4. В чем состоят основные идеи методов «петролеомики»? Какое оборудование используют при осуществлении этих методов исследования нефтей?

ПЕТРОЛЕОМИКА - выявление ВСЕХ химических составляющих нефти, их взаимодействий и их реакционных способностей.

Петролеомика основывается, на предположении, что знание химического состава нефти обеспечит корреляцию, и в итоге прогнозирование ее свойств и поведение.

Термин «Петролеомика» ввел Алан Маршалл ( A. Marshall ) по аналогии с термином «Геномика».

ПЕТРОЛЕОМИКА «паспортизация» нефтей для выработки строго индивидуальных производственных процессов и технологий.

Национальная лаборатория сильных магнитных полей в Университете штата Флорида ( Алан Маршалл ): 3 сверхпроводящих магнита с различной мощностью. Она закладывает фундамент для таких корреляций для описания отложений, тяжёлых фракций и асфальтенов.

Например, она показала, что даже тяжёлая нефтяная фракция состоит из более мелких массой менее 10000 Да.

Кроме того, этот метод позволяет определить поверхностно-активные компоненты, чтобы получить информацию о смачиваемости и её влиянии.

Нынешнее и будущее применение метода связано с анализом скважинных флюидов для установления расчленённости продуктивных зон и выявления возможны осложнений при добыче.

Масс-спектрометрия не даёт такого выявления структуры и свойств. Здесь применима спектромкопия и рассеяние.

СПЕКТРОСКОПИЯ – измерение распределений излучения по длинам волн (энергиям). Получаемая информация: об электронной структуре атомов, молекул и наночастиц (особенностях химических связей)

РАССЕЯНИЕ (ДИФРАКЦИЯ) – измерение распределений интенсивности излучения в пространстве. Получаемая информация: о пространственной структуре молекул и наночастиц.

5. Что такое синхротронное излучение? Опишите структуру устройств, на которых получают мощные потоки синхротронного излучения.

Рентгеновское (синхротронное) излучение – излучение заряженных частиц, двигающихся по криволинейным траекториям. Впервые это излучение обнаружили на синхротроне, поэтому соответствующее название. Устройство: рентгеновская трубка, нить накаливания, из неё вырывается поток электронов, которые направляются к мишени.

При взаимодействии быстрых электронов с веществом – тормозное (непрерывный процесс, скорость электронов постепенно уменьшается) и характеристическое излучение.

Заряженные частицы, движущиеся в вакууме с ускорением, (например, по окружности, как в синхротроне) излучают электромагнитные волны

Синхротрон см презентацию.

6. Какие сведения о свойствах нефтей получают с помощью синхротронного излучения?

Анализ структур молекул асфальтенов по дифракции рентгеновских лучей.

Спектры рамановского рассеяния указывают на наличие периконденсированных структур в асфальтенах

7. В чем состоят методы малоуглового рассеяния нейтронов для исследования нефтей? Какое оборудование используется при осуществлении этих методов?

Малоугловое рассеяние (МР) - упругое рассеяние электромагнитного излучения или пучка частиц (электронов, нейтронов) на неоднородностях вещества, размеры которых существенно превышают длину волны излучения (или дебройлевскую длину волны частиц); направления рассеянных лучей при этом лишь незначительно (на малые углы) отклоняются от направления падающего луча. В зависимости от параметров излучения МР может быть обнаружено при рассеянии на неоднородностях различных масштабов: от 10^-15 м (рассеяние электронов на ядрах) до метров и километров (рассеяние радиоволн на неоднородностях земной поверхности). Распределение интенсивности рассеянного излучения зависит от строения рассеивателя, что используется для изучения структуры вещества.

В отличие от других дифракционных методов (рентгеновского структурного анализа, нейтронографии, электронографии), с помощью MР исследуют структуру разупорядоченных объектов.

Возникновение метода MР связано с работами А. Гинье по изучению надмолекулярного строения сплавов (1938). В 1950-х гг. Г. Пород, O. Кратки и В. Луззати развили теоретические основы метода и разработали принципы конструирования установок для MР.

Техника эксперимента. Tак как распределение интенсивности MР рентгеновских лучей и тепловых нейтронов измеряется под малыми углами, основное требование к экспериментальной технике заключается в создании достаточно узкого нерасходящегося пучка первичного излучения.

Источник нейтронов - быстрый импульсный реактор ИБР-2 (Дубна).

Для регистрации рассеянного излучения используют одноканальные ионизационные счётчики; широкое распространение получают позиционно-чувствительные детекторы.

8. Какие сведения о свойствах нефтей получают с помощью малоуглового рассеяния нейтронов?

9. Методы ядерного магнитного резонанса – принципы методов и области применения в нефтегазовом производстве.

Если представить себе ядро атома в виде вращающегося положительно заряженного шарика, то мы увидим, что заряд вращается по кольцевой орбите, порождая микроскопический кольцевой ток. Т.к. кольцевой ток индуцирует магнитное поле, такое ядро представляет собой не что иное, как микроскопический магнит. Магнитный момент ядра направлен вдоль оси вращения (если быть точным, прецессирует относительно этой оси) - и его можно уподобить крошечному стержневому магниту с характерными спиновыми (вращательными) и магнитными моментами.

Вращающееся вокруг своей оси ядро имеет собственный момент количества движения (угловой момент, или спин) J. Магнитный момент ядра μ прямо пропорционален спину: μ = γ J. γ - коэффициент пропорциональности, называемый гиромагнитным отношением. Эта величина является характерной для каждого типа ядер.

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, ….

У ядер с нечетным массовым числом А J = ½.

Нефтегазовые среды исследуют, используя магнитные свойства ядер 1Н и 13С, но 99 % ядер углерода в природе составляют ядра 12С со спином J = 0.

УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ЯМР

В ектора магнитных моментов прецессируют вокруг линий поля

При помещении ядра во внешнее магнитное поле Bo энергетическое вырождение ядер снимается (ядра с направленными "по полю" и "против поля" магнитными моментами имеют различную энергию). Энергия минимальна, когда вектора μ и В0 примерно параллельны и максимальна, когда вектора μ и В0примерно антипараллельны.

Также возникает возможность энергетического перехода с одного уровня на другой:

Разность энергий двух уровней: E = h  B0

 - гиромагнитное отношение

Устройство ЯМР – приборов лекии

Недостаток очень малое быстродействие, д.б однородное постоянное поле.

ЯМР-спектрометр BS TESLA

ЯМР спектрометр-релаксометр

10. Опишите различия методов ЯМР-спектроскопии и ЯМР-релаксометрии.

Эксперимент по спектроскопии ЯМР (химический анализ) выглядит следующим образом: ампула с образцом исследуемого соединения помещается в магнитное поле и облучается электромагнитным излучением с частотой ν. При некоторой частоте νo, соответствующей энергии ΔE = hνo, наблюдается поглощение энергии (всплески). Графически его представляют в виде спектра - зависимости поглощения от частоты.

νo - резонансная частота поглощения.

Частота В.Ч. поля постоянна и равна резонансной частоте ядер 1Н или ядер 13С. 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 экспоненц закону: N=N0e-t/T

T - время релаксации

Намагниченность образца M_ в направлении, параллельном линиям поля В₀ возрастает по закону: M_ = М₀ [1 - exp( -t/T₁)]

Намагниченность образца M_ в направлении, перпендикулярном линиям поля В₀ (параллельном линиям В.Ч. поля В₁) убывает по закону: M_= М₀ exp( -t/T₂)]

С пин-решеточная релаксация (обозначается T1), механизмом осуществления которой являются взаимодействия магнитного ядра с локальными электромагнитными полями окружающей среды.

Второй процесс, называемый спин-спиновой релаксацией T2, заключается в обмене энергией внутри спиновой системы. Он практически не влияет на относительные населенности спиновых состояний, но сокращает время существования данного спинового состояния, т.к. любой переход ядра между его спиновыми состояниями изменяет локальное поле на соседних ядрах на частоте, которая вызывает переход в обратном направлении.

11. Какие сведения о свойствах нефтей получают с помощью методов ЯМР-релаксометрии?

ЯМР релаксометрия флюидов в порах коллектора

малые поры-нет воды, большие поры – свободная вода; в середине – реальная смесь

Связанная вода Свободная вода

ЯМР релаксометрия дает сведения о характере смачивания коллекторов.

ЯМР релаксометрия дает сведения о формировании В/Н эмульсий внутри пористых коллекторов

Функции распределения времен поперечной ЯМР – релаксации на различных участках модели водосодержащего нефтяного пласта.

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

Прибор ЯМР – каротажа фирмы Schlumberger – перешли от огромных магнитов к магнитам маленьких размеров.

12. Какие методы используют для исследования процессов взаимной диффузии компонентов нефтяных флюидов в условиях невесомости? Чем вызвана необходимость осуществления подобных исследований?

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

13. С чем была связана необходимость развития методов «петроинформатики»?

14. Опишите основные принципы методов молекулярного моделирования (молекулярной динамики) и области применения этих методов в нефтегазовом производстве.

15. Опишите основные типы природных нанообъектов, содержащихся в нефтегазовых средах.

16. В чем выражается «природная нанодисперсность» жидкостей? При моделировании каких производственных процессов необходим учет наличия «природной нанодисперсности» нефтегазовых сред?

17. Какие свойства природных нефтей могут зависеть от наличия наночастиц механических примесей?

18. Что такое «наножидкости»? Какие свойства наножидкостей представляют интерес с точки зрения практических применений? Опишите области применения технологических наножидкостей в нефтегазовом производстве.

19. Опишите разновидности «наноуглерода». Какие из этих нанообъектов наиболее часто встречаются в нефтегазовых средах?

20. Что такое диамандоиды? Опишите особенности их структуры, способы получения и возможности практического использования.

Несмотря на присутствие водородных атомов, диамондоиды также часто рассматривают как один из типов «природного наноуглерода». Простейшие диамондоиды назвали адамантан. Этот термин был выбран в связи с наличием у молекул адамантана (как и у молекул других диамондоидов) алмазоподобной пространственной структуры (каркаса). Уникальной особенностью каркаса диамондоидов является присутствие наноразмерных полостей («клеток», «ловушек») внутри которых могут захватываться и удерживаться другие молекулы. К настоящему времени известно свыше 20 000 молекулярных структур, относящихся к алмазоподобному типу, характерному для диамондоидов – производные адамантана (C10H16), диамантана (С14Н20), триамантана (C18H24) и пр.

Список их применения весьма широк от антивирусных лекарственных препаратов, ракетных топлив, эффективных взрывчатых веществ до создания нанороботов и молекулярных машин.

Биохимические эксперименты обнаружили, что некоторые производные диамондоидов обладают значительной антивирусной активностью. Более того, одна из производных

адамантана оказалась ценным лекарственным средством для лечения болезни Паркинсона. В 1950-х годах удалось синтезировать простейшие диамондоиды (адамантан и диамантан), однако попытки синтеза более высоких представителей гомологического ряда (с потенциально более ценными потребительскими свойствами) до сих пор не увенчались успехом.

В конце 2002 года было доказано, что коммерчески значимые количества природных диамондоидов могут быть получены из нефтегазового сырья или из некоторых продуктов нефтепереработки. Соответствующие технологии, защищенные несколькими патентами США уже позволяют производить адамантаны и диамантаны в килограммовых объемах при сравнительно небольших затратах. Высшие диамондоиды (не поддающиеся химическому синтезу) уже научились выделять из природных нефтей в количествах, исчисляемых десятками граммов. Выделены и кристаллизованы разнообразные сложные молекулы (С22 и выше) с многочисленными алмазоподобными полостями углеродного каркаса.

Первичной стадией выделения диамондоидов часто являются известные методы SARA-анализа природных нефтей

Влияние диамондоидов на процессы добычи нефтегазового сырья ранее считали несущественным, в связи с их малыми концентрациями. В последние годы установлено, однако, что на многих месторождениях диамондоиды способны образовывать взвешенные коллоиды и твердые органические осадки как самостоятельно, так и во взаимодействии с парафинами, смолами и асфальтенами.