La estrella del grafeno está surgiendo como un material que podría volverse esencial para la eficiencia, producción de petróleo ambientalmente racional. Los investigadores de la Universidad de Rice están aprovechando la extraordinaria fuerza del grafeno, peso ligero y solubilidad para mejorar los fluidos utilizados para perforar pozos de petróleo.

El laboratorio de la Universidad Rice del químico James Tour y los científicos de M-I SWACO, un proveedor de fluidos de perforación con sede en Texas y una subsidiaria del proveedor de servicios petroleros Schlumberger, han producido óxido de grafeno funcionalizado para aliviar la obstrucción de los poros productores de petróleo en pozos recién perforados.

La técnica patentada dio un paso más hacia la comercialización con la publicación de una nueva investigación este mes en la revista American Chemical Society. Materiales e interfaces aplicados . El grafeno es una hoja de carbono de un átomo de espesor que ganó un premio Nobel el año pasado a sus descubridores.

La relación de Rice con M-I SWACO comenzó hace más de dos años cuando la compañía financió el seguimiento del laboratorio de la investigación que produjo los primeros aditivos de grafeno para fluidos de perforación conocidos como lodos. Estos fluidos se bombean al fondo del pozo como parte del proceso para mantener limpias las brocas y eliminar los recortes. Con lodos tradicionales mejorados con arcilla, la presión diferencial forma una capa en el pozo llamada torta de filtración, que evita que el aceite fluya y los fluidos de perforación invadan los pequeños, poros productores de aceite.

Cuando se retira la broca y se desplaza el fluido de perforación, el aceite de formación expulsa los restos de la torta de filtración de los poros a medida que el pozo comienza a producir. Pero a veces la arcilla no se mueve y se reduce la productividad del pozo.

The Tour Group descubrió que microscópicos, los copos flexibles de grafeno pueden formar una capa más delgada, torta de filtración más ligera. Cuando encuentran un poro, los copos se pliegan sobre sí mismos y se parecen a una estrella de mar succionada por un agujero. Pero cuando se alivia la presión del pozo, los copos son empujados hacia afuera por el aceite.

Todo eso se supo hace dos años. Desde entonces, Tour y un equipo de investigación dirigido por Dmitry Kosynkin, ex asociado postdoctoral de Rice y ahora ingeniero de petróleo en Saudi Aramco, han estado afinando los materiales.

Encontraron algunos problemas que debían abordarse. Primero, el grafeno prístino es difícil de dispersar en el agua, por lo que no es adecuado para lodos a base de agua. El óxido de grafeno (GO) resultó ser mucho más soluble en agua dulce, pero tendía a coagularse en agua salada, la base de muchos lodos.

La solución consistió en "esterificar" las escamas de GO con alcohol. "Es un simple, reacción de un solo paso, "dijo Tour, T.T. y W.F. de Rice Cátedra Chao de Química y profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales y de informática. "El óxido de grafeno funcionalizado con alcohol funciona mucho mejor porque no precipita en presencia de sales. No tiene nada de exótico".

En una serie de pruebas estándar del American Petroleum Institute, el equipo descubrió que la mejor combinación de GO funcionalizado es una combinación de copos grandes y GO en polvo como refuerzo. Un lodo con GO funcionalizado al 2 por ciento formó una torta de filtración de un promedio de 22 micrómetros de ancho, sustancialmente más pequeña que la torta de 278 micrómetros formada por los lodos tradicionales. GO bloqueó los poros muchas veces más pequeños que el diámetro original de las escamas al doblarlos.

Aparte de hacer la torta de filtración mucho más delgada, lo que le daría más espacio a una broca para girar, el lodo de arroz contenía menos de la mitad de los sólidos en suspensión; esto también haría que la perforación sea más eficiente y más respetuosa con el medio ambiente. Tour y Andreas Lüttge, un profesor de Rice de Ciencias de la Tierra y Química, informó el año pasado que GO se reduce a grafito, el material que se encuentra en la mina de lápiz y un mineral natural, por bacterias comunes.

"El aspecto más interesante es la capacidad de modificar la nanopartícula GO con una variedad de funcionalidades, "dijo James Friedheim, director corporativo de investigación y desarrollo de fluidos en M-I SWACO y coautor de la investigación. "Por lo tanto, podemos 'marcar' nuestra aplicación eligiendo la química orgánica correcta que se adapte al propósito. El truco es simplemente elegir la química adecuada para el propósito correcto".

"Aún queda mucho por hacer, ", Dijo Tour." Estamos analizando las propiedades reológicas, los cambios de viscosidad bajo cizallamiento. En otras palabras, queremos saber qué tan viscoso se vuelve esto a medida que pasa por un cabezal de perforación, porque eso también tiene implicaciones para la eficiencia ".

Los lodos pueden ayudar al grafeno a cumplir su promesa comercial, Tour dijo. "Todo el mundo piensa en el grafeno en la electrónica o en compuestos, pero esto sería útil para grandes cantidades de grafeno, y podría pasar pronto, " él dijo.

Friedheim estuvo de acuerdo. "Con el equipo que hemos reunido actualmente, El grupo de Jim Tour y algunos científicos de desarrollo en M-I SWACO, Estoy seguro de que estamos cerca del éxito tanto técnico como comercial ".