Microscopique, flocons en forme d'étoile de trous de bouchon d'oxyde de graphène fonctionnalisés dans les pores dans un test de la capacité du matériau à servir de gâteau de filtration dans les fluides utilisés pour forer des puits de pétrole. Les flocons d'un seul atome d'épaisseur de carbone traité sont souples mais comptent parmi les matériaux les plus résistants connus. (Credit Tour Group/Rice University)
L'étoile du graphène s'impose comme un matériau qui pourrait devenir indispensable à l'efficacité, production de pétrole respectueuse de l'environnement. Les chercheurs de l'Université Rice profitent de la force exceptionnelle du graphène, poids léger et solubilité pour améliorer les fluides utilisés pour forer les puits de pétrole.
Le laboratoire de l'Université Rice du chimiste James Tour et des scientifiques du M-I SWACO, fournisseur de fluides de forage basé au Texas et filiale du prestataire de services pétroliers Schlumberger, ont produit de l'oxyde de graphène fonctionnalisé pour atténuer le colmatage des pores producteurs de pétrole dans les puits nouvellement forés.
La technique brevetée s'est rapprochée de la commercialisation avec la publication de nouvelles recherches ce mois-ci dans la revue American Chemical Society Matériaux appliqués et interfaces . Le graphène est une feuille de carbone d'une épaisseur d'un atome qui a valu à ses découvreurs un prix Nobel l'année dernière.
La relation de Rice avec M-I SWACO a commencé il y a plus de deux ans lorsque la société a financé le suivi du laboratoire à la recherche qui a produit les premiers additifs de graphène pour les fluides de forage appelés boues. Ces fluides sont pompés en fond de trou dans le cadre du processus pour garder les trépans propres et éliminer les déblais. Avec des boues traditionnelles enrichies d'argile, la pression différentielle forme une couche sur le puits de forage appelée gâteau de filtration, qui à la fois empêche le pétrole de s'écouler et que les fluides de forage n'envahissent le minuscule, pores producteurs de sébum.
Lorsque le trépan est retiré et le fluide de forage déplacé, l'huile de formation force les restes du gâteau de filtration hors des pores lorsque le puits commence à produire. Mais parfois l'argile ne bougera pas, et la productivité du puits est réduite.
Le groupe Tour a découvert que microscopique, des flocons de graphène souples peuvent former un diluant, gâteau de filtration plus léger. Quand ils rencontrent un pore, les flocons se replient sur eux-mêmes et ressemblent à des étoiles de mer aspirées dans un trou. Mais quand bien la pression est relâchée, les flocons sont repoussés par l'huile.
Tout cela était connu il y a deux ans. Depuis, Tour et une équipe de recherche dirigée par Dmitry Kosynkin, ancien associé postdoctoral Rice et maintenant ingénieur pétrolier chez Saudi Aramco, ont peaufiné les matériaux.
Ils ont trouvé quelques problèmes qui devaient être traités. D'abord, le graphène vierge est difficile à disperser dans l'eau, il ne convient donc pas aux boues à base d'eau. L'oxyde de graphène (GO) s'est avéré beaucoup plus soluble dans l'eau douce, mais avait tendance à coaguler dans l'eau salée, la base de nombreuses boues.
La solution consistait à "estérifier" les flocons de GO avec de l'alcool. "C'est simple, réaction en une étape, " dit Tour, T.T. et W.F. de Rice Chaire Chao en chimie ainsi que professeur de génie mécanique et science des matériaux et d'informatique. "L'oxyde de graphène fonctionnalisé avec de l'alcool fonctionne beaucoup mieux car il ne précipite pas en présence de sels. Il n'y a rien d'exotique à ce sujet."
Dans une série de tests standard de l'American Petroleum Institute, l'équipe a trouvé que le meilleur mélange de GO fonctionnalisé était une combinaison de gros flocons et de GO en poudre pour le renforcement. Une boue avec 2 pour cent de GO fonctionnalisé a formé un gâteau de filtration d'une largeur moyenne de 22 micromètres - sensiblement plus petit que le gâteau de 278 micromètres formé par les boues traditionnelles. GO a bloqué des pores plusieurs fois plus petits que le diamètre d'origine des flocons en se pliant.
En plus de rendre le gâteau de filtration beaucoup plus fin, ce qui donnerait à une perceuse plus de place pour tourner, la boue de riz contenait moins de la moitié des solides en suspension; cela rendrait également le forage plus efficace et plus respectueux de l'environnement. Tour et Andreas Lüttge, un professeur Rice de sciences de la Terre et de chimie, rapporté l'année dernière que GO est réduit au graphite, le matériau trouvé dans la mine de crayon et un minéral naturel, par des bactéries courantes.
"L'aspect le plus excitant est la possibilité de modifier la nanoparticule GO avec une variété de fonctionnalités, " dit James Friedheim, directeur général de la recherche et du développement sur les fluides chez M-I SWACO et co-auteur de la recherche. « Par conséquent, nous pouvons « composer » notre application en choisissant la bonne chimie organique qui conviendra à l'objectif. L'astuce consiste simplement à choisir la bonne chimie pour le bon objectif. »
« Il y a encore beaucoup à faire, " a déclaré Tour. " Nous examinons les propriétés rhéologiques, les changements de viscosité sous cisaillement. En d'autres termes, nous voulons savoir à quel point cela devient visqueux lorsqu'il passe dans une tête de forage, car cela a également des implications pour l'efficacité. »
Les boues peuvent aider le graphène à tenir ses promesses commerciales, Tour dit. « Tout le monde pense au graphène dans l'électronique ou dans les composites, mais ce serait une utilisation pour de grandes quantités de graphène, et cela pourrait arriver bientôt, " il a dit.
Friedheim a accepté. "Avec l'équipe que nous avons actuellement constituée, Le groupe de Jim Tour et quelques scientifiques du développement de M-I SWACO, Je suis convaincu que nous sommes proches du succès technique et commercial."
