НЕФТЕГАЗОВЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ – ОСНОВА ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ И ВКЛАД

© Хавкин А.Я., 2011
Институт проблем нефти и газа (ИПНГ) РАН
НЕФТЕГАЗОВЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ –
ОСНОВА ПОВЫШЕНИЯ
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НЕФТЕГАЗОВОЙ
ОТРАСЛИ И ВКЛАД
В ПЕРЕХОД ЭКОНОМИКИ РОССИИ
К VI ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ УКЛАДУ
Хавкин А.Я.
д.т.н., Почетный нефтяник РФ,
Сопредседатель секции «НТ для НГК»
и член ЦП НОР, лауреат Медали ЮНЕСКО «За
вклад в развитие нанонауки и
нанотехнологий»
1
2
Наноявления в пористых средах



В наноразмерном интервале (0,1-100 нм) на молекулярном уровне
природа «программирует» основные характеристики веществ,
явлений и процессов. Все природные материалы и системы
построены из нанообъектов.
Согласно рекомендации 7-ой Международной конференции по
нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г) выделяют следующие типы
наноматериалов: нанопористые структуры; наночастицы; нанотрубки
и нановолокна; нанодисперсии (коллоиды); наноструктурированные
поверхности и пленки; нанокристаллы и нанокластеры.
Кроме непосредственно малоразмерных частиц, наночастицами
являются поверхностные наноструктуры (ямки, выступы, канавки,
стенки), объемные наноструктуры (поры и капилляры), пленки
веществ наноразмерной толщины
3
Наноявления при заводнении




Наиболее распространенным методом разработки
нефтяных месторождений является заводнение.
При этом основные свойства воды определяются на
молекулярном уровне (наноуровне). Было также
установлено, что у воды на наноуровне есть память.
Нефтяной пласт представляет собой
высокодисперсную систему с большой поверхностью
границ раздела фаз и огромным скоплением
капиллярных каналов, в которых движутся жидкости,
образующие мениски на границе раздела фаз.
Механизм перемещения нефти в пласте и
извлечение ее, во многом, определяется
молекулярно-поверхностными процессами,
протекающими на границах раздела фаз
(породообразующие минералы – насыщающие пласт
жидкости и газы - вытесняющие агенты).
4
Наноколлекторы


В породах баженовской свиты Западной Сибири
сосредоточены запасы в сотни миллиардов тон нефти.
Из соотношения среднего радиуса пор нефтяного
коллектора r и его фильтрационно-емкостных свойств
(проницаемости k и пористости m)
r  4,028k / m

2 ,1
получим, что при k = 10-8-10-7 мкм2 и m = 0,03 средний
радиус пор такого коллектора составляет 8-25 нм.
Такие коллекторы можно называть наноколлекторы.
В
5
наноразмерных порах движение фаз имеет свои особенности.
Наногидродинамика, или нанофлюидика, – это раздел нанонауки,
изучающий поведение и способы управления жидкостями, которые
ограниченны нанометровыми структурами, и, в то же время, это раздел
нанотехнологий управления этими процессами.
На наноуровне жидкости проявляют свойства, нетипичные для
размеров более 100 нм. Например резкое увеличение вязкости возле
стенок нанокапилляров, изменение термодинамических параметров
жидкости, а также нетипичную химическую активность на границе
раздела твердой и жидкой фаз. На границе раздела фаз образуются
поверхностные заряды – наэлектризованные поверхности с
характерным распределением заряда, известным как электрический
двойной слой. В порах нанометрового диаметра двойной слой может
полностью перекрыть ширину поры, что ведет к существенному
изменению структуры жидкости, и, следовательно, процесса движения
жидкости в наноструктуре.
Это обуславливается тем, что расстояние влияния электрических
зарядов в жидкости (дебаевская длина) и гидродинамический радиус
структур жидкости (ионов, молекул) становятся сравнимы с
нанометровыми размерами ограничивающей структуры.
В
6
наноразмерном диапазоне наиболее важным с точки
зрения взаимодействия электрических и гидродинамических полей является градиентный характер силы со стороны
электрического поля на среду (Сон Э.Е.).
В порах радиусом 1-100 нм происходит расслаивание
молекул адсорбата за счет перекрытия потенциалов
взаимодействия стенок поры. При этом неоднородное
распределение поверхностного потенциала ведет к
появлению в пористых средах множественности локальных
областей с сосуществующими фазами пар-жидкость
(Товбин Ю.К.).
Изучение молекулярного транспорта в узких каналах
шириной 10-30 нм принципиально важно для исследования
процессов смачивания, пропитки и сушки дисперсных
систем, а также процессов переноса веществ в различных
грунтах.
7
Объект исследований нефтяной науки
Нефтяная наука, являясь частью наук о Земле, и
аккумулируя геологию, гидродинамику, технику,
химию, математику, имеет свой специфический
объект исследований – физико-химические
наноявления в геологических телах, пластовых
флюидах и промысловом оборудовании,
охватывающий как сами наноявления, так и
способы их учета при геологогидродинамических и технико-экономических
расчетах разработки и эксплуатации
нефтегазовых залежей.
8
Ожидаемый результат от масштабного применения
современных модификаций МУН (модернизация):
увеличение КИН
 для активных запасов на 0,10-0,15 до 0,50-0,70,
 для ТИЗН - увеличение КИН на 0,20-0,25 до 0,40-0,45.
 средний КИН при этом может возрасти до 0,50.
Ожидаемый результат от масштабного применения
нанотехнологий (инновации):
увеличение КИН
 для активных запасов на 0,15-0,20 до 0,60-70,
 для ТИЗН - увеличение КИН на 0,25-0,35 до 0,40-0,55.
 средний КИН при этом может возрасти до 0,60-0,65.




Основные термины в ФЗ № 261-ФЗ
9
1) энергетический ресурс - носитель энергии, энергия которого используется или может быть использована при осуществлении хозяйственной и иной деятельности, а также вид энергии (атомная, тепловая,
электрическая, электромагнитная энергия или другой вид энергии);
2) вторичный энергетический ресурс - энергетический ресурс,
полученный в виде отходов производства и потребления или побочных
продуктов в результате осуществления технологического процесса или
использования оборудования, функциональное назначение которого
не связано с производством соответствующего вида энергетического
ресурса;
3) энергосбережение - реализация организационных, правовых,
технических, технологических, экономических и иных мер,
направленных на уменьшение объема используемых энергетических
ресурсов при сохранении соответствующего полезного эффекта от их
использования (в том числе объема произведенной продукции,
выполненных работ, оказанных услуг);
4) энергетическая эффективность - характеристики, отражающие
отношение полезного эффекта от использования энергетических
ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях
получения такого эффекта, применительно к продукции,
технологическому процессу, юридическому лицу, индивидуальному
предпринимателю;
10
Углеводородные ресурсы в
нефтегазовом комплексе




1) энергетический ресурс – запасы нефти;
2) вторичный энергетический ресурс – попутный газ;
3) энергосбережение – наиболее полное использование;
4) энергетическая эффективность – коэффициент
извлечения нефти (КИН), коэффициент использования
попутного газа.
Динамика добычи нефти (1) и
обводненности продукции (2) в России.
Qн, млн.т 540
2
1
19
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
2099
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
09
510
480
450
420
390
360
330
300
270
240
11
100 F, %
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
Годы
12
По данным д.т.н., проф. Г.Г.Вахитова:
Энергоэффективность добычи нефти (т/т)
51
41
31
21
11
1
1950
1960
1970
1980
годы
1990
2000
2010
13
Таблица 2. Использование фонда эксплуатационных скважин основных нефтяных компаний России на 01.01.2006 г.
Компании
Эксплуатац. фонд,
шт.
Действ. фонд, шт.
Бездейств. фонд,
шт.
%
«ЛУКОЙЛ»
26619
22151
4468
16,8
«ЮКОС»
8205
5836
2369
28,5
«Сибнефть»
4602
3904
698
15,8
«Сургутнефтегаз»
16693
15144
1549
9,3
«ТНК-ВР»
26199
16292
9907
37,8
«Татнефть»
21460
17888
3572
16,6
«Роснефть»
17210
14472
2738
15,9
«СлавНефть»
4020
3346
674
16,8
«РуссНефть»
4466
3274
1192
26,7
147784
118586
29198
19,9
Всего по России
14
Из Энергетической стратегии России до 2030г.




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.
Снижение удельной энергоемкости ВВП в 2,3 раза.
Снижение удельных потерь и расходов на собственные нужды
предприятий ТЭК, доведение ежегодного объема экономии
энергоресурсов по сравнению с современным уровнем не менее чем
300 млн т условного топлива в год.
В плане экологической безопасности энергетики ориентиром является
двукратное снижение сброса загрязненных сточных вод в водоемы.
15
Динамика инноваций в различных
технологических направлениях
вдоль циклов экономической активности
Кондратьева
16
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).
Зависимость КИН от обводненности F по участкам 1-4
при Кгл равном
2,4% (1), 3,6% (2), 4,2% (3), 5,6 (4)
по данным «Ахметов Н.З., Хусаинов В.М., Салихов
И.М. и др. // Нефтяное хозяйство, 2001»
КИН
0,7
0,6
1
0,5
2
0,4
4
3
0,3
0,2
0,1
F, %
0
0
20
40
60
80
100
17
18
19
Годовая добыча нефти в России


При обводенности нефти 83,5% годовая добыча
жидкости (нефть+вода) составляет 3,4 млрд м3.
При снижении обводенности нефти с 85% до 75%
можно увеличить годовую добычу нефти с 500 млн т до
730 млн т без изменения промыслового обустройства.
20
Эффективность разработанной схемы УПН
в зависимости от качества входного сырья:
1, 2 – доля воды, соответственно, на входе и выходе.
В, %
30
25
20
1
15
2
10
5
0
0
5
10
15
20
Т, сут
Доля воды в нефти на выходе в зависимости от
температуры процесса:
1 и 2 - при включенном узле РБО и расходе
деэмульгатора 75 г/т (1) и 35 г/т (2),
3 – при отключенном узле РБО и расходе
деэмульгатора 75 г/т.
В, % 6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
1
2
3
30
35
40
45
50
55
60
Т, оС
21
22
Экономия электроэнергии

При использовании узла РБО снижение температуры
на 15оС при годовой добыче жидкости (нефть+вода)
3,4 млрд м3 экономия электроэнергии будет
эквивалентна 15оС х 3,4 млрд м3 .




Применение нанотехнологий снижает энергозатраты
на перевод газа в газогидратную форму и позволит
торговать природным газом в газогидратном
состоянии.
Норвежские исследователи, например, разработали
технологию преобразования природного газа в
газогидрат, позволяющую транспортировать его без
использования трубопроводов и хранить в наземных
хранилищах при нормальном давлении.
Фактически стоит вопрос о создание новой отрасли
ТЭК – превращения природных газов в газогидратное
состояние как для перевозки танкерами (что дешевле,
чем перевозить сжиженный газ), так и
железнодорожным и автомобильным транспортом.
В этом случае вопрос с газификацией отдаленных
населенных пунктов может быть решен без
трудоемкой и небезопасной прокладки трубопроводов
высокого давления.
23
24
Направления приложения нанотехнологий в
нефтегазовом комплексе
1. Увеличение нефтеотдачи до 40-60%.
2. Снижение обводненности нефти с 85% до 60-70%.
3. Воздействие на глинистую составляющую пород.
4. Регулирование смачиваемости пород.
5. Воздействие на наноколлектора.
6. Снижение энергозатрат на закачку, подъем и подготовку нефти.
7. Разработка месторождений газогидратов.
8. Утилизация и торговля газа в газогидратном состоянии.
9. Утилизация низконапорного газа.
10. Стабилизация неустойчивых коллекторов.
11. Большерасходные нанофильтры.
12. Применение нанокомпозиционных материалов.
13. Гидрофобные наножидкости и нанореагенты.
14. Регулирование состояния нанокластеров тяжелых у/в.
15. Извлечение метана угольных пластов.
16. Увеличение глубины переработки нефти.
17. Упрочнение заколонного цемента при сторительстве скважин.
18. Экологическое улучшение работы всего нефтегазового комплекса.
Для повышения энергоэффективности
нефтегазового комплекса, предлагается:





В качестве критериев энергоэффективности ТЭК принять: КИН,
обводенность продукции, процент использования попутного газа,
температуру процесса нефтеводоподготовки.
Законодательно признать задачу повышения КИН такой же
государственной задачей, какой раньше было создание атомного
оружия и полет в космос, и для ее решения объединить усилия
работников нефтегазовой отрасли и всего научно-технического
сообщества страны: геологов, физиков, химиков, математиков,
металловедов, конструкторов.
Законодательно обязать рассматривать новые проектные
документы разработки нефтяных месторождений только с КИН
более 0,4 (поскольку имеется множество современных технологий,
позволяющих при стоимости нефти выше 60 долл./баррель
обеспечить КИН более 0,4).
Законодательно обязать публиковать обводненность добываемой
нефти (поскольку это основной показатель энергоэффективности).
Направить государственные усилия на создание газогидратной
отрасли ТЭК.
25
26
27
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!