Punto quantico in allumina di nuova concezione

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9505 (2022) Citare questo articolo

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In questo lavoro, un nanofluido basato su punti quantici di allumina di nuova progettazione (α-AQD; D ~ 4 nm; solido amorfo) e un nanofluido commerciale basato su nanoparticelle di allumina (γ-ANP; D ~ 20 nm; tipo cristallino) con la capacità è stata confrontata la forte dispersione colloidale in condizioni di serbatoio, quali elevata salinità, ioni bivalenti (Ca2+) e alta temperatura. L'obiettivo principale di questa ricerca era studiare i meccanismi di spostamento del petrolio greggio delle sospensioni di allumina in funzione della varietà di dimensioni e morfologia delle particelle nelle rocce carbonatiche invecchiate. Il forte potenziale di interazione tra le particelle è stato ottenuto dall'acido citrico e da una speciale composizione di un polimero polielettrolitico a base di carbossilato-solfonato come efficace composto disperdente sulla superficie, portando a cariche negative delle particelle e ad un'ulteriore repulsione sterica ed elettrostatica. L'alterazione della bagnabilità in seguito all'esposizione ai fluidi utilizzando l'angolo di contatto e la cella Amott è stata eseguita su campioni di tappi di carbonato saturi e fette di roccia. Allo stesso tempo, sono stati condotti spostamenti dinamici del nucleo per testare il flusso di acqua/nanofluido/olio e il comportamento di ritenzione delle nanoparticelle attraverso le tipiche gole dei pori sotterranei nelle condizioni del serbatoio. I risultati di stabilità hanno rivelato che il polimero PE è stato in grado di creare un fluido colloidale a lungo termine per 30 giorni. Si è scoperto che la concentrazione di massa del nanofluido aumentava con la diminuzione della dimensione delle particelle. La quantità ottimale di particelle in soluzione acquosa è stata ottenuta allo 0,05% in peso per gli ANP, aumentata fino allo 0,1% in peso per gli AQD. L'analisi degli esperimenti ha mostrato che l'alterazione della bagnabilità era il meccanismo principale durante l'iniezione di nanofluidi. I dati di laboratorio sulle inondazioni del nucleo hanno dimostrato che il maggiore recupero di petrolio dovuto a uno stato di minore concentrazione da parte degli ANP era coerente con gli AQD a concentrazioni più elevate. Inoltre, è stato discusso lo studio sul comportamento del deterioramento della permeabilità in termini di possibile deposizione di incrostazioni minerali e rilascio di allumina sulla superficie della roccia. I risultati hanno mostrato che un'ampia misura di danni alla permeabilità è causata dalle incrostazioni minerali (55–59%). Per i nanofluidi basati su punti quantici di allumina è stato riscontrato un deterioramento minimo (2-4%) ed è stata osservata una riduzione significativa di circa il 10% della permeabilità per i nanofluidi basati su ANP.

La domanda globale di petrolio è aumentata negli ultimi anni e la generazione primaria di petrolio non è più in grado di soddisfare questa richiesta. Quasi i restanti due terzi dei giacimenti di petrolio in luogo sono destinati al recupero potenziato del petrolio (EOR). Tra i numerosi metodi EOR, i metodi chimici sono stati considerati quelli maggiormente migliorati grazie alla loro elevata efficienza e fattibilità tecnica ed economica. I nanofluidi, che vengono preparati disperdendo nanoparticelle con una dimensione compresa tra 1 e 100 nm in un fluido ospite e che possono essere iniettati nei serbatoi per aumentare la produzione di petrolio, sono stati attratti da molti ricercatori negli ultimi decenni e principalmente classificati in metodi EOR chimici1, 2,3,4,5,6,7. Inoltre, alcuni ricercatori sono interessati a mescolare le nanoparticelle con altre sostanze chimiche come tensioattivi, polimeri, schiume ed emulsioni per portare avanti sia la caratterizzazione che il recupero dei giacimenti petroliferi8,9,10,11,12,13,14,15,16. Tra i numerosi parametri che influenzano l'efficienza del recupero del petrolio, l'alterazione della bagnabilità17,18,19 e le tensioni interfacciali (IFT)20,21 sono i fattori più importanti che influenzano il recupero del petrolio. Quando nuovi materiali, come le nanoparticelle, sono stati applicati come additivo nell'acqua di allagamento5,22,23,24,25,26,27,28, i loro meccanismi di miglioramento del recupero del petrolio sono stati esplorati in varie indagini. Alcuni di questi meccanismi includono: (1) gradiente di pressione disgiunto che causa la separazione delle goccioline di olio dalla superficie della roccia creando una pellicola a cuneo29,30; (2) rapporto di mobilità che diminuisce e aumenta la viscosità del fluido iniettato31,32, (3) riduzione della tensione interfacciale33,34,35 e (4) alterazione della bagnabilità in condizioni di maggiore umidità dell'acqua36,37,38,39,40. Tuttavia, una delle sfide principali per l’utilizzo delle particelle nel recupero avanzato del petrolio è che devono essere una dispersione colloidale in condizioni di giacimento come alta temperatura e forte salinità contenente ioni bivalenti come Ca2+ e Mg2+. I nanofluidi con trasporto a bassa stabilità nei mezzi di stoccaggio possono causare gravi danni nei mezzi porosi33,41. La stabilità dei nanofluidi è stata ampiamente esaminata nel lavoro di Ghadimi per varie condizioni termodinamiche progressivamente nelle torri di raffreddamento e in altri mezzi di trasferimento del calore42. Ogolo et al.43 hanno applicato alcuni tipi di nanoparticelle, ad esempio ossidi di alluminio, zinco, magnesio, ferro, zirconio, nichel e silicio sulla sabbia bagnata d'olio. Hanno dimostrato che l’uso dei nanofluidi sarebbe molto efficace nel recupero del petrolio. Hanno considerato meccanismi efficaci per il miglioramento del recupero l'alterazione della bagnabilità, la riduzione della tensione interfacciale, la viscosità dell'olio e il rapporto di mobilità. Ju et al.44 hanno studiato le nanoparticelle di polisilicio idrofilo per l'alterazione della bagnabilità nella superficie della roccia. Hanno rivelato che il recupero del petrolio potrebbe essere chiaramente migliorato mediante inondazione con nanoparticelle di polisilicio idrofilo. Questo lavoro ha suggerito che una concentrazione di nanoparticelle compresa tra lo 0,02 e lo 0,03% in peso fosse auspicabile per un migliore recupero del petrolio. Inoltre, i risultati di Maghzi et al.38 hanno mostrato che le nanoparticelle di silice hanno causato un miglioramento dell’efficienza di spazzamento durante l’allagamento dell’acqua. Hanno utilizzato un micromodello con vetro a cinque punti inizialmente saturo di olio pesante e acqua a diversi valori percentuali in peso. Giraldo et al.45 hanno studiato la regolazione della bagnabilità dei centri di arenaria con bagnabilità iniziale dell'olio nella presenza di nanofluidi a base di allumina nel serbatoio. Khosravani et al.46 hanno utilizzato nanoparticelle γ-Al2O3 con diverse aree superficiali specifiche e hanno prodotto campioni di fluido con una tecnica semplice ed economica. Hanno studiato la stabilità delle nanoemulsioni ibride a diverse temperature, per poi sviluppare un'emulsione stabile e applicarla nei test di recupero dell'olio. Anche Mohammadi et al.47 hanno riportato gli stessi risultati per la sintesi di nanoparticelle γ-Al2O3. Hanno studiato l'effetto delle nanoparticelle γ-Al2O3 sull'alterazione della bagnabilità del serbatoio di carbonato. Khezrnejad et al.48 hanno studiato l'effetto di diversi fattori come il tipo di nanoparticelle (ossido di silice e ossido di alluminio), concentrazione di nanoparticelle, pressione, temperatura e velocità di iniezione sul recupero migliorato del petrolio. Hanno dimostrato che diversi fattori avevano un effetto significativo sulla viscosità e sul recupero dell'olio rispetto al tipo di nanoparticelle. Cao et al.49 hanno dimostrato che i nanofluidi di allumina, silice e zirconio hanno il maggiore impatto sulla riduzione dell'angolo di contatto superficiale e sull'alterazione della bagnabilità. Sono stati determinati l'effetto del tipo e della concentrazione di ciascuna nanoparticelle. Anche Lu et al.50 hanno dimostrato che i metodi e le condizioni di sintesi hanno un grande effetto sulle proprietà e sulla stabilità delle nanoparticelle. Hanno sintetizzato la nanostruttura γ-Al2O3 mediante metodo idrotermale. Tuttavia, negli ultimi decenni, nuovi nanofluidi come le nanoparticelle polimeriche sono stati ampiamente utilizzati nel controllo dell’inquinamento e in medicina51 grazie alla loro bassa tossicità e alla buona biocompatibilità52 che li hanno resi adatti per i giacimenti petroliferi. Inoltre, la superficie delle nanoparticelle polimeriche potrebbe essere modificata facilmente soprattutto con gruppi carbossilici53, il che ha reso possibile la loro stabilità ad alta temperatura e ad alta salinità. Pertanto, le nanoparticelle rivestite di polimero erano buoni portatori candidati. Bila et al.54 hanno spiegato l'applicabilità delle nanoparticelle di silice rivestite con polimeri come additivi per migliorare l'allagamento dell'acqua nei serbatoi umidi. Hanno proposto che la riduzione dell'IFT, l'alterazione della rugosità della superficie rocciosa e la bagnabilità verso una maggiore umidità dell'acqua e la deviazione microscopica del flusso dovuta all'ostruzione dei pori siano i principali meccanismi EOR nell'applicazione delle nanoparticelle. Inoltre, le nanoparticelle hanno mobilitato il petrolio residuo e aumentato il recupero del petrolio fino al 9,2% dell’OOIP54. Zhou et al.55 hanno sviluppato un nuovo nanofluido rivestendo nanoparticelle polimeriche caricate negativamente con tensioattivo zwitterionico di tipo betaina tramite attrazione elettrostatica. Il nanofluido ha migliorato la stabilità in una salamoia ad alta salinità contenente ioni bivalenti (salamoia stimolata al 15%) e ad alte temperature (80°C). La capacità del nanofluido di migliorare il recupero dell'olio ha rivelato che il recupero totale dell'olio da parte del nanofluido era superiore del 9,32% rispetto a quello della salamoia55. Inoltre, Omran et al.56 hanno studiato le prestazioni delle NP di silice rivestite con polimeri per il recupero dell'olio su microscala in tre condizioni di bagnabilità (acqua-umida, intermedia-umida e olio-umida) mentre tutte le condizioni di laboratorio come portata, pori la struttura, la connettività iniziale del petrolio e la temperatura erano considerate le stesse per tutti gli stati. L'efficacia della clusterizzazione delle NP di silice rivestite con polimero, a causa di una maggiore mobilitazione, di cluster di olio rimanente più piccoli e di una minore connettività dell'olio residuo, è stata ottenuta meglio. Sagala et al.57 hanno sintetizzato e studiato le prestazioni di vari tipi di nanopirosseni come pirosseno neutro, pirosseno idrofobo funzionalizzato per metà idrossile e completamente funzionalizzato con idrossile. La concentrazione di questi nanofluidi è stata mantenuta costante allo 0,005% in peso. L'efficienza dei diversi nanofluidi a base di pirosseno è stata esaminata attraverso l'angolo di contatto, misurazioni IFT a varie temperature, imbibizione spontanea (SI) e test di allagamento del nucleo. Il recupero del petrolio è stato aumentato di un ulteriore 10,57% dopo l'allagamento della salamoia attraverso test di allagamento del nucleo57. Ali et al.58 hanno preparato nanofluidi polimerici intelligenti disperdendo i TiO2/SiO2/PAMNC sintetizzati in acqua intelligente con diversi tipi e concentrazioni di ioni disciolti. I nanofluidi polimerici intelligenti formulati sono stati applicati alla riduzione dell'ITF e all'alterazione della bagnabilità delle misurazioni delle rocce carbonatiche. L'aumento più elevato nel recupero di petrolio è stato ottenuto dal 36,0 al 46,5% dell'olio in posto originale (OOIP)58. In questo studio, essendo un nanofluido a base di ossido di metallo, le nostre selezioni erano limitate all'ossido di alluminio (Al2O3) che è di interesse in varie applicazioni, in particolare come agente migliorativo per l'aumento dei serbatoi di petrolio sotterranei45,46,47,59,60,61 . Quindi, nel presente lavoro, abbiamo sintetizzato punti quantici di allumina (AQD) con l'obiettivo di produrre nanostrutture con dimensioni e proprietà quantistiche molto ridotte. Quindi le prestazioni EOR dei nanofluidi basati su punti quantici di allumina (AQD; D ~ 4 nm) sono state studiate e confrontate con nanoparticelle commerciali (ANP; D ~ 20 nm) in condizioni di serbatoio, come l'effetto simultaneo di temperatura, salinità e ioni bivalenti ( Ca2) in presenza di roccia carbonatica. In generale, l'obiettivo principale di questo studio era dimostrare la risposta della dimensione delle particelle e del tipo morfologico dell'allumina nei punti quantici e nelle nanoparticelle solide sulla stabilità colloidale e quindi ottenere informazioni sul potenziale EOR sottostante di essi, inclusa l'alterazione della bagnabilità attraverso il contatto misure angolari, test con cella di Amott e spostamenti dinamici del nucleo. Inoltre, abbiamo seguito una metodologia perfetta come quella delle rocce carbonatiche per considerare il comportamento dei danni alla formazione delle particelle. Abbiamo sintetizzato gli AQD secondo Nemade'work62 e fornito ANP commerciali dalla società Scharlau. Quindi, abbiamo potenziato i gruppi carbossilati (COO−) caricati negativamente sulla superficie di allumina attraverso rivestimenti di acido citrico e polimero polielettrolitico (PE) per garantire che rimangano stabili. I risultati sperimentali hanno indicato che 0,05% in peso di polvere di cit-AQDs + 0,05% in peso di PE in SWP, 0,1% in peso di polvere di cit-AQDs + 0,1% in peso di PE in SWP e 0,05% in peso di polvere di cit-ANP + 0,1% in peso di PE nell'SWP potrebbe produrre fluidi forti con stabilità a lungo termine che potrebbero modificare l'alterazione della bagnabilità verso una maggiore bagnabilità dell'acqua, aumentando il recupero di petrolio aggiuntivo di circa il 24-38% rispetto alla salamoia. Inoltre, gli esperimenti di laboratorio hanno dimostrato che il danno alla formazione derivante dall'iniezione di nanofluido PE-cit-ANPsswp anche con una concentrazione inferiore era grave. Il danno alla formazione è stato ridotto significativamente quando PE-cit-AQDsswp è stato aggiunto alla salamoia.