대형 석유의 다음 분출은 나노 규모입니다

작년에 세계는 하루에 거의 9,700만 배럴의 석유를 소비했습니다. 같은 우물에 더 많은 배럴이 여전히 남아 있다고 말하면 어떻게 될까요? 암석 깊숙한 곳에서 저수지의 기름 중 60% 이상이 때로는 수십에서 수백 나노미터 너비의 모세관에 갇힌 채로 남아 있습니다(비교용:DNA의 너비는 2.5나노미터임). 기름이 퇴적암에 침전될 수 있는 것은 사암과 셰일의 다공성 특성 때문입니다. 그러나 이러한 모세관에서 오일을 제거하는 방법을 실제로 이해하는 것은 지금까지 불가능했습니다.

리우데자네이루에 있는 제 산업 기술 및 과학 팀이 Scientific Reports에 연구를 발표했습니다. , 나노 규모의 습윤성에 대한 척도로서의 흡착 에너지, 액체 오일 분자의 특성이 나노 규모에서 고체와 접촉할 때 완전히 다른 예상치 못한 방식으로 어떻게 행동하는지 설명합니다. 추출에 필요한 에너지 계산과 같이 업계에서 오일 추출 방법에 대해 알고 있는 모든 것이 나노 규모에서 다른 것으로 판명되었습니다.

습윤성 이상 시뮬레이션 및 측정

attoliters(10 ^-18 ), 액체 방울은 우리가 상상하는 것처럼 보이지 않습니다:구형 또는 눈물 방울 모양. 대신, 우리의 연구는 궁극적으로 나노 규모의 기름 방울이 단단한 표면에 대해 훨씬 더 평평한 필름처럼 보인다는 것을 발견했습니다. 이 증가된 표면적은 일반적인 거시적 측정에서 설명된 것보다 훨씬 더 많은 "습윤"을 나타내는 것으로 나타났습니다. 그리고 이 평평한 나노 액적에는 이전에 생각했던 것보다 더 많은 표면 범위가 있을 뿐만 아니라 표준 시뮬레이션 도구와 기술은 이러한 오일 분자를 추출하는 데 필요한 증가된 에너지를 고려하지 않았습니다.

그림 3 액적 흡착 에너지:나노 스케일에서 과소 평가됨. (a) 동일한 데이터에 맞는 이상적인 구형 캡이 있는 실제 표면의 비교. (b) 실제 표면에 대한 흡착 에너지와 구형 캡 근사치의 흡착 에너지 차이. 음의 차이는 장착된 구형 캡이 접촉 면적을 과소평가하는 것처럼 흡착 에너지를 과소평가한다는 것을 나타냅니다. 106 nm3보다 큰 부피의 경우 구형 캡 맞춤은 흡착 에너지 α의 강력한 추정치를 제공합니다. (참고: 그림 3b의 두문자어:AFM-Atomic Force Microscope Measurement, AAMD-All Atom Molecular Dynamics Simulation, CGMD-Course Grain Molecular Dynamics Simulation. Scientific Reports'에서 재인쇄된 이미지 "나노스케일에서 습윤성에 대한 척도로서의 흡착 에너지")

나노 수준의 모양 변화를 발굴하여 저장소에서 오일 추출을 더 잘 예측할 수 있는 오일 흐름 시뮬레이션을 개발하게 되었습니다.

그러나 IBM은 석유 및 가스 회사가 아닙니다. 우리는 석유 회사가 핵심 데이터로 간주할 재료, 코어 플러그 및 특정 저장소에 대한 모든 데이터를 가지고 있지 않습니다. 따라서 나노 스케일(아래 비디오)에서 저수지의 컴퓨터 표현을 구축하기 위해 ETH Zurich의 Rock Physics Network와 같은 공공 저장소에서 암석 특성화 데이터를 가져왔습니다. 그런 다음 기하학적 데이터에서 만든 "저장소 템플릿"을 기반으로 이전에는 수행되지 않았던 나노 스케일 습윤 및 유동 과학을 배포할 수 있습니다.

그런 다음 우리는 이 새로운 템플릿을 석유 및 가스 회사에 보여 주어 나노 흐름 시뮬레이션이 우물의 모세관에 갇힌 오일의 특성을 고려하는 방법을 보여주었습니다. 시뮬레이션은 갇힌 기름을 모두 추출하는 방법을 제안하지는 않지만 약 1% 더 추출하는 데 도움이 될 수 있는 탐색할 다양한 기술과 재료를 제공합니다. 매일 240만 배럴의 석유를 생산하는 브라질에서는 생산량이 1% 증가하면 일일 총 생산량이 24,000배럴, 매년 880만 배럴이 추가됩니다.

유동 시뮬레이션에서 오일 여과 칩까지

우리의 젖음성 발견은 석유 및 가스 회사가 저장소에 갇혀 있는 석유의 업계 평균인 40% 이상을 회수할 수 있도록 돕는 중요한 단계입니다. 다음 단계는 나노 모세관에서 오일의 흐름을 연구하는 것입니다. 이를 위해 우리는 더 나은 흐름 시뮬레이션을 구축하기 위해 나노 규모 흐름을 실험적으로 검증하고 교정할 수 있는 통합 칩 플랫폼을 개발했습니다(2016 Rio Oil &Gas Expo &Conference에서 발표된 논문 읽기:Multiscale Science Enables High-Accuracy Simulations of 향상된 오일 회수).

이렇게 하려면 규모를 확장해야 합니다. 먼저 주사 전자 현미경 또는 x-선 컴퓨터 단층 촬영에서 모세관 네트워크의 물리적 측정이 필요합니다. 그런 다음 기공 네트워크의 데이터를 사용하여 실험적으로 보정된 흐름 시뮬레이션을 사용하여 나노 규모의 기공 네트워크를 통해 암석에서 기름을 분리하도록 특별히 설계된 맞춤형 화학 물질을 포함하여 물을 펌핑하는 데 필요한 압력을 결정하고 결국 기름을 밀어냅니다. (우리는 특허를 보유하고 있습니다:액체 흐름 및 액체-고체 계면 상호 작용을 분석하기 위한 방법 및 통합 장치).

오늘날 업계는 불완전한 물리적 모델에 의존하여 유정에서 석유 회수를 예측합니다. 그리고 더 높은 정확도의 오일 회수 예측을 통해 투자 수익을 크게 향상시킬 수 있습니다. 우리의 연구는 비재래식 저장고에서 특히 중요한 나노 규모로 제한된 오일을 더 잘 설명하기 위해 예측 모델을 개선하는 방법을 제공합니다. 이제 나노 규모를 고려하면 석유 회수율이 1% 더 증가할 수 있습니다. 그리고 결국 더 나은 시뮬레이션 기술과 기능성 소재로 나머지 59%도 회수하는 데 더 가까워질 수 있을 것입니다.

여기에서 리오에 있는 새로운 NanoLab 연구소에서 하고 있는 작업에 대해 자세히 알아보세요.