Millones de barriles de petróleo se producen diariamente a partir de depósitos de esquisto, pero una cantidad significativa permanece intacta, atrapada en poros de tamaño molecular a nanoescala. Los modelos de yacimientos actuales no pueden predecir el comportamiento o la recuperación del petróleo a esta escala, por lo que las empresas no pueden estimar con precisión las cantidades de producción para los inversores financieros.

Los investigadores de la Universidad de Texas A&M construyeron y probaron (potencialmente) la plataforma de investigación de laboratorio en un chip (LOC) con cubierta de vidrio a escala de nanoporos más pequeña para investigar comportamientos de fluidos complejos a nanoescala para poder calcularlos.

El Dr. Hadi Nasrabadi, el Dr. Debjyoti Banerjee y sus estudiantes graduados, Qi Yang y Ran Bi, diseñaron conjuntamente el LOC ultra pequeño y lo fabricaron en las instalaciones de Texas A&M, como la instalación de nanofabricación AggieFab y el centro de microscopía e imágenes. El dispositivo les permite estudiar y registrar visualmente los cambios de fase de líquido a vapor y de regreso a líquido por los que pasa el aceite y otros elementos en una escala similar a las condiciones en un yacimiento de esquisto.

"Esta fue la primera vez que hice un proyecto en el que los representantes de la empresa estaban más interesados ​​en las ecuaciones que descubrimos que en los datos experimentales que produjimos", dijo Banerjee, miembro de la facultad James J. Cain '51 I en J. Mike Walker '66 Departamento de Ingeniería Mecánica. "Es un ejemplo extraño de cómo las ecuaciones termodinámicas pueden afectar el precio de las acciones de una empresa. La ecuación sirve para estimar cuántas reservas de petróleo posee o puede producir una empresa, y esto afecta su valor en Wall Street, o si pueden obtener un beneficio financiero". préstamo a una tasa de interés particular".

Por qué importa el cambio de fase

Los LOC de pequeño volumen de líquido autónomos son comunes hoy en día, como los kits de prueba de anticuerpos COVID-19 en el hogar o los monitores de azúcar en la sangre. Sin embargo, la aplicación de LOC a la investigación petrolera es rara y tomó varias etapas para este proyecto.

Nasrabadi y Banerjee comenzaron con canales de prueba de 50 nanómetros (nm) de diámetro en sus LOC antes de trabajar con canales de 2 nm de diámetro, que son ligeramente más pequeños que el ancho de una cadena de ADN. A esta escala, coincidiendo con capas de esquisto ajustadas, el petróleo reacciona a las fluctuaciones de temperatura, presión y confinamiento al vibrar con peculiares cambios termodinámicos de fluido a gas y viceversa. Debido a que la producción de petróleo a partir de yacimientos de esquisto no convencionales aún es un proceso de aprendizaje, estos cambios están en gran parte inexplorados, pero impactan en la recuperación de petróleo y afectan la confianza de los inversionistas financieros.

"Actualmente, la industria no está entregando el petróleo que está estimando, y esto no es intencional, en mi opinión", dijo Nasrabadi, profesor de Desarrollo de Carrera de Aghorn Energy en el Departamento de Ingeniería de Petróleo de Harold Vance. "Nuestra investigación muestra que el comportamiento de los nanoporos influye en la producción, lo que explica la discrepancia en la recuperación".

Problemas con la sensibilidad

La investigación también tuvo problemas de entrega porque tres desafíos iban de la mano con la realización de experimentos a una escala tan pequeña. Primero, los investigadores tuvieron que aprender e implementar la microscopía de fuerza atómica para caracterizar el canal LOC, ya que 2 nm es más pequeño que la longitud de onda de la luz visible, y el canal necesitaba ser inspeccionado y medido con precisión. En segundo lugar, aprendieron rápidamente que ciertas condiciones, como la humedad del aire o un automóvil que pasa por el edificio, podrían causar suficientes perturbaciones o vibraciones como para alterar los resultados de los experimentos. En tercer lugar, obtener imágenes de las peculiares reacciones de cambio de fase resultó difícil porque la cámara necesitaba una cierta cantidad de fotones o partículas de luz fundamentales presentes. Se necesitaban pequeños ajustes constantemente para mejorar las grabaciones del experimento.

La investigación tardó aproximadamente dos años en producir imágenes directas capturadas digitalmente que ayudaron a los estudios de observación de las transiciones de líquido a vapor a líquido en una escala que nunca antes se había explorado. Nasrabadi, Banerjee, Yang y Bi escribieron un artículo sobre el trabajo, que fue publicado por Langmuir en agosto de 2022.

Los experimentos se realizaron a presiones de hasta 100 libras por pulgada cuadrada (psi), pero los investigadores esperan aumentar los niveles para que coincidan con las condiciones reales del yacimiento, que pueden oscilar entre 1000 y 5000 psi. También esperan aumentar las temperaturas a más de 300 grados Fahrenheit. Estos parámetros más altos fueron posibles con LOC que contenían canales de escala de 10 nm, pero el chip de 2 nm necesitará primero algunas modificaciones de diseño.

"También queremos variar el diseño LOC para replicar las condiciones de formación de esquisto, como el uso de canales grabados que imitan las irregularidades dentro de la roca", dijo Nasrabadi.

Aplicaciones más allá del petróleo

Banerjee trabajó una vez en Silicon Valley, donde obtuvo 17 patentes y comercializó plataformas LOC para una variedad de empresas emergentes de biotecnología y nanotecnología. En ese momento, notó flujos irregulares de fluidos confinados en una nanoescala, pero no tenía forma de determinar por qué sucedían.

Años más tarde, las conversaciones que Banerjee tuvo con Nasrabadi sobre los interesantes problemas de confinamiento de fluidos en los yacimientos de esquisto provocaron una larga colaboración que condujo a su proyecto para el Instituto Crisman. El éxito del proyecto ha dado lugar a otras conversaciones e ideas.

Banerjee cree que la investigación ha cerrado el círculo porque las modificaciones que hicieron para disminuir la escala LOC por debajo del tamaño de una sola hebra de ADN significan que ahora es posible una mejor investigación del genoma o del material genético. Pero el potencial no se detiene ahí.

"En la escala de 2 nm, incluso en condiciones normales de presión y temperatura, un líquido nanoconfinado puede mostrar propiedades similares al comportamiento supercrítico", dijo Banerjee. "Y eso tiene implicaciones importantes para nuestra comprensión de los fluidos supercríticos. Tales conocimientos podrían tener implicaciones profundas para la producción de energía, la exploración espacial y las aplicaciones biotecnológicas. Es realmente notable". + Explora más

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