Учёные усилили гель для нефтеотдачи при разрыве пласта

Наночастицы улучшают качество таких гелей — защищают от высоких температур, делают ещё более вязкими, помогают легче проникать в пласт. Кроме того, нанодобавки дешевле и экологичнее традиционных химических реагентов для фрекинга.

Гидравлический разрыв пласта (ГРП, фрекинг) — один из методов усиления работы нефтяных и газовых скважин. В пласте создаётся высокопроводимая трещина, чтобы усилить приток добываемого ископаемого (газа, воды, нефти или их смеси) к скважине. В результате применения технологии отдача скважины значительно возрастает. Зачастую таким способом «оживляют» простаивающие скважины, где добыча стандартными способами стала невозможной и нерентабельной. Также гидравлическому разрыву пласта подвергают новые скважины, где стандартная добыча затруднена.

Разрыв пласта делают с помощью специальных жидкостей. Например, сшитых полимерных гелей. Такие гели нагнетают в скважину под большим давлением, в результате чего происходит разрыв горной породы, появляются новые трещины и каналы, через которые углеводороды могут двигаться в пласте к добывающей скважине.

Добавка в гели сферических наночастиц оксида кремния и оксида алюминия, одностенных углеродных нанотрубок, а также нановолокон оксида алюминия может значительно улучшить приток нефти из пласта в нефтяную скважину после проведения гидроразрыва пласта. Такой способ интенстификации нефтедобычи экономически выгоден — он позволяет отказаться от дорогостоящих химических реагентов, которые обычно используются в процессе приготовления жидкостей для гидроразрыва пласта. Также добавки из наночастиц более экологичны, чем традиционные химические добавки.

«Сшитые гели готовятся из типичного гелеобразователя — биополимера гуаровой камеди, который смешивается с тетраборатом натрия в глицерине, так происходит «сшивка» геля. Готовый сшитый гель для гидроразрыва пласта очень напоминает по консистенции популярное у детей развлечение — слаймы, вязкие желеобразные игрушки. Мы добавляли в эту гелевую основу разные наночастицы, в частности, оксидов кремния и алюминия. Также проверили углеродные нанотрубки и нановолокна оксида алюминия. Размер частиц — от 11 до 216 нанометров. Массовая концентрация нанодобавок в гелях варьировалась от 0,01 до 0,8 %», — сообщил старший преподаватель кафедры бурения нефтяных и газовых скважин СФУ Владимир Жигарев.

Учёных интересовало, как влияет размер, концентрация, материал и форма частиц на свойства жидкостей ГРП, и какие нанодобавки делают сшитые гели максимально эффективными.

Оказалось, что добавка наночастиц в малых концентрациях ухудшает смачиваемость гелей при взаимодействии с горной породой и увеличивает межфазное натяжение, а при больших концентрациях, наоборот, улучшает смачиваемость и снижает поверхностное натяжение. При прочих равных условиях наночастицы оксида кремния оказывают большее влияние на характеристики смачиваемости и межфазное натяжение по сравнению с наночастицами оксида алюминия. Также учёные установили, что добавка одностенных углеродных нанотрубок значительно влияет на смачиваемость (увеличивают водоотталкивающие свойства) и увеличивает межфазное натяжение на 30 % даже при очень малых концентрациях 0,05–0,1 %.

В целом наночастицы значительно улучшают свойства сшитых гелей — спасают их от разрушения под действием высоких температур, помогают лучше проникать в трещины и делают ещё более вязкими.

«При введении нанодобавок смачивание сшитых гелей ГРП уменьшается, а межфазное натяжение растёт. Значит, растёт и скорость капиллярной пропитки — гель быстрее проникает в пласт. Если добавить наночастицы подходящего размера в оптимальной концентрации в гель, он станет более подходящим под конкретные пластовые условия, приобретёт нужную вязкость или станет термоустойчивее. Если использовать малые добавки наночастиц (0,2 масс. %), можно значительно снизить количество дорогостоящих химических реагентов, которые используются при приготовлении жидкостей ГРП со схожими характеристиками», — отметил Владимир Жигарев.

Учёные отметили, что для выхода усовершенствованных нанодобавками гелей ГРП на рынок нефтедобычи нужно провести опытно-производственные испытания в полевых условиях на настоящем пласте, чем и планируют заняться исследователи в ближайшем будущем.

Кстати, помимо уменьшения расходов на химические реагенты и улучшения притока нефти из пласта к скважине сшитые гели, «улучшенные» наночастицами оксидов кремния и алюминия, а также нановолокнами алюминия, могут снизить экологическую нагрузку нефтедобывающих кластеров на природу.

Исследование поддержано Российским научным фондом (грант № 23-79-30022).