Файл: Применение нанотехнологий в разработке месторождений.docx
Добавлен: 06.11.2023
Просмотров: 238
Скачиваний: 10
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Удмуртский государственный университет в г. Воткинске
Реферат на тему:
«ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ»
по дисциплине: «Нанотехнологии в нефтегазовом деле»
Воткинск 2023
Введение
Важнейшая задача нанотехнологии – конструирование, создание, синтез материалов и объектов с заранее заданными свойствами. Установление зависимости физико-химических свойств от размера наночастицы или количества атомов в ней одной из основных задач нанотехнологии. Следующий этап нанотехнологии – целенаправленное создание не материалов, а готовой продукции с принципиально новыми качественными характеристиками и назначением. В настоящее время нанотехнологии ставят перед собой следующие задачи: - исследование механизмов роста, особенностей структуры и свойств нано- и микрообъектов, например, декаэдрических и икосаэдрических металлических малых частиц - разработка технологии выращивания методом электроосаждения металла пентагональных нитевидных кристаллов, усов, микротрубок, специфических нанообъектов, обладающих осями симметрии пятого порядка, необычной структурой и уникальными физико-химическими характеристиками; - получение из пентагональных частиц и кристаллов готовых микроизделий: микротрубопроводов, композиционной микропроволоки, 10 кантилеверов, игольчатых кристаллов, частиц с развитой поверхностью, микроконтейнеров, компонентов микроэлектроники и сенсоров; - создание образцов инновационной продукции: нанокатализаторов технического и экологического назначения, адсорбентов, нанопористых функциональных материалов, нанофильтров, адсорбционнокаталитических фильтров, систем очистки газов и жидкостей от механических
, органических, токсических и бактериологических примесей; - разработка физико-химических основ технологий получений из нано- и микрообъектов принципиально новых функциональных материалов в виде: пленок, слоев, покрытий, порошков кристаллов и микрочастиц с развитой поверхностью Нанотехнология дает возможность детально изучать химические процессы на молекулярном уровне, процессы ионного обмена клетки с окружением, величину электрического тока в нервных волокнах и т.д. в первую очередь это относится к изучению химических процессов на поверхности и внутри живой клетки. В настоящее время нанотехнология - это весьма обширная область исследований, включающая в себя целый ряд направлений физики, химии, биологии, электроники, медицины и других наук. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни. Нанотехнологии являются очень перспективными, но пока не развитыми в полной мере. Нанотехноло́гия – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Нанотехнологии обычно делят на три направления: – изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов – создание наномашин, то есть механизмов и роботов размером с молекулу – непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них чего угодно. Часто употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии 11 от традиционных технологий и научных дисциплин. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона: – наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм). – нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм).
Нанотехнологии в разработке месторождений
В настоящее время если не позаботится о повышении коэффициента извлечения нефти (КИН) за счет современных технологий, то через 10-15 лет мы станем энергозависимой страной. Для повышения КИН за рубежом, в основном, применяются водогазовые технологии (на традиционных объектах, которые в России значительно обводнены), и термические технологии (на месторождениях с высоковязкими нефтями и битумами) - 45% из всех 350 проектов. Химические технологии составляют только 6%. В США реализуется более половины мировых проектов с примерно той же пропорцией по технологиям. Для 52 высоковязких нефтей тепловые технологии н3а Западе обеспечивают КИН на уровне 0,5-0,6, а водогазовые технологии для обычных нефтей - на уровне 0,6-0,7 (3, 4) Обновление технологий компанией Shell позволило уменьшить затраты на добычу нефти более чем в 2,5 раза и значительно увеличило добычу. При этом ряд месторождений России не разрабатывается из-за отсутствия (а чаще из-за не применения существующих) рентабельных технологий, позволивших бы перевести ресурсы в доказанные запасы и добывать нефть. Нанотехнологии возникли как практическое применение многих фундаментальных достижений науки, полученных за долгое время и только сейчас ставших основой промышленных производств, поскольку все природные материалы и системы построены из нанообъектов. Так, супрамолекулярная химия основана на фундаментальном принципе самоорганизации, то есть самопостроении систем без грубых силовых воздействий. При осуществлении самоорганизции конечная наноструктура вещества как бы запрограммирована формой и свойствами образующих структуру молекул, и системы с необходимой наноструктурой можно сформировать за счет тонких воздействий на макроскопические параметры системы, например, изменив состав системы. По сути, "нанотехнологический подход означает целенаправленное регулирование на молекулярном уровне свойств объектов, определяющих их фундаментальные параметры" Фактически именно так и происходит в нефтегазовых пластах, когда изменения в ионном составе водной фазы (одной части макросистемы "нефть - газ - вода - порода") изменяют удерживающие свойства породы (вмещающейй части макросистемы и газа (других частей макросистемы "нефть - газ- вода - порода"). Кроме непосредственно наноразмерных частиц нанообъектами являются поверхностные наноструктуры (ямки, выступы, канавки, стенки) и объемные наноструктуры (поры и капилляры). К объектам исследований
нанонауки относятся ультрадисперсные системы, в том числе глины, аэрозоли, мицеллярные коллоидные растворы, полимерные золи и гели, а также капиллярные явления. Эти объекты имеют первостепенное значение в процессах вытеснения нефти в пористых средах, и управление этими объектами весьма важно для повышения КИН. Поэтому нанотехнологические мероприятия увеличения нефтеотдачи (НТМУН) соответствует официальному пониманию термина "нанотехнологии". В балансе запасов нефти традиционные запасы составляют около 30%, с высоковязкими нефтями - 14%, в низкопроницаемых коллекторах (НПК) - 39%. Проблема традиционных запасов - высокая доля энергетических 53 затрат в добыче нефти (2% в 1950 г. и 50% в 2005 г.) за счет роста доли воды в добывающих скважинах, которая в целом по России превышает 83,5% из-за разработки таких месторождений заводнением. При добыче 480 млн тонн нефти в России с такой обводненностью вместе с нефтью поднимается более 2,5 млрд тонн воды. Снижение доли воды при добыче нефти за счет НТМУН только на 10% приведет к уменьшению отбора воды на 1 млрд тонн (и уменьшению энергозатрат), чему в отрасли уделяется мало внимания. Проблемы с извлечением нефти из НПК связаны с тем, что размеры пор в таких коллекторах малы и определяющую роль в них имеют капиллярные наноявления. Рекомендации на основе представлений о разработке хорошо проницаемых коллекторов (что, на взгляд автора, и имеет место) дают в НПК величины КИН на 0,15 - 0,20 меньше, чем можно было бы получить при правильном учете особенностей этих коллекторов и применении НТМУН. Большую роль в добыче нефти в скором времени станут играть наноколлекторы (т. е. НПК с размерами пор менее 100 нм). Для разработки потребуется технологии, учитывающие наноразмер порового пространства - НТМУН. Так, залежи нефти баженовской свиты, в которых еще не завершены процессы преобразования органического вещества (керогена) в подвижные углеводороды, имеют ресурсы углеводородов более 100 млрд тонн. Большая часть этих ресурсов сосредоточена в НПК со средним радиусом пор 10-30 нм. Нефтеотдача из них при традиционных способах - 3 -5%, что нерентабельно. Нефтеотдача при НТМУН может составить более 30%, а прирост российских извлекаемых запасов превысит 30 млрд тонн легкой нефти, что значительно больше ныне признанных российских извлекаемых запасов. Для разработки еще не открытых месторождений, содержащих десятки миллиардов тонн нефти, тоже потребуется НТМУН. В цене российской нефти себестоимость составляет около 25%. Тенденции на рисунке убеждают, что при цене нефти более 60 долл/барр. (себестоимость добычи - 15 долл/барр.) существует огромное поле НТМУН, обеспечивающих КИН более 0,4. КИН определяется не только технико-технологическими возможностями, но и экономической целесообразностью. Поэтому технологии снижения энергозатрат или
повышения выручки в тефтегазовом комплексе, приводящие к повышению экономически достижимого КИН, также являются НТМУН. Их применения позволяет снизить затраты на закачку воды при улучшении свойств призабойной зоны нагнетальной скважины, ликвидирвать парафиновые пробки, что ведет к снижению нагрузки на электро мотор штангового насоса, изменить свойства и структуру потока при 54 водонефтеподготовке, что ведет к снижению температуры этого процесса. В НТМУН используются гидрофобные наножидкости , нанореагенты, нанопорошки.Использование упрочняющих эффектов наноматериалов может позволить улучшить заколонный цемент при строительстве скважин. Большая роль нанотехнологий в экологии. Таким образом, основными направлениями применения НТМУН являются: увеличение КИН. снижение обводненности добываемой нефти. воздействие на глинистые минералы. регулирование смачиваемости пород. воздействие на наноколлекторы. снижение энергозатрат на закачку, подъем и подготовку нефти. регулирование состояния нанокластеров тяжелых углеводородов. упрочнение заколонного цемента при строительстве скважин. экологическое улучшение работы всего нефтегазового комплекса. На основе проведенных исследований было предложено следующее определение нефтяной науке. "Нефтяная наука, являясь частью наук о Земле и аккумулируюя геологию, гидродинамику, технику, химию, физику, математику, имеет свой специфический объект исследований - физико - химические наноявления в геологический телах, пластовых флюидах и промысловом оборудовании, охватывающий как сами наноявления, так и способы их учета при геолого - гидродинамических и технико - экономических расчетах разработки и эксплуатации нефтегазовых залежей". Изучение этих наноявлений позволит создать новые НТМУН. По мнению аналитиков североамериканского исследовательского агентства " LUX Research ", нанотехнологии - это не столько новая отрасль мировой экономики, сколько средство для модернизации других отраслей, и те, кто овладеет максимальным спектром нанотехнологий и их количеством, будут владеть миром. И главное в проблеме нанотехнологий - это движение мысли и развитие работ в наноразмерном направлении. Анализ промысловых данных свидетельствует о том, что при текущей обводненности отдельных скважин (94-96%) эксплуатация существующих технических средств на старых месторождениях становится нерентабельной. Дальнейшее применение традиционных технологий не только снижает конкурентоспособность