Снижение вязкости нефти с добавлением графеновых нанопластинок

Об авторах:

Шабиев Фарид Канафеович, кандидат физико-математических наук, доцент, Тюменский государственный университет; faridshab@mail.ru

Пахаруков Юрий Вавилович, доктор физико-математических наук, профессор, Тюменский государственный университет; pacharukovyu@yandex.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

Васильев Сергей Александрович, ведущий инженер прикладной физики физического факультета НГУ, Новосибирский государственный университет; svasiljev@mail.ru; ORCID: 0000-0003-0076-9445

Аннотация:

Понимание механизмов взаимодействия между графеновыми наночастицами (ГН) и молекулами нефти имеет решающее значение для успешного извлечения нефти. Многочисленные исследования показали, что наножидкости, а в особенности нанофлюиды (НФ) из семейства графеновых (ГНФ), являются подходящими кандидатами для повышения нефтеотдачи высокообводенных продуктивных пластов. Повышение нефтеотдачи при закачке нанофлюидов объясняется изменением смачиваемости, снижением межфазного натяжения и изменением вязкости. Поэтому знание механизмов, влияющих на вязкость ГНФ является актуальной задачей современной науки, как фундаментальной, так и прикладной. В работе было проведено комплексное исследование молекулярного взаимодействия графеновых наночастиц и углеводородных молекул нефти с целью понять механизмы, влияющие на вязкость наножидкостей. В статье представлены результаты исследования реологических свойств нефти с различным содержанием в ней графеновых наночастиц. При низких концентрациях графеновых наночастиц наблюдается снижение динамической вязкости базовой жидкости на 10%-17%. Показано, что на относительную вязкость влияет не только концентрация, но и температура. Так, для массовой доли графеновых наночастиц 0,5 × 10-3% и температуры 50 °C наблюдается максимальное снижение вязкости, равное 17%. При увеличении массовой доли графеновых наночастиц от 5×10-3% и более нефть проявляет реологические свойства наножидкости. На основе данных, полученных с помощью компьютерного моделирования и прямого наблюдения за самосборкой графеновых наночастиц и молекул углеводородов нефти, предложен механизм, объясняющий причину снижения вязкости наножидкости при низких концентрациях наночастиц. Также было показано, что такое поведение наножидкости возможно, в основном, для углеводородных жидкостей в качестве базовой жидкости и планарных графеновых наночастиц.

Список литературы:

1.       Беленков Е. А. Структура и электронные свойства кристаллов, состоящих из графеновых слоев L6, L4−8, L3−12 и L4−6−12 / Е. А. Беленков, А. Е. Коченгин // ФТТ. 57, 2071–2078. 2015. DOI: 10.1134/S1063783415100030

2.       Китайгородский А. И. Молекулярные кристаллы / А. И. Китайгородский. Москва: Наука, 1971. 424 с. DOI: 10.1016/b978-0-12-410550-8.x5001-1

3.       Нелюбов Д. В. Исследование реологических и низкотемпературных свойств модельных растворов твердых компонентов нефти: научная статья / Д. В. Нелюбов, Л. П. Семихина, А. А. Федорец // Вестник Тюменского государственного университета. Серия: Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2015. Т. 1. № 2 (2). С. 38-49.

4.       Пахаруков Ю. В. Фильтрация нефти в пористой среде с участием графеновых наночастиц / Ю. В. Пахаруков, Ф. К. Шабиев, Б. В. Григорьев, Р. Ф. Сафаргалиев, И. Р. Поточняк // ПМТФ. 2019. Т. 60. № 1. С. 37-40. DOI: 10.15372/PMTF20190105

5.       Пахаруков Ю. В. Формирования волновой структуры на поверхности графеновой пленки / Ю. В. Пахаруков, Ф. К. Шабиев, В. В. Мавринский, Р. Ф. Сафаргалиев, В. В. Воронин // Письма в ЖЭТФ. 2019. T. 109. № 9. C. 634-638. DOI: 10.1134/S0370274X19090133

6.       Полубоярцев Е. Л. Особенности транспорта аномальных нефтей. Введение в реологию: учеб. пособие / Е. Л. Полубоярцев, С. В. Петров, Е. В. Исупова, Н. А. Чикова. Ухта: Ухтинский государственный технический университет, 2014. 70 с.

7.       Рогачев М. К. Реология нефти и нефтепродуктов / М. К. Рогачев, Н. К. Кондрашева. Уфа: Издательство Уфимского государственного нефтяного технического университета, 2000. 89 с.

8.       Сюняев З. И. Нефтяные дисперсные системы / З. И. Сюняев, Р. З. Сюняев,
Р. З. Сафиева. Москва: Химия, 1990. 226 с.

9.       Хасанов М. М. Нелинейные и неравновесные эффекты в реологически сложных средах / М. М. Хасанов, Г. Т. Булгакова. Москва; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003, 288 с.

10.     Ahmadi M. H. Utilization of hybrid nanofluids in solar energy applications: A review / M. H. Ahmadi, M. Ghazvini, M. Sadeghzadeh, M. A. Nazari, M. Ghalandari // Nano-Structures and Nano-Objects. 2019. Vol. 20. Art. 100386. DOI: 10.1016/j.nanoso.2019.100386.

11.     Bahiraei M. Graphene family nanofluids: A critical review and future research directions / M. Bahiraei, S. Heshmatian // Energy Conversion and Management. 2019.
Vol. 196. Pp. 1222-1256. DOI: 10.1016/j.enconman.2019.06.076.

12.     Basu R. Faster in-plane switching and reduced rotational viscosity characteristics in a graphene-nematic suspension / R. Basu, D. Kinnamon, N. Skaggs, J. Womack // Journal of Applied Physics. 2016. Vol. 119. Art. 185107. DOI: 10.1063/1.4949481

13.     Chakarova-Käck S. D. Application of van der Waals density functional to an extended system: Adsorption of benzene and naphthalene on graphite / S. D. Chakarova-Käck, E. Schröder, B. I. Lundqvist, D. C. Langreth // Physical Review Letters. 2006. No. 96. Art. 146107. DOI: 10.1103/PhysRevLett.96.146107

14.     Das S. K. Science and technology / S. K. Das, S. U. S. Choi, W. Yu. John Wiley and Sons, Inc. Hokoben, New Jersey, United States, 2008.

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

16.     Ding F. Pore wettability for enhanced oil recovery, contaminant adsorption and oil/water separation: A review / F. Ding, M. Gao // Advances in Colloid and Interface Science. 2021. Vol. 289. Art. 102377. DOI: 10.1016/j.cis.2021.102377

17.     Esfe M. H. Application of conventional and hybrid nanofluids in different machining processes: A critical review / M. H. Esfe, M. Bahiraei, A. Mir // Advances in Colloid and Interface Science. 2020. Vol. 282. Art. 102199. DOI: 10.1016/j.cis.2020.102199

18.     Girifalco L. A. Energy of cohesion, compressibility, and the potential energy functions of the graphite system / L. A. Girifalco, R. A. Lad // The Journal of Chemical Physics. 1956. Vol. 25. No. 693. DOI: 10.1063/1.1743030

19.     Haisheng Chen. Rheological behaviour of ethylene glycol based titania nanofluids / Haisheng Chen, Yulong Ding, Yurong He, Chunqing Tan // Chemical Physics Letters. 2007. Vol. 444. Iss. 4-6. Pp. 333-337. DOI: 10.1016/j.cplett.2007.07.046

20.     Hajiabadi S. H. An overview on the significance of carbon-based nanomaterials in upstream oil and gas industry / S. H. Hajiabadi, H. A. M. Kalateh-Aghamohammadi, M. Shorgasthi // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2020. Vol. 186. Art. 106783. DOI: 10.1016/j.petrol.2019.106783

21.     Hamze S. Graphene-based nanofluids: A comprehensive review about rheological behavior and dynamic viscosity / S. Hamze, D. Cabaleiro, P. Estelle // Journal of Molecular Liquids. 2021. Vol. 325. Art. 115207. DOI: 10.1016/j.molliq.2020.115207

22.     Hehre W. J. Self‐consistent molecular‐orbital methods. Use of Gaussian expansions of slater‐type atomic orbitals / W. J. Hehre, R. F. Stewart, J. A. Pople // Journal of Chemical Physics. 1969. Vol. 51. Art. 2657. DOI: 10.1063/1.1672392

23.     Jongsuk Lee. Temperature-dependent rheological behavior of nanofluids rich in carbon-based nanoparticles / Jongsuk Lee, Yan Chen, Hong Liang, Sunghan Kim // Journal of Molecular Liquids. 2021. Vol. 325. Art. 114659. DOI: 10.1016/j.molliq.2020.114659

24.     Malkin A. Ya. Chapter 6. Applications of rheology / A. Ya. Malkin, A. Isayev // Rheology. 3^rd edition. ChemTec Publishing, 2017. Pp. 377-432. DOI: 10.1016/B978-1-927885-21-5.50012-6

25.     Mercan H. Chapter 3. Thermophysical and rheological properties of hybrid nanofluids / H. Mercan // Hybrid Nanofluids for Convection Heat Transfer. Edited by H. M. Ali. Academic Press, 2020. Pp. 101-142. DOI: 10.1016/B978-0-12-819280-1.00003-3

26.     Ning Wang. Thermal properties and solar collection characteristics of oil-based nanofluids with low graphene concentration / Ning Wang, Guoying Xu, Shuhong Li, Xiaosong Zhang // Energy Procedia. 2017. Vol. 105. Pp. 194-199. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.03.301

27.     Pak B. C. Hydrodynamic and heat transfer study of dispersed fluids with submicron metallic oxide particles / B. C. Pak, Y. I. Cho // Experimental Heat Transfer. An International Journal. 1998. No. 11 (2). Pp. 151-170. DOI: 10.1080/08916159808946559

28.     Pakharukov Y. V. Quenching of graphene suspension photoluminescence with saturated hydrocarbons / Y. V. Pakharukov, F. K. Shabiev, R. F. Safargaliev, S. S. Volkova // Colloids and Interface Science Communications. 2021. Vol. 42. Art. 100431.  DOI: 10.1016/j.colcom.2021.100431

29.     Pakharukov Yu. V. Investigating oil displacement from the porous medium with the graphene suspension / Yu. V. Pakharukov, F. K. Shabiev, R. F. Safargaliev // AIP Conference Proceedings 2015. 2018. Art. 020068.  DOI: 10.1063/1.5055141

30.     Radnia H. A novel nanofluid based on sulfonated graphene for enhanced oil recovery / H. Radnia, A. Rashidi, A. R. S. Nazar, M. M. Eskandari, M. Jalilian // Journal of Molecular Liquids. 2018. Vol. 271. Pp. 795-806. DOI: 10.1016/j.molliq.2018.09.070

31.     Rubbi F. A comprehensive review on advances of oil-based nanofluids for concentrating solar thermal collector application / F. Rubbi, L. Das, Kh. Habib, N. Aslfattahi, R. Saidur, S. Ul Alam // Journal of Molecular Liquids. 2021. Vol. 338. Art. 116771. DOI: 10.1016/j.molliq.2021.116771

32.     Rudyak V. Ya. On the effective viscosity of nanosuspensions / V. Y. Rudyak,
A. A. Belkin, V. V. Egorov // Technical Physics. 2009. Vol. 54. Pp. 1102-1109.  DOI: 10.1134/S1063784209080039

33.     Rudyak V. Ya. Viscosity of nanofluids. Why it is not described by the classical theories / V. Ya. Rudyak // Advances in Nanoparticles. 2013. Vol. 2. Pp. 266-279.

34.     Yakasai F. Current developments and future outlook in nanofluid flooding: A comprehensive review of various parameters iНФluencing oil recovery mechanisms / F. Yakasai, M. Z. Jaafar, S. Bandyopadhyay, A. Agi // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2021. Vol. 93. Pp. 138-162.  DOI: 10.1016/j.jiec.2020.10.017