Síntesis y análisis del comportamiento de fluidos nanohíbridos para la recuperación mejorada de petróleo.

Abstract

La inyección de soluciones de poliacrilamida es un procedimiento estándar ampliamente utilizado en la Recuperación Mejorada de Petróleo (EOR). No obstante, la degradación mecánica, química y térmica afecta a esta molécula, ha abierto nuevas oportunidades para la síntesis o modificación de estas soluciones. La incorporación de nanopartículas permite modificar el comportamiento del polímero de referencia como fluido desplazante en pruebas de barrido en medios porosos, aumentando así la Recuperación de Petróleo.

Bajo esta premisa, se analizó el efecto en el comportamiento reológico de añadir partículas a una solución polimérica de Flopaam 3630S (1500 ppm) preparada en una salmuera sintética (6,5 g/L, 11,7 mS/cm) que simula las condiciones de salinidad y conductividad del yacimiento de petróleo convencional de Cerro Dragón, resultando en la síntesis de un fluido nanohíbrido: una solución polimérica con nanopartículas acondicionadas.

Se estudió el uso de arcillas, microsílice, nanoalúmina y nanosílice, determinándose que la nanosílice presentó buenos resultados para aplicaciones EOR. Mediante un ensayo de Dispersión de Luz Dinámica (DLS) en una unidad ZetaSizer Nano-ZS de Malvern, se determinó la distribución de tamaños de la nanosílice a una concentración de 3 g/L en salmuera acondicionada con el surfactante no iónico comercial Bio-Soft N25-12 al 1 % (etoxilato de alcohol lineal. Se obtuvo una distribución de tamaños monomodal de 9,081±1,162 nm.

El comportamiento reológico se investigó en modos rotacionales y oscilatorios con un reómetro de temperatura variable Anton Paar MCR 302 para analizar la respuesta a pruebas de flujo y el comportamiento viscoelástico del fluido. Los resultados encontrados para los diferentes escenarios ensayados, han evidenciado que el comportamiento reológico del polímero de referencia depende fuertemente de la velocidad de deformación aplicada, presentando un comportamiento newtoniano a deformaciones bajas (menos de 0,1 s-1), pseudoplástico para el rango intermedio (0,1 s-1 a 100 s-1) y dilatante para velocidades de deformación mayores de 140 s-1.

Además, se demostró que la incorporación de nanosílice en el fluido formulado modifica los valores de viscosidad, desplazando las deformaciones críticas pero manteniendo el comportamiento newtoniano, pseudoplástico y dilatante. Los ensayos oscilatorios muestran que el polímero de referencia presenta comportamiento viscoelástico en los niveles térmicos probados (25ºC, 40ºC y 70ºC).El nanohíbrido formulado acompaña dicho comportamiento y mejora las propiedades en todo el rango térmico. A 25ºC, aumenta el módulo elástico G’(ω) con respecto al polímero. Cuando la temperatura se incrementa a 70ºC, el fluido modificado aumenta tanto el módulo elástico G’(ω) como el módulo viscoso G”(ω), lo cual evidencia la conformación de una estructura diferente con respecto al polímero de referencia.

Finalmente, se analizó el Potencial Z con la unidad ZetaSizer Nano-ZS de Malvern, calculada con la ecuación de Henry con mediciones por electroforesis, aplicando un campo eléctrico a la suspensión de nanosílice y midiendo la velocidad de las nanopartículas frente al campo eléctrico. De este modo, se determinó que a pH mayoresa 9, las partículas tienden estabilizarse.

En base a los resultados, es evidente que se deben realizar nuevas pruebas, permitiendo que los diferentes fluidos sean envejecidos a altas temperaturas para analizar su rendimiento en sus cambios reológicos y viscoelásticos. Una vez realizadas dichas pruebas, estudiar y medir la recuperación de petróleo obtenida con el fluido formulado.

The injection of polyacrylamide solutions is a widely used standard procedure in Enhanced Oil Recovery (EOR). However, mechanical, chemical, and thermal degradation affects this molecule, opening new opportunities for the synthesis or modification of these solutions. The incorporation of nanoparticles allows modifying the behavior of the reference polymer as a displacing fluid in sweep tests in porous media, thus increasing Oil Recovery. Under this premise, the effect on the rheological behavior of adding particles to a Flopaam 3630S polymer solution (1500 ppm) prepared in a synthetic brine (6.5 g/L, 11.7 mS/cm), simulating the salinity and conductivity conditions of the Cerro Dragón conventional oilfield, was analyzed, resulting in the synthesis of a nanohybrid fluid: a polymeric solution with conditioned nanoparticles. The use of clays, microsilica, nanoalumina, and nanosilica was studied, with nanosilica showing good results for EOR applications. Through a Dynamic Light Scattering (DLS) test in a Malvern ZetaSizer Nano-ZS unit, the size distribution of nanosilica at a concentration of 3 g/L in an aqueous solution conditioned with 1% linear alcohol ethoxylate, i.e., with a surfactant Bio-Soft N25-12, maintaining the brine composition, was determined. A monomodal size distribution of 9.081±1.162 nm was obtained. Rheological behavior was investigated in rotational and oscillatory modes with a variable temperature Anton Paar MCR 302 rheometer to analyze the response to flow tests and the viscoelastic behavior of the fluid. The results found for the different tested scenarios showed that the rheological behavior of the reference polymer strongly depends on the applied shear rate, presenting Newtonian behavior at low deformations (less than 0.1 s-1), pseudoplastic for the intermediate range (0.1 s-1 to 100 s-1), and dilatant at shear rates higher than 140 s-1. Additionally, it was demonstrated that the incorporation of nanosilica into the formulated fluid modifies viscosity values, shifting critical deformations but maintaining Newtonian, pseudoplastic, and dilatant behavior. Oscillatory tests show that the reference polymer exhibits viscoelastic behavior at the tested thermal levels (25ºC, 40ºC, and 70ºC). The formulated nanohybrid fluid accompanies this behavior and improves its properties across the entire thermal range. At 25ºC, it increases the elastic modulus G’(ω) compared to the polymer. When the temperature rises to 70ºC, the modified fluid increases both the elastic modulus G’(ω) and the viscous modulus G”(ω), evidencing the formation of a different structure compared to the reference polymer. Finally, the Zeta Potential was analyzed with the Malvern ZetaSizer Nano-ZS unit, calculated with the Henry equation with electrophoresis measurements, applying an electric field to the nanosilica suspension and measuring the velocity of the nanoparticles in response to the electric field. It was determined that at pH levels above 9, the particles tend to stabilize. Based on the results, it is evident that new tests should be conducted, allowing the different fluids to age at high temperatures to analyze their performance in rheological and viscoelastic changes. Once these tests are completed, the oil recovery achieved with the formulated fluid should be studied and measured.