Группа ученых из России, Малайзии, Пакистана и Китая доказала: экологически чистые гибридные наночастицы оксида титана и оксида кремния повышают эффективность добычи нефти из нетрадиционных пластов и при этом могут минимизировать ущерб для окружающей среды. Как показало численное исследование, добавление гибридных наночастиц TiO2 и SiO2 в воду увеличивает скорость извлечения нефти на 28 % и 6 % по сравнению с использованием чистой воды и мононаножидкости соответственно. Таким образом, возможности нетрадиционных природных резервуаров нефти могут вырасти. Это станет плюсом для мирового энергоснабжения и снизит зависимость от традиционных запасов полезного ископаемого. Вместе с тем «зеленый» синтез нетоксичен, а значит, не наносит ущерба воде, почве, экосистеме и здоровью человека.
По данным Роснедр и Минэнерго, в России на трудноизвлекаемые запасы (ТрИЗ) приходится почти 60 % от общего объема запасов нефти и более 40 % ее добычи. По прогнозам последний показатель к 2030 году достигнет 70 %. Однако добыча нефти из нетрадиционных пластов является непростой задачей из-за большого объема и сложной структуры вещества – оно отличается высокой вязкостью. Нетрадиционные резервуары часто содержат плотные песчаники, сланцы или трещиноватые карбонатные образования, что затрудняет поток жидкости. Кроме того, высокое содержание глины и естественные трещины приводят к быстрым темпам снижения интенсивности нефтеотдачи. Поэтому сейчас в стране разрабатывается много технологий добычи «трудной» нефти.
Аналогичная проблема из-за сложной геологии, низкой проницаемости и высокой неоднородности нетрадиционных резервуаров нефти существует также и в странах Юго-Восточной Азии. Глубина резервуара в этом регионе, условия давления и экономические ограничения еще больше ограничивают эффективность методов повышения нефтеотдачи.
Группа ученых Томского государственного университета, Азиатско-Тихоокеанского университета технологий и инноваций (Малайзия), Технологического университета Петронас (Малайзия), Университета Кебангсаан (Малайзия), Университета науки и технологий (Пакистан) и Сианьского технологического университета (Китай) опубликовала статью в журнале Heliyon (Q1) издательского дома Elsevier.
В ходе численного анализа ученые исследовали добычу нефти из нетрадиционных источников в диапазоне температур от +100°C до +200°C. Сделано это было на примере геометрической модели – призмы, представляющей собой нетрадиционный резервуар нефти. Уникальность методологии заключается в использовании экологически чистых гибридных наночастиц TiO2 и SiO2, которые ранее не исследовались применительно к добыче нефти в таких тепловых и геометрических условиях.
– Сейчас ученые и предприятия нефтедобывающей отрасли для повышения нефтеотдачи рассматривают применение наножидкостей с двумя или даже тремя различными материалами в качестве нановключений. Основная проблема в том, что не всегда есть возможность провести эксперименты с такими наносредами. Соответственно, их теплофизические, да и любые другие транспортные характеристики экспериментально недоступны. Поэтому приходится использовать различного рода теоретические корреляции для определения этих параметров. Сейчас по результатам серии вычислительных экспериментов и установления возможности роста нефтеотдачи за счет применения наножидкостей уже можно вести разговор с инженерами: давайте попробуем повторить полученный эффект в реальных условиях, – поясняет один из авторов исследования, заведующий научно-исследовательской лабораторией моделирования процессов конвективного тепломассопереноса ММФ ТГУ Михаил Шеремет.
В проведенной работе изучалась оптимизация показателей добычи трудноизвлекаемой нефти путем анализа нескольких переменных, таких как массовый расход, пористость слоя и объемная доля наночастиц, с использованием программного обеспечения ANSYS Fluent.
Полученный результат показывает, что гибридная наножидкость с наночастицами TiO2 и SiO2 обладает существенной способностью оптимизировать извлечение нефти из нетрадиционных резервуаров. В рамках рассматриваемых условий пик нефтеотдачи был достигнут при температуре +100°C.
Аналогичные методы с добавлением других наночастиц в жидкость также могут повысить скорость добычи нефти, однако во время этих процессов выделяются различные химические вещества, загрязняющие окружающую среду.
Еще одно преимущество «зеленого» синтеза – экономия энергии, поскольку нет необходимости в высоком давлении и температуре.
Напомним, работу в этом направлении Михаил Шеремет начал в 2021 году совместно со своим аспирантом Мудасаром Зафарой из Технологического университета Петронас (Малайзия).
Научно-исследовательская лаборатория моделирования процессов конвективного тепломассопереноса ТГУ создана в 2014 году в рамках государственного задания Минобрнауки России. Ученые лаборатории проводят исследования при грантовой поддержке РНФ, грантов и стипендий президента РФ.