Stop all’Acqua Indesiderata: Il Segreto dei Nanosilica Gel Rivela un Modello 3D Rivoluzionario!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e tecnologia! Oggi voglio parlarvi di una sfida che, nel mondo dell’estrazione di petrolio e gas, è un vero e proprio grattacapo: l’eccessiva produzione di acqua. Immaginate di trivellare sperando di trovare l’oro nero e invece vi ritrovate con un fiume d’acqua. Non proprio l’ideale, vero? Ma se vi dicessi che c’è una tecnologia quasi magica, basata su nanoparticelle di silice, che promette di risolvere questo problema in modo efficace ed efficiente? E, cosa ancora più entusiasmante, che abbiamo sviluppato un modo super avanzato per prevedere e ottimizzare il suo utilizzo? Allacciate le cinture, perché stiamo per fare un viaggio nel cuore della roccia!

Il Problema dell’Acqua di Troppo e l’Ascesa dei Nanosilica Gel

Nel settore oil e gas, ridurre la produzione di acqua indesiderata è fondamentale per migliorare il recupero degli idrocarburi. Una delle tecniche più usate è l’iniezione di gel in-situ: in pratica, si pompa un fluido speciale nel giacimento che, una volta lì, si trasforma in un gel e va a tappare le vie preferenziali dell’acqua. Bello, no? Peccato che il sottosuolo sia un ambiente tremendamente complesso, con temperature e pressioni variabili e rocce tutt’altro che uniformi. Qui entrano in gioco i sistemi a base di nanosilice.

Questi sistemi usano silice colloidale e sali inorganici per formare un gel stabile che ostruisce gli spazi porosi della roccia, bloccando l’acqua. I vantaggi? Beh, la nanosilice ha un’elevata stabilità termica, quindi resiste alle temperature infernali dei giacimenti profondi, e una bassa viscosità iniziale, che la rende facile da iniettare. Diverse applicazioni sul campo hanno già dimostrato che funziona alla grande, aumentando la produzione di petrolio e riducendo quella d’acqua.

Capire la cinetica di reazione e i meccanismi di gelificazione di questi sistemi è la chiave per ottimizzarne le prestazioni. Dobbiamo sapere quanto velocemente si forma il gel in diverse condizioni e come evolve la sua struttura. Solo così possiamo “cucire su misura” il sistema, scegliendo la giusta concentrazione di particelle di silice e il tipo e la quantità di sali, per ottenere la gelificazione e la stabilità ottimali.

Le Sfide della Modellazione: Eterogeneità e Comportamento del Gel

Nonostante i progressi, ci sono ancora degli ostacoli. Uno dei principali è l’eterogeneità del giacimento. Immaginate il sottosuolo non come una spugna uniforme, ma come un labirinto con zone più o meno permeabili. Questo può portare a una distribuzione non omogenea del gel e a possibili “falle” nel blocco dell’acqua. Inoltre, la cinetica di gelificazione e le proprietà reologiche del gel (cioè come fluisce e si deforma) influenzano tantissimo la sua capacità di penetrare e sigillare efficacemente le zone acquifere.

Per affrontare queste sfide, noi ricercatori abbiamo esplorato varie soluzioni: formulazioni di gel migliorate, strategie di iniezione ottimizzate e, soprattutto, modelli di simulazione numerica. Questi modelli cercano di incorporare i complessi processi fisici e chimici coinvolti, come la cinetica di gelificazione, il flusso dei fluidi e l’interazione tra gel e roccia porosa. Già in passato sono stati fatti tentativi, usando software commerciali come UTCHEM e CMG, o sviluppando modelli specifici. Alcuni hanno anche esplorato l’intelligenza artificiale (AI), come le reti neurali artificiali (ANN), per superare i limiti dei modelli convenzionali. Tuttavia, questi modelli AI spesso mancano di interpretabilità fisica e faticano a generalizzare a scenari nuovi e imprevisti.

La letteratura scientifica attuale mostra ancora delle lacune significative quando si tratta di prevedere con precisione le prestazioni dei trattamenti di water shutoff in condizioni operative realistiche. La maggior parte dei modelli trascura gli effetti del raffreddamento dovuto all’iniezione (temperature cooldown), la cinetica di gelificazione e le proprietà eterogenee del giacimento sulla distribuzione e penetrazione del gel. Ed è qui che il nostro lavoro fa la differenza!

La Nostra Arma Segreta: Un Modello 3D Integrato per Nanosilica Gel

Abbiamo sviluppato un approccio di modellazione 3D innovativo che simula le operazioni di water shutoff usando gel di nanosilice, affrontando proprio le complessità del comportamento del gel e dell’eterogeneità della formazione. Integrando dati sperimentali, formulazioni matematiche e simulazioni computazionali, il nostro modello svela le intricate relazioni tra fattori chiave come la portata di iniezione, la temperatura del fluido, il volume del trattamento, la concentrazione dell’attivatore e le proprietà della formazione.

Il nostro modello, costruito usando il software MATLAB, risolve contemporaneamente le equazioni del flusso fluidodinamico, del trasporto di massa e del trasporto di calore. Abbiamo assunto che il fluido si comporti come newtoniano e incomprimibile (data la sua bassissima viscosità, circa 5 cP prima della gelificazione) e che quindi segua la legge di Darcy. Il modello termico è cruciale perché la temperatura influenza la reazione di gelificazione, sia durante il raffreddamento dovuto all’iniezione del fluido, sia durante il successivo riscaldamento nel periodo di chiusura del pozzo (shut-in).

Utilizziamo il metodo dei volumi finiti (FVM), che scompone il dominio in tanti piccoli volumi e risolve le equazioni per ciascuno di essi. L’algoritmo del modello si articola in due fasi principali:

• Fase di Iniezione: Il modello calcola il raffreddamento della formazione e la distribuzione del fluido mentre viene pompato, fino al raggiungimento del volume desiderato. Risolve l’equazione di diffusività per la pressione, da cui ottiene il profilo di velocità, usato poi per i modelli di trasporto di massa (distribuzione della concentrazione dell’attivatore) e di calore (profilo di temperatura).
• Fase di Shut-in: Il modello predice il riscaldamento della formazione e la penetrazione del gel durante il periodo di chiusura del pozzo. La penetrazione del gel è stimata sulla base di una formula di cinetica di gelificazione che abbiamo sviluppato. Quando il tempo di shut-in supera il tempo di gelificazione in un certo volume, la permeabilità di quel volume viene impostata a zero (cioè, si è formato il tappo!).

La formula per il tempo di gelificazione (GT) che abbiamo derivato si basa sull’equazione di Arrhenius e sulla legge della velocità di reazione, tenendo conto della concentrazione iniziale dell’attivatore (C_Ao), delle concentrazioni attuali di attivatore (C_A) e nanosilice (C_N), e della temperatura assoluta (T).

Cosa Ci Dicono le Simulazioni 2D: Un Gioco di Equilibri

Abbiamo eseguito una serie di simulazioni 2D, variando un parametro alla volta, per capire l’impatto di ciascuno sul profilo di temperatura vicino al pozzo e sulla penetrazione del gel. Immaginate i risultati come delle mappe colorate: il giallo rappresenta la permeabilità originale della roccia, mentre il blu indica permeabilità zero, cioè dove il gel si è formato con successo.

Portata d’Iniezione: Più alta è la portata, più il fluido freddo penetra e raffredda la roccia. Ad esempio, con una temperatura di formazione di 220 °F e un fluido iniettato a 190 °F, a 1 BPM (barili al minuto) il raffreddamento a 200 °F si estendeva per quasi 1.5 piedi, mentre a 0.1 BPM solo per circa 0.5 piedi. La scelta ottimale dipende dalla permeabilità della roccia e dalla penetrazione del gel desiderata.

Periodo di Shut-in e Riscaldamento: Dopo l’iniezione, il pozzo viene chiuso. La temperatura vicino al pozzo risale gradualmente. Prevedere questo riscaldamento è essenziale per scegliere il tempo di shut-in ottimale. Un pozzo con una temperatura di formazione più bassa richiederà un tempo di shut-in più lungo per permettere una completa maturazione del gel.

Volume del Trattamento: Più volume si inietta, più il raffreddamento si propaga nella formazione e, di conseguenza, più lontano penetra il gel (a patto che il tempo di shut-in sia sufficiente). Ad esempio, con 0.5 barili/piede di volume, l’effetto di raffreddamento si notava fino a 2 piedi di penetrazione radiale; aumentando il volume, si arrivava a 3.5 piedi.

Temperatura del Fluido Iniettato: Anche la temperatura del fluido che pompiamo ha il suo peso. Abbiamo visto esempi di ottima gelificazione con fluidi a 190 °F e 170 °F. Al contrario, una temperatura troppo bassa, unita a un tempo di shut-in insufficiente, può portare a una gelificazione scarsa. In tal caso, bisognerebbe aumentare il tempo di chiusura o ridurre la portata di iniezione per minimizzare l’effetto di raffreddamento.

Concentrazione dell’Attivatore: Più attivatore mettiamo, più veloce è la reazione di gelificazione. Con concentrazioni del 25% e 30% (in peso) di attivatore, la penetrazione del gel era perfetta. Con solo il 20%, invece, la gelificazione era scarsa, richiedendo un periodo di shut-in più lungo.

Questi risultati sottolineano la necessità di trovare un delicato equilibrio tra fattori contrastanti: penetrazione del gel, raffreddamento della temperatura e tempo di gelificazione.

Il Mondo Reale è Disomogeneo: Simulazioni 3D e le “Zone Ladro”

Passiamo ora al 3D, dove l’eterogeneità della roccia gioca un ruolo da protagonista. Le cosiddette “zone ladro” (thief zones), cioè strati ad alta permeabilità, possono influenzare drasticamente la penetrazione del gel. Immaginate una formazione a tre strati: due strati “stretti” (bassa permeabilità, diciamo 40 millidarcy) che ne racchiudono uno molto permeabile (la zona ladro, 1500 mD). Dopo l’iniezione del trattamento, il nostro modello 3D ha mostrato chiaramente che la maggior parte del fluido penetrava nello strato ad alta permeabilità, fino a 3.5 piedi di penetrazione radiale, mentre negli altri strati la penetrazione era minima.

E se ci sono due zone ladro? Trattare un pozzo del genere richiede un design ancora più attento. Abbiamo confrontato uno scenario con una singola zona ladro (1500 mD al centro) con uno a cinque intervalli, di cui due zone ladro (una da 500 mD in alto e una da 1500 mD in basso). È emerso chiaramente che la singola zona ladro centrale sperimentava una penetrazione del gel più profonda (circa 5 piedi) rispetto alle due zone ladro (2.5 piedi quella superiore, 4 piedi quella inferiore). Per ottenere la penetrazione desiderata nelle due zone ladro, potrebbe essere necessario iniettare un volume aggiuntivo.

Logicamente, anche l’effetto di raffreddamento è maggiore negli strati a più alta permeabilità, perché più fluido freddo li attraversa. Le nostre simulazioni 3D del profilo di temperatura lo hanno confermato, mostrando un raffreddamento più esteso nella singola zona ladro rispetto al caso con due zone ladro (a parità di altri parametri).

Tiriamo le Somme: Ottimizzare per un Futuro più Efficiente

Cosa ci dice tutto questo? Che la simulazione numerica all’avanguardia che abbiamo presentato dimostra la significativa influenza di vari parametri sulla temperatura vicino al pozzo e sulla distribuzione del gel durante l’iniezione del sistema Nanosilica. I parametri che abbiamo investigato in 2D (portata, temperatura, volume, concentrazione dell’attivatore) sono tutti critici. E i modelli 3D hanno evidenziato come l’eterogeneità della formazione impatti sostanzialmente la distribuzione del gel.

Per le applicazioni pratiche, i nostri risultati forniscono una guida chiara per la selezione e l’ottimizzazione dei parametri. Ad esempio:

• Aumentare la portata di iniezione o il volume del trattamento migliora la propagazione del fluido, ma porta a un maggiore raffreddamento, che ritarda la gelificazione.
• Una temperatura del fluido più elevata e una maggiore concentrazione di attivatore accelerano la gelificazione, rendendoli adatti per applicazioni che richiedono una sigillatura rapida, minimizzando i rischi di penetrazione eccessiva.

Incorporare le variazioni localizzate di permeabilità e porosità durante la fase di progettazione migliora la precisione del posizionamento del gel, affrontando sfide come la rottura del blocco nelle zone ad alta permeabilità e l’ingresso limitato negli strati a bassa permeabilità.

In definitiva, il successo delle operazioni di water shutoff con Nanosilica richiede una considerazione bilanciata di molteplici fattori. Allineando questi parametri con le condizioni del giacimento e gli obiettivi operativi, gli operatori possono massimizzare i risultati del trattamento e ridurre efficacemente i costi di gestione dell’acqua. E il nostro modello è uno strumento potente per raggiungere proprio questo obiettivo! Spero che questo viaggio nel mondo dei nanosilica gel e della modellazione avanzata vi sia piaciuto. Alla prossima!

Fonte: Springer