น้ำมัน

ห้องทดลองของมหาวิทยาลัยไรซ์ของนักเคมี James Tour และนักวิทยาศาสตร์ที่ MI SWACO ซึ่งเป็นผู้จัดหาน้ำมันขุดเจาะในเท็กซัสและเป็นบริษัทในเครือของ Schlumberger ผู้ให้บริการน้ำมัน ได้ผลิตกราฟีนออกไซด์ที่ทำหน้าที่ได้เพื่อบรรเทาการอุดตันของรูพรุนที่ผลิตน้ำมันในหลุมเจาะใหม่ เทคนิคที่ได้รับการจดสิทธิบัตรได้ก้าวเข้าใกล้สู่การค้าด้วยการตีพิมพ์งานวิจัยใหม่ในเดือนนี้ในวารสาร Applied Materials and Interfaces ของ American Chemical Society กราฟีนเป็นแผ่นคาร์บอนหนาหนึ่งอะตอมที่ได้รับรางวัลโนเบลแก่ผู้ค้นพบเมื่อปีที่แล้ว ความสัมพันธ์ของไรซ์กับ MI SWACO เริ่มขึ้นเมื่อสองปีที่แล้ว เมื่อบริษัทให้ทุนสนับสนุนห้องปฏิบัติการเพื่อติดตามผลการวิจัยที่ผลิตสารเติมแต่งกราฟีนชนิดแรกสำหรับการขุดเจาะของเหลวที่เรียกว่าโคลน ของเหลวเหล่านี้ถูกปั๊มลงไปในรูซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการเพื่อรักษาความสะอาดของดอกสว่านและกำจัดเศษตัด ด้วยโคลนเสริมดินเหนียวแบบดั้งเดิม ความดันแตกต่างจะสร้างชั้นบนหลุมเจาะที่เรียกว่าเค้กกรอง ซึ่งทั้งสองอย่างนี้จะป้องกันไม่ให้น้ำมันไหลออกและของไหลจากการเจาะบุกรุกเข้าไปในรูเล็กๆ ที่ผลิตน้ำมัน เมื่อดอกสว่านถูกถอดออกและเปลี่ยนของเหลวในการเจาะ น้ำมันก่อตัวจะบังคับให้เศษของเค้กตัวกรองออกจากรูพรุนขณะที่บ่อเริ่มผลิต แต่บางครั้งดินเหนียวก็ไม่ขยับเขยื้อน และผลผลิตของบ่อน้ำก็ลดลง Tour Group ค้นพบว่าเกล็ดกราฟีนที่ยืดหยุ่นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์สามารถก่อตัวเป็นเค้กกรองที่บางและเบากว่าได้ เมื่อพบรูขุมขน สะเก็ดจะพับเข้าหาตัวและดูเหมือนปลาดาวถูกดูดเข้าไปในรู แต่เมื่อความดันลดลง สะเก็ดจะถูกผลักกลับออกไปโดยน้ำมัน ทั้งหมดที่รู้เมื่อสองปีก่อน ตั้งแต่นั้นมา Tour และทีมวิจัยที่นำโดย Dmitry Kosynkin อดีตเพื่อนร่วมงานหลังปริญญาเอกของ Rice และปัจจุบันเป็นวิศวกรปิโตรเลียมที่ Saudi Aramco ก็ได้ทำการปรับแต่งวัสดุอย่างละเอียด พวกเขาพบปัญหาบางอย่างที่ต้องจัดการ ประการแรก กราฟีนที่เก่าแก่นั้นกระจายตัวในน้ำได้ยาก น้ำมัน ดังนั้นจึงไม่เหมาะสำหรับโคลนที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบ กราฟีนออกไซด์ (GO) กลายเป็นว่าสามารถละลายได้ในน้ำจืดมากกว่ามาก แต่มีแนวโน้มที่จะจับตัวเป็นก้อนในน้ำเค็ม ซึ่งเป็นพื้นฐานของโคลนหลายชนิด วิธีแก้ปัญหาคือการ "เอสเทอริฟาย" GO เกล็ดด้วยแอลกอฮอล์ Tour, TT และ WF Chao ประธานสาขาเคมีของ Rice รวมถึงศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและวัสดุศาสตร์และวิทยาการคอมพิวเตอร์กล่าวว่า "มันเป็นปฏิกิริยาง่ายๆ ขั้นตอนเดียว" "กราฟีนออกไซด์ที่ทำงานร่วมกับแอลกอฮอล์ทำงานได้ดีกว่ามากเพราะไม่ตกตะกอนเมื่อมีเกลือ ไม่มีอะไรแปลกใหม่เกี่ยวกับเรื่องนี้" ในชุดการทดสอบตามมาตรฐานของ American Petroleum Institute ทีมงานพบว่าส่วนผสมที่ดีที่สุดของ GO ที่ใช้งานได้คือส่วนผสมของเกล็ดขนาดใหญ่และ GO แบบผงสำหรับการเสริมแรง โคลนที่มี GO ทำหน้าที่ 2 เปอร์เซ็นต์ก่อตัวเป็นเค้กตัวกรองที่มีความกว้างเฉลี่ย 22 ไมโครเมตร ซึ่งเล็กกว่าเค้กขนาด 278 ไมโครเมตรที่เกิดจากโคลนดั้งเดิมอย่างมาก GO ปิดกั้นรูขุมขนที่เล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางเดิมของสะเก็ดหลายเท่าด้วยการพับ นอกเหนือจากการทำให้เค้กกรองบางลงมาก ซึ่งจะทำให้ดอกสว่านมีพื้นที่หมุนมากขึ้น โคลนข้าวยังมีสารแขวนลอยน้อยกว่าครึ่งหนึ่ง สิ่งนี้จะทำให้การขุดเจาะมีประสิทธิภาพมากขึ้นและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น Tour และ Andreas Lüttge ศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์โลกและเคมีของ Rice รายงานเมื่อปีที่แล้วว่า GO ถูกลดขนาดให้เป็นกราไฟต์ ซึ่งเป็นวัสดุที่พบในไส้ดินสอและแร่ธาตุธรรมชาติ โดยแบคทีเรียทั่วไป "สิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดคือความสามารถในการปรับเปลี่ยนอนุภาคนาโน GO ด้วยฟังก์ชันที่หลากหลาย" เจมส์ ฟรีดไฮม์ ผู้อำนวยการฝ่ายวิจัยและพัฒนาของเหลวของ MI SWACO และผู้ร่วมวิจัยกล่าว "ดังนั้นเราจึงสามารถ 'โทร' ใบสมัครของเราโดยเลือกเคมีอินทรีย์ที่เหมาะสมและเหมาะสมกับวัตถุประสงค์ เคล็ดลับคือการเลือกเคมีที่ถูกต้องสำหรับวัตถุประสงค์ที่ถูกต้อง" “ยังมีอีกมากที่ต้องทำ” ทัวร์กล่าว "เรากำลังดูคุณสมบัติการไหล การเปลี่ยนแปลงของความหนืดภายใต้แรงเฉือน กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ เราต้องการทราบว่าความหนืดนี้กลายเป็นอย่างไรเมื่อผ่านหัวเจาะ เพราะนั่นก็มีผลต่อประสิทธิภาพเช่นกัน" โคลนอาจช่วยให้กราฟีนสามารถรักษาสัญญาทางการค้าได้ Tour กล่าว "ทุกคนนึกถึงกราฟีนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรือในวัสดุผสม แต่นี่น่าจะเป็นการใช้กราฟีนในปริมาณมาก และอาจเกิดขึ้นในไม่ช้า" เขากล่าว ฟรีดไฮม์เห็นด้วย "ด้วยทีมงานที่เราได้รวมตัวกัน กลุ่มของ Jim Tour และนักวิทยาศาสตร์ด้านการพัฒนาที่ MI SWACO ผมมั่นใจว่าเราเข้าใกล้ความสำเร็จทั้งด้านเทคนิคและเชิงพาณิชย์"