(РУДН), Трабелс си С. (Алжирский национальный университет)
Нанотехнологии в нефтегазовой промышленности
Применение наночастиц в качестве рабочего инструмента для послойной (вплоть до поатомной /поклатратной/) разработки аквальной газогидратной залежи предполагает полный контроль за процессом извлечения газа, что обеспечивает необходимую степень технологической безопасности [1-5].
В соответствии с этой идеологией (выработанной проф. ) первоначально предполагалось подавать и использовать наночастицы практически любой формы, а главным фактором являлась их масштабная соразмерность (2,76 А) с разрушаемыми ячейками клатратов – газовых гидратов и обладание приемлемой ценой (табл. 1).
Таблица 1
Цена на чистый фуллерен С60, долл. [13]
В дальнейшем была установлена явно выраженная зависимость эффективности разрушения газогидратов (рис. 1) от формы наночастиц: в частности, от наличия у сферических наночастиц различных шипов, размещенных равномерно по всей их поверхности [6-9].
Рис. 1. Зависимость эффективности разрушения ячеек газогидратов
от усложнения формы наночастиц
В ходе осуществленных исследований было установлено наиболее эффективное расстояние между отдельными, рядом расположенными, шипами наночастицы – 1,38 А. В таком случае, при перемещении сферической частицы (обладающей шипами) вдоль поверхности ячейки (клатрата) газогидратов происходит периодическое поднятие и опускание острия шипа (фото 1), что приводит к разрушению каждой кристаллической ячейки (расположенной на пути следования наночастицы) и высвобождению молекул метана из них.
Фото 1. Вариант шипа наночастицы
Для эффективного обеспечения процесса разрушения ячейки клатрата, с включенной в нее молекулой метана, также важным представляется выбор оптимальных параметров (длины шипов) и формы (прямолинейной, изогнутой, утолщенной и т. д.) шипов сферической наночастицы (рис. 2).
|
|
Рис. 2. Схема для расчета параметров шипов наноежа | Рис. 3. Наноеж |
Такие наноструктуры, которые выглядят как природные биологические объекты - морские ежи (рис. 3), довольно легко формируются электрохимическим методом [10]. В настоящее время, основным материалом для их получения является полистирол, его микросфера представляет собой основу, на которой оксид цинка образует трехмерную поверхность. В результате формируются полые, сферической формы наноструктуры, обладающие на поверхности многочисленными шипами, равномерно направленными во все стороны.
В этом случае довольно значимым аспектом является создание необходимых условий для повторного использования этих наночастиц: путем их механического сбора (всасыванием, центрифунгированием и т. п.), либо сбора на основе их магнитных свойств или вследствие наличия у них электрического заряда и т. д. [7].
В ходе проведенных нами исследований было установлено несколько довольно существенных аспектов, определяющих эффективность последующего промышленного применения подобных нанотехнологий при разработке аквальных залежей газогидратов.
Во-первых, полученная наночастицой (находящейся в составе специально подаваемой гидродинамической струи - рис. 4) потенциальная энергия движения обеспечивает ее перемещение по поверхности газогидратов только на весьма короткое расстояние, т. к. зачастую наблюдается ее рикошет (с потерей потенциальной энергии разрушения клатратных связей и резким изменением траектории перемещения) от поверхности газогидратной залежи. И, следовательно, практически каждая из них осуществляет разрушение лишь довольно небольшого количества ячеек – клатратов (при чем – в явно хаотической последовательности).
Рис. 4. Обработка поверхности газогидратной залежи
гидродинамической струей
Поэтому кроме шарообразных наночастиц в качестве рабочего инструмента разрушающего наногидратные залежи более целесообразно применять различные молекулярные шестерни (рис. 5) и соединенные осью колеса, которые более устойчивы при перемешении по поверхности газогидратной залежи и также высокоэффективны в разрушении связей клатратной ячейки газогидратов [12]. Модели подобных наноустройств были предложены K. E. Drexler и R. Merkle из Institutefor Molecular Manufacturing, Palo Alto.
Валами шестеренок в подобной коробке передач являются углеродные нанотрубки (рис. 6), а зубцами служат молекулы бензола [12]. При этом характерные частоты вращения таких шестеренок составляют несколько десятков гигагерц.
|
Рис. 6. Ось наноколес |
Рис. 5. Молекулярные шестерни
Механизм образования подобных наноколес (рис. 7) уже детально разработан и апробирован в лабораторных условиях [11]. Так, группой исследователей под руководством А. Мюллера из Университета Билефельд (Германия) было обнаружено, что смешение молибдата натрия, воды и восстановителя при низком значении рН приводит к самопроизвольному образованию бубликоподобных наноколес, состоящих из оксида молибдена. Диаметр формирующихся по такой технологии молибденсодержащих колес составляет около 4 нм.
Рис. 7. Схема авторепликации наноколес
А во-вторых, гидродинамический поток (в составе которого перемещается рабочий инструмент – наночастица) не обладает должной (необходимой) функцией управления, способной строго выдерживать заданную траекторию перемещения наночастиц по поверхности залежи газогидратов.
Литература
Воробьев промышленных нанотехнологий освоения аквальных газогидратов // Нефтегазовые технологии №12. 2014. С. 80-86. Воробьев принципы эффективного применения промышленных нанотехнологий при добыче аквальных газогидратов // Наноинженерия, №12. 2014. С. 3-7. Воробьев принципы эффективного применения промышленных нанотехнологий при добыче аквальных газогидратов // Экспозиция. Нефть. Газ, №2 (41). 2015. С. 28-31. Воробьев механизма эффективного применения промышленных нанотехнологий при добыче аквальных газогидратов // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала № 6(28). 2014. С. 102-108. Воробьев применения нанотехнологий при добыче газогидратов // Горный журнал Казахстана, №10. 2014. Воробьёв эффективного применения промышленных нанотехнологий при добыче аквальных газогидратов // Вестник Астраханского государственного технического университета. 2014. №2 (58). С. 23-30. , Гладуш нанотехнологии в топливно-энергетическом комплексе России. М., РУДН. 2014. 158 с. (ISBN 978-5-209-06467-1) , Салим Трабелсси. Возможности использования нанотехнологий при освоении газогидратных ресурсов // Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр: Материалы четырнадцатой международной конференции. Москва–Бишкек. – 14-20 сентября 2015 г. – М.: РУДН, 2015. С. 52-66. , Воробьев наноактюаторов в разработке аквальных залежей газогидратов // Бурение и нефть N 11. 2015. С. 10-17. Ежи и наноструктуры // http:///vysokie-texnologii/ezhi-i-nanostruktury. Механизм образования наноколеса // http://www. nanonewsnet. ru/news/2010/ mekhanizm - obrazovaniya-nanokolesa. Нанотехнологии, наноматериалы, наноустройства // http://spkurdyumov. ru/ mathmethods/ nanotexnologii - nanomaterialy - nanoustrojstva. Техническая справка на модификаторы углеродсодержащие нанодисперсные (МУН) // http://klm-s. ru/mun.