Технология разработки наноматериалов

 

Наиболее крупнотоннажным (после строительных) является производство высокопрочных конструкционных материалов, глав­ным образом металлов и сплавов. Потребность в них и материало­емкость изделий из них зависят от механических свойств: упруго­сти, пластичности, прочности, вязкости разрушения и др. Известно, что прочность материалов определяется химическим составом и реальной атомарной структурой (т.е. наличием определенной кри­сталлической решетки — или ее отсутствием — и всем спектром ее несовершенств). Высоких прочностных показателей можно доби­ваться двумя прямо противоположными способами: снижая кон­центрацию дефектов структуры (в пределе приближаясь к идеаль­ному монокристаллическому состоянию) или, наоборот, увеличи­вая ее вплоть до создания мелкодисперсного нанокристаллического или аморфного состояния. Оба пути широко используют в со­временном физическом материаловедении и производстве.

Обычно используют два основных способа манипуляции ато­мами с помощью иглы — горизонтальный и вертикальный. Про­цесс вертикальной манипуляции отличается от горизонтальной тем, что после захвата нужный атом отрывают от поверхности, поднимая зонд на несколько ангстрем. Это, разумеется, требует больших усилий, чем «перекатывание» атома по поверхности, но зато потом процесс переноса не зависит от встречающихся на ней препятствий (ступеней, ям, адсорбированных атомов). Процесс от­рыва атома от поверхности контролируют по скачку тока. После перемещения в необходимое место его «сбрасывают», приближая острие к поверхности и переключая напряжение на игле. В сущно­сти это пока лишь демонстрация возможности достижения теоре­тического предела в оперировании веществом при конструирова­нии полезных человеку устройств. Осуществление атомных мани­пуляций в массовом масштабе, пригодном для производства, тре­бует преодоления многих сложностей: необходимости криогенных температур и сверхвысокого вакуума, низкой производительности и надежности и т.д.

Гораздо больших успехов зондовые методы достигли в нанолитографии — «рисовании» на поверхности различных нанострук­тур с характерными размерами в десятки нанометров. Ближе всего к практическим приложениям подошли процессы трех типов: хи­мического окисления поверхности, индуцируемого движущимся острием; осаждения с острия наноостровков металла на поверх­ность за счет скачка напряжения; контролируемого наноиндентирования и наноцарапания. Минимальные размеры элементов, соз­даваемых этими способами, составляют около 10 нм, что позволяет в принципе осуществлять очень плотную запись, но производитель­ность и надежность оставляют желать много лучшего. Диапазон от 1 до 10 нм пока не освоен для литографии даже в лабораторных условиях.

• Получение порошков (нанодисперсных и гранулированных материалов) в импульсной плазме. Совершенствование физико-механических и специальных свойств материалов связано с поиском новых химических составов или структур. Эта задача может быть решена с использованием нетра­диционных процессов их получения или в результате модифици­рующей обработки материалов, что в полной мере относится и к порошкам, используемым в дисперсном состоянии (катализаторы, порошки для напыления) или служащим исходным сырьем для по­рошковой металлургии. Большой интерес в связи с этим представ­ляет применение концентрированных потоков энергии в различных процессах получения и обработки материалов: лазерного излуче­ния, заряженных частиц, плазмы.

Значительные технические трудности, возникающие при ис­пользовании энергии электронного луча и лазерного излучения для обеспечения равномерного воздействия на всю поверхность каж­дой частицы обрабатываемого порошка, приводят к тому, что в большей степени получили развитие методы обработки порошков с применением низкотемпературной плазмы.

При плазменных процессах могут быть получены материалы, у которых химический и фазовый составы, микроструктура и, следо­вательно, характеристики будут существенно отличаться от полу­чаемых традиционными методами. Это связано с неравновесными физико-химическими процессами, протекающими при их получе­нии и обработке.

В частности, при плазменном получении порошков на стадии их образования при конденсации из пара могут быть обеспечены условия, характеризующиеся огромными пресыщениями, приво­дящими к множественному зародышеобразованию конденсирую­щейся фазы при ограниченном времени роста частиц. Быстрый вы­вод их из зоны конденсации, препятствующий коагуляции, дает возможность получить вещество в ультрадисперсном (нанодисперсном) состоянии с размером частиц порядка сотни ангстрем.

 

1.5. Коэффициент извлечения нефти при различных технологиях разработки нефтяных месторождений

и проблемы рационального нефтеизвлечения

 

Применение нанотехнологии в процессах добычи нефти и газа несет комплексный синергетический эффект, позволяя увеличить извлекаемость запасов из месторождений, повысить экономичность разработки природных ресурсов, нарастить экспортный потенциал нашей страны на важнейшем направлении, обеспечить повышение экологической безопасности нефтегазовой отрасли.

Нанонаука - это междисциплинарные фундаментальные физи­ко-химические исследования объектов и процессов с масштабами 1-100 нм. Для сравнения масштабов можно отметить, что характер­ный размер человека - 1,5-2,2 м, толщина карандаша - 1 см, листа бумаги - 1 мм, человеческого волоса - 100 мкм, размер эритроцитов в крови - 10 мкм, современных интегральных микросхем - 1 мкм (1000 нм), вируса 100 нм, белковой молекулы - 10 нм, атомов - 1 нм. На­нонаука обеспечивает создание в информационных технологиях - супер-ЭВМ, в медицине - новые методы лечения, в экологии - новые материалы, в энергетике - топливные элементы.

По словам Министра образования и науки, Рос­сия сможет производить к 2015г. нанопродукции на сумму не менее триллиона рублей в год (что при нынешнем курсе чуть менее 25 руб­лей за доллар, эквивалентно несколько более 40 миллиардов долла­ров).

Однако в программе работ по нанотехнологиям, к сожалению, нет раздела по нанотехнологиям в нефтегазовой отрасли, и, поэтому, нет государственного внимания к развитию направления «нефтегазовые нанотехнологии».

Нефтегазовые нанотехнологии и наноявления в нефтегазовых пластах (по сути этих терминов) заняли в России ведущее место в публикациях и патентах по нефтегазовым пробле ­ мам с 70-х годов XX века и обеспе ­ чат увеличение нефтеизвлечения до 45-50% (в 1,5-1,7 раза больше, чем ныне реализуемые 25-35%).

Огромный рост добычи нефти в России во второй половине XX века был обеспечен открытиями уникальных месторождений с при­емлемыми геологическими условиями. Нынешняя деятельность неф­тяных компаний на территории России осложнена огромными техно­логическими проблемами, поскольку 65% оставшихся к XXI веку российских запасов нефти и газа относится к категории трудноизвлекаемых запасов нефти (ТИЗН).

В категории ТИЗН 28% общих запасов нефти находится в низ­копроницаемых коллекторах (НПК), 22% - остаточные запасы нефти в заводненных зонах (ОЗН), 8% - запасы в нефтегазоконденсатных месторождениях (НГКМ), 5% - запасы с высоковязкой нефтью, 2% -запасы в битумах. При этом 20% общих запасов находится в карбо­натных коллекторах, разработка которых сама по себе более сложная, чем запасов в терригенных коллекторах. Десятки процентов состав­ляют запасы в месторождениях со сложным геологическим строени­ем, наличием в нефти осложняющих разработку компонентов (пара­фин, сероводород). Месторождения с различными видами ТИЗН рас­положены по всей территории РФ.

По более поздним данным, 43% общих запасов нефти находится в низкопроницаемых коллекторах, и 34% - остаточные запасы нефти в заводненных зонах.

Кроме того, средний дебит скважин по нефти уменьшился с 25 т/сут в 1980 г. до 9 т/сут в 1994 г., а дебит по нефти новых скважин уменьшился с 40 т/сут в 1980 г. до 11 т/сут в 1994 г., и до 8 т/сут в 1996 г. При этом если средний коэффициент извлечения нефти (КИН) для активных запасов составляет 38-45%, то для НПК - 10-35%, а для высоковязких нефтей 5-25%.

Поэтому повышение как общего объема добычи нефти и газа, так и рациональности разработки месторождений, связано, в первую очередь, с созданием эффективных технологий разработки залежей с трудноизвлекаемыми запасами нефти (ТИЗН).

Такие запасы требуют значительно более сложных и дорого­стоящих технологий их добычи, что ведет к более низкой доходности по сравнению с добычей нефти в регионах нефтедобычи западными компаниями, выбирающими наиболее рентабельные участки. Приме­нение же традиционных технологий на территории России ведет либо к низкому коэффициенту извлечения нефти (КИН), другим словом - нефтеотдачи, при приемлемой рентабельности добычи нефти, либо к низкой рентабельности при приемлемом КИН.

Развитые страны мира тратят огромные средства на создание мощных программных комплексов (ПК) для проектирования разра­ботки нефтегазовых залежей и развитие нефтяной науки, что позво­ляет обосновывать высокорентабельные технологии даже для трудноизвлекаемых запасов нефти. Достаточно сослаться на огромные достижения нефтяников Канады и США, освоивших добычу нефти из слабосцементированных песков.

 

 

Рис. 1. Динамика проектного коэффициента извлечения нефти

(КИН) в России и США

 

 

В 70-80-х годах XX века в России была государственная программа по созданию технологий повышения нефтеизвлечения. Как видно из рис. 1, реализация государственной программы созда­ния научных и практических основ повышения нефтеотдачи в 70-80-х годах XX века привела на некоторое время к преодолению отрица­тельной российской тенденции падения проектной нефтеотдачи.

В таблице 2 представлены применяемые технологии разработки нефтяных месторождений с активными запасами нефти.

С 90-х годов потребности в обосновании высокоэффективных систем разработки практически исчезли - экономические показатели при выборочной добыче нефти оказались весьма привлекательными.

Последующее с 90-х годов XX века пренебрежение государст­венной поддержкой нефтяной науки и погоня недропользователей за «сегодняшними» доходами вернуло отрицательную тенденцию паде­ния проектной нефтеотдачи, что привело к нерациональной разработ­ке месторождений (низкому проектному КИН).

В таблице 2 представлены применяемые технологии разработки нефтяных месторождений с активными запасами нефти.

 

Таблица 2

Применяемые технологии разработки нефтяных месторождений с активными запасами нефти

 

Типы объектов	Доля запасов, %	Применяемые группы технологии кроме заводнения
с неоднородным коллекто­ром		Полимерно-гелевые, пенные, многозабой­ные и горизонтальные скважины, компью­терного моделирования процесса разра­ботки, изменения направления фильтра­ционных потоков, регулирующие условия смачивания.
малые по запасам		Наклонно-направленные скважины, водоизолирующие, регулирующие условия смачивания.
с подош­венной во­дой		Многозабойные и горизонтальные сква­жины, компьютерного моделирования процесса разработки, пенные.

 

А в США государственная поддержка применения современных методов разработки привела к росту проектной нефтеотдачи (рис. 1), а, следовательно, к росту налоговых поступлений в бюджет США. В дальнейшей перспективе, согласно материалам Лондонского ума по нефтеотдачи, применение уже освоенных современных технологий позволит увеличить величину среднего проектного КИН 50% к 2020 г., что означает увеличение мировых доказанных извлекаемых запасов нефти на 40%.

Некоторые технологии из этих групп уже применяются, часть подготовлена к реализации. Ожидаемый результат от масштабного применения современных модификаций этих технологий - увеличе­ние КИН для активных запасов на 10-15% до 50-70%, для ТИЗН - уве­личение КИН на 20-25% до 40-45%. При этом в среднем удастся выйти на проектный КИН = 50%.

В таблице 3 представлены применяемые технологии разработки нефтяных месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти:

 

Таблица 3

Применяемые технологии разработки нефтяных месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефти

 

Типы объектов	Доля запасов, %	Применяемые группы технологии кроме заводнения
с низкопро­ницаемыми или глиносодержими коллек­торами		С регулируемой минерализацией закачи­ваемой воды, глиностабилизирующие, пен­ные, тепловые, георыхления, гидроразрыва, компьютерного моделирования процесса разработки, закачки низкоконцентрирован­ных полимерных растворов, биополимер­ные, регулирующие условия смачивания.
остаточные запасы неф­ти в завод­ненных зонах		Полимерно-гелевые, пенные, многозабой­ные и горизонтальные скважины, компью­терного моделирования процесса разработ­ки, волновые, регулирующие условия сма­чивания.
в нефтегазоконденсат-ных месторождениях		Барьерное заводнение, пенные, многоза­бойные и горизонтальные скважины, ком­пьютерного моделирования и моделирова­ния процесса разработки
с высоковязкими нефтями		Термогазохимические, термополимерные, термошахтные, регулирующие условия смачивания.
с битумами		Термоволновые, термогазохимические