При существующих методах добычи из скважины удаётся извлечь примерно 35 процентов нефти. Каждый процент сверх этого, помноженный на тысячи скважин, означает миллиарды долларов дополнительной выручки для компаний и дополнительной продукции для потребителей.
Избыточная нефть может быть вытеснена путём закачивания в скважину воды — зачастую дешёвой морской — но в лабораторных экспериментах учёные выяснили, что содержащийся в воде натрий снижает её способность выталкивать нефть наружу, тогда как примеси других элементов — помогают. Эксперименты проводились с различными сочетаниями кальция, магния, сульфатов и других добавок или «модификаторов смачиваемости» — сначала в лаборатории, используя тот же кальцит (известковый шпат), что присутствует в скважине. Целью было определить, что поможет обеспечить наибольший выход нефти.
Физики Сократес Пантелидес и Дзян Лю из Университета Вандербильта создали детальную квантовомеханическую модель на атомном уровне, которая точно предсказывает результаты воздействия различных комбинаций добавок, вносимых в воду.
Они обнаружили, что кальций, магний и сульфаты осаждаются дальше от поверхности кальцита, повышая его смачиваемость за счёт изменения эффективного заряда на поверхности, и это увеличивает выход нефти. Их прогнозы подтверждены экспериментами, которые выполнили их коллеги в Университете Халифа, Абу-Даби: Саид Алхассан, профессор химии, и директор Центра исследований газа Омар Вани.
«Теперь у учёных есть лабораторный метод, позволяющий принимать обоснованные решения на базе эксперимента, а не испытывая наудачу разные вещества. Эти открытия также заложили основу для работ по оптимизации выбора ионов-кандидатов».
Работа группы, названная «Изменение смачиваемости и улучшение извлекаемости нефти, вызванное непосредственной адсорбцией на кальците ионов Na+, Cl-, Ca2+, Mg2 и SO42», опубликована в журнале Physical Review Applied. Она основана на предыдущей работе Пантелидеса о смачиваемости. Его соавторы в Абу-Даби считают, что эта работа окажет существенное влияние на нефтедобычу.
«Мы рады осветить возможность сочетания молекулярного моделирования и экспериментов в области повышения извлекаемости нефти, что позволяет делать лучше обоснованные заключения в отношении механизма, управляющего этим процессом, — говорит Алхассан. — Эта работа демонстрирует классический подход в материаловедении и его применение в нефтегазовой индустрии: сочетание моделей и эксперимента для понимания базовых проблем и их решения».