Керамические капсулы для гидроразрыва: решение для труднодоступной нефти

При гидроразрыве пласта в скважину под высоким давлением закачивают густой гель, который создает трещины в плотной породе и доставляет туда пропант — крошечные твердые частицы, не дающие трещинам сомкнуться. После завершения операции гель необходимо полностью удалить, иначе он закупорит поры и заблокирует выход нефти. Для этого используются специальные разрушители, которые должны сработать в точно отведенный момент: если добавить их сразу, гель потеряет вязкость слишком рано, и пропант не достигнет нужного места. Поэтому разрушители заключают в капсулы с отсрочкой высвобождения.

Обычно такие капсулы делают из пластика, но они не выдерживают суровых условий глубоких скважин, где температура достигает 150°C, а давление — 50 мегапаскалей (что сравнимо с давлением на дне океана). На такой глубине, где сосредоточены основные запасы трудноизвлекаемой нефти, пластик размягчается, и оболочка разрушается преждевременно, теряя контроль над высвобождением реагента.

Инновационное решение из геополимерной керамики

Ученые Пермского Политеха совместно с китайскими коллегами разработали капсулы из геополимерной керамики, которая получается из глины и отходов металлургии при обжиге при температуре 800–900°C. Этот материал отличается высокой прочностью и устойчивостью к экстремальным условиям. Из него изготовили полые микросферы, в которые под вакуумом загрузили концентрированный раствор разрушителя — вмещающая способность составила почти 37% активного вещества, что сопоставимо с лучшими лабораторными образцами.

Керамика пористая, поэтому микросферы покрыли тонким слоем фенольной смолы с добавлением кремнеземной пудры — это обеспечивает отсрочку высвобождения. Выбор материалов был непростым: эпоксидная смола разрушалась под воздействием перекиси водорода, которая выделяется при разложении разрушителя, а акриловая — плохо держала состав при нагреве. Фенольная смола оказалась оптимальной: она не размягчается при 150°C и давление 50 МПа, сохраняя герметичность до нужного момента.

Кремнеземная пудра в покрытии выполняет роль диспергатора, предотвращая слипание капсул при производстве. Другие варианты — тальк и карбонат кальция — оказались неподходящими: тальк утяжелял капсулы, а карбонат кальция вступал в реакцию с разрушителем.

Испытания и экономическая эффективность

Новая капсула работает в два этапа: сначала, во время закачки геля, вода проникает через микротрещины в покрытии и постепенно вымывает часть реагента, частично разрушая гель; затем, когда закачку останавливают и давление падает, пласт сдавливает капсулы, они раскалываются и выпускают остатки разрушителя, полностью расщепляя гель. Испытания показали: при 150°C за 1,5 часа высвобождается 82% активного вещества, а при давлении 50 МПа 81% капсул остаются целыми, что говорит об их надежности.

Стоимость тонны новых керамических капсул составляет около восьми тысяч юаней (примерно 105 тысяч рублей), что в три-четыре раза дешевле пластиковых аналогов. Кроме того, они обладают хорошей храняемостью: за три месяца при комнатной температуре теряют всего 2% активности, а при 60°C — 2,2% за две недели. Это позволяет накапливать партии и поставлять их на промыслы без потери качества.

Таким образом, созданные учеными капсулы из геополимерной керамики открывают новые возможности для добычи трудноизвлекаемой нефти на больших глубинах, где традиционные материалы не работают. Исследование опубликовано в международном журнале Construction and Building Materials.