Ярославцев Р.Е. Направления развития нефтегазовой наноиндустрии.. Направления развития нефтегазовой наноинустрии

• Название: Направления развития нефтегазовой наноинустрии
• Дата: 27.10.2021
• Размер: 74.13 Kb.
• Имя файла: Ярославцев Р.Е. Направления развития нефтегазовой наноиндустрии..docx
• Тип: Реферат; #257319

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет»

Институт нефти и газа им. М. С. Гуцериева

Кафедра разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений

Реферат

По дисциплине «Нанотехнологии в нефтегазовом деле»

На тему «Направления развития нефтегазовой наноинустрии»

Работу выполнил

Студент группы ОПБ-21.03.01-41 Ярославцев Р.Е.

Проверил

Д.т.н., профессор Хавкин А.Я.

Ижевск

2021 г.

Оглавление

Введение. 3

Направления развития нефтегазовой наноиндустрии. 4

Заключение 12

Список литературы 13

Введение.

Коэффициент извлечения нефти (КИН) для технологий разработки нефтяного месторождения это то же самое, что коэффициент полезного действия для машин. Чем КИН ближе к 1, тем процесс эффективнее. КИН зависит от геолого-физических условий залегания нефти и определяется технико-технологическими и экономическими возможностями ее добычи.

В России КИН составляет 0,3-0,35. В США и Канаде – 0,4. В перспективе, согласно материалам Лондонского форума по нефтеотдаче, применение уже освоенных современных технологий позволит увеличить к 2020г. величину среднего проектного КИН в мире до 0,5. Однако и эта величина значительно меньше теоретически возможных значений КИН.

Потенциал методов извлечения нефти примерно таков: на естественном режиме истощения пластовой энергии достигается КИН при недонасыщенной газом нефти менее 0,1, при разгазировании нефти 0,05-0,25, в залежах с газовой шапкой 0,1-0,4 (в среднем на естественном режиме – 0,25), на вторичном режиме поддержания пластового давления водой (заводнение) – достигается КИН 0,25-0,40, а применение МУН (газовых, химических тепловых) позволяет достигать КИН 0,3-0,7. Увеличение КИН необходимо в связи с малым значением обеспеченности мира запасами нефти – обеспеченность равна всего 50 годам. Но нефть нужна не только как топливо, а как основа нефтехимии, и поэтому полной ее замены найти невозможно.

Направления развития нефтегазовой наноиндустрии.

Чтобы обеспечить с помощью геологоразведки новые запасы нефти требуется 8-10 лет. А чтобы перевести перспективные российские ресурсы нефти на открытых месторождениях со сложными геолого-физическими условиями ее залегания в доказанные запасы за счет совершенствования НТМУН потребуется 2-3 года. Зависимости на рис. 1 показывают возможные диапазоны изменения КИН и стоимости добычи, которые реализуются в зависимости от геолого-физических условий объектов. Так на ряде объектах, при любых затратах, достичь КИН при заводнении более 0,25 не удастся



Рис1. . Себестоимость добычи нефти (С) в зависимости от достигаемого КИН при различных технологиях: заводнение (1), закачка полимерных растворов (2), тепловые методы (3), закачка СО2 (4), применение поверхностно-активных веществ (5).

Проблемы с извлечением нефти из низкопроницаемых коллекторов связаны с тем, что размеры пор в таких коллекторах малы и в них начинают играть значимую роль пограничные явления, которыми в хорошо проницаемых коллекторах пренебрегают.

Значение КИН при традиционном заводнении, рассчитанные без учета наноявлений на основе представлений о разработке хорошо проницаемых коллекторов, дадут в низкопроницаемых коллекторах величины КИН на 0,15-0,20 меньше. Применение технологий регулирования этими наноявлениями позволит обеспечить значительно большее значение КИН.

Тенденции на рис. 1 убеждают, что при цене нефти более 60 долл/баррель (себестоимость более 15 долл/баррель) уже существует огромное поле НТМУН, обеспечивающих КИН более 0,4. Реально достигаемый КИН западными странами (0,5-0,65) – ориентир для аналогичных месторождений в России.

В низкопроницаемых коллекторах КИН в значительной степени зависит от чистоты закачиваемой воды. Дисперсные агрегаты размером до 200 нм в закачиваемой воде при проницаемости 0,1 мкм 2 позволят обеспечить КИН на уровне 0,4, уменьшив КИН только на 10% относительно потенциально возможного его значения (без каких-либо частиц в закачиваемой воде). Однако при проницаемости 0,05 мкм 2 и при том же размере дисперсных агрегатов значение КИН близко к нулю, что означает невозможность в этом случае извлечь нефть заводнением из низкопроницаемого коллектора. Достичь приемлемых КИН из низкопроницаемого коллектора можно только при очистке закачиваемой воды от содержащихся в ней частиц вплоть до 100 нм. Нанофильтры сейчас используются в медицине и биологии, но пропускная их способность невелика. Для нефтегазовой промышленности требуются нанофильтры большой пропускной способности. Создание таких фильтров обеспечит извлечение десятков миллиардов тонн нефти.

Не отрицая необходимости активизации геолого-разведочных работ (ГРР), анализ экономической эффективности применения НТМУН показывает, что их применение в освоенных районах может быть значительно дешевле (диапазон себестоимости 4-9 долл. США/баррель), чем применение традиционных технологий в новых районах. Но новые месторождения еще надо найти и обустроить (8-10 лет), а применить НТМУН в освоенных районах можно за счет инновационного подхода, не требующего капитальных вложений уровня ГРР и бурения новых эксплуатационных скважин.

Большую роль в добыче нефти в скором времени станут играть наноколлектора (т.е. коллекторы с размерами пор менее 100 нм), и для их разработки потребуются технологии, учитывающие наноразмер порового пространства. Так, залежи нефти баженовской свиты Западной Сибири, в которых еще не завершены процессы преобразования органического вещества (керогена) в подвижные углеводороды, имеют геологические ресурсы углеводородов более 100 млрд. тонн. Основная часть углеводородов сосредоточена в коллекторе со средним радиусом пор 8-25 нм. КИН при традиционных способах – 0,03-0,05, что нерентабельно. КИН при НТМУН может составить более 0,3. В этом случае потенциал прироста извлекаемых запасов нефти превысит 30 млрд. тонн.

Другой пример наноколлектора – уголь. В недрах угольных бассейнов сосредоточены значительные ресурсы спутника угля – метана, соизмеримые с ресурсами газа традиционных месторождений мира. Поэтому угольные бассейны следует рассматривать как метаноугольные, подлежащие комплексному поэтапному освоению, с опережающей широкомасштабной добычей метана (в том числе для безопасной добычи угля). В угле мало пор диаметром 10-100 нм, а много пор диаметром менее 10 нм. Поэтому уголь является наноколлектором природного газа, и борьба с выбросами природного газа и его добыча должны ориентироваться на работу с наноразмерными порами: закачка реагентов для смачивания угля, если не учитывать наноразмер пор при выборе химреагентов, пройдет только по трещинам и открытым порам. Возможно поэтому и происходят катастрофы на угольных шахтах.

Внедрение уже запатентованных НТМУН может обеспечить увеличение КИН до 0,45- 0,50 (в 1,5-1,7 раза больше, чем ныне достигаемые 0,30-0,35), а их развитие – до 0,60-0,65. При этом КИН для традиционных запасов увеличиться на 0,20-0,25 до 0,60-0,70, для трудноизвлекаемых запасов – увеличение КИН в России составит 0,25-0,35 до 0,45-0,55.

Запасы газа в месторождениях газогидратов, превышающие ранее найденные запасы углеводородов, также невозможно освоить без регулирования свойств газогидратов на ионном уровне. Более того, применение нанотехнологий позволит торговать природным газом в газогидратном состоянии при экспорте газа и возможности обеспечить газом отдаленные поселения. Фактически речь идет о создании газогидратной отрасли ТЭК. Кроме того, применение нанотехнологий позволит утилизировать попутный нефтяной газ и низконапорный природный.

Использование наноразмерных частиц для стабилизации гидрофобной эмульсии позволило создать гидрофобную технологическую жидкость с низким содержанием углеводородного компонента – эффективное и экономичное средство снижения потерь производительности нефтяных и газовых скважин при технологических операциях в скважинах. Стабилизация гидрофобных эмульсий, обеспечивающих требуемую плотность и одновременно предотвращающих уменьшение проницаемости призабойной зоны, достигается за счет добавления дисперсной твердой фазы с размерами частиц не более 100 нм, что говорит о принадлежности этой технологии к нанотехнологиям.

Огромное значение для рациональной разработки недр имеют нанотехнологии в вопросах охраны окружающей среды и нефтепереработки. Так, учет наноразмерных кластеров нефти при нефтепереработке позволил увеличить выход легких фракций на 3% , что увеличит доходы от реализации нефтепродуктов, снизит величину рентабельного дебита по нефти на месторождениях и, в итоге, повысит КИН.

Цеолиты с размерами пор в трехмерном пространстве менее 1 мм служат для очистки нефти и нефтепродуктов. Использование наноструктурированных цеолитов позволило бы на 40 % повысить выход бензиновых фракций по сравнению с применением обычных катализаторов.

В Процессе работы технологического оборудования происходит накопление отработанных масс, утилизация которых в настоящее время осуществляется сжиганием. Отходящие при этом газы содержат сажу, оксиды углерода, азота, серы, мех. Примеси. Снижение уровня вредных веществ в отходящих газах путем варьирования режимов сжигания и установка фильтров не дает необходимого эффекта. А введение непосредственно в топочное устройство вместе с топливом микроскопических количеств каталитически активных нанопорошков простых и сложных оксидов переходных и редкоземельных металлов позволяет обеспечить эффективное дожигание сажи благодаря высокой удельной поверхности нанопорошков.

Весьма интересны приложения биотехнологий в нефтегазовом комплексе, от воздействия на пласт до очищения поверхности почв от нефтяных загрязнений.

Нанотехнологии могут использоваться, чтобы улучшить процесс бурения и разделения нефти и газа в пласте, для снижения веса буровых платформ и контроля за работой оборудования, уменьшения коррозии оборудования при высоких давлениях и температурах. Нанотехнологии позволят улучшить эксплуатационные характеристики промыслового оборудования и технологических жидкостей, а для оптимизации использования нанотехнологий в нефтегазовом комплексе необходим мониторинг разработок в области наноиндустрии.

В области бурения известны примеры изготовления оборудования из нового поколения наноматериалов. Буровые долота, трубы нефтяного сортамента, элементы оборудования промыслов (в том числе арктического) 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.

Для предотвращения солеотложений в трубах при эксплуатации нефтяных скважин могут быть использованы магнитные устройства, которые показали свою эффективность, и механизм действия которых основан на наноразмерных явлениях.

Добавки наночастиц позволяют модифицировать поверхности пород, что приведет к повышению нефтеизвлечения.

Энергетические корпорации уже находятся на пути к внедрению нанотехнологий. Правда, пока только на пути к внедрению нанотехнологий для добычи нефти, а не в добыче нефти. Так, в 2007г. в качестве направлений применения нанотехнологий в добыче нефти указываются только бурение и нефтеппромысловое оборудование. Фактически рассматриваются только направления применения наноматериалов для обработки поверхностей оборудования. При этом указывается, что нанотехнологии имеют применение и при транспорте нефтепродуктов, и при их переработке, и при геологической разведке недр(наноэлектроника).

В число нанотехнологий, возможных к применению в нефтегазовой промышленности, относятся следующие технологии:

• 
  для геологической разведки месторождении: сверхчувствительные НЭМС-сенсоры, радиоантенны на основе нанотрубок, чувствительные экспресс-анализаторы;
  
• 
  для добычи нефти и газа: элементы бурового оборудования, насосов компрессоров и др. (алмазоидные, сверхтвердые и износостойкие материалы и композиты, армированные наночастицами материалы, герметики с использованием наночастиц, самоочищающиеся покрытия, антифрикционные добавки), а также технологии восстановления элементов механизмов с применением наночастиц
  
• 
  для транспортировки: сверхтонкие защитные пленки, НЭМС- сенсоры условий хранения, самовосстанавливающиеся материалы, сверхлегкие и композитные материалы;
  
• 
  для переработки нефти: биометика наночастицы в качестве присадок, нанопорошки, самосборка полимеризацией, синтез полимеров с изначально заданными свойствами;
  
• 
  для мониторинга процессов: НЭМС-датчики утечек, точные расходоме- ры, системы экологического контроля, газовые наносенсоры, лаборатории- анализаторы на чипах и нанотрубках, наносенсоры.
  

В нефтегазовой промышленности на первое место выходит нанокатализ (нанокомпоненты позволят обрабатывать сырье намного более эффективно) и использование наноматериалов (отрасль получит ряд датчиков и самовосстанавливающихся материалов, способных защищать окружающее пространство от утечек углеводородов).

Компания Chevron в своем дочернем предприятии Моlecular Diamond Тechnologies coвместно с учеными Стенфордского университета разработали технологию и приступили к освоению нового класса материалов-наноалмазов, названных даймондоидами (diamondoids), впервые полученных в 1933г. Они представляют собой углеродные молекулы, имеющие много подвидов, отличающиеся формой и размерами и составленные из десятков атомов, расположенных сходно с кристаллической решеткой алмаза. Даймондоиды в поперечнике имеют размер около 1 нм. В нескольких литрах нефти содержится всего одна такая молекула.

Из изложенного видны следующие направления развития нефтегазовой наноиндустрии:

1. Увеличение коэффициента извлечения нефти с 0,3 до 0,4 в 2020г, и до 0,5-0,6. В 2035.

2. Снижение обводненности нефти с 85% до 60-70%, что позволяет не тратить энергозатраты на подъем из нефтяных пластов и закачку обратно более 1 млрд. куб. м. воды.

3. Воздействие на глинистую составляющую пород, что увеличит дебиты скважин на 30-50 %.

4. Регулирование смачиваемости пород, в том числе за счет изменения формы глинистых материалов, что увеличит нефтевытеснение.

5. Воздействие на наноколлектора, ресуры УВ в которых на территории России огромны.

6. Снижение энергозатрат подготовку нефти за счет снижения температуры подогрева на 10-15 °С добываемой жидкости для отделения нефти от воды.

7. Разработка месторождений газогидратов, что обеспечивает рентабельное извлечение метана из огромных ресурсов метангидратов на территории России.

8. Утилизация и торговля газом в газогидратном состоянии.

9. Утилизация низконапорного и попутного нефтяного газа.

10. Стабилизация неустойчивых коллекторов, что снизит аварийность нефтегазопромыслового оборудования.

11. Большерасходные нанофильтры, что увеличит КИН и приемистость скважин.

12. Применение нанокомпозиционных материалов для защиты оборудования от коррозии или упрочнения режущих элементов долот.

13. Гидрофобные наножидкости и нанореагенты для технологических операций в скважинах или повышения КИН.

14. Регулирование состояния нанокластеров тяжелых углеводородов для увеличения подвижности вязких нефтей.

15. Упрочнение заколонного цемента при строительстве скважин, что обеспечит их устойчивость при техногенных воздействиях в скважине и околоскважинной области.

16. Увеличение глубины переработки нефти.

17. Извлечение метана угольных пластов и снижение аварийности на угольных шахтах.

18. Экологическое улучшение работы всего нефтегазового комплекса, поскольку многие экологические проблемы проявляются в наноразмерном диапозоне.

19. Снижение себестоимости добычи нефти до 1,5-2 долл. США/баррель на ряде месторождений.

20. Обоснование плана(«Дорожной карты»: месторождения – технология) по добыче необходимых России для собственных нужд 300 млн. т/год по себестоимости 2-5 долл. США/баррель).

Заключение

Экологические достижения основаны на технологических успехах. Так, снижение обводненности нефти уменьшает количество закачиваемой и добываемой с нефтью воды. Воздействие на нанопоры угля уменьшит аварийность шахтной добычи угля. Стабилизация неустойчивых коллекторов уменьшит аварийность при добыче нефти и газа. Регулирование состояния многолетнемерзлых пород уменьшит аварийность скважин на Севере. Регулирование глубины переработки нефти уменьшит необходимый объем перерабатываемой нефти. Проверка качества бензина уменьшит вредное влияние на здоровье людей. Повышение качества цементирования скважин уменьшит вероятность попадания рабочих жидкостей в водоносные горизонты. Колоссальная экономия электроэнергии позволит направить ее на улучшение качества жизни людей.

Для реализации этих направлений созданы базовые научные основы, которые конечно, требуют дальнейшего развития. Проведены опытно-промышленные работы по применению ряда из разработанных технологических решений. Но необходимо будет создать много новых типов технических средств и материалов, провести широкую отработку новых нанотехнологий, что потребует объединения усилий работников всех отраслей экономики. В результате будет получено огромное количество дополнительно добытых углеводородов с применением технологий регулирования наноявлений в пластовых системах «нефть – газ – вода – порода» - нанотехнологий. Все это обеспечит потребности в УВ сырье на многие столетия.

Список литературы

1. 
   А. Я. Хавкин «Нанотехнологии в добыче нефти и газа» Учебное пособие, 2016 г.
   
2. 
   https://www.rusnor.org/upload/My/naprnanohav.pdf
   
3. 
   http://eee.gubkin.ru/PUBLICAT_RUS_files/SPE_06_PEPRRUSS.pdf
   
4. 
   https://neftegaz.ru/science/booty/332358-nanotekhnologii-v-neftedobyvayushchey-otrasli/
   
5. 
   https://www.lib.tpu.ru/fulltext/c/2014/C11/V2/018.pdf
   

20. Граниты - как наноколлекторы.

К числу, так называемых, нетрадиционных источников УВ относятся залежи нефти в кристаллическом фундаменте. К настоящему времени выявлено более 400 случаев проявления нефти и газа в породах фундамента. Из известных УВ скоплений в фундаменте около 70 % приурочено к гранитоидам и кристаллическим метаморфическим породам, более 12 % - концентрируются в вулканогенных образованиях, а остальные 18 % - в карбонатных породах и интрузивах. В общей сложности к магматическим кристаллическим породам относятся более 80 % разведанных в настоящее время запасов нефти.

Крупнейшие залежи нефти и газа в породах кристаллического фундамента с дебитом скважин, достигающими 1,5 – 2 т/сут. И более:

• 
  Белый Тигр (
  
• 
  Уилмингтон (330 млн. т. запасов нефти)
  
• 
  Керн-Ривер (205 млн. т. Нефти)
  
• 
  Хьюгатон-Пал Хендл (223 млн. т. Нефти)
  
• 
  Ла Пас (222 млн. т. Нефти)
  
• 
  Мара (104 млн. т. Нефти)
  
• 
  Кармополис (150 млн. т. Нефти)
  
• 
  Нафора-Ауджила (512 млн. т. Нефти)
  

В России известно более 20 месторождений с залежами нефти в породах кристаллического фундамента. Только в Сибирском регионе с древними породами фундамента докембрийского и палеозойского возраста связано около 100 случаев нефтегазовых проявлений, из которых наиболее выделяется старейший в Западной Сибири Шаимский нефтегазоносный район. Первоочередными объектами разведки нефти и газа в массивах фундамента на территории Сибири являются Шаимский, Красноленинский, Березовский выступы фундамента, Нюрольский бассейн, Ямал и Ханты-Мансийский нефтегазовые регионы.

21 вопрос. Изменения геофизических характеристик прискважинной зоны.

Определение коллекторских свойств пласта и контроль за разработкой осуществляется методами промысловой геофизки. Исследования изменения петрофизических и геофизических характеристик пласта-коллектора с учетом происходящих в нем фильтрационных процессов весьма сложны. Проведенные исследования показали, что набухание глин оказывает существенное влияние на распределение воды и минеральных солей в поровом пространстве породы-коллектора и, следовательно, будет приводить к изменению основных петрофизических и геофизических характеристик глиносодержащего коллектора. Если не учесть эти изменения, то определения коллекторских свойств пласта или осуществляемый контроль за разработкой геофизическими методами могут привести к неправильному выводу об эффективности процесса разработки или даже к неправильному выбору системы воздействия на нефтяной пласт.

При проникновении в пласт воды более пресной, чем пластовая происходит набухание глин, приводящее к изменению распределения воды и минеральных солей в пористой среде по сравнению с к их распределению в безглинистом пласте.

В случае закачки в глиносодержащий пласт воды с минирализацией, равной начальной пластовой (т.е. ионообмена не будет), распределение водонасыщенности будет совпадать с распределением насыщенности в чисто песчаном коллекторе независимо от минерализации внедряющейся воды.

Учет ионообмена приводит к значительному изменеию петрофизических характеристик пласта-коллектора, что приводит к изменеию основных геофизических характеристик.

При неучете ионообмена изменение геофизических параметров определяется только изменением водонасыщенности и минерализации воды.

Таким образом, взаимодействие закачиваемой более пресной воды с глинистыми минералами в призабойной зоне скважин приводит к увеличению количества связанной воды и уменьшению водонасыщенности в области, занятой пресным фильтратом. Значения пористости и проницаемости в этом случае непостоянны и меняются по расстоянию от скважины. Кроме того, наблюдается значительное отставание фронта минерализации от фронта насыщенности, что изменяет петрофизические связи. Наличие глин также приводит к немонотонному изменению электрического сопротивления и амплитуды потенциалов собственной поляризации.