1 © 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»

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) получим, что при k = мкм 2 и m = 0,03 средний радиус пор такого коллектора составляет 8-25 нм. Такие коллекторы можно называть наноколлекторы.

5 В 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.

6 В наноразмерном диапазоне наиболее важным с точки зрения взаимодействия электрических и гидродинамичес- ких полей является градиентный характер силы со стороны электрического поля на среду (Сон Э.Е.). В порах радиусом 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 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 геолого-гидродинамических 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.

9 Основные термины в ФЗ 261-ФЗ 1) энергетический ресурс - носитель энергии, энергия которого исполь- зуется или может быть использована при осуществлении хозяйствен- ной 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.

11 Динамика добычи нефти (1) и обводненности продукции (2) в России.

12 По данным д.т.н., проф. Г.Г.Вахитова:

13 Таблица 2. Использование фонда эксплуатационных скважин основных нефтяных компаний России на г. Компании Эксплуатац. фонд, шт. Действ. фонд, шт. Бездейств. фонд, шт. % «ЛУКОЙЛ» ,8 «ЮКОС» ,5 «Сибнефть» ,8 «Сургутнефтегаз» ,3 «ТНК-ВР» ,8 «Татнефть» ,6 «Роснефть» ,9 «СлавНефть» ,8 «РуссНефть» ,7 Всего по России ,9

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).

17 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»

18

19 Годовая добыча нефти в России При обводенности нефти 83,5% годовая добыча жидкости (нефть+вода) составляет 3,4 млрд м 3. 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.

21 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.

22 Экономия электроэнергии При использовании узла РБО снижение температуры на 15 о С при годовой добыче жидкости (нефть+вода) 3,4 млрд м 3 экономия электроэнергии будет эквивалентна 15 о С х 3,4 млрд м 3.

23 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.

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.

25 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.

26

27 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!