I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Oxit Sắt EOR Hiện Nay
Ngành công nghiệp khai thác dầu khí đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế và cung cấp năng lượng cho thế giới. Tuy nhiên, nguồn tài nguyên này không phải là vô tận, và việc tăng cường thu hồi dầu (EOR) trở nên cấp thiết. Các phương pháp EOR truyền thống thường không đạt hiệu quả tối ưu, với khoảng 70% lượng dầu vẫn còn bị giữ lại trong vỉa. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp đột phá như vật liệu nano oxit sắt bọc polymer đang thu hút sự quan tâm đặc biệt. Vật liệu nano hứa hẹn mang lại hiệu quả cao trong việc cải thiện quá trình thu hồi dầu, đặc biệt là trong các điều kiện khắc nghiệt của vỉa dầu. Theo Giáo sư Minqi Li, nhu cầu tiêu thụ dầu thế giới tăng 1,0 – 1,2%/năm, do đó, việc thu hồi dầu đã sử dụng được quan tâm và đầu tư nghiên cứu.
1.1. Giới thiệu về Tăng Cường Thu Hồi Dầu EOR
Tăng cường thu hồi dầu (EOR) là quá trình bơm các tác nhân ngoại lai vào vỉa để thu hồi lượng dầu còn lại sau các giai đoạn khai thác sơ cấp và thứ cấp. Mục tiêu chính là cải thiện hiệu suất quét và hiệu suất đẩy dầu từ vỉa. Các phương pháp EOR bao gồm bơm nước, bơm khí, bơm hóa chất, và các phương pháp nhiệt. Tuy nhiên, hiệu quả của các phương pháp này còn hạn chế, đòi hỏi các giải pháp tiên tiến hơn. Các phương pháp được sử dụng trong giai đoạn này được gọi là giai đoạn khai thác tam cấp (bậc ba), thường được biết đến với tên gọi là giai đoạn tăng cường thu hồi dầu (TCTHD).
1.2. Vai trò của Vật Liệu Nano trong EOR
Vật liệu nano có kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn, và khả năng tương tác cao với môi trường xung quanh, làm cho chúng trở thành ứng cử viên tiềm năng cho ứng dụng trong EOR. Các hạt nano có thể len lỏi vào các khe nứt nhỏ trong vỉa, nơi mà các phương pháp truyền thống không thể tiếp cận. Chúng có thể thay đổi tính chất của dầu và nước, giảm sức căng bề mặt, và cải thiện khả năng di chuyển của dầu. Các hướng nghiên cứu về hệ chất lỏng nano đang được đầu tư và hỗ trợ vì mang lại hiệu quả trong giai đoạn TCTHD, có thể sử dụng ở nồng độ thấp nhưng đem lại hiệu quả cao.
II. Thách Thức Trong Tăng Cường Thu Hồi Dầu Bằng Phương Pháp EOR
Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc ứng dụng các phương pháp EOR vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Các phương pháp truyền thống như bơm nước hoặc bơm khí thường không hiệu quả trong việc thu hồi dầu từ các vỉa có độ thấm thấp hoặc độ nhớt dầu cao. Ngoài ra, chi phí đầu tư và vận hành các hệ thống EOR có thể rất lớn, đặc biệt là đối với các mỏ dầu nhỏ hoặc trung bình. Một thách thức khác là tính ổn định của các tác nhân EOR trong điều kiện khắc nghiệt của vỉa dầu, bao gồm nhiệt độ cao, áp suất lớn, và độ mặn cao. Các chất bơm ép đã bị bẫy lại ở pha dầu gây lãng phí, mất hiệu quả. Mặc khác, việc sử dụng chất HĐBM đặc thù có giá thành cao nhưng khả năng chịu nhiệt không ổn định do hầu như các chất HĐBM có độ bền nhiệt không cao.
2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả EOR
Hiệu quả của quá trình EOR phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tính chất của vỉa dầu (độ thấm, độ xốp, độ bão hòa dầu), tính chất của dầu (độ nhớt, thành phần), và tính chất của tác nhân EOR (độ ổn định, khả năng tương tác với dầu và nước). Việc lựa chọn phương pháp EOR phù hợp đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các yếu tố này và khả năng tối ưu hóa các thông số vận hành. Có hai phương pháp chính TCTHD là phương pháp vật lý và phương pháp hóa học. Các phương pháp này làm giảm các lực giữ dầu ở trong lỗ rỗng xốp của vỉa đá, làm giảm sức căng bề mặt liên diện giữa hai pha dầu và nước hoặc làm giảm độ nhớt của dầu, tăng độ nhớt của dung dịch bơm ép hoặc thay đổi các đặc tính của vỉa dầu để có thể dễ dàng được khai thác hơn.
2.2. Vấn Đề Về Chi Phí và Tính Bền Vững
Chi phí sản xuất và ứng dụng vật liệu nano là một trong những rào cản lớn đối với việc triển khai rộng rãi công nghệ này trong EOR. Cần có các nghiên cứu để tìm ra các phương pháp tổng hợp vật liệu nano hiệu quả về chi phí và thân thiện với môi trường. Ngoài ra, cần đánh giá tác động môi trường của việc sử dụng vật liệu nano trong EOR và đảm bảo rằng các quy trình ứng dụng tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn và bền vững. Ứng dụng của phương pháp này thường bị hạn chế bởi chi phí cao...
III. Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu Nano Oxit Sắt Bọc Polymer EOR
Để giải quyết các thách thức trong EOR, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển các vật liệu nano có khả năng cải thiện hiệu suất thu hồi dầu. Một trong những hướng đi đầy hứa hẹn là sử dụng vật liệu nano oxit sắt bọc polymer. Oxit sắt có tính từ tính, cho phép điều khiển và định hướng các hạt nano trong vỉa bằng từ trường. Polymer giúp ổn định các hạt nano, ngăn ngừa sự kết tụ, và cải thiện khả năng phân tán trong môi trường vỉa. Quá trình tổng hợp nano từ tính sử dụng phương pháp đồng kết tủa và phương pháp phân hủy nhiệt, bước đầu so sánh được những ưu điểm, nhược điểm của 2 phương pháp.
3.1. Tổng Hợp Nano Oxit Sắt Bằng Phương Pháp Đồng Kết Tủa
Phương pháp đồng kết tủa là một quy trình đơn giản và hiệu quả để tổng hợp nano oxit sắt từ các muối sắt trong dung dịch. Bằng cách kiểm soát pH và nhiệt độ, có thể điều chỉnh kích thước và hình dạng của các hạt nano. Tuy nhiên, phương pháp này có thể tạo ra các hạt nano có độ ổn định không cao và dễ bị kết tụ. Hệ phản ứng tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa.
3.2. Bọc Polymer cho Nano Oxit Sắt
Quá trình bọc polymer cho nano oxit sắt giúp cải thiện độ ổn định và khả năng phân tán của các hạt nano trong môi trường vỉa. Polymer có thể được gắn lên bề mặt của nano oxit sắt thông qua các liên kết hóa học hoặc vật lý. Việc lựa chọn polymer phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tính tương thích với môi trường vỉa và khả năng cải thiện hiệu suất thu hồi dầu. Phương pháp vi nhũ – polymer hoá được sử dụng để tổng hợp lớp vỏ polymer bao bọc nano từ tính.
3.3. Sử dụng Oleic Acid làm Cầu Nối
Oleic acid có thể được sử dụng làm cầu nối giữa nano oxit sắt và polymer, giúp tăng cường liên kết giữa hai thành phần này. Oleic acid có khả năng tạo lớp màng bảo vệ xung quanh nano oxit sắt, ngăn ngừa sự oxy hóa và cải thiện tính ổn định của vật liệu nano. Vật liệu tổng hợp được có cấu trúc lõi – vỏ thu được phân tán tốt trong môi trường nước biển, ổn định nhiệt cao.
IV. Đặc Tính và Ứng Dụng Vật Liệu Nano Oxit Sắt Trong EOR
Các vật liệu nano oxit sắt bọc polymer có nhiều đặc tính ưu việt, làm cho chúng trở thành ứng cử viên tiềm năng cho ứng dụng trong EOR. Chúng có khả năng giảm sức căng bề mặt giữa dầu và nước, cải thiện độ nhớt của dầu, và thay đổi tính dính ướt của đá vỉa. Ngoài ra, tính từ tính của oxit sắt cho phép điều khiển và định hướng các hạt nano trong vỉa bằng từ trường, giúp tăng cường hiệu quả thu hồi dầu. Khảo sát các yếu tố về tác động giảm sức căng bề mặt liên diện giữa nước biển và dầu thô, độ phân tán trong nước biển, bền nhũ và ổn định ở nhiệt độ cao, đã cho được những kết quả thành công ban đầu.
4.1. Khả Năng Giảm Sức Căng Bề Mặt
Vật liệu nano có khả năng giảm sức căng bề mặt giữa dầu và nước, giúp dầu dễ dàng tách ra khỏi đá vỉa và di chuyển trong vỉa. Điều này đặc biệt quan trọng trong các vỉa có độ thấm thấp, nơi mà lực mao quản giữ dầu rất mạnh. Các hạt nano có kích thước từ 12 – 15 nm bền nhiệt có tiềm năng trong việc ứng dụng trong TCTHD.
4.2. Cải Thiện Độ Nhớt của Dầu
Trong một số trường hợp, vật liệu nano có thể được sử dụng để cải thiện độ nhớt của dầu, giúp dầu dễ dàng di chuyển trong vỉa. Điều này đặc biệt quan trọng trong các vỉa có độ nhớt dầu cao, nơi mà dầu rất khó di chuyển. Đặc điểm về cấu trúc hóa học, hình thái của vật liệu được khảo sát lần lượt bằng các phương pháp phân tích FTIR, DLS, TEM, PXRD, VSM và TGA, và.
4.3. Thay Đổi Tính Dính Ướt của Đá Vỉa
Vật liệu nano có thể thay đổi tính dính ướt của đá vỉa, làm cho đá vỉa trở nên ưa nước hơn. Điều này giúp nước dễ dàng thấm vào các khe nứt nhỏ trong vỉa và đẩy dầu ra khỏi đá. Các yếu tố thể hiện tiềm năng ứng dụng trong TCTHD được khảo sát theo các tiêu chuẩn của ngành dầu khí và kết quả thu được hệ chất lỏng nano phân tán tốt trong nước biển và chất HĐBM, ổn định trong môi trường nhiệt độ cao.
V. Kết Quả Nghiên Cứu và Đánh Giá Hiệu Quả Vật Liệu Nano EOR
Nhiều nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của vật liệu nano oxit sắt bọc polymer trong việc tăng cường thu hồi dầu. Các kết quả cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu nano có thể làm tăng đáng kể sản lượng dầu từ các vỉa dầu khác nhau. Tuy nhiên, cần có thêm các nghiên cứu để tối ưu hóa các thông số ứng dụng và đánh giá tính khả thi kinh tế của công nghệ này. Tại Việt Nam, dù công nghiệp khai thác dầu khí còn non trẻ nhưng đã trở thành một trong những ngành kinh tế có vai trò vô cùng quan trọng và có ảnh hưởng đến kinh tế của đất nước.
5.1. Đánh Giá Hiệu Quả Thu Hồi Dầu
Hiệu quả thu hồi dầu được đánh giá bằng cách so sánh sản lượng dầu từ các vỉa được xử lý bằng vật liệu nano với sản lượng dầu từ các vỉa không được xử lý. Các kết quả cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu nano có thể làm tăng sản lượng dầu từ 10% đến 50%, tùy thuộc vào tính chất của vỉa dầu và các thông số ứng dụng. Theo thông tin công bố tại Hội nghị BCH mở rộng Đảng bộ Công ty mẹ Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PetroVietnam – PVN) ngày 21/1/2016, năm 2015 tổng doanh thu toàn tập đoàn đạt 560,1 nghìn tỷ đồng, vượt kế hoạch cả năm với tỷ lệ 14%.
5.2. Phân Tích Kinh Tế
Phân tích kinh tế là một phần quan trọng trong việc đánh giá tính khả thi của việc ứng dụng vật liệu nano trong EOR. Cần so sánh chi phí sản xuất và ứng dụng vật liệu nano với lợi nhuận thu được từ việc tăng sản lượng dầu. Các kết quả cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu nano có thể mang lại lợi nhuận đáng kể trong một số trường hợp, đặc biệt là đối với các vỉa dầu có trữ lượng lớn và độ thấm thấp. Tuy vậy, mặc dù vượt kế hoạch đề ra, Tổng doanh thu năm 2015 của PVN so với năm 2014 sụt giảm 25%.
VI. Triển Vọng và Hướng Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Oxit Sắt EOR
Công nghệ vật liệu nano oxit sắt bọc polymer có tiềm năng to lớn trong việc tăng cường thu hồi dầu và cải thiện hiệu quả khai thác tài nguyên dầu khí. Trong tương lai, các nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các vật liệu nano có tính năng vượt trội, giảm chi phí sản xuất, và tối ưu hóa các quy trình ứng dụng. Ngoài ra, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuất, và các công ty dầu khí để đưa công nghệ này vào ứng dụng thực tế. Những giếng dầu tại mỏ Bạch Hổ, mỏ Rồng do Vietsovpetro tiến hành thăm dò khai thác hơn 30 năm qua đã ở vào giai đoạn cuối, sản lượng đến hồi suy giảm và kiệt quệ nghiêm trọng.
6.1. Phát Triển Vật Liệu Nano Thế Hệ Mới
Các nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các vật liệu nano có khả năng tự điều chỉnh, tự phục hồi, và có khả năng đáp ứng với các điều kiện thay đổi trong vỉa dầu. Các vật liệu nano này có thể được thiết kế để giải phóng các chất hoạt động bề mặt, thay đổi độ nhớt của dầu, hoặc thay đổi tính dính ướt của đá vỉa một cách tự động. Do đó, việc tìm ra các phương pháp áp dụng trong giai đoạn TCTHD rất được chú trọng và quan tâm.
6.2. Tối Ưu Hóa Quy Trình Ứng Dụng
Cần có các nghiên cứu để tối ưu hóa các quy trình ứng dụng vật liệu nano trong EOR, bao gồm việc lựa chọn nồng độ vật liệu nano phù hợp, phương pháp bơm vật liệu nano vào vỉa, và thời gian lưu trú của vật liệu nano trong vỉa. Các quy trình ứng dụng cần được thiết kế để đảm bảo tính hiệu quả, an toàn, và bền vững. Hiện nay, các hướng nghiên cứu về hệ chất lỏng nano đang được đầu tư và hỗ trợ vì mang lại hiệu quả trong giai đoạn TCTHD, có thể sử dụng ở nồng độ thấp nhưng đem lại hiệu quả cao.
