Численный и экспериментальный подход к эффективности добычи нефти при комбинированной закачке ксантановой камеди и углекислого газа

Почему важно выжимать больше нефти из старых пород

Даже после десятилетий добычи во многих месторождениях большая часть нефти остается упрямо запертой в породе. Извлечение большей её доли может отложить необходимость новых бурений и, если делать это разумно, помочь также захоронить углекислый газ (CO2) под землёй. В этом исследовании изучается более чистый, биологически основанный способ повышения добычи — сочетание газа CO2 с ксантановой камедью, распространённым загустителем из пищевой и косметической промышленности, — и показано, что такое сочетание может вернуть значительно больше нефти, чем каждый метод по‑отдельности.

Сочетание кухонной камеди и климатического газа

Нефтяные компании уже применяют два ключевых приёма на выработанных пластах: закачку CO2 для разжижения и разбухания остаточной нефти, чтобы она могла течь, и закачку загущённой воды (полимерная закачка), чтобы выдавить нефть более равномерно через породу. Сам по себе CO2 течёт слишком легко, проскальзывая по наиболее проницаемым каналам и рано прорываясь к нагнетательно‑добывающим скважинам, оставляя за собой карманы нефти. Полимерная закачка действует более равномерно, но многие синтетические полимеры плохо переносят горячие и солёные условия в недрах и вызывают экологические вопросы. Ксантановая камедь — биоразлагаемый биополимер, широко используемый в повседневных продуктах — сохраняет вязкость даже в солёной воде и при высоких температурах. Исследователи поставили задачу проверить, сможет ли сочетание CO2 и ксантана объединить их преимущества: CO2 — для размягчения и мобилизации запертой нефти, ксантан — для управления потоком, чтобы больше объёма породы было промыто.

От лабораторных песочных упаковок к реалистичной пористой породе

Чтобы имитировать реальный нефтяной пласт, команда набила стальную трубку чистым песком с известной пористостью и проницаемостью, затем насытила её рассолом и лёгкой‑средней сырымой нефтью, похожей на ту, что добывают на многих месторождениях. После начальной водяной закачки они протестировали пять схем увеличения нефтеотдачи: только вода (как эталон); только CO2; только ксантан при разных концентрациях; ксантан, а затем CO2; и CO2, а затем ксантан. Растворы ксантана готовили в очень солёной воде, соответствующей пластовому рассолу, и характеризовали реометром, чтобы увидеть, как меняется их вязкость при потоке и температуре. На каждом шаге экспериментов они измеряли, сколько дополнительной нефти вышло, и как изменялось давление по длине песочной упаковки, а затем использовали эти результаты для создания компьютерной модели, представляющей значительно больший песчаниковый пласт.

Как течёт камедь и почему важна доза

Измерения показали, что растворы ксантана ведут себя полезным образом: при медленном движении они очень вязкие, но при увеличении скорости потока становятся легче для выдавливания — это свойство известно как сдвиговое разжижение. Это означает, что их можно закачивать через скважины без чрезмерного давления, при этом они остаются вязкими глубже в пласте, где потоки слабее и контроль подвижности наиболее нужен. Полимер также проявляет слабую упругоподобность, способен накапливать и отдавать часть энергии потока. Эта упругая составляющая помогает вытягивать капли нефти из узких углов породы и сглаживает фронт продвижения закачиваемой жидкости. Из протестированных концентраций выделялся уровень 1,5 грамма на литр: более разбавленные растворы были слишком слабы для эффективного контроля потока, тогда как более концентрированные давали мало дополнительной выгоды, но повышали риск закупорки пор и увеличения затрат.

Когда порядок закачки меняет всё

Прямые сравнения в лабораторных закачках выявили, насколько мощным может быть комбинированный подход. После водяной закачки было извлечено примерно 70% первоначально залегающей нефти. Переход на только CO2 поднял это значение примерно до 83%, в то время как только полимер (в своей оптимальной дозе) дал около 81%. Первичная закачка ксантана с последующим CO2 увеличивала нефтеотдачу до примерно 89%, потому что полимер выравнивал пути потока до прихода газа. Однако самой эффективной оказалась обратная последовательность: сначала CO2 для разжижения и мобилизации запертой нефти, затем закачка порции ксантана 1,5 г/л. В этом случае суммарная добыча нефти поднялась примерно до 94% — прирост более чем на 24 процентных пункта по сравнению с водяной закачкой и на 11 пунктов по сравнению с CO2 в одиночку. Поздняя полимерная закачка блокировала самые лёгкие газовые каналы, заставляла жидкости проникать в ранее неохваченные зоны и удерживала мобилизованную нефть, направляя её к добывающей скважине, а не оставляя в пласте.

Масштабирование до размера реального месторождения

Используя экспериментальные данные, исследователи создали детальную численную модель песчаникового пласта с нагнетательными скважинами по краю и добывающей в центре. Моделирование воспроизвело лабораторные тенденции: комбинированная закачка CO2–ксантана приводила к более высокой добыче нефти, более медленному росту пластовой воды и более равномерному использованию объёма пласта, чем только вода, только CO2 или только полимер. Карты насыщения нефтью и газом в модели показали, что гибридный процесс заполняет пробелы, оставленные более простыми закачками: полимер расширяет зону проникновения CO2 и предотвращает доминирование узких неэффективных каналов потока. Хотя модельный пласт был намеренно проще реальных пород, его поведение тесно соответствовало керновым экспериментам, что даёт уверенность в переносимости подхода на месторождение.

Что это значит для будущего использования нефти и углерода

Для неспециалиста основной вывод таков: знакомый, экологичный загуститель может помочь одновременно извлечь больше нефти из существующих месторождений и эффективнее использовать закачанный CO2. Подобрав правильную дозу и, что критично, правильный порядок — сначала CO2, затем ксантановая камедь — исследование показывает, что операторы могли бы восстановить значительную часть оставшейся нефти в зрелых песчаниковых пластах, захраня при этом больше CO2 под землёй и уменьшая объёмы добытой воды на поверхности. Этот комбинированный метод не устраняет климатический эффект от использования нефти, но предлагает более эффективный и потенциально с меньшим экологическим следом способ эксплуатации уже существующих месторождений, выигрывая время на переход энергетики к более чистым источникам.

Цитирование: El-hoshoudy, A.N., Mansour, E.M. A numerical and experimental approach to oil recovery performances during combined xanthan gum and carbon dioxide flooding. Sci Rep 16, 14018 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49640-7

Ключевые слова: повышение нефтеотдачи, закачка углекислого газа, полимер ксантановой камеди, моделирование нефтяного пласта, хранение углерода