Hvordan nanoteknologi bruges til at få adgang til de sværere at nå olie- og gasreservoirer i dag,
Nanoteknologi - det vil sige at arbejde med stof i omfanget af atomer og molekyler - viser stort løfte om at møde udfordringer, der er involveret i forståelse og anvendelse af de vanskeligere nåede olie- og gasreservoirer i dag. Det er ifølge videnskabsmænd ved Advanced Energy Consortium (AEC), en forskningsorganisation, der udvikler mikro- og nano-sensorer til at transformere forståelsen af olier under jordoverfladen og naturgasreservoirer. University of Texas ved Austins Bureau of Economic Geology ved Jackson School of Geosciences administrerer AEC. To AEC-forskere, Jay Kipper og Sean Murphy, talte med EarthSky om, hvordan succes med nanomaterialer inden for forskellige områder som medicin og automotiver anvendes til petroleumsvidenskab.
Lad os begynde med nogle grundlæggende. Hvad er nanoteknologi?
Jay Kipper: Præfikset nano, fra det latinske ord nanus for dværg betyder noget meget lille. Når vi bruger det i metriske termer, er et nanometer en milliarddel af en meter. Tænk over det! Tag en hårstreng og læg den mellem fingrene. Bredden på dette hår er 100.000 nanometer. Hvis du lægger tre atomer af guld side om side, er det et nanometer i bredden. Et nanometer handler om, hvor meget din negl vokser hvert sekund. Så et nanometer er virkelig lille. Det var IBM i slutningen af 1980'erne, der opfandt scanning af tunnelmikroskop behov for at afbilde individuelle atomer, der virkelig indledte området nanovidenskab. I dag kan du sige, at nanoteknologi er anvendelsen eller brugen af nanovidenskab til at manipulere, kontrollere og integrere atomer og molekyler til dannelse af materialer, strukturer, komponenter, enheder og systemer på nanoskalaen - skalaen af atomer og molekyler.
Hvorfor er olie- og gasindustrien interesseret i nanoteknologi?
Jay Kipper: Der er et par svar på det spørgsmål. For det første, når man ser på det fra et videnskabsperspektiv, er det, der virkelig er spændende og grundlæggende ved nanomaterialer og nanoteknologi, størrelsen på de materialer, vi studerer. Den utroligt lille størrelse af disse nanoskala-materialer skaber muligheder for, at de kan indsprøjtes i olie- og gasbeholdere.
Mikroskopglas af den oliebærende Frio Sandstone fra Liberty County, Texas i en dybde på 5040 fod. De lyserøde korn er kvartspartikler, det blå materiale er et farvestof, der fremhæver mængden af åbent porerum, hvorigennem olie og saltvand flyder frit. Foto med tilladelse fra Bob Loucks, Bureau of Economic Geology, Univ. af Texas.
Som læserne ved, findes olie og gas ofte i klipper, der er begravet tusinder af meter under jorden. Disse klipper er konstrueret som svampe. Selvom en klippe måske ser ud som om den er solid, har den virkelig mange veje for væsker at strømme frit gennem. Mellemrummet mellem disse sandkorn og cementerede kerner kaldes poreplads og pore hals af geovidenskabsfolk. Geovidenskabsfolk har analyseret nok af disse oliebærende sandsten til at fastslå, at poretrådåbningerne almindeligvis ligger mellem 100 og 10.000 nanometer i bredden. Det er stort nok til, at væsker som vand, saltvand og olie og gas kan strømme relativt frit igennem. Så hvis vi kunne lægge nanoskala-sporere eller sensorer ned i et hul, ville de være små nok til at strømme gennem disse porer, og vi kunne få en masse værdifulde oplysninger om klippen og det flydende miljø, hvor olien og gasen findes.
Det, der er spændende ved nanoskala-materialer, er, at de kemisk opfører sig anderledes end bulk-materialer. De er slags magiske på mange måder. For eksempel taber metalpulver i vand resulterende i, at alle partikler synker ned i bunden eller flyder til toppen, men stabile nanopartikler forbliver i suspension i væskerne, og det er meget anderledes end hvad man kunne forvente. Industrier drager fordel af disse forskellige egenskaber. Nanopartikler i tennisracket og sne-ski øger deres styrke. Vi bruger nanopartikler af zinkoxid eller titandioxid i solcreme for mere effektivt at absorbere de ultraviolette lysstråler og beskytte huden. Nanoskala sølv er et effektivt antibakterielt middel og er vævet i stoffer og tøj for at forhindre dem i at lugte.
Fortæl os mere om brugen af nanotech i olie- og gasindustrien.
Sean Murphy: Medmindre der udvikles eller opdages en revolutionerende ny energikilde, ser det ud til, at vi vil være afhængige af kulbrinter i en overskuelig fremtid. Selv de mest optimistiske og realistiske scenarier af vedvarende energikilder projicerer, at vind, vand, sol og geotermisk energi kun udgør 15% til 20% af vores samlede energi inden 2035. Så det er klart, at vi vil stole på kulbrinter som olie og gas for at være vigtig brobrændstof.
Bor rig ved Hockley Salt-kupplen nær Houston Texas. Olieindustrien genvinder typisk kun 30 til 40% af olien fra konventionelle oliefelter, hvilket skaber et økonomisk incitament til forskning i nye metoder til forbedring af genvindingsgraden (herunder nanoteknologi.) Foto med tilladelse fra Sean Murphy, Bureau of Economic Geology, Univ. af Texas.
Det, som offentligheden ofte ikke sætter pris på, er, hvor meget olie der er tilbage i oliefelterne. Når der først tappes olie i et nyt oliefelt, flyder olien typisk frit fra produktionsbrønde i de første par år netop baseret på det iboende tryk i reservoiret. Denne primære opsving, også kaldet trykforringelse, overvåges og styres omhyggeligt. Men på et tidspunkt er trykket udtømt til det punkt, hvor produktionshastighederne er faldet markant, så petroleumsingeniører tyr til at bruge en slags ekstern energi til at øge trykket. Oftest involverer dette injektion af vand (eller mere almindeligt genindsprøjtning af vand, der allerede er produceret fra dette felt) for at øge trykket og drive olie fra injektionen til produktionsbrønde. Dette trin kaldes sekundær opsving. Når endelig selv dette trin i processen ikke klarer at producere nok olie, er ejeren nødt til at beslutte, om det er værd at anvende andre, dyrere metoder til at forbedre olieudvindingen. De ser på ting, der er mere eksotisk som damp, gasser som kuldioxid eller rengøringsmidler for at bryde fri den resterende olie, der binder til klipperne og holde den i reservoiret.
Selv efter at alle disse forbedrede oliegenvindings-trin (primær, sekundær og tertiær) er taget, er det stadig ikke ualmindeligt, at 60 - 70% af den originale olie bliver tilbage i reservoiret. Så hvis du tænker over det, er der milliarder af tønder med opdaget olie, som vi efterlader på plads.
Jeg giver dig et eksempel der er tæt på hjemme her i Texas. U.S. Department of Energy gjorde en undersøgelse tilbage i 2007, hvor det estimeres, at der er mindst 60 milliarder tønder olie tilbage i det Permiske bassin, som ligger på grænsen til det vestlige Texas og New Mexico. Husk, at disse ikke er uopdagede oliefelter eller dybt vandfelter eller ukonventionelle oliefelter. Dette er olie, der efterlades i eksisterende felter med eksisterende infrastruktur. Disse restitutionshastigheder bestemmes af en række indbyrdes forbundne problemer, f.eks. Stenens permeabilitet, viskositet af olier og driv kræfter i reservoiret.
En af de primære årsager til, at olien stadig ikke kan genvindes, er kapillærkræfter der binder eller klæber oljemolekylerne til klipperne. Dette er ikke så vanskeligt et koncept, og jeg kan demonstrere det ganske enkelt. Én analogi er simpelthen at forsøge at fjerne en oliefarv fra din indkørsel. Dette er vedhæftningsproblemet. Det er sandsynligvis kun flere molekyler absorberet olie. Tag nu en svamp og fyld den fyldt med vand. Press det ud i et glas og se, hvor meget vand der blev absorberet. Blødgør svampen igen, og prøv at suge vandet ud i svampen med et strå. Det er meget sværere, er det ikke? Det er analogt med hvad vi prøver på at gøre i et oliefelt, bortset fra at olie også klæber til porerne i vores klippesvamp.
På det tidspunkt, hvor man ved, at der er milliarder tønder med resterende olie på plads, leder olieindustrien efter mere effektive måder at forbedre genvindingsgraden. Nanomaterialer er et oplagt sted at se på. På grund af deres lille størrelse kan de tænkes overføres gennem klippen og oliefelterne sammen med indsprøjtede væsker, og på grund af deres høje kemiske reaktivitet, kan de bruges til at reducere de bindende kræfter, der holder kulbrinte-molekylerne til klipperne.
Det, der virkelig er spændende ved dette, er, at selv små forbedringer i genvindingsgraden kan resultere i millioner af gallon yderligere genvindbar olie. Det er teknologi som denne, der kan gøre energi overkommelig for forbrugerne i fremtiden.
Mikro- og nanosensorer under udvikling fra Advanced Energy Consortium har potentialet til at øge undersøgelsesområdet for målinger med høj opløsning af parametre, der er vigtige for at forbedre olieudvindingsgraden. Grafisk høflighed Advanced Energy Consortium, Bureau of Economic Geology, Univ. af Texas.
Fortæl os om nanoskala sensorer. Vi hører, de er et meget kraftfuldt værktøj.
Jay Kipper: Ja. Her ved University of Texas Bureau of Economic Geology fokuserer vi på konceptet om at fremstille nanomateriale eller nanoskala sensorer.
Lige nu har branchen tre måder at "forhøre marken", det vil sige for at se, hvad der foregår under jorden. De slipper først tilsluttet geofysisk elektronik ned i brønden for at måle ting, der foregår meget tæt på borehullet. En anden måde at forhøre marken er på tværs af brøndværktøjer. I denne proces anbringes en kilde og modtager i injektionen og producerer godt hundreder af meter nede hul og bortset fra hinanden. De er i stand til at kommunikere med hinanden gennem seismiske og ledende værktøjer, men opløsningen er kun meter til titalls meter i kvalitet. Industriens store arbejdshest er overfladeseismik, der bruger meget lange bølgesoniske pulser, der trænger dybt ned i jorden for at bestemme den generelle struktur af undergrundens klipper, men opløsningen igen er typisk ti til hundreder af meter.
Så her er muligheden med nanoskala sensorer. Vi kan sprøjte dem ind i oliefeltet for at få dyb penetrering i brønde og høj opløsning på grund af de unikke egenskaber ved nanomaterialerne.
Med andre ord, ved hjælp af nanotech kan du få et klarere overblik over, hvordan det ser ud ned i hullet?
Jay Kipper: Ret. En analogi, som Sean og jeg ofte bruger, er den menneskelige krop. Lige nu arbejder læger med at sætte nanosensorer i den menneskelige krop for at bestemme, hvor kræftceller kan være, for eksempel. Her ser vi ind i jordens krop. Vi lægger nanosensorer ned i hullet og får en bedre idé om, hvad der foregår. Lige nu, inden for geologi og petroleumsteknik, fortolker eller foretager vi bedst mulige gæt om, hvad der foregår. Hvad nanoskala sensorer vil give os er en bedre idé, flere data, så vi kan foretage smartere fortolkninger og få en bedre idé om, hvad der foregår nedefra. Og med en bedre idé om, hvad der foregår under jorden, vil vi kunne genvinde flere kulbrinter. Det vil være enormt for industrien og verden.
Hvordan gælder fremskridt i nanomedicin til olie- og gasbrønde?
Sean Murphy: Mange af de forskere, der er finansieret til at forske i AEC, arbejder også på nanomedicineprojekter. I løbet af de sidste fire år har vi fundet to klasser af sensorer, der har deres oprindelse inden for medicinområdet.
Vi arbejder på en klasse af sensorer, som vi har kaldt kontrastmidler. Konceptet ligner MRI eller magnetisk resonansafbildning, som er en almindelig medicinsk billeddannelsesteknologi, der bruges til at visualisere kroppens indre strukturer i detaljer. MR bruger brug af egenskaben med nukleær magnetisk resonans (NMR) til at afbilde kerner af atomer inde i kroppen, så vi kan differentiere organer. Vi ser i det væsentlige på opskalering af denne teknologi til størrelsen af et reservoir ved hjælp af magnetiske nanopartikler og en stor magnetisk kilde og modtager. Vi har nævnt, at olieindustrien indsprøjter genanvendt vand i oliefeltet for at forbedre olieudvindingen, vi kalder det sekundære genvinding. Det, der er overraskende, er, at reservoiringeniørerne virkelig ikke ved meget, hvor dette vand skal hen. De bruger kemiske sporstoffer og kan registrere, når disse dukker op i de producerende brønde, men de må gætte, hvordan strømningsstrømmene ser ud, når denne indsprøjtede væske bevæger sig gennem reservoiret. Med den teknologi, vi arbejder på, kan det være muligt at indsprøjte magnetiske partikler i nanostørrelse med det injicerede vand og overvåge nøjagtigt, hvor vandet bevæger sig gennem reservoiret. Den potentielle påvirkning er enorm for at udvinde mere olie. Med denne information kunne petroleumsingeniører identificere områder, der omgås og målrette disse områder mere direkte, enten ved at justere deres injektionstryk eller muligvis ved at bore yderligere, mere målrettede brønde.
En anden klasse af sensorer, som vi udvikler, kaldes nanomaterialesensorer. Mange af de tilgange, vi bruger, er også afledt af medicinsk forskning. Jeg er ikke sikker på, om du har hørt om det seneste inden for kræftforskning, men det ser ud til, at læger snart kan være i stand til at fjerne tumorer og kræftceller mere direkte uden at skade patienten, som vi gør i dag med kemiske og strålebehandlingsprotokoller. Forskere er nu målrettet mod kræftceller med kræftspecifikke bindingsmolekyler, der binder sig direkte til cellerne og bærer metalnanopartikler. Disse metalliske nanopartikler kan bestråles, hvilket resulterer i lokal opvarmning af metalpartiklerne og afbrænding af kræftcellerne uden at skade de omgivende sunde celler eller væv. Nogle af vores forskere vedtager den samme strategi for at målrette oljemolekyler og levere kemikalier direkte til olie- og carbonhydridpartiklerne for at reducere grænsefladekræfterne, der binder olien til stenoverflader. I det væsentlige er dette et målrettet forbedret olieudvindingssystem, som potentielt er meget mere effektivt og kan reducere mængden og typen af kemikalier, der indsprøjtes under en tertiær kemisk genvindingsflom.
Et andet koncept, der netop er ved at blive undersøgt, og som trækker fra medicin, er indførelsen af teknologier, der bruges i medicin og kapsler med frigivelse af tid.I kroppen bruges disse til at levere ensartede doser af medicin over en længere tidsramme eller til at målrette levering af medicinen til specifikke områder af kroppen, som f.eks. Den nedre tarm. Et par af vores forskere udvikler nanostrukturerede belægninger, der nedbrydes med forudsigelige hastigheder under det høje tryk og temperaturer og de hårde kemiske stoffer, som vi ser i oliefeltet, så vi kan indstille levering af kemikalier eller sporstoffer til forskellige dele af reservoiret. Dette er virkelig udfordrende, fordi ingen nogensinde har tænkt på at bruge nanoskala-kapsler som konstruerede systemer til lang rækkevidde. Det er ret spændende.
Når vi ser fremad, hvad er den mest lovende forskning inden for nanoteknologi, som du ser bære frugt til olie- og gasindustrien?
Professor Dean Neikirk (til venstre) og Sean Murphy undersøger en stabil spredning af nanopartikler i renrummet ved Microelectronics Research Center på Pickle Research Campus, University of Texas. Nanoteknologiforskning ved universiteter over hele verden vil revolutionere olie- og gasudforskning og -produktion, solfangst og lagring og transmission af kraftnet. Foto af David Stephens, Bureau of Economic Geology, Univ. af Texas.
Jay Kipper: Vi udvikler en helt ny klasse af sensorer, som vi har kaldt mikrofabrikerede sensorer. Vi ser dem som langsigtede, men revolutionerende. Vi ønsker at skubbe ned på størrelsen og reducere strømforbruget i mikroelektronik endnu mere, end halvlederindustrien har opnået til dags dato. Fremgangen til dato har været enorm. Vi går alle rundt med iPhone- og smarttelefoncomputere i vores lommer med computerkraft, der plejede at fylde et stort rum i de første computerdage. Men for at gøre elektronik relevant for olie- og gasindustrien, er vi nødt til at skrumpe integrerede sensorenheder ned i størrelse fra millimeterformaterne i dag til mikron skala i fremtiden.
Lige nu finansierer vi et projekt til at tage et antal sensorer, som vores forskere har oprettet i løbet af de sidste fire år og integrere dem på en en-millimeter kubik enhed, herunder sensorer, behandling, hukommelse, ur og en strømforsyning. Dette er lille nok til, at det kan tænkes at blive brugt som en ikke-bundet sensor, der svæver rundt i en oliebrønd, der indsamler data, eller indsprøjtes mellem sandet eller proppanterne, der bruges i små job i dag. Vores forskere skal tage kloge og ikke-intuitive tilgange for at få dette til. De kaster funktionalitet, hvilket reducerer antallet af målinger fra tusinder pr. Sekund til en eller to i timen eller pr. Dag. Det reducerer den krævede hukommelsesstørrelse og strømkravene. Forskere har opfundet nye materialer til batterier, der kan overleve ved meget høje temperaturer (større end 100 grader C). Det er utrolig spændende forskning! Hvad det betyder for forbrugerne er, at hvis vi kan genvinde flere kulbrinter, betyder det mere energi og mere energi er en god ting for samfundet.
Hvad er det vigtigste, du ønsker, at folk i dag skal vide om nanoteknologi i fremtiden for olie- og gasproduktion?
Sean Murphy: Jeg synes nanoteknologi er utroligt spændende og det gælder næsten alle produktindustrier. Hvis jeg var en studerende i skolen i dag, er det det felt, jeg ville studere. På den ene side er det en naturlig udvikling fra vores teknologidrev til at miniaturisere vores værktøjer og redskaber. På den anden side vil nanoteknologiens fremtidige indvirkning på vores liv blive revolutionerende.
Og vi er lige i begyndelsen af denne kreative revolution.
I olie- og gasindustrien kan nanovidenskab og nanoteknologi muligvis give os mulighed for at føle fjernt og direkte den forbipasserede olie og gas, som vi aldrig kunne se før. Og med de sensorer, vi udvikler for at give os mere information, vil vi være i stand til at genvinde endnu mere olie og gas, som lige nu opgives og efterlades i jorden. Nye nanomaterialer vil revolutionere andre energifelter som sol og lagring og transmission og affaldsrensning. Det er virkelig spændende.
For at bevare vores livskvalitet vil vi fortsat have brug for overkommelig, sikker og sikker energi. Nano er en af de nye revolutioner inden for teknologi, der får det til at ske.
Jay Kipper er associeret direktør ved Bureau of Economic Geology ved University of Texas i Austin. Han og Scott Tinker leder forskningsindsatsen og sætter den strategiske retning for AEC. Kipper er også ansvarlig for alle operationelle og økonomiske aspekter af Præsidiet. Jay fik sin kandidatgrad i Engineering fra Trinity University i San Antonio og arbejdede 20 år hos forskellige virksomheder i den private industri, herunder SETPOINT og Aspen Technology, før han kom til University of Texas.
Sean Murphy er i øjeblikket ansvarlig for et team af projektledere, der fører tilsyn med over 30 individuelle forskningsprojekter på førende universiteter og forskningsinstitutter over hele verden, herunder flere her på University of Texas i Austin. Sean Murphy begyndte sin karriere som geolog i Texas i begyndelsen af 1980'erne og borede Hockley saltkuppel nær Houston for Marathon Resources på jagt efter basismetalsulfider. Derefter flyttede han til Austin og arbejdede i halvlederindustrien i 23 år, først for Motorola, derefter SEMATECH. Han har grader i geologi fra College of William and Mary i Virginia og University of Georgia og en MBA fra University of Texas.