Плазменно-импульсное воздействие – инновационный подход к добыче традиционных и нетрадиционных углеводородов и заблаговременной дегазации угольных пластов

Универсальная российская технология «Плазменно-импульсное воздействие на продуктивные пласты углеводородов» (рис. 1) 19 ноября 2013 г. на Международной конференции «Total Energy USA» в США, организованной Хьюстонским технологическим центром, получила первую премию председателя конференции «За выдающуюся инновацию, отвечающую современным и будущим энергетическим вызовам» (рис. 2).

ЧТО ТАКОЕ МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА?

Плазма – это ионизированный газ с высокой температурой и давлением, образовавшийся от мгновенного испарения металлического проводника. Ионизированный газ образуют нейтральные молекулы и заряженные частицы. Отличительной особенностью такой плазмы является квазинейтральность. Среди всех зарядов в единице объема плазмы число положительных зарядов равно числу зарядов отрицательных. Известны три агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное, которые способны перетекать одно в другое. Плазма же считается четвертым агрегатным состоянием, образовавшимся за счет чрезвычайно высокой нелинейности.
Исследованием испарения металлических проводников или «взрывных проволочек» из разных материалов, различной длины и толщины, занимались многочисленные институты в США, СССР, Франции, Германии, Японии и др. В основном эти исследования носили прикладной характер в интересах ядерной энергетики и оборонной промышленности.

Значительный вклад в развитие данного направления внесли конференции по проблемам «взрывной проволочки», проводившиеся в США в первой половине 1960-х гг. [1]. В конце 1960-х была предпринята первая попытка использовать технологию для интенсификации притока нефти.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ЖИДКОСТИ ИЛИ ПЛАЗМА – ДВА НАПРАВЛЕНИЯ, ДВЕ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ

Электрический разряд в жидкости, или электрогидравлический эффект Юткина, который преобразует электрическую энергию в механическую, создавая гидроудар, известен с 1930-х гг., а применять его для интенсификации притока нефти, особенно на месторождениях поздней стадии разработки, стали в начале 1970-х в США и СССР. Однако этому предшествовала широкая полемика, поскольку привлекательным выглядело применение энергии, образующейся за счет взрыва калиброванного металлического проводника [2, 3, 4, 5].
Два американских инженера Э.Д. Ригс и д-р Э.Р. Браункомб – сотрудники фирмы «Соник Интернэшнл Инк.», г. Даллас (штат Техас) – предложили электро-искровой каротажный зонд «…для создания акустического скачка уплотнения с целью удаления непроницаемых барьеров из призабойной зоны скважины», который представлял собой 4-дюймовую трубу длиной 4300 мм, с накопительными конденсаторами, энергия которых разряжалась каждые 2 секунды через металлический проводник, помещенный между двумя электродами. Были получены определенные положительные результаты, однако проводник быстро испарялся с высокой температурой в 28 000 градусов, что приводило к выходу из строя электродов. Кроме того, подающий калиброванный проводник (механизм в виде крученой пружины) не работал при высоких температурах, и в конечном итоге это изделие не получило развития [6] .
В то же время американский изобретатель Уэсли (Wesley) разработал и применил на практике аппарат электрогидравлического воздействия, основанный на эффекте Юткина [7].

В 1977 г. по заказу специальной лаборатории «Sandia Laboratories», при поддержке правительства США, американский исследователь Buford McClung провел сравнительный анализ двух направлений интенсификации притока жидкости в скважину, подготовив статью под названием «Целесообразность развития искровых излучателей для применения в рабочем пространстве геотермальных скважин». Со ссылкой на дискуссию иностранных ученых исследователь считал, что источник со «взрывной проволокой», помещенный в агрессивную среду скважины при высокой температуре, с учетом вышесказанных замечаний, должен выдерживать 30 секунд работы при излучении одного импульса за 5 секунд, при этом сигналы должны быть апериодическими [8].
Среди исследователей предпочтение отдавалось изделию, принцип действия которого основывался на эффекте Юткина и которое под различными брендами появилось в США, бывшем СССР (в России и в Украине) – «Скиф 1 – 5», «Элара», «Нева», а позднее – в Канаде («Blue Spark») и Китае – «WXEB (GTEB)» (рис. 3).
Практически все они имели одни и те же технические характеристики, поскольку для пробоя жидкости в агрессивной среде необходима была достаточно большая мощность. В частности, электропитание 300 – 360 кВ, ток разряда 50 кА, энергоемкость 4,5 – 6,0 кДж. Поскольку изделие укомп­лектовывалось батареей конденсаторов для накопления значительного количества энергии, длина таких аппаратов была от 6,5 до 12 м. Аппараты применялись для чистки перфорационных каналов эксплуатационных колонн добывающих и нагнетательных скважин, воздействия на призабойную зону (существует устойчивое мнение, что от ее состояния зависит их производительность).
Однако эти изделия имеют существенные недостатки. В частности, большая энергоемкость 4.5 – 6.0 кДж необходима для гарантированного пробоя жидкости, при этом для их применения нужна жидкая моносреда. Любое изменение химического и физического состава окружающей жидкости, неизбежно происходящее в результате прохождения электрического разряда, существенно меняет условия возникновения следующего пробоя. Мощность, а также сам факт образования каждого импульса зависят от изменения состава жидкости, поступающей в скважину. При электрическом разряде в жидкости 90 % энергии распространяется вдоль колонны вверх и вниз [9] и только 5 –10 % создают ударную упругую волну, которая воздействует на перфорационные каналы при частоте импульсов от 3 до 10 и более в минуту. Кроме того, из-за мощного электро- гидроимпульса с большим давлением в заглушенной скважине при выбросе основной энергии вверх и вниз существует угроза разрушения цементного кольца или смятия эксплуатационной колонны в скважинах поздней стадии эксплуатации. Все это существенно снижает привлекательность названного метода.

ИДЕАЛЬНЫЙ ПЛАЗМЕННО-ИМПУЛЬСНЫЙ
ИСТОЧНИК НАПРАВЛЕННЫХ, УПРАВЛЯЕМЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

В конце 1990-х гг. доктор технических наук, дважды лауреат Государственной премии из НИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова О.П. Печерский и доктор технических наук, профессор Ленинградского горного университета А.А. Молчанов нашли оригинальное решение подачи калиброванного металлического проводника в межэлектродное пространство, что позволило создать аппарат, способный работать в агрессивной среде добывающих, нагнетательных и метаноугольных скважин длительный период (по регламенту не более 24 часов) за одну спуско-подъемную операцию. Изделие зарегистрировано в руководящем документе (РД 153-39.0-072-01) Министерства энергетики РФ – «Техническая инструкция по проведению геофизических исследований и работ приборами на кабеле в нефтегазовых и газовых скважинах». В разделе 13.5.3 говорится: «Для возбуждения поля со спектром частот от 0.1 Гц – 1 кГц используют электрогидравлические излучатели, обеспечивающие электрический пробой в жидкости, инициированный сжигаемой калиброванной проволочкой, и позволяющий создать давление упругого воздействия до 10 МПа» [10].
В самом названии источника колебаний – идеальный нелинейный источник ПИВ – раскрываются его возможности (рис. 4):
Идеальный. Источник колебаний может возбуждать любую среду, а возмущенная среда не может оказать на него никакого влияния. Нелинейный. Суть нелинейности заключается в эффекте, когда «за счет малого потребления энергии получается непропорционально большой положительный результат. Способность сконцентрировать энергию и выделить ее за короткий промежуток времени, создавая мгновенное мощное, направленное по горизонтали упругое давление, переходящее в ударную волну сжатия с последующим растяжением». Широкополосность колебаний находится в диапазоне от долей герц до 400 ГЦ за счет акустического эффекта от взрыва калиброванного проводника. В отличие от электро-гидроимпульсного разряда в моносреде практически 95 % произведенной энергии распространяется горизонтально, сжимая и растягивая среду по периодическому принципу на значительное расстояние по продуктивному пласту.
Снятая независимой геофизической партией цементограмма показала, что широкополосные импульсы большого давления не нарушают цементное кольцо. Интеллектуальные права на изобретение, технику и методику применения принадлежат группе россий­ских компаний «Новас – Георезонанс» (резиденты фонда «Сколково»), которая на базе теоретических разработок и гипотез выдающихся отечественных ученых провела исследования возможностей указанного источника колебаний, осуществила его модернизацию, защитила изобретение, отдельные узлы и методику применения российскими, международными и национальными патентами, включая США и Канаду, а также получила приоритетное право в Австралии, странах Ближнего Востока и Китае [11].

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ, СТЕНДОВЫЕ
И ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДИКИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПИВ

Основу теоретического обоснования технологии ПИВ составили: фундаментальные исследования Цент­ра нелинейной волновой механики и волновых технологий (академик РАН Р.Ф. Ганиев); Института вычислительной математики и математической геофизики (академик РАН А.С. Алексеев); Института теплофизики – волновая теория паро- и газожидкостных сред (академик РАН В.Е. Накоряков), а также лабораторные, стендовые испытания кандидата технических наук А.В. Максютина «Комплексная технология плазменно-импульсного и физико-химического воздействия на продуктивные пласты для интенсификации добычи нефти на месторождениях с трудноизвлекаемыми запасами». В этом же ряду – Ленинградский горный университет и опытно-промышленные работы, НИОКР, исследования физических процессов в продуктивных пластах, оценка параметров механического воздействия специалистами российской группы компаний «Новас» – «Георезонанс» [12 – 20].
Любая продуктивная залежь, в том числе и метаноугольная, с точки зрения нелинейной физики, рассматривается как «Природный многослойный нелинейный модуль объемной упругости, содержащий неравновесную диссипативную динамическую систему, вид и свойство которой определяется самой системой». Любая динамическая система, вне зависимости, имеет ли она искусственное или естественное происхождение, характеризуется стационарной круговой частотой свободных колебаний, которая зависит от силы возмущения и в этом случае имеет возвратную силу, отнесенную к единице массы, равную силе возмущения. Природа по существу нелинейна (Р.Ф. Ганиев, академик РАН).
На основании полученных данных Институт прикладной математики им М.В. Келдыша в 2013 г. под руководством академика РАН В.Н. Четверушкина осуществил физико-математическую модель «Поиск, разработка и исследование связных моделей флюидо-пороупругого поведения пласта при плазменно-импульсном воздействии».

Для подтверждения расстояния, на которое распространяется воздействие, НИИ прикладной информатики и математической геофизики (г. Калининград) провел микросейсмические исследования на метаноугольной залежи, которые зарегистрировали сейс­мические события от ПИВ на расстоянии 1500 м, зафиксировали энергию образования аномальной сети микротрещиноватости. В результате воздей­ствия были подтверждены теоретические расчеты частотных и энергетических показателей плазменных импульсов в продуктивных пластах (рис. 5).
На основании этих исследований были построены геологические и гидродинамические 3D-модели, что позволило отработать методику ПИВ как на неф­тегазовых коллекторах, так и на метано-угольных пластах.
Выявленные при исследованиях особенности технологии ПИВ подтвердились на практике. В частности, при работе в скважине поздней стадии эксплуатации увеличивается их производительность и снижается обводненность продукции, увеличивается контур питания скважины. Положительным дебитом откликаются скважины, пробуренные на том же пласте на расстоянии от 250 до 1500 м, в зависимости от геологической структуры коллектора.
Технология ПИВ позволяет осуществлять фазовое воздействие, включать в работу непромытые пропластки, снимать поверхностное натяжение в капиллярах и освобождать капиллярно удерживаемые нефть и газ. При применении ПИВ проницаемость по пласту увеличивается, а пористость за счет освобождения легкой фазы уменьшается. Длительность эффекта сохраняется от 6 месяцев до нескольких лет. Наиболее впечатляющие результаты получаются при работе в открытом стволе или в скважинах после снижения эффекта от ГРП (рис. 6 – 7).
Успешность операций на нагнетательных скважинах составляет почти 100 %. Отработанная методика плазменно-импульсного воздействия позволяет не только увеличивать приемистость нагнетательных скважин, но и перераспределять закачиваемую жидкость по непромытым пропласткам, тем самым увеличивая охват месторождения заводнением до максимальных значений (рис. 8, 9).
Начиная с 2007 г. технология ПИВ внедряется в промышленное применение в России, США, Канаде, Казахстане, ведутся опытно-промышленные работы в Китае – как на метано-угольных, так и на добычных нефтяных и нагнетательных скважинах различных месторождений КНР. С учетом востребованности технологии ПИВ в США создана одноименная компания «Novas Energy USA», в Канаде – СП «Тechnovita», в Пекине зарегистрировано СП «Devasi».

ЗАБЛАГОВРЕМЕННАЯ ДЕГАЗАЦИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, УТИЛИЗАЦИЯ ИЗВЛЕЧЕННОГО МЕТАНА

Технология ПИВ в рамках НИОКР впервые в мире была применена на разрабатываемой лаве. Плазменно-импульсное воздействие проводилось через скважины, пробуренные в будущих куполах обрушения, к которым угольный комбайн подойдет через три года, а сами скважины будут использоваться для традиционной купольной дегазации. Поскольку скважины дополнены стеклопластиковыми колоннами, то они не представляют никакой опасности для комбайна, при этом к тому моменту, когда начнется добыча угля, произойдет значительный съем чистого метана, который подлежит утилизации. При использовании технологии ПИВ для заблаговременной дегазации извлекается чистый метан, а не газовоздушная смесь, что позволяет эффективно утилизировать метан.
Примечательно, что по сравнению с известными способами заблаговременной дегазации затраты на применение ПИВ составляют примерно 50 центов на тонну угля, в то время как затраты на другие методы равны примерно 10 долл/т. (рис. 10).
Технология плазменно-импульсного воздействия неоднократно презентовалась в Китае на выставках и международных конференциях, в том числе на 6-м Китайско-российском симпозиуме по промысловой геофизике в Циндао, 2010, на выставке-конференции в Дунине (август 2011 г.)., на международных конференциях по «добыче нетрадиционных углеводородов» в 2013, 2015, 2016 гг., а также на выставках ADIPEC в Абу-Даби (2014, 2015 гг.), Global Petroleum Show, в Калгари, Канада (2015, 2016 гг.) и в других странах.

НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ

Накопленный опыт работы в России и за рубежом позволил выявить потребности рынка в более совершенных модификациях технологии ПИВ. В частности, был разработан и опробован в добывающих фонтанных и нагнетательных скважинах аппарат диаметром 42 мм, который при использовании не требует демонтажа насосно-компрессного оборудования и опускается в район рабочего интервала на геофизическом кабеле через НКТ. Из 6 обработанных скважин 5 оказались в эффекте, при этом себе­стоимость таких работ очень мала (рис. 11).
За счет инвестиций канадской компании разработан и проходит испытания уникальный комплекс технологии ПИВ для применения в скважинах с горизонтальным окончанием (рис. 12).
По замыслу разработчиков, внедрение этого комплекса позволит значительно увеличить дебит горизонтальных скважин в России и за рубежом, заменит трудоемкий и затратный многоступенчатый ГРП.
Предварительные исследования показывают, что за счет селективности ПИВ на продуктивный пласт и увеличения проницаемости технология имеет перспективы применения на сланцевых месторождениях нефти и газа, отличающихся высокой расчлененностью пород в пласте коллекторе и низкой проницаемостью.
В ближайшее время предполагается проведение опытно-промышленных работ на сланцевых месторождениях в США и Китае.