Широкие возможности внутрипластового горения

Мы продолжаем рассказывать о деятельности OpenLabs, открытых на базе КФУ в 2014 году. Сегодня речь пойдет о научно-исследовательской лаборатории "Внутрипластовое горение". О том, какие задачи будут решаться в ее стенах, нам рассказали руководитель проекта Динис Исаков и старший научный сотрудник Михаил Варфоломеев.

Залог успеха - универсальность

Как известно, внутрипластовое горение – это способ разработки нефтяных месторождений. Его суть состоит в создании зоны экзотермических реакций, которая, перемещаясь по пласту, позволяет в процессе частичного сжигания нефти облегчить ее извлечение. Очаг горения инициируется различными глубинными нагревательными устройствами (электрическими, химическими и т.п.), а продвигается он по пласту при помощи подачи воздуха. Нефть извлекается путем вытеснения  образовавшейся смесью углеводородных и углекислых газов, азота, пара и горячей воды.

   Динис Исаков

При этом значительно возрастает коэффициент нефтеотдачи месторождения, поскольку под воздействием высокой температуры (в зоне горения она достигает 500-700°C) уменьшается вязкость нефти.

Метод извлечения нефти при помощи внутрипластового горения обладает гораздо большим потенциалом, нежели любой другой метод повышения нефтеотдачи, и по ряду других причин. При его использовании значительно снижаются производственные затраты, минимальным является расход природного газа и пресной воды, а также сокращаются затраты на растворители для транспортировки нефти. Последнее становится возможным, поскольку в ходе описанных выше процессов происходит дополнительное облагораживание нефти (термический крекинг, пиролиз и т.д.).

Стоит также отметить, что возможность применения этого метода не зависит от глубины залегания нефти. Внутрипластовое горение может осуществляться как на месторождениях, расположенных близко к поверхности земли (этим способом производится разработка месторождения Суплако де Барко в Румынии, расположенном на глубине от 60 метров), так и на значительных глубинах (в пример можно привести месторождение Хейделберг в США, глубина которого доходит до 3572 метров).

Важным представляется и тот факт, что внутрипластовое горение можно осуществлять и при малой толщине пласта, а также в обводненных, глинистых, песчаных и карбонатных пластах. В России потенциальными объектами для применения метода внутрипластового горения являются пермские, доманиковые отложения, а также баженовская свита.

Однако помимо преимуществ, у метода внутрипластового горения имеется и ряд недостатков, которые сдерживают его широкое внедрение. Это связано со значительными трудностями, возникающими при инициировании горения нефти в пласте и при регулировании процесса.

Одним из сдерживающих факторов является неравномерный охват пласта горением, особенно в случае, если речь идет о неоднородном коллекторе. Причиной является значительная разница вязкости закачиваемого воздуха и насыщающих пласт флюидов, что приводит к фильтрации воздуха по наиболее проницаемым участкам. А это, в свою очередь, снижает эффективность процесса внутрипластового горения и его безопасность.

Помимо этого, при реализации внутрипластового горения на месторождениях, содержащих тяжелую высоковязкую нефть, зачастую образуется избыточное количество кокса, которое необходимо для поддержания горения, что влечет за собой рост удельных расходов воздуха и уменьшение скорости перемещения фронта горения. А на месторождениях, содержащих легкую маловязкую нефть, возникает проблема, которая заключается в пониженной коксообразующей способности нефтей, приводящей к затуханию фронта горения по мере его продвижения вглубь пласта. Для решения этих задач и была создана лаборатория.

Ключевые направления деятельности

На данный момент осуществляется оснащение лаборатории уникальным современным оборудованием и реакторными установками для проведения физико-химических экспериментов и оценки эффективности внутрипластового горения в лабораторных условиях. Впоследствии их результаты будут поступать в отдел геолого-гидродинамического моделирования, где при помощи специализированных программных пакетов (SMG (STARS) и Schlumberger (Eclipse)) будет проводиться масштабирование технологии от размеров лабораторной установки до размеров месторождения, что позволит оперативно и экономически обоснованно управлять процессом разработки месторождения.

Михаил Варфоломеев

Кроме того, на базе лаборатории уже ведутся работы по созданию программного продукта с собственными математическими моделями, позволяющего принимать во внимание важные показатели, которые не учитываются в современных коммерческих симуляторах. Также в стенах OpenLab создается технология отслеживания фронта внутрипластового горения.

Еще одним направлением деятельности в рамках лаборатории является создание методик прогнозирования реологических, термохимических и теплофизических свойств нефти и ее компонентов, которые не получаются в чистом виде при ее переработке. Речь идет, например, о таких параметрах, как энергия фазовых переходов, температурный коэффициент расширения, сжимаемость, вязкость и т.д. – величин, данные о которых необходимы для разработки различных технологических решений при добыче,  транспортировке и переработке углеводородного сырья. При этом изучаться будут компоненты не только самой тяжелой нефти, но и других материалов, например, газогидратов, угля и т.д. По результатам исследований будут созданы базы данных  физико-химических свойств  различных веществ и полезных ископаемых. В свою очередь это позволит делать выводы о том, какие условия необходимы для эффективного получения или использования конкретного ископаемого или материала, а, следовательно, и  каким способом делать это будет экономически целесообразно. Все перечисленные направления реализуются при участии молодых ученых и аспирантов Казанского университета.

Цвет мировой науки в КФУ

Необходимо также отметить, что все проекты в рамках OpenLab разрабатываются в тесной взаимосвязи с зарубежными специалистами мирового уровня. Для создания математической модели в КФУ приглашен профессор Кембриджского университета Масторакос Эпаминондас. Над получением кинетических данных процессов внутрипластового горения необходимых для гидродинамического моделирования совместно с казанскими учеными будет работать профессор Ближневосточного технического университета Мустафа Версан Кок. Для работы в отделе гидродинамического моделирования в Казанский университет приедет специалист компании Шлюмберже Пол Наццахе. Физическим моделированием процесса будет заниматься профессор Университета Калгари Гордон Мур. Над разработкой методик прогнозирования реологических и термодинамических свойств компонентов нефти и иных полезных ископаемых уже сейчас в стенах Казанского университета работают профессор Университета Ростока Сергей Веревкин и сотрудник Института профессиональной медицины и охраны окружающей среды Войцех Марчак. В ближайшее время для внедрения новых экспериментальных методов по оценке энергий фазовых переходов и теплотворной способности веществ в Казань приедут научные сотрудники Университета Ростока Владимир Емельяненко и Дмитрий Зайцев. Промышленное внедрение технологии будет вестись под контролем специалиста государственной инновационной компании Канады Алекса Турта. А стать научными консультантами лаборатории предложено профессорам Стэнфордского университета Антони Ковчеку и Луи Кастаньеру.