Экономическая эффективность применения наночастиц в отечественной нефтедобывающей отрасли

ВВЕДЕНИЕ

Нанотехнологии являются одним из самых актуальных и перспективных направлений развития современной науки и техники. Они позволяют создавать материалы, устройства и системы на основе наночастиц и наноструктур, обладающие уникальными свойствами и функциональностью (например, наночипы, наносистемы). Нанотехнологии придают материалам совершенно уникальные свойства: повышают прочность и твердость, улучшают электрические и оптические свойства. С развитием нанотехнологий открываются новые возможности для решения многих актуальных проблем человечества, таких как повышение экологичности осуществления производственных подпроцессов на крупных предприятиях, создание новых материалов для энергетики и транспорта, разработка инновационных медицинских технологий. Именно поэтому нанотехнологии остаются важным и перспективным направлением научных исследований и инноватики.

В последние десятилетия рост интереса к применению наночастиц в отечественной нефтедобывающей отрасли обусловлен наличием следующих тенденций [1]:

– истощение месторождений (особенно с легкодоступными запасами нефти);

– необходимость повышения нефтеотдачи пластов на месторождениях с высоковязкой нефтью;

– ужесточение экологических требований (наночастицы являются более экологичными по сравнению с традиционными химическими реагентами и способствуют снижению негативного воздействия на окружающую среду при осуществлении добычи природного сырья);

– растущая потребность в повышении производительности и надежности оборудования;

– рост количества новых наноматериалов с широким спектром применения.

В настоящее время наночастицы применяются добывающими компаниями повсеместно в рамках осуществления определенных бизнес-процессов. Среди основных направлений использования нанотехнологий следует выделить:

1. Повышение эффективности заводнения пластов. Некоторые наночастицы (например, на основе диоксида кремния) могут повышать подвижность нефти в пластах, увеличивая коэффициент извлечения нефти (КИН) [1].
2. Улучшение проницаемости коллекторов. Наночастицы могут «закрывать» мелкие трещины и поры, тем самым увеличивая эффективность закачки рабочих агентов в растворах [2].
3. Увеличение нефтеотдачи пластов. Применение наноразмерных поверхностно-активных веществ позволяет снижать межфазное натяжение и вытеснять остаточную нефть из пор породы [3].
4. Мониторинг разработки месторождений. Маркерные наночастицы, например, могут отслеживать движение нефти (воды) в пласте. С помощью этого метода проведения экспертизы оценивается эффективность работы с пластом [4].
5. Бурение и консервация скважин. Наночастицы используются для улучшения свойств буровых растворов, повышения эффективности цементирования, а также для предотвращения коррозии [5].
6. Улучшение свойств используемых материалов и увеличение срока службы технологического оборудования соответственно [6].

Наноматериалы часто применяются на промышленных объектах для создания износостойких покрытий, уплотнений, отдельных комплектующих. Но данное направление развивается достаточно медленно из-за отсутствия необходимых производственных мощностей и высокой стоимости реализации такого типа технологий. Несмотря на большое количество возможных областей применения наночастиц в отечественной нефтедобывающей отрасли, наиболее востребованным является «ответвление», связанное с увеличением нефтеотдачи месторождений с учетом закачки в нефтяные и газовые пласты смеси воды с наночастицами, которые изменяют свойства породы и (или) закачиваемой воды.

Целью исследования была разработка комплекса мероприятий на основе использования наночастиц и формирование технико-экономического обоснования эффективности предложенного проекта с учетом проектно-технических характеристик одного из месторождений Самарской области.

Достижение поставленной цели требует разрешения последовательности задач:

1. Провести анализ областей применения нанотехнологий в нефтегазовой отрасли и выделить конкретные производственные бизнес-процессы, которые можно усовершенствовать с учетом условий их использования.
2. Рассмотреть свойства, разновидности наночастиц, а также методы их эксплуатации.
3. Сформировать перечень технико-экономических показателей месторождения, необходимых для создания информационной платформы экономической модели.
4. Выполнить расчет экономической эффективности предложенного мероприятия в имитационной модели компании.
5. Сформулировать выводы относительно полученного финансового и технологического результатов.
6. Определить перспективы развития и масштабирования проекта в долгосрочной перспективе.

В последние десятилетия в нефтегазовом секторе наблюдается рост исследований по использованию нанотехнологий в буровых операциях, повышению нефтеотдачи, характеристике коллекторов, добыче и других подпроцессах. Согласно мнению ученых, применение наночастиц может [7]:

– улучшить реологические и структурные характеристики скважины;

– снизить энергозатраты на перекачку жидкостей;

– уменьшить негативное воздействие на окружающую среду.

Однако следует учитывать, что свойства наночастиц все еще плохо изучены, поэтому необходимы дополнительные систематические исследования. Важно также помнить, что любое использование нанотехнологий должно проводиться с соблюдением правил промышленной и экологической безопасности [8]. В связи с этим некоторые исследователи ставят вопрос об экологичности некоторых разновидностей наночастиц и возможности их постоянной производственной эксплуатации в долгосрочной перспективе.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Теоретико-методологической основой исследования послужили научные труды и публикации по вопросам применения наночастиц для повышения нефтеотдачи пластов таких известных ученых-практиков, как В. С. Патрушев, И. В. Анциферова, Р. М. Гадельшин, Р. К. Ибрагимов, И. И. Гуссамов, Д. А. Ибрагимова, Д. Ю. Сечин.

При написании работы использованы методы обобщения и систематизации – анализ научных источников о предмете исследования с целью определения степени изученности проблемы и выбора стратегических альтернатив.

В качестве стержневых методов исследования следует выделить сравнительный и системный анализ, монографический метод, организационно-экономическое моделирование, а также методику оценки экономической эффективности проектов.

На основе монографического метода выполнено изучение объекта исследования – пласта Б2 с наибольшей вязкостью с учетом геофизических характеристик эксплуатации месторождения. Методы конкретизации и абстрагирования позволяют уточнить специфические условия функционирования объекта и учесть их в виде переменных и ограничений в моделировании проектов.

Основой для имитационного моделирования послужил шаблон оценки инвестиционных проектов по форме АО «Самаранефтегаз». Метод абстрактного моделирования ситуаций «отвечает» за анализ теоретически допустимых вариантов с точки зрения реализации в них определенных признаков предмета исследования.

В целях оценки стратегической перспективы реализации предложенного комплекса мероприятий был использован метод временных рядов и дисконтирование. Расчет показателей эффективности мероприятия включает классическое определение чистого денежного потока (NCF), внутренней нормы доходности (IRR), дисконтированного финансового потока (NPV), дисконтированного периода окупаемости (DPP), индекса доходности (DPI).

Сравнительный анализ позволяет провести оценку тождества и различий альтернативных вариантов эксплуатации месторождения путем сопоставления базовых показателей в рамках рекомендованного варианта эксплуатации пласта (с учетом закачки наночастиц) и значений базового (традиционного) варианта разработки (без проведения закачки).

Методы матричного анализа обеспечивают наглядность и иллюстративность выражения результатов исследования.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В рамках проведения экономической оценки эффективности применения подобного метода эксплуатации нанотехнологий был рассмотрен вариант с закачкой наночастиц металлического натрия в пласт Б2 Бариновско-Лебяжинского месторождения АО «Самаранефтегаз». Наночастицы металлического натрия очень удобны в плане эксплуатации при проведении закачки. В определенных условиях металлический натрий способствует гидрированию непредельных компонентов, помимо этого при контакте с водой выделяется большое количество теплоты, что в совокупности положительно сказывается на дебите скважины. В присутствии наночастиц натрия в процессе паротепловой обработки происходит образование активного водорода в объеме нефти. Нанодисперсия металлического натрия способствует увеличению доли низкомолекулярных углеводородов в насыщенной и ароматической фракциях, связыванию сероводорода и углекислого газа [9]. Итогом облагораживания нефти в процессе акватермолиза в присутствии наночастиц металлического натрия является снижение вязкости нефти, приводящее к увеличению подвижности потока при ее извлечении. Также стоит отметить, что использование рассматриваемой разновидности наночастиц может приводить к изменению плотности и температуры застывания нефти.

В результате проведения дополнительных исследований учеными было выявлено, что при взаимодействии наночастиц металлического натрия с примесями (металлический натрий может входить в реакцию с асфальгенами, смолами, парафинами и другими нежелательными примесями в нефти) происходит осаждение элементов примесей и выделение их из нефти [7]. Так происходит ее частичное очищение. Экспериментально доказано, что для поддержания регламентированного стандартами качества нефти необходимо при осуществлении закачки наночастиц соблюдать строго вымеренный технологами объем закачиваемого реагента, а также применять определенные добавки для ускорения протекания реакции. Предлагаемая разработка в настоящее время тестируется на базе ПАО «Татнефть». Первые положительные результаты реализации проекта уже получены.

Для оценки эффективности мероприятия был выбран один объект разработки с наибольшей вязкостью – пласт Б2 Бариновско-Лебяжинского месторождения. Срок эксплуатации месторождения (и пласта соответственно) составляет 43 года (с 2020 по 2063 г.).

Для проведения закачки воды с наночастицами металлического натрия были определены следующие технологические параметры:

– КИН в низкопроницаемых коллекторах должен вырасти на 0,25;

– срок закачки – месяц;

– необходимый объем/количество наночастиц – 2,5 тонны;

– стоимость наночастиц – 25–250 $ за 1 кг по ценам на 08.03.2024 (250 000 $ за тонну) [10];

– объем закачки воды – за 2031 г. планируется закачать 269,6172 тыс. м³ воды (без наночастиц), соответственно, 22,46 тыс. м³/мес.);

– концентрация наночастиц в воде при этом составляет 0,01 %;

– плотность воды с наночастицами, закачиваемой в пласт, 1 100 кг/м³;

В итоге совокупная стоимость самой закачки наночастиц составит 58 375 000 рублей с учетом курса на 12.04.2024, при котором 1 $ = 93,4 рубля. Следует отметить, что расчеты авторов выполнены с учетом различных ставок дисконтирования в пределах 10–20 %. Ставка дисконтирования 10 % обусловлена требованиями департамента к подаче на экспертизу проектов в области разработки отечественных месторождений и повышения уровня добычи на объектах. Также стоит отметить, что риски внедрения мероприятий минимальны, так как проект предполагает повышение эффективности действующего и активно эксплуатируемого месторождения (бóльшая часть инвестиционных средств уже освоена). Таким образом, в рамках рассчитанной экономической модели получаются технико-экономические показатели проекта, показанные в табл. 1.

Далее рассмотрим экономический эффект от предложенного мероприятия в рамках рекомендованного варианта работы с пластом Б2 (табл. 2). Цены нефти Brent и Urals определены на основе средних значений, которые установлены специалистами ПАО «НК «Роснефть» с учетом динамики цен на различных рынках сбыта и регламентированы при проведении экономических расчетов рентабельности проектов в периметре ПАО «НК «Роснефть».

Модель составлена на основе долгосрочного прогноза добычи (рисунок).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Закачка воды с наночастицами позволит увеличить чистую прибыль компании с исследуемого месторождения на 19,15 млн руб. в год начиная с 2031 г. (в течение срока эксплуатации месторождения на 612,82 млн руб. ожидается совокупный рост чистой прибыли). Внедрение предлагаемой разработки особенно актуально и своевременно в рамках третьей стадии эксплуатации объекта, характеризующейся сокращением объемов добычи и увеличением уровня обводненности. В перспективе предлагаемая технология может быть реализована и на других месторождениях АО «Самаранефтегаз». Чистая прибыль, полученная в результате закачки наночастиц, может быть перенаправлена на усовершенствование других бизнес-процессов. В целом, перед предприятием открываются (в случае успешного внедрения) новые инвестиционные и технологические возможности. Компания сможет обновить основные фонды (наземную инфраструктуру месторождений и оборудование), дать толчок развитию новых инновационных проектов, модернизировать внутренние корпоративные мероприятия, связанные с кадровым потенциалом. Также АО «Самаранефтегаз» может способствовать в перспективе существенному продвижению нанотехнологий в периметре ПАО «НК «Роснефть».

С учетом тенденции экологизации производственных процессов в краткосрочной перспективе использование различных наночастиц обеспечит объекту следующие исследования: уменьшение вредных выбросов и сокращение потребления определенного сегмента ресурсов. Также наночастицы могут быть использованы для очистки и фильтрации нефти, что позволит повысить качество добычи на многих месторождениях общества. Данный аспект применения инновации очень важен в рамках реализации нефти ПАО «Транснефть» и дальнейшего экспорта продукции за рубеж.

Таким образом, областей применения наночастиц в рамках нефтедобывающей отрасли достаточно много и их перспективное развитие является основополагающим при формировании инновационного потенциала российского топливно-энергетического комплекса. Это направление особенно актуально с учетом значительного экономического эффекта после успешной реализации мероприятий, основанных на использовании передовых разработок ученых-нанотехнологов.