O próximo jato de óleo grande está em nanoescala

No ano passado, o mundo consumiu quase 97 milhões de barris de petróleo por dia. E se eu lhe disser que ainda restam muitos barris nesses mesmos poços? No fundo da rocha, 60 por cento ou mais do óleo de um reservatório permanece preso em capilares que às vezes têm apenas dezenas a centenas de nanômetros de largura (para comparação:o DNA tem 2,5 nanômetros de largura). É por causa da natureza porosa do arenito e do xisto que o óleo pode se depositar em rocha sedimentar. Mas realmente entender como tirar o óleo desses capilares tem sido impossível - até agora.

Minha equipe de tecnologia industrial e ciência baseada no Rio de Janeiro publicou um estudo em Relatórios científicos , Energia de adsorção como uma métrica para molhabilidade em nanoescala, explicando como as propriedades das moléculas de óleo líquido se comportam de maneiras completamente diferentes e inesperadas quando em contato com um sólido, em nanoescala. Tudo o que a indústria sabe sobre como extrair petróleo, como calcular a energia necessária para a extração, é diferente em escala nano.

Simular e medir a estranheza da molhabilidade

Em attoliters (10 ^-18 ), uma gota de líquido deixa de se parecer com o que imaginamos:formas esféricas ou de lágrima. Em vez disso, nossa pesquisa descobriu que, em última análise, a gota de óleo em nanoescala se parecia muito mais com um filme plano contra uma superfície sólida. Esta área de superfície aumentada acabou representando muito mais “umedecimento” do que havia sido contabilizado em medições macroscópicas típicas. E não apenas havia mais cobertura de superfície nessas nanogotas planas do que se pensava anteriormente, as ferramentas e técnicas de simulação padrão não levavam em consideração o aumento de energia necessário para extrair essas moléculas de óleo.

Figura 3 Energia de adsorção de gotículas:subestimada em nanoescala. (a) Comparação da superfície real com uma tampa esférica idealizada ajustada aos mesmos dados. (b) Diferença entre a energia de adsorção para a superfície real e aquela da aproximação do tampão esférico. As diferenças negativas indicam que a capa esférica ajustada subestima a energia de adsorção, assim como subestima a área de contato. Para volumes maiores que 106 nm3, um ajuste de tampa esférica fornece uma estimativa robusta da energia de adsorção α. ( Notas: Acrônimos da Figura 3b:AFM-Atomic Force Microscope Measurement, AAMD-All Atom Molecular Dynamics Simulation, CGMD-Course Grain Molecular Dynamics Simulation. Imagem reimpressa de Scientific Reports ’ “Energia de adsorção como uma métrica para molhabilidade em nanoescala”)

Desvendar a mudança na forma do nano-nível nos levou a desenvolver simulações de fluxo de óleo que poderiam prever melhor a extração de óleo de um reservatório.

A IBM, porém, não é uma empresa de petróleo e gás. Não temos todos os dados sobre os materiais, plugues de núcleo e reservatórios específicos que uma empresa de petróleo consideraria seus dados principais. Então, para construir uma representação computacional de um reservatório em nanoescala (vídeo, abaixo), pegamos dados de caracterização de rochas de repositórios públicos, como a Rede de Física de Rochas da ETH Zurich. Então, com base no "modelo de reservatório" feito a partir dos dados geométricos, agora somos capazes de implantar a ciência de umedecimento e fluxo em nanoescala que não havia sido feita antes.



Em seguida, mostramos esse novo modelo para empresas de óleo e gás para demonstrar como nossa simulação de nanofluxo leva em consideração as propriedades do óleo aprisionado nos capilares de seus poços. E embora a simulação não sugira como extrair todo o petróleo preso, ela oferece diferentes técnicas e materiais para explorar que podem ajudar a extrair cerca de 1 por cento a mais. No Brasil, que bombeia 2,4 milhões de barris de petróleo todos os dias, esse aumento de 1 por cento na produção acrescentaria 24.000 barris a mais ao total diário - e 8,8 milhões a mais de barris a cada ano.

De simulações de fluxo a chips de filtragem de óleo
Em nosso artigo, a simulação foi calculada usando processamento massivamente paralelo no Blue Gene - agora estamos redistribuindo as simulações a serem entregues por meio da nuvem IBM.
Nossa descoberta de molhabilidade é uma etapa importante para ajudar as empresas de petróleo e gás a recuperar mais do que a média da indústria de 40% do petróleo retido em seus reservatórios. A próxima etapa é estudar o fluxo de óleo nos nanocapilares. Para tanto, desenvolvemos uma plataforma de chip integrada que nos permite validar e calibrar experimentalmente o fluxo em nanoescala para a construção de melhores simulações de fluxo (leia nosso artigo apresentado na Rio Oil &Gas Expo &Conference 2016:A ciência multiescala permite simulações de alta precisão de Recuperação de óleo aprimorada).

Para fazer isso, precisamos aumentar a escala:primeiro, precisamos de uma medição física de uma rede capilar de um microscópio eletrônico de varredura ou de uma tomografia computadorizada de raios-x. Em seguida, com os dados da rede de poros, usamos uma simulação de fluxo calibrada experimentalmente para determinar quanta pressão é necessária para bombear água, incluindo produtos químicos personalizados especificamente projetados para separar o petróleo da rocha, por meio da rede de poros em nanoescala - e, eventualmente, para empurrar o óleo para fora (para o qual temos uma patente:Método e dispositivo integrado para analisar o fluxo de líquido e a interação da interface líquido-sólido).

Hoje, a indústria depende de modelos físicos incompletos para prever a recuperação de petróleo em seus poços. E poderia melhorar significativamente seu retorno sobre o investimento com previsões de recuperação de óleo de maior precisão. Nossa pesquisa oferece uma maneira de melhorar os modelos de previsão para melhor contabilizar o petróleo confinado em nanoescala, o que é de particular importância em reservatórios não convencionais. Contabilizar a nanoescala, agora, pode significar outro rendimento de 1 por cento na recuperação de petróleo. E, eventualmente, com melhor tecnologia de simulação e materiais funcionais, talvez possamos nos aproximar de recuperar os 59% restantes também.

Leia mais sobre o trabalho que estamos fazendo em nosso novo laboratório NanoLab no Rio, aqui.