Nanofluidos à base de poliacrilamida e óxido de grafeno aminado: aplicação em recuperação avançada de petróleo
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Vinicius Caliman
Anderson Dias
Anderson Dias
Resumo
A recuperação avançada de petróleo (EOR) é uma estratégia da indústria de óleo e gás que é capaz de recuperar até 60% do óleo após aplicação dos processos primário e secundário, sendo crucial para evitar o abandono de campos maduros. No método químico de EOR, a aplicação da poliacrilamida parcialmente hidrolisada (HPAM) visa aumentar a viscosidade da água e melhorar o deslocamento do petróleo remanescente no poço, no entanto, em condições severas de alta temperatura e salinidade, a HPAM é degradada e sua eficiência é comprometida. O óxido de grafeno (GO) funcionalizado com polímeros aminados surge como uma solução promissora para melhorar as propriedades reológicas da HPAM. Além disso, a síntese por micro-ondas (MW) oferece uma alternativa sustentável por não ser necessário o uso de agentes de acoplamento tóxicos. Neste trabalho realizou-se a aminação do GO com polietilenoimina (PEI) por radiação MW, e por métodos tradicionais, visando a obtenção de GO-PEI como forma de melhorar propriedades reológicas da HPAM. Diversas técnicas de caracterização foram utilizadas para avaliar a modificação superficial do GO, dentre elas: FTIR, Raman, TG/DTG e análise elementar, sendo possível confirmar que a modificação do GO ocorreu com êxito ao observar ligações amida em espectros de FTIR, além de uma maior estabilidade térmica do GO-aminado na TG/DTG. Além disso, avaliou-se a modificação estrutural e morfológica dos nanomateriais de carbono aminados (NMCA) por imagens de MET e SAED e foi possível confirmar a modificação superficial do GO ao observar mudanças estruturais das nanofolhas. Para avaliação da estabilidade das dispersões, resultados de Potencial Zeta e DLS permitiram selecionar três sistemas coloidais em solução salina com μ = 0,3 para a produção de nanofluidos e, assim, realizou-se ensaios de reologia em condições de alta salinidade e a altas temperaturas. Os fluidos obtidos apresentaram comportamento pseudoplástico e obteve-se um aumento de 27% de viscosidade para NF-GO-PEI-1-MM-075 a 30 s-1 e para NF-GO-PEI-1-70-050 de 11 % a 7,34 s-1 a 70 °C em relação à HPAM. Um estudo da viscosidade com a temperatura também permitiu obter um aumento de 42% de viscosidade para NF-GO-PEI-1-MW-075 em relação à HPAM a 70 °C. Diante disso, conclui-se que foi possível obter com êxito a aminação do GO com a PEI, além de preparar nanofluidos que apresentaram melhoria nas propriedades reológicas sob condições relevantes de poço, tornando-os promissores em EOR.
Abstract
Enhanced oil recovery (EOR) is an oil and gas industry strategy capable of recovering up to 60% of the oil after the application of primary and secondary processes, and is crucial to avoid the abandonment of mature fields. In the chemical EOR method, the application of partially hydrolyzed polyacrylamide (HPAM) aims to increase the water viscosity and improve the displacement of the remaining oil in the well. However, under severe conditions of high temperature and salinity, HPAM is degraded and its efficiency is compromised. Graphene oxide (GO) functionalized with aminated polymers emerges as a promising solution to improve the rheological properties of HPAM. In addition, microwave (MW) synthesis offers a sustainable alternative because it does not require the use of toxic coupling agents. In this work, the amination of GO with polyethyleneimine (PEI) was performed by MW radiation, and by traditional methods, aiming to obtain GO-PEI as a way to improve the rheological properties of HPAM. Several characterization techniques were used to evaluate the surface modification of GO, including: FTIR, Raman, TG/DTG and elemental analysis, and it was possible to confirm that the modification of GO occurred successfully by the observation of amide bonds in FTIR spectra, in addition to a greater thermal stability of the aminated GO in TG/DTG. In addition, the structural and morphological modification of the aminated carbon nanomaterials (NMCA) was evaluated by TEM and SAED images, and it was possible to confirm the surface modification of GO by observing structural changes in the nanosheets. To evaluate the stability of the dispersions, the results of Zeta Potential and DLS allowed the selection of three colloidal systems in saline solution with μ = 0.3 for the production of nanofluids and, thus, rheology tests were performed under high salinity conditions and at high temperatures. The obtained fluids presented pseudoplastic behavior and an increase of 27% in viscosity was obtained for NF-GO-PEI-1-MM-075 in 30 s-1 and for NF-GO-PEI-1-70-050 of 11% in 7.34 s-1 at 70 °C compared to HPAM. A viscosity study with temperature also allowed a 42% increase in viscosity for NF-GO-PEI-1-MW-075 compared to HPAM at 70 °C. Therefore, it is concluded that it was possible to obtain the amination of GO with PEI successfully, in addition to preparing nanofluids that presented improvement in rheological properties under relevant well conditions, making them promising in EOR.
Assunto
Físico-química, Óxidos – Grafeno, Poliacrilamida, Poços de petróleo – Fluidos de perfuração, Fourier, Espectroscopia de infravermelho por transformada de, Raman, Espectroscopia de, Análise térmica, Termogravimetria, Microondas, Microscopia eletrônica, Nanotecnologia, Reologia
Palavras-chave
Óxido de grafeno, Poliacrilamida parcialmente hidrolisada, Nanofluidos, Recuperação avançada de petróleo
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