1 © Хавкин А.Я., 2013

Основа новой экономики –применение нанотехнологий в

нефтегазовой сфере. Научные основы и практическое

применение нанотехнологий повышения энергоэффективности и экологической безопасности при добыче нефти и газа

Хавкин А.Я.,

заместитель генерального директора ОАО «ИГиРГИ», член ЦП НОР, д.т.н., Почетный нефтяник РФ,

Лауреат Медали ЮНЕСКО «За вклад в развитие нанонауки и нанотехнологий»

2

Для экономически выгодной продажи нефти как сырья, нужно не только открывать новые месторождения, но и обеспечивать высокий

КИН на уже открытых месторождениях. А для этого требуются тщательные

исследования на стыке всех современных научных знаний.

И задача обеспечения страны нефтью и газом на основе высокорентабельных

энергосберегающих инновационных технологий во всем цикле движения нефти и

газа от скважины до потребителя, должна стать, по мнению автора, таким же

национальным инновационным проектом, какими были атомный проект и полет в космос.

3

4

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.

19. Снижение себестоимости добычи нефти до 2 долл/баррель.

20. Энергосбережение.

5

Энергоэффективность уже прошедших опытно-промышленную апробацию нанотехнологий

Прошедшие опытно-промышленную апробацию нанотехнологии

Хавкина А.Я. показали следующие значения экономии электроэнергии

на 1 м3:

0,4 КВт·час=1,5 МДж – предупреждении образования отложений смол

и парафинов в добывающей скважине;

0,7 КВт·час=2,5 МДж – при закачке воды в пласт для вытеснения

нефти;

5 КВт·час=18 МДж – при снижении обводненности добываемой

продукции;

8,5 КВт·час=30 МДж – при снижении температуры нефтеподготовки

при отделении от нее воды.

В целом, от прошедших опытно-промышленную апробацию нанотех-

нологий Хавкина А.Я. суммарная возможная экономия электроэнергии

на 1 м3 промысловой жидкости составит более 50 МДж.

6

Энергоэффективность уже прошедших опытно-промышленную апробацию нанотехнологий

Только в России от прошедших опытно-промышленную апробацию

нанотехнологий Хавкина А.Я. суммарная возможная экономия

электроэнергии может составить:

1500 ТДж – предупреждении образования отложений смол и

парафинов в добывающей скважине (1 млрд. м3);

7500 ТДж – при закачке воды в пласт для вытеснения нефти (3 млрд. м3);

65000 ТДж – при снижении обводненности добываемой продукции

(3,5 млрд. м3);

30000 ТДж – при снижении температуры нефтеподготовки при

отделении от нее воды (1 млрд. м3).

При этом, затратив 1 ТДж, можно добыть 20000 т угля, 10000 т нефти,

вспахать 700 км2 земли.

В нефтяной отрасли мира, от прошедших опытно-промышленную

апробацию нанотехнологий Хавкина А.Я. значения экономии

электроэнергии (вследствие структуры запасов и уже применяемых

технологий) будут в 3-4 раза больше.

7

8

9

Динамика инноваций в различных технологических направлениях

вдоль циклов экономической активности Кондратьева

10

6 технологический цикл Кондратьева

(техноуклад) включает:

развитие робототехники, биотехнологий,

нанотехнологий, управление здоровьем человека за

счет новой медицины, новое природопользование

(Г.Г.Малинецкий)

Поэтому нанотехнологии в

природопользовании – это товарный продукт

6 технологического цикла Кондратьева

11

Схема подачи (закачка) лекарств пациенту для улучшения состояния его крови (добыча). (Kapusta S. Nanotechnologies in a fuel and energy complex: where, how and when? // RusNanoTech9, 6 октября 2009г.)

закачка

добыча

12

Из монографии: «Нанотехнология в ближайшем десятилетии.

Прогноз направления исследований / под ред. Роко М.К., Уильямса Р.С., Аливатоса П. // М.,

Мир, 2002, 292с.»

Нанотехнологический подход означает

целенаправленное регулирование на

молекулярном уровне свойств объектов,

определяющем их фундаментальные

параметры

13

По мнению аналитиков «LUX Research», нанотехнологии – это не новая отрасль мировой экономики, а средство для

модернизации множества других ее отраслей, и те, кто овладеет максимальным спектром нанотехнологий и их

количеством, будут владеть миром.

По мнению акад. Ю.Д.Третьякова и чл.-корр. Е.А.Гудилина,

естественнонаучный подход к «нано» состоит в том, чтобы на базе достижений химии, физики, материаловедения, математического моделирования, создать прорывные

нанотехнологии.

Нанотехнологии, в отличие от обычных технологий, характеризуются повышенной «наукоемкостью» и

затратностью, и в них резко снижена вероятность решения задач методом «проб и ошибок», который традиционно

используется в прикладных разработках

14

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

15

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).

16

Закономерность вытеснения нефти в пористых средах

При вытеснении нефти из пласта путем

нагнетания в него водного раствора нефть

диспергируется на отдельные части (агрегаты,

ганглии, блобы, целики, кластеры -

макродиспергируется), распределение которых по

размерам определяется капиллярным

гистерезисом Р12 в системе нефть-вода-порода.

17

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)

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.

1,2/028,4 mkr

18

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

геолого-гидродинамических и технико-

экономических расчетах разработки и

эксплуатации нефтегазовых залежей.

19

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.

20

Повышение эффективности разработки нефтяных месторождений и месторождений

газогидратов возможно только на основе нанотехнологий добычи нефти и газа.

Их применение позволит увеличить коэффи-циент извлечения нефти (КИН) с нынешних

0,3-0,35 до 0,6-0,65 на разрабатываемых месторождениях, и ввести в рентабельную

разработку месторождения с трудноизвлека-емыми запасами нефти и газогидратов.

Это увеличит российские доказанные запасы углеводородов только на разрабатываемых

месторождениях в 2 раза, а с учетом ресурсов – многократно увеличит обеспеченность

страны запасами углеводородов, что необходимо учитывать в Энергетической

стратегии России.

21

Динамика добычи нефти (1) и

обводненности продукции (2) в России.

22 22

Динамика КИН для месторождений России, открытых в разные периоды

(по информации, представленной ФГУП «ЗапСибНИИГГ») [Шелепов В.В., 2012]

0.4650.432

0.353

0.307 0.298 0.3050.269

0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

0.300

0.350

0.400

0.450

0.500

до 50х 50-60 60-70 70-80 80-90 90-2000 2000-2010

период

КИ

Н,

д.

ед

.

23

По данным д.т.н., проф. Г.Г.Вахитова:

24

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.

25 Доказанные извлекаемые запасы нефти

по 12-ти странам и по миру в целом Доказанные излекаемые запасы, млрд. тонн**

Страны 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

2007

прогноз

1 Саудовская

Аравия 35,8 35,8 36,1 35,8 35,9 35,9 35,9 35,9 36,5 35,9

2 Канада* 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 24,6 24,5 24,5 24,5 24,5

3 Иран 12,7 12,3 12,3 12,3 12,3 12,3 17,2 17,2 18,1 18,7

4 Ирак 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,8 15,8 15,8 15,7

5 Кувейт 13,2 13,2 13,2 13,2 13,2 13,2 13,6 13,9 14,2 13,9

6 ОАЭ 13,4 13,4 13,4 13,4 13,4 13,4 13,4 13,4 13,4 13,4

7 Венесуэла 9,8 9,9 9,9 10,5 10,6 10,7 10,7 10,6 11,0 11,0

8 Россия 6,7 6,7 6,7 6,7 6,7 8,2 8,2 8,2 8,2 8,2

9 Ливия 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,9 5,3 5,4 5,7

10 Нигерия 2,3 3,1 3,1 3,1 3,3 3,3 3,4 4,8 4,9 5,0

11 Казахстан 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 1,2 1,2 1,2 1,2 4,1

12 США 3,1 2,9 3,0 3,0 3,1 3,1 3,0 3,0 3,0 3,0

ИТОГО по 12-ти

странам 117,9 118,2 118,5 118,9 119,3 145,4 151,8 153,8 156,3 159,1

ИТОГО в мире 139,7 141,5 139,3 140,8 141,4 166,2 173,3 175,0 177,1 180,5

* С 2003 г. запасы приводятся с учетом битуминозных песков

** При пересчете запасов из баррелей в тонны использовался коэффициент 7,3

Увеличение рентабельных запасов нефти в Канаде в 2003г. –

следствие внедрения нанотехнологии извлечения битумов.

У России перспективы – не меньше!!!

26 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»

27 Геолого-технологические параметры скважин и результаты обработки призабойных зон скважин

№

№ скв,

залежь

Дата ОПЗ

Параметры Приемистость, м3/сут

Давление закачки, МПа Коэффициент

приемистости

К/Кнач

Перфор.

толщина,

м

Порист

ость,

%

Глинист. по

керну,

%

Проницаемость,

10-3 мкм2

Объем

закачки

м3

Давление

нагнетания,

МПа

Уд.

расход,

м3/м

До ОПЗ После

ОПЗ

До ОПЗ

(К нач)

После ОПЗ

(К)

Абсолют. Фазовая

1 23332

Азнакаевская

20.12.00

3,5 15,0 отсут. 36 23,2 20 18-19 5,7 360

180

360

180 2,0 2,0 1,0

2 23334

Азнакаевская

22.12.00

4,0 23,9 4,8 765 295 20 19-20 5,0 144

200

160

160 0,72 1,0 1,28

3 8300

Зеленогорская

23.12.00

8,0 19,0 отсут 759 190 20 15-17 2,5 200

180

200

170 1,11 1,18 1,07

4 13102

Холмовская

24.12.00

4,0 21,0 2,1 95 28 20 20-21 5,0 200

150

200

130 1,33 1,54 1,21

5 29290

Зеленогорская

24.12.00

5,5 16,0 3,3 295 85 20 18-19 3,6 200

120

203

100 1,67 2,03 1,36

6 8441

Зеленогорская

26.12.00

6,8 18,5 отсут 315 100 20 18-19 2,9 115

195

144

180 0,59 0,8 1,21

7 8445

Зеленогорская

26.12.00

5,9 17,0 2,4 486 92 20 16-17 3,4 320

185

288

130 1,73 2,21 1,48

28

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.

29

Динамика обводненности F и среднего дебита нефти Qн в добывающей скв. 2,

закачки Qз нагнететельной скв. 1.

30

31

Эффективность разработанной схемы УПН в зависимости от качества входного сырья:

1, 2 – доля воды, соответственно, на входе и выходе.

32 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.

33 Изменение гидрогеологических характеристик

призабойной зоны газовой скважины после закачки наностабилизированных пенных систем:

а - до ОПЗ, б - после ОПЗ

36

До обработки После обработки

ба.

ВОДА

ПОРОДА

ГАЗ ГАЗ

ПЕНА

ПОРОДА

СКВАЖИНА СКВАЖИНА

34

Зависимости относительного изменения коэффициента продуктивности от времени отработки после ОПЗ

по Уренгойским газовым скважинам 9164, 11322, 532.

35

Уголь

В угле мало пор диаметром 10-100 нм, а много пор

диаметром менее 10 нм.

Поэтому уголь является наноколлектором природного

газа и для извлечения газа необходимо учитывать

наноразмерные явления, выбирая реагенты для

смачивания угля с учетом наноразмеров его пор.

Борьба с выбросами природного газа и его добыча

должны ориентироваться на работу с закрытыми

наноразмерными порами.

Учет наноявлений при воздействии на уголь позволит как

отобрать природный газ из угля, так и обеспечить более

безопасное ведение штрековой добычи угля, уменьшить

число катастроф и сохранить жизни шахтеров.

36

Газогидраты Гидрат метана – это пример чистого и потенциально огромного

энергетического ресурса.

Для высвобождения метана из газогидратов потребуется примерно в 15 раз меньше энергии, чем содержащаяся в самом метане тепловая энергия. При этом в 1 м3 газогидратов содержится 160 м3 метана.

По современным оценкам в выше отмеченных работах количество газа в газогидратных залежах на нашей планете составляет (16-14000)1012 м3.

Это энергетический резерв человечества более чем на тысячу лет. Поэтому разработка газогидратных месторождений – важная мировая научно-техническая проблема.

Перевод метана в газогидратную форму позволяет перевести парниковый метан в энергоресурс, снизить аварийность на шахтах, сохранить жизни шахтеров, утилизировать попутный газ, провести газификацию России без прокладки труб в труднодоступные местности, создать новую отрасль ТЭК в рамках 6 техноуклада.

37

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!