С помощью ультразвука ученые повысили эффективность добычи нефти

Нефтедобывающая отрасль регулярно сталкивается с технологическими проблемами некоторые из которых требуют полной остановки производства. В России ежегодно более 28% нефтяных скважин периодически простаивают из-за необходимости их очистки от отложений и осадков.

Причина кроется в физико-химических свойствах нефти. Это не однородная жидкость, а сложная смесь, содержащая воскообразные вещества (парафины). При движении из пласта к скважине нефть попадает в зону с более низким давлением и, зачастую, температурой, что провоцирует выпадение твердых компонентов из нефти. Особенно остро эта проблема проявляется на зрелых месторождениях, где концентрация кристаллизующихся в жидкости парафинов с годами эксплуатации только растет. Образование осадков ведет как к снижению производительности скважинного оборудования, так и к ухудшению фильтрационных свойств горной породы околоскважинной зоны пласта. В среднем парафиновые пробки в таких случаях снижают дебит в 2-3 раза и могут полностью блокировать приток нефти.

На данный момент для борьбы с загрязнением используют химические реагенты, создающие дополнительные каналы фильтрации. Однако вместе с осадками, они растворяют и саму горную породу, а термическая обработка требует больших энергозатрат и дополнительного оборудования на устье скважины. Также эти методы решения проблемы предполагают остановку добычи, что означает потерю доходов от недополученной нефти.

Ученые Пермского Политеха обосновали эффективность технологии ультразвуковой очистки. Для этого они создали экспериментальную установку и подобрали оптимальные параметры воздействия — частоту, мощность и продолжительность обработки, — которые позволили быстро разрушать отложения, не создавая новых трещин и не останавливая добычу. Идея использовать акустические колебания для получения полезных ископаемых не нова, однако предыдущие исследования проводились на неорганических загрязнениях (соли, буровые растворы, полимеры). Пермские ученые провели эксперименты на реальных пробах нефти и горных породах с месторождения , чтобы изучить воздействие ультразвука именно на парафин в нефти. Статья опубликована в журнале Geoenergy Science and Engineering.

Для проверки эффективности технологии, специальная лабораторная установка имитирует приток жидкости из пласта и может направлять колебания на образцы. Для анализа ученые взяли пробы, расположенные на глубине двух километров на действующем месторождении, где отобранный материал имел сложную структуру пор, подходящую для изучения процессов засорения и очистки.

Основой исследования стала фильтрационная установка AFS-300 — стенд, предназначенный для изучения фильтрации флюидов, твердых частиц и примесей. К ней ученые добавили специальную камеру с ультразвуковым излучателем, который закреплялся на выходе из кернодержателя (устройства, где размещается образец породы). Эта конструкция точно имитирует реальные условия: приток нефти из пласта в скважину, когда акустические колебания направляются навстречу жидкости.

— Для создания ультразвуковых волн мы использовали излучатели Ланжевена (приборы, преобразующие электрический сигнал в механические вибрации). Образец породы находился под давлением 6,9 МПа, что соответствовало реальным условиям на глубине. Проницаемость (способность пропускать через себя жидкости и газы) определялась по закону Дарси: мы измеряли разницу показателей на входе и выходе при постоянной работе фильтрационной установки, — рассказывает Евгений Рябоконь, доцент кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Ученые взяли шесть близких по свойствам образцов породы и проверяли, как на фильтрацию в них влияют разные колебания (от 17 до 120 кГц), чтобы найти оптимальные данные. Под каждый образец использовалась своя частота, но схема воздействия была одинаковой. Каждый тест длился до двух часов и включал несколько циклов «обработка-пауза», которые помогали оценить мгновенный эффект от ультразвука, а также продолжительность его воздействия после отключения излучателя.

Для очищения породы наиболее результативными оказались частоты 17, 20 и 28 кГц: они повысили проницаемость породы в 1,1-1,6 раза за счет мощных колебаний и явления резонанса. Частоты в 40-120 кГц производили лишь мелкую вибрацию, которая была не способна разбить парафиновые пробки.

— Собранная нами установка позволяет рассчитать необходимую энергию для обработки околоскважинной зоны пласта и определить уровень «безопасного» воздействия на нее. В результате экспериментов с ультразвуком нефть начинает течь легче, а для ее прокачки требуется гораздо меньше давления. Такой подход создает основу для дальнейшего применения технологии в восстановлении производительности скважин, — отмечает Евгений.

Разработанная технология на практике позволяет повысить эффективность работы низкодебитных скважин на 50-70% за счет восстановления проницаемости с меньшими затратами без использования химических реагентов и без остановки скважины, что положительно скажется на сроке эксплуатации месторождений и повысит итоговую нефтеотдачу.