En Rice University-grupps innovativa teori om ytaktiva ämnen tar bort begränsningarna för en 100-årig modell för gränssnittsbeteende i förbättrad oljeåtervinning.

Laboratoriet av Rice kemiingenjör Walter Chapman anpassade en sliten modell för att analysera vätskor som innehåller ytaktiva ämnen som pumpas in i brunnar för att få ut så mycket olja som möjligt ur stenar djupt under jorden.

För att utföra modelleringsuppgiften krävdes en förändring i tänkandet för labbet som använder sofistikerade matematiska modeller för att analysera hur vätskor interagerar med varandra och de strukturer som innehåller dem. Forskarna använde en standardmetoden för termodynamisk modellering som kallas densitetsgradientteori (DGT), som har använts för att förutsäga gränsytegenskaperna hos rena och blandade system. De modifierade DGT-modellen för att bättre karakterisera ytaktiva molekyler som i verkligheten är mycket mer komplexa än tidigare modeller tillåter.

Det kan hjälpa producenter att pressa ut ännu mer olja ur brunnar som annars skulle anses vara utspelade.

Arbetet som leds av Chapman och Rice doktorand Xiaoqun Mu visas i tidskriften American Chemical Society Industriell och teknisk kemiforskning .

Molekylerna i ytaktiva ämnen har hydrofila (vattenattraherande) och hydrofoba (vattenundvikande) delar. Tvål är en typ av tensid som är utformad för att separera föroreningar från hud eller tyg och låta dem föras bort med vatten. Ytaktiva ämnen fungerar ungefär på samma sätt i brunnar, där de minskar ytspänningen mellan berg, vatten och olja, släpper ut oljan som ska pumpas till ytan.

Oljeproducenter vill veta hur ett ytaktivt ämne kommer att reagera när det når en rik formation. Eftersom experimentella mätningar är dyra och tidskrävande, många modeller har utvecklats för att förutsäga ytaktiva effekter. Tills nu, DGT-formlerna som används för att förutsäga dessa reaktioner har behandlat ytaktiva molekyler som en enda punkt snarare än de komplexa kedjor de verkligen är.

"Det är en begränsning i modellerna, ", sade Chapman. "DGT-modellen har aldrig haft förmågan att beskriva hur vätskeegenskaper påverkas av molekylens form."

Mu hämtade inspiration från Rice-kollegor som bygger beräkningsmodeller med densitetsfunktionsteori, som används för att analysera strukturerna hos atomära och molekylära system.

"Jag har använt DGT sedan det första året av min doktorsexamen, så jag hade en ganska omfattande förståelse av modellens för- och nackdelar. Dess natur hindrade oss från att applicera det på molekyler med amfifila (ytaktiva) kedjestrukturer, " sa han. "Men modellen är enkel jämfört med andra, och vi såg potentialen att utöka den till att hantera ytaktiva ämnen.

"Inspirerad av vår grupps arbete med densitetsfunktionsteori, vi skapade idén att den ytaktiva molekylen kan modelleras i DGT genom att koppla en hydrofil huvudgrupp till en hydrofob svansgrupp, " sa Mu. "Med hjälp av flera kollegor, vi utvecklade ett enkelt sätt att lägga till denna kedjebildande term i densitetsgradientteorin."

Att ta hänsyn till det ytaktiva ämnets sofistikerade är inte tillräckligt; modellen måste också inkludera temperatur, tryck, sammansättning och andra förhållanden i brunnen. När de kombineras, den innehåller mer av fysiken som spelar mellan alla molekyler och ger ingenjörer en bättre uppfattning om den lämpliga blandningen att injicera.

Eftersom ytaktiva ämnen är en del av så många industriprodukter, såsom rengöringsmedel och dispergeringsmedel, Chapman sa att modelleringstekniken kan ha bred tillämpning. "Vi vill att vår densitetsgradientteori ska vara enkel nog att människor kan använda den, " sa han. "DGT är tänkt att vara en snabbare beräkning att göra."

För detta ändamål, Mu sa att ingenting hölls tillbaka från publiceringen. "Vi har bifogat en mycket detaljerad bilaga, " sa han. "Vi förklarar 100 procent av hur vi härledde och tillämpade den här modellen så att människor kan implementera den eller förbättra den ytterligare."