КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-79-20218

НазваниеПрименение наножидкостей в технологиях разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений

РуководительМинаков Андрей Викторович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет", Красноярский край

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2020  , продлен на 07.2020 - 06.2022. Карточка проекта продления (ссылка)

КонкурсКонкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 01-311 - Гидромеханика многофазных сред

Ключевые словаБурение, фильтрация, смачиваемость, наноэмульсии, наножидкости, нефтеотдача, продуктивный пласт, заводнение керна, КИН, тяжелая нефть, кольматация, гидроразрыв.

Код ГРНТИ30.51.31


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Нефтегазовая индустрия является одной из важнейших отраслей экономики России. Ее устойчивое развитие требует, с одной стороны, разведки новых месторождений, а с другой, рационального освоения уже существующих. В частности, требуется создание новых технологий увеличения нефтеотдачи уже разрабатываемых пластов, освоение ранее использовавшихся и законсервированных месторождений, бурение. Помимо этого, такие технологии должны увеличить нефтеотдачу разрабатываемых пластов, уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду. Одним из возможных и перспективных способов решения этих проблем является использование в широком смысле нанотехнологий. На сегодняшний день имеется достаточно большое количество лабораторных исследований, в которых показано, что небольшие добавки наночастиц могут значительно менять реологические, фильтрационные и фрикционные свойства буровых растворов. Наличие наночастиц существенно влияет на характеристики смачиваемости и межфазное трение, а также на коэффициент извлечения нефти при ее вытеснении из пласта. Однако, несмотря на достаточно большое число работ в данной области, полученные результаты все еще являются разрозненными. Во многих случаях они противоречивы, зачастую отсутствует повторяемость экспериментальных данных. В большинстве работ, как правило, не контролируется размер частиц, а это для свойств наносуспензий имеет принципиальный характер. Таким образом, проведение систематических исследований применения наносуспензий и наноэмульсий в технологиях разработки и эксплуатации нефтяных и газовых скважин является чрезвычайно актуальным для нефтегазовой индустрии. Реализация проекта актуальна и с точки зрения получения фундаментального знания, поскольку свойства наносуспензий все еще плохо изучены, хотя уже ясно, что они радикально отличаются от свойств обычных крупнодисперсных суспензий. Новизна проекта состоит в комплексном экспериментально-теоретическом подходе к систематическому изучению применения наносуспензий в технологиях разработки и эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Важно подчеркнуть, что будет рассмотрен широкий спектр явлений, процессов и параметров, которые позволяют управлять процессами бурения и добычи углеводородного сырья, разработать соответствующие эффективные и экологически безопасные технологии. Программа исследований проекта включает изучение процессов трения и реологии наносуспензий, многофазной фильтрации и вытеснения флюидов, межфазного натяжения и смачиваемости. Проект состоит из нескольких взаимосвязанных между собой разделов: 1. Систематическое экспериментальное изучение вязкости и реологических свойств наносуспензий, включая их зависимость от температуры. 2. Систематическое экспериментальное изучение вязкости и реологических свойств наноэмульсий, включая их зависимость от температуры. 3. Разработку рецептуры буровых и промывочных растворов с добавками наносуспензий и наноэмульсий и их экспериментальные физико-химические исследования. 4. Систематическое экспериментальное изучение вязкости и реологических свойств буровых растворов с добавками наночастиц. 5. Систематическое моделирование течений буровых растворов с наночастицами в процессе бурения нефтяных и газовых скважин. 6. Экспериментальное исследование фильтрации буровых растворов с наночастицами. 7. Численное моделирование фильтрации буровых растворов с наночастицами. 8. Экспериментальное исследование антифрикционных свойств буровых растворов с наночастицами. 9. Экспериментальное изучение межфазного натяжения в системах: пластовая вода/нефть, наноэмульсия/нефть, наносуспензия/нефть. 10. Экспериментальное изучение краевого угла смачивания в системах: пластовая вода/горная порода, нефть/горная порода, наноэмульсия/горная порода, наносуспензия/горная порода. 11. Экспериментальное изучение вытеснения нефти из керна с помощью наносуспензий. 12. Экспериментальное изучение вытеснения нефти из керна с помощью наноэмульсий. 13. Моделирование вытеснения нефти из керна с помощью наноэмульсий и наносуспензий. 14. Анализ и систематизация полученных данных, и разработка на их основе практических рекомендаций по применению наносуспензий и наноэмульсий в технологиях разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта предполагается получение следующих научных результатов: 1. Будут получены систематические экспериментальные данные о вязкости наносуспензий и их реологии, об их зависимости от концентрации наночастиц, их размера и материала, концентрации и типа поверхностно-активных веществ. Будет изучена зависимость этих свойств от температуры 2. Будут получены систематические экспериментальные данные о вязкости наноэмульсий и их реологии, об их зависимости от концентрации наночастиц, их размера и материала, концентрации и типа поверхностно-активных веществ. Будет изучена зависимость этих свойств от температуры 3. На основе свойств изученных наносуспензий и наноэмульсий будут разработаны рецептуры буровых растворов с их использованием и получены данные их физико-химических свойств. В частности, будут получены данные об их вязкости и реологии, зависимости этих свойств от температуры. 4. Будут получены систематические данные численного моделирования течений буровых растворов с наночастицами в процессе бурения нефтяных и газовых скважин. Будут рассмотрены растворы, как с ньютоновской, так и с неньютоновской реологией, а течение будет реализовано в цилиндрическом зазоре с эксцентриситетом внутреннего цилиндра. Будут получены зависимости перепада давления, момента и сил действующих на стенки скважины и буровую колонну от реологических свойств буровых растворов с наночастицами, геометрических характеристик скважины (диаметры, эксцентриситет) и параметров бурения (расход бурового раствора и скорость вращения буровой колонны). Полученные данные будут сопоставлены с аналогичными данными для стандартных буровых растворов. 5. Будут получены систематические экспериментальные и численные данные о характеристиках фильтрации буровых растворов с наночастицами в керны с различной пористостью. В частности, будут получены зависимости фильтрационных характеристик буровых растворов от концентрации, размера и материала наночастиц, а также свойств базового раствора и пористости керна. Будут получены данные о влиянии наночастиц на толщину корки и проницаемость керна после фильтрации и на характеристики зоны проникновения. 6. Будут получены систематические экспериментальные данные антифрикционных свойств буровых растворов с наночастицами. Будет определена зависимость коэффициента трения буровых растворов от концентрации, размера и материала наночастиц и свойств базового раствора. 7. Будут получены данные о межфазном натяжений в системах: пластовая вода/нефть, наноразмерная эмульсия/нефть, наноразмерная суспензия/нефть. В частности, будут определены зависимости межфазного натяжения от концентрации, размера и материала наночастиц, от концентрации и вида поверхностно-активных веществ, физико-химических свойств модельной пластовой воды и нефти. 8. Будут получены экспериментальные данные о краевом угле смачивания в системах: пластовая вода/горная порода, нефть/ горная порода, наноразмерная эмульсия/ горная порода, наноразмерная суспензия/ горная порода. Будут получены зависимости краевого угла смачивания от концентрации, размера и материала наночастиц, от концентрации и вида поверхностно-активных веществ, физико-химических свойств модельной пластовой воды и нефти, для нескольких образцов горной породы с различными физическими свойствами. 9. Будут получены систематические экспериментальные данные и данные численного моделирования изучения вытеснения нефти из керна с помощью наносуспензий и наноэмульсий. На их основе будут разработаны рецептуры промывочных растворов на основе наноэмульсий и наносуспензий для вытеснения нефти из пласта. Будут получены зависимости эффективной вязкости и реологических параметров этих растворов от концентрации, размера и материала наночастиц, концентрации и вида поверхностно-активных веществ, физико-химических свойств модельной жидкости. 10. Будут получены экспериментальные данные о характеристиках вытеснения нефти из горной породы с помощью наноразмерных эмульсий. Будут получены зависимости коэффициента извлечения нефти от концентрации и вида поверхностно-активных веществ, применяемых для создания наноэмульсий, от проницаемости горной породы. Будет получена зависимость коэффициента извлечения нефти с помощью наноэмульсий от вязкости вытесняемой нефти. 11. Будут получены экспериментальные данные о характеристиках вытеснения нефти из горной породы с помощью наноразмерных суспензий. Будут получены зависимости коэффициента извлечения нефти от концентрации, размера и материала наночастиц. Будут получены зависимости коэффициента извлечения нефти с помощью наносуспензий от проницаемости горной породы. Будет получена зависимость коэффициента извлечения нефти с помощью наносуспензий от вязкости вытесняемой нефти. 12. Будут получены систематические данные численного моделирования вытеснения нефти из керна с помощью наноэмульсий и наносуспензий. Полученные результаты будут сопоставлены с экспериментальными данными. 13. На основе полученных данных будут разработаны практические рекомендации по применению наносуспензий и наноэмульсий в технологиях разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений. 14. Полученные новые знания будут внедрены в учебный процесс в СФУ, поскольку в ряде случаев они могут радикально менять сложившиеся представления. Имеющаяся экспериментальная база и современные методы диагностики, опыт реализации ряда научных проектов, наличие высококвалифицированных исследователей в области физического и математического моделирования процессов переноса говорят о том, что ожидаемые результаты будут соответствовать мировому уровню. Полученные результаты послужат фундаментальной основой для дальнейших различных разработок. По результатам проекта предполагается издание 1 монографии. Результаты предполагается опубликовать в _23_ научных статьях в отечественных и зарубежных журналах, индексируемых в Scopus и Web of Science и представить на ряде представительных конференций и симпозиумов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Активный интерес к суспензиям с наночастицами (наножидкостям) появился четверть века тому назад и с тех пор непрерывно растет. Число публикаций, посвященных исследованию свойств и применения наносуспензий, увеличивается экспоненциально. Наночастицы в силу своих малых размеров имеют ряд необычных свойств, которые отсутствуют у макроскопических дисперсных частиц. Необычные свойства наночастиц делают нестандартными и свойства наносуспензий, в которых они являются составной частью. Это обусловило широчайший спектр применения наносуспензий. В технологиях разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений наносуспензии стали применяться существенно позднее. Однако, в настоящее время области применения наносуспензии здесь очень активно исследуются. Современные буровые растворы имеют много различных свойств, на которые в той или иной степени могут влиять добавки наночастиц. Целью исследований, выполненных коллективом в этом году, является комплексное и систематическое изучение влияния добавок наночастиц различного размера и состава на реологию, фильтрацию, смазывающую способность и характеристики течения буровых растворов с скважине. За прошедший с начала выполнения проекта период разработаны рецептуры буровых растворов и проведено исследование свойств более чем 40 различных растворов с добавками наночастиц. В итоге получены следующие результаты. 1. Вязкость и реология буровых растворов играют важнейшее значение для их применения, поскольку от них зависят потери давления при промывке скважины, эффективность выноса шлама, устойчивость ствола скважины и многие другие факторы при бурении. Проведено экспериментальное изучение вязкости и реологии разработанных буровых растворов с наночастицами. В результате было установлено, что добавка наночастиц в буровые растворы может значительно улучшить их реологические характеристики. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что при низких концентрациях наночастиц реология буровых растворов с наночастицами как правило лучше описывается степенной моделью. Повышение концентрации наночастиц в суспензии приводит к качественному изменению ее реологических свойств. В растворе начинает появляться предельное напряжение сдвига. Таким образом было показано, что с помощью добавок наночастиц можно управлять вязкими и реологическими свойствами буровых растворов. В результате исследования показано, что добавление наночастиц существенно влияет на реологию буровых растворов даже при очень низких концентрациях. При этом было показано, что реологические свойства исследуемых суспензий также значительно зависят не только от концентрации, но и от размера добавляемых наночастиц. С уменьшением размера наночастиц это влияние усиливается. Помимо концентрации и размера наночастиц было исследовано влияние материала наночастиц на реологические характеристики буровых растворов. Зависимость вязкости и реологии от размера и материала не свойственна классическим суспензиям микроскопических частиц и является отличительной характеристикой наносуспензий. Таким образом, было установлено, что добавка наночастиц влияет на реологию буровых растворов, в том числе, и с очень высоким содержанием микрочастиц. При этом в отличие от суспензий с макро и микроскопическими размерами частиц реологические параметры наносуспензий зависят от размеров и материала наночастиц, что позволяет управлять свойствами растворов в очень широких пределах. Здесь можно привести такой пример. Было показано что, добавка в буровой раствор 40 масс.% микрочастиц повышает его эффективную вязкость примерно на 30% по сравнению с исходным раствором. При этом добавка всего 0,25 масс.% наночастиц оксида кремния повышает эффективную вязкость бурового раствора более чем в 4 раза! 2. Важнейшей характеристикой буровых растворов является их фильтрационная способность. В процессе бурения нефтяных и газовых скважин буровой раствор может уходить в породу через стенки скважины. Это явление называют фильтрационными потерями. При этом происходит потеря бурового раствора, что увеличивает затраты на строительство скважин. Одновременно с этим, фильтрационные потери бурового раствора в пласт являются одной из основных причин образования трещин и нарушения устойчивости ствола скважины. Для ликвидации этих явлений применяют разнообразные способы упрочнения стенок скважины. Как правило, используют различные дисперсные (1100 мкм) наполнители буровых растворов, которые могут проникать в породу и закупоривать ее. В нашем проекте впервые проведено систематическое экспериментальное исследование влияния концентрации, размеров и материалов наночастиц на фильтрационные свойства буровых растворов. В результате было показано что, добавление наночастиц в буровой раствор значительно влияет на величину фильтрационных потерь. Было установлено, что добавка 1-2 масс. % наночастиц позволяет снизить фильтрационные потери раствора в 3 раза для плохо проницаемых кернов с размерами пор 3 мкм. При этом влияние наночастиц зависит не только от их концентрации, но и от размера. Показано, что фильтрационные потери уменьшаются с увеличением концентрации наночастиц и уменьшением их размера. При помощи электронной микроскопии удалось обнаружить, что основной причиной снижения фильтрационных потерь при добавке в глинистые растворы наночастиц является снижение проницаемости фильтрационной корки, которая образуется на стенках скважины. Фильтрационная корка буровых растворов состоит из частиц глины и присутствующих в растворе микрочастиц. Добавка наночастиц в буровой раствор приводит к тому, что наночастицы заполняют поры между чешуйками глины и микрочастицами, уменьшая тем самым проницаемость корок на поверхности фильтра. 3. Еще одной важной характеристикой буровых растворов является их смазывающая способность. Применение растворов с улучшенными антифрикционными свойствами приводит к значительному снижению затрат энергии в процессе строительства скважин. В этом году проведено систематическое экспериментальное исследование антифрикционных свойств буровых растворов с наночастицами. Изучено влияние концентрации, размера и вида добавляемых наночастиц на коэффициент трения буровых растворов при различных режимах трения. В результате систематических экспериментов было установлено, что добавка наночастиц в буровые растворы может приводить к значительному улучшению их антифрикционных свойств. При этом этот эффект уменьшения коэффициента трения усиливается с уменьшением размера частиц и может достигать 20-35% при очень малых концентрациях. 4. Еще одним серьезным осложнением процесса бурения, связанным с трением, является так называемый прихват бурильной колонны, характеризующийся полным или частичным прекращением движения бурового инструмента. Этот эффект возникает за счёт прилипания буровой трубы к фильтрационной корке, которая образуется на стенках скважины в результате фильтрации. Поэтому при создании новых буровых растворов большое внимание уделяют прихватывающей способности и трению фильтрационной корки. В этом году проведено исследование влияния добавки наночастиц на коэффициент трения и прихватывающую способность фильтрационных корок. В результате было показано, что при добавлении в буровой раствор стандартной примеси микрочастиц, коэффициент трения фильтрационной корки возрастает в 4,5 раза. Добавка в эти растворы с микрочастицами наночастиц позволила уменьшить значение коэффициента трения фильтрационной корки в более чем в два раза. Таким образом, было установлено, что добавка наночастиц в буровые растворы может приводить к значительному уменьшению коэффициента трения фильтрационной корки и крутящего момента страгивания. Снижение коэффициента трения корки означает, что добавка наночастиц в раствор должна существенным образом способствовать предотвращению прихвата буровой колонны, и уменьшить затраты на простои при бурении, связанные с ликвидацией этого явления. 5. Проведено расчетное моделирование течений разработанных буровых растворов в скважине с эксцентричным расположением буровой колоны и ее вращением в процессе бурения. Установлено, что добавка наночастиц значительно влияет на перепад давления в скважине, а также на величину сил и моментов сил, действующих на стенки скважины. Было показано, что добавка наночастиц в буровой раствор может значительно повысить потери давления в скважине. Повышение потери давления в скважине за счет введения добавок наночастиц в большинстве случаев имеет отрицательный характер, и обусловлено увеличением эффективной вязкости бурового раствора. С другой стороны с помощью численного моделирования было показано, что добавка наночастиц в буровой раствор существенно сказывается на качестве промывки скважины от шлама. Было продемонстрировано, что двухпроцентная по массе добавка наночастиц в буровой раствор приводит к повышению эффективности выноса шлама на 18%. Совершенно очевидно, что полученные за это время результаты являются далеко не оптимальными. Наверняка можно подобрать такие параметры наночастиц, при которых эти результаты будут еще выше. Поскольку, в отличие от суспензий с макро и микроскопическими размерами частиц, реологические параметры наносуспензий, величина фильтрационных потерь, смазывающая и прихватывающая способность зависят от размеров и материала наночастиц и изменяются значительно уже при небольших их концентрациях. Это открывает широкую перспективу применения наночастиц для управления характеристиками буровых растворов.

 

Публикации

1. - Учёные СФУ выиграли спецгранты РНФ. Сайт Сибирского федерального университета. Пресс-служба СФУ., 14 июля 2017 г. (год публикации - ).

2. А. В. Минаков, Е. И. Михиенкова, В. А. Жигарев, А. Л. Неверов, В. Я. Рудяк Исследование влияния добавки наночастиц на свойства буровых растворов Коллоидный журнал, - (год публикации - 2018).

3. Минаков А.В., Михиенкова Е.И., Жигарев А.Л., Неверов А.Л. Экспериментальное исследование влияния добавки наночастиц на фильтрационные свойства микросуспензии Письма в ЖТФ, Письма в ЖТФ, 2018, том 44, вып. 12, С. 62-67. (год публикации - 2018).

4. Минаков А.В., Михиенкова Е.И., Неверов А.Л., Бурюкин Ф.А. Экспериментальное исследование влияния добавки наночастиц на реологические свойства суспензии Письма в ЖТФ, Письма в ЖТФ, 2018, том 44, вып. 9. С. 3-11. (год публикации - 2018).

5. Михиенкова Е.И., Неверов А.Л., Матвеев А.В., Жигарев В.А., Кудрявцев И.В. Investigation of the additive effect of nanoparticles on the hydrodynamic characteristics of drilling fluids IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 899 (2017) 092009, - (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Нефтегазовая индустрия является одной из важнейших отраслей экономики России. Ее устойчивое развитие требует, с одной стороны, разведки новых месторождений, а с другой, рационального освоения уже существующих. В частности, требуется создание новых технологий увеличения нефтеотдачи уже разрабатываемых пластов, освоение ранее использовавшихся и законсервированных месторождений, бурение. Помимо этого, такие технологии должны увеличить нефтеотдачу разрабатываемых пластов, уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду. Одним из возможных и перспективных способов решения этих проблем является использование в широком смысле нанотехнологий. Целью исследований, выполненных коллективом в этом году, является комплексное и систематическое изучение влияния добавок наночастиц различного размера и состава на температурную зависимость вязкости и реологических характеристик буровых растворов, изучение свойств эмульсий и наноэмульсий, изучение межфазного натяжения и смачиваемости растворов с наночастицами и наноэмульсиями, а также численное моделирования выноса шлама из горизонтальных скважин буровыми растворами с наночастицами и моделирование проникновения растворов с наночастицами в пласт. За второй год проекта получены следующие результаты. 1. Получены результаты систематического экспериментального исследования температурной зависимости вязкости буровых растворов, модифицированных наночастицами различного размера и состава. Резкое изменение вязкости и реологических характеристик буровых растворов на водной основе при изменении температуры является негативным обстоятельством, затрудняющим их применение при бурении скважин в условиях высоких температур. Поэтому разработка буровых растворов, обладающих высокой температурной стабильностью является чрезвычайно актуальной задачей. В результате исследований было показано, что добавка наночастиц существенно влияет на температурную зависимость вязкости глинистых и глино-полимерных суспензий. Добавка наночастиц делает вязкость бурового раствора менее чувствительной к изменениям температуры. Так, для бурового раствора с 3 мас.% наночастиц оксида кремния размером 10 нм при повышении температуры с 25 до 80оС эффективная вязкость увеличивается примерно в 2,5 раза, в то время как для базового бурового глинистого раствора без наночастиц повышение вязкости при аналогичном увеличении температуры составляет около 10 раз. Было установлено, что с увеличением температуры влияние добавки наночастиц на вязкость буровых растворов снижается. Так, если при комнатной температуре добавка 3 мас.% наночастиц повышает вязкость глинистой суспензии примерно в 8 раз, то при температуре 80оС, это повышение составляет около 3 раз. Было показано, что размер наночастиц также влияет на температурную зависимость вязкости буровых растворов. В общем случае уменьшение размера наночастиц приводит к усилению зависимости вязкости раствора от температуры. В целом по итогам этой части исследований было установлено, что вязкость модифицированных наночастицами буровых растворов менее подвержена влиянию температуры, что очень важно для их практического применения. 2. Получены результаты систематического исследования реологии разработанных буровых растворов в зависимости от температуры. Показано, что с увеличением концентрации наночастиц, действие температуры на реологические характеристики буровых растворов ослабевает. Так, например, было установлено, что при повышении температуры с 25 до 80оС предельное напряжение сдвига для базового раствора увеличивается примерно в 15 раз, в то время как для раствора, модифицированного 3 мас.% наночастицами оксида кремния размером 10 нм такое повышение составляет около 3 раз. Таким образом было показано, что добавка наночастиц делает реологические свойства глинистых буровых растворов более стабильными в зависимости от температуры. Было показано, что температурная зависимость реологических свойств исследуемых суспензий также значительно зависит не только от концентрации, но и от размера добавляемых наночастиц. Установлено, что с уменьшением размера наночастиц их влияние на температурную зависимость реологических параметров усиливается. 3. Получены результаты систематического исследования вязкости и реологических свойств нескольких десятков эмульсий и наноэмульсий на углеводородной основе. Сегодня буровые растворы на углеводородной основе начинают широко применяться при бурении скважин. Данные растворы оказывают минимальное отрицательное воздействие на продуктивный пласт, имеют высокую взвешивающую и несущую способность для предотвращения накопления шлама в скважине, обладают повышенными смазочными свойствами. Поэтому дальнейшее совершенствование растворов на углеводородной основе очень актуально с практической точки зрения. В ходе выполнения проекта было изучено влияние объемного содержания и вида базового масла в эмульсии, вида и концентрации эмульгатора, температуры и длительности ультразвуковой обработки на свойства получаемой эмульсии. В результате были подобраны необходимые реагенты и определены их оптимальные концентрации, разработана технология приготовления эмульсий с высокой коллоидной устойчивостью и температурной стабильностью. 4. Получены систематические данные численного моделирования выноса частиц шлама из горизонтальных скважин буровыми растворами, модифицированными наночастицами. В настоящее время бурение наклонно-направленных скважин широко применяется при разработке нефтегазовых месторождений. Наряду с очевидными преимуществами таких скважин на горизонтальных участках возникают дополнительные сложности, требующие дальнейшего совершенствование буровых растворов. В результате систематического моделирования, выполненного в данном проекте, исследованы зависимости эффективности выноса шлама и перепада давления в скважине от концентрации, размера и вида наночастиц, а также от скорости вращения буровой колонны, расхода бурового раствора и угла наклона скважины к горизонту. Исследование влияния добавок наночастиц в буровой раствор на эффективность транспорта шлама из горизонтальной скважины показало, что добавка наночастиц приводит к значительному улучшению промывки скважины (в 2,7 раз для двухпроцентной по массе концентрации наночастиц оксида кремния размером 10 нм). Было установлено, что с увеличением угла наклона скважины от вертикали положительное действие добавки наночастиц на эффективность выноса шлама возрастает. Кроме того, показано, что добавка наночастиц делает процесс транспорта шлама менее чувствительным к углу наклона скважины. Таким образом было показано, что добавка наночастиц в буровой раствор будет наиболее эффективна именно для горизонтально-направленных скважин. 5. Получены результаты расчетного исследования проникновения флюида с наночастицами в пористую среду на примере задачи вытеснения нефти. Анализ результатов моделирования показал, что добавка наночастиц в вытесняющую жидкость значительно влияет на процесс вытеснения нефти из пористой породы. В отличие от вытеснения нефти водой, которая продвигается по насыщенной нефтью породе в виде отдельных струек, наножидкость вытесняет нефть фактически однородным фронтом. В результате чего значительно повышается коэффициент извлечения нефти. Показано, что наносуспензия с 1 мас.% SiO2 размером 5 нм позволяет повысить КИН примерно в 2,15 раза по сравнению с водой. Анализ полученных данных позволил установить, что основной причиной увеличения КИН при вытеснении нефти наножидкостью является улучшение смачивания горной породы. 6. Получены результаты экспериментальных исследований межфазного натяжения и смачиваемости поверхности в системах: наноразмерная суспензия/нефть/горная порода, наноразмерная эмульсия/пластовая вода/горная порода, наноразмерная эмульсия/дистиллированная вода/горная порода, нефть/вода/горная порода, нефть/пластовая вода/горная порода. Эти данные имеют первостепенное значение в вопросах применения наноэмульсий и наносуспензий для повышения коэффициента извлечения нефти при заводнении пласта. Показано, что на характеристики смачиваемости водо-нефтяных систем существенно влияет присутствие наночастиц. С увеличением концентрации наночастиц межфазное натяжение на границе нефть/наносуспензия снижается (в 1,7 раза при 1 мас.% наночастиц SiO2 размером 31 нм), а краевой угол для капли нефти на горной породе в наносуспензии, напротив, возрастает. При этом весьма существенно (с 71° до 153°). Кроме того, показано, что это влияние зависит от размера наночастиц. С уменьшением размера наночастиц краевой угол смачивания на границе нефть/наносуспензия/горная порода увеличивается, а коэффициент межфазного натяжения нефть/наносуспензия, напротив, уменьшается. Действие добавки наночастиц на смачиваемость поверхности горной породы нефтью в наносуспензии существенно зависит от материала горной породы. Анализ литературы показывает, что систематическое исследование влияния размера наночастиц на краевой угол смачивания и поверхностное натяжение системы нефть/наносуспензия/горная порода выполнены впервые. В результате исследований микро- и наноэмульсий было установлено, что с увеличением содержания масла в эмульсии значение краевого угла смачивания уменьшается. Исследования межфазного натяжения в системах наноэмульсия/вода и пластовая вода показали, что коэффициент межфазного натяжения увеличивается с увеличением содержания масла в эмульсии примерно в 2,3 раза. При низких содержаниях масла в эмульсии были получены аномально низкие значения коэффициента межфазного натяжения (3 мН/м). Таким образом, было установлено, что использование наносуспензий и наноэмульсий может радикально менять смачиваемость нефтью горной породы, что позволяет значительно повысить коэффициент извлечения нефти. Совершенно очевидно, что полученные за это время результаты являются далеко не оптимальными. Наверняка можно подобрать такие параметры наночастиц, при которых эти результаты будут еще интереснее для практического применения. Поскольку, в отличие от суспензий с макро- и микроскопическими размерами частиц, свойства наносуспензий зависят от размеров и материала наночастиц и изменяются значительно уже при небольших их концентрациях. Это открывает широкую перспективу применения наночастиц для управления характеристиками буровых растворов и интенсификации нефтеотдачи при заводнении пласта.

 

Публикации

1. - Российские физики улучшили буровые растворы для промывки нефтескважин Gazeta.ru, - (год публикации - ).

2. - Наночастицы улучшили растворы для промывки нефтяных скважин indicator.ru, - (год публикации - ).

3. Минаков А.В., Жигарев В.А., Михиенкова Е.И., Неверов А.Л., Бурюкин Ф.А., Гузей Д.В. The effect of nanoparticles additives in the drilling fluid on pressure loss and cutting transport efficiency in the vertical boreholes Journal of Petroleum Science and Engineering, Volume 171 (год публикации - 2018).

4. Минаков А.В., Рудяк В.Я., Пряжников М.И. About Rheology of Nanofluids AIP Conference Proceedings, AIP Conference Proceedings 2027, 030141 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5065235 (год публикации - 2018).

5. Михиенкова Е.И., Минаков А.В., Жигарев В.А., Матвеев А.В. The effect of nanoparticles additives on filtration properties of drilling muds with microparticles Journal of Physics: Conference Series, Volume 1105, Number 1 (год публикации - 2018).

6. Михиенкова Е.И., Минаков А.В., Неверов А.Л. The effect of nanoparticles addition on the properties of polymer weighted drilling fluid IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, - (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Целью исследований, выполненных коллективом в этом году, являлось комплексное и систематическое изучение эффективности вытеснения нефти с помощью наносуспензий и наноэмульсий. В результате работ в этом году были разработаны рецептуры растворов на основе наноэмульсий, наносуспензий и полимерных композиций для вытеснения нефти из пласта, получены систематические экспериментальные данные о реологических характеристиках наносуспензий и наноэмульсий, изучено их влияние на межфазное натяжение и смачиваемость на границе раздела с нефтью и горной породой, получены экспериментальные и численные данные о характеристиках вытеснения нефти из горной породы с помощью наноэмульсий и наносуспензий. В итоге, в этой части проекта получены следующие основные результаты. 1. Отработаны технологии получения устойчивых наносуспензий и низкоконцентрированных наноэмульсии для заводнения пласта, позволяющие получать коллоидноустойчивые суспензии и эмульсии с размерами капель порядка 100мкм, основные свойства которых слабо изменяются в течение как минимум десяти дней. 2. Изготовлено и проведено систематическое изучение свойств более чем 40 различных растворов на основе наноэмульсий, наносуспензий и полимерных композиций для вытеснения нефти из пласта. В отличие от ранее проведенных исследований, в данном проекте впервые получены систематические данные об объёмной (второй) вязкости водных наносуспензии. Показано, что сдвиговая вязкость наносуспензий существенно зависит от размера наночастиц. С уменьшением размера наночастиц коэффициент вязкости наносуспензии увеличивается. Экспериментально показана зависимость вязкости наносуспензии от материала наночастиц. При этом впервые в данном проекте экспериментально было показано, что с увеличением размера наночастиц влияние материала наночастиц на вязкость наносуспензий уменьшается. В ходе выполнения проекта было изучено влияние объемного содержания и вида базового масла в эмульсии, вида и концентрации эмульгатора, температуры и длительности ультразвуковой обработки на свойства получаемой эмульсии. Установлена взаимосвязь между размерами капель в эмульсиях с их свойствами. В результате были подобраны необходимые реагенты и определены их оптимальные концентрации, разработана технология приготовления эмульсий с высокой коллоидной устойчивостью и температурной стабильностью. 3. Показано, что на характеристики смачиваемости водо-нефтяных систем существенное влияние оказывает присутствие наночастиц. С увеличением концентрации наночастиц межфазное натяжение на границе нефть/наносуспензия снижается, а краевой угол для капли нефти на горной породе в наносуспензии, напротив, возрастает. Кроме того, показано, что это влияние зависит от размера наночастиц. С уменьшением размера наночастиц краевой угол смачивания на границе нефть/наносуспензия/горная порода увеличивается, а коэффициент межфазного натяжения нефть/наносуспензия, напротив, уменьшается. Действие добавки наночастиц на смачиваемость поверхности горной породы нефтью в наносуспензии существенно зависит от материала горной породы. Анализ литературы показывает, что подобные систематические исследования выполнены впервые. Таким образом, было установлено, что использование наносуспензий и наноэмульсий может радикально менять смачиваемость нефтью горной породы, что позволяет значительно повысить коэффициент извлечения нефти. 4. Экспериментально установлено, что добавка наночастиц позволяет увеличить коэффициент извлечения нефти. При этом с увеличением концентрации наночастиц в вытесняющей жидкости коэффициент извлечения нефти в среднем возрастает. Впервые систематически исследована зависимость коэффициента извлечения нефти от размера наночастиц. В результате было установлено, что КИН увеличивается с уменьшением размера наночастиц. Эти данные хорошо согласуются с измерениями краевого угла смачивания в системах нефть/наносуспензия/горная порода. Систематические измерения, выполненные для нескольких наносуспензий с контролируемым размером наночастиц, впервые позволили обнаружить влияние материала наночастиц на КИН с помощью наносуспензии. Проведено изучение влияния начальной проницаемости керна на величину КИН для наносуспензий. Установлено, что с увеличением проницаемости эффект от добавки наночастиц увеличивается. 5. Показано, что наноэмульсии также обладают значительным потенциалом для увеличения коэффициента извлечения нефти. Исследовано влияние объемной доли дисперсной УВ фазы в эмульсии на величину КИН. Показано, что с увеличением содержания УВ фазы КИН возрастает. Так, в частности, для наноэмульсии с содержанием нефти 2,5 об.% было получено увеличение КИН практически на 40%. При этом значительный эффект наблюдался уже при концентрации нефти, начиная с 1%. На наш взгляд, это обстоятельство делает данную эмульсию весьма привлекательной для заводнения пласта. В настоящее время известен опыт применения тяжелых нефтяных фракций для закачки в пласт при добыче нефти. Исследований применения для этих целей низкоконцентрированных нефтяных эмульсий в настоящий момент нет. 6. Получены результаты расчетного исследования процессов вытеснения нефти с помощью нанофлюидов. С помощью моделирования проведено систематическое исследование факторов, влияющих на эффективность процесса вытеснения. В качестве таких факторов были рассмотрены расход вытесняющей жидкости, размер используемых наночастиц, вязкость нефти, а также проницаемость горной породы. Анализ полученных данных позволил объяснить основные закономерности влияния наноэмульсий и наносуспензий на процесс вытеснения нефти. Это позмолило окончательно установить, что основной причиной увеличения КИН при вытеснении нефти наножидкостью является улучшение смачивания горной породы. Результаты численного моделирования были сопоставлены с экспериментальными данными. Получено хорошее согласование на качественном уровне. 7. В целом, по итогам этой части исследований было продемонстрировано, что закачка наноэмульсий и наносуспензий в пласт для увеличения нефтеотдачи обладает большим потенциалом для использования. Имеется большой запас для совершенствования этих технологий путем подбора соответствующих наноматериалов и химических реагентов, и отработки технологий их закачки. 8. Проведен анализ и систематизация полученных данных и сформулированы на их основе практические рекомендаций по применению наносуспензий и наноэмульсий в технологиях разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений. Проведенные в рамках данного проекта исследования показали, что разработанные буровые растворы с наночастицами имеют ряд принципиальных преимуществ по сравнению с традиционными растворами: имеют повышенные эксплуатационных характеристики (работа при высоких температурах и давлении в условиях воздействия агрессивных сред и пр.); максимально адаптивны к горно-геологических условиям и особенностям разработки; обладают широким диапазоном регулирования свойств; добавка требуется в малом количестве, возможно снижение себестоимости; экологически инертны. Это открывает широкую перспективу по их применению. Продемонстрированные в проекте результаты по возможности управления свойствами буровых растворов с помощью добавок наночастиц по многим показателям превосходят мировой уровень, и на наш взгляд могли бы быть успешно внедрены в отечественную нефтегазовую промышленность. Безусловно, большим потенциалом к внедрению обладают результаты исследований по возможности применения наноэмульсий и наносуспензий в качестве нефтевытесняющих агентов. Хорошо известно, что последние десятилетия уровень добычи нефти на наших крупных месторождениях в Западной Сибири, на долю которых приходится более 50% запасов, снижается. Проблема усугубляется и низкими ценами на нефть, которые в обозримой перспективе вряд ли значительно вырастут. Эти условия требуют создания принципиально новых высокоэффективных технологий разработки месторождений углеводородов, делающих рентабельной добычу в условиях низких цен на нефть. В перспективе широкое применение наносуспензий и наноэмульсий для разработки и эксплуатации нефтяных и газовых скважин могло бы стать одной из таких технологий. Полученные в проекте результаты продемонстрировали, что закачка наноэмульсий и наносуспензий в пласт для увеличения нефтеотдачи обладает большим потенциалом для использования. Имеется большой запас для совершенствования и доводке этих технологий путем подбора соответствующих наноматериалов и химических реагентов, и отработки технологий их закачки. Конечно, полученные в этом направлении результаты являются только первым шагом к широкому внедрению данной технологии в разработку нефтегазовых месторождений. Требуются дальнейшие систематические исследования, в том числе и опытно-промышленные. Тем не менее, перспективы применения нанофлюдных технологий для увеличения нефтеотдачи, бесспорно, имеются. 9. Всего по проекту за прошедший период опубликовано 8 статей в рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях, индексируемых в базах данных WoS Core Collection и SCOPUS, в том числе2 публикация в журнале из Q1 (Journal of Natural Gas Science and Engineering, Journal of Natural Gas Science and Engineering). Результаты проекта были представлены на шести всероссийских и международных конференциях. Всего в общей сложности участниками проекта в этом году было сделано 10 докладов. Коллективом проекта и под его эгидой в октябре 2019 года была проведена VIII Всероссийская научно-техническая конференция c международным участием, "УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЕ ПОРОШКИ, НАНОСТРУКТУРЫ, МАТЕРИАЛЫ" Красноярск, 24-25 октября 2019 г. В работе которой приняли более чем 50 участников. 10. Таким образом, все запланированные в проекте на этот год задачи решены и необходимые показатели достигнуты.

 

Публикации

1. - Rheological behavior of water and ethylene glycol based nanofluids containing oxide nanoparticles -, - (год публикации - ).

2. А. С. Лобасов, А. В. Минаков, М. И. Пряжников Experimental investigation of the effect of volume concentration and average diameters of nanoparticles on the contact angle of wetting between nanofluids and different substrates Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2019).

3. А.В. Минаков, В.Я. Рудяк, М.И. Пряжников Systematic experimental study of the viscosity of nanofluids Heat Transfer Engineering, - (год публикации - 2020).

4. Е. И. Михиенкова, А. В. Минаков, А. В. Матвеев, М. И. Пряжников Experimental study of temperature dependence of drilling fluids viscosity with nanoparticles Journal of Physics: Conference Series, Journal of Physics: Conference Series 1359 (2019) 012110 IOP Publishing doi:10.1088/1742-6596/1359/1/012110 (год публикации - 2019).

5. М. И. Пряжников, Е. И. Михиенкова , А. В. Минаков, В. Я. Рудяк Investigation of temperature dependence of drilling mud viscosity with silica nanoparticles addition Journal of Physics: Conference Series, Journal of Physics: Conference Series 1385 (2019) 012038 IOP Publishing doi:10.1088/1742-6596/1385/1/01203 (год публикации - 2019).

6. Минаков А. В., Михиенкова Е. И., Матвеев А. В., Неверов А. Л. Experimental Study of Antifriction Properties of Fluids with Nanoparticles Journal of Friction and Wear, - (год публикации - 2019).

7. Минаков А.В. , Михиенкова Е.И., Вороненкова Ю.О., Неверов А.Л., Зеер Г.М., Жарков С.М. Systematic experimental investigation of filtration losses of drilling fluids containing silicon oxide nanoparticles Journal of Natural Gas Science and Engineering, - (год публикации - 2019).

8. Минаков А.В. , Михиенкова Е.И., Пряжников М.И., Жигарев В.А. Numerical simulation of the oil displacement process from a porous medium by nanofluid Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2019).

9. Пряжников М.И.,Минаков А.В. Объемная вязкость суспензии наночастиц оксида кремния Письма в ЖТФ, Technical Physics (год публикации - 2020).