Математики СПбГУ предложили способ сэкономить дорогостоящие полимеры при добыче нефти

Результаты исследований опубликованы в Journal of Computational and Applied Mathematics и сборнике SPE Russian Petroleum Technology Conference 2021.

По словам члена исследовательской группы, профессора СПбГУ, научного сотрудника лаборатории имени П. Л. Чебышёва и Математического института имени Леонарда Эйлера Сергея Тихомирова, на планете стремительно сокращаются запасы легко добываемой нефти. Из многих пластов нефтяники уже достали ту часть «черного золота», для получения которой достаточно было пробурить скважины и закачать в часть из них воду. При этом в разработанных месторождениях по-прежнему остается большое количество нефти. Она «прилипает» к стенкам пористой среды, как жир к сковороде, и поэтому не выталкивается обычной водой на поверхность.

Чтобы добыть остающуюся в пласте нефть, специалисты нефтяной отрасли применяют методы увеличения нефтеотдачи. Зачастую они закачивают в скважины не воду, а более вязкие вещества. Например, жидкости с добавлением полимеров. Но такая технология имеет существенный недостаток. На раствор с химреагентами требуются большие затраты, которые существенно удорожают добычу нефти.

Поэтому нефтяники поступают следующим образом: закачивают определенный объем химической жидкости, называемый оторочкой, а следом заливают воду.

Научный сотрудник лаборатории имени П. Л. Чебышёва и Математического института имени Леонарда Эйлера Сергей Тихомиров

«Однако сложность в том, что вода вытесняет вязкий раствор неравномерно. Она образует в оторочке неровные структуры, так называемые вязкие пальцы. Эти "пальцы" растут и могут преждевременно прорвать полимерный раствор, а затем и нефть, существенно снижая эффективность полимера», — объясняет Сергей Тихомиров.

В России открыли 38 месторождений углеводородов с запасами нефти 96,4 млн тонн в 2022 году

Решить эту проблему удалось ученым из лаборатории имени П. Л. Чебышёва Санкт-Петербургского университета и Международного института имени Леонарда Эйлера совместно с сотрудниками компании «Газпром нефть». Исследователи предложили использовать способ, описанный Е. Клариджем еще в 1978 году, и постепенно понижать вязкость закачиваемого полимера. Для этого они создали специальную математическую модель, с помощью которой нефтяники смогут вычислять правильное соотношение концентраций в полимерных оторочках и воды для успешной нефтедобычи в разных условиях. Это поможет уменьшить количество используемого полимера, не создавая преждевременного прорыва химического раствора «вязкими пальцами».

«У нашей модели есть преимущество перед стандартными моделями расчетов, принятыми в нефтяной отрасли. Мы корректно предсказываем большее количество характеристик "вязких пальцев". Наша теоретическая модель позволяет получать всегда правильный пессимистический ответ: она показывает, что "пальцы" при заданных условиях растут не быстрее, чем с такой-то скоростью. Это позволяет осуществлять экономию, не повышая риски. Ведь если использовать слишком мало полимерного раствора, он не сработает», — рассказал Сергей Тихомиров.

Созданная математиками модель также позволяет установить скорость «вязких пальцев» при разной концентрации полимерной оторочки и скорость движения заднего фронта, то есть той части химического раствора, которая соприкасается с водой. Все это невозможно было просчитать при использовании классических формул. Работоспособность новой модели ученые проверили и подтвердили с помощью численного моделирования.

«Мы подумали: что будет, если полимерный коктейль не сразу додавливать водой? Может, стоит изначально закачивать в скважины чуть меньший объем раствора, а потом в несколько этапов доливать его же, но при этом каждый раз уменьшать концентрацию закачиваемого агента? Оказалось, что при такой технологии можно сэкономить до 17 % полимеров и добиться того, чтобы полимерная оторочка не разрывалась. Следующим шагом в проверке технологии являются лабораторные испытания. Мы надеемся провести их в ближайшее время совместно с компанией "Газпром нефть"», — отметил Сергей Тихомиров.

В России придумали, как увеличить до 40% добычу высоковязкой нефти

Исследователи рассчитывают, что в дальнейшем эта разработка сможет применяться в реальной практике при добыче нефти. По мнению Сергея Тихомирова, в перспективе специалисты отрасли смогут самостоятельно определять количество этапов снижения концентрации, необходимых для успешной реализации этой технологии на каждом конкретном месторождении. В этом нефтяникам поможет созданная исследователями математическая модель. С ее помощью также можно будет просчитывать предельную выгоду для каждого конкретного случая.