Aplicaciones de la nanotecnología en la industria del petróleo y gas

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Durante los próximos 30 años se prevé que la demanda mundial de energía aumentará casi tanto como el 60%, esto representa todo un reto que puede ser satisfecho únicamente por los revolucionarios avances en la ciencia y la tecnología energética. La industria necesita impresionantes descubrimientos fundamentales basados en la ciencia y la ingeniería. Los avances en la nanotecnología abren la posibilidad de ir más allá de las actuales alternativas para el suministro de energía mediante la introducción de tecnologías más eficientes y ecológicamente racionales. La nanotecnología se caracteriza por la colaboración entre diversas disciplinas, por lo que es intrínsecamente innovadora y más precisa que otras tecnologías. Esta tecnología puede ser la piedra angular de toda energía en el futuro, la tecnología que ofrece el mayor potencial de soluciones innovadoras.

“Nano” denota un mil millonésimas (10 E-9), con un nanómetro equivalente a la millonésima parte de un milímetro. Que se corresponde con el ancho de 10 átomos de hidrógeno. Por lo tanto, el nanotecnologista se encarga de la construcción de nuevas estructuras y sustancias mediante la manipulación de átomos y moléculas en esta escala. Técnicamente, la nanotecnología es el arte y la ciencia de los materiales de construcción que actúan en la escala nanométrica. Se basa en el último grado de finura, un átomo a la vez, y lo hace con la perfección molecular. En un sentido general, la nanotecnología es la capacidad de crear y manipular la materia a nivel molecular que hace posible la creación de materiales con mejores (o, más exactamente, alteradas) propiedades, tales como liviano y a la vez de altísima fuerza, y una mayor capacidad en la conductividad eléctrica y del calor. Otra investigación que se conoce como enfoque de nanofabricación de arriba hacia abajo, que implica trabajar con materiales a granel y reducirlos a tamaño nanométrico. Esto es más común en los planes de desarrollo de tecnología que actualmente se utilizan.

Fig 1. Estructura Atómica de los nanotubos de carbono.

La nanotecnología es emocionante, porque la ciencia y la ingeniería detrás de ella son en gran medida desconocidas. De hecho, la mayoría de los científicos son conscientes de que las leyes que rigen los materiales a nanoescala son muy diferentes de las que han sido ampliamente aceptadas en grandes escalas (Islam 2004). Trabajos recientes realizados por el Premio Nobel en física Richard Smalley de la Universidad de Rice apoyan ésta hipótesis. Él descubrió que los nanotubos de carbono (Fig. 1) y fullerenos (buckyballs); nanopartículas de carbono que son tradicionalmente caracterizados como grafito, se comportaron de forma a diferencia al grafito (Smalley y Yakobsonb 1998; Zhou et al. 2005).

Beneficios potenciales

Fig 2. La nanotecnología está a punto de impactar de manera espectacular en todos los sectores de la industria. Fuente: U. de Delaware.

Las investigaciones científicas en el área de la energía se encuentran dispersas y general, con diversos grupos trabajando por separado en la adquisición de dólares para la investigación, con esfuerzos descoordinados que carecen de una clara hoja de ruta para un mejor futuro energético (Baker Inst. Estudio 2005). Pero la nanotecnología está a punto de impactar de manera espectacular en todos los sectores de la industria (Fig. 2). En aplicaciones de petróleo y gas, la nanotecnología podría utilizarse para aumentar las oportunidades de desarrollar recursos geotérmicos mediante el aumento de la conductividad térmica, mejorando la separación en fondo de hoyo, y ayudando al desarrollo de materiales no corrosivos que podrían ser utilizados para la producción de energía geotérmica. Los metales a nanoescala ya han sido utilizados para delinear los depósitos de minerales en la exploración geoquímica (Wang et al. 1997).

La nanotecnología podría utilizarse para mejorar las posibilidades de desarrollo de gas no convencional. Los retos a corto plazo se centran en el gas natural licuado (GNL), la infraestructura y la eficiencia, la calidad de GNL, y el desarrollo de la tecnología gas-a-líquidos (GTL). Los retos a mediano plazo inculyen: la adquisición de super lineas de tuberías; construir plataformas flotantes GTL, producción, regasificación, y almacenamiento, y transporte de gas natural comprimidos. A largo plazo los tópicos que se abordarán serán: la producción de hidratos de metano y gas por cable, produciendo electricidad en la ubicación de la fuente de gas, y llevando electricidad por cable a los mercados, más que el mercado de gas por gasoducto.

La nanotecnología podría ayudar a mejorar la producción de petróleo y gas haciendo más fácil separar el petróleo y el gas en el yacimiento, por ejemplo mediante una mejor comprensión de los procesos a nivel molecular. La aplicación práctica de la nanotecnología en el sector del petróleo abre interesantes perspectivas para mejorar la recuperación de petróleo, a través de una mejor comprensión de los procesos en la interfaz entre líquidos y sólidos. El objetivo es comprender cómo el petróleo y el agua pueden ser separados de manera más eficaz. La nanotecnología podría aplicarse para mejorar la recuperación de petróleo en la forma de adaptar los surfactantes tensoactivos. Estos pueden ser añadidos al yacimiento de una manera más controlada que las sustancias existentes, liberando así más petróleo. También podría ayudar a desarrollar nuevas técnicas de medición con diminutos sensores para mejorar la información sobre el yacimiento.

Científicos de la Universidad Shandong de China están investigando las formas en que la nanotecnología puede utilizarse para mejorar el proceso de perforación. Sus laboratorios especializados de petróleo han desarrollado un avanzado líquido mezclado con partículas nanométricas y polvo superfino que mejora de forma significativa la velocidad de perforación. Esta mezcla elimina el daño a la roca reservorio en el pozo, por lo que es posible extraer más petróleo.

Mejores Equipo
La industria del petróleo necesita materiales fuertes y estables en casi todos sus procesos. Mediante la construcción de este tipo de sustancias en nanoescala, se podrían producir equipos más ligeros, más resistentes y más fuertes. GP Nano Technology Group Ltd en Hong Kong es uno de los primeros en desarrollar el carburo de silicio, un polvo de cerámica, en tamaño nano. Produce materiales excepcionalmente duros. La compañía ahora está investigando otros compuestos y cree que sustancias nanocristalina pueden contribuir a equipos de perforación más duraderos y más resistentes al desgaste (Goa 2002). Los nanotubos tienen muchas aplicaciones potenciales en la industria del petróleo. Por ejemplo, los nanotubos podrían ser utilizados para crear materiales estructurales más ligeros, fuertes y resistentes a la corrosión en las plataformas de perforación mar adentro (Karoub 2004).

La contaminación por productos químicos o gases es un aspecto difícil de la producción de petróleo, pero las señales son que la nanotecnología puede hacer la industria considerablemente más verde. Filtros de partículas se están desarrollando en la actualidad, con una nanoestructura que les permite eliminar los compuestos orgánicos volátiles procedentes del petróleo y el vapor de mercurio de los suelos y el agua. Filtros y membranas diseñados a nanoescala con precisión proporcionan un control total sobre lo que fluye a través de ellos.

Fluidos Inteligentes
Un nuevo tipo de líquidos, que pueden ser etiquetados como “fluidos inteligentes”, están cada vez más disponible para la industria de petróleo y gas. Estos nanofluidos están diseñados mediante la adición de partículas nanofabricadas a un fluido a fin de aumentar o mejorar algunas de sus propiedades. Esencialmente, las partículas a nanoescala son puestas en suspensión en la fase líquida de fracciones con poco volumen. La fase líquida puede ser cualquier líquido como el petróleo, el agua, o mezclas de líquidos convencionales. Las nanopartículas utilizadas en la elaboración de esos fluidos son preferentemente inorgánicos con propiedades de no disolución o de agregación en el medio líquido. Pueden ser diseñados para ser compatibles con fluidos en los yacimientos y proteger el medio ambiente. Experimentos recientes han mostrados algunos nanofluidos prometedores con propiedades asombrosas, como fluidos con avanzada reducción de fricción, aglomerantes para la consolidación de arena, geles, productos para la alteración de la mojabilidad, y recubrimientos anticorrosivo (Chaudhury 2003; Wasan Nikolov y 2003).

Nuevos sensores para mejorar la exploración
En condiciones de altas-temperaturas/altas-presiones, viejos sensores eléctricos y otros instrumentos de medición a menudo no son fiables. Pero los investigadores actualmente están desarrollando un conjunto de sensores fiables y económicos de fibras ópticas para medir la temperatura y la presión, velocidad de flujo de petróleo, y de ondas acústicas en los pozos de petróleo. Estos nuevos sensores son pequeños en tamaño, trabajan en condiciones de seguridad, en presencia de campos electromagnéticos, son capaces de trabajar en altas temperaturas y presiones pueden ser reemplazados a un costo razonable sin interferir en el procedimiento de la exploración petrolera.

En el futuro, la industria podrá utilizar sensores de nanoescala para el sondeo en profundidad de la propiedades del yacimiento, lo que nos permite desentrañar la compleja naturaleza de las interacciones roca / fluido y sus efectos en la corriente multifasica, y proporciona la capacidad de diseñar un adecuado plan para la explotación.

Otra área de importante desafío radica en la mejora de bitumen y crudo pesado. Debido a su alta densidad y viscosidad, es difícil manejar y transportar estos hidrocarburos a los lugares en los que pueden ser convertidos en productos valiosos. Recursos importantes e intensas actividades de investigación se han dedicado a desarrollar procesos y catalizadores específicamente diseñados para las mejoras directamente en el lugar de campo, combinados con la producción de hidrógeno/metano. Estos procesos incorporarían un rechazo minimizado y controlado de carbono, en conjunto con una mayor generación de hidrógeno catalíticamente generado en el proceso del rechazo de carbono. Esta actividad central se complementará con un esfuerzo por integrar la investigación en fórmulas catalíticas ultradispersadas para el mejoramiento in situ de bitumen, así como para la generación de hidrógeno a partir del carbón y el coque de petróleo o brea. Esta investigación tiene el potencial de generar importantes tecnologías para convertir las reservas de bitumen y petróleo pesado en productos más rentable (Ying y Sun, 1997; Scott et al. 2003).

Aplicación de Nanomateriales
Jackson (2005) identificó las siguientes posibilidades de la nanotecnología en la industria del petróleo:
– Materiales nanotecnológicamente mejorados que proporcionan una mayor fuerza y resistencia para mejorar el rendimiento y la confiabilidad en la perforación, productos tubulares, y de las piezas giratorias.
– Elastómeros mejorados, fundamentales para perforaciones profundas y para mejorar la perforación en entornos de altas-temperaturas/altas-presiones.
– Diseño de propiedades para mejorar el comportamiento hidrofóbico o hidrofílico, a fin de mejorar los materiales para aplicaciones de inyección de agua.
– Humectabilidad en nanopartículas utilizando dinámica molecular, lo cual sería una gran promesa en disolventes para superficies heterogéneas y sólidos porosos.
– Materiales ligeros y resistentes que reducen el peso de las plataformas marinas, más fiables y transporte en buques más eficientes energéticamente.
– Nanosensores para mejorar la medición de temperatura y presión de pozos profundos y en ambientes hostiles.
– Nuevas técnicas de imagen y computacionales para permitir un mejor descubrimiento, cuantificación, caracterización de los yaciemientos.
– Nanosensores desplegados en el espacio poroso a través de “nanopolvos” para proporcionar datos sobre la caracterización de yaciemiento, monitoreo del flujo de fluido, y el reconocimiento del fluido de tipo.
– Instrumentos de evaluación a través de pequeños agujeros de perforación para reducir los costos de perforación y proporcionar una mayor sensibilidad ambiental debido a la disminución de los residuos de perforación.

Algunos de estos posibles beneficios son el resultado de la miniaturización, en tanto que otros son el resultado de un cambio en la propiedad del material. A medida que las reserva accesibles se agotan, la industria de exploración y producción se enfrenta al aumento de los desafíos técnicos, que llevan a un aumento de los costos de funcionamiento y de limitar la dotación de las tecnologías de perforación y producción. Esto representa una importante oportunidad de mercado para las soluciones basadas en nanomateriales, que soportan las impurezas corrosivas, altas temperaturas y presiones, cargas de choque, abrasión, y otras condiciones ambientales hostiles.

Hay muchas áreas en las que la nanotecnología puede contribuir a la producción de tecnologías más eficientes, menos costosas, y más ecológicamente racionales que las que se pueden conseguir actualmente. A pesar de que los aportes más significativos pueden ser aplicaciones poco glamorosas como mejores materiales para los equipos de exploración o mejora de los procesos de catálisis, la nanotecnología se está proponiendo en numerosos dominios de la energía. Teniendo en cuenta los presupuestos sustanciales dedicados a la nano investigación, gran parte de este potencial es probable que se encuentre disponible en los próximos decenios.

Tomado de: “Applications of Nanotechnology in Oil and Gas E&P”. Saeid Mokhatab , U. of Wyoming; Mariela Araujo Fresky , Imperial College, London; and M. Saeid Mokhatab, U. de Wyoming; Mariela Araujo Fresky, Imperial College, Londres, y M. Rafiqul Islam , Dalhousie U. Rafiqul Islam, Dalhousie U. JPT Abril 2006