Der nächste Schwall des großen Öls ist im Nanobereich

Im vergangenen Jahr hat die Welt fast 97 Millionen Barrel Öl pro Tag verbraucht. Was wäre, wenn ich Ihnen sagen würde, dass noch viele weitere Fässer in denselben Brunnen liegen? Tief im Inneren des Gesteins bleiben 60 Prozent und mehr des Öls einer Lagerstätte in Kapillaren gefangen, die manchmal nur zehn bis hunderte Nanometer breit sind (Zum Vergleich:DNA ist 2,5 Nanometer breit). Aufgrund der porösen Natur von Sandstein und Schiefer kann sich Öl in Sedimentgestein absetzen. Aber wirklich zu verstehen, wie man das Öl aus diesen Kapillaren herausbekommt, war bis jetzt unmöglich.

Mein in Rio de Janeiro ansässiges Team für Industrietechnologie und Wissenschaft hat eine Studie in Scientific Reports published veröffentlicht , Adsorptionsenergie als Maß für die Benetzbarkeit auf der Nanoskala, die erklärt, wie sich die Eigenschaften flüssiger Ölmoleküle bei Kontakt mit einem Feststoff auf der Nanoskala völlig anders und unerwartet verhalten. Alles, was die Industrie über die Gewinnung von Öl weiß, beispielsweise die Berechnung der Energie, die für die Gewinnung benötigt wird, stellt sich auf der Nanoskala anders heraus.

Verrücktheit der Benetzbarkeit simulieren und messen

Attoliter (10 ^-18 ) sieht ein Flüssigkeitstropfen nicht mehr so ​​aus, wie wir es uns vorstellen:Kugel- oder Tropfenform. Stattdessen fanden unsere Untersuchungen heraus, dass das nanoskalige Öltröpfchen letztendlich eher wie ein flacher Film auf einer festen Oberfläche aussah. Es stellte sich heraus, dass diese vergrößerte Oberfläche eine viel stärkere „Benetzung“ darstellt, als in typischen makroskopischen Messungen berücksichtigt wurde. Und diese flachen Nanotröpfchen hatten nicht nur eine größere Oberflächenbedeckung als bisher angenommen, sondern die Standard-Simulationstools und -techniken berücksichtigten nicht die erhöhte Energie, die erforderlich ist, um diese Ölmoleküle zu extrahieren.

Abbildung 3 • Tröpfchenadsorptionsenergie:auf der Nanoskala unterschätzt. (a) Vergleich der tatsächlichen Oberfläche mit einer idealisierten Kugelkalottenanpassung an die gleichen Daten. (b) Differenz zwischen der Adsorptionsenergie für die tatsächliche Oberfläche und der der Kugelkalottennäherung. Die negativen Unterschiede weisen darauf hin, dass die angepasste Kugelkalotte die Adsorptionsenergie ebenso wie die Kontaktfläche unterschätzt. Für Volumina größer als 106 nm3 liefert eine Kugelkalottenanpassung eine robuste Schätzung der Adsorptionsenergie α. (Hinweise: Abbildung 3b Akronyme:AFM-Atomic Force Microscope Measurement, AAMD-All Atom Molecular Dynamics Simulation, CGMD-Course Grain Molecular Dynamics Simulation. Bild nachgedruckt von Wissenschaftlichen Berichten „Adsorptionsenergie als Maß für die Benetzbarkeit auf der Nanoskala“)

Die Entdeckung der Formänderung auf Nanoebene führte uns dazu, Ölströmungssimulationen zu entwickeln, die die Ölförderung aus einer Lagerstätte besser vorhersagen können.

IBM ist jedoch kein Öl- und Gasunternehmen. Wir haben nicht alle Daten über die Materialien, Kernstopfen und spezifischen Lagerstätten, die eine Ölgesellschaft als ihre Kerndaten betrachten würde. Um eine rechnerische Darstellung eines Reservoirs im Nanomaßstab zu erstellen (Video, unten), haben wir Gesteinscharakterisierungsdaten aus öffentlichen Repositorien, wie dem Rock Physics Network der ETH Zürich, entnommen. Basierend auf der „Reservoir-Vorlage“, die aus den geometrischen Daten erstellt wurde, sind wir nun in der Lage, die nanoskalige Benetzungs- und Strömungswissenschaft anzuwenden, die zuvor nicht durchgeführt wurde.

Anschließend zeigten wir Öl- und Gasunternehmen diese neue Vorlage, um zu demonstrieren, wie unsere Nanoströmungssimulation die Eigenschaften des in den Kapillaren ihrer Bohrlöcher eingeschlossenen Öls berücksichtigt. Und obwohl die Simulation nicht vorschlägt, wie das gesamte eingeschlossene Öl extrahiert werden kann, bietet sie verschiedene Techniken und Materialien zum Erkunden, die helfen könnten, etwa 1 Prozent mehr zu gewinnen. In Brasilien, das jeden Tag 2,4 Millionen Barrel Öl fördert, würde eine Produktionssteigerung von 1 Prozent die tägliche Gesamtmenge um 24.000 weitere Barrel erhöhen – und jedes Jahr 8,8 Millionen Barrel mehr.

Von Strömungssimulationen bis hin zu Ölfilterchips

Unsere Entdeckung der Benetzbarkeit ist ein wichtiger Schritt, um Öl- und Gasunternehmen dabei zu helfen, mehr als den Branchendurchschnitt von 40 Prozent des in ihren Lagerstätten eingeschlossenen Öls zurückzugewinnen. Der nächste Schritt besteht darin, den Ölfluss in Nanokapillaren zu untersuchen. Zu diesem Zweck haben wir eine integrierte Chipplattform entwickelt, die es uns ermöglicht, nanoskalige Strömungen experimentell zu validieren und zu kalibrieren, um bessere Strömungssimulationen zu erstellen (lesen Sie unseren auf der Rio Oil &Gas Expo &Conference 2016 präsentierten Artikel:Multiscale Science Enables High-Accuracy Simulations Of Verbesserte Ölrückgewinnung).

Dazu müssen wir skalieren:Zunächst benötigen wir eine physikalische Messung eines Kapillarnetzwerks mit einem Rasterelektronenmikroskop oder einer Röntgen-Computertomographie. Mit den Daten des Porennetzwerks ermitteln wir dann mit einer experimentell kalibrierten Strömungssimulation, wie viel Druck erforderlich ist, um Wasser, einschließlich spezieller Chemikalien, die speziell zur Trennung von Öl von Gestein entwickelt wurden, durch das nanoskalige Porennetzwerk zu pumpen – und schließlich das Öl herauszudrücken (für das wir ein Patent haben:Verfahren und integriertes Gerät zur Analyse des Flüssigkeitsflusses und der Flüssigkeits-Feststoff-Grenzflächeninteraktion).

Heute verlässt sich die Industrie auf unvollständige physikalische Modelle, um die Ölförderung an ihren Bohrlöchern vorherzusagen. Und es könnte seine Kapitalrendite mit genaueren Prognosen zur Ölförderung erheblich verbessern. Unsere Forschung bietet eine Möglichkeit, Vorhersagemodelle zu verbessern, um das auf der Nanoskala begrenzte Öl besser zu berücksichtigen, was in nicht-konventionellen Lagerstätten von besonderer Bedeutung ist. Die Berücksichtigung der Nanoskala könnte jetzt eine weitere Ausbeute von 1 Prozent bei der Ölförderung bedeuten. Und schließlich können wir mit besserer Simulationstechnologie und funktionalen Materialien vielleicht auch die restlichen 59 Prozent wiedergewinnen.

Lesen Sie hier mehr über unsere Arbeit in unserem neuen NanoLab-Labor in Rio.