새로 설계된 알루미나 양자점

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 9505(2022) 이 기사 인용

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이 연구에서는 새로 설계된 알루미나 양자점 기반 나노유체(α-AQDs; D ~ 4 nm; 비정질 고체)와 하나의 상업용 알루미나 나노입자 기반 나노유체(γ-ANPs; D ~ 20 nm; 결정질 유형)를 개발했습니다. 고염도, 2가 이온(Ca2+), 고온 등 저수지 조건에서 강한 콜로이드 분산을 비교했습니다. 이 연구의 주요 목표는 노화된 탄산염 암석의 크기와 입자 형태의 다양성에 따른 알루미나 현탁액의 원유 치환 메커니즘을 연구하는 것이었습니다. 입자 사이의 강한 상호작용 가능성은 구연산과 표면의 효과적인 분산제 화합물인 카르복실레이트-설포네이트 기반 고분자 전해질 중합체의 특수한 구성에 의해 달성되었으며, 이는 음의 입자 전하와 추가적인 입체적 및 정전기적 반발력을 유발합니다. 접촉각과 Amott 셀을 사용하여 유체에 노출 시 습윤성 변화가 포화 탄산염 플러그 샘플과 암석 조각에 대해 수행되었습니다. 한편, 저장소 조건 지하의 일반적인 기공 목을 통해 물/나노유체/오일 흐름 및 나노입자 보유 거동을 테스트하기 위해 동적 코어 변위를 수행했습니다. 안정성 결과는 PE-폴리머가 30일 동안 장기간 콜로이드 유체를 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 나노유체의 질량 농도는 입자 크기가 감소함에 따라 증가하는 것으로 나타났습니다. 수용액 내 입자의 최적량은 ANP의 경우 0.05wt%로 나타났고, AQD의 경우 최대 0.1wt%까지 증가했습니다. 실험 분석에 따르면 나노유체 주입 중 습윤성 변화가 주요 메커니즘인 것으로 나타났습니다. 실험실 노심 범람 데이터는 ANP에 의한 낮은 농도 상태로 인한 향상된 오일 회수가 더 높은 농도의 AQD와 일치한다는 것을 입증했습니다. 또한, 암석 표면의 광물 스케일 퇴적 및 알루미나 방출 가능성에 대한 투과성-손상-거동 연구가 논의되었습니다. 결과는 미네랄 스케일(55~59%)로 인해 투과성이 크게 손상되었음을 보여주었습니다. 알루미나 양자점 기반 나노유체는 최소한의 손상(2~4%)이 발견되었으며 ANP 기반 나노유체의 경우 투과성이 ~10% 정도 크게 감소한 것으로 나타났습니다.

최근 몇 년 동안 세계 석유 수요가 증가했으며 석유 1차 발전에서는 더 이상 이러한 수요를 공급할 수 없습니다. 거의 나머지 2/3의 저유층은 석유 회수 향상(EOR)이 발생하는 경향이 있습니다. 수많은 EOR 방법 중에서 화학적 방법이 높은 효율성과 기술적, 경제적 타당성으로 인해 가장 많이 개선된 것으로 간주되었습니다. 1~100nm 크기의 나노입자를 호스트 유체에 분산시켜 제조하고 저장소에 주입하여 오일 생산을 촉진할 수 있는 나노유체는 최근 수십 년 동안 많은 연구자들의 관심을 끌었으며 주로 화학적 EOR 방법1으로 분류됩니다. 2,3,4,5,6,7. 또한 일부 연구자들은 유전 특성화 및 복구8,9,10,11,12,13,14,15,16를 진행하기 위해 나노입자를 계면활성제, 폴리머, 폼 및 에멀젼과 같은 다른 화학 물질과 혼합하는 데 관심을 가져왔습니다. 오일 회수 효율에 영향을 미치는 수많은 매개변수 중에서 습윤성 변경17,18,19 및 계면 장력(IFT)20,21은 오일 회수에 영향을 미치는 가장 중요한 요소입니다. 나노입자와 같은 신소재가 범람하는 물에 첨가제로 적용되었을 때5,22,23,24,25,26,27,28 이에 의한 오일 회수 강화 메커니즘이 다양한 조사에서 탐구되었습니다. 이러한 메커니즘 중 일부는 다음과 같습니다. (1) 쐐기막을 생성하여 암석 표면에서 기름 방울을 분리시키는 분리된 압력 구배; (2) 주입된 유체 점도 감소 및 증가하는 이동성 비율, (3) 계면 장력 감소 및 (4) 더 많은 물에 젖는 조건으로 습윤성 변경. 그러나 향상된 오일 회수에 입자를 사용하기 위한 주요 과제 중 하나는 입자가 Ca2+ 및 Mg2+와 같은 2가 이온을 포함하는 고온 및 강한 염도와 같은 저장소 조건에서 콜로이드 분산이어야 한다는 것입니다. 저장소 매체에서 안정성이 낮은 나노유체는 다공성 매체33,41에서 심각한 손상을 일으킬 수 있습니다. 나노유체의 안정성은 Ghadimi의 연구에서 냉각탑과 기타 열 전달 매체의 다양한 열역학적 조건에 대해 광범위하게 조사되었습니다42. Ogolo et al.43은 기름에 젖은 모래에 알루미늄 산화물, 아연, 마그네슘, 철, 지르코늄, 니켈 및 실리콘과 같은 몇 가지 종류의 나노입자를 적용했습니다. 그들은 나노유체를 사용하는 것이 기름 회수에 매우 효과적이라는 것을 보여주었습니다. 그들은 회복 향상을 위한 효과적인 메커니즘으로 습윤성 변경, 계면 장력 감소, 오일 점도 및 이동성 비율을 고려했습니다. Ju 등44은 암석 표면의 습윤성 변화에 대한 친수성 폴리실리콘 나노입자를 조사했습니다. 그들은 친수성 폴리실리콘 나노입자를 플러딩함으로써 오일 회수율을 분명히 향상시킬 수 있음을 밝혔습니다. 이 연구에서는 향상된 오일 회수를 위해 0.02~0.03wt% 사이의 나노입자 농도가 바람직하다고 권장했습니다. 또한 Maghzi et al.38의 결과는 실리카 나노입자가 물이 범람하는 동안 스윕 효율을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 그들은 초기에 다양한 중량% 값의 중유와 물로 포화된 5점 유리가 있는 마이크로 모델을 사용했습니다. Giraldo et al.45는 저수지에 존재하는 알루미나 기반 나노유체에서 초기 오일 습윤성을 갖는 사암 중심부의 습윤성을 조정하는 방법을 연구했습니다. Khosravani et al.46은 서로 다른 비표면적을 갖는 γ-Al2O3 나노입자를 사용하고 간단하고 경제적인 기술로 유체 샘플을 생성했습니다. 그들은 다양한 온도에서 하이브리드 나노 에멀젼의 안정성을 조사한 후 안정적인 에멀젼을 개발하고 이를 오일 회수 테스트에 적용했습니다. 또한 Mohammadi et al.47은 γ-Al2O3 나노입자 합성에 대해 동일한 결과를 보고하였다. 그들은 탄산염 저장소의 습윤성 변화에 대한 γ-Al2O3 나노입자의 효과를 조사했습니다. Khezrnejad 등48은 나노입자 유형(산화규소 및 산화알루미늄), 나노입자 농도, 압력, 온도 및 주입 속도와 같은 다양한 요인이 오일 회수 향상에 미치는 영향을 연구했습니다. 그들은 나노입자의 유형보다 다양한 요인이 점도와 오일 회수율에 중요한 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. Cao 등49은 알루미나, 실리카, 지르코늄 나노유체가 표면 접촉각 감소와 습윤성 변화에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 각 나노입자의 종류와 농도에 따른 효과를 측정하였다. 또한 Lu et al.50은 합성 방법과 조건이 나노입자 특성과 안정성에 큰 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 그들은 열수법으로 γ-Al2O3 나노구조를 합성했습니다. 그럼에도 불구하고 지난 수십 년 동안 고분자 나노입자와 같은 새로운 나노유체는 독성이 낮고 생체적합성이 좋아52 석유 저장소에 적합하기 때문에 오염 제어 및 의학 분야에서 널리 사용되었습니다. 또한, 고분자 나노입자의 표면은 특히 카르복실기로 쉽게 변형될 수 있어 고온 및 고염분에서도 안정한 것이 가능하다. 따라서 폴리머로 코팅된 나노입자는 좋은 후보 캐리어였습니다. Bila et al.54는 물에 젖은 저수지에서 범람을 개선하기 위한 첨가제로서 폴리머 코팅된 실리카 나노입자의 적용 가능성을 설명했습니다. 그들은 IFT 감소, 암석 표면 거칠기의 변경 및 더 많은 물에 젖는 습윤성 변경 및 기공 막힘으로 인한 미세한 흐름 전환이 나노입자 적용의 주요 EOR 메커니즘이라고 제안했습니다. 더욱이, 나노입자는 잔여 오일을 동원하고 오일 회수율을 OOIP54의 최대 9.2%까지 증가시켰습니다. Zhou 등55은 정전기적 인력을 통해 음전하를 띤 고분자 나노입자를 베타인형 양쪽성이온 계면활성제로 코팅하여 새로운 나노유체를 개발했습니다. 나노유체는 2가 이온(15% 자극된 염수)을 함유한 고염도 염수와 고온(80˚C)에서 안정성을 향상시켰습니다. 향상된 오일 회수를 위한 나노유체의 능력은 나노유체에 의한 총 오일 회수가 염수보다 9.32% 더 높다는 것을 보여주었습니다55. 또한 Omran et al.56은 세 가지 습윤성 조건(물-습윤, 중간-습윤 및 오일-습윤)에서 미세 규모의 오일 회수를 위한 폴리머 코팅 실리카 NP의 성능을 연구했으며 유속, 기공과 같은 모든 실험실 조건에서 구조, 초기 오일 연결성 및 온도는 모든 주에서 동일한 것으로 간주되었습니다. 더 높은 이동성, 더 작은 잔여 오일 클러스터 및 더 낮은 잔여 오일의 연결성으로 인해 폴리머 코팅 실리카 NP의 클러스터화 효능이 더 잘 얻어졌습니다. Sagala et al.57은 중성 휘석, 절반 수산기 기능화 및 완전히 수산기 기능화 소수성 휘석과 같은 다양한 유형의 나노피록센의 성능을 합성하고 조사했습니다. 이러한 나노유체의 농도는 0.005wt%로 일정하게 유지되었습니다. 다양한 휘석 기반 나노유체의 효율성은 접촉각, 다양한 온도에서의 IFT 측정, 자발적 흡수(SI) 및 코어 범람 테스트를 통해 조사되었습니다. 코어 범람 테스트57를 통해 염수 범람 후 석유 회수율이 추가로 10.57% 증가했습니다. Ali 등58은 합성된 TiO2/SiO2/PAMNC를 다양한 유형과 농도의 용존 이온을 갖는 스마트 워터에 분산시켜 스마트 고분자 나노유체를 제조했습니다. 제조된 스마트 고분자 나노유체는 탄산염 암석 측정의 ITF 감소 및 습윤성 변경에 적용되었습니다. 오일 회수율의 가장 높은 증가는 원래 현장 오일(OOIP)의 36.0%에서 46.5%로 나타났습니다58. 본 연구에서는 금속산화물 기반 나노유체로서 산화알루미늄(Al2O3)에 대한 선택이 제한되었으며, 이는 특히 지하 석유 매장량 증가를 위한 개선제로서 다양한 응용 분야에서 관심을 끌고 있습니다45,46,47,59,60,61 . 그래서 본 연구에서는 매우 작은 크기와 양자 특성을 갖는 나노구조물을 생산하는 것을 목표로 알루미나 양자점(AQD)을 합성했습니다. 그런 다음 알루미나 양자점 기반 나노유체(AQDs; D ~ 4 nm)의 EOR 성능을 조사하고 온도, 염도 및 2가 이온의 동시 효과와 같은 저장소 조건에서 상업용 나노입자(ANPs; D ~ 20 nm)와 비교했습니다. Ca2) 탄산염 암석이 있는 경우. 일반적으로 이 연구의 주요 목적은 콜로이드 안정성에 대한 양자점 및 나노입자 고체의 알루미나 입자 크기 및 형태 유형의 반응을 입증하고 접촉을 통한 습윤성 변화를 포함하여 근본적인 EOR 잠재력에 대한 통찰력을 얻는 것이었습니다. 각도 측정, Amott 셀 테스트 및 동적 코어 변위. 또한 입자의 형성 손상 거동을 고려하기 위해 탄산염 암석과 같은 완벽한 방법론을 따랐습니다. 우리는 Nemade'work62에 따라 AQD를 합성하고 Scharlau 회사로부터 상용 ANP를 공급했습니다. 그런 다음 구연산 및 고분자 전해질 폴리머(PE) 코팅을 통해 알루미나 표면에 음전하를 띤 카르복실화(COO-) 그룹을 강화하여 안정성을 유지했습니다. 실험 결과는 cit-AQDs 분말 0.05wt% + SWP에서 PE 0.05wt%, SWP에서 cit-AQDs 분말 0.1wt% + SWP에서 PE 0.1wt% 및 cit-ANPs 분말 0.05wt% + 0.1wt%로 나타났습니다. SWP의 PE는 습윤성을 더 많은 수분으로 변화시킬 수 있는 매우 장기적인 안정성을 지닌 강력한 유체를 생성할 수 있으며 염수보다 약 24-38%의 추가 오일 회수율을 증가시킵니다. 또한, 실험실 실험에서는 낮은 농도에서도 PE-cit-ANPsswp 나노유체 주입으로 인한 형성 손상이 심각한 것으로 나타났습니다. PE-cit-AQDsswp를 염수에 첨가하면 지층 손상이 크게 감소했습니다.

100 nm for the particle suspensions (1000-cit-AQDs and 500-cit-ANPs) in synthetic brine SB4 (20 wt% salinity + 4.5 wt% Ca2+). Since the synthetic brines contains amounts of divalent ions, such as Ca2+, the critical salt concentration was lowered, which leaded to increase aggregation and sedimentation of particles at an earlier stage (Table 2). According to Cesarano’work85, polyelectrolyte polymers with rich available carboxylic acid sites per molecule, depending on pH value and ionic strength of solvent can be dissociated (i.e. COO−) or nondissociated (i.e. COOH). As the fraction dissociated increases from around 0 to 1, the polymer charge varies from neutral to highly negatively. Cesarano85 proved that increasing in the pH and salt concentration resulted in increasing of the dissociation and negative charge of the polymer. Since, the acid dissociation (pKa) of the acrylic acid groups is 4.686 at pH 7, acrylamido-sulfonic acid/acrylic acid/amido polymer with carboxylic acid sites per molecule is adsorbed on alumina at pH 7. The COO- groups on polymer are capable to form strong change transfer complexes with Al cations on the alumina surface that are not covered with citrates and enhance citrate ligands87. The assembly mechanism of the adsorption of a carboxylic acid at the alumina-water interface can be also described as a ligand exchange, where the hydroxyl group is exchanged for a carboxylate group88. According to the ligand exchange model, when a change of the surface charge can be happened if an additional carboxylate groups are present in the molecule that are not coordinated to the surface or an –OH2+ group which is the better leaving group is exchanged instead of a OH− group88. Therefore, the additional COO− groups on alumina surface via polymer coating both leading to a more negative particle charge, causing the carboxylic acid groups remaining in the fluid, resulting in an increase of the ionic strength and form bridge with Ca2+ in fluid to stable particles in harsh media. However, we could achieve a good resistant suspension includes two-step coating of particles. The one step, we functionalized them with citrate as a small ligand and continued by adsorption of polymer. Therefore, the formulated fluids of PE-citrate-coated-alumina in SWP (500-PE-cit-ANPsswp; 0.05 wt% of cit-ANPs powder + 0.1 wt% of PE in SWP, 500-PE-cit-AQDsswp; 0.05 wt% of cit-AQDs powder + 0.05 wt% of PE in SWP and 1000-PE-cit-AQDsswp; 0.1 wt% of cit-AQDs powder + 0.1 wt% of PE in SWP) was selected for EOR tests. These fluids had a good dispersion behavior in static states (explained in previous section) without any significant forming flocculation in brine at high temperature. In all tests, suspensions of alumina were termed as 500-PE-cit-ANPsswp (0.05 wt% of cit-ANPs powder + 0.1 wt% of PE in SWP), 500-PE-cit-AQDsswp (0.05 wt% of cit-AQDs powder + 0.05 wt% of PE in SWP) and 1000-PE-cit-AQDsswp (0.1 wt% of cit-AQDs powder + 0.1 wt% of PE in SWP)./p>

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