Россия
Россия
УДК 621.3.082.4 Использование акустических эффектов и явлений, например использование звуковых колебаний
В статье проводится анализ различных вариантов акустико-химического воздействия на различные горизонты пласта для интенсификации добычи нефти на примере месторождения Верблюжье в Астрахан-ской области. В условиях истощения запасов легкой нефти возрастает значимость трудноизвлекаемых запасов, характерных для таких месторождений, как Верблюжье в Астраханской области. Его нефть обладает высокой вязкостью и значительным содержанием парафина, а продуктивные пласты имеют неоднородные коллекторские свойства. Основной проблемой является кольматация призабойной зоны пласта, снижающая ее фильтрационно-емкостные свойства, что делает традиционные методы интенсификации добычи малоэффективными. Первые исследования по данной технологии появились в 1960-х гг. Постепенное развитие технологии, уточнение параметров акустического воздействия и разработка более эффективных химических реагентов привели к возможности применения данной технологии в процессе разработки месторождений. С начала 2000-х гг. появилось специализированное оборудование для применения на разных типах пластов и в различных условиях. Все эти улучшения позволяют эффективно использовать данную технологию на месторождениях со сложными условиями добычи нефти, высоковязкой и трудноизвлекаемой нефтью. В статье описан метод исследования акустико-химического воздействия на керн в лабораторных условиях. Описание метода позволяет повторить его на других месторождениях с различными условиями нефтеносных пластов и характеристиками нефти. Проведен анализ эффективности технологии с различными химическими реагентами, частотой и мощностью акустического воздействия и сделаны выводы об оптимальном режиме воздействия на продуктивный пласт месторождения Верблюжье в Астраханской области.
акустико-химическое воздействие, увеличение проницаемости, снижение вязкости нефти, продуктивность скважины, неоднородность коллекторских свойств
Введение
Нефтедобывающая промышленность сталкивается с постоянным ухудшением условий разработки месторождений, связанных с истощением запасов легкой нефти и необходимостью вовлечения в эксплуатацию трудноизвлекаемых запасов. Месторождение Верблюжье в Астраханской области характеризуется именно такими условиями, здесь залегает высоковязкая нефть с плотностью от 0,74 до 0,97 г/см³ и содержанием парафина до 4,49 % [1]. Продуктивные пласты расположены на глубинах 870–1 445 м, общие извлекаемые запасы оцениваются от 8,73 до 17,5 млн т нефти.
Основной проблемой таких месторождений является снижение фильтрационно-емкостных свойств призабойной зоны пласта вследствие кольматации порового пространства. Это происходит из-за проникновения фильтрата бурового раствора, механических примесей, отложения высоковязких компонентов нефти и глинистых частиц, образования неподвижных пленок жидкости на поверхности поровых каналов. Традиционные методы обработки призабойной зоны часто оказываются недостаточно эффективными и экономически нецелесообразными.
Акустико-химическое воздействие (АХВ) представляет собой перспективное направление интенсификации добычи нефти, сочетающее физическое и химическое воздействие на пласт [2–4]. Его применение на конкретных месторождениях с уникальными геолого-физическими характеристиками требует дополнительных исследований для оптимизации параметров воздействия.
Технологии акустико-химического воздействия
Суть технологии АХВ состоит в одновременном закачивание в пласт раствора определенных химических реагентов и воздействия на пласт акустических колебаний различной частоты [3, 5]. Одновременное воздействие этих двух факторов дает синергетический эффект, превосходящий эффект воздействия каждого фактора по отдельности и возникающий вследствие того, что акустическое поле усиливает проникновение химических реагентов вглубь пласта и интенсифицирует химические реакции [2].
Объект исследования
Месторождение Верблюжье расположено в Харабалинском районе Астраханской области. Продуктивные пласты залегают на глубинах 870–1 445 м
и характеризуются неоднородностью коллекторских свойств. Нефть отличается высокой вязкостью и значительным содержанием парафинов (табл. 1), что осложняет ее добычу традиционными методами [1].
Таблица 1
Table 1
Основные характеристики нефти месторождения Верблюжье
Main characteristics of oil from the Verblyuzhye field
|
Параметр |
Значение |
|
Плотность, г/см³ |
0,74–0,97 |
|
Содержание серы, % |
0,55 |
|
Содержание парафина, % |
4,49 |
|
Вязкость |
Высокая |
Методика исследования
Исследование проводилось с использованием комплексного подхода, включающего лабораторные эксперименты, математическое моделирование и анализ промысловых данных. Для исследования эффективности АХВ была разработана специализированная экспериментальная установка, моделирующая пластовые условия месторождения Верблюжье.
Установка включает следующие основные компоненты:
1) ячейка высокого давления типа Хассельбруха объемом 500 см³, изготовленная из нержавеющей стали марки 316L, с рабочим давлением до 50 МПа и температурой до 150 °C, оборудована сапфировыми окнами для визуального наблюдения за процессом;
2) система поддержания пластовых условий, включающая термостатирующую печь с точностью поддержания температуры ±0,5 °C, шприцевые насосы ISCO 500D для создания и поддержания давления, систему подогрева магистралей с термостатическим контролем;
3) акустическая система, состоящая из генератора низкочастотных колебаний ГП-5-300 (диапазон частот 20–5 000 Гц), пьезоэлектрических преобразователей ПК-100 с резонансной частотой 20–100 кГц, усилителя мощности АС-1000 (максимальная мощность – 1 кВт), системы акустической развязки и фокусировки излучения [6];
4) измерительный комплекс, включающий дифференциальный манометр ДМЦ-100 с точностью ±0,1 %, капиллярный вискозиметр Пинкевича, систему высокоскоростной видеорегистрации Phantom V2012, анализатор спектра акустических колебания СК4-59.
Исследование включало предварительный этап подготовки кернового материала: отбор кернов диаметром 30 мм и длиной 50–60 мм из продуктивных пластов БВ₈ и БВ₁₀; механическую очистку поверхности от бурового раствора; экстракцию остаточной нефти в аппарате Сокслета в течение 48 ч с использованием смеси толуол-этанол (70 : 30); сушку в вакуумном сушильном шкафу при температуре 105 °C до постоянной массы. Затем производилось определение физических характеристик образца: измерение пористости методом насыщения керна декалином под давлением 25 МПа; определение проницаемости по газу на приборе ППГ-1-3 при различных давлениях; ртутная порометрия на анализаторе пороразмерения AutoPore IV 9500.
Эксперименты проводились при смоделированных пластовых условиях: установка температуры 85 °C с точностью ±0,5 °C; поровое давление –
25 МПа; горное давление – 35 МПа [7, 8].
Производился непрерывный мониторинг давления цифровыми датчиками Keller PA-23SY, регистрация температуры термопарами типа K с точностью ±0,1 °C.
Эксперимент включал три основных этапа.
1. Процедура акустической обработки. Включала циклическое воздействие на образец 5 мин обработки / 2 мин паузы. Изменение частоты воздействия от 20 до 5 000 Гц проходило ступенчато. Интенсивность излучения была установлена 1, 3, 5, 7 и 10 кВт/м². Время обработки – 1, 3, 6, 9 и 12 ч.
Производился мониторинг следующих параметров: регистрация акустической эмиссии пьезоэлектрическими датчиками; контроль температуры в режиме реального времени; измерение изменения электрического импеданса образца [6, 9].
2. Процедура химического воздействия. Приготовленные реагенты закачивались в образец со скоростью 0,1–2,0 мл/мин. Объем порции составлял 0,5–3,0 поровых объема. Температура реагента – 85 °C. Статическая выдержка – от 6 до 24 ч.
Проводился контроль изменения pH и электропроводности.
3. Комплексное акустико-химическое воздействие. Проводилась предварительная акустическая подготовка образца путем обработки низкоинтенсивным излучением (1 кВт/м²) в течение 1 ч с частотой 50–100 Гц, химическая пропитка путем закачки реагента со скоростью 0,5 мл/мин и выдержкой под давлением 3 ч. Кроме этого, проводилось синхронное воздействие, включающее в себя одновременную закачку реагента и акустическое воздействие различной частоты и интенсивности [2, 4]. Контроль и анализ образцов после указанных воздействий включал: реологические исследования (определение параметров моделей Оствальда, Гершеля-Балкли, Бингема); структурный анализ образцов с использованием электронной микроскопии; рентгеноструктурный анализ на дифрактометре; ИК-Фурье спектроскопию; гидродинамические исследования, включая измерение фазовых проницаемостей, определение капиллярного давления, ртутную порометрию с определением распределения пор по размерам. Обработка результатов проводилась в программном комплексе Statistica 12.0. Разработанная детальная методика обеспечивает воспроизводимость результатов и позволяет проводить комплексные исследования эффективности акустико-химического воздействия на различных режимах.
Результаты исследования
Воздействие химических реагентов
Эксперименты показали, что наибольшей эффективностью в условиях месторождения Верблюжье обладают композиции на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ) и углеводородных растворителей. Они обеспечивают снижение вязкости нефти и разрушение парафиновых отложений (табл. 2). Важным условием является отсутствие водной фазы и содержание ароматических углеводородов как мощных растворителей смол, асфальтенов и парафинов [3].
Таблица 2
Table 2
Эффективность различных химических реагентов
Efficiency of various chemical reagents
|
Тип реагента |
Снижение |
Увеличение |
Примечания |
|
Катионактивные ПАВ |
25–30 |
15–20 |
Для добывающих скважин |
|
Анионактивные ПАВ |
20–25 |
10–15 |
Для нагнетательных скважин |
|
Неионогенные ПАВ |
15–20 |
10–12 |
Универсальное применение |
|
Углеводородные |
35–40 |
25–30 |
Требуют отсутствия |
|
Кислотные составы |
10–15 |
8–12 |
Ограниченная эффективность |
Воздействие акустических волн
Исследование влияния акустических волн различных частот показало, что низкочастотное воздействие (20–200 Гц) наиболее эффективно для разрушения прочных отложений и увеличения проницаемости коллектора, в то время как высокочастотное воздействие (5–20 кГц) лучше справляется
с удалением мелкодисперсных частиц и разрушением пристенных слоев жидкости (рис. 1) [5, 6].
Рис. 1. Зависимость увеличения проницаемости от частоты акустического воздействия
Fig. 1. Dependence of the increase in permeability on the frequency of acoustic impact
Комплексное акустико-химическое воздействие
Наибольший эффект достигнут при комбинации акустического и химического воздействий. Синергетический эффект проявляется в том, что акустическое поле усиливает проникновение химических реагентов вглубь пласта и интенсифицирует химические реакции (табл. 3) [2–4].
Таблица 3
Table 3
Результаты комплексного акустико-химического воздействия
Results of complex acoustic-chemical impact
|
Тип воздействия |
Увеличение |
Снижение |
Прирост дебита, % |
|
Химическое |
15–30 |
20–40 |
25–35 |
|
Акустическое |
10–20 |
15–25 |
20–30 |
|
Комплексное воздействие |
30–50 |
40–60 |
45–70 |
Эксперименты подтвердили, что комплексное АХВ позволяет достичь увеличения дебита скважин на 45–70 % с продолжительностью эффекта не менее 1–1,5 года. Экономический анализ показал, что применение технологии АХВ на месторождении Верблюжье экономически целесообразно. Прирост дополнительной добычи нефти составляет 1,5–2,0 тыс. т на скважину в год (рис. 2), а срок окупаемости технологии не превышает 6–8 месяцев [1].
Рис. 2. Динамика дополнительной добычи нефти после применения акустико-химического воздействия
Fig. 2. Dynamics of additional oil production after the use of acoustic-chemical impact
Выводы
Результаты исследования демонстрируют высокую эффективность технологии АХВ для условий месторождения Верблюжье. Механизм воздействия включает несколько одновременных процессов:
1) деструкцию пристенных слоев жидкости за счет знакопеременных нагрузок и высоких градиентов давления [6, 9];
2) диспергирование и вынос кольматантов из порового пространства;
3) снижение вязкости нефти за счет разрушения ее реологической структуры и деполяризации молекул [3];
4) изменение смачиваемости поверхности пор и снижение сил поверхностного натяжения;
5) ускорение химических реакций между реагентами и отложениями в пласте [2].
Важным преимуществом технологии является ее экологическая безопасность по сравнению с некоторыми другими методами увеличения нефтеотдачи. Кроме того, технология позволяет избирательно воздействовать на различные интервалы продуктивного разреза, что особенно важно для неоднородных пластов месторождения Верблюжье [5].
Одним из ключевых факторов успешного применения технологии является правильный подбор параметров воздействия для конкретных условий. Для месторождения Верблюжье рекомендованы следующие параметры:
1) частота акустического воздействия: для низкопроницаемых зон – 50–100 Гц; для высокопроницаемых зон – 100–500 Гц;
2) интенсивность – 5–10 кВт/м²;
3) продолжительность воздействия – 4–6 ч;
4) состав химических реагентов: композиции на основе ПАВ и углеводородных растворителей с добавлением ингибиторов коррозии и стабилизаторов [3, 4].
Предложенная технология адаптирована для конкретных условий месторождения Верблюжье и учитывает особенности залегания нефти, ее физико-химические свойства и характеристики коллектора [1, 10].
1. На Верблюжьем нефтяном месторождении в Астраханской области будут обустроены участки добычи. URL: https://neftegaz.ru/news/oilfield/755085-na-verblyuzhem-neftyanom-mestorozhdenii-v-astrakhanskoy-oblasti-budut-obustroeny-uchastki-dobychi/ (дата обращения: 01.11.2025).
2. Грубов А. И. Разработка и внедрение технологий комплексного акустико-химического и имплозионного воздействия на призабойную зону пласта при освоении и стимуляции скважин: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Тюмень, 1999. 22 с.
3. Акустико-химическое воздействие (АХВ). Условия успешного применения акустических методов. Преимущества и недостатки технологий АХВ. Сейсмоакустическое воздействие (САВ). Эффекты при САВ. URL: https://studfile.net/preview/7667264/page:13/ (дата обращения: 01.11.2025).
4. Грубов А. И. Разработка и внедрение технологий комплексного акустико-химического и имплозионного воздействия на призабойную зону пласта при освоении и стимуляции скважин: дис. … канд. техн. наук. Азнакаево, 1999. 155 с.
5. Технология фокусированного акустического воздействия. URL: https://enegro.net/фокусированное-акустическое-воздействие (дата обращения: 01.11.2025).
6. Муллагалиева Л. Ф., Баймухаметов С. К., Портнов В. С., Юров В. М., Мадишева Р. К. Метод использования акустического метода для обнаружения зон с повышенной газоотдачей // Международ. журн. приклад. и фундаментал. исслед. 2022. № 9. С. 40–46.
7. Колесниченко Е. А., Артемьев В. Б., Колесниченко И. Е. Внезапные выбросы метана: теоретические основы. М.: Гор. дело, 2013. 232 с.
8. Фельдман Э. П., Василенко Т. А., Калугина Н. А. Физическая кинетика системы угольный пласт – метан: массоперенос, предвыбросные явления // Физ.-техн. проблемы разработки полез. ископаемых. 2014. № 3. С. 46–65.
9. Булгаков Ю. Ф., Овчаренко В. Л. Проблемы без-опасной разработки выбросоопасных пластов. Донецк, 2015. 84 с.
10. Осипова И. А. Подход к созданию комплексной модели исследования прогноза внезапных выбросов угля и газа // Гор. инф.-аналит. бюлл. 2020. № 3–1. С. 170–177.
