Функционализированный оксид графена – секрет «рецепта» буровых растворов нового поколения

Графен может стать важным элементом эффективной и экологически приемлемой нефтедобычи. Ученые частного исследовательского университета Райса (Техас, США) решили воспользоваться  удивительной прочностью, малым весом и растворимостью графена для усовершенствования буровых жидкостей, используемых в процессе нефтедобычи.

Специалисты из университетской лаборатории химика Джеймса Тура совместно с сотрудниками техасской компании «M-ISWACO» – филиала нефтесервисного коцерна «Schlumberger», занимающегося поставками бурового раствора – разработали функционализированный оксид графена для уменьшения закупоривания свежепробуренных  нефтяных скважин. В прошлом году графен, слой углерода толщиной в один атом, принес авторам его открытия Нобелевскую премию. 

Новые патентообладатели сделали еще один шаг на пути к промышленному внедрению данной технологии, опубликовав результаты исследования в журнале Американского общества химиков «AppliedMaterialsandInterfaces».

Сотрудничество специалистов лаборатории и «M-ISWACO» началось еще два года назад, когда компания проспонсировала исследования по разработке первых графеновых добавок для буровых растворов. Раствор закачивается в скважину, чтобы охладить и смазать долото и очистить забой от выбуренной породы. В случае использования раствора на глиняной основе перепад давления приводит к образованию так называемой «фильтрационной корки» – покрытия на стенке ствола скважины, которое предотвращает вытекание нефти и закупоривание маленьких нефтеносных отверстий.

Когда долото извлекается и буровая жидкость выкачивается, нефть выталкивает остатки фильтрационной корки из нефтеносных отверстий. Однако если глина из раствора не удалена полностью, производительность нефтяной скважины существенно падает.

Группа исследователей под руководством Джеймса Тура обнаружила, что буровые жидкости, содержащие микроскопические пластичные хлопья графена, образуют более тонкую и легкую фильтрационную корку. Достигая отверстия, они сворачиваются и становятся похожими на морскую звезду, которую затянуло в воронку. Когда давление ослабляется, графеновые хлопья выталкиваются под напором нефти.

Об этом ученым было известно еще 2 года назад. С тех пор Джеймс Тур и группа исследователей под руководством Дмитрия Косынкина – бывшего научного сотрудника университета Райса и нынешнего инженера-нефтяника в компании «SaudiAramco» – искали наиболее подходящую комбинацию компонентов.

В ходе исследования ученые столкнулись с некоторыми проблемами. Во-первых, чистый графен плохо растворим в воде, поэтому его нельзя использовать в растворах на водяной основе. Как оказалось, оксид графена обладал гораздо лучшей растворимостью, но сворачивался в соленой воде, часто используемой в буровых растворах. Поэтому ученые решили «эстерифицировать» хлопья оксида графена с помощью этилового спирта.

«Это простая, одностадийная реакция, – отмечает Джеймс Тур, профессор машиностроения, материаловедения и компьютерных наук. – Оксид графена, функционализированный с помощью спирта, гораздо более эффективен, поскольку он не дает осадка в соленой среде».

Проведя ряд стандартных испытаний, исследователи нашли самый подходящий состав – смесь крупных хлопьев и порошкообразного оксида графена для укрепления. Буровой раствор с 2-процентным содержанием оксида графена образовал глинистую корку толщиной 22 микрометра – то есть почти в 13 раз меньше, чем 278-микрометровый слой, образуемый традиционными растворами.

Небольшая толщина фильтрационной корки освобождает дополнительное пространство для вращения бура. К тому же полученный раствор содержит гораздо меньше твердой взвеси, что позволяет повысить продуктивность бурения и сделать процесс более экологичным. В прошлом году Джеймс Тур совместно с Андреасом Лютге, профессором химии и геонаук из университета Райса, опубликовал отчет, в котором говорится, что оксид графена можно превратить в графит – природный минерал, который используется в карандашных грифелях – с помощью наиболее распространенных бактерий.

«Самое увлекательное то, что мы можем программировать функциональные возможности наночастиц оксида графена, – отмечает Джеймс Фридхайм, глава Отдела изучения свойств жидкостей в компании «M-ISWACO» и один из участников исследования. – Мы можем выбрать органическое соединение, которое максимально соответствует поставленной цели. Главная задача – найти подходящее соединение в каждом конкретном случае».

«Нам предстоит большая работа, – добавляет профессор Тур. – Мы исследуем реологические свойства, изменения вязкости при срезе. Другими словами, мы пытаемся понять, насколько вязким становится раствор при контакте с наконечником бура. Этот фактор также оказывает влияние на общую производительность».

В качестве компонента бурового раствора графен может получить еще большее промышленное распространение. «Это вещество обычно ассоциируется с электроникой или композитными материалами, но его также можно эффективно использовать при нефтедобыче. Этоможетпроизойтиужедовольноскоро», – подчеркиваетученый.

Джеймс Фридхайм разделяет мнение профессора: «Я думаю, что команда ученых под руководством Джима Тура и специалистов из «M-ISWACO» уже близка к техническому и коммерческому прорыву».

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром