Создание сенсоров для измерений непосредственно в процессе бурения, картирования резервуаров нефти и газа

НАНОТЕХНОЛОГИИ В НЕФТЕГАЗОВОМ ХОЗЯЙСТВЕ НАНОСЕНСОРЫ Создание сенсоров для измерений непосредственно в процессе бурения, картирирования резервуаров нефти и газа Лекция 6 2 НАНОСЕНСОРЫ Нанодатчики - устройства, способные воспринимать физические стимулы и реагировать на них, эффективно передавать данные и информацию, обладающие уникальными физическими свойствами в наномасштабе. Такого рода наноматериалы имеют некоторые преимущества по чувствительности и специфичности по сравнению с традиционными материалами. В состав наносенсора может входить множество добавок, таких как ускорители, наполнители, волокна, пластификаторы, нанохлопья и нанопластинки. Добавление этих добавок зависит от области их применения. Наносенсоры могут работать в том же масштабе, что и естественные биологические процессы, что позволяет работать как с химическими, так и с биологическими частицами. Повышение чувствительности наносенсора обеспечивает высокое отношение площади поверхности к объему наноматериалов. Области применения наносенсоров в нефтегазовом деле • Создание точных 3D сейсмических методов; • Обеспечение подробной и точной информации о скважинах и пластах; • Совершенствование мониторинга и поглощения газов. глубоких 3 КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОСЕНСОРОВ Классификация, основанная на наносенсоров • Оптические наносенсоры • Электрохимические наносенсоры Классификация, основанная наносенсоров • Химические • Электрометрические • Биосенсорные на структуре применении 4 НАНОСЕНСОРЫ ДЛЯ ГЛУБИННЫХ ПЛАСТОВ Для анализа нефтегазовых коллекторов были разработаны различные методы построения изображений, но получить изображение с высоким разрешением попрежнему невозможно. Оптические, магнитные и электрические характеристики наноматериалов, начиная с введения и распределения наносенсоров в пористопроницаемый пласт, делают их надежными инструментами для увеличения контраста изображения. Наносенсоры могут использоваться для получения более подробной и точной информации о коллекторах и жидкостях во время процессов бурения и повышения нефтеотдачи. Добавляя наносенсоры в пласт, можно детально наблюдать поток углеводородов в отдельных порах и каналах под землей, а также идентифицировать захваченную нефть. Получен новый тип наносенсоров для исследования характеристик глубинных пластов, основанный на обеспечении их контакта с границей жидкости и породы. Высокое качество характеристики было достигнуто путем определения точного профиля температуры и давления. Для измерения изображений формаций в разведочном поле использовали гиперполяризованные кремниевые наночастицы в качестве наносенсоров. Наносенсоры могут успешно применяться для мониторинга процессов нефтепереработки. 5 НАНОЧАСТИЦЫ ДЛЯ ПОИСКА НЕФТИ Первым этапом процесса добычи нефти является поиск источника углеводородов. На рисунке показан возможный механизм метода обнаружения нефтяных микробов с использованием наночастиц в нефтеносных породах. С этой целью предложили использовать гиперполяризованные наночастицы кремния для получения изображений нефти в запасе углеводородов. Наносенсоры используются в виде нанопорошка для сбора физических и химических данных из резервуаров для оценки, типа течения жидкости и их поведения в пластовых условиях. 6 НАНОЧАСТИЦЫ ДЛЯ ПОИСКА НЕФТИ Чтобы улучшить метод поиска нефти, синтезировали окисленную углеродную сажу, покрытую поливиниловым спиртом, которая может переносить гидрофобные соединения через различные типы пород нефтяных месторождений и может выделять соединение при столкновении с углеводородсодержащими породами. Они сообщили о механизме обнаружения углеводородов приготовленным нанокомпозитом. В других экспериментальных работах провели эксперимент с наночастицами кремнезема с обработанной поверхностью. Они вводили наночастицы (до ~ 20 мас.%) в различные осадочные породы с переменной литологией (проницаемость от ~ 1014 до 1012 м2) и пришли к выводу, что концентрированная дисперсия с обработанной поверхностью может легко переноситься через низкопроницаемую пористую среду. За это ответственны два фактора. Первый - это наночастицы наночастиц, которые позволяют им легко проходить через поры горных пород, а, во-вторых, поверхностное покрытие наночастиц помогает оставаться индивидуально диспергированными в воде. Они также измерили кажущуюся вязкость и объемную вязкость наножидкости. Кажущаяся вязкость дисперсий наночастиц ниже объемной вязкости. Таким образом, можно сделать вывод, что концентрированные дисперсии наночастиц все еще сохраняют коллоидный характер во время потока в каналах с малыми порами. 7 НАНОЧАСТИЦЫ ДЛЯ ПОИСКА НЕФТИ Исследовали адсорбцию наночастиц при прохождении через пористую среду. Провели серию экспериментов с наночастицами в пробках керна и в колонках, заполненных измельченной осадочной породой, систематически изменяя скорость потока, тип наночастиц, концентрацию дисперсии, количество и размеры дисперсионных пробок и размер зерна колонки. В экспериментальных целях они использовали покрытые полиэтиленгликолем (PEG) наночастицы диоксида кремния (PEG-Si), солеустойчивые наночастицы диоксида кремния (ST-Si) и флуоресцентные наночастицы диоксида кремния (FL-Si). Поскольку адсорбция этих наночастиц в пористой среде очень низкая, их можно использовать в качестве наносенсоров для сбора информации во время определения характеристик коллектора. Предложен «инструмент для обнаружения нефтяных микробов», использующий нанооптические волокна как часть инструмента для обнаружения нефти в обходе или нефти, оставшейся после заводнения. Эта методология упрощает и повышает эффективность планирования операций по увеличению нефтеотдачи после того, как вы точно знаете, в каких регионах были обнаружены масла. 8 КАРТИРОВАНИЕ РЕЗЕРВУАРОВ Применение нанотехнологий в картировании резервуаров или исследовании свойств резервуаров имеет большое значение для геофизиков. Картирование коллектора используется для мониторинга производительности коллектора, оценки запасов и размещения скважин. Нанотехнологии открывают большие перспективы как для картирования, так и для управления запасами ископаемого топлива из-за малых размеров наночастиц, поэтому могут анализировать трещины и поры, в которых задерживается нефть. Саггаф (2008) представил фантастическую демонстрацию будущих технологий разведки и добычи с использованием нанороботов для картирования резервуаров и сбора более точной информации о резервуарах. Он представил концепцию использования нанороботов для обнаружения углеводородов. Наносенсоры или нанороботы смогут собирать и анализировать информацию о температуре, давлении и поведении жидкости в коллекторе и сохранять всю эту информацию во встроенной памяти для эффективного картирования коллектора. Однако основная проблема заключается в том, что настоящие сенсорные системы не могут работать в условиях высокого давления и высокой температуры в глубоких коллекторах. 9 ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНЫХ НАНОЧАСТИЦ Наночастицы могут использоваться в качестве наносенсоров, поскольку они могут легко перемещаться через поры окружающих геологических структур и собирать информацию о характеристиках коллектора. Наиболее широко изучаемых технологий является применение магнитных наночастиц для электромагнитного (ЭМ) картирования и определения характеристик коллектора. Магнитные наночастицы обладают способностью обеспечивать магнитные измерения с высоким разрешением за счет изменения магнитной проницаемости горной породы и пластовых флюидов на очень низких частотах. Магнитные наночастицы способны исследовать распределение несмешивающихся жидкостей, поскольку они могут быть легко сконструированы так, чтобы адсорбироваться преимущественно на границе раздела «нефть-вода:. Это обнаружение основано на создании межфазной флуктуации и волны давления (звука) в результате движения наночастиц, адсорбированных на границе раздела «нефть-вода» или «воздух-вода» из-за внешнего магнитного поля. Такой подход часто называют магнитоакустической томографией. 10 ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ МАГНИТНЫХ НАНОЧАСТИЦ Измерение смещения (лазерная томография) Движение границы раздела под действием магнитного поля Магнит 11 НАНОСЕНСОРЫ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ Примером применения нанотехнологий в разведке и описании коллекторов является разработка сенсорных устройств на основе наноматериалов для мониторинга в реальном времени загрязнителей, токсичных и опасных газов. Такие сенсорные устройства могут быть предназначены для обнаружения CO2, H2S и различных типов природных газов, таких как CH4. Получен дешевый, автономный, маломощный, высокоселективный и чувствительный сенсор для обнаружения газа H2S на основе наночастиц WO3. Этот датчик на основе наночастиц WO3 был способен выборочно измерять концентрацию H2S в диапазоне 0–200 ppm с пределом обнаружения всего 1 ppm. Этот датчик не требует значительного энергопотребления, поскольку его можно использовать при мощности ниже 20 мВт для очень низкой продолжительности рабочего цикла. В другом исследовании применили вододисперсный наносенсор для процесса заводнения - смесь наносенсоров на водной основе, содержащий квантовые точки InP / ZnS и кластер атомарного серебра (Ag) с яркой люминесценцией. Датчик смог продемонстрировать улучшенные сенсорные способности в смоделированных пластовых условиях (высокая соленость, Ca2+, pH, высокая температура, присутствие нефти и твердых частиц коллектора, таких как глина и карбонаты кальция). Модификация поверхностного покрытия позволила идентифицировать изменения pH, химической среды, температуры и наличия твердого вещества в резервуаре. 12 НАНОРЕПОРТЕРЫ Несколько других многофункциональных наноматериалов, таких как сульфатированные и несульфатированные наночастицы окисленной углеродной сажи, функционализированные поливиниловым спиртом (PVA-OCB), также использовались для зонда обнаружения углеводородов в скважине. Нековалентное присоединение молекулы зонда, то есть тригептиламина (THA) к сульфатированному PVA-OCB (который называется нанорепортером), можно закачать в нефтяной пласт и использовать для получения точной информации о подземном содержании нефти. Нанорепортер помогает молекулам зонда (THA) перемещаться через породу и выборочно высвобождать их всякий раз, когда порода содержит нефть. Информацию о внутрискважинном содержании углеводородов в конкретной горной породе можно точно получить путем анализа количества молекул зонда, оставшихся на нанорепортере, собранном в добывающей скважине. Аналогичная концепция также использовалась для приложения по обнаружению загрязнителя H2S. Обнаружение H2S было выполнено путем присоединения сажи, функционализированной поливиниловым спиртом, с сенсорными фрагментами H2S, называемыми флуоресцентным зондом. Путем закачки этих гибридных молекул в углеводородный резервуар можно определить содержание H2S на основе усиления флуоресценции добавок датчика H2S. 13 СХЕМАТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ОБНАРУЖЕНИЯ ВНУТРИСКВАЖИННОГО СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ И H2S С ПОМОЩЬЮ НАНОСЕНСОРОВ НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА 14 РАЗВЕДКА НЕФТИ Одним из наиболее важных, но дорогих и рискованных видов деятельности в нефтегазовой отрасли является разведка углеводородов. Цель этого процесса - просто найти скопления углеводородов под поверхностью земли. Однако он часто создает множество уникальных проблем, таких как неожиданная геология и непредвиденная опасность, которые могут значительно увеличить общую стоимость производства. Сообщается, что многие традиционные методы зондирования, за исключением сейсмических методов, могут предоставить лишь небольшую информацию о коллекторе, поскольку они могут проникать только на несколько дюймов от ствола скважины. Современные технологии зондирования по-прежнему не позволяют получать изображения коллектора с высоким разрешением и не обладают способностью глубоко проникать в пласт для получения ключевой информации о характеристиках коллектора. Кроме того, многие методы измерения, такие как обычные электрические датчики, часто не могут предоставить надежную информацию при определенных экстремальных условиях коллектора. Несмотря на развитие новейших современных методов разведки, таких как трехмерные и четырехмерные сейсмические исследования, все еще желательны новые, простые, недорогие, безопасные и чувствительные технологии зондирования, которые могут точно определять местонахождение скоплений углеводородов. Интеграция между новым картированием резервуаров и вычислительными стратегиями также необходима для достижения лучшего обнаружения, определения размеров и характеристик резервуаров.