Создание физических основ технологии рациональной разработки жидких углеводородов с использованием энергии электромагнитного поля

Инновационные электромагнитные технологии, заключающиеся в воздействии электромагнитных полей различной частоты (в основном радиочастотного и микроволнового диапазонов) на рабочие среды, находят все большее практическое применение и уже доказали свою эффективность для интенсификации технологических процессов в различных областях промышленности (нефтегазовой, химической, пищевой), а также успешно используются в биологии и медицине. Большое число теоретических и экспериментальных исследований, проведенных учеными из разных стран мира, показали эффективность использования электромагнитных полей при добыче и транспортировке тяжелых нефтей, переработке нефтяных шламов и эмульсий. Однако на сегодняшний день известны лишь единичные случаи применения электромагнитных технологий некоторыми нефтяными компаниями и, несмотря на их положительный результат, данные технологии еще не внедрялись в промышленных масштабах. По мнению авторов проекта, одной из причин этого является недостаточная изученность физических процессов, протекающих при фильтрации углеводородных жидкостей при воздействии электромагнитного поля, а также отсутствие комплексного подхода при разработке методов электромагнитного воздействия (проведение лабораторных исследований, определение параметров для математического моделирования, выполнение адекватных прогнозных численных расчетов, оценка энергетических затрат). В рамках предлагаемого проекта планируется провести поисковые научные исследования, направленные на экспериментально-теоретическое изучение основных механизмов взаимодействия электромагнитных полей с реологическими (в том числе углеводородными) жидкостями при фильтрации в пористых средах с различными параметрами. В ходе выполнения проекта с использованием современных экспериментальных методов будут детально исследованы физические процессы, протекающие при взаимодействии электромагнитных полей на фильтрационные процессы в пористых средах, а также особенности поведения нефтематеринских пород, содержащих кероген, в электромагнитных полях. Будут построены математические модели, учитывающие перекрестные явления переноса и адсорбционно-десорбционные процессы, для адекватного описания экспериментальных данных, разработаны высокопроизводительные компьютерные коды и проведено численное моделирование фильтрационных процессов под воздействием электромагнитного излучения. Актуальность и практическая значимость предлагаемого проекта связана с необходимостью решения одной из проблем, остро вставшей перед российской нефтяной отраслью и связанной с существенным увеличением доли трудноизвлекаемых запасов в общей структуре запасов нефти. Вовлечение в разработку этих запасов усложняется тем, что эффективная разработка таких месторождений не может быть обеспечена существующими технологиями. Возникает необходимость разработки и внедрения нетрадиционных методов добычи и новых технологий, которые повысят эффективность разработки месторождений трудноизвлекаемой нефти и сделают такую разработку экономически целесообразной даже при невысоких ценах на нефть. Метод нагрева призабойной зоны пласта с использованием энергии электромагнитного поля представляется в этой связи чрезвычайно эффективным и перспективным. Основная цель использования электромагнитного поля, как и традиционных термических методов, – нагрев пласта для снижения вязкости нефти. Нагрев нефтематеринских пород до температур 250-350°С и выдерживание их при данных температурах в течение определенного периода времени приводит к процессу пиролиза керогена и выделению из него нефти и газа. Температура среды повышается за счет трения осциллирующих в переменном электромагнитном поле молекул с дипольными моментами. Для электромагнитного нагрева пласта можно использовать широкий спектр частот от 300 кГц до 300 МГц. Предварительные исследования диэлектрических свойств нефтематеринских пород в диапазоне 1-100 МГц показали, что эти значения на порядок выше, чем для терригенных горных пород, что дает хорошие предпосылки для дальнейших исследований возможности использования электромагнитного поля в процессах разработки нефтематеринских пород. Оптимальная частота воздействия должна выбираться для каждого месторождения на основе результатов экспериментального и численного моделирования, исходя из физико-химических свойств пласта и насыщающей его среды. Основной целью настоящего проекта является создание физических основ, математическое описание и экспериментальное обоснование основных механизмов взаимодействия электромагнитных полей с насыщенными пористыми средами (модельными системами и с образцами нефтематеринских пород). Это позволит понять фундаментальные механизмы протекающих физических процессов, прогнозировать результат электромагнитного воздействия на нефтеносный пласт и контролировать эффективность такого воздействия. Научная новизна проекта состоит в детальном экспериментальном и численном изучении сложных физических процессов, протекающих при взаимодействии электромагнитного поля с насыщенными пористыми средами. Новизна экспериментальных методов будет заключаться в использовании микро- и макромоделей пористой среды позволяющих визуализировать исследуемые процессы, выявить механизмы воздействия электромагнитных полей на исследуемые объекты, а также в учете выявленных закономерностей в математических моделях. Новые математические модели, описывающие процесс неизотермической многофазной фильтрации углеводородной жидкости в пористой среде под действием электромагнитного поля, будут построены на основе методов современной термодинамики необратимых процессов с учетом перекрестных явлений переноса и адсорбционно-десорбционных процессов, влияющих на полноту извлечения тяжелой нефти из пласта. Ожидается, что результаты экспериментальных исследований и численного моделирования, полученные в ходе выполнения проекта, будут в дальнейшем использованы для создания новой технологии воздействия на пласты нетрадиционных углеводородов, которые предполагают использование электромагнитного излучения. Руководитель проекта и члены научного коллектива (большинство из которых – это молодые кандидаты наук) имеют солидный научный задел по теме проекта в виде публикаций в высокорейтинговых российских и зарубежных научных журналах, патентов РФ, зарегистрированных программ для ЭВМ, и обладают достаточным уровнем компетенций для достижения заявленных целей проекта.