Лекционный курс Физические основы нанотехнологий и их применение в нефтегазовой отрасли» Раздел НАНООБЪЕКТЫ ПРИРОДНЫХ НЕФТЕЙ И СПОСОБЫ ИХ ИЗУЧЕНИЯ Тема. - презентация

1 Лекционный курс Физические основы нанотехнологий и их применение в нефтегазовой отрасли» Раздел НАНООБЪЕКТЫ ПРИРОДНЫХ НЕФТЕЙ И СПОСОБЫ ИХ ИЗУЧЕНИЯ Тема Методы и средства исследований (2)

2 ИССЛЕДОВАНИЯ ДВУМЕРНЫХ (ПЛЕНОЧНЫХ) НАНООБЪЕКТОВ МЕТОДЫ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА ( ЯМР )

3 МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА АТОМНЫХ ЯДЕР Величина магнитного момента ядра определяется значением спинового квантового числа («спина») J У ядер с четным массовым числом А и с четным зарядовым числом Z J = 0 и магнитные свойства не проявляются Ядра с четным массовым числом А но с нечетным зарядовым числом Z обладают целочисленным спином J = 1, 2, 3, ….

4 МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА АТОМНЫХ ЯДЕР У ядер с нечетным массовым числом А J = 1/2 Нефтегазовые среды исследуют, используя магнитные свойства ядер 1 Н и 13 С 99 % ядер углерода в природе составляют ядра 12 С со спином J = 0

5 УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ЯМР Энергия взаимодействия атомных ядер с магнитным полем B 0 определяется вектором магнитного момента В0В0 Вектора магнитных моментов прецессируют вокруг линий поля

6 УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ЯМР Для ядер 1 Н и 13 С со спином 1/2 возможны два значения (уровня) энергии : Энергия минимальна, когда вектора и В 0 примерно параллельны и максимальна, когда вектора и В 0 примерно антипараллельны В0В0

7 УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ЯМР Разность энергий двух уровней : E = h B 0 - гиромагнитное отношение (для водорода = MГц / Тл )

8 УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ЯМР Изменения ориентации ядер (переходы между уровнями энергии) возможны в результате поглощения квантов высокочастотного (В.Ч.) электромагнитного поля h Резонансное усиление поглощения В.Ч. поля происходит при совпадении энергии квантов с разностью уровней магнитной энергии h рез = h B 0

9 Bo B 1 Катушка В.Ч. поля В 1 Катушка (электромагнит) постоянного поля В 0. e- Устройство ЯМР - приборов Образец

10 ЯМР-спектрометр BS TESLA Общий вид Электромагнит с образцом

11 ЯМР спектрометр-релаксометр Сверхпроводящий магнит В 0 =94000 Гаусс Блок управления ЭВМ В.Ч. поле до 400 МГц

12 ЯМР - СПЕКТРОСКОПИЯ У ядер, входящих в молекулу вещества (жидкости) уровни магнитной энергии (значения резонансных частот рез ) изменяются за счет взаимодействия с ядрами других атомов (химический сдвиг) Частота В.Ч. поля Поглощенная энергия В.Ч. поля Спектр ЯМР 1 Н в молекуле СН 2 СН 3

13 ЯМР - РЕЛАКСОМЕТРИЯ Частота В.Ч. поля постоянна и равна резонансной частоте ядер 1 Н или ядер 13 С Создают короткие импульсы В.Ч. поля, переводящие систему ядер в возбужденное состояние После окончания В.Ч. импульса происходит переход ядер в основное состояние ( РЕЛАКСАЦИЯ) С течением времени число ядер в возбужденном состоянии убывает по закону : N=N 0 e -t/T T - время релаксации

14 ЯМР - РЕЛАКСОМЕТРИЯ Намагниченность образца M в направлении, параллельном линиям поля В 0 возрастает по закону : M = М 0 [1 - exp( -t/T 1 )] Намагниченность образца M в направлении, перпендикулярном линиям поля В 0 (параллельном линиям В.Ч. поля В 1 ) убывает по закону : M = М 0 exp( -t/T 2 )] ПРИ РЕЛАКСАЦИИ :

15 ЯМР - РЕЛАКСОМЕТРИЯ M M Время T1T1 T2T2 Т 1 - время продольной (спин-решеточной) релаксации Т 2 - время поперечной (спин-спиновой) релаксации

16 ЯМР релаксометрия смеси пластовых флюидов НЕФТЬ РАССОЛ НЕФТЬ + РАССОЛ Время релаксации Т 2 ( мс )

17 ЯМР релаксометрия флюидов в порах коллектора Исследуются керны, насыщаемые нефтями и пластовыми водами (рассолами)

18 ЯМР релаксометрия флюидов в порах коллектора ЯМР релаксометрия флюидов в порах коллектора Связанная водаСвободная вода

19 СМАЧИВАНИЕ ВОДОЙ СМАЧИВАНИЕ НЕФТЬЮ ВОДА НЕФТЬ ПОРОДА ЯМР релаксометрия дает сведения о характере смачивания коллекторов

20 Функции распределения времен поперечной ЯМР – релаксации на различных участках модели водосодержащего нефтяного пласта ЯМР релаксометрия дает сведения о формировании В/Н эмульсий внутри пористых коллекторов

21 ЯМР релаксометрия позволяет получать и томографические изображения распределения флюидов в поровом пространстве коллекторов

22 Прибор ЯМР - каротажа фирмы Schlumberger Материал - с сайта

23 Результаты ЯМР - каротажа фирмы Schlumberger глубина скважины - в футах (6410 футов 2 км) Материал - с сайта

24 ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ НЕФТЯНЫХ ФЛЮИДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

25 Цели исследований природных флюидов при разработке месторождения Знание фазового состояния, состава и физико-химических свойств необходимо для того чтобы определить Имеющиеся запасы нефти и газа Возможные объемы добычи Возможные сроки эксплуатации месторождения Оптимальные стратегии управления разработкой

26 Как получить данные о свойствах пластовых флюидов Лабораторные эксперименты Теоретические расчеты Измерения на образцах при пластовых условиях Получение данных для образцов известного состава по существующим термодинамическим моделям Измерения в продуктивном пласте Непрерывные измерения без отбора образцов

27 Оборудование для лабораторных экспериментов при пластовых условиях Как получить данные о свойствах пластовых флюидов

28 Расчет свойств нефтегазовых систем по теоретическим моделям Как получить данные о свойствах пластовых флюидов

29 ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ЗАТРАТ НА ПРОВЕДЕНИЕ РАЗВЕДОЧНОГО БУРЕНИЯ И ЛАБОРАТОРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НЕОБХОДИМО ПОВЫСИТЬ НАДЕЖНОСТЬ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ НЕФТЯНЫХ ФЛЮИДОВ

30 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТРЕБУЕТ ПРОВЕДЕНИЯ ТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДИФФУЗИИ В МНОГОГОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЯХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ОБЫЧНЫХ УСЛОВИЯХ ПРОЯВЛЕНИЯ ДИФФУЗИИ ИСКАЖАЮТСЯ КОНВЕКТИВНЫМ ДВИЖЕНИЕМ КОМПОНЕНТ В ГРАВИТАЦИОННОМ ПОЛЕ ЗЕМЛИ НЕОБХОДИМЫ ИЗМЕРЕНИЯ В УСЛОВИЯХ НЕВЕСОМОСТИ ( МИКРОГРАВИТАЦИИ )

31 ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА КОСМИЧЕСКОМ ЧЕЛНОКЕ « ШАТТЛ » И НА МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ ( МКС )

32

33 РОССИЙСКИЕ СЕГМЕНТЫ МКС

34 ПРОЕКТ «ОДИССЕЯ» В 2002 г. подписан контракт между Российским авиационно-космическим агентством, Ракетно-космической корпорацией "Энергия", Европейским космическим агентством и Правительством Королевства Бельгии на полет бельгийского астронавта Франка Де Винна и на выполнение научной программы "Одиссея"

35 ЧАСТЬЮ ПРОГРАММЫ «ОДИССЕЯ» ЯВЛЯЕТСЯ ЭКСПЕРИМЕНТ «DCCO» ПО ИЗУЧЕНИЮ СВОЙСТВ НЕФТЕЙ В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ Цель эксперимента: Измерение коэффициентов изотермической диффузии в смесях двух и трех жидкостей, отображающих реальные типы сырой нефти. Конкретные задачи: Изучение явления массопереноса. Количественное определение коэффициентов диффузии

36 Frank De Winne works with the Microgravity Science Glovebox

37 НАУЧНАЯ АППАРАТУРА DCCO «ПЕРЧАТОЧНЫЙ БЛОК» МКС ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ НЕВЕСОМОСТИ

38 НАУЧНАЯ АППАРАТУРА DCCO Экспериментальный контейнер DCCO, включающий в себя интерферометр и 9 ячеек с образцами исследуемых жидкостей ;

39 НАУЧНАЯ АППАРАТУРА DCCO Конструкция интерферометра DCCO

40 НАУЧНАЯ АППАРАТУРА DCCO ДВУХКАМЕРНАЯ ЯЧЕЙКА С ИЗУЧАЕМОЙ МОДЕЛЬНОЙ НЕФТЬЮ И ЭТАЛОННОЙ ЖИДКОСТЬЮ

41 С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА ИЗМЕРЯЮТ ИЗМЕНЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ВЗАИМНОЙ ДИФФУЗИИ КОМПОНЕНТОВ «МОДЕЛЬНОЙ НЕФТИ» ОБРАЗЕЦ ЭТАЛОН ЛАЗЕР 633 нм ЛАЗЕР 740 нм ДЕТЕКТОР НАУЧНАЯ АППАРАТУРА DCCO

42 ПЕТРОИНФОРМАТИКА

43 Data mining for petroleum molecules РАЗРАБОТКА природных месторождений нефти и газа РАЗРАБОТКА баз данных лабораторных и полевых исследований

44 The standard software supplied with Petroleomics instruments cant assign and interpret spectra in sufficient detail to translate the tide of data into useful information about an oil samples origin or behaviour In 2009, Sierra Analytics, Inc teamed up with the Magnet lab researchers to develop Composer – a commercial package that allows researchers both in industry and academia, to make sense of petroleomic mass spectra. It builds on the extensive libraries of data and processing techniques developed at the Magnet lab to help researchers analyse, sort and visualise their data to extract meaningful information. Data mining for petroleum molecules

45 СОЗДАНИЕ НОВОГО ЦЕНТРА «ПЕРТРОЛЕОМИКИ» И «ПЕТРОИНФОРМАТИКИ» В ЯПОНИИ

46

47 ПЕТРОИНФОРМАТИКА

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57 МОЛЕКУЛЯРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Прогнозирование свойств нефтей путем анализа многочисленных результатов лабораторных экспериментов Прогнозирование свойств нефтей путем проведения «витуальных экспериментов»

58 ПРОВЕДЕНИЕ НЕОБХОДИМЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЧАСТО ЗАТРУДНЕНО ИЗ-ЗА - ОТСУТСТВИЯ ДОСТАТОЧНОГО КОЛИЧЕСТВА КВАЛИФИЦИРОВАННЫХ СПЕЦИАЛИСТОВ - ОТСУТСТВИЯ НЕОБХОДИМОГО ОБЪЕМА СОВРЕМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ - ОТСУТСТВИЯ ДОСТАТОЧНОГО ФИНАНСИРОВАНИЯ ОДНА ИЗ АЛЬТЕРНАТИВ – ПРОВЕДЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОЛЕКУЛЯРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ (ВИРТУАЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА СУПЕР-ЭВМ)

59 ИНДУСТРИЯ СУПЕР-ЭВМ. ФЛОПС - единица измерения производительности ЭВМ (количество операций с плавающей запятой в секунду)

60 САРОВ (Нижегородская область), 24 фев Г. - РИА Новости. В Саровском федеральном ядерном центре (РФЯЦ-ВНИИЭФ) работает суперкомпьютер мощностью 1 петафлопс, к годам мощность будет увеличена до 1 эксафлопса. В центре разработана компактная супер-ЭВМ мощностью 3 терафлопса для коммерческого производства, планируют сдачу в эксплуатацию машины мощностью 5 терафлопс.. По словам ученых, на компактные суперкомпьютеры есть заказы, "существует устойчивый спрос". Центр уже продал на внутрироссийском рынке 50 супер-ЭВМ терафлопного класса, которые были поставлены в ряд университетов и предприятий. ПРОГРАММА ПРАВИТЕЛЬСТВА США (2006г.) до 2010 г.: БОЛЬШИНСТВО УНИВЕРСИТЕТОВ – от 1 до 50 Тфлопс ВЕДУЩИЕ УНИВЕРСИТЕТЫ – 100 Тфлопс ИНДУСТРИЯ СУПЕР-ЭВМ

61 СУПЕРКОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ – ОСНОВА РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ОСНОВНОЙ ИНСТРУМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЯ – ДЕТАЛЬНОЕ ПРЕДСКАЗАТЕЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА СУПЕР-ЭВМ (НАНО) ЭЛЕКТРОНИКА ЭНЕРГЕТИКА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ФАРМАКОЛОГИЯ КРУПНЫЕ МИРОВЫЕ СУПЕРКОМПЬЮТЕРНЫЕ НАНОЦЕНТРЫ США ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ШТАТА НЬЮ-ЙОРК ( >100 Тфлопс, IBM) ЕВРОПА (ГЕРМАНИЯ) ОБЩЕСТВО МАКСА ПЛАНКА, КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЦЕНТР (100 Тфлопс, IBM) ЯПОНИЯ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ И ХИМИИ ( СУПЕР-ЭВМ СОБСТВЕННОЙ РАЗРАБОТКИ – 2 Пфлопс)

62 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ДИСЛОКАЦИЙ ПРИ ЗАСТЫВАНИИ РАСПЛАВА ТАНТАЛА Для обеспечения нужной точности расчета учитывалось поведение 16 миллионов атомов. Счет на супер-ЭВМ (360 Тфлопс) занял 7 часов (НА САМОЙ МОЩНОЙ ПЕРСОНАЛЬНОЙ ЭВМ – 10 месяцев) Результаты моделирования необходимы для оптимизации конструкций и расчета срока их службы

63 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МАТЕРИАЛОВ НА АТОМАРНОМ УРОВНЕ В МИКРО (НАНО) ЭЛЕКТРОНИКЕ (ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ) ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ИЗОЛИРУЮЩЕМ НАНОСЛОЕ 50 ВАРИАНТОВ СУПЕР-ЭВМ 11 Тфлопс ПОЛНЫЙ ЦИКЛ МОДЕЛИРОВАНИЯ – 250 дней НА САМОЙ МОЩНОЙ ПЕРСОНАЛЬНОЙ ЭВМ – 700 лет В РЕЗУЛЬТАТЕ ОБОСНОВАНА ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗОЛЯТОРА В МАССОВОМ ПРОИЗВОДСТВЕ МИКРОЭЛЕКТРОНЫХ ИЗДЕЛИЙ

64 Результаты расчетов, методом молекулярной динамики, течения жидкости в нанотрубке в плоской и трехмерной постановке Течение и кластеризация в наноканале

65 КВАНТОВО -МЕХАНИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРОЕНИЯ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕЖФАЗНЫХ СЛОЕВ НАНОКОМПОЗИТОВ Cтруктуры, относящиеся к нескольким шагам одноосного растяжения олигомера полиэтилена в контакте с углеродной наночастицей. Зависимость силы деформации от удлинения полимерной цепи в контакте с углеродной наночастицей

66 2 нс The 2 ns simulation of an asphaltene dimer in heptane took about 1 month on an 8 processor PIII/866 MHz cluster. МОЛЕКУЛЯРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПОНЕНТ ПРИРОДНЫХ НЕФТЕЙ

67 КОНЕЦ ЛЕКЦИИ