Evaluación de las interacciones Biopolímero Escleroglucano (grado EOR), entrecruzador y nanopartícula basado en el comportamiento de las propiedades reológicas y desempeño en recobro mejorado
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Autores
Castro García, Rubén Hernán
Director
Cortés Correa, Farid Bernardo
Corredor Rojas, Laura Milena
Tipo de contenido
Trabajo de grado - Doctorado
Idioma del documento
EspañolFecha de publicación
2024
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Resumen
Los biopolímeros como goma xantana (XG), goma diutan (DG), hidroxietilcelulosa (HEC), carboximetilcelulosa (CMC), esquizofilan (SPG) y escleroglucano (SG), surgen como candidatos prometedores para aplicaciones de recobro mejorado (EOR) debido a sus estructuras moleculares. Estos biopolímeros exhiben buenas propiedades reológicas y alta resistencia a la hidrólisis, el pH, los electrolitos, esfuerzos mecánicos y a la temperatura, pero son susceptibles a la oxidación y la degradación biológica. En este estudio se realizaron pruebas experimentales fluido- fluido para evaluar el efecto de la fuerza iónica, el pH, la temperatura y el esfuerzo de corte sobre la viscosidad de soluciones de SG (grado EOR). Se observó que el SG conservó sus propiedades reológicas y estabilidad en las condiciones evaluadas debido a su estructura semirrígida de triple hélice y naturaleza no iónica. Además, las soluciones de SG exhibieron una excelente filtrabilidad. En las pruebas experimentales roca-fluido realizadas a condiciones de yacimiento, el SG aumentó la eficiencia de desplazamiento de petróleo entre un 18 y un 35 % en comparación con la inyección de agua. Finalmente, el estudio experimental de biodegradación demostró que el SG es susceptible a la degradación microbiana, en ausencia o presencia del biocida, debido a que las bacterias utilizan el biopolímero como fuente de carbono. Se evaluó el efecto de nanopartículas (Nps) de diferentes tamaños y naturalezas al agregarlas a soluciones de SG, evaluando inicialmente el cambio de viscosidad y posteriormente su impacto en la degradación microbiana del biopolímero. Se utilizó el método de dos pasos para preparar los nanofluidos (las Nps primero se sintetizan y luego se dispersan en el fluido). El método de dos pasos se utiliza en las industrias para producir nanofluidos a gran escala debido a su bajo costo de producción. Sin embargo, es un desafío evitar la aglomeración de las Nps. Por esta razón, se evaluó el efecto de cuatro métodos de preparación y de nueve nanopartículas (SiO2, Al2O3 y TiO2) sobre la viscosidad y estabilidad del SG. La evaluación de estabilidad exhibió que los nanofluidos SG+Al2O3 y SG+TiO2 son altamente inestables, pero los nanofluidos SG+SiO2 son estables independiente del método de preparación. Todos los nanofluidos mostraron una filtrabilidad deficiente. Teniendo en cuenta el desempeño de los nanofluidos, se planteó la síntesis de carboximetil-escleroglucano con Nps de SiO2. Para esto, se adaptó una reacción de O-Alquilación para insertar un grupo hidrofílico (ácido monocloroacético - MCAA) en las subunidades de anhidroglucosa (AGU) del SG. De esta reacción se obtuvieron dos derivados de SG (denominados CMS) con diferentes grados de sustitución (0,22 para CMS-A y 0,44 para CMS-B), los cuales se obtuvieron al cambiar la cantidad de bicarbonato de sodio utilizado en la carboximetilación. Posteriormente, la formación del enlace amida entre la Nps de sílice aminofuncionalizadas y ambos carboximetil-escleroglucanos se realizó por medio una reacción de amidación usando una carbodiimida (DCC). Los materiales sintetizados fueron caracterizados mediante diferentes técnicas analíticas. Se evaluó la resistencia de los CMS y de los nanohíbridos (NH) a la degradación térmica, química, mecánica y microbiana para determinar la aplicabilidad de estos nuevos productos como aditivos EOR. Los resultados mostraron que los materiales tienen un comportamiento similar al SG. Sin embargo, en las pruebas de biodegradación del CMS sin biocida se observó una reducción de la viscosidad del biopolímero entre un 30 y un 38% (similar a los resultados de SG con biocida), frente a la del 92% del SG sin biocida. En las pruebas de biodegradación de NH se observó que la población de bacterias disminuyó, evidenciándose un control antimicrobiano y efecto de la viscosidad del biopolímero, incluso en ausencia de biocida. El principal objetivo de este estudio se basó en evaluar si las modificaciones físicas y químicas del sistema SG y nanopartículas mejoran la estabilidad del biopolímero en ambientes degradados (térmico, químico, mecánico y microbiano), lo que le permitirá conservar su poder viscosificante e incrementar la eficiencia de desplazamiento de petróleo a condiciones del yacimiento. Este estudio proporciona evidencia clara de nuevos nanohíbridos base celulosa y ofrece una comprensión de su resistencia a los efectos degradativos para procesos EOR. Finalmente, abre el panorama sobre el efecto antimicrobiano de la nanotecnología en la inyección de biopolímeros y EOR. (Tomado de la fuente)
Abstract
Biopolymers such as xanthan gum (XG), diutan gum (DG), hydroxyethylcellulose (HEC), carboxymethylcellulose (CMC), schizophyllan (SPG), and scleroglucan (SG) have emerged as promising candidates for enhanced oil recovery (EOR) applications due to their molecular structures. These biopolymers exhibit remarkable rheological properties and resistance to hydrolysis, pH, electrolytes, mechanical shearing, and temperature but are susceptible to oxidation and biological degradation. Fluid-fluid experimental tests were performed to evaluate the effect of the ionic strength, pH, temperature, and shear stress on the viscosity of the EOR-grade SG solutions. It was observed that the SG retained its rheological properties and stability under the evaluated conditions due to its semi-rigid triple helix structure and non-ionic nature. Additionally, the SG solutions exhibited excellent filterability. In the rock-fluid experiments performed at reservoir conditions, the SG increased the oil displacement efficiency between 18–35% compared to waterflooding. Finally, the experimental biodegradation study showed that SG is susceptible to microbial degradation, in the absence or presence of the biocide, because bacteria use the biopolymer as a carbon source. The effect of nanoparticles (Nps) of different sizes and natures was evaluated by adding them to the SG solutions, initially evaluating the change in the viscosity and subsequently its impact on the microbial degradation of the biopolymer. A two-step method was used to prepare the nanofluids (the Nps are first synthesized and then dispersed into the fluid). The two-step method is used in industries to produce nanofluids at a large scale due to its low production cost. However, it is challenging to avoid the agglomeration of NPs. For this reason, the effect of the four preparation methods and the nine nanoparticles (SiO2, Al2O3, and TiO2) on the viscosity and stability of the Scleroglucan (SG) was evaluated. The stability tests showed that the SG+Al2O3 and SG+TiO2 nanofluids are highly unstable but the SG+SiO2 nanofluids are stable (regardless of the preparation method). All nanofluids exhibited poor filterability. According to the performance of the nanofluids, the synthesis of carboxymethyl-scleroglucan-SiO2 NPs nanohybrids (NH) was proposed. An O-Alquilation reaction was adapted to insert a hydrophilic group (monochloroacetic acid - MCAA) into the SG's anhydroglucose subunits (AGUs). From this reaction, two carboxymethyl derivatives of SG (CMS) with different degrees of substitution (0,22 for CMS-A and 0,44 for CMS-B) were obtained by changing the amount of sodium bicarbonate used. Subsequently, the amide bond formation between the amino-functionalized nano-silica and both carboxymethyl-scleroglucans was mediated by a carbodiimide using an amidation reaction. The synthesized materials were characterized using different analytical techniques. The resistance of the CMS and Nanohybrids (NH) to thermal, chemical, mechanical, and microbial degradation was evaluated to determine the applicability of these new products as EOR additives. The results showed that the materials have a similar behavior to the SG. However, in biodegradation tests of the CMS without biocide, a reduction in the viscosity of the biopolymer between 30 and 38% (similar to SG with biocide results) was observed, compared to that of 92% of the SG without biocide. In the NH biodegradation tests, it was observed that the bacteria population decreased, evidencing an antimicrobial control and viscosity increase of the biopolymer, even in the absence of biocide. The main objective of this study was to evaluate if the physical and chemical modifications of the SG and nanoparticles system improve the biopolymer stability in degradative environments (thermal, chemical, mechanical, and microbial), which will allow it to retain its viscosifying power, and increase the oil displacement efficiency at reservoir conditions. This study provides clear evidence of novel cellulose-based nanohybrids and offers an understanding of their resistance to the degradative effects on EOR performance. Finally, it opens the landscape on the antimicrobial effects of nanotechnology in biopolymer flooding and EOR.
Palabras clave
Recobro mejorado ; Biopolímero ; Escleroglucano ; Nanofluidos ; Nanohíbridos ; Degradación química ; Degradación microbiana ; Degradación térmica ; Degradación mecánica ; Enhanced Oil Recovery (EOR) ; Biopolymer ; Scleroglucan ; Nanofluids ; Nanohybrids ; Thermal degradation ; Chemical degradation ; Mechanical degradation ; Microbial degradation
Descripción Física/Lógica/Digital
ilustraciones, gráficos