Le prochain jaillissement de Big Oil est à l'échelle nanométrique

L'année dernière, le monde a consommé près de 97 millions de barils de pétrole par jour. Et si je vous disais qu'il reste encore beaucoup de barils dans ces mêmes puits ? Au plus profond de la roche, 60 % et plus du pétrole d'un réservoir reste piégé dans des capillaires qui ne font parfois que des dizaines à des centaines de nanomètres de large (à titre de comparaison :l'ADN mesure 2,5 nanomètres de large). C'est à cause de la nature poreuse du grès et du schiste que le pétrole peut se déposer dans la roche sédimentaire. Mais vraiment comprendre comment extraire l'huile de ces capillaires était impossible – jusqu'à présent.

Mon équipe de technologie industrielle et de science basée à Rio de Janeiro a publié une étude dans Scientific Reports , L'énergie d'adsorption comme mesure de la mouillabilité à l'échelle nanométrique, expliquant comment les propriétés des molécules d'huile liquide se comportent de manière complètement différente et inattendue lorsqu'elles sont en contact avec un solide, à l'échelle nanométrique. Tout ce que l'industrie sait sur la façon d'extraire le pétrole, comme le calcul de l'énergie nécessaire à l'extraction, s'avère différent à l'échelle nanométrique.

Simulation et mesure de l'étrangeté de la mouillabilité

A attolitres (10 ^-18 ), une goutte de liquide cesse de ressembler à ce que l'on imagine :des formes sphériques ou en forme de larme. Au lieu de cela, nos recherches ont révélé qu'en fin de compte, la gouttelette d'huile à l'échelle nanométrique ressemblait beaucoup plus à un film plat contre une surface solide. Cette augmentation de la surface s'est avérée représenter beaucoup plus de « mouillage » que ce qui avait été pris en compte dans les mesures macroscopiques typiques. Et non seulement il y avait plus de couverture de surface dans ces nano-gouttelettes plates qu'on ne le pensait auparavant, mais les outils et techniques de simulation standard ne prenaient pas en compte l'augmentation de l'énergie nécessaire pour extraire ces molécules d'huile.

Figure 3 Énergie d'adsorption des gouttelettes :sous-estimée à l'échelle nanométrique. (a) Comparaison de la surface réelle avec une calotte sphérique idéalisée adaptée aux mêmes données. (b) Différence entre l'énergie d'adsorption pour la surface réelle et celle de l'approximation de la calotte sphérique. Les différences négatives indiquent que la calotte sphérique ajustée sous-estime l'énergie d'adsorption, tout comme elle sous-estime la zone de contact. Pour des volumes supérieurs à 106 nm3, un ajustement en calotte sphérique fournit une estimation robuste de l'énergie d'adsorption . (Remarques : Acronymes de la figure 3b :AFM-Atomic Force Microscope Measurement, AAMD-All Atom Molecular Dynamics Simulation, CGMD-Course Grain Molecular Dynamics Simulation. Image réimprimée de Scientific Reports' « L'énergie d'adsorption comme mesure de la mouillabilité à l'échelle nanométrique »)

La découverte du changement de forme à l'échelle nanométrique nous a amenés à développer des simulations de flux de pétrole qui pourraient mieux prédire l'extraction de pétrole à partir d'un réservoir.

IBM, cependant, n'est pas une société pétrolière et gazière. Nous n'avons pas toutes les données sur les matériaux, les bouchons de carotte et les réservoirs spécifiques qu'une compagnie pétrolière considérerait comme ses données de base. Ainsi, pour construire une représentation informatique d'un réservoir à l'échelle nanométrique (vidéo, ci-dessous), nous avons pris des données de caractérisation des roches à partir de référentiels publics, tels que le Rock Physics Network de l'ETH Zurich. Ensuite, sur la base du « modèle de réservoir » créé à partir des données géométriques, nous sommes maintenant en mesure de déployer la science du mouillage et de l'écoulement à l'échelle nanométrique qui n'avait pas été faite auparavant.

Nous avons ensuite montré ce nouveau modèle aux sociétés pétrolières et gazières pour démontrer comment notre simulation de nano-écoulement prend en considération les propriétés du pétrole piégé dans les capillaires de leurs puits. Et bien que la simulation ne suggère pas comment extraire tout le pétrole piégé, elle propose différentes techniques et matériaux à explorer qui pourraient aider à extraire environ 1% de plus. Au Brésil, qui pompe 2,4 millions de barils de pétrole chaque jour, cette augmentation de 1 % de la production ajouterait 24 000 barils supplémentaires au total quotidien et 8,8 millions de barils supplémentaires chaque année.

Des simulations d'écoulement aux puces de filtration d'huile

Notre découverte de mouillabilité est une étape importante pour aider les sociétés pétrolières et gazières à récupérer plus que la moyenne de l'industrie de 40 pour cent du pétrole piégé dans leurs réservoirs. L'étape suivante consiste à étudier le flux d'huile dans des nano-capillaires. À cette fin, nous avons développé une plate-forme de puce intégrée qui nous permet de valider et de calibrer expérimentalement un écoulement à l'échelle nanométrique pour créer de meilleures simulations d'écoulement (lisez notre article présenté à la Rio Oil &Gas Expo &Conference 2016 :Multiscale Science Enables High-Accuracy Simulations Of Récupération améliorée du pétrole).

Pour ce faire, nous devons passer à l'échelle :d'abord, nous avons besoin d'une mesure physique d'un réseau capillaire à partir d'un microscope électronique à balayage, ou d'une tomodensitométrie à rayons X. Ensuite, avec les données du réseau de pores, nous utilisons une simulation de flux calibrée expérimentalement pour déterminer la pression nécessaire pour pomper l'eau, y compris des produits chimiques personnalisés spécialement conçus pour séparer le pétrole de la roche, à travers le réseau de pores à l'échelle nanométrique - et éventuellement pour expulser le pétrole (pour lequel nous avons un brevet :Méthode et dispositif intégré d'analyse de l'écoulement liquide et de l'interaction liquide-solide).

Aujourd'hui, l'industrie s'appuie sur des modèles physiques incomplets pour prédire la récupération du pétrole dans ses puits. Et il pourrait améliorer considérablement son retour sur investissement avec des prévisions de récupération de pétrole plus précises. Nos recherches offrent un moyen d'améliorer les modèles de prédiction pour mieux prendre en compte le pétrole confiné à l'échelle nanométrique, ce qui est particulièrement important dans les réservoirs non conventionnels. La prise en compte de l'échelle nanométrique, aujourd'hui, pourrait signifier un rendement supplémentaire de 1 % dans la récupération du pétrole. Et finalement, avec une meilleure technologie de simulation et des matériaux fonctionnels, nous pourrons peut-être nous rapprocher pour récupérer également les 59 % restants.

En savoir plus sur le travail que nous effectuons dans notre nouveau laboratoire NanoLab à Rio, ici.