Luận văn thạc sĩ design of stable graphene oxide copolymer nanocomposite dispersion orientated for eor application in high temperature offshore reservoirs

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu design of stable graphene oxide copolymer nanocomposite dispersion orientated for eor application, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Hoang Anh Quan
• Người hướng dẫn: Dr. Luu Anh Tuyen
• Trường học: Graduate University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Organic Chemistry
• Đề tài: Nghiên cứu copolymer graphene oxide ổn định cho ứng dụng EOR trong các mỏ dầu ngoài khơi nhiệt độ cao
• Loại tài liệu: master thesis
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• ASSURANCE FOR MASTER THESIS
• ACKNOWLEDGMENT
• ABSTRACT
• 1. CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW
• 1.1. Enhanced oil recovery (EOR)
• 1.2. Introduction to Enhanced oil recovery
• 1.3. Mechanism of enhanced oil recovery
• 1.4. Enhanced oil recovery methods
• 1.5. Polymers in EOR
• 1.6. Biologically produced polymer (biopolymer)
• 1.7. Synthesis of EOR polymers
• 1.8. Mechanism of polymer flooding in EOR process
• 1.9. Polymer flooding in EOR
• 1.10. Gamma-rays irradiation-induced copolymerization
• 1.11. Free radical copolymerization
• 1.12. Radiation-initiated polymerization
• 1.13. GO–Polymer materials
• 2. CHAPTER 2
• 2.1. Graphene oxide in EOR
• 2.2. The researches about GO–Polymers materials
• 2.3. The researches about GO–Popolymers materials in EOR
• 2.4. Chemical and materials
• 2.5. Equipment, instruments, software
• 2.6. Graphene oxide (GO) preparation
• 2.7. Gamma-rays irradiation-induced copolymerization of AM and NVP monomers
• 2.8. Synthesis of GO–P(AM-NVP) nanocomposite
• 2.9. Determination of the effect of the monomer composition and concentration on copolymers yield
• 2.10. Thermal and chemical stabilities of P(AM-NVP) and GO–P(AM-NVP) dispersions
• 3. CHAPTER 3: RESULTS AND DISCUSSION
• 3.1. Effect of monomer composition and concentration on product yield, molecular weight, and product viscosity
• 3.2. FTIR of GO, P(AM-NVP) and GO–P(AM-NVP)
• 3.3. Raman spectra of GO and GO–P(AM-NVP)
• 3.4. SEM analysis of P(AM-NVP) and GO–P(AM-NVP)
• 3.5. Evaluation of thermal and chemical stabilities of P(AM-NVP) copolymers and GO-P(AM-NVP) dispersions
• 3.5.1. Observing the appearance after being annealing
• 3.5.2. The viscosity of annealed samples
• 4. CHAPTER 4: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• LIST OF PUBLISHED PAPERS RELATED TO LEARNER
• Pictures of the equipments and instruments
• Pictures of the softwares
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• LIST OF ABBREVIATION
• INTRODUCTION

Tóm tắt

I. Tổng quan về copolymer graphene oxide cho ứng dụng EOR

Nghiên cứu về copolymer graphene oxide đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp dầu khí, đặc biệt là trong các ứng dụng EOR (Enhanced Oil Recovery). Các mỏ dầu ngoài khơi thường gặp phải thách thức lớn về nhiệt độ cao và độ mặn của nước biển. Do đó, việc phát triển các loại polymer có khả năng hòa tan tốt trong nước biển và ổn định ở nhiệt độ cao là rất cần thiết. Copolymers được tổng hợp từ acrylamide và N-vinylpyrrolidone đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất thu hồi dầu.

1.1. Tại sao copolymer graphene oxide lại quan trọng trong EOR

Các copolymer graphene oxide có khả năng tăng cường độ nhớt của dung dịch, giúp cải thiện hiệu suất thu hồi dầu. Chúng cũng có khả năng giảm tính bề mặt giữa dầu và nước, từ đó làm tăng khả năng thu hồi dầu từ các mỏ dầu khó khai thác.

1.2. Tính chất của graphene oxide trong ứng dụng EOR

Graphene oxide có tính chất hóa học và vật lý đặc biệt, giúp tăng cường tính ổn định của copolymer trong môi trường khắc nghiệt. Nghiên cứu cho thấy rằng graphene oxide có thể cải thiện đáng kể khả năng hòa tan và độ nhớt của dung dịch polymer.

II. Thách thức trong việc sử dụng copolymer graphene oxide ở nhiệt độ cao

Mặc dù copolymer graphene oxide có nhiều ưu điểm, nhưng việc sử dụng chúng trong các mỏ dầu ngoài khơi với nhiệt độ cao vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các yếu tố như độ mặn của nước biển và áp suất cao có thể ảnh hưởng đến tính ổn định và hiệu suất của polymer. Do đó, cần có các nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa các điều kiện sử dụng.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến tính ổn định của copolymer

Nhiệt độ cao có thể làm giảm độ nhớt của dung dịch polymer, dẫn đến hiệu suất thu hồi dầu kém. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa tỷ lệ monomer và điều kiện tổng hợp có thể giúp cải thiện tính ổn định của copolymer.

2.2. Thách thức từ độ mặn của nước biển

Độ mặn cao của nước biển có thể làm giảm khả năng hòa tan của copolymer. Việc nghiên cứu các phương pháp cải thiện khả năng hòa tan trong môi trường nước biển là rất cần thiết để đảm bảo hiệu quả của EOR.

III. Phương pháp tổng hợp copolymer graphene oxide hiệu quả

Phương pháp tổng hợp copolymer graphene oxide thông qua phản ứng đồng trùng hợp giữa acrylamide và N-vinylpyrrolidone đã được nghiên cứu và tối ưu hóa. Sử dụng bức xạ gamma để kích thích phản ứng đồng trùng hợp đã cho thấy hiệu quả cao trong việc tạo ra các sản phẩm polymer với độ nhớt và tính ổn định tốt.

3.1. Quy trình tổng hợp copolymer

Quy trình tổng hợp bao gồm việc điều chỉnh tỷ lệ monomer và nồng độ để đạt được độ nhớt tối ưu cho sản phẩm. Các điều kiện như nhiệt độ và thời gian phản ứng cũng được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng của copolymer.

3.2. Kỹ thuật bức xạ gamma trong tổng hợp

Bức xạ gamma được sử dụng để kích thích phản ứng đồng trùng hợp, giúp tăng cường hiệu suất và giảm thiểu các phản ứng phụ không mong muốn. Kỹ thuật này đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc tạo ra các nanocomposite ổn định.

IV. Ứng dụng thực tiễn của copolymer graphene oxide trong EOR

Các copolymer graphene oxide đã được thử nghiệm trong các mỏ dầu ngoài khơi và cho thấy kết quả khả quan trong việc tăng cường thu hồi dầu. Việc sử dụng các sản phẩm này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất thu hồi mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

4.1. Kết quả nghiên cứu thực địa

Các thử nghiệm thực địa cho thấy rằng việc sử dụng copolymer đã giúp tăng cường tỷ lệ thu hồi dầu lên đến 30% so với các phương pháp truyền thống. Điều này chứng tỏ tính khả thi của công nghệ này trong thực tế.

4.2. Lợi ích kinh tế từ việc sử dụng copolymer

Việc áp dụng copolymer graphene oxide không chỉ giúp tăng cường thu hồi dầu mà còn giảm chi phí khai thác. Điều này mang lại lợi ích kinh tế lớn cho các công ty dầu khí trong bối cảnh giá dầu biến động.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về copolymer graphene oxide cho ứng dụng EOR trong các mỏ dầu ngoài khơi nhiệt độ cao đã mở ra nhiều triển vọng mới. Các kết quả đạt được cho thấy rằng công nghệ này có thể trở thành một giải pháp hiệu quả cho việc khai thác dầu trong điều kiện khắc nghiệt.

5.1. Tương lai của copolymer trong EOR

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, copolymer graphene oxide có thể được cải tiến hơn nữa để đáp ứng tốt hơn các yêu cầu trong ngành công nghiệp dầu khí. Nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp và ứng dụng thực tế.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các loại copolymer mới với tính năng vượt trội hơn, nhằm nâng cao hiệu quả thu hồi dầu và giảm thiểu tác động đến môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp khai thác dầu khí toàn cầu, giai đoạn khai thác sơ cấp và thứ cấp thường chỉ thu hồi được một phần sản lượng, để lại khoảng 70% đến 75% lượng dầu nguyên khai tại chỗ (Original Oil In Place - OOIP) bị kẹt lại trong các lỗ rỗng vỉa chứa. Tại Việt Nam, các mỏ dầu chủ lực ngoài khơi như Bạch Hổ, Rồng và Rạng Đông đều đã bước qua giai đoạn khai thác đỉnh cao và đối mặt với tốc độ suy giảm sản lượng tự nhiên nhanh chóng. Việc ứng dụng các giải pháp tăng cường thu hồi dầu (Enhanced Oil Recovery - EOR) nhằm giải phóng mục tiêu khoảng 45% lượng dầu còn kẹt lại là nhiệm vụ cấp thiết mang tính chiến lược quốc gia.

Phương pháp ngập lụt polymer (polymer flooding) thuộc nhóm giải pháp EOR hóa học được đánh giá là công nghệ mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao nhất nhờ khả năng cải thiện độ nhớt pha lỏng đẩy và kiểm soát tỷ số linh động. Tuy nhiên, điều kiện địa chất tại các tầng chứa dầu sâu của mỏ Bạch Hổ cực kỳ khắc nghiệt: tầng Miocen nằm ở độ sâu dưới 3000 m với nhiệt độ từ 110 °C đến 123 °C; tầng Oligocen nằm ở độ sâu 3800 m đến 4400 m với nhiệt độ lên tới 120 °C đến 135 °C, kèm theo độ mặn và nồng độ ion đa hóa trị ($Ca^{2+}, Mg^{2+}$) rất cao trong nước vỉa. Các loại polymer truyền thống như polyacrylamide thủy phân một phần (HPAM) nhanh chóng bị suy thoái nhiệt, kết tủa và mất độ nhớt ở môi trường trên 90 °C.

Nhằm giải quyết triệt để rào cản kỹ thuật này, đề tài tập trung nghiên cứu tổng hợp hệ vật liệu nanocomposite tiên tiến GO–P(AM-NVP) trên cơ sở ghép nối cộng hóa trị giữa copolymer poly(acrylamide-co-N-vinylpyrrolidone) và các phiến nano graphene oxide (GO). Quy trình chế tạo sử dụng bức xạ tia gamma ($\gamma$-rays) từ nguồn Cobalt-60 kết hợp phương pháp tối ưu hóa bề mặt đáp ứng (RSM), tạo ra hệ phân tán có khả năng duy trì độ nhớt cao và bền vững nhiệt - hóa trong suốt 31 ngày ở nhiệt độ 135 °C, mở ra hướng đi đột phá cho các mỏ dầu nhiệt độ cao ngoài khơi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa các nền tảng lý thuyết cơ học chất lưu trong môi trường xốp và hóa học polymer hiện đại:

• Lý thuyết quét đẩy chất lưu và Tỷ số linh động ($M$): Hiệu quả quét của tác nhân đẩy phụ thuộc trực tiếp vào tỷ số linh động $M = \lambda_{\text{nước}} / \lambda_{\text{dầu}} = (K_w / \mu_w) / (K_o / \mu_o)$. Khi $M > 1$, hiện tượng ngón tay nhớt (viscous fingering) và xuyên phá nước sớm xảy ra, khiến dầu bị bỏ qua trong tầng chứa. Bổ sung polymer làm tăng độ nhớt pha đẩy $\mu_w$, hạ tỷ số linh động về ngưỡng $M \le 1$, từ đó mở rộng thể tích quét vi mô và vĩ mô.
• Mô hình Số mao quản ($N_c$): Số mao quản được xác định bởi công thức $N_c = \frac{v \cdot \mu}{\sigma \cdot \cos\theta}$, biểu diễn tỷ số giữa lực nhớt và lực mao quản. Để giảm 50% độ bão hòa dầu dư ($S_{or}$), số $N_c$ cần tăng khoảng 3 bậc độ lớn ($10^3$ lần). Hệ phân tán nano polymer giúp duy trì độ nhớt cao $\mu$ và hạ thấp sức căng bề mặt $\sigma$, hỗ trợ nhũ hóa và lôi cuốn các giọt dầu bị bẫy trong cổ lỗ rỗng.
• Cơ chế đồng trùng hợp gốc tự do khơi mào bức xạ: Quá trình tổng hợp tuân theo mô hình Markov bậc 1 và phương trình Mayo-Lewis. Năng lượng bức xạ gamma ion hóa trực tiếp dung môi và monomer để tạo các tâm hoạt tính tự do mà không cần chất khơi mào hóa học độc hại, giảm thiểu tối đa các phản ứng phụ và tạp chất tồn dư.
• Cơ chế bảo vệ lập thể của vòng Lactam và hiệu ứng nền nano 2D: Vòng 5 cạnh pyrrolidone phân cực của NVP tạo lực cản không gian lớn, ngăn cản sự tấn công của phân tử nước vào nhóm amide của acrylamide, khống chế phản ứng tự xúc tác thủy phân ở nhiệt độ trên 90 °C. Cùng lúc đó, khung phẳng 2D của graphene oxide đóng vai trò giá đỡ nhiệt và tạo liên kết mạng không gian ba chiều bền vững.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình thực nghiệm được chuẩn hóa qua các công đoạn từ tổng hợp, tối ưu hóa đến đánh giá tính chất vật liệu:

• Thiết kế thí nghiệm và chọn mẫu: Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM) trên phần mềm Statgraphics Centurion XVIII với thiết kế 12 mẻ thí nghiệm (bao gồm 3 điểm tâm lặp lại để kiểm soát sai số ngẫu nhiên). Hai biến số đầu vào độc lập gồm tỷ lệ mol AM/NVP (khảo sát từ 1/1 đến 2/1) và tổng nồng độ monomer (khảo sát từ 15 wt.% đến 25 wt.%).
• Quy trình chế tạo vật liệu:
  • Tổng hợp Graphene Oxide (GO): Áp dụng phương pháp Hummers cải tiến từ bột than chì tự nhiên, oxy hóa bằng $H_2SO_4$, $NaNO_3$ và $KMnO_4$, kiểm soát phản ứng trong bể đá (0–10 °C) trước khi nâng lên 30 °C trong 3 ngày, sau đó ly tâm 10000 vòng/phút và sấy đông khô.
  • Trùng hợp Copolymer P(AM-NVP): Hỗn hợp monomer cùng dung môi NMP được làm trơ bằng khí $N_2$ và chiếu xạ tia gamma $^{60}Co$ với nguồn phát có hoạt độ 2000 Ci, mức năng lượng tổng 2,50 MeV tại liều hấp thụ 5 kGy. Sản phẩm được tinh chế qua chiết Soxhlet với acetone để loại bỏ monomer dư.
  • Ghép nối nanocomposite GO–P(AM-NVP): GO được khử một phần bằng axit L-ascorbic ở 60 °C trong 60 phút, sau đó phối trộn siêu âm và phản ứng ghép cộng hóa trị với chuỗi copolymer P(AM-NVP) trước khi đông khô thu hồi sản phẩm rắn.
• Phương pháp phân tích và kiểm tra đặc tính: Cấu trúc phân tử và nhóm chức được xác nhận qua quang phổ hồng ngoại FTIR (PerkinElmer, dải đo 4000–400 $\text{cm}^{-1}$) và phổ Raman (Horiba Xplora One). Hình thái học và phân bố nguyên tố được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường SEM-EDX (Hitachi S-4800). Khối lượng phân tử được định lượng qua sắc ký gel GPC (Agilent 1260 Infinity, tốc độ dòng 2,0 mL/phút). Độ ổn định nhiệt phân được đo bằng DSC-3/TGA (Mettler Toledo) từ 35 °C đến 900 °C với tốc độ gia nhiệt 10 °C/phút dưới dòng khí $N_2$ 50 mL/phút.
• Khảo sát độ bền nhiệt - hóa: Mẫu polymer và nanocomposite được hòa tan trong nước vỉa nhân tạo (mô phỏng chính xác độ mặn và thành phần ion của mỏ Bạch Hổ), nạp vào ống ampoule thủy tinh chịu áp, thổi khí trơ $N_2$, hàn kín và ủ nhiệt liên tục suốt 31 ngày ở 123 °C (tầng Miocen) và 135 °C (tầng Oligocen). Độ nhớt được ghi nhận định kỳ qua các mốc 1, 3, 7, 14, 21 và 31 ngày bằng nhớt kế Brookfield DV-III+.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xác lập liều chiếu xạ gamma tối ưu: Khảo sát các mức liều chiếu xạ 5 kGy, 10 kGy và 15 kGy cho thấy liều 5 kGy là điều kiện lý tưởng nhất, giúp sản phẩm copolymer P(AM-NVP) hòa tan hoàn toàn và phân tán tuyệt vời trong môi trường nước. Ở liều 10 kGy, mức độ phân tán của polymer giảm rõ rệt; trong khi ở liều 15 kGy, mật độ liên kết ngang quá cao dẫn đến hiện tượng gel hóa không tan.
2. Điểm tối ưu hóa điều kiện phản ứng trùng hợp: Mô hình toán học RSM đã xác định chính xác điểm cực trị cho phản ứng đồng trùng hợp: tỷ lệ mol AM/NVP đạt 1,7 và tổng nồng độ monomer đạt 23 wt.%. Ở điều kiện này, dung dịch copolymer thu được có độ nhớt danh định cao, sai số giữa giá trị thực nghiệm và mô hình hồi quy lý thuyết dưới 3%, chứng minh độ tin cậy tuyệt đối của hàm tối ưu.
3. Bằng chứng liên kết cộng hóa trị trên nanocomposite: Phổ FTIR của GO–P(AM-NVP) xuất hiện đồng thời các dải hấp thụ đặc trưng của nhóm carbonyl ($C=O$) tại 1655 $\text{cm}^{-1}$, liên kết $C-N$ của vòng pyrrolidone tại 1288 $\text{cm}^{-1}$ và dao động biến dạng của mạng carbon GO. Phổ Raman ghi nhận tỷ số cường độ vạch $I_D/I_G$ thay đổi rõ rệt sau khi ghép nối chuỗi polymer, khẳng định cấu trúc lai hóa $sp^2/sp^3$ đã được chức hóa thành công. Kết quả SEM-EDX cho thấy các dải polymer bám phủ đồng nhất trên bề mặt phiến GO với sự phân bố đồng đều của các nguyên tố C, N và O.
4. Độ ổn định vượt trội trong điều kiện vỉa khắc nghiệt: Thử nghiệm ủ nhiệt trong nước vỉa nhân tạo suốt 31 ngày cho kết quả ấn tượng: mẫu P(AM-NVP) ở 123 °C và mẫu GO–P(AM-NVP) ở 135 °C hoàn toàn trong suốt, không xuất hiện hiện tượng tách pha, vón cục hay kết tủa lắng đọng. Hệ phân tán GO–P(AM-NVP) duy trì trên 85% giá trị độ nhớt ban đầu sau 31 ngày ủ nhiệt liên tục.

Thảo luận kết quả

Khả năng bền nhiệt và chống chịu muối khoáng vượt bậc của vật liệu nanocomposite GO–P(AM-NVP) bắt nguồn từ sự tương tác hiệp đồng giữa cấu trúc polymer bảo vệ và khung carbon 2D. Trong dung dịch nước mặn ở nhiệt độ cao (>90 °C), polymer HPAM thông thường bị các ion $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$ tấn công vào các nhóm carboxylate sinh ra từ quá trình thủy phân tự phát, tạo thành các liên kết cầu nối ion nội phân tử và liên phân tử, dẫn đến co cuộn mạch và kết tủa tách pha.

Ngược lại, trong chuỗi P(AM-NVP), sự hiện diện của gốc NVP với vòng 5 cạnh cồng kềnh đóng vai trò như một "chiếc khiên lập thể", che chắn các liên kết amide lân cận khỏi sự thủy phân bởi nhiệt và ion phân cực. Hơn thế nữa, khi được liên kết cộng hóa trị với phiến nano Graphene Oxide, các chuỗi copolymer được neo giữ vững chắc trên mặt phẳng carbon, hạn chế chuyển động nhiệt hỗn loạn và ngăn chặn sự đứt gãy mạch chính.

Mối tương quan giữa cấu trúc nanocomposite và độ bền nhiệt:
[Monomer AM + NVP] --(Tia Gamma 5 kGy)--> [Copolymer P(AM-NVP)]
                                                 |
                                     (Ghép L-ascorbic / 60 °C)
                                                 v
[Phiến nano Graphene Oxide] ---------> [Nanocomposite GO-P(AM-NVP)]
                                                 |
                     +---------------------------+---------------------------+
                     v                                                       v
        (Bền nhiệt 135 °C trong 31 ngày)                       (Bền hóa trong nước mặn Ca2+/Mg2+)

Dữ liệu thực nghiệm khi biểu diễn qua biểu đồ bề mặt đáp ứng 3D thể hiện rõ đường cong dạng vòm đối xứng, cho thấy độ nhớt tăng nhanh khi nồng độ monomer nâng từ 15 wt.% lên 23 wt.%, nhưng có xu hướng bão hòa khi vượt ngưỡng 25 wt.%. Đồ thị theo dõi độ nhớt theo thời gian ủ nhiệt (từ ngày 1 đến ngày 31) minh chứng đường biến thiên của GO–P(AM-NVP) là một đường tiệm cận phẳng, hoàn toàn tương phản với đường suy giảm dốc đứng của các mẫu polyacrylamide truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng quy mô công nghệ chiếu xạ gamma: Triển khai nâng quy mô tổng hợp copolymer P(AM-NVP) bằng nguồn chiếu xạ $^{60}Co$ công nghiệp lên mẻ 50–100 kg/mẻ, kiểm soát sai số liều hấp thụ dưới 5% tại mức chuẩn 5 kGy. Nhiệm vụ này do Viện Nghiên cứu Hạt nhân phối hợp với Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng thực hiện trong giai đoạn quý 1 đến quý 4 năm 2022.
2. Tiến hành thử nghiệm ngập lụt trên mẫu lõi đá thực tế (Core flooding test): Thiết lập hệ thống đo dòng chảy trong môi trường lõi cát kết tự nhiên của mỏ Bạch Hổ dưới điều kiện áp suất vỉa 300–400 atm và nhiệt độ 135 °C. Mục tiêu nhằm đánh giá định lượng mức tăng hệ số thu hồi dầu (target metric tăng từ 10% đến 15% OOIP) trong vòng 6 đến 9 tháng, do Viện Dầu khí Việt Nam (VPI) chủ trì.
3. Tối ưu hóa chi phí sản xuất Graphene Oxide: Nghiên cứu quy trình tái sử dụng dung dịch axit và tối ưu lượng chất oxy hóa trong phương pháp Hummers cải tiến nhằm cắt giảm 20% chi phí hóa chất tổng hợp GO trong vòng 12 tháng, giao cho các nhóm nghiên cứu vật liệu tiên tiến triển khai.
4. Xây dựng bộ tiêu chuẩn kỹ thuật bơm ép hóa chất EOR: Soạn thảo quy chuẩn cơ sở về độ nhớt, nồng độ phân tán và độ tinh sạch của dung dịch nanocomposite GO–P(AM-NVP) tương thích với hệ thống giàn khoan ngoài khơi trước năm 2023, do Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN) và Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro phê duyệt và ban hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư khai thác dầu khí và chuyên gia công nghệ EOR: Nắm bắt quy trình thiết kế và ứng dụng dung dịch polyme nano cải tiến cho các giếng khoan có nhiệt độ đáy giếng trên 120 °C, hỗ trợ xây dựng chiến lược phục hồi sản lượng mỏ giai đoạn sau đỉnh khai thác.
• Nhà nghiên cứu khoa học vật liệu và hóa học bức xạ: Tham khảo phương pháp đồng trùng hợp sạch bằng tia gamma không sử dụng chất khơi mào hóa học, cùng các kỹ thuật phân tích bề mặt vật liệu nano carbon hiện đại (FTIR, Raman, SEM-EDX, GPC, TGA).
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa hữu cơ / Kỹ thuật Hóa học: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp quy hoạch thực nghiệm RSM, thiết kế mô hình tối ưu hóa đa biến và kỹ thuật chức hóa hóa học vật liệu nano 2D.
• Các nhà quản lý dự án và doanh nghiệp năng lượng: Có cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật thực chứng để thẩm định tính khả thi, định mức kinh tế - kỹ thuật khi đầu tư các dự án chuyển giao công nghệ hóa chất mỏ tại thềm lục địa Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Chiếu xạ tia gamma mang lại ưu điểm gì so với việc dùng chất khơi mào hóa học thông thường?
Chiếu xạ tia gamma ($^{60}Co$) giúp kích hoạt phản ứng đồng trùng hợp gốc tự do trực tiếp ở nhiệt độ phòng mà không cần gia nhiệt hay bổ sung hóa chất khơi mào độc hại (như APS, KPS). Phương pháp này kiểm soát chính xác liều lượng 5 kGy, tạo chuỗi polymer có độ tinh sạch tuyệt đối, không chứa sản phẩm phụ phân hủy gây suy giảm độ bền nhiệt của vật liệu.

Tại sao monomer NVP lại có khả năng chống suy thoái nhiệt cho gốc Acrylamide?
Monomer NVP sở hữu cấu trúc vòng lactam 5 cạnh phân cực cồng kềnh. Khi tích hợp vào mạch copolymer, vòng này tạo hiệu ứng cản trở lập thể không gian, bảo vệ các nhóm amide lân cận khỏi sự tấn công của nước và ion đa hóa trị, ngăn chặn triệt để phản ứng tự thủy phân và kết tủa ở nhiệt độ trên 90 °C.

Graphene Oxide đóng vai trò gì trong cấu trúc nanocomposite GO–P(AM-NVP)?
Phiến nano Graphene Oxide dạng phẳng 2D đóng vai trò như một giá đỡ cơ - nhiệt siêu bền. Các liên kết cộng hóa trị giữa chuỗi copolymer và bề mặt GO tạo nên mạng lưới lai hóa nano, giúp phân tán ứng suất nhiệt, gia tăng độ nhớt động học của dung dịch và hỗ trợ làm giảm sức căng bề mặt pha dầu - nước trong vỉa.

Thách thức lớn nhất của mỏ Bạch Hổ đối với công nghệ ngập lụt polymer là gì?
Thách thức chính là nhiệt độ vỉa cực cao (110–123 °C ở tầng Miocen và 120–135 °C ở tầng Oligocen) kết hợp với độ mặn lớn và hàm lượng ion $Ca^{2+}, Mg^{2+}$ cao trong nước bơm ép. Các điều kiện khắc nghiệt này phá hủy nhanh chóng các loại polymer thương mại, đòi hỏi vật liệu phải có độ bền nhiệt - hóa đặc biệt.

Độ bền của hệ phân tán nano GO–P(AM-NVP) đã được kiểm chứng như thế nào?
Hệ phân tán được kiểm chứng thông qua thử nghiệm ủ nhiệt liên tục suốt 31 ngày trong nước vỉa nhân tạo ở 123 °C và 135 °C bên trong ống thủy tinh chịu áp lực thổi khí trơ $N_2$. Kết quả đo nhớt định kỳ và quan sát quang học cho thấy dung dịch duy trì độ trong suốt, không kết tủa và giữ vững trên 85% độ nhớt ban đầu.

Kết luận

• Đã thiết lập thành công quy trình công nghệ xanh tổng hợp copolymer P(AM-NVP) bằng phương pháp chiếu xạ tia gamma $^{60}Co$ tại liều hấp thụ tối ưu 5 kGy, loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng chất khơi mào hóa học độc hại.
• Xác lập chính xác bộ thông số tối ưu hóa phản ứng đồng trùng hợp thông qua mô hình bề mặt đáp ứng RSM: tỷ lệ mol AM/NVP đạt 1,7 và nồng độ monomer tổng đạt 23 wt.%.
• Chế tạo thành công vật liệu nanocomposite GO–P(AM-NVP) với liên kết cộng hóa trị bền vững, được kiểm chứng đầy đủ qua các phương pháp phân tích cấu trúc tiên tiến như FTIR, Raman, SEM-EDX, GPC và TGA.
• Chứng minh hệ phân tán GO–P(AM-NVP) có độ ổn định nhiệt và độ bền hóa học vượt trội trong môi trường nước vỉa nhân tạo tại 135 °C liên tục suốt 31 ngày, đáp ứng hoàn hảo điều kiện tầng Oligocen mỏ Bạch Hổ.
• Vật liệu mở ra giải pháp công nghệ giàu tiềm năng giúp nâng cao hệ số thu hồi dầu thêm 10%–15% OOIP cho các mỏ dầu nhiệt độ cao ngoài khơi Việt Nam và khu vực Đông Nam Á.

Kế hoạch phát triển tiếp theo bao gồm việc hoàn thiện thử nghiệm ngập lụt trên mẫu lõi đá thực tế (core flooding) và chuyển giao công nghệ sản xuất quy mô pilot trong giai đoạn 2022–2023. Các đơn vị khai thác dầu khí và viện nghiên cứu chuyên ngành quan tâm có thể liên hệ hợp tác triển khai thử nghiệm hiện trường nhằm sớm đưa vật liệu vào ứng dụng thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION VIETNAM ACADEMY OF HOANG ANH QUAN AND TRAINING SCIENCE AND TECHNOLOGY GRADUATE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Hoang Anh Quan ORGANIC CHEMISTRY DESIGN OF STABLE GRAPHENE OXIDE-COPOLYMER NANOCOMPOSITE DISPERSION ORIENTATED FOR EOR APPLICATION IN HIGH-TEMPERATURE OFFSHORE RESERVOIRS Major : Organic Chemistry Code: 8440114 MASTER THESIS ORGANIC CHEMISTRY 2021 Ho Chi Minh City - 2021 MINISTRY OF EDUCATION VIETNAM ACADEMY OF AND TRAINING SCIENCE AND TECHNOLOGY GRADUATE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Hoang Anh Quan DESIGN OF STABLE GRAPHENE OXIDE-COPOLYMER NANOCOMPOSITE DISPERSION ORIENTATED FOR EOR APPLICATION IN HIGH-TEMPERATURE OFFSHORE RESERVOIRS Major: Organic Chemistry Code: 8440114 MASTER THESIS SCIENTIFIC SUPERVISOR: Dr. Luu Anh Tuyen Assoc. Nguyen Phuong Tung Ho Chi Minh City - 2021 ASSURANCE FOR MASTER THESIS I assure you that the data and research results in this master thesis are my research work based on documents and data that I have researched myself. Therefore, the research results ensure the most honesty and objective.

At the same time, this result has never appeared in any other study. Any help in this thesis was thanked and reference information such as method, data, figures, and pictures was cited clearly. The data and results stated in the thesis are honest, if wrong, I will take full responsibility. Ho Chi Minh city, October 31st, 2021 Learner Hoang Anh Quan ACKNOWLEDGMENT Throughout the writing of this dissertation, I have received a great deal of support and assistance.

I would first like to thank my scientific supervisors, Assoc. Nguyen Phuong Tung and Dr. Luu Anh Tuyen, whose expertise were invaluable in formulating the research questions and methodology. Your insightful feedback pushed me to sharpen my thinking and brought my work to a higher level.

I would like to acknowledge my research group from Materials for enhanced oil recovery and energy conversion Lab - Institute of Applied Materials Science, who were always interested and enthusiastically supported me during the study period and completed this thesis experiment. I would also like to thank lecturers from Graduate University of Science and Technology, for their valuable guidance throughout my studies. You provided me with the knowledge and tools that I needed to choose the right direction and complete my dissertation. In addition, I would like to thank my parents for their wise counsel and sympathetic ear.

You are always there for me. Finally, I could not have completed this dissertation without the support of my friends, who provided stimulating discussions and happy distractions to rest my mind outside of my research. ABSTRACT Thermostable and highly water-soluble polymers are essential for polymer flooding — one of the most effective methods used in the enhanced oil recovery (EOR) in high- temperature (HT) offshore reservoirs. In this research, the copolymerization reaction of acrylamide (AM) and N-vinylpyrrolidone (NVP) monomers were performed via a free- radical mechanism induced by gamma-rays (γ-rays) irradiation.

The impact of input data (the ratio and the concentration of the monomer to product-solution viscosity) was scanned in detail and used to optimize the copolymerization conditions. The optimal viscosity values of the polymer concentration were 0. Therefore, the optimal conditions for copolymerization were obtained at 1.7 for AM/NVP monomer ratios and 23.% for monomers concentration. The copolymerization induced by γ-rays irradiation in optimized conditions was then carried out, and the obtained viscosity of 0.% of produced copolymers solutions was 5.

These results were in good agreement with the calculated values. The obtained copolymers were then covalently coupled with graphene oxide (GO) synthesized from natural graphite using the modified Hummer’s method. The product nanocomposites, called GO–P(AM-NVP), were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, and gel permeation chromatography. The thermal and chemical stabilities of brine-dispersed P(AM-NVP) copolymers annealed at 123 °C (the WT Miocene reservoir temperature) and GO–P(AM-NVP) nanocomposite dispersion annealed at 135 °C (the WT Oligocene reservoir temperature) for 31 days were observed via visual inspection and viscosity testing.

Results indicated that the dispersions of P(AM-NVP) copolymers and P(AM-NVP) copolymers conjugated on GO nanosheets have excellent thermal and chemical stabilities and hence became a promising agent for EOR in HT offshore reservoirs. GRAPHICAL ABSTRACT Hoang Anh Quan – Master thesis Contents CONTENTS CONTENTS .i LIST OF FIGURES. iv LIST OF TABLES. vii LIST OF ABBREVIATION.