Раскрытие скрытых нефтяных запасов: как нанонаука ведет к новому буму

Прошлый год мир потребил почти 97 миллионов баррелей нефти в день. Однако значительная часть этого запаса остается запертой в тех же скважинах — до 60% нефти пласта может быть застрявшей в капиллярах шириной всего десятки-сотни нанометров (для контекста, ДНК 2.5 нм поперек). Пористая природа песчаника и сланца позволяет нефти просачиваться в эти микроскопические поры, но ее извлечение долго было техническим вызовом — доныне.

Наша команда промышленных технологий и науки в Рио-де-Жанейро опубликовала пивотную статью в Scientific Reports под названием «Adsorption Energy as a Metric for Wettability at the Nanoscale». Исследование демонстрирует, что нефтяные молекулы ведут себя неожиданно, когда конфинированы на твердой поверхности в наноскале, фундаментально изменяя энергетические расчеты, используемые для драйвинга извлечения.

Симуляция и измерение странностей смачиваемости

На аттолитровом масштабе (10^-18 Л) капля больше не появляется сферической или слезобразной. Вместо этого наши эксперименты раскрыли, что нефтяная капля сплющивается против твердого тела, создавая гораздо большую площадь контакта, чем предполагалось ранее. Это увеличенная смачиваемая поверхность требует более высокой энергии для извлечения — фактор, который традиционные макроскопические модели упускают.

Рисунок 3. Энергия адсорбции капли: недооценена на наноскале. (a) Сравнение реальной поверхности с идеализированным сферическим капом, подогнанным к тем же данным. (b) Разница между энергией адсорбции для реальной поверхности и сферического кап-приближения. Отрицательные различия указывают, что подогнанный сферический кап недооценивает энергию адсорбции, так же как недооценивает площадь контакта. Для объемов больше 10⁶ нм³ сферический кап дает надежную оценку энергии адсорбции α. Примечания: Рисунок 3b акронимы: AFM–Атомно-Силовое Микроскопическое Измерение, AAMD–All Atom Molecular Dynamics Simulation, CGMD–Course Grain Molecular Dynamics Simulation. Изображение воспроизведено из Scientific Reports «Adsorption energy as a metric for wettability at the nanoscale».

Признание этого наноскального изменения формы позволило нам разработать более точные симуляции нефтяного потока, предсказывающие, как запертая нефть может быть мобилизована из пластов.

Пока IBM не является нефтегазовой компанией, мы использовали публично доступные данные характеристик горных пород (например, Rock Physics Network ETH Zurich) для построения реалистичной наноскальной модели пласта. Этот фреймворк интегрирует новооткрытое смачиваемое поведение в симуляции потока — подход, ранее недостижимый.

Мы представили эту модель нефтегазовым партнерам, иллюстрируя, как наноскальная динамика потока может информировать новые стратегии извлечения. Хотя симуляция не гарантирует полное восстановление, она предполагает, что адаптированные материалы и техники могли бы разблокировать дополнительные 1% запертой нефти. В Бразилии — где ежедневно добывается 2.4 миллиона баррелей — 1% буст переводится в 24,000 дополнительных баррелей в день, или примерно 8.8 миллионов баррелей ежегодно.

От симуляций потока к нефте-фильтрующим чипам

Наш прорыв в смачиваемости — критичный шаг к преодолению отраслевой средней скорости восстановления 40%. Следующая веха — изучение нефтяного потока в нано-капиллярах. К этому концу мы спроектировали интегрированную чип-платформу, позволяющую экспериментальную валидацию и калибровку наноскальных моделей потока. Детали были представлены на 2016 Rio Oil & Gas Expo & Conference в статье «Multiscale Science Enables High‑Accuracy Simulations Of Enhanced Oil Recovery».

Рабочий процесс начинается с физической карты капиллярной сети, полученной через сканирующую электронную микроскопию или рентгеновскую компьютерную томографию. Эта данные кормят экспериментально калиброванную симуляцию потока, определяющую давление, необходимое для драйвинга воды — потенциально усиленной спецхимикатами — для вытеснения нефти из горной породы. Наша запатентованная технология, «Method and Integrated Device for Analyzing Liquid Flow and Liquid‑Solid Interface Interaction», лежит в основе этого подхода.

Текущие отраслевые модели полагаются на неполные физические представления, ограничивая предсказания восстановления. Включая наноскальную динамику, мы можем уточнить эти модели, потенциально добавляя еще 1% выхода. В комбинации с передовыми инструментами симуляции и функциональными материалами, это может приблизить нас к восстановлению оставшихся 59% запертой нефти.

Узнайте больше о нашей работе в новом NanoLab в Рио: https://www.ibm.com/research/labs/rio-nanolab.