Funktionaliseret grafenoxid spiller en rolle i næste generations oliebrøndsborevæsker

Graphens stjerne stiger som et materiale, der kan blive afgørende for effektiv, miljørigtig olieproduktion. Rice University-forskere udnytter grafens enestående styrke, let vægt og opløselighed for at forbedre væsker, der bruges til at bore oliebrønde.

Rice University laboratoriet af kemiker James Tour og videnskabsmænd ved M-I SWACO, en Texas-baseret leverandør af borevæsker og datterselskab af olieserviceudbyderen Schlumberger, har produceret funktionaliseret grafenoxid for at afhjælpe tilstopningen af ​​olieproducerende porer i nyborede brønde.

Den patenterede teknik tog et skridt tættere på kommercialisering med offentliggørelsen af ​​ny forskning i denne måned i tidsskriftet American Chemical Society Anvendte materialer og grænseflader . Grafen er et et-atom-tykt ark kulstof, der sidste år vandt sine opdagere en Nobelpris.

Rice's forhold til M-I SWACO begyndte for mere end to år siden, da virksomheden finansierede laboratoriets opfølgning på forskning, der producerede de første grafentilsætningsstoffer til borevæsker kendt som mudder. Disse væsker pumpes ned i hullet som en del af processen for at holde borekroner rene og fjerne spåner. Med traditionelt lerforstærket mudder, differenstryk danner et lag på brøndboringen kaldet en filterkage, som både forhindrer olien i at strømme ud og borevæsker i at invadere den lille, olieproducerende porer.

Når boret er fjernet og borevæske fortrængt, formationsolien tvinger rester af filterkagen ud af porerne, når brønden begynder at producere. Men nogle gange vil leret ikke rokke sig, og brøndens produktivitet reduceres.

Tour Group opdagede, at mikroskopiske, bøjelige flager af grafen kan danne en tyndere, lettere filterkage. Når de støder på en pore, flagerne folder sig ind over sig selv og ligner søstjerner, der er suget ind i et hul. Men når brøndtrykket er lettet, flagerne skubbes tilbage af olien.

Alt det vidste man for to år siden. Siden da, Tour og et forskerhold ledet af Dmitry Kosynkin, en tidligere Rice postdoc og nu petroleumsingeniør hos Saudi Aramco, har finjusteret materialerne.

De fandt nogle få problemer, der skulle løses. Først, uberørt grafen er svært at sprede i vand, så det er uegnet til vandbaseret mudder. Grafenoxid (GO) viste sig at være meget mere opløseligt i ferskvand, men havde en tendens til at koagulere i saltvand, grundlaget for mange mudder.

Løsningen var at "esterificere" GO-flager med alkohol. "Det er en simpel, et-trins reaktion, " sagde Tour, Rice's T.T. og W.F. Chao Chair i kemi samt professor i maskinteknik og materialevidenskab og i datalogi. "Graphenoxid funktionaliseret med alkohol virker meget bedre, fordi det ikke udfældes i nærværelse af salte. Der er ikke noget eksotisk ved det."

I en række standardtests fra American Petroleum Institute, holdet fandt, at den bedste blanding af funktionaliseret GO var en kombination af store flager og pulveriseret GO til forstærkning. Et mudder med 2 procent funktionaliseret GO dannede en filterkage, der var gennemsnitligt 22 mikrometer bred - væsentligt mindre end kagen på 278 mikrometer dannet af traditionelt mudder. GO blokerede porer mange gange mindre end flagernes oprindelige diameter ved foldning.

Udover at gøre filterkagen meget tyndere, hvilket ville give et bor mere plads til at dreje, Rismudderet indeholdt mindre end halvt så mange suspenderede faste stoffer; dette ville også gøre boringen mere effektiv og mere miljøvenlig. Tour og Andreas Lüttge, en risprofessor i geovidenskab og kemi, rapporterede sidste år, at GO er reduceret til grafit, materialet, der findes i blyantbly og et naturligt mineral, af almindelige bakterier.

"Det mest spændende aspekt er evnen til at modificere GO-nanopartikler med en række funktioner, " sagde James Friedheim, virksomhedsdirektør for væskeforskning og -udvikling hos M-I SWACO og medforfatter til forskningen. "Derfor kan vi 'ringe ind' vores ansøgning ved at vælge den rigtige organiske kemi, der passer til formålet. Tricket er bare at vælge den rigtige kemi til det rigtige formål."

"Der er stadig meget at arbejde på, " sagde Tour. "Vi kigger på de reologiske egenskaber, ændringerne i viskositet under forskydning. Med andre ord, vi vil gerne vide, hvor tyktflydende dette bliver, når det går gennem et borehoved, fordi det også har betydning for effektiviteten."

Mudder kan hjælpe grafen med at leve op til sit kommercielle løfte, sagde Tour. "Alle tænker på grafen i elektronik eller i kompositter, men dette ville være til brug for store mængder grafen, og det kan snart ske, " han sagde.

Friedheim var enig. "Med det hold, vi i øjeblikket har samlet, Jim Tours gruppe og nogle udviklingsforskere ved M-I SWACO, Jeg er overbevist om, at vi er tæt på både teknisk og kommerciel succes."