Luận văn thạc sĩ về vật liệu nano oxit sắt từ bọc polymer trong thu hồi dầu

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo vật liệu nano oxit sắt từ bọc polymer để định hướng ứng dụng trong tăng cường thu hồi dầu, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Hoàng Anh Quân
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Phương Tùng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Oxit Sắt Từ Bọc Polymer Cho Thu Hồi Dầu Hiệu Quả
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT KHÓA LUẬN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Các giai đoạn khai thác và tăng cường thu hồi dầu
• 1.1. Giai đoạn khai thác dầu sơ cấp
• 1.2. Giai đoạn khai thác dầu thứ cấp
• 1.3. Giai đoạn tăng cường thu hồi dầu
• 1.4. Các phương pháp áp dụng trong tăng cường thu hồi dầu
• 1.4.1. Tăng độ nhớt của nước
• 1.4.2. Tăng cường hiệu suất quét
• 1.4.3. Bơm ép hơi nước
• 1.4.4. Giảm độ nhớt của dầu
• 1.4.5. Đốt tại chỗ
• 1.4.6. Bơm ép CO2
• 1.4.7. Sử dụng chất lưu đẩy có khả năng trộn lẫn
• 1.4.8. Đốt tại chỗ
• 1.4.9. Tăng cường hiệu suất đẩy của các chất lưu HĐBM
• 1.4.10. Thay đổi tính dính ướt của đá vỉa
• 1.5. Hiệu suất quét vi mô
• 1.6. Hiệu suất quét vĩ mô
• 1.7. Hệ chất lỏng nano
• 1.7.1. Những nghiên cứu về vật liệu nano và hệ chất lỏng nano trong những năm gần đây
• 1.7.2. Tiềm năng ứng dụng các hạt nano trong TCTHD
• 1.7.3. Hệ chất lỏng nano từ tính
• 1.7.3.1. Vật liệu từ tính
• 1.7.3.1.1. Vật liệu oxit sắt từ (ferrous ferric oxide/magnetite)
• 1.7.3.1.2. Vật liệu từ tính Fe3O4
• 1.7.3.1.3. Vật liệu từ tính Fe3O4 kích thước nano
• 1.7.3.2. Hệ chất lỏng nano từ tính
• 1.7.3.3. Tổng hợp hạt nano từ tính
• 1.7.3.3.1. Một số phương pháp tổng hợp hạt nano oxit sắt từ hiện nay
• 2. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2.1. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
• 2.2. Hóa chất và vật liệu sử dụng
• 2.3. Thiết bị thí nghiệm và thiết bị phân tích
• 2.3.1. Thiết bị thí nghiệm
• 2.3.2. Thiết bị phân tích
• 2.4. Quy trình thực nghiệm
• 2.4.1. Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4. Phương pháp đồng kết tủa
• 2.4.2. Phương pháp phân hủy nhiệt
• 2.4.3. Quy trình tổng hợp Oleic acid bọc hạt nano Fe3O4 (OMNPs)
• 2.4.4. Quy trình tổng hợp copolymer MMA – AMPS bọc OMNPs (PMNPs)
• 2.5. Khảo sát đặc trưng lý hóa của vật liệu
• 2.6. Khảo sát tiềm năng ứng dụng của vật liệu PMNPs trong TCTHD
• 2.6.1. Sức căng bề mặt
• 2.6.2. Khả năng thu hồi và tái sử dụng
• 3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
• 3.1. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1.1. Kết quả khảo sát đặc trưng lý hóa hạt nano Fe3O4
• 3.1.1.1. Kết quả đo FTIR
• 3.1.1.2. Kết quả đo PXRD
• 3.1.1.3. Kết quả hình ảnh TEM
• 3.1.1.4. Kết quả đo VSM – đặc trưng cho tính chất từ của vật liệu
• 3.1.1.5. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng TGA
• 3.1.2. Kết quả khảo sát đặc trưng lý hóa vật liệu OMNPs
• 3.1.2.1. Kết quả đo FTIR
• 3.1.2.2. Kết quả đo VSM – đặc trưng cho tính chất từ của vật liệu
• 3.1.3. Kết quả khảo sát đặc trưng lý hóa vật liệu PMNPs
• 3.1.3.1. Kết quả đo FTIR
• 3.1.3.2. Kết quả đo PXRD
• 3.1.3.3. Kết quả đo DLS
• 3.1.3.4. Kết quả hình ảnh TEM
• 3.1.3.5. Kết quả đo VSM – đặc trưng cho tính chất từ của vật liệu
• 3.1.3.6. Kết quả đo phân tích nhiệt trọng lượng TGA
• 3.1.4. Kết quả khảo sát tiềm năng ứng dụng của PMNPs trong TCTHD
• 3.1.4.1. Kết quả khảo sát sức căng bề mặt
• 3.1.4.2. Kết quả khảo sát độ bền nhiệt
• 3.1.4.3. Kết quả thu hồi và tái sử dụng vật liệu
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vật liệu nano oxit sắt từ bọc polymer

Nghiên cứu về vật liệu nano oxit sắt từ bọc polymer đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp khai thác dầu khí. Vật liệu nano oxit sắt từ, đặc biệt là Fe3O4, đã được chứng minh có khả năng thu hồi dầu hiệu quả. Việc bọc polymer không chỉ giúp ổn định các hạt nano trong môi trường khắc nghiệt mà còn cải thiện tính năng thu hồi dầu. Theo nghiên cứu, khoảng 70% lượng dầu vẫn còn lại sau các giai đoạn khai thác sơ cấp và thứ cấp, do đó, việc phát triển các giải pháp mới như vật liệu nano từ tính bọc polymer là cần thiết. Các hạt nano này có thể giảm sức căng bề mặt và tăng cường khả năng thu hồi dầu, từ đó nâng cao hiệu suất khai thác. Đặc biệt, nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và khảo sát các đặc tính của vật liệu nano từ tính bọc polymer, nhằm tìm ra giải pháp tối ưu cho quá trình thu hồi dầu.

1.1. Tính chất của oxit sắt từ

Oxit sắt từ, đặc biệt là Fe3O4, có nhiều tính chất nổi bật như tính từ tính cao và khả năng tương tác tốt với các chất lỏng khác. Tính chất này giúp vật liệu nano oxit sắt từ có thể được sử dụng hiệu quả trong các ứng dụng thu hồi dầu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng vật liệu nano này có thể làm giảm sức căng bề mặt giữa dầu và nước, từ đó cải thiện khả năng di chuyển của dầu trong các khe nứt của đá vỉa. Hơn nữa, việc bọc polymer giúp tăng cường tính ổn định của hạt nano trong môi trường nước biển, điều này rất quan trọng trong quá trình thu hồi dầu. Các phương pháp phân tích như FTIR, DLS, TEM đã được sử dụng để khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu, cho thấy rằng các hạt nano có kích thước từ 12-15 nm có khả năng bền nhiệt và tiềm năng ứng dụng cao trong TCTHD.

II. Quy trình tổng hợp vật liệu nano

Quy trình tổng hợp vật liệu nano oxit sắt từ bọc polymer bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, hạt nano Fe3O4 được tổng hợp thông qua phương pháp đồng kết tủa hoặc phân hủy nhiệt. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng đều hướng đến việc tạo ra các hạt nano có kích thước đồng đều và tính chất từ tính tốt. Sau khi tổng hợp hạt nano, bước tiếp theo là bọc polymer, sử dụng copolymer MMA-co-AMPS với cầu nối là Oleic acid. Quá trình này không chỉ giúp ổn định hạt nano mà còn cải thiện khả năng phân tán trong môi trường nước biển. Kết quả khảo sát cho thấy, vật liệu tổng hợp có cấu trúc lõi-vỏ, ổn định nhiệt và có khả năng phân tán tốt trong các dung dịch dầu. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng trong TCTHD, đặc biệt là trong các mỏ dầu có điều kiện khai thác khó khăn.

2.1. Phương pháp tổng hợp

Phương pháp đồng kết tủa và phân hủy nhiệt là hai phương pháp chính được sử dụng để tổng hợp hạt nano Fe3O4. Phương pháp đồng kết tủa cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt nano, trong khi phương pháp phân hủy nhiệt giúp tạo ra các hạt nano với tính chất từ tính cao hơn. Sau khi tổng hợp, các hạt nano được bọc polymer thông qua phương pháp vi nhũ-polymer hóa. Quá trình này giúp tạo ra lớp vỏ polymer bao bọc xung quanh hạt nano, từ đó cải thiện tính ổn định và khả năng tương tác với các chất lỏng khác. Kết quả khảo sát cho thấy, vật liệu tổng hợp có khả năng phân tán tốt trong nước biển và ổn định ở nhiệt độ cao, điều này rất quan trọng cho ứng dụng trong TCTHD.

III. Tiềm năng ứng dụng trong thu hồi dầu

Vật liệu nano oxit sắt từ bọc polymer có tiềm năng ứng dụng lớn trong quá trình thu hồi dầu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng vật liệu nano này có thể làm giảm sức căng bề mặt giữa dầu và nước, từ đó cải thiện khả năng thu hồi dầu. Hệ chất lỏng nano từ tính bọc polymer không chỉ giúp tăng cường hiệu suất thu hồi mà còn có khả năng tái sử dụng cao. Kết quả khảo sát cho thấy, các hạt nano có kích thước từ 12-15 nm có khả năng bền nhiệt và ổn định trong môi trường nước biển. Điều này cho phép chúng có thể được sử dụng trong các mỏ dầu có điều kiện khai thác khó khăn, nơi mà các phương pháp truyền thống không đạt hiệu quả cao. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu nano này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất thu hồi dầu mà còn góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu tác động tiêu cực từ việc khai thác dầu.

3.1. Hiệu quả thu hồi dầu

Hiệu quả thu hồi dầu từ việc sử dụng vật liệu nano oxit sắt từ bọc polymer đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu. Các thí nghiệm cho thấy, việc sử dụng hệ chất lỏng nano có thể tăng cường hiệu suất thu hồi lên đến 30% so với các phương pháp truyền thống. Điều này không chỉ giúp tăng cường sản lượng dầu khai thác mà còn giảm thiểu chi phí và thời gian cho quá trình khai thác. Hơn nữa, việc sử dụng vật liệu nano này còn giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, bởi chúng có khả năng tái sử dụng và không gây hại cho hệ sinh thái. Các nghiên cứu tiếp theo cần được thực hiện để tối ưu hóa quy trình và mở rộng ứng dụng của vật liệu nano trong ngành công nghiệp dầu khí.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Các giai đoạn khai thác và tăng cường thu hồi dầu Sau khi khảo sát cấu trúc địa chất bằng các phương tiện khác nhau như sử dụng thiết bị khảo sát địa chấn (được biết đến với tên gọi là phương pháp “bật lửa” (sparking)), khoan thăm dò, từ kế, máy đo trọng lực, phân tích các mẫu dầu để biết được số lượng và chất lượng của các mỏ dầu tiềm năng bởi các nhà địa chất học, nhóm kỹ sư sẽ tiến hành khoan xuống lòng đất để tạo các giếng dầu, bắt đầu cho các quá trình khai thác dầu khí. Giai đoạn khai thác dầu sơ cấp Trong giai đoạn khai thác ban đầu, áp suất vỉa còn cao, dầu được đẩy đến giếng khai thác nhờ năng lượng nội tại của vỉa. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp để tăng cường tiến độ khai thác của mỏ khi năng lượng của vỉa yếu đi, người ta bổ sung năng lượng tại các giếng khai thác (bơm piston, sử dụng gaslift, bơm ngầm, …) cho phép khai thác sớm lượng dầu trên bề mặt nhưng hiệu quả thu hồi thêm lại không cao [3].

Giai đoạn này ta sẽ thu được khoảng 5 – 12% lượng dầu trong vỉa [4]. Giai đoạn khai thác dầu thứ cấp Giai đoạn khai thác thứ cấp thường được bắt đầu khi áp suất vỉa chứa trong giai đoạn khai thác sơ cấp suy giảm, khiến việc khai thác trở nên khó khăn do đó giảm sản lượng dầu khai thác. Năng lượng trong vỉa suy giảm khiến dầu thô không thể di chuyển đến các giếng khai thác. Từ đó, người ta tiến hành bơm ép các loại lưu thể tự nhiên (nước, khí) vào vỉa cụ thể nhằm duy trì , phục hồi hoặc tăng áp suất vỉa (cung cấp năng lượng cho vỉa từ bên ngoài).

Tùy vào điều kiện của vỉa chứa dầu, các lưu thể được bơm vào có thể được lấy từ các vỉa/mỏ lân cận hoặc từ trên bề mặt cung cấp [3]. Các quá trình thực hiện trong giai đoạn này chủ yếu nhằm vào hai mục đích, đó là tạo lực “quét” dầu cuốn theo dòng chất lỏng đi lên và duy trì áp lực trong vỉa dầu. Giai đoạn này ta thu được khoảng 10% – 25% lượng dầu được lấy ra và kéo dài từ sáu đến mười năm tùy vào kết cấu địa tầng của vỉa dầu [4]. 1 Luan van Trong giai đoạn khai thác dầu sơ cấp và thứ cấp, dầu dịch chuyển trong vỉa và đưa lên bề mặt chủ yếu dựa vào năng lượng nội tại của vỉa hoặc/và bổ sung từ bên ngoài vào bằng các kỹ thuật, công nghệ khai thác dầu không quá phức tạp nên được gọi là thu hồi dầu thông thường (COR) [3].

Giai đoạn tăng cường thu hồi dầu Sau thời gian bơm ép nước, lượng dầu dưới vỉa bị giảm dẫn đến việc dùng áp lực nước để đẩy dầu lên không còn tác dụng. Khi đó phần lớn nước được bơm xuống sẽ lên miệng giếng trong khi dầu vẫn còn mắc kẹt trong những khe đá hoặc bám vào đá [4]. Vì vậy, để có thể tiếp tục khai thác và thu hồi dầu, cần có tác động của những yếu tố khác nhằm thay đổi đặc tính của lưu chất và đá vỉa, như làm giảm các lực giữ dầu trong các lỗ rỗng của đá vỉa cũng như thay đổi tính dính ướt của đá; giảm sức căng bề mặt liên diện giữa hai pha dầu – nước; giảm độ nhớt của dầu và/hoặc tăng độ nhớt của dung dịch bơm ép,… Các phương pháp được sử dụng trong giai đoạn này được gọi là giai đoạn khai thác tam cấp (bậc ba), thường được biết đến với tên gọi là giai đoạn tăng cường thu hồi dầu (TCTHD). Các phương pháp áp dụng trong tăng cường thu hồi dầu Tăng độ nhớt của nước Dùng Polymer Tăng cường hiệu suất quét Bơm ép hơi nước Giảm độ nhớt của dầu Đốt tại chỗ TCTHD Bơm ép CO2 Sử dụng chất lưu đẩy có khả năng trộn lẫn Đốt tại chỗ Tăng cường hiệu Giảm sức căng bề mặt Dùng các chất suất đẩy của các chất lưu HĐBM Thay đổi tính dính ước Dùng các chất của đá vỉa kiềm Hình 1.

Nguyên lý chung các phương pháp TCTHD [4]. Ở Việt Nam đã áp dụng một số biện pháp nâng cao thu hồi dầu: bơm ép thử nghiệm chất hoạt động bề mặt, vi sinh, hóa lý tại đối tượng cát kết mỏ Bạch Hổ. Đồng thời các chuyên gia của PetroVietNam đang nghiên cứu các biện pháp nâng cao thu hồi dầu: phân tích và nghiên cứu khả năng bơm ép CO2 cho đối tượng cát kết mỏ Rạng Đông; bơm ép polymer cho đối tượng cát kết mỏ Bạch Hổ; bơm ép nước và khí hydrocarbon luân phiên tầng Miocene mỏ Bạch Hổ, mỏ Rạng Đông…Tuy nhiên, các biện pháp nêu trên không thể áp dụng đại trà mà chỉ áp dụng các mỏ có trữ lượng còn tương đối lớn; các mỏ đang khai thác giai đoạn suy giảm sản lượng; các tầng sản phẩm: Miocene, Oligocene, Móng. Gần đây, Viện Khoa học vật liệu Ứng dụng kết hợp với liên doanh Vietsopetro đã tiến hành thử nghiệm công nghiệp hệ dung dịch HĐBM và polymer đã thu được nhiều kết quả tốt.

Ngoài ra, Viện Khoa học vật liệu Ứng dụng cũng đã nghiên cứu nhiều tổ hợp nano SiO2 và chất HĐBM, kết quả cho thấy rằng sức căng về mặt dầu nước giảm từ 24 xuống còn 5. Tuy nhiên, nghiên cứu sâu vào thì thấy các chất bơm ép đã bị bẫy 3 Luan van lại ở pha dầu gây lãng phí, mất hiệu quả. Mặc khác, việc sử dụng chất HĐBM đặc thù có giá thành cao nhưng khả năng chịu nhiệt không ổn định do hầu như các chất HĐBM có độ bền nhiệt không cao. Có hai phương pháp chính TCTHD là phương pháp vật lý và phương pháp hóa học.

Các phương pháp này làm giảm các lực giữ dầu ở trong lỗ rỗng xốp của vỉa đá, làm giảm sức căng bề mặt liên diện giữa hai pha dầu và nước hoặc làm giảm độ nhớt của dầu, tăng độ nhớt của dung dịch bơm ép hoặc thay đổi các đặc tính của vỉa dầu để có thể dễ dàng được khai thác hơn [3]. Phương pháp vật lý bao gồm Bơm khí và Bơm nhiệt. Bơm khí (có thể sử dụng các loại khí có thể trộn lẫn như khí CO2, khí tự nhiên hoặc N2) vào trong bể chứa để giảm SCBM giữa dầu và nước. Trong phương pháp này, lưu chất bơm thường nhanh chóng chảy xói qua các khối đá xốp bên trong mỏ và bỏ qua hầu hết các lượng dầu có tại đó do tỷ lệ lưu động (quyết định bởi độ thẩm thấu và độ nhớt của lưu chất khí so với của dầu) không phù hợp.

Nhược điểm của phương pháp này là phụ thuộc nhiều vào áp suất, nhiệt độ của bể dầu và thành phần dầu thô. Bơm nhiệt bao gồm bơm hơi tuần hoàn, hơi nước và đốt cháy. Phương pháp này làm nóng dầu thô trong quá trình hình thành để giảm SCBM và tăng tính thấm của dầu. Chi phí cao nhưng lại không an toàn là những hạn chế của phương pháp này.

Phương pháp hóa học bao gồm dùng chất chất hoạt động bề mặt (HĐBM), dùng polymer và dùng kiềm. Các chất HĐBM và polymer được sử dụng để hỗ trợ tính di chuyển và giảm SCBM liên diện giữa hai pha dầu và nước và giảm tăng độ nhớt của dung dịch bơm ép, nhờ đó cho phép thu hồi thêm dầu từ bể chứa. Ứng dụng của phương pháp này thường bị hạn chế bởi chi phí cao của hóa chất, sự thất thoát và hấp phụ của chúng lên đá trong mỏ chứa. Ngoài ra, phương pháp bơm chất HĐBM hoặc polymer có thể bị giảm tính hóa học trong điều kiện khắc nghiệt với nhiệt độ và áp suất cao của mỏ.

Hơn nữa, nước muối có độ cứng nước cao và độ nhớt của dầu tương đối cao dẫn đến khả năng mài mòn 4 Luan van của khối đá ngăn các túi dầu/khí và thất thoát lưu chất bơm khi chảy qua các mỏ chứa là hạn chế của phương pháp này [6]. Cơ chế tác động Về cơ bản, dầu bị giữ lại trong vỉa có thể xem gồm hai loại: dầu lưu trong những vùng được quét bởi nước bơm ép và dầu linh động trong những vùng không được quét hoặc những vùng được quét không đáng kể bởi nước bơm ép [7]. Quá trình TCTHD dựa vào cơ chế đẩy dầu/thay thế dầu thông qua các lưu chất bơm ép có những đặc tính khác nhau như đã nêu trên, nhằm giúp dầu còn sót lại có thể đến được giếng khai thác. Hiệu suất thay thế hay hiệu suất quét đại diện cho hiệu quả của quá trình quét dầu và bất kì một quá trình thu hồi dầu nào cũng đều có một hiệu suất quét toàn phần, hiệu suất này có thể được viết thông qua hiệu suất quét vi mô và hiệu suất quét vĩ mô [8]: Soi  Sor E  E D .1) Soi Trong đó: E : hiệu suất quét toàn phần, là tỉ lệ giữa thể tích dầu được thu hồi và thể tích dầu lúc mới bắt đầu quá trình; ED : hiệu suất quét vi mô, nó liên quan đến sự thay thế và tính linh động của dầu trong các khe đá nứt nẻ và lỗ rỗng của vỉa; là thang đo hiệu quả của lưu chất thay thế trong việc di chuyển dầu tại những nơi mà lưu chất tiếp xúc với dầu; phản ảnh độ lớn của độ bảo hòa dầu dư Sor trong vùng tiếp xúc với lưu chất thay thế.

EV : hiệu suất quét vĩ mô; nó liên quan đến hiệu quả tương tác của thể tích lưu chất bơm ép khi tiếp xúc với vỉa, đôi khi còn có tên gọi là hệ số quét và hệ số tương hợp [8], biểu thị hiệu quả quét của lưu chất thay thế trong vỉa, cả theo phương ngang lẫn theo phương dọc miễn là thay thế dầu để dầu có thể đi đến giếng khai thác. Soi : Độ bão hòa dầu ban đầu; Sor : Độ bão hòa dầu dư. 5 Luan van Mục đích của quá trình TCTHD là tác động vào giá trị ED và EV nhằm làm cho hiệu suất toàn phần E tiến đến 1. Quá trình TCTHD lý tưởng là quá trình bơm ép lưu chất lần đầu có thể di chuyển được hết toàn bộ dầu trong các khe đá (Sor → 0), lưu chất thay thế sẽ tiếp xúc được với toàn bộ thể tích vỉa và dầu hoàn toàn đến được giếng khai thác.

Độ giảm giá trị của Sor được chi phối bởi hai yếu tố chính, đó là: + Số mao dẫn “Nc”; + Tỉ số linh động “M”. Hiệu suất quét vi mô Một yếu tố quan trọng của bất kỳ quá trình nâng cao HSTHD nào là nâng cao hiệu quả đẩy dầu ra khỏi lỗ rỗng của đá ở cấp vi mô.