Ontgrendelen Verborgen Oliereserves: Hoe Nanowetenschap een Nieuwe Boom Drijft

Vorig jaar verbruikte de wereld bijna 97 miljoen barrels olie per dag. Toch blijft een significant deel van die reserve gevangen in dezelfde putten - tot 60% van een reservoir's olie kan vastzitten in capillairen van slechts tientallen tot honderden nanometers wijd (voor context, DNA is 2,5nm wijd). De poreuze natuur van zandsteen en kleisteen laat olie in deze minuscule poriën zijk, maar het extraheren ervan is lang een technische uitdaging geweest - tot nu.

Ons industriële technologie & wetenschap team in Rio de Janeiro publiceerde een cruciale studie in Scientific Reports getiteld "Adsorption Energy as a Metric for Wettability at the Nanoscale." Het onderzoek demonstreert dat olie moleculen op onverwachte manieren gedragen wanneer gevangen aan een vast oppervlak op de nanoscale, fundamenteel de energie berekeningen altererend die gebruikt worden om extractie aan te drijven.

Simuleren en Meten van Wettability Weirdness

Op de attoliter schaal (10^-18 L), verschijnt een druppel niet langer sferisch of druppelvormig. In plaats daarvan onthulden onze experimenten dat de olie druppel plat gaat liggen tegen het vaste oppervlak, wat een veel groter contactoppervlak creëert dan eerder aangenomen. Deze verhoogde benattingsoppervlakte eist hogere energie voor extractie - een factor die traditionele macroscopische modellen over het hoofd zien.

Figuur 3. Druppel adsorptie energie: onderschat op de nanoscale. (a) Vergelijking van het actuele oppervlak met een geïdealiseerde sferische kap fit op dezelfde data. (b) Verschil tussen adsorptie energie voor het actuele oppervlak en die van de sferische kap benadering. Negatieve verschillen duiden erop dat de gefitte sferische kap de adsorptie energie onderschat, net als het de contactoppervlakte onderschat. Voor volumes groter dan 10⁶ nm³ levert een sferische kap fit een robuuste schatting van de adsorptie energie α. Notities: Figuur 3b acroniemen: AFM–Atomic Force Microscoop Meting, AAMD–All Atom Molecular Dynamics Simulatie, CGMD–Coarse Grain Molecular Dynamics Simulatie. Afbeelding hergedrukt uit Scientific Reports "Adsorption energy as a metric for wettability at the nanoscale."

Het erkennen van deze nanoscale vormverandering stelde ons in staat om accuratere olie-stroom simulaties te ontwikkelen, voorspellend hoe gevangen olie gemobiliseerd kan worden uit reservoirs.

Hoewel IBM geen olie- en gasbedrijf is, benutten wij publiek beschikbare rotskarakteriseringsdata (bijv. ETH Zürich's Rock Physics Network) om een realistisch nanoscale reservoir model te construeren. Dit framework integreert de nieuw ontdekte benattingsgedrag in stroomsimulaties - een benadering die eerder onbereikbaar was.

Wij presenteerden dit model aan olie- en gas partners, illustrerend hoe nanoscale stroomdynamiek nieuwe extractiestrategieën kan informeren. Hoewel de simulatie geen volledige herwinning garandeert, suggereert het dat gemaatwerkte materialen en technieken een additionele 1% van gevangen olie kunnen ontgrendelen. In Brazilië - waar 2,4 miljoen barrels dagelijks geproduceerd worden - vertaalt een 1% boost naar 24.000 extra barrels per dag, of ruwweg 8,8 miljoen barrels per jaar.

Van Stroomsimulaties naar Olie-Filter Chips

Onze wettability doorbraak is een cruciale stap naar het overstijgen van de industrie's gemiddelde herwinningsgraad van 40%. De volgende mijlpaal betreft het bestuderen van olie stroom binnen nano-capillairen. Hiertoe hebben wij een geïntegreerd chip platform geëngineerd dat experimentele validatie en kalibratie van nanoscale stroommodellen toelaat. Details werden gepresenteerd op de 2016 Rio Oil & Gas Expo & Conferentie in het paper "Multiscale Science Enables High-Accuracy Simulations Of Enhanced Oil Recovery."

De workflow begint met een fysieke kaart van een capillair netwerk verkregen via scanning elektronenmicroscopie of X-ray computed tomography. Deze data voedt een experimenteel gekalibreerde stroomsimulatie die de druk bepaalt die vereist is om water - potentiële geaugmenteerd met maatwerkte chemicaliën - te drijven om olie uit de rots te verdringen. Ons gepatenteerde technologie, "Method and Integrated Device for Analyzing Liquid Flow and Liquid-Solid Interface Interaction," ondersteunt deze benadering.

Huidige industrie modellen steunen op incomplete fysieke representaties, wat herwinningsvoorspellingen beperkt. Door nanoscale dynamica te incorporeren, kunnen wij deze modellen verfijnen, potentiële nog een 1% opbrengst toevoegend. Gecombineerd met geavanceerde simulatie tools en functionele materialen, zou dit ons dichter kunnen brengen aan het herwinnen van de overgebleven 59% van gevangen olie.

Leer meer over ons werk in de nieuwe NanoLab in Rio: https://www.ibm.com/research/labs/rio-nanolab.