Перспективные нефтегазовые нанотехнологии для разработки месторождений

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ  ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И  ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ  БЕДСТВИЙ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«УРАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ  ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ»

 

Кафедра пожарной безопасности технологических процессов

 

Реферат

Перспективные нефтегазовые нанотехнологии для разработки месторождений

 

Выполнил:

курсант 145 учебной группы

рядовой внутренней службы

Амантаев А. С.

 

Руководитель:

преподаватель кафедры лейтенант внутренней службы Халимов Е. В..

 

 

Екатеринбург 2012

И. Н. Евдокимов, Н. Ю. Елисеев, А. П. Лосев, М. А. Новиков,

Российский  Государственный Университет Нефти  и Газа им. И. М. Губкина Резюме

В работе изложены результаты экспериментальных исследований и анализа опубликованных данных, проведенных с целью модификации  технологий нефтегазового производства путем учета молекулярных процессов  в наноколлоидах природных углеводородных сред.

Нами установлено, что при осуществлении традиционных технологий, эксплуатационные характеристики нефтегазовых сред (вязкость, плотность, теплоемкость, температура застывания и т.п.) могут ухудшаться в результате не контролируемых в настоящее время микроструктурных фазовых переходов в наноколлоидах, формируемых высокомолекулярными компонентами. В частности, по результатам экспериментов нами получена фазовая диаграмма наноколлоидов нефти, на которой показаны критические области, неблагоприятные для промышленных процессов нефтегазового производства. Например, жидкие углеводородные среды могут практически полностью терять текучесть после кратковременного прогрева при температурах, соответствующих температурной фазовой границе 28-3 5°С; природные нефти различного географического происхождения имеют значительно большую, по сравнению со средними значениями, плотность и вязкость, если по содержанию асфальтенов они попадают на концентрационные фазовые границы. Обнаружение концентрационных фазовых границ поможет решить проблемы, связанные с совместимостью различных нефтей при смешивании их в процессах хранения и транспортировки. Показано, что, в отличие от существующих представлений, свойства нефтегазовых наноколлоидов (эксплуатационные характеристики углеводородного сырья) не полностью определяются значениями технологических параметров в момент осуществления конкретной производственной операции. Значительную (а в ряде случаев, определяющую) роль играют детали предшествующей долговременной истории эксплуатации месторождения.

Сделан  вывод, что «нанотехнологии» для добычи нефти должны проектироваться и осуществляться с учетом и пониманием комплексных фазовых диаграмм наноколлоидов в нефтегазовых средах. Такие технологии должны включать производственные процессы и технологические параметры сознательно отобранные для того, чтобы избежать осуществления (либо усилить проявление) критических фазовых превращений в системе наноколлоидов. Мы предполагаем, что в результате удастся заметно улучшить (или, по крайней мере, не ухудшить) многие эксплуатационные свойства углеводородного сырья. В связи с возможностями непосредственного практического внедрения, следует отметить, что обсуждаемые фазовые диаграммы содержит лишь «наиболее явные» фазовые границы для наноколлоидов, основаны на нашим текущих знаниях о структурных переходах в нефти и требуют уточнения путем дальнейших исследований.

Введение

Нанотехнология вошла в нефтегазовую промышленность не так давно, но многие ее приложения уже стали неотъемлемой частью многих, казалось бы, традиционных технологических процессов. Например, использование наноструктурированных цеолитов позволило на 40% повысить выход бензиновых фракций по сравнению с применением обычных катализаторов.^1,2 В области разработки месторождений и бурения известны лишь исключительные примеры использования нанотехнологий, например, использование оборудования, изготовленного из нового поколения наноматериалов.^3,4 Буровые долота, трубы нефтяного сортамента, элементы оборудования промыслов должны противостоять колоссальным нагрузкам, поэтому потребность нефтегазовой промышленности в прочных и долговечных материалах крайне высока. Применение материалов с заданной наноструктурой позволяет делать более легкое, долговечное и прочное оборудование. Нанотехнология может также помочь в разработке новых методов измерений. Крошечные по размерам датчики можно разместить на любом оборудовании, в том числе и подземном. Тем самым, можно резко повысить количество и качество информации о продуктивном пласте.^3,4 Наиболее известная область применения нанотехнологии в нефтегазовой промышленности - это создание так называемых «умных» технологических жидкостей, или жидкостей с запрограммированными свойствами. Они находят применение в процессах интенсификации добычи, повышения нефтеотдачи пласта и при бурении

4 7

скважин. " К таким жидкостям  относятся растворы ПАВ и полимеров, микроэмульсии, гели, а также бижидкостные пены (афроны). Еще одна развивающаяся область промышленности занимается исследованием и применением «: наножидкостей».^6,7 Наножидкости - это технологические растворы с добавлением небольшого количества нанофракции твердых частиц для улучшения тех или иных свойств. Наножидкости можно создавать таким образом, чтобы они были совместимы с флюидами и горными породами продуктивного пласта и в то же время не представляли опасности для окружающей среды. Некоторые из них уже находят применение и в скором времени они позволят решить ряд острых проблем, возникающих при бурении, заканчивании и эксплуатации скважин. Среди них снижение трения труб о стенки скважины, укрепление слабых песчаных пластов, борьба с гелеобразованием, изменение смачиваемости горных пород и борьба с коррозией.^6,7 В настоящее время термин «наножидкость», главным образом, используют для описания суспензий (коллоидных систем с твердой дисперсной фазой), однако намечается тенденция к расширению понятия, то есть дисперсной фазой в наножидкостях могут быть наночастицы любой природы.⁸ Далее в статье мы будем использовать в своем последнем, более общем значении.

В настоящей статье мы обсудим  наименее изученную область применения нанотехнологий - нефтегазовые нанотехнологии непосредственно для самого нефтегазового сырья. Обсуждение вопроса подкреплено результатами наших экспериментов, опубликованными данными других исследователей и анализом баз данных свойств нефтей из различных частей мира. Результаты обсуждения позволили сделать вывод о том, что сырые нефти представляют собой так называемые «ассоциативные наножидкости». В связи с этим, мы считаем, что многие традиционные технологии разработки месторождений подлежат пересмотру и должны проектироваться с учетом комплексных фазовых диаграмм находящихся в нефти наноколлоидов, формируемых, в основном, асфальтенами. Проектирование разработки месторождений с учетом фазовых превращений наноколлоидов позволит получить продукцию с лучшими свойствами, или, по крайней мере, не нарушить тонкую внутреннюю организацию природных нефтей (такой подход можно было бы назвать «наноэкологией нефти»).

Мы  начали основную часть статьи с необходимых  объяснений некоторых понятий о  нанотехнологии и о коллоидах нефти, которые часто неверно толкуют или используют неправильно.

Почему  нефтяники с сомнением относятся  к нанотехнологии? Что такое нанотехнология?

Как и любую  другую науку, нанотехнологию окружает большое число мифов. Некоторые из них, существующие и по сей день, получили распространение после выхода на экраны фантастического триллера Айзика Азимова «Фантастическое путешествие» в 1966 году. В фильме одна за другой сменяются красочные картины захватывающих приключений команды миниатюрной (наноразмерной) подводной лодки, которую ввели в кровь больного ученого для того, чтобы разрушить тромб в одном из сосудов его головного мозга. Кроме того, в 1986 году Эрик Дрекслер в своей книге «Машины создания или грядущая эра нанотехнологии»⁹ выдвинул научную идею о создании и использовании программируемых механизмов или машин, имеющих наноразмеры. Такие механизмы получили название «наноботы» - машины по сборке из отдельных атомов и молекул различных объектов, предварительно заданных человеком. На рис. 1 показан нанобот, каким его представил себе художник (рисунок с сайта http://www.thelensflare.com/gallery/ p nanobot 223.php).

Рис. 1. Механический наноробот (молекулярный ассемблер) для силовой сборки молекул.

 

Мы  уверены, что нефтегазовые нанотехнологии имеют мало общего с наноботами - сборщиками молекул. Однако существует и другая точка зрения. На популярном сайте Интернета Wired.com в одной из статей утверждается, что нанороботы будут патрулировать поры и каналы нефтяных и газовых пластов, следить за потоками углеводородов и решать, как улучшить отдачу пласта. Находящиеся в разных частях пласта нанороботы будут обмениваться информацией. Они будут управлять друг другом и решать, в каких зонах нужно усилить отбор нефти, а в каких форсировать заводнение. Более того, концепцию нанороботов отстаивают ряд авторов и на последних конференциях нефтегазового профиля.^10,11

К сожалению, в  настоящее время не существует общепринятой четкой границы, с помощью которой  можно было бы отделить истинно нанотехнологию от близких дисциплин атомной и молекулярной науки. Королевское общество инженеров Великобритании дало следующие определения:¹² «Нанонаука изучает явления и превращения, происходящие с материалами на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровнях, когда их свойства значительно отличаются от макроскопических свойств». «Нанотехнологии - это проектирование, описание, производство и использование структур, средств и систем с помощью управления формой и размерами объектов на наноуровне (в наномасштабе)».

Примечательно, что эти определения не указывают ни на какие специфические методы или средства (например, такие как нанороботы). Дело в том, что на самом деле существуют две четко отличающиеся друг от друга области нанотехнологии. В большинстве случаев термин «нанотехнология» используют для обозначения «молекулярных нанотехнологий» (МНТ), основанных на силовых механомолекулярных подходах. Механомолекулярный подход заключается в использовании управляемых внешних силовых воздействий с помощью специальных приборов и систем - сканирующих микроскопов (сканирующий туннельный микроскоп, атомный силовой микроскоп), или наноботов Дрекслера. Как видно из приведенных во введении примеров, эта область нанотехнологии, по крайней мере, в ближайшем будущем не будет представлять серьезный интерес для специалистов нефтегазовой промышленности.

Другая область нанотехнологии - это супрамолекулярная химия, основанная на фундаментальном принципе самоорганизации, то есть самопостроении систем без грубых силовых воздействий. При осуществлении самоорганизации конечная наноструктура вещества как бы запрограммирована формой и свойствами образующих структуру молекул. Таким образом, системы с необходимой наноструктурой можно сформировать за счет тонких воздействий на макроскопические параметры системы, например, изменив состав системы, как показано на рис. 2 (из книги 13).

Рис. 2 Самоорганизующиеся молекулярные наноструктуры.

 

Следует добавить, что фазовые  изменения наноколлоидов могут обусловить значительные изменения макроскопических свойств системы. Молекулы, способные к самоорганизации, существуют в различных системах. В нефтях же большинство самоорганизующихся молекул входят в состав фракции

асфальтенов, которую выделяют по признаку растворимости.^14-17

Коллоидные суспензии  и ассоциативные наноколлоиды в нефти

Специалисты-нефтяники  могут возразить, что важность изучения свойств коллоидов природных  нефтей (как на микро, так и на нано уровнях) уже далеко не новость. Действительно, это осознали уже несколько десятилетий назад, впервые по отношению к природным битумам.^18,19 В ходе дальнейших исследований выяснилось, что любая нефть представляет собой коллоидную систему, в которой коллоидная фаза представлена, в основном, асфальтенами. С тех пор особенности строения и свойств коллоидных асфальтенов стали объектами изучения многих исследователей. Среди большого числа работ по данной тематике можно выделить две важные вехи. Это книга с материалами Международного симпозиума по изучению коллоидов нефти²⁰ и книга на русском языке о нефтяных дисперсных системах.²¹

Однако ни ранние, ни современные  модели коллоидов асфальтенов в нефти не учитывают возможность самоассоциации асфальтенов в большое число четко различающихся (нано)коллоидных структур по богато структурированной фазовой диаграмме.

В большинстве моделей (см. статью 22 и содержащиеся в ней  ссылки на другие работы) асфальтены определяют как твердые квазисферические коллоидные частички диаметром 2-10 нм. При определенных условиях они могут коагулировать/флоккулировать (по механизмам агрегации, ограниченным диффузией или реакцией) образуя все более крупные ассоциаты, вплоть до потери седиментационной устойчивости и выпадения в осадок. Очевидно, в таких моделях агрегирования нет места для сколь-нибудь сложных фазовых диаграмм. Единственная «критическая граница», не описывает никакие фазовые превращения, а характеризует лишь потерю седиментационной устойчивости системы.

Лишь ещё одна критическая  линия появляется в тех моделях, где коллоидные частицы асфальтенов не изначально присутствуют в нефти, а формируются из молекулярного раствора при определенных критических условиях. На протяжении долгого времени такое превращение ошибочно отождествляли с процессом «мицеллообразования» простых поверхностно-активных веществ. «Критическую концентрацию мицеллообразования» («ККМ») асфальтенов

23

определяли многие исследователи, но в настоящее время  выяснено, что за структурные трансформации (нано)коллоидов асфальтенов в этих областях концентраций должны отвечать другие процессы, отличные от классического механизма мицеллообразования.²⁴

По-видимому, до сих пор  никто серьезно не задумывался о  том, что приписанные асфальтенам свойства мицеллярных коллоидов относили их к новому классу дисперсных систем. А именно, дисперсные системы, состоящие из диспергированных в жидкой фазе твердых частиц, являются «коллоидными суспензиями»²⁵, тогда как системы, в которых дисперсная фаза формируется по обратимому процессу мицеллообразования, представляют собой

25

«ассоциативные коллоиды». Ассоциативные, или «мицеллярные» коллоиды, как правило, имеют богатое фазовое разнообразие: от простейших изотропных

«мицеллярных» фаз до сложноорганизованных супрамолекулярных

26

наноструктур.

В качестве примера, на рис. 3 показана комплексная фазовая диаграмма  в координатах температура-концентрация (Т-С) для неионогенного ПАВ - монододецилового эфира пентаэтиленгликоля (С₁₂Е₅) в воде.²⁷ Отметим, что на фазовой диаграмме появляются замкнутые фазовые области (замкнутые контуры), соответствующие осуществлению так называемых возвратных фазовых переходов.²⁸ Для дальнейшего обсуждения важно, что замкнутые контуры на фазовой диаграмме свидетельствуют о наличии в системе полиморфизма;²⁹ образование этих областей на фазовой диаграмме происходит с участием перехода расслаивания (фазовый переход второго рода), что характерно для наличия в ассоциатах направленных нековалентных (например, водородных) связей.³⁰