Лекционный курс Физические основы нанотехнологий и их...

Лекционный курс

Физические основы нанотехнологий и их

применение в нефтегазовой отрасли»

Часть 2. НАНООБЪЕКТЫ ПРИРОДНЫХ НЕФТЕЙ И СПОСОБЫ ИХ ИЗУЧЕНИЯ Тема Природная нанодисперсность жидких сред. «Пассивные» наноколлоиды механических примесей в нефти.

Природная нанодисперсность

жидких сред

При моделированиипотоков нефтейиспользуютсяпредставления

об однородностижидких сред

Природная нанодисперсность сложных по составу нефтей

все еще остается практически не исследованной.

Некоторые представления о характере нанодисперсности жидкого состояния можно получить из результатов изучения естественных надмолекулярных структур

в более простых жидкостях - воде и в отдельных компонентах нефтей (метане, бензоле, н-гексане и т.п.)

Компьютерное моделированиенанодисперсности жидкостей

ГексамерПентамерТетрамер

ТримерДимер

ВОДА

( ПРОСТЕЙШИЕ КЛАСТЕРЫ МОЛЕКУЛ )

Растянутая структура Сжатая структура

Компьютерная модель кластера (H2O)280 (http://www.lsbu.ac.uk/water/index.html)

ВОДА

Структурная модель «мерцающих» нанокластеров (Eisenberg and Kauzmann, 1969).

Линейные размеры мерцающих кластеров не превышают нескольких нанометров, а средние времена их существования составляют 10-10-10-9 секунд. Типичный кластер содержит примерно 65 молекул воды при 0°C и около 12 молекул при 100°C

Пространственный «каркас» нанокластера, образованногомолекулами воды.

Экспериментально выявленныеструктуры смешанных молекулярных нанокластеров в системе метанол + вода (Guo et al., 2003).

(J. Chem. Soc., Faraday Trans., 1998, 94, 3421-3426)

S. E. Abraham, D. Chakrabarti and B. Bagchi, J. Chem. Phys. 126, 74501 (2007).

Проявлениянанодисперсности

в смеси двухпростых

жидкостей

Природнаянанодисперсность

критическогосостояниявещества

Четвертое агрегатноесостояние –

Дельта () - состояние

http://arxiv.org/abs/physics/9904001

Критическое состояние при добыче нефти и газа

( Ретроградные явления – переходы из однофазного в двухфазное состояние )

НАНОЧАСТИЦЫМЕХАНИЧЕСКИХ

ПРИМЕСЕЙВ

ПРИРОДНЫХНЕФТЯХ

( Фирма Alfa Laval )

Центрифуги для отделения механических примесей из добытой нефти

Фотография ПЭМ и картина дифракции электронов для наноколлоидных механических примесей битума Атабаски. (Zai-Feng.et al., 2004)

200 нм

Модель поверхности наноразмерной частицымеханических примесей. (Zai-Feng.et al., 2004)

Частицы мех. примесей взаимодействуют с наночастицами других компонентов нефти

Стабилизация водонефтяных эмульсийнаноколлоидными частицами.

Вверху - различные углы смачивания на границе нефть - вода.Внизу слева – обратная эмульсия В/М, Внизу справа – прямая эмульсия М/В. Адаптировано из (de Luna, 2005).

Стабилизация водонефтяных эмульсийнаноколлоидными частицами.

Emulsified water droplets in diluted bitumen froth (b)and the interface between water dropletand diluted bitumen (a) (Moran and Czarnecki, 2006).

Skin formation (steric layer) at water droplet surfaces

Отстойникиводонефтяных эмульсий

«Промежуточные слои» «Rag Layers»

НЕФТЬ

ВОДА

«П. С.»

Субмикронные частицыглины, стабилизирующие«промежуточный слой»

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕНАНОЖИДКОСТИ

( НАНОЗОЛИ )

( с добавками твердых«пассивных»

наноколлоидных частиц )

Nanofluids:Nanofluids: Advanced Flow and Heat Transfer Fluids Advanced Flow and Heat Transfer Fluids

Prof. M. KosticProf. M. KosticMechanical EngineeringNORTHERN ILLINOIS UNIVERSITY

Cooling System

Liquid

Resistively Heated Crucible

Deionized water prior to(left) and after (right)dispersion of Al2O3

nanoparticles

Oil prior to (left) andafter (right) evaporationof Cu nanoparticles

Серверных процессоров

Автомобильных двигателей

НАНОЖИДКОСТИКАК СРЕДСТВОЭФФЕКТИВНОГООХЛАЖДЕНИЯ

Зависимость прироста теплопроводностиот содержания наночастиц в жидкости

МАГНИТНЫЕ НАНОЖИДКОСТИ

Герметизация вводов

механических устройств,

космических аппаратов,

медицина ….

Наножидкость-хамелеон обещает революцию в производстве мониторов

( http://grani.ru/Society/Science/m.124895.html )

Жидкость, изменяющая свой цвет под воздействием магнитного поля,

содержит сферические частицы оксида железа Fe3O4 (диаметром порядка 100 нанометров)

с нанесенным на них полимерным покрытием. 

 To test the future reality of having molecular devices in the reservoir, we embarked on a research initiative to run core-flooding experiments on carbonate samples from ARAB-D formations using inert nanoparticle suspensions. This was aimed also to set the stage for injecting traceable nanoparticles into the rock. Broadly, the study intendedto generate baseline data for tile injection response of nanoparticles in the carbonate bimodal samples and correlate the impact on the rock permeability and the particle transport efficiency in terms of particle size, concentration, and surface chemistry.

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ ЗАВОДНЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ПЛАСТОВ

Nanofluid technology promises large-scale performance gains from tight reservoirs

The underlying concept that allows nanofluids to remove fluids from a reservoir with such a high level of efficiency is called disjoining pressure, Due to their extremely small size, the nanofluid's particles can easily move into very tight formations, which have porosities in the microdarcy range, without the need for an external pumping force. When they come into contact with a discontinuous phase, such as an oil-rock interface, these particles self assemble to form a thin film known as a wedge layer. This wedge film then exerts a pressure on the discontinuous phase, called a disjoining pressure, which effectively works to separate the oil from the rock surface and carry it out of the rock pore.

2011

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЖИДКОСТЕЙ В КАЧЕСТВЕ ЭФФЕКТИВНЫХ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

Design and Application of Novel Nano Drilling Fluids to Mitigate Circulation Loss Problems during Oil Well Drilling Operations

The research also aimed at developing a new class of highly specialized nanoparticle based drilling fluids with superior ability to plug the pore throat of the formation and prevent fluid loss while drilling. Application of nano calcium carbonate and nano iron hydroxide were considered in the drilling fluid to fill the gaps between larger particles forming the plug. Nano materials are capable of reducing the permeability and the porosity of the media and increase its yield point and mechanical strength. Filtration and Rheology tests performed on nano-fluids unveiled the significant capabilities of nano calcium carbonate to increase the consistency and sealing capabilities of the filter cakes.

University of Calgary, CA

КОНЕЦ

ЛЕКЦИИ