Стимулирование с помощью пены паром (FASS) стало ключевой технологией повышения извлечения нефти (EOR) для тяжелых и вязких нефтяных резервуаров. Комбинируя впрыск пара с тщательно спроектированными системами пены, операторы могут преодолеть проблемы мобильности, которые долгое время преследовали обычное паровое наводнение. Недавние достижения в химии поверхностно-активных веществ, арматуре наночастиц и моделировании резервуара значительно улучшили стабильность и эффективность FASS, что делает его жизнеспособным решением даже для самых сложных глубоких высокотемпературных резервуаров. В этой статье рассматриваются последние технологические прорывы в стимулировании с помощью пены паром и их последствия для повышения мобильности нефти во всем мире.

Понимание стимуляции пенопласта

Стимулирование паром с помощью пены основано на простом, но мощном принципе: впрыскивание смеси пара и пены в резервуар изменяет профиль подвижности жидкости таким образом, что способствует смещению масла. В обычной паровой стимуляции (часто называемой циклической паровой стимуляцией) высокотемпературный пар снижает вязкость масла, позволяя ему течь к скважине. Однако пар имеет тенденцию проходить через масло из-за неблагоприятных соотношений подвижности, минуя большие объемы неотапливаемого масла и приводя к раннему прорыву пара. Пена изменяет эту динамику, действуя как средство контроля мобильности.

При совместном впрыскивании пены паром она преимущественно течет в каналы высокой проницаемости, снижая их проницаемость для пара. Этот временный эффект заглушения отводит последующий пар в зоны с более низкой проницаемостью, богатые нефтью, повышая эффективность зачистки. Пеноламели также создают сеть, которая снижает относительную проницаемость пара, стабилизируя фронт перемещения. Результатом является более однородный рисунок нагрева, замедленный прорыв пара и, в конечном итоге, более высокая извлечение масла на единицу впрыскиваемого пара.

Математически отношение подвижности M определяется как отношение подвижности вытесняющей жидкости (пара) к подвижности смещенной жидкости (масла). Для эффективного перемещения желательно отношение подвижности вблизи единства. Без пены подвижность пара может быть в 10-100 раз больше, чем у масла, что приводит к тяжелой вязкой пальцевой обработке. Пена снижает подвижность пара в 10-1000 раз, в зависимости от качества и условий резервуара, эффективно приближая отношение подвижности к единству и обеспечивая стабильное, похожее на поршень смещение масла.

Последние достижения в области технологий FASS

За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в материалах и методах, используемых для генерации и поддержания пены в суровых условиях резервуара. Наиболее значительные достижения делятся на три категории: химия поверхностно-активных веществ, усиление наночастиц и вычислительное моделирование.

Химия и термостабильность

Стабильность пены в средах для впрыска пара исторически ограничивалась деградацией поверхностно-активных веществ при высоких температурах. Обычные поверхностно-активные вещества часто разрушаются выше 200 ° C, теряя способность снижать межфазное напряжение и генерировать стабильные ламеллы. Недавние исследования дали новое поколение поверхностно-активных веществ, предназначенных для выдерживания длительного воздействия температур до 300 ° C. К ним относятся поверхностно-активные вещества на основе сульфоната, бетаина и гемини со специально спроектированными молекулярными структурами, которые сопротивляются гидролизу и термическому расколу.

Например, сульфонаты альфа-олефина (AOS) продемонстрировали исключительную термическую стабильность в паровых средах при использовании в сочетании с сурфактантами. Исследования, опубликованные в журнале Petroleum Science and Engineering , показали, что некоторые системы смешанных поверхностно-активных веществ поддерживают качество пены выше 80% в течение нескольких часов при 280°C, что является значительным улучшением по сравнению с более ранними составами. Способность генерировать стабильную пену при этих температурах имеет решающее значение для глубоких резервуаров высокого давления, где впрыск пара естественным образом достигает экстремальных условий.

Кроме того, исследователи разработали составы поверхностно-активных веществ, которые менее чувствительны к солености и твердости. В резервуарах с тяжелыми маслами часто содержатся рассолы с высокой концентрацией двухвалентных ионов, которые могут осаждать анионные поверхностно-активные вещества. Применение неионных или цвиттерионных поверхностно-активных веществ или их комбинаций преодолело это ограничение, что позволило применять FASS в более широком диапазоне геологических условий.

Наночастицы для усиления

Возможно, наиболее преобразующим достижением в стабильности пены было введение наночастиц для усиления пенопластовых ламелл. Наночастицы, такие как кремнезем (SiO2), глинозем (Al2O3) и диоксид титана (TiO2), могут адсорбироваться на газо-жидком интерфейсе, образуя жесткую оболочку, которая предотвращает коалесценцию и созревание Оствальда. Это резко увеличивает срок службы пены при напряжении сдвига и высокой температуре.

Когда наночастицы используются в сочетании с поверхностно-активными веществами (система, известная как наночастица-стабилизированная пена или наночастица-укрепленная пена), они действуют как физические барьеры, которые задерживают истончение ламеллы. Механизм аналогичен стабилизации эмульсий частицами Пикеринга. Частицы адсорбируются необратимо на границе, обеспечивая механическое сопротивление дренажу, которого не могут достичь только поверхностно-активные вещества. Лабораторные эксперименты с сердечным потопом показали, что добавление 0,1-1 мас.% гидрофильных наночастиц кремнезема в раствор поверхностно-активного вещества может увеличить период полураспада пены в 3-5 раз при 250°C.

Модификация поверхности наночастиц еще больше повышает производительность. Наночастицы гидрофобизированного кремнезема (с углами контакта около 90°) демонстрируют самую сильную адсорбцию на воздушно-водяном интерфейсе, производя пены, которые могут выдерживать градиенты давления, превышающие 20 пси / фут. Этот уровень прочности необходим для поддержания целостности пены во время фазы впрыска пара в гетерогенных резервуарах.

Для дальнейшего чтения о наночастицах-стабилизированных пенопластах в EOR см. полный обзор от Sharma et al. (2020) в журнале Petroleum Science and Engineering .

Продвинутая симуляция и моделирование

Понимание и прогнозирование поведения пены в пористых средах, как известно, сложны из-за взаимодействия вязкой, капиллярной и гравитационной сил. Однако недавние достижения в вычислительной динамике жидкости (CFD) и моделировании резервуара позволили гораздо более точно моделировать транспорт пены и генерацию. Современные тренажеры включают модели баланса популяции, которые отслеживают плотность пенного пузыря в зависимости от насыщения; скорость сдвига; и концентрация поверхностно-активного вещества. Эти модели могут имитировать переход от сильной пены (тонкотекстурированной) к грубой пене и наоборот, захватывая динамику регенерации пены и коалесценции.

Методы машинного обучения также вошли в область. Нейронные сети, обученные на экспериментальных данных о потопе, могут прогнозировать кажущуюся вязкость пены и факторы снижения мобильности по ряду параметров впрыска, не требуя полного моделирования на основе физики. Это позволяет инженерам быстро просматривать сотни потенциальных сценариев впрыска и определять оптимальные соотношения пар-пена, скорости впрыска и время цикла. Полевые приложения, использующие эти инструменты, сообщили о до 15% постепенной рекуперации масла по сравнению с обычной стимуляцией пара в тех же скважинах.

Разработка сопряженных тепло-гидравлическо-химических тренажеров теперь позволяет одновременно моделировать конденсацию пара, транспорт поверхностно-активных веществ и генерацию пены.Этот целостный подход повысил надежность прогнозов FASS для пилотных проектов в Канаде, Венесуэле и Объединенных Арабских Эмиратах.

Одним из примечательных примеров является работа технического комитета Общества инженеров-нефтяников (SPE) по EOR, который опубликовал несколько историй случаев, подтверждающих результаты моделирования полевых данных.

Оптимизированные стратегии инъекций

Помимо улучшения материалов, был достигнут значительный прогресс в разработке графиков впрыска, которые максимизируют преимущества пены при минимизации эксплуатационных расходов. Появились два основных подхода: циклическая стимуляция паром с помощью пены (CFASS) и непрерывное наводнение паром с помощью пены.

Циклическая стимуляция паром с помощью пены (CFASS)

В КФАСС сначала вводится слизь концентрированного раствора поверхностно-активного вещества, затем пар. Раствор поверхностно-активного вещества (часто с наночастицами) допускается впитывать и генерировать пену in situ до начала впрыска пара. Эта последовательность обеспечивает образование пены в ближней стволе, немедленно снижая подвижность пара и предотвращая ранний прорыв в каналы с высокой проницаемостью. После периода замачивания (обычно 2-5 дней) образуется скважина. Затем цикл повторяют с корректировками на основе деградации пены и извлечения масла из предыдущих циклов.

Полевые испытания в канадском регионе тяжелой нефти Холодного озера продемонстрировали, что CFASS может улучшить кумулятивное соотношение парового масла (SOR) на 30-40% по сравнению с обычной циклической стимуляцией пара. Объем пенообразователя обычно составляет 5-10% от объема парового шлака, что приводит к умеренным дополнительным химическим затратам, которые более чем компенсируются снижением потребления пара.

Непрерывное наводнение паром с пенопластом

Для резервуаров с лучшей связностью непрерывный впрыск пены вместе с паром может поддерживать контроль мобильности на протяжении всего процесса перемещения. В этой стратегии пена генерируется в скважине для впрыска и распространяется через резервуар. Ключевой задачей является поддержание генерации пены вдали от скважины, особенно в резервуарах с высоким содержанием воды. Недавние достижения в смесях поверхностно-активных веществ, которые спонтанно генерируют пену при контакте с паром, облегчили эту проблему.

Полевые непрерывные проекты FASS в долине Сан-Хоакин (Калифорния) и Поясе Ориноко (Венесуэла) сообщили о факторах восстановления, превышающих 60% исходной нефти на месте, по сравнению с 35-45% для одного только парового затопления. Использование датчиков скважин в реальном времени и анализа трассера позволяет операторам динамически регулировать концентрацию пены и давление впрыска, что еще больше повышает эффективность зачистки.

Модельная оптимизация

Современные стратегии впрыска все больше полагаются на оптимизацию замкнутого цикла. Модели водохранилища постоянно обновляются производственными данными, давлением впрыска и возвратами трассера. Генетические алгоритмы и оптимизация роя частиц используются для поиска оптимального графика впрыска, который максимизирует чистую приведенную стоимость (NPV) при соблюдении ограничений на доступность пара и химическое использование. Эти подходы были реализованы в нескольких пилотных проектах с сообщенными улучшениями NPV 12-18% по эвристическому планированию.

Для глубокого технического погружения в алгоритмы оптимизации, применяемые к FASS, см. документ SPE «Оптимизация пенопластового наводнения с использованием машинного обучения и эволюционных алгоритмов» (SPE 209124, 2022).

Преимущества и экономическое воздействие

Описанные выше достижения привели к ощутимым выгодам для операций ИСО. Обзор основных преимуществ включает:

  • Улучшенная эффективность зачистки: Пена отводит пар в незаметные зоны, часто увеличивая ареальную и вертикальную зачистку на 15–30 процентных пунктов.
  • Сокращение потребления пара: Поскольку пена улучшает использование тепла, соотношение пара к маслу (SOR) может снизиться на 20-40%, что снижает затраты на топливо и выбросы парниковых газов.
  • Расширенный срок службы скважин: Задерживая прорыв пара и уменьшая конус воды, FASS может продлить срок службы зрелых скважин для впрыска пара на 3-5 лет.
  • Способность обрабатывать неоднородность резервуара: Пена особенно эффективна в трещинах или слоистых резервуарах, где обычная стимуляция паром не срабатывает из-за быстрого ченнелинга через высокопроницаемые полосы.
  • Снижение воздействия на окружающую среду: Снижение выработки пара означает более низкое потребление воды, меньшее потребление энергии и меньше выбросов CO2 на баррель добытой нефти. Некоторые операторы сообщили о 25-процентном сокращении выбросов, связанных с паром, при переходе с CSS на CFASS.

В экономическом плане постепенное восстановление от FASS часто приводит к внутренним нормам прибыли (IRR), превышающим 20% в проектах тяжелой нефти, даже учитывая стоимость поверхностно-активных веществ и наночастиц. Химическая стоимость за баррель дополнительной нефти обычно колеблется от 1,50 до 4,00 долларов США, в то время как экономия пара и увеличение производства более чем компенсируют.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на впечатляющий прогресс, перед тем как ФАСС станет обычной техникой ИОР во всем мире, остается несколько проблем. Масштабируемость является основной проблемой: большинство лабораторных и экспериментальных испытаний были проведены в относительно простых однородных резервуарах из песчаника. Применение ФАСС к сложным карбонатным резервуарам с высокими контрастами проницаемости и трещинами требует дальнейшего изучения. Пена имеет тенденцию к тонкому сдвига при переломах, и ее способность блокировать сети переломов ограничена, если пена не сформулирована с очень высокой вязкостью или гелеобразными свойствами.

Еще одна проблема - стоимость и доступность современных поверхностно-активных веществ. В то время как новые составы поверхностно-активных веществ более надежны, их синтез может быть дорогостоящим. Экономия масштаба еще не реализована, потому что глобальный спрос на высокотемпературные пенопласты все еще невелик. Навалочные соглашения о закупках между операторами и поставщиками химических веществ могут снизить затраты на 30-50%.

Экологические проблемы токсичности поверхностно-активных веществ и биоразлагаемости также привлекают внимание. Многие эффективные поверхностно-активные вещества не разлагаются и могут сохраняться в производимой воде, требуя дополнительной обработки перед удалением или повторным использованием. Исследователи активно исследуют био-активные вещества из возобновляемых источников (таких как сапонины растительного происхождения), которые поддерживают термическую стабильность, будучи экологически чистыми.

Наконец, отсутствие стандартизированных протоколов оценки эффективности пены затрудняет сравнение различных составов и стратегий впрыска. Промышленность выиграет от единой основы тестирования, аналогичной API RP 63 для буровых жидкостей, которая определяет температуру, давление, состав рассола и присутствие масла для испытаний на стабильность пены.

Заглядывая вперед, несколько новых технологий могут поднять FASS на новые высоты. Одним из перспективных направлений является использование интеллектуальных пенопластов, которые реагируют на условия резервуара - например, пенопласты, которые становятся более вязкими в областях с высокой проницаемостью, но остаются мобильными в зонах с низкой проницаемостью. Другим является интеграция пенопласта с другими методами EOR, такими как затопление полимерами или затопление водой с низкой соленостью, для создания гибридных процессов. Кроме того, уже тестируется применение машинного обучения для контроля качества пенопласта в режиме реального времени с целью полностью автоматизированных систем впрыска пара.

Управление по ископаемой энергии и управлению углеродом Министерства энергетики США профинансировало несколько проектов на основе пенопласта EOR, а в недавнем докладе FLT:0 «Стимуляция паром при помощи пенопласта: тематические исследования и извлеченные уроки» FLT:1 представлено превосходное резюме полевых реализаций.

Заключение

Достижения в области стимуляции паром с помощью пены превратили ее из нишевой техники в надежный, экономически жизнеспособный метод EOR для тяжелой нефти. Инновации в термически стабильных поверхностно-активных веществах, арматуре наночастиц и высокоточных имитационных моделях позволили устранить многие исторические ограничения пены в суровых условиях резервуара. Сегодня FASS предлагает операторам мощный инструмент для улучшения мобильности нефти, снижения потребления пара и увеличения коэффициентов рекуперации, одновременно снижая экологический след тепловых операций. Поскольку исследования продолжают совершенствовать химию пены, увеличивать успехи пилотов и интегрировать цифровую оптимизацию, стимуляция паром с помощью пены хорошо позиционируется, чтобы стать стандартной практикой в сложных резервуарах тяжелой нефти во всем мире. Следующее десятилетие обещает еще большие успехи, поскольку междисциплинарные команды химиков, инженеров-нефтяников и ученых данных сотрудничают, чтобы раздвинуть границы того, что пена может достичь под землей.