Small solutions for big returns

“Дальнейшее применение традиционных технологий делает разработку многих существующих месторождений экономически неэффективной и только снижает конкурентоспособность российских компаний”
-Серджио Капуста, Shell

Нанорешение мегапроблем

За последние несколько лет слово "нанотехнологии" стало модным не только в научном мире, но и в политике, а самим наночастицам прорачат революционизировать самые различные отрасли промышленности. Мода на "нано" пришла и в Россию - здесь необходимость развития нанотехнологий рассматривается как один из важнейших приоритетов политики экономического развития, что подтверждает наличие "крупнейшей в мире" госпрограммы, предусматривающей выделение в эту область до 2015 года 318 млрд руб. Переживающие не лучшие времена энергетические компании тоже не остаются в стороне, ведь потенциальные преимущества использования нанотехнологий в этой отрасли колоссальны. В этом специальном репортаже мы изучаем, почему нанотехнологии могут стать крошечным решением очень больших проблем нефтегазового сектора.

Быстро сокращающиеся запасы углеводородов означают, что гонка на время, чтобы отложить страшный сценарий пика добычи, уже началась. Многие аналитики предвещают, что к 2030 году мировой спрос на энергоносители, будет примерно на 35-45% выше, чем сегодня, даже при значительных успехах в области энергоэффективности. В то же время мы видим, что нефтегазовая разведка становится все более бесплодной (с 1999 года пять крупнейших в мире международных нефтяных компаний заместили только 82% от добытых ими углеводородов), а большие объемы нефти по-прежнему остаются неизвлеченными в земле.

Если говорить о России, то здесь ситуация еще более неутешительная. Около 2/3 имеющихся российских запасов нефти и газа относятся к категории трудноизвлекаемых, разработка которых сопряжена с технологическими проблемами и высокими капитальными затратами. Также падает коэффициент извлечения нефти (КИН). Так, в Западной Сибири, нефтегазовой житнице России, он составляет в среднем 20-25%, а это означает, что четверть разведанных запасов нефти остается в пластах. В этом плане Россия значительно проигрывает таким странам, как Норвегия, где современные технологии позволяют достигать КИНа до 70%.

Недостаток инвестиционных средств (особенно в условиях нынешнего экономического спада) и слабое финансирование инновационных изысканий вынуждает нефтедобывающие компании усиленно эксплуатировать старый фонд. Однако дальнейшее применение традиционных технологий делает разработку многих существующих месторождений экономически неэффективной и только снижает конкурентоспособность российских компаний. Единственно возможный выход из этого положения - активная инновационная деятельность по созданию, приобретению, производству и широкому применению новых высокоэффективных технологий в области разработки месторождений и нефтедобычи. И спасением отрасли могут стать именно нанотехнологии.

Надежда в "нано"

По словам Серджио Капусты, главного научного сотрудника компании Shell, только новая технология поможет нам достичь более высокий пик добычи углеводородов, отложить час этого пика на годы или десятилетия, а также замедлить сокращение производства, которое произойдет после него. "Окно возможностей для значительной добычи углеводородов на этой планете ограничивается сочетанием геологических, политических, финансовых и климатических факторов, - говорит Капуста. - Но до тех пор, пока углеводороды необходимы для обеспечения экономического роста, мы должны их извлекать настолько эффективно, насколько это возможно. Нанотехнологии являются одной потенциальной областью, которая может предложить новые методы для поиска и добычи больших дополнительных объемов нефти".

Учитывая огромные масштабы проблем, стоящих перед производителями нефти в России и в мире, довольно иронично, что миллиарды долларов сегодня тратятся на разработку решения настолько микроскопического, что оно невидимо невооруженным глазом. Объекты, с которыми имеют дело нанотехнологи ("нано" от греческого слова, означающего "карлик"), настолько малы, что ничего меньшего и быть не может. Обычно, говоря о наночастицах, подразумевают нечто размером от 0,1 нм до 100 нм, при том, что размеры большинства атомов лежат в интервале от 0,1 нм до 0,2 нм, а ширина человеческого волоса - 80000 нм. На этих масштабах активность элементов сильно меняется с изменением размера. Например, инертность золота и серебра хорошо известна, однако кластеры, состоящие из нескольких их атомов, демонстрируют уникальные каталитические свойства.

Многие отрасли промышленности уже успели получить некоторые выгоды от использования нанотехнологий, в том числе полупроводниковая, электронная, телекоммуникационная, медицинская и фармацевтическая отрасли. В нефтегазовую промышленность нанотехнологии пришли не так давно, но некоторые ее приложения уже стали неотъемлемой частью многих традиционных технологических процессов. Примерами являются использование наноструктурированных катализаторов в нефтепереработке или новые конструкционные наноматериалы для изготовления деталей оборудования.

Капуста отмечает, что у нанотехнологий есть большой потенциал в нефтегазовой отрасли, особенно когда грядет эпоха растущего глобального спроса, труднодоступной нефти и растущей озабоченностью экологическими проблемами. Среди потенциальных применений он перечисляет:

• Создание более прочных и более легких материалов;
• Улучшенный контроль состояния пласта;
• Повышение КИНа;
• Лучшая очистка промысловой воды;
• Более коррозионно- и эрозионно-стойкие покрытия.

"Все это возможно, - говорит Капуста. - Но на данном этапе ни одно из этих применений не было реализовано в больших масштабах. Есть много пилотных проектов, но они еще далеки от реализации".

Ключ к разгадке тайн недр

Главным условием для повышения нефтедобычи является получение подробной информации о том, что происходит на глубине тысяч метров под поверхностью земли. Отрасль добилась значительных успехов в сейсморазведке и других технологиях визуализации, но коллекторы остаются, во многом, глубокой и темной тайной.

"Как индустрия, мы по-прежнему работаем практически вслепую, как только мы отдаляемся более чем на несколько метров от ствола скважины, - отмечает Капуста. - В этом отношении наноинструменты смогут нам помочь измерить ключевые параметры в самой скважине, либо, в более долгосрочной перспективе, гораздо дальше от скважины, чем в настоящее время. Они также смогут показать свой "путь" по залежи, указывая оставшуюся нефть".

Одна из последних попыток узнать, где прячется нефть, включает закачку сотен миллионов крошечных углеродных кластеров в глубь подземных пластов, где изменения в их молекулярном составе будут сигнализировать, натолкнулись ли они на нефть, воду, сероводород или другие вещества. Кластеры, которые около 30000 раз меньше толщины человеческого волоса, будут иметь маркировку, подобную штрих-коду на упаковках, которые будут сообщать ученым, как долго они находились под землей - три месяца, шесть, девять или больше. Компании затем смогут определить, где именно защемлена нефть. Например, если большое число девятимесячных кластеров встретило нефть, в то время как трехмесячные нет, ученые могут предположить, что нефть залегает на большей глубине.

Однако некоторые представители отрасли смотрят еще дальше в будущее. В последнее время мы часто слышим о фантастической концепции "нанороботов", которые кроме поиска нефти, также по идее будут способны анализировать физические характеристики пласта и сохранять эту информацию, таким образом строя подробную карту залежи. Нанороботов потом можно будет извлечь из сырой нефти на добывающих скважинах и загрузить собранные ими данные.

Капуста развивает эту идею: "Представьте себе наносенсоры, которые могли бы путешествовать по залежи, собирая информацию о прохождении фронта заводнения, температуре, давлении или углеводородном насыщении, и таким образом помогли бы найти и извлечь нефть, которая в настоящее время остается позади. В долгосрочной перспективе наночастицы смогут быть в состоянии доставить конкретные химические вещества в определенное место в коллекторе и контролировать их выделение. Они могут быть также использованы в качестве недорогих механизмов контроля, например, для перекрытия водяных зон при контакте. У нас уже есть наночастицы, которые могут найти свой путь к месту контакта нефти и воды. Это подводит нас к следующей важной задаче - как активировать их сделать что-нибудь полезное или передать свои координаты устройству дистанционного зондирования". Капуста говорит, что в конечном итоге "умные" частицы смогут быть использованы для передачи информации прямо изнутри коллектора в реальном времени.

Однако концепция робота, построенного на наномасштабе, да еще и оснащенного такими высокоуровневыми сенсорными и коммуникационными способностями, остается сейчас в области научной фантастики. Процесс воплощения этой идеи в жизнь чреват сложностями, в основном связанными с масштабами и функциональностью задействованных технологий. Суть дела заключается в достижении наименьшего размера робота, чтобы он мог пройти через поры в породе, при этом оставляя достаточно функциональности, чтобы можно было с ним делать что-то полезное. Учитывая, что нефтяные и газовые пласты обычно содержат поры размерами от 100 до 1000 нм в ширину (0,0001-0.001 мм), наночастицам необходимо будет быть меньше 100 нм, чтобы они могли пройти через эти поры. Создание робота размером в 100 нм, который включает источник питания, системы передвижения и передачи данных, уже звучит почти нереально, и даже если бы этого можно было достигнуть, сразу появляется вопрос о цене. Дополнительные вопросы возникают насчет того, как эффективно управлять огромным количеством данных, полученных от миллионов нанороботов, и выживут ли они вообще в жестокой для электроники среде коллектора.

Но даже если успех не будет достигнут в продвижении на следующий уровень - т.е. в создании наночастиц с датчиками, коммуникационным оборудованием и способностью хранения данных - просто суметь провести наночастицу через пласт может иметь большие выгоды для нефтяной промышленности, т.к. эта наночастица могла бы выступать в качестве контрастного материала, тем самым увеличивая спектр имеющихся инструментов для построения карты залежи.

От нанопокрытий до "умных" материалов

Нам может быть никогда не удастся создать и запустить нанороботов в пласт, но потенциал нанотехнологий в нефтегазовой сфере не ограничивается только этим применением. Наноматериалы уже широко используются в разных отраслях промышленности, в том числе для создания улучшенных покрытий - более стойких против царапин или с гидрофильными или олеофильными свойствами. Капуста считает, что "нефтегазовой отрасли наноматериалы, прежде всего, могут помочь как с пассивными покрытиями, чтобы сделать более прочные буровые долота или более коррозионно-стойкие клапаны и трубы, так и активными, чтобы помочь обнаружить утечки и, возможно, даже их саморемонтировать".

В наномасштабе свойства многих материалов кардинально отличаются по своим характеристикам от их кристаллических форм: например, они могут быть прочнее и устойчивее, делая их способными выдерживать высокие температуры. Использование покрытий из наноматериалов может позволить нефтяным компаниям бурить глубже, получая доступ к тем месторождениям, которые раньше считались недоступными, или сократить время, теряемое на замену бурового долота.

В трубопроводной промышленности уже существуют примеры антикоррозионных покрытий на основе наночастиц. Так, корпорация Industrial Nanotech, одна из ведущих компаний мира в области нанотехнологий, разработала группу тонкопленочных покрытий Nansulate, сочетающих антикоррозионные свойства, свойства термоизоляции и сопротивляемости образованию плесени. Покрытие уже используется для защиты поверхностей нефтепроводов (включая 250 км труб нефтепровода компании Petrobras в Бразилии), а также деталей нефтепроводного крепежа, всевозможных устройств, сооружений и аппаратов, подвергающихся разрушающему воздействию среды.

Еще более сложным применением нанотехнологий является покрытие трубопровода или ствола скважины "умными" материалами, способными выявлять и реагировать на коррозию и утечки. Эти материалы "осознают" окружающую среду вокруг себя и могут изменять свои свойства соответственно. "Представьте себе "непротекающий" трубопровод из самовосстанавливающихся материалов, - говорит Капуста. - Это, как и использование лучшего покрытия для долот, может открыть путь нефтяным компаниям для экономии миллиардов долларов на затраты, связанные с простоями и заменой оборудования".

Нанотехнологии также могут помочь воплотить в реальность давнишнюю мечту инженеров - создание материала, на порядок более прочного и легкого, чем сталь. Это в свою очередь решит крайне важную проблему веса при разведке и добыче на шельфе. Капуста особенно заинтересован углеродными нанотрубками: "Графитовые нанотрубки примерно в шесть раз легче, чем сталь, но могут выдерживать в 40 раз больше веса, что имеет очевидные сверхглубоководные применения. И это - не технология далекого будущего, она уже сегодня с нами в виде углеродных нанотрубок, используемых для создания некоторых автомобильных частей".

"Хотя некоторое из того, что мы слышим, это "наношумиха", и некоторым технологиям предстоит пройти еще очень долгий путь до практического использования, - подытоживает Капуста, - кое какие применения, такие как буровые долота с нанопокрытиями, являются реальностью уже сегодня. Совершенствование других материалов, чтобы они противостояли коррозии в суровых условиях или стали более легкими, относительно рентабельно прямо сейчас".

Пути к реализации

Несмотря на такие многообещающие применения нанотехнологий в нефтегазовом секторе, отрасль, тем не менее, сталкивается с рядом проблем на пути к реализации этих идей. В первую очередь нанотехнологическое развитие крупных компаний ограничивают мизерные бюджеты на исследования и разработки. Как известно, сегодня мировые нефтегазовые монополии расходуют на НИОКР лишь 0,2-0,5% своих доходов - т.е. в 50-100 раз меньше, чем космическая отрасль или сфера ИТ.

В дополнение к этому, Капуста приводит еще две преграды: "Во-первых, многие специалисты по нанотехнологиям в своем большинстве незнакомы с техническими, и даже основными принципами добычи углеводородов. Во-вторых, текущие применения предполагают миллиграммы дорогих наночастиц, в то время как нам они нужны в количестве многих тонн и по разумной цене".

Насчет последнего пункта Капуста надеется, что со временем стоимость нанотехнологий упадет до уровня, позволяющего их использовать в промышленных масштабах, как это произошло с множеством других технологий. Для решения же более сложной первой задачи, по мнению Капусты, необходима передача знаний между отраслью и специалистами по нанотехнологиям. Для этого необходимо создать единую терминологию, объяснить ученым технические проблемы нефтегазовой промышленности и создать мультидисциплинарные группы, в которые входили бы инженеры-нефтяники, ученые-нанотехнологи и сервисные компании, реализующие технологические решения на практике. Только такими совместными усилиями можно оптимально использовать открывающиеся перспективные возможности и прийти к успешным результатам.

У самой Shell три подхода к решению задачи масштабного применения нанотехнологий в своем бизнесе:

1. Наблюдать и учиться у фармацевтической и других отраслей промышленности, которые уже используют нанотехнологии.

2. Проводить собственные целенаправленные исследования. В конце 2007 года компания Shell Global Solutions открыла $2 млн лабораторию по нанотехнологиям в своем Техническом центре Вестхоллоу, Хьюстон, США, для изучения применений нанотехнологий для топлива и смазочных материалов.

3. Формировать ключевые альянсы. Например, Shell является членом Advanced Energy Consortium, многомиллионного исследовательского консорциума, созданного для содействия доконкурентным исследованиям применений микро- и нанотехнологий в разведке и добыче нефти и газа. Кроме Shell в консорциум входят еще 6 нефтегазовых гигантов (British Petroleum, ConocoPhillips, Marathon, Occidental, Petrobras и Total) и 3 сервисные компании (Halliburton, Baker Hughes и Schlumberger), которые вместе финансируют его научные исследования. По мнению Shell, такое объединение ресурсов конкурирующих компаний является наиболее эффективным подходом для разделения рисков, связанными с исследованиями в новой области, особенно во времена экономического спада.

В России к основным проблемам добавляется еще одна - менталитет руководства. Опыт внедрения инновационной продукции в нефтедобывающей отрасли России свидетельствует о том, что несмотря на экономический эффект и технологичность изделий, добывающие компании инертно внедряют новейшие технологии, часто предпочитая им менее эффективные, устаревшие решения в ущерб интересам своих предприятий. Данный фактор негативно влияет на производительность труда в отрасли и повышает ее расходы.

Однако правительственный нажим на развитие нанотехнологий в России уже оказал первые результаты в нефтегазовой отрасли. Так, например, "Роснефть", обладая уже отлаженной Системой Новых Технологий, выразила готовность проведения апробаций тех перспективных разработок, которые еще не взяты под кураторство корпорацией РОСНАНО и требуют подтверждения эффективности. А ЛУКОЙЛ в октябре 2009 года подписал с РОСНАНО соглашение о стратегическом партнерстве, предполагающее совместную работу обоих сторон по внедрению нанотехнологий в нефтегазовую сферу.

Таким образом, можно заключить, что у нанотехнологий огромные перспективы в нефтегазовом секторе, и их разработка и внедрение принесет только пользу - повысится извлечение запасов углеводородов из месторождений, появится возможность вовлечь в разработку ранее не рентабельные ресурсы нефти, улучшится экологическая безопасность в отрасли. Даже если нанотехнологии не станут панацеей всех проблем нефтегазовой промышленности, их потенциал в повышении КИНа всего на несколько процентов будет равен добыче миллиардов дополнительных баррелей нефти, которые сегодня остаются в земле. А этого вполне достаточно, чтобы отложить на годы или десятилетия страшный час пика добычи углеводородов.

Серджио Капуста - главный научный сотрудник в области материалов компании Royal Dutch Shell. Имеет степень бакалавра химической технологии Университета Буэнос-Айреса (Аргентина) и докторскую степень Университета Райс (США). Работает в Shell более 25 лет, в течение которых занимал все более ответственные должности в научно-исследовательской и инженерной сфере во всех основных сегментах нефтегазового бизнеса. Является автором более 70 статей в области электрохимии, борьбы с коррозией, а также целостности активов. Является почетным членом ассоциации по борьбе с коррозией NACE International и членом Общества инженеров-нефтяников (SPE) и Американского института инженеров-химиков (AIChE).