Miljoenen vaten olie worden dagelijks geproduceerd uit schaliereservoirs, maar een aanzienlijke hoeveelheid blijft onaangeroerd, gevangen in moleculaire poriën op nanoschaal. De huidige reservoirmodellen kunnen het gedrag of het herstel van olie op deze schaal niet voorspellen, dus bedrijven kunnen de productiehoeveelheden voor financiële investeerders niet nauwkeurig inschatten.

Onderzoekers van de Texas A&M University bouwden en testten (mogelijk) het kleinste lab-on-a-chip (LOC) onderzoeksplatform op nanoporeschaal met glazen bovenkant om complexe vloeistofgedragingen op nanoschaal te onderzoeken, zodat ze ze konden berekenen.

Dr. Hadi Nasrabadi, Dr. Debjyoti Banerjee en hun afgestudeerde studenten, Qi Yang en Ran Bi, hebben samen de ultrakleine LOC ontworpen en laten vervaardigen in A&M-faciliteiten in Texas, zoals de AggieFab Nanofabrication Facility en het Microscopy and Imaging Center. Het apparaat stelt hen in staat om de vloeistof naar damp en terug naar vloeistoffaseveranderingen visueel te bestuderen en vast te leggen, olie en andere elementen gaan door op een schaal die vergelijkbaar is met de omstandigheden in een schaliereservoir.

"Dit was de eerste keer dat ik een project deed waarbij de bedrijfsvertegenwoordigers meer geïnteresseerd waren in de vergelijkingen die we ontdekten dan in de experimentele gegevens die we produceerden", zegt Banerjee, de James J. Cain '51 Faculty Fellow I in de J. Mike Walker '66 Faculteit Werktuigbouwkunde. "Het is een bizar voorbeeld van hoe thermodynamische vergelijkingen de aandelenkoers van een bedrijf kunnen beïnvloeden. De vergelijking gaat over het schatten van hoeveel oliereserves een bedrijf bezit of kan produceren, en dit beïnvloedt hun waarde op Wall Street, of als ze een financiële lening tegen een bepaalde rente."

Waarom faseverandering belangrijk is

Op zichzelf staande LOC's met een klein vloeistofvolume zijn tegenwoordig gebruikelijk, zoals thuis COVID-19-antilichaamtestkits of bloedsuikermeters. Het toepassen van LOC's op aardolieonderzoek is echter zeldzaam en duurde verschillende fasen voor dit project.

Nasrabadi en Banerjee begonnen met testkanalen met een diameter van 50 nanometer (nm) in hun LOC's voordat ze naar kanalen met een diameter van 2 nm gingen, die iets kleiner zijn dan de breedte van een DNA-streng. Op deze schaal, passend bij strakke schalielagen, reageert olie op temperatuur-, druk- en opsluitingsfluctuaties door te trillen met eigenzinnige thermodynamische bewegingen van vloeistof naar gas en weer terug faseveranderingen. Omdat het produceren van olie uit onconventionele schaliereservoirs nog steeds een leerproces is, zijn deze veranderingen grotendeels onontgonnen, maar ze hebben wel een impact op het olieherstel en tasten het vertrouwen van financiële investeerders aan.

"De industrie levert momenteel niet de olie die ze schatten, en dit is naar mijn mening onbedoeld", zegt Nasrabadi, de Aghorn Energy Career Development Professor in de Harold Vance Department of Petroleum Engineering. "Ons onderzoek toont aan dat het gedrag van nanoporiën de productie beïnvloedt, wat het verschil in herstel verklaart."

Problemen met gevoeligheid

Het onderzoek had ook leveringsproblemen omdat drie uitdagingen hand in hand gingen met het doen van experimenten op zo'n kleine schaal. Ten eerste moesten de onderzoekers atomaire krachtmicroscopie leren en implementeren om het LOC-kanaal te karakteriseren, aangezien 2 nm kleiner is dan de golflengte van zichtbaar licht, en het kanaal moest worden geïnspecteerd en nauwkeurig gemeten. Ten tweede leerden ze al snel dat bepaalde omstandigheden, zoals de vochtigheid in de lucht of een auto die langs het gebouw rijdt, genoeg verstoring of trillingen kunnen veroorzaken om de resultaten van de experimenten te verwerpen. Ten derde bleek het moeilijk om beelden te krijgen van de eigenzinnige faseveranderingsreacties omdat de camera een bepaald aantal fotonen of fundamentele lichtdeeltjes nodig had. Er waren constant kleine aanpassingen nodig om de opnames van het experiment te verbeteren.

Het duurde ongeveer twee jaar voordat het onderzoek directe, digitaal vastgelegde beelden opleverde die hielpen bij observatiestudies van vloeistof naar damp naar vloeistofovergangen op een schaal die nog nooit eerder was onderzocht. Nasrabadi, Banerjee, Yang en Bi schreven een paper over het werk, dat werd gepubliceerd door Langmuir in augustus 2022.

De experimenten werden uitgevoerd bij drukken tot 100 pond per vierkante inch (psi), maar de onderzoekers hopen de niveaus te verhogen om overeen te komen met de werkelijke reservoiromstandigheden, die kunnen variëren van 1.000 tot 5.000 psi. Ze hopen ook de temperaturen te verhogen tot meer dan 300 graden Fahrenheit. Deze hogere parameters waren mogelijk met LOC's die 10-nm-schaalkanalen bevatten, maar de 2-nm-chip zal eerst een paar ontwerpaanpassingen nodig hebben.

"We willen ook het LOC-ontwerp variëren om de omstandigheden van schalievorming na te bootsen, zoals het gebruik van geëtste kanalen die de onregelmatigheden in de rots nabootsen", zei Nasrabadi.

Toepassingen buiten aardolie

Banerjee werkte ooit in Silicon Valley, waar hij 17 patenten kreeg en LOC-platforms op de markt bracht voor een verscheidenheid aan startende biotechnologie- en nanotechnologiebedrijven. Hij merkte toen onregelmatige vloeistofstromen op op nanoschaal, maar had geen manier om vast te stellen waarom ze plaatsvonden.

Jaren later leidden gesprekken die Banerjee had met Nasrabadi over de interessante vloeistofopsluitingsproblemen in schaliereservoirs tot een lange samenwerking die leidde tot hun project voor het Crisman Institute. Het succes van het project heeft geleid tot andere gesprekken en ideeën.

Banerjee gelooft dat het onderzoek de cirkel rond is omdat de wijzigingen die ze hebben aangebracht om de LOC-schaal te verkleinen tot onder de grootte van een enkele DNA-streng, nu beter genoom- of genetisch materiaalonderzoek mogelijk maken. Maar daar houdt het potentieel niet op.

"Op de 2-nm-schaal, zelfs onder normale druk- en temperatuuromstandigheden, kan een nano-ingesloten vloeistof eigenschappen vertonen die vergelijkbaar zijn met superkritisch gedrag", zei Banerjee. "En dat heeft belangrijke implicaties voor ons begrip van superkritische vloeistoffen. Dergelijke inzichten kunnen diepe implicaties hebben voor energieproductie, ruimteverkenning en biotechnologische toepassingen. Het is echt opmerkelijk." + Verder verkennen

Nieuw onderzoek belicht de eigenschappen van eiwit-RNA-druppeltjes