De volgende gusher van Big Oil is op nanoschaal

Vorig jaar verbruikte de wereld bijna 97 miljoen vaten olie per dag. Wat als ik je zou vertellen dat er nog veel meer vaten in diezelfde putten zitten? Diep in de rots blijft 60 procent en meer van de olie van een reservoir gevangen in haarvaten die soms slechts tientallen tot honderden nanometers breed zijn (ter vergelijking:DNA is 2,5 nanometer breed). Het is vanwege de poreuze aard van zandsteen en schalie dat olie kan bezinken in sedimentair gesteente. Maar echt begrijpen hoe je de olie uit deze haarvaten krijgt, was tot nu toe onmogelijk.

Mijn team voor industriële technologie en wetenschap in Rio de Janeiro heeft een onderzoek gepubliceerd in Scientific Reports , Adsorptie-energie als maatstaf voor bevochtigbaarheid op nanoschaal, waarin wordt uitgelegd hoe de eigenschappen van vloeibare oliemoleculen zich op volledig verschillende en onverwachte manieren gedragen wanneer ze in contact komen met een vaste stof, op nanoschaal. Alles wat de industrie weet over het winnen van olie, zoals het berekenen van de energie die nodig is voor de winning, blijkt op nanoschaal anders te zijn.

Het simuleren en meten van vreemdheid van bevochtiging

Attoliters (10 ^-18 ), ziet een druppel vloeistof er niet meer uit als wat we ons voorstellen:bolvormige of traanvormige vormen. In plaats daarvan bleek uit ons onderzoek dat de oliedruppel op nanoschaal er uiteindelijk veel meer uitzag als een platte film tegen een vast oppervlak. Dit grotere oppervlak bleek veel meer "bevochtiging" te vertegenwoordigen dan waarmee rekening was gehouden in typische macroscopische metingen. En niet alleen was er meer oppervlaktedekking in deze platte nanodruppels dan eerder werd gedacht, de standaard simulatietools en -technieken hielden geen rekening met de verhoogde energie die nodig is om deze oliemoleculen te extraheren.

Figuur 3 Druppeladsorptie-energie:onderschat op nanoschaal. (a) Vergelijking van het werkelijke oppervlak met een geïdealiseerde bolvormige dop die past bij dezelfde gegevens. (b) Verschil tussen adsorptie-energie voor het werkelijke oppervlak en die van de bolvormige kapbenadering. De negatieve verschillen geven aan dat de gemonteerde bolvormige kap de adsorptie-energie onderschat, net zoals het contactoppervlak onderschat. Voor volumes groter dan 106 nm3 geeft een sferische cap fit een robuuste schatting van de adsorptie-energie α. (Opmerkingen: Figuur 3b acroniemen:AFM-Atomic Force Microscope Measurement, AAMD-All Atom Molecular Dynamics Simulation, CGMD-Course Grain Molecular Dynamics Simulation. Afbeelding herdrukt van Wetenschappelijke rapporten' "Adsorptie-energie als maatstaf voor bevochtigbaarheid op nanoschaal")

Het blootleggen van de vormverandering op nanoniveau bracht ons ertoe oliestroomsimulaties te ontwikkelen die de oliewinning uit een reservoir beter konden voorspellen.

IBM is echter geen olie- en gasbedrijf. We hebben niet alle gegevens over de materialen, kernpluggen en specifieke reservoirs die een oliemaatschappij als kerngegevens zou beschouwen. Dus om een ​​computationele weergave van een reservoir op nanoschaal te bouwen (video, hieronder), hebben we gegevens over steenkarakterisering uit openbare opslagplaatsen gehaald, zoals het Rock Physics Network van ETH Zürich. Vervolgens kunnen we, op basis van de 'reservoirsjabloon' die is gemaakt van de geometrische gegevens, nu de bevochtigings- en stromingswetenschap op nanoschaal toepassen die nog niet eerder was gedaan.

Vervolgens hebben we deze nieuwe sjabloon aan olie- en gasbedrijven getoond om te demonstreren hoe onze nanostroomsimulatie rekening houdt met de eigenschappen van de olie die in de haarvaten van hun bronnen zit. En hoewel de simulatie niet suggereert hoe alle ingesloten olie moet worden geëxtraheerd, biedt het wel verschillende technieken en materialen om te onderzoeken die kunnen helpen om ongeveer 1 procent meer te extraheren. In Brazilië, dat elke dag 2,4 miljoen vaten olie pompt, zou die productiestijging van 1 procent 24.000 extra vaten aan het dagelijkse totaal toevoegen - en 8,8 miljoen vaten meer per jaar.

Van stroomsimulaties tot oliefilterchips

Onze ontdekking van de bevochtigbaarheid is een belangrijke stap om olie- en gasbedrijven te helpen meer dan het industriegemiddelde van 40 procent van de olie in hun reservoirs terug te winnen. De volgende stap is het bestuderen van de oliestroom in nano-capillairen. Daartoe hebben we een geïntegreerd chipplatform ontwikkeld waarmee we stroming op nanoschaal experimenteel kunnen valideren en kalibreren voor het bouwen van betere stromingssimulaties (lees ons artikel gepresenteerd op de Rio Oil &Gas Expo &Conference 2016:Multiscale Science Enables High-Accuracy Simulations Of Verbeterde olieterugwinning).

Om dit te doen, moeten we opschalen:eerst hebben we een fysieke meting nodig van een capillair netwerk van een scanning elektronenmicroscoop of een röntgencomputertomografie. Vervolgens gebruiken we met de gegevens van het poriënnetwerk een experimenteel gekalibreerde stroomsimulatie om te bepalen hoeveel druk er nodig is om water te pompen, inclusief aangepaste chemicaliën die speciaal zijn ontworpen om olie van gesteente te scheiden, door het poriënnetwerk op nanoschaal - en uiteindelijk om de olie eruit te duwen (waarvoor we een patent hebben:Methode en geïntegreerd apparaat voor het analyseren van vloeistofstroom en vloeistof-vaste stof interface-interactie).

Tegenwoordig vertrouwt de industrie op onvolledige fysieke modellen om oliewinning bij hun bronnen te voorspellen. En het zou het rendement op de investering aanzienlijk kunnen verbeteren met nauwkeuriger voorspellingen voor oliewinning. Ons onderzoek biedt een manier om voorspellingsmodellen te verbeteren om beter rekening te houden met de olie op nanoschaal, wat van bijzonder belang is in niet-conventionele reservoirs. Nu rekening houden met de nanoschaal zou nog eens 1 procent opbrengst aan oliewinning kunnen betekenen. En uiteindelijk, met betere simulatietechnologie en functionele materialen, kunnen we misschien dichterbij komen om ook de resterende 59 procent te recupereren.

Lees hier meer over het werk dat we doen in ons nieuwe NanoLab-lab in Rio.