Наноисследования в геологии: достижения и перспективы

1. ПРЕЗЕНТАЦИЯ НА ТЕМУ: «НАНОИССЛЕДОВАНИЯ В ГЕОЛОГИИ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ»

2. ВВЕДЕНИЕ

• Нанотехнология — ключевое понятие начала
XXI века, символ новой, третьей, научно-
технической
революции.
фундаментальной
техники,
и
Это
прикладной
включающая
обоснование,
область
науки
и
теоретическое
практические
методы
исследования, анализа и синтеза, а также
методы производства и применения продуктов с
заданной
атомной
контролируемого
структурой
путём
манипулирования
отдельными атомами и молекулами.

3.

Цель работы - проанализировать наноисследования в геологии.
Задачи:
- раскрыть сущность онтологической теоретической базы
геологии с точки зрения истории и философии науки;
- проанализировать связь геологии и человека;
- проанализировать достижения в изучении Земли;
Объект работы - наноисследования в геологии.
Предмет работы - геология.
Методы исследования - синтез и анализ литературы по данной
теме.

4. ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГЕОЛОГИИ КАК ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКИ О СТРОЕНИИ ЗЕМЛИ 1.1. Онтологическая теоретическая база

геологии
Геология по своему основному содержанию и методу является
исторической наукой, как и история человеческого общества, археология,
палеонтология и др.
Для достижения главной цели реконструкции прошлого и
одновременного решения многих важных прикладных задач было
разработано множество специальных и общих методов, подходов, правил и
принципов и на их основе сформулированы основные положения постоянно
совершенствующейся теории и методологии познания, разрабатывающей
философию исторического познания, которая является универсальной для
всех исторических дисциплин.
Геологи выработали осторожное отношение к строгим теориям, особенно
физическим, механическим и химическим. И геологи делят все утверждения
на теоретические и фактические, то есть достоверные утверждения .
Идея В. И. Вернадского об эмпирическом обобщении основана на
онтологической теоретической геологии и является основой теории
развития.

5.

1.2. Геология и человек
С момента зарождения цивилизаций геология,
играла решающую роль. Чтобы изготовить первые
каменные орудия труда и оружие, необходимо
было найти подходящие породы, такие как
кремень.
Затем пришло время искать драгоценные камни
и самородные металлы, а позже пришло время
искать руды, сырье для производства металлов.
И с тех далеких времен основной задачей
геологии является обнаружение залежей полезных
ископаемых.
Минеральные
ресурсы
имеют
большое
значение для жизнеобеспечения общества.
На протяжении всей истории человечество
разработало
множество
способов
добычи,
переработки
и
использования
полезных
ископаемых. Металлы, топливо, удобрения,
строительные материалы, сырье для химической
промышленности и освоения космоса - все это
дает нам недра Земли. Но чтобы обнаружить их и
поставить на службу человечеству, необходимы
глубокие знания геологии и специальные
исследовательские работы.

6.

Благодаря
использованию
высокопроизводительных
механизмов
и
аппаратов, ценные компоненты извлекаются из
недр
Земли
в
достаточном
количестве,
формирование которых происходило в течение
десятилетий, миллионов лет.
Длительная
и
интенсивная
добыча
некоторых видов минерального сырья привела
к истощению многих месторождений.

7.

Однако добыча полезных ископаемых не должна быть
остановлена или сокращена, а, наоборот, расширена и улучшена,
поскольку
цивилизация
способствовать
ее
сокращению
сельскохозяйственной
сталкивается
в
как
современном
производства
продукции.
минимум
с
Таким
двумя
виде
не
может
промышленной
и
образом,
человечество
основными
проблемами,
связанными с рациональным отношением к минеральному сырью и
соблюдением экологической безопасности:
1. разработать эффективные и экологически чистые методы извлечения
ценных компонентов из недр Земли, чтобы ущерб окружающей среде
был наименьшим;
2. начать
использование
экологической обстановки.
обедненных
руд
и
облагораживание

8.

Так же ученые считают, что через 50 лет нефти в более
высоких слоях литосферы станет крайне мало, следовательно
надо научится добывать ее из более глубоких слоев, а это
возможно только при использовании нано материалов. В данный
момент активно занимаются вопросом о внедрении нано
материалов в горнодобывающую промышленность
Существенный рост добычи в России во второй половине ХХ
века был обеспечен открытиями уникальных месторождений с
приемлемыми геологическими условиями залегания нефти. В
настоящее время деятельность нефтяных компаний на территории
России сопряжена со сложными технологическими проблемами,
поскольку около 2/3 имеющихся запасов нефти и газа относятся к
категории трудноизвлекаемых. Высокая стоимость технологий их
добычи снижает доходность по сравнению с добычей нефти на
Ближнем Востоке, в Африке и даже в ряде случаев в Северном
море.

9.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ДОСТИЖЕНИЙ И ПЕРСПЕКТИВ
НАНОИССЛЕДОВАНИЙ В ГЕОЛОГИИ
В последнее десятилетие огромное значение для создания
рациональных технологий разработки трудноизвлекаемых запасов нефти в
России имело применение различных модификаций горизонтальных
скважин и гидроразрыва пласта. Не умаляя значимости этих технических
решений, отметим необходимость более глубокого изучения механизма
вытеснения нефти из нефтяных залежей в добывающие скважины.
Нефтенасыщенные пласты представлены пористыми
материалами с различными размерами пор, поровых каналов и
вещественными составами пород, определяющими особенности
взаимодействия пластовых и закачиваемых флюидов с породой. С учетом
отмеченного можно сделать вывод о том, что вытеснение нефти из
нефтяных залежей в добывающие скважины является не механическим
процессом замещения нефти вытесняющей ее водой, а сложным физикохимическим процессом, при котором определяющую роль играют явления
ионнообмена между пластовыми и закачиваемыми флюидами с породой
,т.е. наноразмерные явления.

10.

Термин нанонаука возник не так давно,
но многие из давно изучаемых макроразмерных
процессов учитывали явления, происходящие на
наноуровне, следовательно, их можно отнести к
нанонауке .Это характерно для наук о Земле в
сфере нефтегазодобычи.
В последние годы при изучении и
регулировании наноразмерных процессов в мире
получены фундаментальные результаты в ряде
научных направлений. Нанотехнологический
подход означает целенаправленное
регулирование свойств объектов на
молекулярном и надмолекулярном уровне (0,1100 нм), определяющем фундаментальные
параметры физических объектов. Наночастицы
недостаточно велики для непосредственного
наблюдения и изучения и слишком велики для
квантовомеханических расчетов. Поэтому при
моделировании их можно рассматривать в
качестве элементов объектов большего размера .

11.

В числе важнейших научно-технических проблем
нефтегазодобычи отмечены разработка математических моделей управления
процессами извлечения нефти с использованием химических, физических,
тепловых и иных методов воздействия на пласт; промышленная разработка и
применение новых технологий нефтегазодобычи; создание и освоение технологий
сжижения природного газа .Основой этих направлений является геология, где
роль нанонауки уже обозначена в механизмах минераллообразования и
выветривания горных пород, преобразовании одних глинистых минералов в
другие .На основе изучения наноразмерных комплексов в 1980-1990 гг. возникло
новое направление - наноминералогия . Примерно в те же годы стали активно
исследоваться явления ионнообмена в процессах нефтегазодобычи . Поскольку
характерные радиусы ионов не превышают 1 нм , технологии регулирования
ионообменных явлений в нефтегазовых системах относятся к нанотехнологиям.
К объектам исследований нанонауки относятся ультрадисперсные
системы (УДС), в том числе глины, аэрозоли, мицеллярные коллоидные растворы,
полимерные золи и гели, пленки жидкости на поверхности . Эти объекты также
очень важны для нефтегазовой сферы.

12.

Механизм перемещения нефти в пласте и ее извлечения во
многом определяется молекулярно-поверхностными процессами,
протекающими на границах раздела фаз (породообразующие
минералы - насыщающие пласт жидкости и газы - вытесняющие
агенты) . Поэтому проблема смачиваемости - одна из важнейших
проблем нанонауки в нефтегазовой сфере.
Одним из важных и перспективных направлений
применения нанотехнологий в нефтяной промышленности является
создание миниатюрных устройств, оснащенных микропроцессорами
и способных выполнять операции с объектами нанометовых
масштабов, называемых «нанороботами».
Например, они могут использоваться для сверхточного каротажа
скважин. Это технологическое решение еще находится в процессе
разработки. Однако уже сейчас, при общем прогрессе
микроэлектроники, началась миниатюризация электронных датчиков
и сенсоров. Так, для анализа буровых растворов и кернов применяют
микроэлектромеханические устройства, позволяющие анализировать
количества жидкостей в пределах долей микролитра. Другим
важнейшим направлением применения нанотехнологий является
разработка новых и повышение эффективности существующих
химических реагентов. К подобным реагентам, например, относятся
так называемые «умные» технологические жидкости для процессов
бурения и повышения нефтеотдачи. Для их характеристики иногда
используют термин «наножидкость» (если коллоидные частицы
представляют собой твердую фазу). Например, разработаны
технологические растворы, содержащие коллоидные частицы геля,
которые при бурении, заканчивании и глушении скважин
препятствуют поглощению раствора пластом. В результате снижаются
потери технологических жидкостей при заканчивании и ремонте
скважин.

13.

Подобные технологии применяются и при повышении
нефтеотдачи пластов. Коллоидные дисперсные гели, массовое
содержание полимера в которых в несколько раз ниже, чем в
традиционных гелевых системах, широко применяются на
месторождениях Китая для обработки пластов, со значительным
экономическим эффектом. Традиционные тампонирующие
материалы приобретают новые свойства при введении в них
наноразмерных частиц.
Так, удалось получить пластичный неорганический гель на основе
силиката натрия, который при сдвиге не разрушался, но обладал
текучестью, подобно пластичному цементу. Это новое, необычное
и востребованное свойство позволяет работать с неорганическим
гелем при высоких давлениях. Они могут получаться из дешевых
природных пород и минералов, а также из отходов
промышленного производства и сельского хозяйства. Наполнение
геля наноразмерными частицами приводит к тому, что гель
разбивается на множество наноразмерных областей и приобретает
новые пластические свойства. Для объяснения изменения
механических свойств гелей можно использовать теорию
прочности стекол, разработанную Гриффитсом. Согласно этой
теории критическое напряжение, вызывающее трещину в
стеклообразном теле, зависит от размера тела: чем он меньше, тем
большая нагрузка необходима для его хрупкого разрушения.
Таким образом, использование наноразмерных частиц позволяет
получать гели с новыми регулируемыми свойствами.

14.

Если выделить по категориям проблематичности нефтяных месторождений,
связанных с добычей нефти, то в нефтяной промышленности существуют 6
основных проблем, которые возможно решить с помощью внедрения
нанотехнологий:
1) Бурение в аномально высоких и низких давлениях, связанное с повышением
эффективности бурения,
2) Экологические проблемы, вызванные обводненностью скважин;
3) Борьба с пескообразованием,
4) Солеотложение в трубопроводах и транспортных системах,
5) Остаточная и трудноизвлекаемая тяжелая нефть (неньютоновская жидкость),
6) Парафинистость месторождения и борьба с ней.

15.

Повышение нефтеотдачи требует
использования принципиально новых
методов, в том числе нанотехнологий –
воздействия на жидкости в пластовых
условиях на атомно-молекулярном
уровне.
Для решения вышеизложенных проблем
разработаны нанотехнологические
системы, которые могут быть успешно
коммерциализированы на нефтяных
производственных площадях. Это нанотехнологии для извлечения
остаточной и трудноизвлекаемой тяжелой
нефти, нанотехнологии против
пескоотложения, против солеотложения,
нанотехнологии для бурения,
наноцемент, нанобентонит и другие
нанотехнологические системы.

16. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сегодня значительная часть добычи нефти в мире обеспечивается со старых, находящихся на
последней стадии разработки, сильно обводнённых месторождений, а также на месторождениях
высоковязких нефтей в условиях низкопроницаемых коллекторов. Пятая часть добывающих скважин
простаивает из-за сильной обводнённости. Разработка и внедрение нанотехнологий уже позволяет
получить эффективные результаты в производстве.
Современный прогресс в области нанотехнологий заставляет надеяться, что уже в недалеком
будущем многие проблемы нефтедобычи будут решены с их использованием. А так же из отмеченного
следует, что наноявления определяют особенности многих нефтегазовых технологий. Это означает
необходимость более глубокого изучения наноявлений в науках о Земле с целью повышения
долгосрочной эффективности добычи нефти и газа. А так же при более эффективной добыче данных
полезных ископаемых можно будет сократить расходование других материалов .
Таким образом , исследование и применение наноматериалов в отрасли добычи решит сразу
несколько проблем и облегчит человеческий труд.
В заключение необходимо отметить, что многие учёные высказывают беспокойство в связи с
возможными негативными последствиями массового поступления наноматериалов в геосферу и
биосферу. Изучаются социальные, экономические, политические и этические аспекты развития
нанонауки и нанотехнологий.

17. БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!