДОБЫЧЕ: РАЗРАБОТКА И ОПЫТ ВНЕДРЕНИЯ
В статье на примере анализа результатов применения в процессе бурения конкретной технологии упрочнения стенок скважины раскрываются перспективы применения наноматериалов (в частности, модифицированных кремнеземов) в нефтегазодобывающей отрасли.
Ключевые слова: наноматериалы, нанотехнологии, модифицированный дисперсный кремнезем «Кварц», гид-рофобизация, упрочнение стенки скважины.
ООО «КВАРЦ» учреждено в г.Азнакаево Республика Татарстан в декабре 1999 г. Именно тогда, более 10 лет тому назад, перед Обществом была поставлена задача исследовать и рассмотреть возможность применения в нефтегазодобывающей отрасли не столь популярных, как в настоящее время, наноматериалов и нанотехнологий.
Под термином «нанотехнология» понимают создание и использование материалов, устройств и систем, структура которых регулируется в диапазоне размеров атомов, молекул и надмолекулярных образований. Т.е. под термином «нанотехнология» понимают умение работать с такими объектами. Исследования последних лет продемонстрировали важную роль наноструктур в различных областях науки и техники (физика, химия, материаловедение, биология, медицина и т.д.). Почти во всех промышленно развитых странах были определены национальные приоритеты в области нанонауки и нанотехнологий (Нанотехнология в ближайшем десятилетии..., 2002) .
Нанотехнологический подход, означающий целенаправленное регулирование свойств объектов на молекулярном и надмолекулярном уровне (1 - 100 нанометров) может быть применен и в области добычи нефти и газа.
В качестве примера, на базе адаптации истории разработки элемента одного из нефтяных месторождений в Волго-уральском регионе, было исследовано влияние плотности сетки скважин (ПСС) и условий вытеснения нефти на коэффициент извлечения нефти (КИН) и темп разработки (Табл. 1).
Уменьшение ПСС на этом объекте значительно влияет
Рис. 1. Диаграмма замера давления в затруб-ном пространстве в процессе спуска-подъема бурового инструмента и про-мыгвки горизонтального ствола скважиныы №2880. I - Спуск инструмента е еертикалъной части стеола скеажины; II - ремонт оборудоеа-ния; III - спуск инструмента е участке набора зенитного угла и горизонталъного стеола; IV - промыгека с расхажиеанием бу-роеого инструмента; V - подъем инструмента из горизонталъного стеола и участка набора зенитного угла; VI - подъем инструмента е еертикалъном участке; А - 20,7 МПа - еосстаное-ление циркуляции; Б - 16,9 МПа - промыгека с расхажиеанием.
на КИН - уменьшение ПСС с 51-104 м2/скв до 35 104 м 2/скв приводит на этом участке к увеличению КИН с 0,34 до 0,46. И темп разработки увеличивается с 5,1 % до 6,5 %. Уплотнении ПСС с 51-104 м2/скв до 35-104 м2/скв позволяет почти достигнуть утвержденного КИН - достигаемый КИН увеличивается с 70% до 95 % от утвержденного КИН. Уменьшение капиллярного гистерезиса на 20% позволит практически достичь утвержденных параметров разработки (97% от утвержденного КИН) (Хавкин, 2006).
Известно, что основным методом разработки нефтяных месторождений является заводнение. При этом макропараметры нефтевытеснения определяются величиной капиллярного гистерезиса в системе «нефть-вода-порода». Величина капиллярного гистерезиса зависит от смачивающих свойств поверхности пород, определяемых зарядовыми взаимодействиями (Хавкин, 2006; 2007).
Одним из способов изменения смачивающих свойств поверхности коллекторов является обработка их суспензиями модифицированных кремнеземов, на которых хотелось бы остановиться подробнее.
Известно, что за счет своего наноразмера и возможности изменения физико-химических свойств поверхности нанопорошки на основе оксида кремния обладают рядом уникальных свойств и нашли свое применение в различных областях народного хозяйства: от фармакологии до технологий ВПК.
На первом этапе задача Общества состояла в подборе модификаторов, разработке рецептур и технологий моди-
Рис. 2. Вскрытие продуктивного пласта по стандартной технологии (А) и с применением МДК «Кварц» (Б). А) 1.
Происходит ка-еернообразоеание. 2. Происходит загрязнение призабойной зоныг филътратами с микрочастицами буроеого растеора. 3. Поглощение буроеого (цементного) растеора. 4. Происходит салъ-никообразоеание. 5. Сущестеует еозможностъ межпластоеыгх перетокое. Выгсокая еероятностъ получения незапланироеан-ной продукции при осеоении скеажин. Б) 1. Сохраняются коллекторские сеойстеа продуктиеныгх пластое, за счет упрочнения стенки скеажиныг, уменъшения толщиныг филътрационной корки и зоныг проникноеения филътрата промыгеочной жидкости. 2. Поеыгшается герметичностъ заколонного пространстеа и качестео разобщения флюидонасыгщенныгх пластое. 3. Уеели-чиеается суточныгй дебит нефти и безеодныгй период эксплуатации скеажиныг. 4. Кратно сокращается срок и затратыг на осеоение скеажиныг.
^ научно-технический журнал
Георесурсы з (39) 2011
И.А. Сагидуллин, В.Н. Поляков, С.А. Блинов Наноматериалы в нефтегазодобыче: разработка и опыт внедрения
фикации оксидов кремния с чистотой 99-100%, размерами отдельных частиц от 4-5 нанометров и с высокой удельной поверхностью (до 440 м2/г) с целью их эффективного внедрения в технологиях строительства и эксплуатации скважин. На втором этапе - в освоении и промышленном выпуске собственного наноматериала под торговой маркой « КВАРЦ», в разработке и внедрении технологий с применением модифицированного дисперсного кремнезема (МДК) «Кварц» (Поляков и др., 2003), сертифицированного в соответствии с принятыми в РФ требованиями.
При этом удалось реализовать основное преимущество собственного производства - максимально адаптировать выпускаемый продукт к потребностям заказчиков и получать МДК «Кварц» с заранее требуемыми, заданными свойствами.
В изучении и проверке физико-химических свойств МДК «Кварц» и его взаимодействия с различными реагентами и технологическими жидкостями принимали участие ведущие отраслевые институты и региональные научные центры РФ. Исследованиями размеров частиц МДК «Кварц» установлено, что они характеризуются значительно меньшими размерами, чем размеры поровых каналов коллекторов нефти и газа. Это предопределяет их возможность проникновения в поровое пространство, что подтверждено порометрическими исследованиями и изменениями физико-химических свойств и взаимодействий поверхности порового пространства с жидкостями, содержащихся в нефтегазонасыщенных коллекторах.
Проведенным комплексом экспериментальных исследований установлено, что основными физико-химическими эффектами при применении МДК «Кварц» в различных процессах нефтедобычи являются: изменение поверхностных сил (смачиваемости); физическая и химическая очистка поверхности поровых каналов; расширение области существования эмульсий; регулирование степени взаимодействия пластовых флюидов с поверхностью поровых и порово-трещинных коллекторов; увеличение се-диментационной устойчивости сложных многокомпонентных суспензионных систем;
Таким образом, МДК «Кварц» является уникальным продуктом, обладающим полифункциональными свойствами и может использоваться в виде различных суспензий и эмульсий, как на углеводородной, так и на водной основе, в зависимости от назначения технологии и сути решаемых проблем. Глубокое изучение физико-химических свойств, а так же особенностей взаимодействия МДК «Кварц» с различными жидкостями позволили создать технологии, которые могут быть использованы в очень широком диапазоне нефтегазопромысловой практики от первичного вскрытия пластов коллекторов нефти и газа до методов увеличения нефтеотдачи (Поляков и др., 2003). Остановимся, для примера, на одном из них подробнее.
Технология упрочнения стенки скважины при бурении. Устойчивая тенденция неуклонного роста сложности геолого-технических условий строительства и эксплуатации скважин природного и техногенного происхождения негативно отражаются на показателях их качества и эффективности (Нанотехнология в ближайшем десятилетии, 2002). Характерной особенностью технологических операций, проводимых в скважине, является нестационарность гидравлического состояния и поведения системы
Технологии КИН Прирост КИН Темп разработки, %
База
ПСС = 51-104 м^скв 0,340 0,0 5,1
Макротехнологии
ПСС = 42-104м2/скв 0,407 6,7 6,0
ПСС = 35-104 м2/скв 0,462 12,2 6,5
Нанотехнологии
Уменьшение капиллярного гистерезиса на 10 % 0,413 7,3 5,5
Уменьшение капиллярного гистерезиса на 20% 0,466 12,6 5,9
Табл. 1. Влияние макротехнологий и нанотехнологий на разработку нефтяного месторождения.
«скважина - массив горных пород», контроль и регулирование которых остается одной из главных проблем в технологии буровых работ. Происходящие при этом процессы интенсивного гидравлического и физико-химического взаимодействия флюидонасыщенных пластов и неустойчивых горных пород, нарушая технологию, приводят к различного рода осложнениям, что, в конечном счете, приводит к раннему и прогрессирующему обводнению скважин, нарушению систем разработки нефтегазовых залежей и снижению интегрального показателя - коэффициента извлечения нефти. Характерные проявления нестационарности гидравлических условий при «равновесном» бурении скважины в процессе производства различных операций представлены на рис. 1.
Анализ публикаций отечественных исследований (Поляков и др., 2003; Поляков, Вахирев, Ипполитов, 2003; Сагидуллин, Поляков, 2009; Катеев, 2005) и изучение промыслового опыта в данной области показывают, что основной причиной осложнений является активная гидродинамическая связь скважины с вскрываемым комплексом проницаемых пород. Такая трактовка предопределяет дальнейшее направление решения проблемы - необходимость совмещения процесса вскрытия проницаемых пород с процессом их гидроизоляции (Ишкаев и др., 1999).
На этом основании, в ООО «Кварц» модифицирован и находит успешное применение «Метод гидромеханического упрочнения ствола в процессе бурения скважин» (Сагидуллин, Поляков, 2009). Эффективная гидроизоляция ствола достигается за счет совмещения процессов бурения и кольматации стенок скважины через гидромониторную насадку в наддолотном переводнике, реализации кинетической энергии струи и механизма «расклинивающего» давления, применения в глинистых (полимерглинистых, малоглинистых) буровых растворах МДК «Кварц».
Преимущества и недостатки традиционной и модифицированной технологий приведены в подписи к рис. 2.
Промысловый опыт показал, что применение МДК:
- усиливает качество закольматированного гидроизолирующего экрана с одновременным снижением толщины глинистой корки;
- повышает гидромеханическую прочность ствола до градиента горного давления (0,020-0,023 МПа/м);
- снижает коэффициент приемистости проницаемых пород до (0,01-0,015)-10-2 м 3/(с-МПа) при действии репрессий;
- при действии депрессий герметичность ствола сохраняется в терригенных отложениях при 2-4 МПа, в карбонатных - 3-5 МПа (Нанотехнология в ближайшем деся-
3 (39) 2011
^научно-технический журнал
Георесурсы шяшк
И.А. Сагидуллин, В.Н. Поляков, С.А. Блинов Наноматериалы в нефтегазодобыче: разработка и опыт внедрения
№21030
Рис. 3. Материалы геофизических исследований опытных (№№ 22079, 28976) и базовых (№ 22080) скважин. 1 - диаметр ствола (каверномер) ДС; 2 -начало обработки скважины МДК “Кварц"; зона А - зона управляемой кольматации; зона Б - зона неуправляемой кольматации.
тилетии, 2002; Хавкин, 2006).
Получаемые гидроизолирующие характеристики защитного экрана позволяют производить гидромеханическую опрессовку ствола для оценки его технического состояния в процессе бурения скважины и значительно повысить качество ее подготовки к креплению (Рис. 4).
Кроме того, проведенные исследования (Сагидуллин, Поляков, 2009) по изучению МДК «Кварц» в составе гли-
Рис. 4. Результаты комплексной интерпретации и сопоставление с эксплуатационными данными по скважине №29020 Ро-машкинского месторождения. Обработка скважины №s29020 по технологии упрочнения стенки скважины позволяет сохранить высокие значения продуктивности (прод.) вскрываемых коллекторов.
нистых буровых растворов совместно с полученными практическими результатами показывают, что наличие кремнеземов значительно повышает качество самой глинистой корки, снижает степень набухания глин и скорость капиллярного всасывания жидкости.
Современные рыночные отношения и условия разработки большинства нефтяных месторождений требуют от компаний обеспечения эффективности капитальных вложений на строительство скважин за счет увеличения, в частности, дебитов по нефти на новых скважинах, что в высокой степени зависит от сохранения коллекторских свойств при первичном вскрытии продуктивного пласта (Рис. 4). С этой целью в ОАО «Татнефть» в 2001 г. была принята программа по опробованию и массовому внедрению новых технологий бурения и вскрытия продуктивных пластов. При их оценке специалистами «ТатНИПИнефть» было отмечено, что максимальной эффективностью обладает «Технология вскрытия продуктивных пластов с кольмататором и МДК «Кварц» (Ахмади-шин, Фаткуллин и др., 2005).
Значительные усилия и финансовые средства, направляемые ООО «КВАРЦ», на проведение различного рода НИР и НИОКР по заявкам ОАО «Татнефть», АНК «Башнефть», ОАО «Газпром», НК «Роснефть» для изучения физико-химических свойств МДК «Кварц» и оценке перспективности внедрения различных технологий с их участием существенно повысили как качество самих выпускаемых кремнеземов, так и эффективность технологий.
На текущий момент времени Обществом по разработанным технологиям с использованием МДК «Кварц» обработано около 2000 скважин в основном, в регионах Ура-ло-Поволжья. Отдельным блоком идут работы на обьек-тах ОАО «Г азпром» на Астраханском газоконденсатном месторождении и работы в странах СНГ (Казахстан и Узбекистан). При этом понятно наше нереализованное желание максимально использовать накопленный опыт работ и интеллектуальный потенциал в технологиях МУН и ПНП в первую очередь на родной земле, на территории Республики Татарстан, которая в ближней и долгосрочной перспективе будет оставаться крупной и перспективной сырьевой базой в топливной индустрии РФ.
Считаем, что максимальное вовлечение в экономический оборот инновационного потенциала, в том числе и с использованием наноматериалов, внедрение новых технологий, направленных как на увеличение коэффициента извлечения нефти, так и на эффективное вскрытие продуктивного пласта при обязательном условии объективности оценки их эффективности является одним из безусловных драйверов повышения конкурентоспособности нефтяной отрасли республики.
^ научно-технический журнал
Георесурсы з (39) 2011
И.А. Сагидуллин, В.Н. Поляков, С.А. Блинов Наноматериалы в нефтегазодобыче: разработка и опыт внедрения
Окончание статьи И.А. Сагидуллина, В.Н. Полякова, С.А. Блинова «Наноматериалы в нефтегазодобыче...»
Литература
Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований. Под ред. Роко М.К., Уильямса Р.С., Аливато-са П. М.: Мир. 2002. С.292.
Ахмадишин Ф.Ф,Фаткуллин Р.Х и др. Результаты применения технологии заканчивания скважин при их строительстве. Нефть и Жизнь. 2005. №3 (15). С.45.
Катеев Р.И. Крепление скважин в аномальных гидродинамических условиях разработки месторождений. М.:Наука. 2005. С.168.
Поляков В.Н,. Кузнецов Ю.С., Сабиров М.Г., Сагидуллин И.А. и др. Реагент МДК «Кварц» в технологических процессах строительства и эксплуатации скважин. Нефтяное хозяйство. № 8. 2003. 130-132.
Поляков В.Н, Вахирев В.И, Ипполитов В.В. Системные решения технологических проблем строительства скважин. ООО «Недра-Бизнесцентр». 2003. С.240.
Сагидуллин И.А., Поляков В.Н. Метод гидромеханического упрочнения ствола - основа системного совершенствования технологий строительства и эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Нефть.Газ.Новации. 2009. №10. 39-42.
Сагидуллин И.А., Султанов И.К., Блинов С.А. Модифицированные кремнеземы в технологиях водоизоляции. Нефть.Газ.Новации. 2010. №6. 69-71.
Хавкин А.Я. Нанотехнологии нефтеизвлечения. М.: Спутник+. 2006. С.16.
Хавкин А.Я. Нанотехнологии в добыче нефти. Нефтяное хозяйство. № 6. 2007. 58-60.
Ишкаев Р.К., Исангулов К.И., Хусаинов В.М., Хаминов Н.И. и др. Способ упрочнения стенки скважины при бурении. Патент РФ. №2153572. РД 153-39.0-370-2004. 1999.
I.A. Sagidullin, V.N. Polyakov, S.A. Blinov. Nanomaterials in oil and gas production: exploitation and the experience of industrial introduction.
In this paper application of nanomaterials (in particular modified silicon oxide) in oil and gas exploration and production sector on the example of concise technology of borehole wall hardening is considered. Results of such technology application during drilling process and test analysis are presented.
Key words: nanomaterials, nanotechnology, modified silicon oxide «Quartz», rendering hydrophobic, borehole wall hardening.
Илдус Абудасович Сагидуллин директор ООО « КВАРЦ». Научные интересы: модифицированные кремнеземы, методы повышения нефтегазоотдачи пластов, водоизоляционные технологии.
Владимир Николаевич Поляков д.т.н, профессор. Научные интересы: профилактика и борьба с осложнениями при строительстве скважин.
Сергей Алексеевич Блинов зам. директора ООО « КВАРЦ» по научной части, к.т.н. Научные интересы: изучение физики пласта,физико-хими-ческие методы повышения нефте- газоотдачи пластов.
423330, Республика Татарстан, г.Азнакаево ,ул Хасан-шиной, д.16. Тел./факс: (85592)779-85; (85572)55-702.
3 (39) 2011
^научно-технический журнал
Георесурсы К4Ш
