Nanopartículas de lignina impulsionam a recuperação do petróleo ajustando a molhabilidade das rochas em nanoescala

Nanopartículas de lignina de base biológica melhoraram a recuperação laboratorial de petróleo em núcleos de arenito e carbonato, revelando como o tamanho das partículas e o tipo de rocha podem moldar estratégias aprimoradas de recuperação de petróleo da próxima geração.

Papel: Nanopartículas à base de lignina como agentes sustentáveis ​​para recuperação aprimorada de petróleo em reservatórios de arenito e carbonato. Crédito da imagem: imagem gerada por IA criada usando ChatGPT/OpenAI

Em um artigo de pesquisa recente publicado na revista Relatórios Científicosos pesquisadores investigaram a síntese e aplicação de produtos à base de lignina nanopartículas com tamanhos controlados derivados de ligninas alcalinas e kraft para melhorar a recuperação de petróleo em reservatórios de arenito e carbonato, modificando as propriedades interfaciais e a molhabilidade da rocha.

Nanopartículas de lignina para EOR

A procura energética world continua a depender fortemente dos recursos petrolíferos, apesar da crescente ênfase nas energias renováveis. Recuperação aprimorada de petróleo (EOR) são essenciais para maximizar a extração de reservatórios existentes e minimizar o impacto ambiental, reduzindo a necessidade de novas explorações.

Entre EOR métodos, agentes químicos como polímeros e surfactantes demonstraram a capacidade de aumentar o deslocamento do óleo, alterando a molhabilidade da rocha e reduzindo a tensão interfacial. No entanto, sua aplicação é frequentemente limitada pela heterogeneidade do reservatório, diferenças litológicas e condições adversas, especialmente em formações carbonáticas e areníticas.

Nanotecnologia introduz novas oportunidades, permitindo nanopartículas (NPs) para manipular interfaces rocha-fluido e melhorar o transporte e a estabilidade em meios porosos. A lignina, um polímero aromático pure amplamente disponível como subproduto da indústria de celulose e papel, oferece uma alternativa sustentável para a síntese de nanopartículas.

Nanopartículas à base de lignina (LNPs) exibem atividade interfacial favorável, potencial para alterar a molhabilidade e vantagens de materiais de base biológica, posicionando-os como promissores EOR agentes. No entanto, pesquisas anteriores não exploraram extensivamente a interação entre a fonte de lignina, o tamanho das nanopartículas e a litologia do reservatório.

Síntese e Caracterização de Nanopartículas

Nanopartículas foram sintetizadas a partir de duas fontes técnicas de lignina: lignina alcalina (AL) e lignina kraft (KL). Para avaliar os efeitos em nanoescala, três frações de tamanho visando aproximadamente 200 nm330 nme 500 nm diâmetros, denotados NP-1, NP-2e NP-3foram preparados através de abordagens de nanoprecipitação específicas da fonte: lignina kraft by way of fracionamento aquoso de acetona e lignina alcalina em concentrações variadas de lignina em etilenoglicol e ácido nítrico.

O tamanho e a distribuição das partículas foram caracterizados pelo espalhamento dinâmico da luz (DLS) e microscopia eletrônica de varredura (SEM), confirmando morfologia esférica e distribuições de tamanho geralmente estreitas, com KL-NPs mostrando menor polidispersidade do que AL-NPs. O potencial zeta foi medido para avaliar variações de carga superficial com o tamanho das partículas, indicando uma diminuição na magnitude com o aumento do tamanho das partículas.

A estabilidade e o comportamento coloidal foram avaliados em 3.000 ppm salmoura de cloreto de sódio e experimentos de inundação de laboratório a 60 °C e 100 psi contrapressão. As propriedades interfaciais foram quantificadas usando a tensão interfacial óleo-água (IFT), medições de tensão superficial e ângulo de contato em substratos representativos de arenito e carbonato para analisar a alteração da molhabilidade.

Os experimentos de inundação de núcleo empregaram amostras de rochas dos campos petrolíferos de Mansouri e Ahvaz Asmari, representando litologias de arenito e carbonato, respectivamente. Ambos os cenários de inundação de salmoura e injeção gradual de salmoura seguida por suspensões de nanopartículas, com e sem surfactantes, foram realizados para determinar a recuperação incremental de petróleo.

As eficiências de recuperação foram analisadas estatisticamente e foram desenvolvidos insights mecanísticos correlacionando as características das nanopartículas com seus comportamentos interfaciais e de transporte em meios porosos.

Efeitos Interfaciais e Recuperação de Petróleo

As nanopartículas de lignina sintetizadas exibiram tamanhos bem controlados com distribuições estreitas: aproximadamente 206-214 nm (NP-1), 330-351 nm (NP-2) e 500-531 nm (NP-3) para ambos AL e KL fontes. Os potenciais Zeta diminuíram de partículas menores para partículas maiores, refletindo a diminuição da densidade de carga superficial e a exposição do grupo funcional.

SEM a imagem revelou nanopartículas esféricas com superfície ligeiramente áspera, confirmando a consistência sintética. Avaliações de molhabilidade evidenciaram reduções significativas no ângulo de contato em ambos os tipos de rocha, indicando uma mudança para condições mais úmidas.

Notavelmente, embora menor NP-1 partículas produziram os ângulos de contato de equilíbrio mais baixos, tamanho intermediário NP-2 formulações proporcionaram a recuperação de óleo mais forte, destacando que a alteração da molhabilidade deve ser equilibrada com a atividade interfacial e o transporte através de redes de poros.

Medições de tensão interfacial revelaram que ambos os tipos de lignina reduziram efetivamente IFTmelhorando assim a mobilidade do petróleo. NP-2 superou consistentemente tamanhos menores e maiores na redução IFT e tensão superficial, indicando otimização da atividade interfacial dependente do tamanho.

Os principais dados de inundação demonstraram que ALnanopartículas de tamanho intermediário baseadas em (AL-NP-2) rendeu a maior recuperação incremental de petróleo em núcleos de arenito, aproximadamente 23,64 ± 2,49%, com KL-NP-2 também melhorando a recuperação, aproximadamente 19,61 ± 3,54%. Essas diferenças foram consistentes com variações na estrutura molecular da lignina e na química da superfície que influenciam as interações nanopartículas-fluido, embora o estudo tenha relatado que os efeitos da fonte de lignina não foram estatisticamente significativos.

Os núcleos de arenito exibiram transporte e adsorção superiores de nanopartículas devido à sua maior porosidade, permeabilidade e mineralogia mais úmida com água, resultando em melhorias de recuperação geral comparativamente mais baixas.

Estratégias de inundação gradual combinando salmoura e AL-NP-2 As injeções forneceram melhorias cumulativas na recuperação de petróleo, atingindo aproximadamente 53,48 ± 5,53% em arenito e 34,95 ± 3,46% em núcleos de carbonato.

Esses efeitos cumulativos graduais surgiram de mudanças de molhabilidade mediadas por nanopartículas e reduções na tensão interfacial após a inundação inicial de salmoura. A injeção adicional de surfactante aumentou ainda mais a recuperação, sugerindo que as nanopartículas de lignina são compatíveis com produtos químicos convencionais EOR agentes.

Mecanisticamente, as nanopartículas de lignina foram adsorvidas nas superfícies rochosas, modificando a molhabilidade em direção a condições mais úmidas, o que reduziu as forças de aprisionamento capilar. Ao mesmo tempo, seu acúmulo na interface óleo-água reduziu a tensão interfacial, promovendo a deformação e mobilização das gotas.

Otimizando NPs de lignina para EOR

Esta pesquisa estabelece que nanopartículas à base de lignina sintetizadas a partir de dois tipos de lignina técnica predominantes fornecem nanoagentes eficazes e potencialmente mais sustentáveis ​​para recuperação aprimorada de petróleo em reservatórios de arenito e carbonato.

Coletivamente, esses resultados demonstram que o ajuste do tamanho das nanopartículas e a seleção de fontes de lignina apropriadas permitem o desenvolvimento de nanofluidos de base biológica adaptados para diversas condições de reservatório.

O trabalho contribui com insights mecanicistas para unir o projeto de materiais em nanoescala e a engenharia de reservatórios em macroescala, apoiando avaliações adicionais da nanotecnologia da lignina para a produção de petróleo sustentável e eficiente.