De ster van grafeen is aan het rijzen als een materiaal dat essentieel kan worden voor efficiënte, milieuvriendelijke olieproductie. Rice University-onderzoekers profiteren van de uitstekende kracht van grafeen, licht van gewicht en oplosbaarheid ter verbetering van vloeistoffen die worden gebruikt om oliebronnen te boren.

Het Rice University-lab van scheikundige James Tour en wetenschappers van M-I SWACO, een in Texas gevestigde leverancier van boorvloeistoffen en dochteronderneming van oliedienstverlener Schlumberger, hebben gefunctionaliseerd grafeenoxide geproduceerd om de verstopping van olieproducerende poriën in nieuw geboorde putten te verminderen.

De gepatenteerde techniek kwam een ​​stap dichter bij commercialisering met de publicatie van nieuw onderzoek deze maand in het tijdschrift American Chemical Society Toegepaste materialen en interfaces . Grafeen is een één atoom dik vel koolstof dat zijn ontdekkers vorig jaar een Nobelprijs heeft bezorgd.

De relatie van Rice met M-I SWACO begon meer dan twee jaar geleden toen het bedrijf de follow-up van het laboratorium financierde van onderzoek dat de eerste grafeenadditieven produceerde voor boorvloeistoffen die bekend staan ​​als modder. Deze vloeistoffen worden in het boorgat gepompt als onderdeel van het proces om de boren schoon te houden en boorgruis te verwijderen. Met traditionele klei-versterkte modder, differentiële druk vormt een laag op de boorput die een filterkoek wordt genoemd, die ervoor zorgt dat de olie niet wegstroomt en dat boorvloeistoffen de kleine, olieproducerende poriën.

Wanneer de boor wordt verwijderd en boorvloeistof wordt verplaatst, de formatieolie dwingt overblijfselen van de filterkoek uit de poriën als de put begint te produceren. Maar soms wil de klei niet wijken, en de productiviteit van de put wordt verminderd.

The Tour Group ontdekte dat microscopische, buigzame vlokken grafeen kunnen een dunner, lichtere filtercake. Wanneer ze een porie tegenkomen, de vlokken vouwen zich in elkaar en zien eruit als een zeester die in een gat wordt gezogen. Maar als de druk in de put wordt verlicht, de vlokken worden door de olie teruggeduwd.

Dat was twee jaar geleden allemaal bekend. Vanaf dat moment, Tour en een onderzoeksteam onder leiding van Dmitry Kosynkin, een voormalig postdoctoraal medewerker van Rice en nu een petroleumingenieur bij Saudi Aramco, hebben de materialen verfijnd.

Ze vonden een paar problemen die moesten worden opgelost. Eerst, ongerept grafeen is moeilijk te dispergeren in water, dus het is niet geschikt voor modder op waterbasis. Grafeenoxide (GO) bleek veel beter oplosbaar in zoet water, maar had de neiging om te stollen in zout water, de basis voor veel modder.

De oplossing was om GO-vlokken te "veresteren" met alcohol. "Het is een simpele, reactie in één stap, " zei Toer, Rice's TT en W.F. Chao-leerstoel in de chemie en hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en informatica. "Grafeenoxide gefunctionaliseerd met alcohol werkt veel beter omdat het niet neerslaat in de aanwezigheid van zouten. Er is niets exotisch aan."

In een reeks standaardtests van het American Petroleum Institute, het team vond de beste mix van gefunctionaliseerde GO een combinatie van grote vlokken en GO in poedervorm voor versterking. Een modder met 2 procent gefunctionaliseerd GO vormde een filterkoek van gemiddeld 22 micrometer breed - aanzienlijk kleiner dan de 278 micrometer cake gevormd door traditionele modder. GO blokkeerde poriën die vele malen kleiner waren dan de oorspronkelijke diameter van de vlokken door te vouwen.

Afgezien van het veel dunner maken van de filterkoek, wat een boor meer ruimte zou geven om te draaien, de rijstmodder bevatte minder dan de helft zoveel zwevende stoffen; dit zou het boren ook efficiënter en milieuvriendelijker maken. Tour en Andreas Lüttge, een Rice hoogleraar Aardwetenschappen en scheikunde, meldde vorig jaar dat GO wordt gereduceerd tot grafiet, het materiaal gevonden in potlood en een natuurlijk mineraal, door gewone bacteriën.

"Het meest opwindende aspect is de mogelijkheid om het GO-nanodeeltje aan te passen met een verscheidenheid aan functionaliteiten, " zei James Friedheim, corporate director of fluid research and development bij M-I SWACO en co-auteur van het onderzoek. "Daarom kunnen we onze applicatie 'inbellen' door de juiste organische chemie te kiezen die bij het doel past. De truc is gewoon de juiste chemie voor het juiste doel te kiezen."

"Er moet nog veel worden uitgewerkt, " zei Tour. "We kijken naar de reologische eigenschappen, de veranderingen in viscositeit onder afschuiving. Met andere woorden, we willen weten hoe stroperig dit wordt als het door een boorkop gaat, want dat heeft ook gevolgen voor de efficiëntie."

Modder kan grafeen helpen zijn commerciële belofte waar te maken, zei toer. "Iedereen denkt aan grafeen in elektronica of in composieten, maar dit zou een gebruik zijn voor grote hoeveelheden grafeen, en het zou snel kunnen gebeuren, " hij zei.

Friedheim was het daarmee eens. "Met het team dat we momenteel hebben samengesteld, Jim Tour's groep en enkele ontwikkelingswetenschappers bij M-I SWACO, Ik ben ervan overtuigd dat we dicht bij zowel technisch als commercieel succes zijn."