Наноматериалы, применяемые в горной добыче нефти

Введение

Нефть - это природная горючая маслянистая жидкость, которая состоит из смеси углеводородов самого разнообразного строения. Их молекулы представляют собой и короткие цепи атомов углерода, и длинные, и нормальные, и разветвленные, и замкнутые в кольца, и многокольчатые. Кроме углеводородов нефть содержит небольшие количества кислородных и сернистых соединений и совсем немного азотистых. Нефть и горючий газ встречаются в земных недрах как вместе, так и раздельно. Природный горючий газ состоит из газообразный углеводородов - метана, этана, пропана. месторождение ультрадисперсный нефть наноматериал

Нефть и горючий газ накапливаются в пористых породах, называемых коллекторами. Хорошим коллектором является пласт песчаника, заключенный среди непроницаемых пород, таких, как глины или глинистые сланцы, препятствующие утечке нефти и газа из природных резервуаров. Наиболее благоприятные условия для образования месторождений нефти и газа возникают в тех случаях, когда пласт песчаника изогнут в складку, обращенную сводом кверху. При этом верхняя часть такого купола бывает заполнена газом, ниже располагается нефть, а еще ниже -- вода.

О том, как образовались месторождения нефти и горючего газа, ученые много спорят. Одни геологи -- сторонники гипотезы неорганического происхождения -- утверждают, что нефтяные и газовые месторождения образовались вследствие просачивания из глубин Земли углерода и водорода, их объединения в форме углеводородов и накопления в породах -- коллекторах.

Другие геологи, их большинство, полагают, что нефть, подобно углю, возникла из органической массы, погребенной на глубину под морские осадки, где из нее выделялись горючие жидкость и газ. Это органическая гипотеза происхождения нефти и горючего газа. Обе эти гипотезы объясняют часть фактов, но оставляют без ответа другую их часть.

Полная разработка теории образования нефти и горючего газа еще ждет своих будущих исследователей.

Группы нефтяных и газовых месторождений, подобно месторождениям ископаемого угля, образуют газонефтеносные бассейны. Они, как правило, приурочены к прогибам земной коры, в которых залегают осадочные породы; в их составе имеются пласты хороших коллекторов.

В РФ давно известен Каспийский нефтеносный бассейн, разработка которого началась в районе Баку. В 20-х годах был открыт Волго-Уральский бассейн, который назвали Вторым Баку. В 50-х годах был выявлен величайший в мире Западно-Сибирский бассейн нефти и газа. Крупные бассейны, кроме того, известны и в других районах страны -- от берегов Ледовитого океана до пустынь Средней Азии. Они распространены как на материках, так и под дном морей. Нефть, например, добывается со дна Каспийского моря.

Россия занимает одно из первых мест в мире по запасам нефти и газа. Большое преимущество этих полезных ископаемых -- сравнительное удобство их транспортировки. По трубопроводам нефть и газ поступают за тысячи километров на фабрики, заводы и электростанции, где используются как топливо, как сырье для производства бензина, керосина, масел и для химической промышленности.

Из-за трудно добываемости нефти и газ встают новые вопросы их добычи, а так же увеличения эффективности их добычи. Поэтому сейчас ходит много разговор об внедрении в нефте - и газо - добывающие промышленности нано технологий, так как они могли бы повысить производительность всех предприятий данной отрасли в разы.

Так же ученый считают, что через 50 лет нефти в более высоких слоях литосферы станет крайне мало, следовательно надо научится добывать ее из более глубоких слоев, а это возможно только при использовании нано материалов. В данный момент активно занимаются вопросом о внедрении нано материалов в горнодобывающую промышленность Азербайджан и Россия.

Нанотехнологии в добычи

В России и в Республике Азербайджане сосредоточены огромные запасы нефти и газа. Добыча и продажа этих энергоресурсов обеспечивают значительные поступления в российский бюджет.

Существенный рост добычи в России во второй половине ХХ века был обеспечен открытиями уникальных месторождений с приемлемыми геологическими условиями залегания нефти. В настоящее время деятельность нефтяных компаний на территории России сопряжена со сложными технологическими проблемами, поскольку около 2/3 имеющихся запасов нефти и газа относятся к категории трудноизвлекаемых. Высокая стоимость технологий их добычи снижает доходность по сравнению с добычей нефти на Ближнем Востоке, в Африке и даже в ряде случаев в Северном море. Развитые страны мира тратят значительные средства на развитие нефтяной науки, что позволяет создавать высокорентабельные технологии для извлечения трудноизвлекаемых запасов нефти.

Согласно материалам Лондонского форума по нефтеотдаче применение уже освоенных современных технологий позволит повысить средний проектный коэффициент извлечения нефти (КИН) до 50% к 2020 г., что означает увеличение мировых доказанных извлекаемых запасов нефти в 1,4 раза (т. е. на 65 млрд. т) .

В последнее десятилетие огромное значение для создания рациональных технологий разработки трудноизвлекаемых запасов нефти в России имело применение различных модификаций горизонтальных скважин и гидроразрыва пласта. Не умаляя значимости этих технических решений, отметим необходимость более глубокого изучения механизма вытеснения нефти из нефтяных залежей в добывающие скважины.

Нефтенасыщенные пласты представлены пористыми материалами с различными размерами пор, поровых каналов и вещественными составами пород, определяющими особенности взаимодействия пластовых и закачиваемых флюидов с породой. С учетом отмеченного можно сделать вывод о том, что вытеснение нефти из нефтяных залежей в добывающие скважины является не механическим процессом замещения нефти вытесняющей ее водой, а сложным физико-химическим процессом, при котором определяющую роль играют явления ионнообмена между пластовыми и закачиваемыми флюидами с породой, т. е. наноразмерные явления.

В последние годы при изучении и регулировании наноразмерных процессов в мире получены фундаментальные результаты в ряде научных направлений. Нанотехнологический подход означает целенаправленное регулирование свойств объектов на молекулярном и надмолекулярном уровне (0,1-100 нм), определяющем фундаментальные параметры физических объектов. Наночастицы недостаточно велики для непосредственного наблюдения и изучения и слишком велики для квантовомеханических расчетов. Поэтому при моделировании их можно рассматривать в качестве элементов объектов большего размера.

Термин нанонаука возник не так давно, но многие из давно изучаемых макроразмерных процессов учитывали явления, происходящие на наноуровне, следовательно, их можно отнести к нанонауке. Это характерно для наук о Земле в сфере нефтегазодобычи.

В числе важнейших научно-технических проблем нефтегазодобычи вице-президентом РАН Н. П. Лаверовым отмечены разработка математических моделей управления процессами извлечения нефти с использованием химических, физических, тепловых и иных методов воздействия на пласт; промышленная разработка и применение новых технологий нефтегазодобычи; создание и освоение технологий сжижения природного газа. Основой этих направлений является геология, где роль нанонауки уже обозначена в механизмах минераллообразования и выветривания горных пород, преобразовании одних глинистых минералов в другие. На основе изучения наноразмерных комплексов в 1980-1990 гг. возникло новое направление - наноминералогия. Примерно в те же годы стали активно исследоваться явления ионнообмена в процессах нефтегазодобычи. Поскольку характерные радиусы ионов не превышают 1 нм, технологии регулирования ионообменных явлений в нефтегазовых системах относятся к нанотехнологиям.

К объектам исследований нанонауки относятся ультрадисперсные системы (УДС), в том числе глины, аэрозоли, мицеллярные коллоидные растворы, полимерные золи и гели, пленки жидкости на поверхности. Эти объекты также очень важны для нефтегазовой сферы.

Механизм перемещения нефти в пласте и ее извлечения во многом определяется молекулярно-поверхностными процессами, протекающими на границах раздела фаз (породообразующие минералы - насыщающие пласт жидкости и газы - вытесняющие агенты) . Поэтому проблема смачиваемости - одна из важнейших проблем нанонауки в нефтегазовой сфере.

Одним из важных и перспективных направлений применения нанотехнологий в нефтяной промышленности является создание миниатюрных устройств, оснащенных микропроцессорами и способных выполнять операции с объектами нанометовых масштабов, называемых "нанороботами". Например, они могут использоваться для сверхточного каротажа скважин. Это технологическое решение еще находится в процессе разработки. Однако уже сейчас, при общем прогрессе микроэлектроники, началась миниатюризация электронных датчиков и сенсоров. Так, для анализа буровых растворов и кернов применяют микроэлектромеханические устройства, позволяющие анализировать количества жидкостей в пределах долей микролитра. Другим важнейшим направлением применения нанотехнологий является разработка новых и повышение эффективности существующих химических реагентов. К подобным реагентам, например, относятся так называемые "умные" технологические жидкости для процессов бурения и повышения нефтеотдачи. Для их характеристики иногда используют термин "наножидкость" (если коллоидные частицы представляют собой твердую фазу). Например, разработаны технологические растворы, содержащие коллоидные частицы геля, которые при бурении, заканчивании и глушении скважин препятствуют поглощению раствора пластом. В результате снижаются потери технологических жидкостей при заканчивании и ремонте скважин.

Подобные технологии применяются и при повышении нефтеотдачи пластов. Коллоидные дисперсные гели, массовое содержание полимера в которых в несколько раз ниже, чем в традиционных гелевых системах, широко применяются на месторождениях Китая для обработки пластов, со значительным экономическим эффектом. Традиционные тампонирующие материалы приобретают новые свойства при введении в них наноразмерных частиц. Так, удалось получить пластичный неорганический гель на основе силиката натрия, который при сдвиге не разрушался, но обладал текучестью, подобно пластичному цементу. Это новое, необычное и востребованное свойство позволяет работать с неорганическим гелем при высоких давлениях. Они могут получаться из дешевых природных пород и минералов, а также из отходов промышленного производства и сельского хозяйства. Наполнение геля наноразмерными частицами приводит к тому, что гель разбивается на множество наноразмерных областей и приобретает новые пластические свойства. Для объяснения изменения механических свойств гелей можно использовать теорию прочности стекол, разработанную Гриффитсом. Согласно этой теории критическое напряжение, вызывающее трещину в стеклообразном теле, зависит от размера тела: чем он меньше, тем большая нагрузка необходима для его хрупкого разрушения. Таким образом, использование наноразмерных частиц позволяет получать гели с новыми регулируемыми свойствами. Новой технологией является использование при бурении скважин афронов. Они представляют собой раствор биополимера, содержащий в своем составе стабилизированные микропузырьки газа. Под давлением происходит обратимое сокращение их объема. За счет этого афроны обладают очень высокой стабильностью даже в скважинах с высокой температурой. Коллоидные реагенты могут применяться для решения целого ряда задач в области нефтепромысловой химии. Так, они могут использоваться для ингибирования солеотложения в призабойной зоне пласта. Новизна технологии состоит в том, что ингибитор закачивается в нагнетательную скважину. В отличии ингибитора солеотложения, находящегося растворенном виде, наночастицы не адсорбируются в поровом пространстве, и, попадая в призабойную зону реагирующих добывающих скважин, препятствуют отложению солей, в частности, сульфатов. Кроме нанодисперсий, содержащих твердых частицы, применяются также и наноэмульсии. Размер капель дисперсной фазы в них может составлять до 30-80 нм. Уменьшение размера капель дает эмульсии очень высокую гравитационную устойчивость; для приготовления используются поверхностно-активные вещества. В виде наноэмульсии можно использовать любые реагенты: ингибиторы коррозии, соле - и парафиноотложения. Свойства наноэмульсий легко регулируются и зависят от способа их приготовления.

Также немаловажно отметить, что наноматериалы используются не только при добыче нефти, но и разрабатываются технологии, например, для устранения последствий разлива нефти. В частности, разработаны материалы для сбора и утилизации нефти с поверхности воды. За счет использования монослоев вещества они имеют очень большую абсорбирующую способность, и могут впитать массу нефти в 40 раз большую, чем масса самого сорбента. Вода же совершенно не поглощается сорбентом. По данным международного энергетического агентства к 2025 году в мире будет наблюдаться рост потребления нефти и газа, который потребует увеличения их добычи к 2025 году относительно 2005 года, ежегодно необходимо будет добывать свыше 6 млрд. тонн нефти.

Однако проблема усугубляется тем, что, во-первых, нефть эта залегает в труднодоступных регионах (северные районы, вечная мерзлота, глубоководные участки прибрежного шельфа), а во-вторых, эксплуатация залежей тяжелых и высоковязких нефтей требует значительных финансовых и энергетических затрат, а потому очень важны разработки из серии инновационных технологий, нанотехнологий.

Сегодня значительная часть добычи нефти в мире обеспечивается со старых, находящихся на последней стадии разработки, сильно обводненных месторождений, а также на месторождениях высоковязких нефтей в условиях низкопроницаемых коллекторов. Пятая часть добывающих скважин простаивает из-за сильной обводненности, затраты на отделение и очистку попутной воды, являющейся источником экологических проблем, ежегодно составляют свыше $40 млрд. Разработка и внедрение нанотехнологий уже позволяет получить эффективные результаты в производстве.

Известно, что большинство углеводородных месторождений в Азербайджане, а также во всем мире находится на поздней стадии разработки. В настоящее время в действующем фонде SOCAR насчитывается около 7 тыс. скважин, 65% которых составляют малодебитные и сильно обводненные скважины находящихся на поздней стадии разработки месторождений, где вместе с каждой добываемой тонной нефти из пластов извлекается 13-15 м3 пластовой воды.

Поэтому разработка, исследование и внедрение нанотехнологий в нефтяной и газовой промышленности не только Азербайджана, но и во всем мире в настоящее время являются ключевыми задачами в увеличении добычи и сокращении расходов

В SOCAR впервые разработана научно-методологическая основа исследований и разработки нанотехнологий в нефтяной промышленности на основе учета малых и супермалых наночастиц, предложены математические модели, создана система внедрения и разработаны специальные программы по развитию таких нанотехнологий.

Если выделить по категориям проблематичности нефтяных месторождений, связанных с добычей нефти, то в нефтяной промышленности существуют 6 основных проблем, которые возможно решить с помощью внедрения нанотехнологий:

1) Бурение в аномально высоких и низких давлениях, связанное с повышением эффективности бурения, 2) Экологические проблемы, вызванные обводненностью скважин; 3) Борьба с пескообразованием, 4) Солеотложение в трубопроводах и транспортных системах, 5) Остаточная и трудноизвлекаемая тяжелая нефть (неньютоновская жидкость), 6) Парафинистость месторождения и борьба с ней.

Для решения вышеизложенных проблем нами разработаны нанотехнологические системы, которые могут быть успешно коммерциализированы на нефтяных производственных площадях стран ЕС и за его пределами. Это - нанотехнологии для извлечения остаточной и трудноизвлекаемой тяжелой нефти, нанотехнологии против пескоотложения, против солеотложения, нанотехнологии для бурения, наноцемент, нанобентонит и другие нанотехнологические системы.

Данные нанотехнологические системы внедряются на производственных площадях SOCAR. Особо хотелось бы отметить разработанный нами нанобентонит, полученный в результате обогащения природного сырья Алпоутского месторождения Азербайджана. Количество целевого компонента - монтмориллонита было доведено до 95-97%. В результате нами разработанной технологии выявлено, что размер кристаллов в их составе колеблется в интервале 8-13,5нм.

Это уникальное достижение может послужить для коммерциализации технологий на рынке Европейского союза (ЕС) и по всему миру. Нанобентонит можно реализовать кроме нефтяной промышленности и в других более чем 200 направлениях.

Результаты проведенных в Азербайджане фундаментальных исследований в области нанотехнологий включены в международную энциклопедию ЮНЕСКО в раздел EOLSS 6.152 "Нанонаука и нанотехнологии". В 2010 году за подготовку научно-методологической основы исследований, разработку и внедрение нанотехнологий на основе использования наноматериалов в нефтяной промышленности, в основе которой лежит разработанный нами "эффект малых концентраций" и "эффект супермалых частиц при малых концентрациях", которые реализованы в нефтегазодобыче, бурении и транспорте нефти на месторождениях Азербайджана, группа ученых и специалистов SOCAR была удостоена медали и диплома ЮНЕСКО "За вклад в развитие нанонауки и нанотехнологий".

Внедрение нанотехнологий в Азербайджане представляет страну в новом свете среди развитых стран. Впервые в мировой практике бурения положительные результаты, полученные в сфере нанотехнологий, продвигают нефтяную промышленность Азербайджана вперед. Можно сказать, что Азербайджан, наряду с мировыми государствами, занимает лидирующие позиции, благодаря быстрому развитию этих технологий в нефтяной промышленности.

Северный Рейн-Вестфалия очень заинтересован в установлении экономических связей с Азербайджаном в области нанотехнологий. За короткий срок уже во второй раз наша делегация из Научно-производственного центра (НПЦ) "Нанотехнологии" посетила с деловым визитом федеральную землю Северный Рейн-Вестфалии. В рамках визита специалисты Аахенского технического университета Германии и специалисты НПЦ "Нанотехнологии" пролили свет на некоторые вопросы, касающиеся разработки и внедрения нанотехнологий, также была оценена возможность Центра стать надежным партнером для университета.

Также в Аахенском техническом университете и в Центре NanoMicroCluster в Дюссельдорфе прошли презентации книги "Разработка и внедрение нанотехнологий в нефтегазодобыче" под совместным авторством первого вице-президента SOCAR, академика Хошбахта Юсифзаде и моим. Книга посвящена разработке актуальной проблемы в нефтяной промышленности - проблеме увеличения нефтедобычи и эффективности процесса бурения скважин. Была предложена система внедрения нанотехнологий в нефтяной промышленности на основе единого, научно-обоснованного подхода, т. е. "эффекта малых концентраций" с учетом реологических свойств нефтяной и газовой отрасли.

Вниманию участников были представлены результаты исследований наносреды и нановоздействия на систему "скважина-пласт" и результаты внедрения нанотехнологий на производственных площадях SOCAR в направлениях добычи нефти и газа и бурения скважин, а также был поднят вопрос о перспективах развития нанотехнологий в Азербайджане.

Также на встречах в Дюссельдорфе между компаниями SOCAR и NRW. INVEST были согласованы шаги в направлении создания центра "наука - производство - услуга - логистика" на территории "Chempark" города Леверкузен в Германии с целью исследования и развития нанопродукции, которая будет использоваться в области нефтедобычи и бурения на основе нанотехнологий Азербайджана.

Предусматривается реализация совместно производимой продукции в разные страны и осуществление трансфера местных патентов на эти продукции в Германию, используя опыт международной практики. С целью придания официального характера сотрудничеству и его юридического подтверждения SOCAR, немецкое Агентство экономического развития федеральной земли Северный Рейн Вестфалия NRW. ЭNWEST GmbH и кластер новых нано-микротехнологий NanoMikro+Werkstoffe подписали Меморандум о взаимопонимании. Документ от SOCAR подписал президент компании Ровнаг Абдуллаев. Меморандум предусматривает создание подразделения НПЦ "Нанотехнологии" компании SOCAR на территории Северный Рейн-Вестфалия, а также финансирование, техническое и юридическое обоснование совместных проектов, определение территории для производства нанотехнологических систем и изучение рынка сбыта. Сотрудничество между сторонами будет осуществляться на условиях организации продаж и изучения рынков сбыта в странах ЕС и других странах. В меморандуме также предусмотрено осуществление совместных проектов в странах ЕС на основании нанотехнологий SOCAR. Меморандум также предусматривает защиту прав интеллектуальной собственности в отношении нанотехнологий SOCAR в странах ЕС, патентирование и подготовку необходимой соответствующей юридической и технической документации и приспособление их к требованиям законодательства стран ЕС.

Немецкое государство отслеживает, как деятельность SOCAR в Азербайджане, считающийся одним из крупных экспортеров сырья в мире, так и связи компании с зарубежными странами посредством зарубежных СМИ и приветствует деятельность компании в федеральной земле Северной Рейн-Вестфалии.

В рамках международных визитов группа специалистов из НПЦ "Нанотехнологии" посетила Порту-Алегре 8-11 апреля 2012 года, по приглашению господина Мауро Книжника - государственного секретаря штата Рио-Гранде-ду-Сул Федеративной Республики Бразилии. Основной целью визита было ознакомить другую сторону с нанотехнологиями, применяемыми в нефтяной промышленности Азербайджана, ознакомиться с состоянием нанотехнологий в штате и обсудить вопросы, которые могут создать основу для международного сотрудничества.

В результате продуктивных встреч, которые прошли в разных местах, в том числе в Государственном секретариате, в Федеральном университете, в технологических парках, Tecnopuc и TecnoSinos, было решено, что сотрудничество в области нанотехнологий действительно необходимо.

На сегодняшний день достижения в нефтяной промышленности Азербайджана в связи с внедрением современных технологий создают большую возможность для производства и сбыта нанопродукции на основе природного сырья и теории "эффекта малых концентраций". Именно в связи с исследованием и внедрением нанотехнологий вывоз местной нанопродукции Азербайджана на мировой рынок вносит вклад в экономическое развитие страны, является способом решения проблем нефтяных стран. Эта деятельность является шагом от открытия к бизнесу, и дорогой от бизнеса к экономике. Именно с этой точки зрения нефтяная промышленность, как и во все времена, играет большую роль в укреплении экономических и политических связей. Нужно отметить, что многие зарубежные страны, проводящие исследования в области нанотехнологий, осознают всю важность этой технологии и с большим интересом отслеживают и поддерживают шаги, проделанные SOCAR в этой сфере.

Заключение

Можно сказать, что Россия, Республика Беларусь и Республика Азербайджан достаточно продвинулись в исследованиях в данной отрасли.

Современный прогресс в области нанотехнологий заставляет надеяться, что уже в недалеком будущем многие проблемы нефтедобычи будут решены с их использованием.

А так же из отмеченного следует, что наноявления определяют особенности многих нефтегазовых технологий. Это означает необходимость более глубокого изучения наноявлений в науках о Земле с целью повышения долгосрочной эффективности добычи нефти и газа. В скором времени при применении нанотехнологий многие проблемы добычи нефти и газа будут решены на несколько веков вперед. А так же при более эффективной добыче данных полезных ископаемых можно будет сократить расходование других материалов.

Таким образом, исследование и применение наноматериалов в отрасли добычи решит сразу несколько проблем и облегчит человеческий труд.

Наноматериалы, применяемые в горной добыче нефти

Похожие статьи