Ученые Томска разрабатывают новые методы увеличения нефтеотдачи.

Сорок два года назад, когда образовался Институт химии нефти СО РАН, одновременно в ТГУ появилась и кафедра высокомолекулярных соединений и нефтехимии. И с самого начала они стали единым целым и в научных исследованиях, и в подготовке студентов и аспирантов.

Нефть в обмен на воду
Среди научных направлений, разрабатываемых учеными-химиками, – увеличение нефтеотдачи пластов физико-химическими методами. Занимаются им в лаборатории коллоидной химии нефти ИХН и на кафедре ТГУ уже более 30 лет. А с 2010 года по этому направлению выполняется совместный проект Минобрнауки.
– Нефть находится в земле не в каких-то крупных полостях или резервуарах, как обычно представляют, а в породах коллектора. Это или сцементированный песчаник, или карбонатные породы, которые насквозь пропитаны нефтью, – объясняет Любовь Алтунина, профессор, директор ИХН СО РАН и зав. кафедрой высокомолекулярных соединений и нефтехимии ТГУ. – Из-за высокого давления в породе – в несколько сотен атмосфер – когда бурят скважину, нефть сначала действительно идет фонтаном. Но таким способом можно добыть всего 10-15 процентов нефти. Затем давление падает, поры сжимаются, и эффективность добычи резко снижается. Извлечь оставшуюся нефть – одна из актуальных задач, которой раньше занимались отраслевые институты. А с 1981 года Постановлением ЦК и Совмина к решению этой проблемы были подключены академические институты и вузы.
Один из методов, с помощью которого можно извлечь еще какую-то часть нефти, – так называемое заводнение. В нагнетательные скважины закачивается вода, которая поступает в нефтяной пласт, восстанавливает давление в порах и вытесняет нефть наружу. Но постепенно идет обводнение продукции: сначала добывается нефть, затем нефть с водой, а потом уже и вода с нефтью. В целом по России сейчас обводненность старых крупных месторождений достигает 80 и более процентов, а коэффициент нефтеотдачи составляет в среднем 30-32 процента. Кроме того, из-за неоднородности пород, содержащих нефть, их разработка идет неравномерно. Поскольку вода направляется по пути наименьшего сопротивления, она вытесняет нефть из наиболее проницаемых пород, а в малопроницаемых нефть остается нетронутой. Как заставить воду идти «другим путем» – над этой проблемой и работают сотрудники лаборатории и кафедры.
– Существует много различных методов увеличения неф-теотдачи, но, как правило, нефтяные компании предпочитают методы, которые направлены на быстрое увеличение объема добычи и не увеличивают коэффициент извлечения нефти, – говорит Любовь Константиновна. – А вот физико-химические, микробиологические, тепловые, газовые методы увеличивают именно конечный коэффициент извлечения нефти. Но дополнительная добыча более растянута по времени. И одним из таких методов является использование специальных гелей для регулирования фильтрационных потоков.

Гели по имени ГАЛКА
Любовь Константиновна показывает пробирки, одна из которых заполнена вязкой жидкостью, другая – веществом, похожим на студень, а в третьей находится «твердое тело». Но все это – гели, используемые для увеличения нефтедобычи.
Сама методика такова: вещества растворяют в воде, получают маловязкий раствор и вместе с водой закачивают в скважины. А внизу под действием пластовых температур он превращается в гель и закрывает уже промытые поры в породе, куда первоначально направилась вода. Той ничего не остается, как перенаправить свои потоки в менее проницаемые пласты, где находится еще нетронутая нефть.
Но сложность такой методики состоит в том, что все месторождения разные. Они отличаются вязкостью нефти (от легких до почти твердых битумов), глубиной ее залегания, породой коллектора, минерализацией пластовой воды, температурой и т.д. И гели должны быть со всем этим совместимы, то есть разрабатываться под каждое конкретное месторождение.
– Мы разработали сначала физико-химические основы подбора этих гелей. А теперь уже адаптируем составы к конкретным условиям. У нас есть гели на неорганической, органической и смешанной основе. Всего разработано четыре базовые технологии по гелям. А самих гелей? Уже и не сосчитать. Несколько десятков…
Гели на неорганической основе можно назвать «визитной карточкой» томских химиков. Аналогов им нет в мире. А называются эти гели красивым женским именем ГАЛКА. Почему именно ГАЛКА? Г – это «гель», АЛ – означает, что он разработан на основе солей АЛюминия, а КА – КАрбамид, входящий также в состав геля. Сейчас ГАЛКУ производят на четырех предприятиях страны, ее промышленно используют нефтяные компании «Лукойл», «Роснефть» и др.
Есть также полимерные гелевые композиции МЕТКА, которые при комнатной температуре маловязкие, при нагревании превращаются в гель, а при охлаждении снова разжижаются. То есть «холодец» наоборот.

«Моющее средство» для нефти
Но и применение гелей не позволяет извлечь всю нефть из породы. Все-таки вода отмывает нефть плохо. Поэтому используют и другие композиции – на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ), это основа моющих средств. Но опять же, композиции эти должны быть совместимы и с пластовой температурой, и с минерализацией (не каждый порошок способен отстирать, например, в морской воде).
– Первые композиции на основе ПАВ, которые мы сделали, назвали по имени института – ИХН. Их было много разных, самые распространенные – ИХН-60, ИХН-100. Всего этих композиций по Сибири было закачано более 40 тыс. тонн за 8 лет. Их достоинства – они не замерзают на морозе (выдерживают температуру до минус 50 градусов), разбивают водно-нефтяные эмульсии. С помощью ПАВ можно извлечь еще до 20 процентов остаточной нефти.
А последние десять лет в институте ведутся разработки технологий увеличения добычи высоковязких нефтей. Дело в том, что по оценкам специалистов величина запаса легких, маловязких и средней вязкости нефтей в мире составляет 160 млрд тонн, в то время как запасы высоковязких нефтей и битума – 810 млрд. Так что рано или поздно человечеству придется переключиться на добычу высоковязкой нефти, уже сейчас ее доля в извлекаемом из земли «черном золоте» растет.
Чтобы добыть вязкую нефть, естественнее всего ее разогреть. Сначала в скважину закачивают пар под высоким давлением с температурой 300-350 градусов Цельсия. Там пар конденсируется и разогревает нефть. Но опять же он проходит в высокопроницаемые слои породы, а около 80 процентов нефти остается в неразработанных пластах. Следовательно, надо использовать гели, чтобы перераспределить пар. Так вот оказалось, что ГАЛКА, в отличие от других гелей, не боится высоких температур и 350 градусов спокойно выдерживает.
А в помощь ГАЛКЕ создали еще и НИНКУ – моющую композицию на основе ПАВ, которая также может работать при высоких температурах. Их можно использовать как в паре, так и отдельно.
На Усинском месторождении высоковязкой нефти в республике Коми, в 2007-2011 гг. по технологиям ИХН СО РАН обработаны 154 скважины. Прирост дебита (объем жидкости или газа, стабильно поступающий из источника в единицу времени. – Прим. ред.) по нефти составил от 3 до 24 тонн в сутки на скважину, дополнительная добыча нефти более 400 тысяч тонн.

Естественный процесс
Продукцией, созданной томскими химиками, заинтересовались не только российские, но и зарубежные нефтяные компании. Она успешно применяется в Китае, Вьетнаме, Омане, а в последние годы томичи тесно сотрудничают с фирмой Wintershall Нolding GmbH (Германия). Для их месторождения специально создавался вариант композиции ГАЛКА. Испытания прошли успешно, после чего в прошлом году на другом месторождении была испытана новая технология, которую не опробовали пока даже в России. В результате сейчас совместно с германскими партнерами подано четыре заявки на международные патенты.
А в лаборатории коллоидной химии нефти продолжают разрабатывать новые технологии, например, «холодные» методы для добычи вязкой нефти, а также комплексные физико-химические и микробиологические методы. И при этом, как всегда, ставится задача сделать эти технологии экологически чистыми.
– Если ты вписываешься в естественный природный процесс, то все технологии работают, – объясняет Любовь Константиновна. – В наших технологиях мы используем вещества не выше четвертого класса опасности и только те, которые вписываются в круговорот веществ в природе, чтобы стимулировать развитие природных процессов, а не наоборот.
Среди сотрудников лаборатории есть не только химики и физики, но и микробиологи, конструкторы, программисты. Например, Андрей Богословский конструирует приборы для исследования гелей и нефтей, Валерий Дорохов создает опытные установки, на которых проходят первые испытания. А группа микробиологов под руководством Лидии Сваровской, занимается созданием композиций на основе ПАВ, которые бы «активизировали» деятельность полезных и снижали влияние вредных микроорганизмов при нефтедобыче.
Кроме сотрудников, многие из которых – выпускники ТГУ, в работе лаборатории непосредственное участие принимают и студенты, ребята делают здесь лабораторные работы, курсовые и дипломные, участвуют в некоторых проектах. Студенты идут сюда охотно, и не только химики. Приходят и биологи, и экологи. Потому что, по словам Любови Алтуниной, проблема, которой они занимаются, комплексная, очень обширная и интересная, и работа найдется всем.

Наталья Шарапова