Применение нанотехнологий XXI века в нефтегазовой отрасли

Применение нанотехнологий XXI века в нефтегазовой отрасли.

The use of nanotechnology in the XXI century, the oil and gas industry.

Автор статьи: Гусейнов Вугар Ягубович

The author of the article: Vugar Huseynov Yagubovich

Научный руководитель:

Supervisor: Arslanov Renat Kamilovich

Аннотация

Данная статья посвящена применению нанотехнологий XXI века в нефтегазовой промышленности. В ней подробно рассказывается о широких перспективах нанопокрытий для гидрофобизации поверхностей,
металлических изделий с целью придания им химической стойкости,
водоотталкивающих и антифрикционных свойств.

Abstract

This article focuses on the application of nanotechnology in the XXI century, the oil and gas industry. It details the broad prospects for nano-repellent surfaces metal products to make them chemical resistance, water-repellent and anti-friction properties.

Наша страна является великой энергетической державой. Но несмотря на кажущееся обилие энергоресурсов, в 2007 г., будучи Президентом РФ, на совещании по развитию нефтегазовой отрасли отметил, что нефтегазовые ресурсы используются недостаточно рачительно, а Президент РФ в 2009 г. назвал одними из первых приоритетов российской экономики энергоэффективность и энергосбережение, отметив, что нужно не только наращивать добычу полезных ископаемых, но и добиваться лидерства во внедрении инноваций.  
В «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» (ЭСР-2030) в качестве индикатора стратегического развития нефтяного комплекса предусмотрена следующая динамика коэффициента извлечения нефти (КИН): 2008 г. (факт) – 0,3, за 1-й этап (2013 – 2015 гг.) планируется достичь КИН=0,3 – 0,32, за 2-й этап (2020 – 2022 гг.) – 0,32 – 0,35, к концу прогнозируемого периода за 3-й этап (2030 г.) планируется достичь КИН=0,35 – 0,37. 
При этом на Западе уже достигнут КИН=0,4 и ставятся более амбициозные задачи. 
Обводненность продукции в России в среднем превышает 85%, т. е. количество объемов воды на один объем нефти (водонефтяной фактор – ВНФ) – более 5. В мире в среднем ВНФ=3 и ежегодно расходуется более 40 млрд долл. на отделение и очистку попутной воды. Россия добывает 13,5% от мировой добычи. Это означает, что на отделение и очистку попутной воды в России тратится не менее 5 млрд долл., а с учетом обводненности – значительно больше 7 млрд долл. Снижение ВНФ хотя бы до среднемирового уровня даст экономию 2 млрд долл. Экономия средств и энергии приведет к снижению себестоимости добычи нефти, что, в свою очередь, приведет к уменьшению экономически приемлемого дебита скважин по нефти и, в конечном счете, к увеличению КИН. 

По мнению академика РАН , теоретически КИН может быть доведен до 0,7 при применении современных технических и физико-химических технологий, а извлекаемые запасы нефти при их применении могут быть увеличены на 20 – 30 млрд тонн или 200 – 300 млн тонн годовой добычи на весь XXI век. Отметим, что если в России снизить ВНФ до 3, то для увеличения добычи на 200 – 300 млн тонн не потребуется перестройки промыслового оборудования, поскольку к установкам подготовки нефти и отделения воды будет подходить столько же жидкости (нефть+вода), сколько сейчас подходит при ВНФ=5.

Эффективность нефтевытеснения определяется наноразмерами: поверхность пор имеет нанометровую шероховатость, а смачивающие свойства пород определяются как раз шероховатостью. Другими словами, регулирование свойств нефтегазовых пластов на уровне электрических взаимодействий, смачивания, изменения структуры минералов (размеры которых 20 – 40 нанометров) решаются с применением технологий управления наноявлениями (нанотехнологий). 
Проведенными исследованиями показана возможность существенно большего нефтеизвлечения из уже открытых месторождений при применении нанотехнологий (инноваций) в нефтегазовых пластах, чем это имеет место сегодня. Развитие этих работ может стать серьезным вкладом в энергетическую безопасность страны, которую невозможно, на наш взгляд, реализовать без контроля КИН и таких индикаторов энергоэффективности добычи нефти, как водонефтяной фактор и температура процесса водонефтеподготовки. 
Вложения в нанотехнологии добычи нефти и газа дадут самую быструю и самую максимальную финансовую отдачу из всех направлений вложений средств. Поэтому стратегической целью нефтяного сектора ЭСР-2030 должно быть массовое применение нанотехнологий в различных сферах нефтегазового комплекса для повышения его энергоэффективности и создания рентабельных технологий разработки уже открытых месторождений на территории России с ориентирами по КИН: хотя бы 0,35 к 2013 г., 0,4 к 2020 г., 0,5 к 2030 г. Научный же потенциал КИН в России следующий: 0,4 к 2013 г., 0,45 к 2020 г., 0,6 – 0,65 к 2030 г. При этом для активных запасов КИН может быть увеличен на 0,15 – 0,20 до 0,6 – 0,7, а для ТИЗН – на 0,25 – 0,35 до 0,40 – 0,55.

Широкие перспективы для повышения эффективнос-ти нефтегазового комплекса имеют нанопокрытия для гидрофобизации поверхностей,
металлических изделий с целью придания им химической стойкости,
водоотталкивающих и антифрикционных свойств.

Очень большое значение для повышения эффективности добычи нефти имеют НГНТ, регулирующие свойства глин, повышающие производительность скважин в 1,3-1,8 раза. Одним из МУН является применение полимеров в качестве загущающих воду агентов. Высокая минерализация пластовых вод осложняет применение метода: вязкость полимерного раствора уменьшается, а сорбция полимера увеличивается с ростом минерализации воды, что делает неоднозначной оценку эффективности полимерного воздействия на нефтяной пласт. Для повышения КИН было предложено регулировать пластовый ионный обмен закачкой предоторочки пресной воды. Такая НГНТ была осуществлена в России на ряде месторождений. Технологический эффект составил т (в среднем 590 т) на одну тонну закачанного в пласт полимера [15]. Ограничения применения полимерных растворов в низкопроницаемых коллекторах были связаны с тем, что высокомолекулярные полимеры забивали пористую среду, препятствуя последующему движению воды. Экспериментальные исследования показали, что выбор полимерных систем с размерами агрегатов в нанодиапазоне позволяет повысить КИН в низкопроницаемых коллекторах на 0,2-0,25. Добавки наночастиц к закачиваемому пару позволяют повысить его теплоемкость, что приводит к росту эффективности паротеплового воздействия на нефтяные пласты с высоковязкой нефтью и глубину его эффективного применения [15].
В процессах водонефтеподготовки использование гидродинамических наноэффектов для разрушения бронирующих оболочек в эмульсиях (НГНТ) позволяет обеспечить качественную подготовку продукции при снижении удельного расхода деэмульгатора в 1,5-2 раза и температуры процесса на 10-15 оС, что несет в себе огромный экономический эффект [15]. Особенностью месторождений в Западной и Восточной Сибири, а также на Дальнем Востоке является высокое содержание в добываемой продукции этана и гелия, что является основой для более глубокой газопереработки (НГНТ) и требует развития современных газохимических производств [3].

Для доставки газа в регионы его потребления была создана единая газотранспортная система (ЕГС) России, которая является крупнейшей в мире. Общая протяженность ЕГС составляет более 156 тыс. км, а установленная мощность компрессорных станций (КС) — 44 млн кВт. Основное формирование ЕГС произошло в конце 1980-х гг. За прошедшие годы трубопроводы подверглись коррозии, подвижке оснований и механическим повреждениям. Восстановление качества ЕГС возможно, в первую очередь, с применением современных НГНТ [3]. Одна из важных проблем отрасли связана с необходимостью сооружения герметичных эксплуатационных скважин, которые должны обеспечивать защиту продуктивных пластов в скважине, что может быть нарушено при строительстве, эксплуатации и проведении капитальных или подземных ремонтов [3], хотя на скважины уходят особенно большие затраты.

Причин нарушения герметичности скважин множество: невыполнение всех этапов строительства скважин, технологии перфорации колонн, назначение неоправданно высоких рабочих дебитов. Негерметичность скважин приводит к межколонным перетокам с передачей давления, а также неконтролируемым заколонным перетокам с возможным образованием грифонов газа на земной поверхности. В результате отсутствия герметичности скважин иногда происходит расформирование природных залежей с образованием новых техногенных скоплений углеводородов. Работа негерметичных скважин приводит также к нарушению экологии недр.

Около 80 % коррозионных и деструктивных поражений эксплуатационных скважин, включая цементное кольцо и скважинное оборудование, связано с деятельностью сульфатвосстанавливающих и других бактерий. Поэтому регулирование биологического состава вод, используемых для добычи у/в, также является НГНТ. Используемый для крепления колонн цементный камень имеет ряд характеристик, негативных для герметичности скважин. Так, в процессе ожидания его затвердевания в твердеющем цементном камне образуются протяженные, вплоть до выхода на земную поверхность, каналы за счет всплытия пузырьков газа по причине неизбежного снижения первоначально запирающего газоносный пласт гидростатического давления цементного раствора. При твердении цементный камень поглощает воду из окружающих пород. При этом также неизбежно образование дополнительных каналов, разгерметизирующих систему (обсадная колонна — цементный камень — окружающие породы) по поверхности контакта камня с металлом и породой. В результате опрессовки обсадных колонн уже сформированный камень неизбежно растрескивается и разрушается. Цементный камень со временем стареет и также разрушается.
Новое поколение скважин должно характеризоваться не жесткой крепью обсадных колонн с окружающей их породой, а надежностью крепления. Применение вязкопластичных тампонажных составов, что фактически также является НГНТ, полностью решит многие проблемы от строительства скважин и до их надежной ликвидации [3].

Добавки наноматериалов улучшают свойства цементного камня: его плотность увеличивается на 5 %, прочность на разрыв — в 2,3 раза, что определяет стабильность цементного камня при перфорации, гидроразрыве, деформации колонн. Преимущества таких нанобетонов обусловлены особой структурой, формируемой вследствие самоорганизации цементного камня на наноуровне — наноарматурой. Комбинация магнитной обработки и добавки наноматериалов улучшает качество нанобетонов в 2,5-3 раза [15].

Таким образом, развитие и применение нанотехнологий нового природопользования — НГНТ — является основой успешного экономического развития России в XXI веке. С учетом применения и развития НГНТ для уже открытых месторождений на территории России должны быть следующие ориентиры по КИН: хотя бы 0,35 к 2013 г., 0,4 — к 2020 г., 0,5 — к 2030 г. Научный же потенциал КИН за счет НГНТ в России следующий: для активных запасов КИН может быть увеличен на 0,15-20 до 0,6-0,7, а для трудноизвлекаемых запасов — на 0,25-0,35 до 0,40-0,55. При этом значения КИН составят 0,4 к 2013 г., 0,45 — к 2020 г., 0,6-0,65 — к 2030 г.

Таким образом, нанотехнологическая революция в нефтегазовой отрасли изменяет представления об экономических перспективах углеводородной экономики и позволяет адекватно оценить направления и эффективность вложения средств в развитие новых знаний о нефтегазовых системах.

Президент РФ подчеркивает, что Россия является мировым лидером в добыче нефти и газа, но нефтегазовые ресурсы используются недостаточно рачительно [13]. 

Автор убежден, что НГНТ вернут уверенность в долголетней экономической рентабельности углеводородной энергетики и будут основой экономики XXI века.

Список литературы:

1. Байбаков методы повышения нефте - и конденсатоотдачи пластов // РГУ нефти и газа им. , сер. Академические чтения, вып.12. — М.: Нефть и газ, 1997. — 35 с.

2. Бузник и применение фторполимерных наноматериалов в нефтегазовом комплексе // Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологиямю Материалы конференции. Москва, 18-19 ноября 2008 г., ГД РФ. — М.: Нефть и газ, 2008. — С. 26-37.

3. Гриценко состояние и перспективы развития газовой индустрии России // Материалы II Международной конференции «Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологиям». Москва, 21-22 октября 2010 г.— М.: Нефть и газ, 2010. — С. 55-58.

4. Гусейнов инновационных процессов в повышении стоимости российских ВИНК // Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России, 30 января – 1 февраля 2012 г., РГУ нефти и газа им. , Тезисы докладов, часть II, секции 5-10, 2012. — С. 135.

5. Дияшев применения МУН в мире // Георесурсы, 2008, № 4. — С. 42-46.

6. Каблов в 6-ой технологический уклад // NanoWeek», 15-22 февраля 2010 г., № 99.

7. Козловский кризис, его истоки и минерально-сырьевой потенциал // Материалы научно-практической конференции «Минерально-сырьевая политика и национальная безопасность», посвященная 80-летнему юбилею , 12 мая 2009 г., МПР РФ. — М.: , 2009. — С. 193-258.

8. Концепция программы преодоления падения нефтеотдачи / Под ред. , авторы , , и др. // Госдума РФ, 2006. — 144 с.

9. Лаверов -энергетические ресурсы // Вестник РАН, 2006, т. 76, № 5. — С. 398-408.