Доля трудноизвлекаемой нефти в России стремительно растет: если в 2010 году она составляла около 20%, в 2025 году поднялась до 63%, а к 2050 году, по прогнозам, достигнет 87%. Старые «легкие» месторождения постепенно истощаются, а новые открываются в более сложных условиях. Нефть там залегает в плотных породах, и сама не течет к скважине — ее приходится буквально выдавливать из камня, поэтому ее и называют трудноизвлекаемой.
Для добычи такого сырья породу искусственно раскалывают — метод называется гидроразрывом: в скважину под высоким давлением закачивают жидкость, которая создает трещины. Но как только напор падает, разломы начинают закрываться. Чтобы этого не произошло, вместе с жидкостью закачивают крошечные твердые частицы — пропант, которые остаются внутри как распорки и не дают стенкам сомкнуться.
Жидкость-носитель должна быть густой, иначе «песчинки» будут неравномерно распределены в потоке, поэтому ее превращают в гель. Он доставляет частицы в трещины, но после этого сам становится помехой: забивает поры и перекрывает нефти выход. Чтобы убрать этот гель, используют химические разрушители. Если добавить их сразу, состав потеряет вязкость еще в процессе закачки, и песчинки не достигнут цели. Поэтому разрушитель помещают в капсулы с отсрочкой, которые активируются только после закрепления частиц на месте. Обычно их делают из пластика.
Проблема в том, что на нужной глубине четырех–пяти километров (именно там сосредоточены основные трудноизвлекаемые запасы) — экстремальные условия: температура доходит до 150°C, а давление сравнимо с тем, что на дне океана. В такой среде пластик размягчается, и многие из этих оболочек теряют герметичность или разрушаются раньше времени. К тому же при производстве они склонны слипаться — это мешает равномерно покрыть каждую защитным слоем: на одних местах слой получается слишком тонким, на других — слишком толстым, и изделия работают нестабильно. В итоге существующие решения часто не справляются с задачей в сложных скважинах.
Китайские ученые совместно с коллегами из Пермского Политеха создали капсулы-разрушители, которые работают там, где пластик выходит из строя. Они выдерживают температуру до 150°C и давление 50 мегапаскалей (как на глубине пять километров), высвобождаются ровно в нужное время и стоят в несколько раз дешевле пластиковых аналогов. Исследование опубликовано в международном журнале Construction and Building Materials.
Такой результат стал возможен благодаря особому материалу — геополимерной керамике. Ее получают из глинистого сырья и отходов металлургии, добавляя специальные вещества для затвердения и обжигая при 800–900 градусах. После этого керамика становится твердой как камень, не плавится, не деформируется и сохраняет прочность в самых жестких условиях. При этом материал позволяет создавать полые микросферы с контролируемой пористостью — именно это и нужно для капсулы с отсрочкой.
— Из геополимерной керамики сделали полые микросферы. Затем под вакуумом в заготовки добавили концентрированный раствор разрушителя — так достигли вмещающей способности почти 37% активного вещества. Это отличный показатель для реального производства: он сопоставим с лучшими лабораторными образцами. Сверху микросферы покрыли тонким слоем фенольной смолы с добавлением кремнеземной пудры, — поясняет Сергей Чернышов, заведующий кафедрой «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, доктор технических наук.
Сергей Чернышов / © Пресс-служба ПНИПУ
Керамическая капсула пористая — без покрытия вода проникнет внутрь мгновенно, и разрушитель выйдет сразу. Чтобы получить отсрочку, микросферы покрывают тонким слоем смолы. Исследователи перебрали несколько видов. Эпоксидная не подошла: внутри капсулы со временем образуется перекись водорода (она появляется при разложении разрушителя), которая разъедает покрытие — оно трескается, и состав выходит раньше времени. Акриловая смола тоже плохо работает при нагреве: она не может надежно удерживать разрушитель внутри, и он выходит слишком быстро. Лучшей оказалась фенольная смола — она не разъедается, не размягчается при 150°C и давлении 50 мегапаскалей и удерживает содержимое ровно столько, сколько нужно.
При производстве капсулы склонны слипаться. Чтобы этого избежать, в смолу добавляют специальные вещества — диспергаторы (это мелкие сыпучие порошки, которые создают прослойку между частицами и не дают им склеиться). Ученые проверили три самых доступных и дешевых варианта: тальк, карбонат кальция (мел) и кремнеземную пудру (очень мелкий и легкий кварцевый песок). Тальк оказался слишком тяжелым — он сильно увеличивал массу капсул. Карбонат кальция реагировал с разрушителем, когда тот начинал выходить через покрытие, — это нарушало целостность защитного слоя. А кремнеземная пудра не слипалась, не утяжеляла капсулы и не вступала в реакцию с разрушителем. Поэтому выбрали именно ее.
Новая капсула работает в два этапа. Сначала, во время закачки, вода из геля проникает через микротрещины в покрытии и постепенно вымывает активное вещество — гель начинает понемногу разрушаться. Затем, когда закачку останавливают и давление падает, пласт сдавливает капсулы, они раздавливаются и выпускают остатки реагента, разрушая гель полностью.
Испытания подтвердили эффективность. При экстремальной температуре 150°C за полтора часа высвобождается 82% активного вещества — этого достаточно для полной очистки (в отличие от пластиковых капсул, которые при такой жаре текут и теряют контроль). При давлении 50 мегапаскалей (как на глубине пять километров) 81% капсул остаются целыми — это значит, что во время закачки они не лопаются преждевременно. При 90°C гель сохраняет вязкость на 60–90 минут дольше, чем с обычным разрушителем — как раз столько времени нужно, чтобы закончить процесс.
— Самое дорогое в капсуле — активное вещество (разрушитель геля) и высокотемпературный обжиг керамики (800–900°C). Тем не менее, тонна новых стоит около восьми тысяч юаней (примерно 105 тысяч рублей), что в три–четыре раза ниже, чем у пластиковых аналогов (30–50 тысяч юаней, или 390–650 тысяч рублей). При этом капсулы можно хранить: за три месяца при комнатной температуре они теряют всего 2% активности, а при 60°C — 2,2% за две недели. Это хороший показатель для промышленного применения: технология позволяет производить партии, складировать и поставлять на промыслы без существенной потери качества, — поясняет Хуаджи Лиу, доктор наук, профессор школы нефтегазового инжиниринга, Китайского Нефтяного Университета города Циндао.
Таким образом, керамические капсулы, созданные учеными Пермского Политеха совместно с китайскими коллегами, решают сразу несколько проблем: они выдерживают экстремальные температуры и давление, работают в два этапа (медленное вымывание и мгновенное разрушение при закрытии трещины), в несколько раз дешевле пластиковых аналогов и пригодны для длительного хранения. Все это делает технологию перспективной для промышленного освоения трудноизвлекаемых запасов.