Wie die Nanotechnologie genutzt wird, um Zugang zu den heute schwer zugänglichen Öl- und Gasspeichern zu erhalten,
Die Nanotechnologie - also die Arbeit mit Materie auf der Skala von Atomen und Molekülen - ist vielversprechend für die Bewältigung der Herausforderungen, die mit dem Verständnis und der Nutzung der heute schwer zugänglichen Öl- und Gasvorkommen verbunden sind. Das sagen Wissenschaftler des Advanced Energy Consortium (AEC), einer Forschungsorganisation, die Mikro- und Nanosensoren entwickelt, um das Verständnis von unterirdischen Öl- und Erdgasspeichern zu verbessern. Die University of Texas des Austin Bureau of Economic Geology der Jackson School of Geosciences verwaltet die AEC. Zwei AEC-Wissenschaftler, Jay Kipper und Sean Murphy, sprachen mit EarthSky darüber, wie der Erfolg von Nanomaterialien in verschiedenen Bereichen wie der Medizin und den Automobilen auf die Erdölwissenschaft angewendet wird.
Beginnen wir mit einigen Grundlagen. Was ist Nanotechnologie?
Jay Kipper: Das Präfix Nanovom lateinischen Wort nanus für Zwerg bedeutet etwas sehr kleines. Wenn wir es metrisch verwenden, entspricht ein Nanometer einem Milliardstel Meter. Denk darüber nach! Nimm eine Haarsträhne und lege sie zwischen deine Finger. Die Breite dieses Haares beträgt 100.000 Nanometer. Wenn Sie drei Atome Gold nebeneinander legen, ist das ein Nanometer breit. Ein Nanometer gibt an, wie viel Ihr Fingernagel pro Sekunde wächst. Ein Nanometer ist also wirklich klein. Es war IBM in den späten 1980er Jahren, die die Rastertunnelmikroskop benötigt, um einzelne Atome abzubilden, die das Gebiet der Nanowissenschaften wirklich initiierten. Heute könnte man sagen, dass Nanotechnologie die Anwendung oder der Einsatz der Nanowissenschaften ist, um Atome und Moleküle zu manipulieren, zu steuern und zu integrieren, um Materialien, Strukturen, Komponenten, Geräte und Systeme auf der Nanoskala - der Skala von Atomen und Molekülen - zu formen.
Warum interessiert sich die Öl- und Gasindustrie für Nanotechnologie?
Jay Kipper: Es gibt ein paar Antworten auf diese Frage. Erstens ist aus wissenschaftlicher Sicht die Größe der Materialien, die wir untersuchen, wirklich faszinierend und grundlegend für Nanomaterialien und Nanotechnologie. Die unglaublich geringe Größe dieser nanoskaligen Materialien bietet die Möglichkeit, sie in Öl- und Gasspeicher zu injizieren.
Objektträger des ölhaltigen Frio Sandstone aus Liberty County, Texas in einer Tiefe von 5040 Fuß. Die rosa Körner sind Quarzpartikel, das blaue Material ist ein Farbstoff, der das Volumen des offenen Porenraums hervorhebt, durch den Öl und Sole frei fließen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Bob Loucks, Bureau of Economic Geology, Univ. von Texas.
Wie die Leser wissen, befinden sich Öl und Gas gewöhnlich in Gesteinen, die Tausende von Metern unter der Erde vergraben sind. Diese Felsen sind wie Schwämme aufgebaut. Auch wenn ein Stein so aussieht, als wäre er fest, so gibt es doch viele Wege, über die Flüssigkeiten ungehindert fließen können. Die Zwischenräume zwischen diesen Sandkörnern und zementierten Körnern werden genannt Porenraum und Porenkehlen von Geowissenschaftlern. Geowissenschaftler haben genug dieser ölhaltigen Sandsteine analysiert, um festzustellen, dass die Porenöffnungen üblicherweise zwischen 100 und 10.000 Nanometer breit sind. Dies ist groß genug, damit Flüssigkeiten wie Wasser, Salzlake sowie Öl und Gas relativ frei durchströmen können. Wenn wir also nanoskalige Tracer oder Sensoren in ein Loch stecken könnten, wären sie klein genug, um durch diese Poren zu fließen, und wir könnten wertvolle Informationen über das Gestein und die flüssige Umgebung gewinnen, in der sich Öl und Gas befinden.
Das Spannende an nanoskaligen Materialien ist, dass sie sich chemisch anders verhalten als Schüttgüter. Sie sind in vielerlei Hinsicht magisch. Wenn beispielsweise Metallpulver in Wasser getropft werden, sinken alle Partikel nach unten oder schwimmen nach oben. Stabile Nanopartikel verbleiben jedoch in den Flüssigkeiten in Suspension, und das ist ganz anders als erwartet. Die Industrie nutzt diese unterschiedlichen Eigenschaften. Nanopartikel in Tennisschlägern und Schnee-Skiern steigern ihre Festigkeit. Wir verwenden Nanopartikel aus Zinkoxid oder Titandioxid in Sonnenschutzmitteln, um die ultravioletten Lichtstrahlen wirksamer zu absorbieren und die Haut zu schützen. Nanoskaliges Silber ist ein wirksames antibakterielles Mittel und wird in Stoffe und Kleidungsstücke eingewebt, damit sie nicht riechen.
Erzählen Sie uns mehr über den Einsatz von Nanotechnologie in der Öl- und Gasindustrie.
Sean Murphy: Nun, es sei denn, es wird eine revolutionäre neue Energiequelle entwickelt oder entdeckt, so scheint es, dass wir auf absehbare Zeit von Kohlenwasserstoffen abhängig sein werden. Selbst die optimistischsten und realistischsten Szenarien für erneuerbare Energiequellen gehen davon aus, dass Wind, Wasser, Sonne und Geothermie bis 2035 nur 15% bis 20% unserer Gesamtenergie ausmachen werden. Es ist also klar, dass wir uns auf Kohlenwasserstoffe wie Öl verlassen werden und Gas, um wichtig zu sein Brückentreibstoffe.
Ölplattform am Hockley-Salzstock nahe Houston Texas. Die Ölindustrie gewinnt in der Regel nur 30 bis 40% des Öls aus konventionellen Ölfeldern zurück und schafft so einen finanziellen Anreiz für die Erforschung neuartiger Methoden zur Verbesserung der Gewinnungsraten (einschließlich Nanotechnologie). Foto mit freundlicher Genehmigung von Sean Murphy, Bureau of Economic Geology, Univ. von Texas.
In der Öffentlichkeit wird häufig nicht geschätzt, wie viel Öl auf den Ölfeldern zurückbleibt. Wenn das Öl zum ersten Mal in einem neuen Ölfeld erschlossen wird, fließt das Öl in den ersten Jahren in der Regel ungehindert aus den Förderbohrungen, nur basierend auf dem inhärenten Druck im Reservoir. Diese primäre Wiederherstellung wird auch als Druckminderungwird sorgfältig überwacht und verwaltet. Aber irgendwann ist der Druck auf einen Punkt gesunken, an dem die Produktionsraten erheblich gesunken sind, und die Erdölingenieure greifen auf irgendeine Art von externer Energie zurück, um den Druck zu erhöhen. In den meisten Fällen wird dabei Wasser eingespritzt (oder häufiger Wasser, das bereits auf diesem Gebiet erzeugt wurde), um den Druck zu erhöhen und das Öl von der Einspritzung zu den Produktionsbohrungen zu befördern. Dieser Schritt wird aufgerufen sekundäre Wiederherstellung. Wenn schließlich auch in diesem Prozessschritt nicht genügend Öl produziert wird, muss der Eigentümer entscheiden, ob es sich lohnt, andere, teurere Mittel zur Verbesserung der Ölrückgewinnung einzusetzen. Sie betrachten exotischere Dinge wie Dampf, Gase wie Kohlendioxid oder Reinigungsmittel, um das verbleibende Öl, das sich an den Felsen festsetzt, zu lösen und im Reservoir zu halten.
Selbst nachdem alle diese verbesserten Ölgewinnungsschritte (primär, sekundär und tertiär) durchgeführt wurden, ist es nicht ungewöhnlich, dass 60 - 70% des ursprünglichen Öls im Reservoir verbleiben. Also, wenn Sie darüber nachdenken, gibt es Milliarden Barrel entdeckten Öls, die wir an Ort und Stelle lassen.
Ich gebe Ihnen ein Beispiel, das hier in Texas in der Nähe von zu Hause ist. Das US-Energieministerium hat bereits 2007 eine Studie durchgeführt, in der geschätzt wurde, dass im Perm-Becken an der Grenze zwischen Westtexas und New Mexico noch mindestens 60 Milliarden Barrel Öl übrig sind. Denken Sie daran, dass dies keine unentdeckten Ölfelder, Tiefseefelder oder unkonventionellen Ölfelder sind. Dies ist Öl, das in bestehenden Feldern mit vorhandener Infrastruktur zurückbleibt. Diese Rückgewinnungsraten werden durch eine Reihe miteinander verbundener Faktoren bestimmt, z. B. die Durchlässigkeit von Gesteinen, die Viskosität von Ölen und Antriebskräfte im Stausee.
Einer der Hauptgründe dafür, dass das Öl nicht wiedergewonnen werden kann, sind die Kapillarkräfte die die Ölmoleküle an den Felsen binden oder anhaften. Das ist gar nicht so schwer, und ich kann es einfach demonstrieren. Eine Analogie ist einfach der Versuch, einen Ölfleck von Ihrer Einfahrt zu entfernen. Dies ist das Haftungsproblem. Es sind wahrscheinlich nur einige Moleküle absorbiertes Öl. Nehmen Sie jetzt einen Schwamm und füllen Sie ihn mit Wasser. Drücken Sie es in ein Glas und sehen Sie, wie viel Wasser aufgenommen wurde. Nun den Schwamm wieder einweichen und versuchen, das Wasser im Schwamm mit einem Strohhalm abzusaugen. Es ist viel schwieriger, nicht wahr? Das ist analog zu dem, was wir auf einem Ölfeld versuchen, mit der Ausnahme, dass Öl auch an den Poren in unserem Steinschwamm haftet.
In Anbetracht der Tatsache, dass Milliarden Barrel verbleibendes Öl vorhanden sind, sucht die Ölindustrie nach effektiveren Wegen, um die Gewinnungsraten zu verbessern. Nanomaterialien sind ein naheliegender Ort. Aufgrund ihrer geringen Größe können sie möglicherweise zusammen mit injizierten Flüssigkeiten durch das Gestein und die Ölfelder übertragen werden, und aufgrund ihrer hohen chemischen Reaktivität können sie verwendet werden, um die Bindungskräfte zu verringern, die die Kohlenwasserstoffmoleküle an den Gesteinen halten.
Was wirklich aufregend daran ist, ist, dass selbst kleine Verbesserungen der Wiedergewinnungsrate zu Millionen Gallonen zusätzlichen wiedergewinnbaren Öls führen können. Diese Technologie könnte die Energieversorgung der Verbraucher in Zukunft erschwinglich machen.
Mikro- und Nanosensoren, die vom Advanced Energy Consortium entwickelt werden, können den Untersuchungsbereich für hochauflösende Messungen von Parametern erweitern, die für die Verbesserung der Ölrückgewinnungsraten wichtig sind. Mit freundlicher Genehmigung des Advanced Energy Consortium, Bureau of Economic Geology, Univ. von Texas.
Erzählen Sie uns von nanoskaligen Sensoren. Wir hören, dass sie ein sehr mächtiges Werkzeug sind.
Jay Kipper: Ja. Hier am Büro für Wirtschaftsgeologie der Universität von Texas konzentrieren wir uns auf das Konzept der Herstellung von Nanomaterial- oder Nanoskalensensoren.
Derzeit stehen der Branche drei Möglichkeiten zur Verfügung, um „das Feld zu befragen“, dh um zu sehen, was im Untergrund vor sich geht. Zuerst lassen sie angeschlossene geophysikalische Elektronik im Bohrloch fallen, um die Vorgänge in unmittelbarer Nähe des Bohrlochs zu messen. Eine zweite Möglichkeit, das Feld abzufragen, besteht in der Verwendung von Werkzeugen für mehrere Bohrlöcher. Bei diesem Verfahren werden eine Quelle und ein Empfänger in die Einspritzung eingebracht und erzeugen mehrere hundert Meter tief und voneinander entfernt ein Bohrloch. Sie sind in der Lage, über seismische und leitende Werkzeuge miteinander zu kommunizieren, die Auflösung beträgt jedoch nur Meter bis Dutzende Meter. Das große Arbeitspferd der Branche ist die Oberflächenseismik, bei der sehr langwellige Schallimpulse verwendet werden, die tief in die Erde eindringen, um die allgemeine Struktur der unterirdischen Gesteine zu bestimmen. Die Auflösung beträgt jedoch in der Regel zehn bis hundert Meter.
Hier ist also die Chance mit nanoskaligen Sensoren. Wir können sie in das Ölfeld injizieren, um ein tiefes Eindringen in die Bohrlöcher und eine hohe Auflösung aufgrund der einzigartigen Eigenschaften der Nanomaterialien zu erreichen.
Mit anderen Worten, wenn Sie Nanotechnologie verwenden, erhalten Sie einen klareren Überblick darüber, wie es im Untergrund aussieht.
Jay Kipper: Richtig. Eine Analogie, die Sean und ich oft verwenden, ist der menschliche Körper. Momentan arbeiten Ärzte daran, Nanosensoren in den menschlichen Körper einzubauen, um beispielsweise festzustellen, wo sich Krebszellen befinden könnten. Hier schauen wir in den Erdkörper. Wir setzen Nanosensoren in die Knie und bekommen eine bessere Vorstellung davon, was los ist. Im Moment interpretieren oder raten wir in der Geologie und Erdöltechnik am besten, was los ist. Was uns die nanoskaligen Sensoren geben werden, ist eine bessere Idee, mehr Daten, sodass wir intelligentere Interpretationen vornehmen und eine bessere Vorstellung davon bekommen können, was sich in der Tiefe abspielt. Und mit einer besseren Vorstellung davon, was im Untergrund vor sich geht, können wir mehr Kohlenwasserstoffe gewinnen. Das wird für die Branche und die Welt enorm sein.
Wie wirken sich Fortschritte in der Nanomedizin auf Öl- und Gasbohrungen aus?
Sean Murphy: Viele der von der AEC finanzierten Forscher arbeiten auch an nanomedizinischen Projekten. In den letzten vier Jahren haben wir zwei Sensorklassen entwickelt, die ihren Ursprung auf dem Gebiet der Medizin haben.
Wir arbeiten an einer Klasse von Sensoren, die wir synchronisiert haben Kontrastmittel. Das Konzept ähnelt der MRT oder Magnetresonanztomographie, einer gebräuchlichen medizinischen Bildgebungstechnik zur detaillierten Visualisierung der inneren Strukturen des Körpers. Die MRT nutzt die Eigenschaft der Kernspinresonanz (NMR), Atomkerne im Körper abzubilden, um Organe unterscheiden zu können. Wir wollen diese Technologie im Wesentlichen auf die Größe eines Reservoirs skalieren, indem wir magnetische Nanopartikel und eine große magnetische Quelle und einen großen magnetischen Empfänger verwenden. Wir haben erwähnt, dass die Ölindustrie recyceltes Wasser in das Ölfeld einspeist, um die Ölrückgewinnung zu verbessern. Wir nennen dies sekundäre Rückgewinnung. Was überrascht, ist, dass die Reservoiringenieure wirklich nicht viel darüber wissen, wohin dieses Wasser fließt. Sie verwenden chemische Tracer und können erkennen, wann diese in den produzierenden Bohrlöchern auftauchen. Sie müssen jedoch raten, wie die Flussströme aussehen, wenn sich diese injizierte Flüssigkeit durch das Reservoir bewegt. Mit der Technologie, an der wir arbeiten, ist es möglicherweise möglich, magnetische Partikel in Nanogröße mit dem injizierten Wasser zusammen zu injizieren und genau zu überwachen, wo sich das Wasser durch das Reservoir bewegt. Die potenziellen Auswirkungen für die Gewinnung von mehr Öl sind enorm. Mit diesen Informationen könnten Erdölingenieure umgangene Gebiete identifizieren und diese Gebiete direkter ansteuern, indem sie entweder ihren Injektionsdruck anpassen oder möglicherweise zusätzliche, gezieltere Bohrlöcher bohren.
Eine weitere Klasse von Sensoren, die wir entwickeln, heißt Sensoren für Nanomaterialien. Viele der von uns verwendeten Ansätze stammen auch aus der medizinischen Forschung. Ich bin mir nicht sicher, ob Sie von den neuesten Erkenntnissen in der Krebsforschung gehört haben, aber es sieht so aus, als ob Ärzte Tumore und Krebszellen bald direkter entfernen können, ohne den Patienten zu schädigen, wie wir es heute mit chemischen Protokollen und Bestrahlungsprotokollen tun. Die Forscher zielen nun auf Krebszellen mit krebsspezifischen Bindungsmolekülen, die sich direkt an die Zellen anlagern und Metallnanopartikel mit sich führen. Diese metallischen Nanopartikel können bestrahlt werden, was zu einer lokalen Erwärmung der Metallpartikel und zum Abbrennen der Krebszellen führt, ohne die umliegenden gesunden Zellen oder Gewebe zu schädigen. Einige unserer Forscher verfolgen dieselbe Strategie, um auf Ölmoleküle abzuzielen und Chemikalien direkt an die Öl- und Kohlenwasserstoffpartikel abzugeben, um die Grenzflächenkräfte zu verringern, die das Öl an Gesteinsoberflächen binden. Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um ein gezieltes verbessertes Ölrückgewinnungssystem, das möglicherweise wesentlich effizienter ist und die Menge und Art der Chemikalien, die während einer Überschwemmung mit tertiärer chemischer Rückgewinnung eingespritzt werden, erheblich reduzieren könnte.
Ein weiteres Konzept, das gerade untersucht wird und sich auf die Medizin stützt, ist die Übernahme von Technologien, die in zeitverzögerten Medikamenten und Kapseln zum Einsatz kommen.Im Körper werden diese verwendet, um über einen längeren Zeitraum gleichmäßige Medikamentendosen abzugeben oder um die Medikamente gezielt in bestimmte Körperregionen wie den unteren Darmbereich abzugeben. Einige unserer Forscher entwickeln nanostrukturierte Beschichtungen, die sich unter den hohen Drücken und Temperaturen und den harten chemischen Bedingungen, die wir im Ölfeld beobachten, mit vorhersehbaren Geschwindigkeiten zersetzen, damit wir die Lieferung von Chemikalien oder Tracern an verschiedene Teile des Reservoirs zeitlich festlegen können. Dies ist eine echte Herausforderung, da noch nie jemand daran gedacht hat, nanoskalige Kapseln als konstruierte Fernabgabesysteme einzusetzen. Es ist ziemlich faszinierend.
Was ist die vielversprechendste Forschung in der Nanotechnologie, die Ihrer Ansicht nach Früchte für die Öl- und Gasindustrie trägt?
Professor Dean Neikirk (links) und Sean Murphy untersuchen eine stabile Dispersion von Nanopartikeln im Reinraum des Microelectronics Research Center auf dem Pickle Research Campus der University of Texas. Die Nanotechnologieforschung an Universitäten auf der ganzen Welt wird die Exploration und Produktion von Öl und Gas, die Sonnenernte sowie die Speicherung und Übertragung von Stromnetzen revolutionieren. Foto von David Stephens, Büro für Wirtschaftsgeologie, Univ. von Texas.
Jay Kipper: Wir entwickeln eine ganz neue Klasse von Sensoren, die wir genannt haben mikrofabrizierte Sensoren. Wir sehen sie als langfristig, aber revolutionär. Wir wollen die Größe reduzieren und den Stromverbrauch der Mikroelektronik noch weiter senken, als es die Halbleiterindustrie bisher geschafft hat. Die bisherigen Fortschritte waren enorm. Wir sind alle mit iPhone und Smartphone-Computern in der Tasche unterwegs, die mit Rechenleistung ausgestattet waren, die in den frühen Tagen des Computerbetriebs einen großen Raum füllte. Um die Elektronik für die Öl- und Gasindustrie relevant zu machen, müssen wir die Größe integrierter Sensorgeräte von den heutigen Millimetern auf die Mikrometergröße verkleinern.
Gegenwärtig finanzieren wir ein Projekt, bei dem eine Reihe von Sensoren, die unsere Forscher in den letzten vier Jahren entwickelt haben, in ein Gerät mit einem Millimeter Würfel integriert werden sollen, darunter Sensoren, Verarbeitung, Speicher, Uhr und ein Netzteil. Dies ist klein genug, um möglicherweise als nicht angebundener Sensor verwendet zu werden, der in einer Ölquelle schwimmt und Daten sammelt, oder der zwischen den Sand oder Stützmitteln injiziert wird, die heutzutage für Frack-Jobs verwendet werden. Unsere Forscher müssen clevere und nicht intuitive Ansätze verfolgen, um dies zu erreichen. Sie verlieren Funktionen und reduzieren die Anzahl der Messungen von Tausenden pro Sekunde auf ein oder zwei pro Stunde oder pro Tag. Dies reduziert die erforderliche Speichergröße und den Strombedarf. Forscher haben neue Materialien für Batterien erfunden, die bei sehr hohen Temperaturen (über 100 ° C) überleben können. Es ist unglaublich spannend zu recherchieren! Für die Verbraucher bedeutet dies: Wenn wir mehr Kohlenwasserstoffe zurückgewinnen können, bedeutet dies mehr Energie, und mehr Energie ist eine gute Sache für die Gesellschaft.
Was ist das Wichtigste, was die Menschen heute über die Nanotechnologie in der Zukunft der Öl- und Gasförderung wissen sollen?
Sean Murphy: Ich denke, Nanotechnologie ist unglaublich aufregend und für fast alle Produktindustrien anwendbar. Wenn ich heute ein Schüler wäre, würde ich auf diesem Gebiet lernen. Einerseits ist es eine natürliche Weiterentwicklung unseres technologischen Antriebs, unsere Werkzeuge und Geräte zu miniaturisieren. Andererseits wird der zukünftige Einfluss der Nanotechnologie auf unser Leben revolutionär sein.
Und wir stehen erst am Anfang dieser kreativen Revolution.
In der Öl- und Gasindustrie können wir mithilfe der Nanowissenschaften und der Nanotechnologie aus der Ferne und direkt das umgangene Öl und Gas erkennen, das wir noch nie zuvor gesehen haben. Und mit den Sensoren, die wir entwickeln, um uns mit mehr Informationen zu versorgen, können wir noch mehr Öl und Gas gewinnen, das gerade aufgegeben und im Boden belassen wird. Neue Nanomaterialien werden andere Energiebereiche wie Solar, Speicherung, Transport und Abfallentsorgung revolutionieren. Es ist wirklich aufregend.
Um unsere Lebensqualität zu erhalten, werden wir weiterhin erschwingliche, sichere und sichere Energie benötigen. Nano ist eine der neuen technologischen Revolutionen, die dies ermöglichen.
Jay Kipper ist stellvertretender Direktor am Bureau of Economic Geology der University of Texas in Austin. Er und Scott Tinker leiten die Forschungsanstrengungen und legen die strategische Richtung für die AEC fest. Kipper ist auch für alle operativen und finanziellen Aspekte des Büros verantwortlich. Jay erwarb seinen Bachelor of Science in Ingenieurwissenschaften an der Trinity University in San Antonio und arbeitete 20 Jahre in verschiedenen Unternehmen der Privatbranche, darunter SETPOINT und Aspen Technology, bevor er an die University of Texas kam.
Sean Murphy ist derzeit verantwortlich für ein Team von Projektmanagern, die über 30 einzelne Forschungsprojekte an führenden Universitäten und Forschungsinstituten auf der ganzen Welt betreuen, darunter mehrere hier an der University of Texas in Austin. Sean Murphy begann seine Karriere als Geologe in Texas in den frühen 1980er Jahren und bohrte den Hockley-Salzstock in der Nähe von Houston nach Marathon Resources, um nach unedlen Metallsulfiden zu suchen. Dann zog er nach Austin und arbeitete 23 Jahre in der Halbleiterindustrie, zuerst für Motorola, dann für SEMATECH. Er hat einen Abschluss in Geologie vom College of William and Mary in Virginia und der University of Georgia sowie einen MBA von der University of Texas.