Oil & Gas Eurasia №2 февраль 2015 с.52. Технология плазменно-импульсного воздействия на продуктивные пласты углеводородов – ключ к созданию полигона по импортозамещению зарубежных технологий

Петр Агеев, Никита Агеев, Анатолий Молчанов

В ноябре 2013 года Хьюстонский технологический центр на международной конференции огласил результаты конкурсного отбора из 250 технологий в области извлечения углеводородов и методов увеличения нефтеотдачи (МУН), согласно которым лучшей была признана российская технология «Плазменно-импульсного воздействия» (ПИВ) компании «Новас» – резидента фонда «Сколково», что отмечено премией председателя конференции «За выдающуюся инновацию, отвечающую современным и будущим энергетическим вызовам». 

К этому моменту технология ПИВ хорошо зарекомендовала себя на многих истощенных месторождениях в России, США, Кувейте, Китае, Казахстане. Компания получила семь патентов в России, принята заявка на патент США, а в Хьюстоне зарегистрирована компания Novas USA, которая успешно работает на американском рынке. Институтом Прикладной математики им. Келдыша» была подготовлена математическая модель, утвержденная академиком РАН Борисом Четверушкиным, которая языком цифр доказала способность эффективного воздействия плазменно-импульсной технологии на продуктивные пласты углеводородов и даже на высоко обводненном фонде скважин способна создавать сжимающие и растягивающие напряжения и тем самым развивать аномальную сеть микротрещиноватости, снимать поверхностное натяжение жидкости в порах, капиллярах, микрокапиллярах, увеличивать проницаемость продуктивных пластов, включать в работу непромытые целики нефти, снижать обводненность продукции и увеличивать коэффициент извлекаемости нефти (КИН). 

Однако необходимо вернуться к истории вопроса, поскольку в течение многих лет внедрение этой технологии в России наталкивалось на сопротивление нефтедобывающих компаний, которые имели сверхобеспеченность запасами легко извлекаемой нефти, не проявляли интереса к МУН вообще и не хотели их разработку. 

Увеличение отдачи нефтяных месторождений как стратегия оптимального воспроизводства нефтедобычи

В статье, которая под таким заголовком была опубликована в «Промышленных ведомостях» No 11, ноябрь 2005 года (авторы Евгений Козловский и Аркадий Боксерман), подчеркивалось: «Степень использования запасов минерального сырья, в частности, нефти в нашей стране в настоящее время является одной из самых низких в мире, однако накопленный в отечественной и мировой практике научно-технический потенциал современных МУН месторождений не востребован». 

С конца 80-х, и, особенно, начала 90-х годов прошлого столетия «ударными темпами» внедрялась практика отбора нефти из активных запасов, что привело к тому, что всего за 25 лет запасы углеводородов превратились в трудно извлекаемые, а в недрах осталось 70% нефти, что можно приравнять к 15 млрд т. потенциально извлекаемых запасов. 

В период «технико-экономического разврата» для нефтяного бизнеса нефтеотдача не стала первостепенной целью недропользователя. Главное для него – получение максимальной прибыли для удовлетворения экономических интересов акционеров компании и инвесторов. Решение этой задачи вошло в противоречие с достижением максимально возможного КИН и потерям огромного количества извлекаемых запасов при попустительстве Государства как владельца недр. 

В 2005 году, в одном из интервью тогда бывший хозяин НК «ЮКОС» Михаил Ходорковский заявил: «Россия обеспечена запасами, позволяющими нарастить добычу до уровня 420-450 млн т в год. В дальнейшем развитие новых технологий приведет к росту коммерческих резервов за счет того, что трудноизвлекаемые запасы будут постепенно переводится в категорию рентабельных». Из чего следовало, что можно снимать сливки, оставляя добычу более дорогостоящих запасов на более позднее время». Таким образом, десятки тысяч скважин стали не рентабельными, а нагнетательный фонд превысил добычной. При этом практически все добывающие компании не вкладывали средства в новые технологии увеличения нефтеотдачи и упорно отказывались или чинили препятствия внедрению отечественных разработок в этой области. Все это группа компаний «Новас» испытала на себе и вынуждена была постепенно уходить за рубеж, где и получила признание. 

«Хорошо веселье, тяжело похмелье» 

По словам директора департамента экономики и финансов Минприроды РФ Григория Выгона «практически нет инвестиций во внедрение новых технологий в первую очередь по повышению нефтеотдачи и компании крайне неохотно занимаются их внедрением. По большому счету, просто не умеют это делать и во многом не хотят учиться. Практика показывает, что это может быть связано, в том числе, со структурой нашей отрасли, в которой преобладают крупные вертикально-интегрированные компании. В России именно маленькие компании занимаются разработкой методов повышения нефтеотдачи, но на уровне больших компаний этого не происходит». 

Перед нефтяными компаниями встал вопрос, что делать, как хотя бы сохранить уровень добычи нефти, где брать инновационные технологии. Еще в начале 2000-х годов практически все крупные добывающие российские компании вывели активы своих сервисных структур по причине «непрофильности», предпочитая пользоваться услугами зарубежных компаний. 
Есть надежда, что добывающие углеводороды компании вынуждены будут обращаться к российским сервисным структурам и искать дешевые и эффективные 
технологии МУН, либо срочно вкладывать деньги в их разработку. 

Технология ПИВ на продуктивные пласты углеводородов – свежий взгляд на нефтегазовую науку 

Создавая технологию ПИВ, мы изучили все известные МУН и пришли к выводу, что эти методы основаны на линейных физических законах и линейных зависимостях, поэтому они не могут дать четкого ответа на вопрос, что такое продуктивная залежь, какие процессы в ней происходят и можно ли управлять этими процессами и, как следствие, результаты применения методов не прогнозируются. Как правило, эффективность таких МУН не высока, а длительность эффектов исчисляется в лучшем случае 2-3 месяцами, при этом на высоко обводненном фонде скважин (75-95%) ни одна из традиционных технологий не эффективна. 

Безусловно, линейные законы и линейные зависимости существуют, но это скорее исключение из правил, чем правило. 

Современная наука доказала, что нелинейные системы естественного или искусственного происхождения развиваются по одним и тем же алгоритмам. Природа не линейна (академик РАН Р.Ф. Ганеев). 

Исходя из этого, мы рассмотрели проблему с точки зрения нелинейных физических процессов, благо исследования в области нелинейной волновой механики гидродинамических систем проводили выдающиеся советские (российские) ученые: 
– Академик РАН Ривнер Ганеев, доказавший, что «за счет точного расчета возможностей создания нелинейных волн в нелинейных средах можно произвести существенное повышение газо- и нефтедобычи. Можно ввести в резонанс тонкие протяженные нефтяные пласты и уменьшить их обводненность»;
– Академик РАН Анатолий Алексеев, установивший, что «при механическом воздействии на границе слоистой системы в ней возможен параметрический резонанс»;
– Академик РАН Владимир Накоряков, который исследовал «поведение ударных волн в паро- и газожидкостных средах». 

Можно назвать многих других ученых, которые занимались фундаментальными исследованиями в области «теории нелинейных колебаний и устойчивости движений», что позволило разработчикам технологии ПИВ по новому посмотреть на физическую сущность продуктивной залежи углеводородов.

С точки зрения нелинейных физических процессов, продуктивная залежь это природный многослойный нелинейный модуль объемной упругости, содержащий неравновесную диссипативную динамическую систему, вид и свойство которой определяется самой системой, имеющей стационарную круговую частоту свободных колебаний, зависящую от начальных условий (размах колебаний) и возвратную силу, отнесенную к единице массы, равную силе возмущения. Фактически, это третий закон Ньютона, который рассматривается как «при взаимодействии двух тел, всегда возникают силы, приложенные к каждому из них, которые равны по величине и противоположны по направлению» в его нелинейном выражении, с учетом сил давления и вязкости.

Под динамической системой понимается среда (нефть-газ-вода), физические параметры которых – плотность, упругость, жесткость, электромагнитные и физико-химические свойства – изменяются как во времени, так и в пространстве. Названные среды согласно теории «синхронизации динамических систем» взаимно проникают одна в другую и совершают относительно друг друга некоторые движения, в частности колебания. Исследования академика Алексеева показали, что при периодическом воздействии на такую среду, она сама начинает формировать ударные импульсы за счет самомодуляции. 

Для возбуждения такой среды был разработан, запатентован и внедрен в производство Идеальный нелинейный плазменно-импульсный источник направленных широкополосных управляемых периодических колебаний. 

В этом источнике соблюдены все принципы нелинейности, а именно «малым расходом энергии» – источник питания 220 В, потребляемая мощность 500 Вт, преобразованием и концентрацией большое количество накопленной энергии (6 000 В) и за счет взрыва калиброванного металлического проводника подаваемого в межэлектродное пространство за 55 мкс создается холодная плазма – пар, газ высокого давления 10 т/см2, который через перфорационные каналы проникает в пласт в виде ударной волны, сжимает газожидкостную среду до тех пор, пока давление в ударной волне не сравняется с пластовым давлением, после чего происходит расширение среды в направление скважины. Между нелинейным широкополосным источником периодических направленных управляемых колебаний и нелинейной диссипативной динамической системой устанавливается нелинейная зависимость, что усиливает нелинейность среды. 

Многократное повторение импульсов в заданных точках по мощности рабочего интервала скважинным генератором позволяет при периодическом воздействии равных по силе импульсов, разнесенных на одинаковые промежутки времени синхронизировать динамическую систему и вызвать в пласте резонансные колебания, что приводит к снятию поверхностного натяжения в порах капиллярах, микрокапиллярах, кавитации и тепломассообмену. Все это позволяет увеличить проницаемость в пласте усилить капиллярное давление для нефти больше чем для воды (нефть замещает воду) и тем самым создать благоприятные условия для фильтрации нефтяной фазы к скважине при снижении обводненности продукции. 

Лабораторные исследования, проведенные к.т.н. Александром Максютиным под руководством д.т.н. Анатолия Молчанова показали, что при плазменно-импульсном периодическом воздействии меняются тиксотропные и реологические свойства нефти, снижается ее вязкость. 

Практика применения 

Технология ПИВ успешно применяется как на добычном, так и на нагнетательном фонде скважин в реальных геологических условиях без добавок химических реагентов, проста и удобна в эксплуатации, может доставляться в любую точку земного шара любым удобным для транспортировки способом. Для применения технологии необходим обычный каротажный подъемник с одножильным или трехжильным геофизическим кабелем и подъемник типа А-50 для извлечения и последующего монтажа НКТ. Время обработки одной скважины зависит от мощности рабочего интервала и может занимать несколько часов, но не более суток. Длительность эффекта от 12 месяцев до нескольких лет, при этом при применении ПИВ в одной скважине, как правило, положительным дебитом откликаются соседние скважины, находящиеся на одном эксплуатационном пласте. 

Перед применением технологии строится адресная модель воздействия на базе имеющихся материалов по объекту разработки и легенде скважины. Модель предусматривает конкретное количество импульсов в рабочем интервале скважины в зависимости от геолого-технических характеристик продуктивного коллектора, а также геофизических данных по профилю притока в добычных скважинах и профилю приемистости в нагнетательных скважинах. Технология ПИВ может применяться на любом этапе эксплуатации скважин, начиная с ее освоения и кончая поздним этапом при любой обводненности (кроме конуса) скважины. Хорошо зарекомендовала для восстановления работы скважин, вывода их из периодического режима в постоянный режим эксплуатации после падения эффективности от применения ГРП. Может применяться как при капитальном плановом ремонте скважин, так и текущем, например замене насоса, что не требует дополнительных инвестиций и не влияет на простой скважин. 

Как показала практика наших работ, в отличие от западных технологий, разработанная нами модель применения позволяет заранее, на основе представленных заказчиком материалов по скважине прогнозировать результат воздействия и согласовывать его с заказчиком. 

Перспективные разработки 

С целью повышения эфективности и оптимизации расходов компания «Новас» разработала генератор ПИВ диаметром 42 мм, что позволяет на нагнетательном фонде скважин осуществлять «бесподходные операции», т.е. производить воздействие через лубрикатор и НКТ без демонтажа оборудования. 

С учетом большого числа скважин с горизонтальным окончанием, которые вопреки ожиданиям эффективны всего на 20-30% из-за кольматации участков горизонтальных окончаний, компания «Новас-СК» в рамках утвержденного проекта фонда «Сколково», с привлечением инвестиций фонда «Сколково» и канадской компании «ТехноВита» разработала технологию ПИВ в таких скважинах и методику доставки генератора к участкам, которые будут очищены от кольматанта. Пилотные работы запланированы до конца текущего года. 

Перспективы создания полигона для импортозамещения 

Для решения проблемы импортозамещения компания «Новас» прорабатывает вопрос о создании в 2015 году первого в стране полигона на базе участка и выведенных из эксплуатации скважин, находящихся на балансе одного из нефтедобывающих регионов. Это позволит привлечь и испытать различные отечественные инновационные разработки в области нефтеотдачи, в том числе и трудно извлекаемых запасов из низко проницаемых пластов и тяжелых высоковязких нефтей, провести фундаментальные геолого-технические, геофизические исследования и в конечном итоге создать биржу инновационных технологий. Кроме того это позволит создать рабочие места и дополнительные финансовые поступления в казну региона. 

Политические, экономические и технологические вызовы произошедшие в последнее время в области нефтедобычи заставляют менять стратегию нефтедобычи и осваивать более дешевые и эффективные методы увеличения нефтедобычи, что повысит рентабельность работ и конкурентоспособность компаний.