Mikroskopisk, stjärnformade flingor av funktionaliserade grafenoxidplugghål i porer i ett test av materialets förmåga att fungera som en filterkaka i vätskor som används för att borra oljekällor. De enatomtjocka flingorna av behandlat kol är böjliga men bland de starkaste materialen som är kända. (Credit Tour Group/Rice University)
Grafens stjärna stiger som ett material som kan bli avgörande för effektiv, miljövänlig oljeproduktion. Rice University forskare drar fördel av grafens enastående styrka, låg vikt och löslighet för att förbättra vätskor som används för att borra oljekällor.
Rice University-labbet av kemisten James Tour och forskare vid M-I SWACO, en Texas-baserad leverantör av borrvätskor och dotterbolag till oljeserviceleverantören Schlumberger, har producerat funktionaliserad grafenoxid för att lindra igensättningen av oljeproducerande porer i nyborrade brunnar.
Den patenterade tekniken tog ett steg närmare kommersialisering med publiceringen av ny forskning denna månad i tidskriften American Chemical Society Tillämpade material och gränssnitt . Grafen är ett enatomtjockt ark av kol som vann sina upptäckare ett Nobelpris förra året.
Rices relation med M-I SWACO började för mer än två år sedan när företaget finansierade labbets uppföljning av forskning som producerade de första grafentillsatserna för borrvätskor som kallas lera. Dessa vätskor pumpas ner i hålet som en del av processen för att hålla borrkronor rena och ta bort sticklingar. Med traditionell lerförstärkt lera, differentialtryck bildar ett lager på borrhålet som kallas en filterkaka, som både hindrar oljan från att rinna ut och borrvätskor från att invadera den lilla, oljeproducerande porer.
När borrkronan tas bort och borrvätskan förskjuts, formationsoljan tvingar ut rester av filterkakan ur porerna när brunnen börjar producera. Men ibland viker inte leran, och brunnens produktivitet minskar.
Tour Group upptäckte att mikroskopiska, böjliga grafenflingor kan bilda en tunnare, lättare filterkaka. När de stöter på en por, flingorna viker sig in i sig själva och ser ut som sjöstjärnor som sugs in i ett hål. Men när vältrycket lättas, flingorna trycks tillbaka ut av oljan.
Allt det var känt för två år sedan. Sedan dess, Tour och en forskargrupp ledd av Dmitry Kosynkin, en tidigare postdoktor i Rice och nu petroleumingenjör på Saudi Aramco, har finjusterat materialen.
De hittade några frågor som behövde åtgärdas. Först, orörd grafen är svår att skingra i vatten, så det är olämpligt för vattenbaserad lera. Grafenoxid (GO) visade sig vara mycket mer löslig i sötvatten, men tenderade att koagulera i saltvatten, grunden för många leror.
Lösningen blev att "förestra" GO-flingor med alkohol. "Det är enkelt, reaktion i ett steg, sa Tour, Rice's T.T. och W.F. Chao Chair i kemi samt professor i maskinteknik och materialvetenskap och i datavetenskap. "Grafenoxid funktionaliserad med alkohol fungerar mycket bättre eftersom den inte fälls ut i närvaro av salter. Det finns inget exotiskt med det."
I en serie standardtester från American Petroleum Institute, teamet fann att den bästa blandningen av funktionaliserad GO var en kombination av stora flingor och pulveriserad GO för förstärkning. En lera med 2 procent funktionaliserad GO bildade en filterkaka i genomsnitt 22 mikrometer bred - väsentligt mindre än den 278 mikrometerskaka som bildas av traditionell lera. GO blockerade porer många gånger mindre än flingornas ursprungliga diameter genom att vikas.
Förutom att göra filterkakan mycket tunnare, vilket skulle ge en borr mer utrymme att vända, risslammet innehöll mindre än hälften så många suspenderade partiklar; detta skulle också göra borrningen mer effektiv och miljövänligare. Tour och Andreas Lüttge, en risprofessor i geovetenskap och kemi, rapporterade förra året att GO reducerats till grafit, materialet som finns i blyertspenna och ett naturligt mineral, av vanliga bakterier.
"Den mest spännande aspekten är förmågan att modifiera GO-nanopartikeln med en mängd olika funktioner, sa James Friedheim, företagsdirektör för vätskeforskning och utveckling vid M-I SWACO och en medförfattare till forskningen. "Därför kan vi 'ringa in' vår ansökan genom att välja rätt organisk kemi som passar syftet. Tricket är bara att välja rätt kemi för rätt ändamål."
"Det finns fortfarande mycket kvar att utarbeta, Tour sa. "Vi tittar på de reologiska egenskaperna, förändringarna i viskositet under skjuvning. Med andra ord, vi vill veta hur trögflytande detta blir när det går genom ett borrhuvud, eftersom det också har konsekvenser för effektiviteten."
Muds kan hjälpa grafen att leva upp till sitt kommersiella löfte, sa Tour. "Alla tänker på grafen i elektronik eller i kompositer, men det här skulle kunna användas för stora mängder grafen, och det kan hända snart, " han sa.
Friedheim höll med. "Med det team vi för närvarande har satt ihop, Jim Tours grupp och några utvecklingsforskare vid M-I SWACO, Jag är övertygad om att vi är nära både teknisk och kommersiell framgång."
