Microscopico, scaglie a forma di stella di ossido di grafene funzionalizzato tappano i fori nei pori in un test della capacità del materiale di fungere da pannello filtrante nei fluidi utilizzati per perforare pozzi petroliferi. I fiocchi di carbonio trattato dello spessore di un singolo atomo sono flessibili ma tra i materiali più resistenti conosciuti. (Credit Tour Group/Rice University)
La stella del grafene sta nascendo come materiale che potrebbe diventare essenziale per un efficiente, produzione di petrolio rispettosa dell'ambiente. I ricercatori della Rice University stanno sfruttando l'eccezionale forza del grafene, leggerezza e solubilità per migliorare i fluidi utilizzati per perforare pozzi petroliferi.
Il laboratorio del chimico James Tour della Rice University e gli scienziati della M-I SWACO, un fornitore con sede in Texas di fluidi di perforazione e filiale del fornitore di servizi petroliferi Schlumberger, hanno prodotto ossido di grafene funzionalizzato per alleviare l'ostruzione dei pori produttori di petrolio nei pozzi appena perforati.
La tecnica brevettata ha fatto un passo avanti verso la commercializzazione con la pubblicazione di una nuova ricerca questo mese sulla rivista dell'American Chemical Society Materiali applicati e interfacce . Il grafene è un foglio di carbonio dello spessore di un atomo che l'anno scorso ha vinto il premio Nobel per i suoi scopritori.
La relazione di Rice con M-I SWACO è iniziata più di due anni fa, quando l'azienda ha finanziato il follow-up del laboratorio per la ricerca che ha prodotto i primi additivi al grafene per fluidi di perforazione noti come fanghi. Questi fluidi vengono pompati a fondo pozzo come parte del processo per mantenere pulite le punte e rimuovere i tagli. Con i tradizionali fanghi arricchiti con argilla, la pressione differenziale forma uno strato sul pozzo chiamato panello di filtrazione, che impedisce al petrolio di fuoriuscire e ai fluidi di perforazione di invadere il minuscolo, pori che producono olio.
Quando la punta del trapano viene rimossa e il fluido di perforazione spostato, l'olio di formazione spinge i resti della torta del filtro fuori dai pori mentre il pozzo inizia a produrre. Ma a volte l'argilla non si muove, e la produttività del pozzo è ridotta.
Il Tour Group ha scoperto che microscopiche, i fiocchi flessibili di grafene possono formare un diluente, torta filtrante più leggera. Quando incontrano un poro, i fiocchi si piegano su se stessi e sembrano una stella marina risucchiata in un buco. Ma quando la pressione del pozzo viene alleviata, i fiocchi vengono spinti indietro dall'olio.
Tutto ciò che si sapeva due anni fa. Da allora, Tour e un team di ricerca guidato da Dmitry Kosynkin, un ex associato postdottorato alla Rice e ora ingegnere petrolifero alla Saudi Aramco, hanno messo a punto i materiali.
Hanno trovato alcuni problemi che dovevano essere affrontati. Primo, il grafene incontaminato è difficile da disperdere in acqua, quindi non è adatto per fanghi a base acquosa. L'ossido di grafene (GO) si è rivelato molto più solubile in acqua dolce, ma tendeva a coagulare in acqua salata, la base di molti fanghi.
La soluzione era "esterificare" i fiocchi di GO con l'alcol. "È un semplice, reazione in un solo passaggio, " disse Giro, T.T. e W.F. di Rice Chao Chair in Chimica nonché professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e di informatica. "L'ossido di grafene funzionalizzato con l'alcol funziona molto meglio perché non precipita in presenza di sali. Non ha nulla di esotico".
In una serie di test standard dell'American Petroleum Institute, il team ha riscontrato che il miglior mix di GO funzionalizzato è una combinazione di grandi scaglie e GO in polvere per il rinforzo. Un fango con il 2% di GO funzionalizzato ha formato un pannello filtrante largo in media 22 micrometri, sostanzialmente più piccolo del pannello formato da 278 micrometri formato dai fanghi tradizionali. GO ha bloccato i pori molte volte più piccoli del diametro originale dei fiocchi piegandoli.
Oltre a rendere la torta del filtro molto più sottile, che darebbe alla punta del trapano più spazio per girare, il fango di Riso conteneva meno della metà dei solidi sospesi; ciò renderebbe anche la perforazione più efficiente e più rispettosa dell'ambiente. Tour e Andreas Lüttge, un professore di scienze della terra e chimica del riso, riportato l'anno scorso che il GO è ridotto a grafite, il materiale che si trova nella mina e un minerale naturale, da batteri comuni.
"L'aspetto più entusiasmante è la capacità di modificare la nanoparticella GO con una varietà di funzionalità, " disse James Friedheim, direttore aziendale della ricerca e sviluppo dei fluidi presso M-I SWACO e coautore della ricerca. "Pertanto possiamo 'comporre' la nostra applicazione scegliendo la giusta chimica organica che si adatta allo scopo. Il trucco è semplicemente scegliere la giusta chimica per lo scopo giusto".
"C'è ancora molto da fare, " disse Tour. "Stiamo esaminando le proprietà reologiche, le variazioni di viscosità sotto taglio. In altre parole, vogliamo sapere quanto diventa viscoso mentre passa attraverso una testa di perforazione, perché questo ha anche implicazioni per l'efficienza."
I fanghi possono aiutare il grafene a mantenere la sua promessa commerciale, Tour ha detto. "Tutti pensano al grafene nell'elettronica o nei compositi, ma questo sarebbe un uso per grandi quantità di grafene, e potrebbe succedere presto, " Egli ha detto.
Friedheim accettò. "Con la squadra che abbiamo attualmente assemblato, Il gruppo di Jim Tour e alcuni scienziati dello sviluppo di M-I SWACO, Sono fiducioso che siamo vicini al successo sia tecnico che commerciale".
