Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Miljontals fat olja produceras dagligen från skifferreservoarer, men en betydande mängd förblir orörd, fångade i molekylära porer på nanoskala. Nuvarande reservoarmodeller kan inte förutsäga oljebeteende eller återhämtning i denna skala, så företag kan inte exakt uppskatta produktionsbelopp för finansiella investerare.
Forskare från Texas A&M University byggde och testade (potentiellt) den minsta forskningsplattformen med glastopp i nanoporskala, lab-on-a-chip (LOC) för att undersöka komplexa vätskebeteenden i nanoskala så att de kunde beräkna dem.
Dr. Hadi Nasrabadi, Dr. Debjyoti Banerjee och deras doktorander, Qi Yang och Ran Bi, samdesignade den extremt lilla LOC och lät tillverka den i Texas A&M-anläggningar som AggieFab Nanofabrication Facility och Microscopy and Imaging Center. Enheten tillåter dem att visuellt studera och registrera vätskan till ånga och tillbaka till vätskefasförändringar som olja och andra element går igenom på en skala som liknar förhållandena i en skifferreservoar.
"Det här var första gången jag gjorde ett projekt där företagsrepresentanterna var mer intresserade av ekvationerna vi avslöjade snarare än de experimentella data vi producerade", säger Banerjee, James J. Cain '51 Faculty Fellow I i J. Mike Walker '66 Institutionen för maskinteknik. "Det är ett bisarrt exempel på hur termodynamiska ekvationer kan påverka aktiekursen på ett företag. Ekvationen går ut på att uppskatta hur mycket oljereserver ett företag äger eller kan producera, och detta påverkar deras värde på Wall Street, eller om de kan få en ekonomisk lån till en viss ränta."
Varför fasförändring är viktig
Självförsörjande små vätskevolym-LOC är vanliga nuförtiden, till exempel hemtestkit för COVID-19-antikroppar eller blodsockermätare. Att tillämpa LOC på petroleumforskning är dock sällsynt och tog flera steg för detta projekt.
Nasrabadi och Banerjee började med testkanaler på 50 nanometer (nm) i sina LOC innan de arbetade ner till kanaler med en diameter på 2 nm, som är något mindre än bredden på en DNA-sträng. I denna skala, matchande täta skifferlager, reagerar olja på temperatur-, tryck- och inneslutningsfluktuationer genom att vibrera med konstiga termodynamiska växlingar av vätska till gas och tillbaka igen fasförändringar. Eftersom produktion av olja från okonventionella skifferreservoarer fortfarande är en läroprocess, är dessa förändringar till stor del outforskade, men de påverkar oljeåtervinningen och påverkar de finansiella investerarnas förtroende.
"Industrien levererar för närvarande inte den olja som de uppskattar, och detta är oavsiktligt, enligt min mening", säger Nasrabadi, Aghorn Energy Career Development Professor vid Harold Vance Department of Petroleum Engineering. "Vår forskning visar att nanoporbeteende påverkar produktionen, vilket förklarar återhämtningsavvikelsen."
Problem med känslighet
Forskningen hade också leveransproblem eftersom tre utmaningar gick hand i hand med att göra experiment i så liten skala. Först var forskarna tvungna att lära sig om och implementera atomkraftsmikroskopi för att karakterisera LOC:s kanal eftersom 2 nm är mindre än våglängden för synligt ljus, och kanalen behövde inspekteras och mätas noggrant. För det andra lärde de sig snabbt att vissa förhållanden, som luftfuktigheten eller en bil som körde förbi byggnaden, kunde orsaka tillräckligt med störningar eller vibrationer för att kasta av sig resultaten av experimenten. För det tredje visade det sig att det var svårt att få bilder av de udda fasförändringsreaktionerna eftersom kameran behövde ett visst antal fotoner eller grundläggande ljuspartiklar närvarande. Små justeringar behövdes hela tiden för att förbättra experimentinspelningarna.
Det tog ungefär två år för forskningen att ge direkta, digitalt tagna bilder som hjälpte observationsstudier av övergångar från vätska till ånga till vätska i en skala som aldrig tidigare utforskats. Nasrabadi, Banerjee, Yang och Bi skrev en artikel om arbetet, som publicerades av Langmuir i augusti 2022.
Experimenten gjordes vid tryck upp till 100 pund per kvadrattum (psi), men forskarna hoppas kunna öka nivåerna för att matcha faktiska reservoarförhållanden, som kan variera från 1 000 till 5 000 psi. De hoppas också kunna höja temperaturerna till över 300 grader Fahrenheit. Dessa högre parametrar var möjliga med LOC:er som innehöll 10-nm skalakanaler, men 2-nm-chippet kommer att behöva några designändringar först.
"Vi vill också variera LOC-designen för att replikera skifferbildningsförhållandena, som att använda etsade kanaler som efterliknar oregelbundenheterna i berget", säger Nasrabadi.
Ansökningar utöver petroleum
Banerjee arbetade en gång i Silicon Valley, där han tilldelades 17 patent och kommersialiserade LOC-plattformar för en mängd olika startupföretag inom bioteknik och nanoteknik. Han märkte då oregelbundna flöden av vätskor instängda på nanoskala men hade inte ett sätt att peka ut varför de hände.
År senare utlöste samtal som Banerjee hade med Nasrabadi om intressanta vätskeinneslutningsfrågor i skifferreservoarer ett långt samarbete som ledde till deras projekt för Crisman Institute. Framgången med projektet har lett till andra samtal och idéer.
Banerjee tror att forskningen har kommit i full cirkel eftersom de ändringar de gjorde för att minska LOC-skalan under storleken på en enskild DNA-sträng betyder att bättre genom- eller genetiskt materialforskning nu är möjlig. Men potentialen stannar inte där.
"På 2-nm-skalan, även under normala tryck- och temperaturförhållanden, kan en nano-begränsad vätska uppvisa egenskaper som liknar superkritiskt beteende", säger Banerjee. "Och det har viktiga konsekvenser för vår förståelse av superkritiska vätskor. Sådana insikter kan ha djupa konsekvenser för kraftproduktion, rymdutforskning och biotekniktillämpningar. Det är verkligen anmärkningsvärt." + Utforska vidare
