Synthesis and characterization of magnetic nanoparticles for applications in the oil and gas industry

Abstract

Over the past three decades, superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) have beenextensively studied as contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI). This is particularly due to their unique magnetic properties, inherent biocompatibility, and low cost. Despite the difference in the technological physical background, SPIONs have great potential as contrast agents for large-scale electromagnetic tomography (EMT) of oil reservoirs. Conventionally, crosswell EMT is an electromagnetic imaging technique based upon measuring the difference between the electrical conductivity of reservoir fluids (i.e. oil and formation water) and other subsurface entities. Alternatively, flooding the porous texture of the reservoir with stable dispersions of SPIONs would result in having an enhanced EMT contrast that is based on the altered magnetic permeability of the reservoir. The research presented in this dissertation is focused on developing SPIONs that can be used as contrast agents for the large-scale imaging of reservoirs. To begin with, finite element simulations were used to validate the proposed technology using simple rules of thumb reported in the literature for the design of conventional conductivity-based crosswell EMT systems. Based upon these rules of thumb, we have successfully managed to exclusively track the anomalous response of a magnetic slug propagating in the proximity of a formation water-saturated conductive reservoir layer at audio frequencies. The effective medium theory was then employed to demonstrate the correlation of magnetic susceptibility of the injected ferrofluid with residual oil saturation and rock porosity. A laboratory-scale pilot EMT system was also implemented as an experimental proof of concept, and to verify the simulation results for the large-scale system. From the material development perspective, a facile large-scale low-cost synthesis of SPIONs is reported. The SPIONs were functionalized with citric acid as a hydrophilic ligand to enhance the colloidal stability of the as-synthesized particles in aqueous media. The quality of the particles was examined by means of transmission electron microscopy, x-ray diffractometry, and magnetic measurements. Chemical and thermal analyses were used to examine the binding characteristics of the ligand under high-emperature conditions similar to those in reservoirs. Finally, for the ferrofluid injection strategy, a candidate aqueous carrier fluid prepared from several dilutions of seawater was considered. The optimum seawater dilutions required to produce a stable ferrofluid injection was determined after thoroughly studying the particle cluster-cluster aggregation kinetics in high-salinity media.

Τις τελευταίες τρεις δεκαετίες, τα υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου (SPIONs) έχουν μελετηθεί εκτενώς ως παράγοντες αντίθεσης για απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI) [1-3]. Αυτό οφείλεται ιδιαίτερα στις μοναδικές μαγνητικές τους ιδιότητες, στην εγγενή βιοσυμβατότητα και στο χαμηλό κόστος [4]. Παρά τη διαφορά στο τεχνολογικό φυσικό υπόβαθρο, τα SPIONs έχουν μεγάλες δυνατότητες ως παράγοντες αντίθεσης για ηλεκτρομαγνητική τομογραφία μεγάλης κλίμακας (EMT) δεξαμενών πετρελαίου [5]. Συμβατικά, η EMT είναι μια τεχνική ηλεκτρομαγνητικής απεικόνισης που βασίζεται στη μέτρηση της διαφοράς μεταξύ της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των υγρών των δεξαμενών (δηλαδή του πετρελαίου και του σχηματιζόμενου νερού) και άλλες υπόγειων ουσιών [6]. Εναλλακτικά, η συσσώρευση της πορώδους υφής της δεξαμενής με σταθερές διασπορές SPIONs θα είχε ως αποτέλεσμα την αυξημένη αντίθεση EMT που βασίζεται στην μεταβαλλόμενη μαγνητική διαπερατότητα της δεξαμενής [5]. Η έρευνα που παρουσιάζεται σε αυτή τη διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη SPIONs που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως παράγοντες αντίθεσης για την απεικόνιση μεγάλης κλίμακας των δεξαμενών. Κατ 'αρχάς, χρησιμοποιήθηκαν προσομοιώσεις πεπερασμένων στοιχείων για την επικύρωση της προτεινόμενης τεχνολογίας χρησιμοποιώντας απλούς κανόνες που αναφέρονται στη βιβλιογραφία για το σχεδιασμό συμβατικών συστημάτων EMT βασισμένων στην αγωγιμότητα. Με βάση αυτούς τους πρακτικούς κανόνες, καταφέραμε με επιτυχία να παρακολουθούμε αποκλειστικά την ανώμαλη απόκριση ενός μαγνητικού μετάλλου που διαδίδεται κοντά σε ένα στρώμα αγώγιμης δεξαμενής κορεσμένο με νερό σε ηχητικές συχνότητες. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε η θεωρία του αποτελεσματικού μέσου για να καταδειχθεί ο συσχετισμός της μαγνητικής επιδεκτικότητας του εγχυθέντος σιδηρο-ρευστού (ferrofluid) με τον υπολειπόμενο κορεσμό σε πετρέλαιο και το πορώδες του βράχου. Ένα πειραματικό σύστημα EMT εργαστηριακής κλίμακας εφαρμόστηκε επίσης ως πειραματική απόδειξη καθώς και για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων προσομοίωσης για το σύστημα μεγάλης κλίμακας. Από την προοπτική ανάπτυξης υλικού, αναφέρεται μια ευέλικτη σύνθεση χαμηλού κόστους SPIONs. Τα SPIONs τροποποιήθηκαν χημικά με κιτρικό οξύ ως υδρόφιλος συνδέτης ώστε να ενισχυθεί η κολλοειδή σταθερότητα των σωματιδίων που συντέθηκαν σε υδατικά μέσα. Η ποιότητα των σωματιδίων εξετάστηκε μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης, περίθλαση ακτίνων-Χ και μέσω μαγνητικών μετρήσεων. Τεχνικές χημικών και θερμικών αναλύσεων χρησιμοποιήθηκαν για να εξεταστούν τα χαρακτηριστικά σύνδεσης του συμπλοκοποιητή υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας παρόμοιες με αυτές των δεξαμενών. Τέλος, για τη στρατηγική έγχυσης σιδηρο-ρευστού (ferrofluid) εξετάστηκε ένα υποψήφιο υδατικό ρευστό που παρασκευάστηκε από διάφορες αραιώσεις θαλασσινού νερού. Οι βέλτιστες αραιώσεις θαλασσινού νερού που απαιτούνται για την παραγωγή μίας σταθερής έγχυσης σιδηρο-ρευστού (ferrofluid) προσδιορίστηκαν μετά από ενδελεχή μελέτη της κινητικής συσσωμάτωσης πλειάδων-πλειάδων (cluster-cluster) σε μέσα υψηλής αλατότητας.