Следующий фонтан нефти находится в наномасштабе

В прошлом году в мире потреблялось почти 97 миллионов баррелей нефти в день. Что, если бы я сказал вам, что в тех же колодцах осталось еще много бочек? Глубоко внутри породы 60 и более процентов нефти коллектора остается в капиллярах, ширина которых иногда составляет всего от десятков до сотен нанометров (для сравнения:ДНК имеет ширину 2,5 нанометра). Из-за пористой природы песчаника и сланца нефть может оседать в осадочных породах. Но по-настоящему понять, как удалить масло из этих капилляров, было невозможно - до сих пор.

Моя группа промышленных технологий и науки из Рио-де-Жанейро опубликовала исследование в Scientific Reports , Энергия адсорбции как показатель смачиваемости на наноуровне, объясняющая, как свойства молекул жидкого масла ведут себя совершенно по-разному и неожиданным образом при контакте с твердым телом на наноуровне. Все, что известно в отрасли о том, как добывать нефть, например расчет энергии, необходимой для добычи, в наномасштабе отличается.

Моделирование и измерение необычной смачиваемости

Аттолитеры (10 ^-18 ) капля жидкости перестает выглядеть так, как мы себе представляем:сферической или каплевидной формы. Вместо этого наше исследование показало, что в конечном итоге наноразмерная капля масла больше похожа на плоскую пленку на твердой поверхности. Оказалось, что эта увеличенная площадь поверхности представляет собой гораздо большее «смачивание», чем это учитывалось при типичных макроскопических измерениях. И эти плоские нанокапли не только имели большее покрытие поверхности, чем считалось ранее, но и стандартные инструменты и методы моделирования не учитывали повышенную энергию, необходимую для извлечения этих молекул масла.

Рисунок 3. Энергия адсорбции капель:занижена в наномасштабе. (а) Сравнение реальной поверхности с идеализированной сферической крышкой, соответствующей тем же данным. (б) Разница между энергией адсорбции на реальной поверхности и в приближении сферической шапки. Отрицательные различия указывают на то, что установленная сферическая крышка занижает энергию адсорбции, так же как и площадь контакта. Для объемов более 106 нм3 сферическая подгонка крышки обеспечивает надежную оценку энергии адсорбции α. ( Примечания: Сокращения на рис. 3b:AFM-Atomic Force Microscope Measurement, AAMD-All Atom Molecular Dynamics Simulation, CGMD-Course Grain Molecular Dynamics Simulation. Изображение взято из Scientific Reports ’ «Энергия адсорбции как показатель смачиваемости в наномасштабе»)

Обнаружение изменения формы на наноуровне привело нас к разработке моделирования потока нефти, которое могло лучше прогнозировать извлечение нефти из коллектора.

Однако IBM не является нефтегазовой компанией. У нас нет всех данных о материалах, керновых пробках и конкретных коллекторах, которые нефтяная компания могла бы рассматривать в своих основных данных. Итак, чтобы построить вычислительное представление коллектора в наномасштабе (видео ниже), мы взяли данные о характеристиках горных пород из общедоступных репозиториев, таких как Rock Physics Network ETH Zurich. Затем, основываясь на «шаблоне резервуара», созданном на основе геометрических данных, мы теперь можем применить науку о смачивании и потоке в наномасштабе, чего раньше не было.

Затем мы показали этот новый шаблон нефтегазовым компаниям, чтобы продемонстрировать, как наше моделирование нанопотоков учитывает свойства нефти, захваченной в капиллярах их скважин. И хотя моделирование не предлагает, как извлечь всю захваченную нефть, оно предлагает различные методы и материалы для изучения, которые могут помочь извлечь примерно на 1 процент больше. В Бразилии, где ежедневно перекачивается 2,4 миллиона баррелей нефти, увеличение добычи на 1 процент приведет к увеличению дневной нормы на 24 000 баррелей и на 8,8 миллиона баррелей ежегодно.

От моделирования потока до чипов для фильтрации масла

Наше открытие смачиваемости является важным шагом, помогающим нефтегазовым компаниям извлекать больше, чем в среднем по отрасли, 40 процентов нефти, удерживаемой в их коллекторах. Следующим шагом будет изучение потока масла в нанокапиллярах. С этой целью мы разработали интегрированную платформу для микросхем, которая позволяет нам экспериментально проверять и откалибровать поток в наномасштабе для создания более точного моделирования потока (прочтите наш доклад, представленный на выставке и конференции Rio Oil &Gas 2016:многомасштабная наука обеспечивает высокоточное моделирование Повышение нефтеотдачи).

Для этого нам нужно увеличить масштаб:во-первых, нам нужно физическое измерение капиллярной сети с помощью сканирующего электронного микроскопа или рентгеновской компьютерной томографии. Затем, используя данные поровой сети, мы используем экспериментально откалиброванное моделирование потока, чтобы определить, какое давление необходимо для перекачки воды, включая специальные химические вещества, специально разработанные для отделения нефти от породы через наноразмерную поровую сеть - и, в конечном итоге, вытеснить нефть. (на который у нас есть патент:Метод и интегрированное устройство для анализа потока жидкости и взаимодействия на границе раздела жидкость-твердое тело).

Сегодня отрасль полагается на неполные физические модели для прогнозирования нефтеотдачи скважин. И это может значительно повысить рентабельность инвестиций за счет более точных прогнозов нефтеотдачи. Наше исследование предлагает способ улучшить модели прогнозирования для лучшего учета нефти в наномасштабе, что особенно важно в нетрадиционных коллекторах. Теперь учет наномасштаба может означать еще один процент добычи нефти. И, в конечном итоге, с более совершенной технологией моделирования и функциональными материалами, возможно, мы сможем приблизиться к извлечению и оставшихся 59 процентов.

Узнайте больше о работе, которую мы делаем в нашей новой лаборатории NanoLab в Рио, здесь.