Nanoparticles’ effect on the stability of gel systems for water shut-off/conformance control applications

Abstract

Durante los procesos de recuperación mejorada de petróleo (EOR, por sus siglas en inglés), se crean canales de flujo debido a las heterogeneidades del yacimiento y la distribución de fluidos. Los geles obturantes que consisten en un polímero reticulado se usan a menudo para bloquear los canales preferenciales debido a las diferentes combinaciones posibles según las condiciones del yacimiento. Sin embargo, los entornos hostiles deterioran las redes de gel y reabren los canales en poco tiempo, lo que conduce a una baja eficiencia de barrido. En este sentido, las nanopartículas se proponen como una alternativa para inhibir la degradación del gel y mejorar sus propiedades. Por lo tanto, el objetivo principal de este trabajo es evaluar la inclusión de nanopartículas en tres sistemas de gel diferentes: i) Poliacrilamida parcialmente hidrolizada (HPAM) / resorcinol / formaldehído, ii) Copolímero de acrilamida acrilato de sodio / Acetato de cromo (III) y, iii) hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC). Para este efecto, se evaluaron las concentraciones de polímero, reticulante y diferentes aditivos para encontrar la mejor combinación de reactivos posible. Se probaron dosis de nanopartículas que varían de 20 a 2000 mg/L de SiO2, Al2O3, MgO, Cr2O3 y nanoesferas de carbono (CNS). Se evaluó el fenómeno de sinéresis durante varios días y se realizaron mediciones reológicas para evaluar la influencia de las nanopartículas en la resistencia del gel. Los resultados concluyeron que es posible modificar la microestructura de los geles utilizando la nanopartícula adecuada considerando los grupos funcionales presentes en el polímero y en la superficie de la partícula. Esta investigación debería proporcionar un enfoque para la comprensión de las interacciones nanopartículas-polímero en presencia de un catalizador o un agente reticulante que busca la mejora y la estabilidad del gel.

During enhanced oil recovery (EOR) processes, flow channels create due to reservoir heterogeneities and fluids distributions. Plugging gels consisting of a crosslinked polymer are often used to block preferential channels due to the different possible combinations according to the reservoir conditions. However, harsh environments deteriorate the gel networks reopening the channels in short time and leading to a low swept efficiency. In this sense, nanoparticles are proposed as an alternative to inhibit gel degradation and improve its properties. Hence, the primary objective of this work is to evaluate the inclusion of nanoparticles in three different gel systems: i) Partially hydrolyzed polyacrylamide (HPAM)/resorcinol/formaldehyde, ii) Acrylamide/Sodium Acrylate Copolymer /Chromium (III) Acetate in-situ polymer-based gels and, iii) Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) thermoreversible gel. To this effect, polymer, crosslinker, and different additives concentrations were evaluated to find the best possible reagents combination. Nanoparticles dosages ranging from 20 to 2000 mg/L of SiO2, Al2O3, MgO, Cr2O3, and Carbon Nanospheres (CNS) were tested. Gels were prepared and subsequently heated to follow the syneresis phenomena for several days. Afterwards, rheological measurements were made to evaluate nanoparticles influence in gel strength. Results concluded that it is possible to modify gels microstructure by using the adequate nanoparticle considering the functional groups present in the polymer and onto the particle surface. This research should provide an approach to the understanding of the nanoparticles-polymer interactions in the presence of a catalyst or a crosslinker agent looking forward the gel upgrading and stability.