Использование нанофлюидов на основе углеродных наночастиц для вытеснения нефти из модели пористой среды

Об авторах:

Пахаруков Юрий Вавилович, доктор физико-математических наук, профессор, Тюменский государственный университет; pacharukovyu@yandex.ru
Шабиев Фарид Канафеович, кандидат физико-математических наук, доцент, Тюменский государственный университет; faridshab@mail.ru

Сафаргалиев Руслан Фаридович, аспирант, Тюменский государственный университет; ruslan.safargaliev@mail.ru

Ездин Борис Семёнович, кандидат физико-математических наук, доцент, Новосибирский государственный университет; bse@nsu.ru

Каляда Валерий Владимирович, ведущий электроник отдела прикладной физики физического факультета, Новосибирский государственный университет; v.kalyada@nsu.ru

Аннотация:

Графен, благодаря своей двухмерной структуре, обладает уникальными свойствами. Так, например, теплопроводность и электропроводность графена на порядок превышает теплопроводность и электропроводность меди. По этой причине нанофлюиды на основе графена уже сейчас используются во многих отраслях промышленности. Благодаря эффекту самоорганизации графеновых наночастиц с углеводородными молекулами использование графена стало возможным и в нефтедобывающей промышленности. Наножидкости на основе графена применяются в качестве вытесняющей жидкости, увеличивающие коэфициент нефтеотдачи. Вытесняющие способности наножидкостей на основе графена зависят от концентраций. Увеличения концентрации наночастиц, влечет за собой увеличение вязкости, что негативно сказывается на эксплуатационных характеристиках нанофлюида. Частично эта проблема решается благодаря синергетическому эффекту, гибридные нанофлюиды, состоящие из наночастиц графена и металлов или карбидов усиливают вытесняющую способность.

В данной работе, используя методы атомно-силовой микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и методы молекулярного моделирования, исследовано образование надмолекулярных структур, формирующих переходную область на границе раздела нефть-нанофлюид с низким поверхностным натяжением, как результат синергетического эффекта при взаимодействии планарных наночастиц графена и наночастиц карбида кремния покрытых слоями графена (Core-shell). В модельных экспериментах на ячейке Хеле-Шоу показано, что в пористой среде такие гибридные нанофлюиды обладают высокой вытесняющей способностью остаточной нефти. При этом граница раздела нефть — нанофлюид остается устойчивой без образования вязких пальцев.

В процессе исследования установлено, что наблюдается переходная область, в структурировании которой непосредственно участвовали наночастицы. Эффективность вытеснения нонофлюидами зависит от концентрации наночастиц и их взаимодействия.

Список литературы:

1. Рудяк В. Я. Современные проблемы микро- и нанофлюидики / В. Я. Рудяк, А. В. Минаков. Новосибирск: Наука, 2016. 296 с.

2. Altunina L. K. Physicochemical methods for enhancing oil recovery from oil fields / L. K. Altunina, V. A. Kuvshinov // Russian Chemical Reviews. 2007. Vol. 76. No. 10. Pp. 971-987. DOI: 10.1070/RC2007v076n10ABEH003723

3. Davidson E. R. Basis set selection for molecular calculations / E. R. Davidson, D. Feller // Chemical Reviews. 1986. Vol. 86. No. 4. Pp. 681-696. DOI: 10.1021/cr00074a002

4. Devendiran D. K. A review on preparation, characterization, properties and applications of nanofluids / D. K. Devendiran, V. A. Amirtham // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016. Vol. 60. Pp. 21-40. DOI: 10.1016/j.rser.2016.01.055

5. Ezdin B. Data on the structure, chemical state of silicon carbide synthesized by adiabatic cyclic compression in a chemical reactor / B. Ezdin, D. Yatsenko, V. Kalyada, A. Zarvin, A. Ichshenko, A. Nikiforov, P. Snytnikov // Data in Brief. 2020. Vol. 28. Art. 104868. DOI: 10.1016/j.dib.2019.104868

6. Ezdin B. S. Pyrolysis of a mixture of monosilane and alkanes in a compression reactor to produce nanodispersed silicon carbide / B. S. Ezdin, D. A. Yatsenko, V. V. Kalyada, A. B. Ichshenko, A. E. Zarvin, A. A. Nikiforov, P. V. Snytnikov // Chemical Engineering Journal. 2020. Vol. 381. Art. 122642. DOI: 10.1016/j.cej.2019.122642

7. Hehre W. J. Self consistent molecular orbital methods. I. Use of Gaussian expansions of Slater-type atomic orbitals / W. J. Hehre, R. F. Stewart, J. A. Pople // The Journal of Chemical Physics. 1969. Vol. 51. No. 6. Pp. 2657-2664. DOI: 10.1063/1.1672392

8. Huminic G. Application of nanofluids in heat exchangers: a review / G. Huminic, A. Huminic // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012. Vol. 16. No. 8. Pp. 5625-5638. DOI: 10.1016/j.rser.2012.05.023

9. Kazemi I. A novel comparative experimental study on rheological behavior of mono & hybrid nanofluids concerned graphene and silica nano-powders: characterization, stability and viscosity measurements / I. Kazemi, M. Sefid, M. Afrand // Powder Technology. 2020. Vol. 366. Pp. 216-229. DOI: 10.1016/j.powtec.2020.02.010

10. Leong K. Y. An overview on current application of nanofluids in solar thermal collector and its challenges / K. Y. Leong, H. C. Ong, N. H. Amer, M. J. Norazrina, M. S. Risby, K. Z. Ku Ahmad // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016. Vol. 53. Pp. 1092-1105. DOI: 10.1016/j.rser.2015.09.060

11. Luo D. Nanofluid of graphene-based amphiphilic Janus nanosheets for tertiary or enhanced oil recovery: high performance at low concentration / D. Luo, F. Wang, J. Zhu, F. Cao, Y. Liu, X. Li, R. C. Willson, Z. Yang, C.-Wu Chu, Z. Ren // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2016. Vol. 113. No. 28. Pp. 7711-7716. DOI: 10.1073/pnas.1608135113

12. Martyushev L. M. Metastability at the displacement of a fluid in a Hele-Shaw cell / L. M. Martyushev, A. I. Birzina // JETP Letters. 2014. Vol. 99. Pp. 446-451. DOI: 10.1134/S0021364014080104

13. Mehrali M. Heat transfer and entropy generation analysis of hybrid graphene/Fe₃O₄ ferro-nanofluid flow under the influence of a magnetic field / M. Mehrali, E. Sadeghinezhad, A. R. Akhiani, S. Tahan Latibari, H. Simon Cornelis Metselaar, A. Sh. Kherbeet, M. Mehrali // Powder Technology. 2017. Vol. 308. Pp. 149-157. DOI: 10.1016/j.powtec.2016.12.024

14. Microemulsions: Structure and Dynamics / edited by S. E. Friberg and P. Bothorel. United States: CRC Press, 1987.

15. Moghadam I. P. Curve-fitting on experimental data for predicting the thermal-conductivity of a new generated hybrid nanofluid of graphene oxide-titanium oxide/water / I. P. Moghadam, M. Afrand, S. M. Hamad, A. A. Barzinjy, P. Talebizadehsardari // Physica A. 2020. Vol. 548. Art. 122140. DOI: 10.1016/j.physa.2019.122140

16. Pakharukov Yu. V. Formation of a wave structure on the surface of a graphene film / Yu. V. Pakharukov, F. K. Shabiev, V. V. Mavrinskii, R. F. Safargaliev, V. V. Voronin // JETP Letters. 2019. Vol. 109. Pp. 615-619. DOI: 10.1134/S002136401909011X

17. Pakharukov Yu. V. Oil Displacement from a porous medium with the aid of a graphite suspension / Yu. V. Pakharukov, F. K. Shabiev, R. F. Safargaliev // Technical Physics Letters. 2018. Vol. 44. No. 2. Pp. 130-132. DOI: 10.1134/S1063785018020268

18. Pakharukov Yu. V. Oil filtration in a porous medium in the presence of graphene nanoparticles / Yu. V. Pakharukov, F. K. Shabiev, B. V. Grigoriev, R. F. Safargaliev, I. R. Potochnyak // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2019. Vol. 60. No. 1. Pp. 31-34. DOI: 10.1134/S002189441901005X

19. Parrinello R. Car M. Unified approach for molecular dynamics and density-functional theory / R. Car M. Parrinello // Physical Review Letters. 1986. Vol. 55. No. 22. Pp. 2471-2474. DOI: 10.1103/PhysRevLett.55.2471

20. Peng B. A review of nanomaterials for nanofluid enhanced oil recovery / B. Peng, L. Zhang, J. Luo, P. Wang, B. Ding, M. Zeng, Z. Cheng // RSC Advances. 2017. Vol. 10. No. 72. Pp. 32246-32254. DOI: 10.1039/C7RA05592G

21. Radnia H. Experimental assessment of graphene oxide adsorption onto sandstone reservoir rocks through response surface methodology / H. Radnia, A. Reza Solaimany Nazar, A. Rashidi // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2017. Vol. 80. Pp. 34-45. DOI: 10.1016/j.jtice.2017.07.033

22. Ranga Babu J. A. State-of-art review on hybrid nanofluids / J. A. Ranga Babu, K. Kiran Kumar, S. Srinivasa Rao // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 77. Pp. 551-565. DOI: 10.1016/j.rser.2017.04.040

23. Rashidi A. Application of Nanoparticles for Chemical Enhanced Oil Recovery / A. Rashidi, A. Reza Solaimany Nazar, H. Radnia // Iranian Journal of Oil & Gas Science and Technology. 2018. Vol. 7. No. 1. Pp. 1-19.

24. Rostami S. The effect of hybrid nano-additive consists of graphene oxide and copper oxide on rheological behavior of a mixture of water and ethylene glycol / S. Rostami, A. Ahmadi Nadooshan, A. Raisi // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2020. Vol. 139. Pp. 2353-2364. DOI: 10.1007/s10973-019-08569-y

25. Rudyak V. Ya. Viscosity of nanofluids. Why it is not described by the classical theories / V. Ya. Rudyak // Advances in Nanoparticles. 2013. Vol. 2. No. 3. Pp. 266-276. DOI: 10.4236/anp.2013.23037

26. Sadeghinezhad E. A comprehensive review on graphene nanofluids: recent research, development and applications / E. Sadeghinezhad, M. Mehrali, R. Saidur, M. Mehrali, S. Tahan Latibari, A. R. Akhiani, H. S. C. Metselaar // Energy Conversion and Management. 2016. Vol. 111. Pp. 466-487. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.01.004

27. Said Z. Stability, thermophysical and electrical properties of synthesized carbon nanofiber and reduced-graphene oxide-based nanofluids and their hybrid along with fuzzy modeling approach / Z. Said, M. Ali Abdelkareem, H. Rezk, A. M. Nassef, H. Zeyad Atwany // Powder Technology. 2020. Vol. 364. Pp. 795-809. DOI: 10.1016/j.powtec.2020.02.026

28. Saidur R. A review on applications and challenges of nanofluids / R. Saidur, K. Y. Leong, H. A. Mohamm // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2011. Vol. 15. No. 3. Pp. 1646-1668. DOI: 10.1016/j.rser.2010.11.035

29. Siddiqui F. R. Evaporation and wetting behavior of silver-graphene hybrid nanofluid droplet on its porous residue surface for various mixing ratios / F. R. Siddiqui, C. Y. Tso, S. C. Fu, H. H. Qiu, Christopher Y. H. Chao // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020. Vol. 153. Art. 119618. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119618

30. Solangi K. H. A comprehensive review of thermo-physical properties and convective heat transfer to nanofluids / K. H. Solangi, S. N. Kazi, M. R. Luhur, A. Badarudin, A. Amiri, R. Sadri, M. N. M. Zubir, S. Gharahkhani, K. H. Teng // Energy. 2015. Vol. 89. Pp. 1065-1086. DOI: 0.1016/j.energy.2015.06.105

31. Sun X. Application of nanoparticles in enhanced oil recovery: a critical review of recent progress / X. Sun, Y. Zhang, G. Chen, Z. Gai // Energies. 2017. Vol. 10. No. 3. Art. 345. DOI: 10.3390/en10030345

32. Vallejo J. P. Tailored silver/graphene nanoplatelet hybrid nanofluids for solar applications / J. P. Vallejo, E. Sani, G. Zyla, L. Lugo // Journal of Molecular Liquids. 2019. Vol. 296. Art. 112007. DOI: 10.1016/j.molliq.2019.112007

33. Yarmand H. Nanofluid based on activated hybrid of biomass carbon/graphene oxide: synthesis, thermo-physical and electrical properties / H. Yarmand, S. Gharehkhani, S. Farid Seyed Shirazi, A. Amiri, E. Montazer, H. Khajeh Arzani, R. Sadri, M. Dahari, S. N. Kazi // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2016. Vol. 72. Pp. 10-15. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2016.01.004