КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 15-19-00151
НазваниеРазработка технологических приемов увеличения проницаемости коллекторов тяжелой нефти с ядерно-физическим контролем
РуководительНестерович Александр Владимирович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2015 г. - 2017 г. | , продлен на 2018 - 2019. Карточка проекта продления (ссылка) |
Конкурс№6 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-207 - Термодинамические процессы в технических системах
Ключевые словатяжелая нефть, скважина, вязкость, воздействие, ультразвук, индукционный нагрев, дебит, нейтронный каротаж, генератор нейтронов, детектор, акустический излучатель, генератор электрических колебаний, генератор гамма-излучения, обсадная труба, призабойная зона
Код ГРНТИ37.31.15
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В настоящее время углеводороды являются основными топливно- энергетическими источниками, как в России, так и за рубежом. Их запасы ограничены и не являются восполнимыми. При этом более 50% отечественных запасов нефти на данный момент формируется за счет месторождений с коллекторами, структура которых затрудняет извлечение флюида. К ним, в частности, относятся месторождения с тяжелой нефтью. Она характеризуется, в отличие от обычной нефти, большой вязкостью и плотностью в диапазоне (917 – 1022) кг/м3, содержит в своем составе кластерные образования, состоящие из атомов серы и различных металлов. Поэтому призабойная зона скважин (ПЗС) с тяжелой нефтью обладает низкой проницаемостью и для ее извлечения следует применять специальные методы (см., например, Ибрагимов Л.Х., Мищенко И.Т., Челоянц Д.К. Интенсификация добычи нефти, М., Наука, 2000, 414с.), например, воздействие на ПЗС химическими реагентами, нагретым паром, гидроразрыв пласта (ГРП) при сильном увеличении статического давления в ПЗС и методы воздействия на ПЗС интенсивными акустическими волнами в ультразвуковом диапазоне.
Указанные технологии обладают рядом недостатков.
Методы реагентного воздействия имеют много существенных недостатков, связанных с высокой стоимостью используемых реагентов и самого технологического процесса, большой длительностью его временного цикла, а также с вредными условиями труда и высокой потенциальной опасностью для окружающей среды. Большой длительностью временного цикла характеризуется и технология воздействия на пласт нагретым паром.
Технология ГРП также характеризуется высокой стоимостью и сравнительно большой длительностью временного цикла. Успешность ее применения должна обеспечиваться наличием достоверных данных о структуре коллектора, которые не всегда являются полными. При неудачной реализации технологии возможны катастрофические последствия, приводящие к выходу из строя скважины в результате спровоцированного обводнения или ухода нефти из зоны скважины по образуемым трещинам. Поэтому в условиях современной России метод нельзя считать соответствующим общепринятым требованиям рационального природопользования.
Перечисленных недостатков лишены методы акустического воздействия на ПЗС ультразвуком. Однако для коллекторов с тяжелой нефтью его применение не приводит в достаточной степени к уменьшению ее вязкости.
Таким образом, поиск более эффективных методов воздействия на пласт с тяжелой нефтью является актуальной задачей. Его решение авторы проекта видят на пути комплексирования методов ультразвукового и термодинамического воздействия на пласт с последующим контролем состояния пласта методами импульсного нейтронного каротажа с управляемым генератором нейтронов ( см. Богданович Б.Ю., Нестерович А.В., Ильинский А.В. и др. Патент РФ № 2517824, от 03.04.2014 г.). При этом для создания необходимого температурного поля можно использовать индукционный нагрев ОТС переменным электрическим током в кольцевом индукторе с частотой ~ 10 кГц ( см. Диденко А.Н., Зверев Б.В., Коляскин А.Д., Пономаренко А.Г. Патент РФ № 2157883, от 20.10.2000 г.).
Для реализации предлагаемой технологии предполагается разработать специальный аппаратурно- методический комплекс (АМК). При этом скважинный снаряд АМК должен содержать генератор ультразвуковых колебаний с внешним вибратором, индуктор, запитываемый переменным электрическим напряжением, нейтронный излучатель и систему регистрации тепловых нейтронов, гамма- квантов радиационного захвата, неупругого рассеяния или нейтронной активации ( см. Богданович Б.Ю., Нестерович А.В., Шиканов А.Е. Патент РФ № 2356036, от 19. 11. 2008 г.). Питание скважинного прибора должно осуществляться от наземного генератора постоянного тока с погружным преобразователем в электрические колебания с частотой ~ 10 кГц (блок энергетического обеспечения АМК).
В процессе выполнения работы над проектом должна быть разработана математическая модель воздействия акустических и температурных полей на пласт с тяжелой нефтью, а на ее основе выполнены расчеты отдельных узлов АМК, а также проведена соответствующая адаптация компьютерной программы обработки данных регистрации.
В процессе выполнения работы должна быть обоснована модель погружного индукционного нагревателя и высокоэффективного погружного преобразователя энергии, сохраняющего работоспособность в условиях призабойной зоны, изготовлен и испытан в лабораторных условиях макет индукционного нагревателя с питанием от преобразователя 10 кГц. В ходе лабораторных экспериментов предлагается исследовать возможность питания от одного преобразователя одновременно индукционного нагревателя и ультразвукового излучателя.
Каротажная система мониторирования состояния коллектора позволяет корректировать режим и время воздействия автоматически путем введения обратной связи от каротажного устройства на компьютер геофизической станции.
Такой подход к решению проблемы, как показал предварительный анализ литературных и патентных источников, предлагается впервые и не имеет прямых аналогов.
Ожидаемые результаты
Основными ожидаемыми результатами являются следующие:
- исследование термодинамического механизма акустического воздействия на пористую среду заполненную флюидом;
- выбор схемы погружного преобразователя системы энергетического обеспечения АМК, изготовление и исследование его макета;
- исследование механизма индукционного нагрева ОТС;
- разработка алгоритмов для компьютерного анализа отдельных блоков АМК;
- разработка и реализация на макетных образцах оригинальных технических решений по проектированию компактных нейтронных генераторов на основе ускорителей (дейтонов, электронов) с улучшенными характеристиками по надежности, эффективности и др.
Использование АМК позволит, по предварительным оценкам, за счет увеличение дебита, перевести более 25% запасов тяжелой нефти из забалансовых в балансовые, создавая определенный резерв для увеличения ее добычи. Это позволяет надеяться на получение значительного экономического эффекта от внедрения рассматриваемого АМК, а также социального эффекта с учетом улучшения условий труда и экологической безопасности.
Подготовка трех патентов РФ на изобретение.
Формирование предложений и программы по полномасштабной реализации комплекса на основе технических решений, апробированных в рамках данной НИР.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2015 году
1. На основании патентно- информационного поиска получена информиция о физико- химических и физико- механических свойствах тяжелых нефтей различного типа необходимая для проведения работ по проекту. Выявлены наиболее близкие аналоги разрабатываемых технических решений. Проанализированы зависимости коэффициента вязкости тяжелой нефти от температуры позволяющие в дальнейшем прогнозировать эффект повышения нефтеотдачи в зависимости от мощности индуктора.
2. Проанализированы результаты известных работ по ультразвуковым методам интенсификации добычи продуктивных углеводородов и сделан вывод о целесообразности использования в рассматриваемом технологическом комплексе излучателя на базе магнитостриктора.
3. Разработаны алгоритм и запущена компьютерная программа для моделирования процесса рапространения акустической волны от поверхности магнитостриктора в пласт для ультразвукового диапазона частот.
4. Установлены резонансный характер распространения акустической волны в пласт и слабое влияние на прохождение волны ОТС и цементного кольца.
5. Получены формулы для уточнения коэффициентов в уравнениях Гельмгольца, связанных с диссипацией энергии акустической волны и дисперсионными поправками с учетом статистического разброса пор нефтяного коллектора.
6. Предложен технологический комплекс воздействия на ПЗС с высоковязкой нефтью, содержащий индукционный нагреватель, магнитострикторный ультразвуковой излучатель, преобразователь постоянного напряжения в переменное, соединенный с источником постоянного напряжения, расположенным на геофизической станции, посредством грузонесущего кабеля, аппаратуру нейтронного каротажа, систему энергообеспечения, управления и телеметрии, лебедку и лубрикатор. Одной из отличительных признаков данной аппаратуры является расположение преобразователя постоянного напряжения в переменное в скважинном снаряде.
7. Предложена технология воздействия на ПЗС при которой вначале индуктор располагается напротив перфорации в обсадной колонне скважины. После его включения по команде с геофизической станции должен происходить разогрев участка обсадной трубы индуцируемым в ней электрическим током, при этом тепло в течении определенного времени будет постепенно передаваться в пласт, в котором должно установиться температурное поле необходимое для уменьшения коэффициента вязкости. После этого подача переменного напряжения от преобразователя на индуктор прекращается. Затем скважинный прибор перемещается вниз таким образом, чтобы магнитостриктор оказался расположенным напротив участка перфорации. Далее напряжение от преобразователя подается уже на магнитостриктор. После заданного времени процесс воздействия может повторяться.
8. Предложена схема индукционного нагревателя ОТС и расчетные формулы для формируемого в пласте температурного поля.
9. Предложено техническое решение усовершенствования нейтронного генератора, которое может позволить увеличить ресурс и условия радиационной безопасности при его использовании для контроля успешности воздействия на ПЗС с тяжелой нефтью и проведены макетные эксперименты на вакуумном стенде.
Публикации
1. Шиканов А.Е., Богданович Б.Ю., Козловский К.И., Нестерович А.В., Шатохин В.Л., Вовченко Е.Д. Deuterons extraction from vacuum-Arc plasma Physics Procedia, Volume 71, Pages 187-191 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.08.37
Аннотация результатов, полученных в 2016 году
1. Сконструирован, изготовлен и прошел предварительные испытания действующий лабораторный макет скважинного ультразвукового акустического излучателя на базе магнитостриктора с радиальной направленностью акустической волны для воздействия на коллектор с высоковязкой нефтью.
2. Проведено физическое моделирование резонансных характеристик акустического излучателя, на которой получены зависимости потребляемой мощности и амплитуды механических колебаний магнитостриктора от частоты. Предложен энергетический метод определения амплитуд механических колебаний излучающей поверхности магнитостриктора. Уточнены алгоритм и программа моделирования акустических полей в нефтяном коллекторе с учетом диссипативных процессов и проведена оценка геометрических и физических параметров магнитостриктора.
3. Разработана электродинамическая модель нагрева ОТС с помощью скважинного индукционного нагревателя, на основании которой получены расчетные формулы для эквивалентных сопротивления и индуктивности оптимизированного нагревателя с ферритовой вставкой. Исследовано влияние ферритовой вставки на мощность, выделяемую в ОТС и показан рост этой мощности с увеличением площади поперечного сечения ферритовой вставки и уменьшением диаметра ОТС.
4. Сконструирован, изготовлен и прошел предварительные испытания действующий лабораторный макет скважинного индукционного нагревателя. Создана экспериментальная установка для определения эквивалентных индуктивности и сопротивления индуктора. В ходе предварительных испытаний получены экспериментальные значения эквивалентных индуктивности и сопротивления индуктора, хорошо совпадающие с расчетными значениями этих параметров в соответствии с предложенной электродинамической моделью нагревателя.
5. Разработана схема, собран и прошел предварительные испытания лабораторный макет преобразователя энергии с частотой ~ 10кГц. По результатам предварительных термических измерений генерируемая им мощность должна превышать 5 кВт.
6. Разработан механизм нейтронного контроля успешности термоакустического воздействия на пласт с тяжелой нефтью, который использует метод нейтронной активации кислорода и углерода. Предложен алгоритм обработки сигналов с временного анализатора гамма- поля излучения возбужденных ядер кислорода и углерода.
7. По результатам модельных исследований на специальном вакуумном стенде предложены 2 технических решения для вакуумных нейтронных трубок с лазерными источниками дейтронов, которые могут быть эффективно использованы при контроле за успешностью термоакустического воздействия на пласт с тяжелой нефтью.
Публикации
1. Богданович Б.Ю., Вовченко Е.Д., Ильинский А.В., Исаев А.А., Козловский К.И., Нестерович А.В., Сенюков В.А., Шиканов А.Е. Project of the borehole neutron generator for the direct determination of oxygen and carbon by activation method Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1088/1742-6596/747/1/012007
2. Шиканов А.Е., Вовченко Е.Д., Козловский К.И., Шатохин В.Л. Acceleration of Deuterons from Laser Plasma in Direct Pulsed Electron Fluxes for Generation of Neutrons Physics of Particles and Nuclei Letter, - (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1134/S1547477116070 463
3. Шиканов А.Е., Вовченко Е.Д., Козловский К.И., Шатохин В.Л. Acceleration of Deuterons with Suppression of Electronic Conductance in a Vacuum Diode with a Laser Target on the Anode Physics of Particles and Nuclei Letter, - (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1134/S1547477116070 475
4. Богданович Б.Ю., Вовченко Е.Д., Исаев А.А., Козловский К.И., Криворучко Н.И., Нестерович А.В., Шиканов А.Е. Импульсный генератор нейтронов. -, - (год публикации - )
5. Богданович Б.Ю., Дмитриев М.С., Ильинский А.В., Коляскин А.Д., Нестерович А.В., Пономаренко А.Г., Рухман А.А., Шиканов А.Е. Формирователь температурного и акустического полей в скважине. -, - (год публикации - )
6. Богданович Б.Ю., Ильинский А.В., Нестерович А.В., Пономаренко А.Г., Рухман А.А., Шиканов А.Е. Способ повышения нефтеотдачи пласта с высоковязкой нефтью. -, - (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Заявленный в проекте план работы на 2017 год предполагал построение и анализ схемы аппаратурно-методического комплекса (АМК), реализующего рассматриваемую технологию воздействия на пласт, включающие исследование возможности питания акустического излучателя и индуктора от общего преобразователя постоянного тока в переменный с частотой ~10кГц, разработку соответствующих технических решений в виде двух заявок на патент РФ и построение конкретной схемы нейтронного контроля воздействия на пласт акустическим и температурным полями.
В рамках реализации плана работ получены следующие конкретные результаты:
1. Разработан, спроектирован и изготовлен действующий габаритный макет скважинного преобразователь постоянного тока в переменный с частотой ~10кГц, способный работать на индуктивно- резистивную нагрузку в виде электродинамического нагревателя обсадной трубы скважины (ОТС) или магнитострикционного излучателя продольной волны давления.
2. Проведены лабораторные испытания габаритного макета скважинного преобразователя постоянного тока в переменное в комплексе со скважинным магнитостриктором и показана возможность тенерации ультразвуковой акустической волны с плотностью потока энергии на поверхности излучателя достаточной для эффективного воздействия на нефтяной пласт.
3. Проведены лабораторные испытания габаритного макета скважинного преобразователь постоянного тока в комплексе со скважинным электродинамическим нагревателем ОТС и показана возможность локального выделения тепла на участке ОТС с мощностью более 2 кВт. Что должно обеспечить уменьшение коэффициента вязкости нефти примерно на порядок.
4. Показана возможность питания акустического излучателя и индуктора от общего преобразователя постоянного тока в переменный за счет реализации в нем способа изменения частоты электромагнитных колебаний на выходе. На технические решения, реализованные в схеме преобразователя поданы две заявки на патент РФ.
5. На разрабатываемый формирователь температурного и акустического полей в скважине с тяжелой высоковязкой нефтью исполнителями проекта получены два патента РФ.
6. Предложена конкретная схема нейтронного контроля воздействия на пласт акустическим и температурным полями, использующая оригинальные вакуумные ускорительные трубки, позволяющие реализовывать метод нейтронной активации на углерод и кислород. На один из вариантов трубки получен патент РФ. Особенностью этого изделия является возможность использования углеродной или бериллиевой мишени вместо тритиевой, что улучшает условия радиационной безопасности работ с формирователем.
7. Поданы две заявки на патент РФ, подготовлено 5 статей для публикации в научных журналах, зарегистрированных в информационных базах Web of science или Scopus, сделано четыре доклада на научных конференциях.
Публикации
1. Богданович Б.Ю., Вовченко Е.Д., Ильинский А.В., Козловский К.И., Исаев А.А., Нестерович А.В., Шиканов А.Е. STUDY OF OIL WELLS WITH THE USE OF ACCELERATOR TUBES, TIME AND ENERGY SPECTROMETERS OF NEUTRONS AND GAMMA RAYS IN A SINGLE GEO PHYSICAL COMPLEX Proceedings of RuPAC2016, St. Petersburg, Russia, Proceedings of RuPAC2016, St. Petersburg, Russia, С. 490 -492 (год публикации - 2017)
2. Богданович Б.Ю., Козловский К.И., Нестерович А.В., Шиканов А.Е., Ильинский А.В., Урманов Э.Г. Possibilities of Increasing Logging Efficiency with Simultaneous Analysis of Neutron and Gamma Fields Formed in Oil Wells ATOMIC ENERGY, Том: 122 Выпуск: 4 Стр.: 271-277 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1007/s10512-017-0266-4
3. Гуляев Д.Н., Лазуткина Н.Е., Жуйков Ю.Ф., Ильинский А.В., Рухман А.А., Шиканов А.Е., Шиканов Е.А. Исследование ультразвукового воздействия на нефтяной пласт Нефтяное хозяйство, - (год публикации - 2018)
4. Шиканов А.Е., Козловский К.И., Вовченко Е.Д., Исаев А.А. Нейтронная диагностика дейтронных потоков из импульсных плазменных образований в магнитном поле Ядерная физика и инжиниринг, том 7, No 5, с. 430–433 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1134/S207956291605016X
5. Клачков А.П., Пономаренко А.Г. Полумостовой преобразователь постоянного тока в переменный -, №2017141615 (год публикации - )
6. Клачков А.П., Пономаренко А.Г., Шиканов А.Е. Способ генерации электрических квазигармонических колебаний в индуктивно-резистивной нагрузке -, №2017141616 (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
не указано