Synthesis and characterization of magnetic nanoparticles for applications in the oil and gas industry
Authors: Σουμπράτι Μοχάμμεντ 
Published: September 2021

Τις τελευταίες τρεις δεκαετίες, τα υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου (SPIONs) έχουν μελετηθεί εκτενώς ως παράγοντες αντίθεσης για απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI) [1-3]. Αυτό οφείλεται ιδιαίτερα στις μοναδικές μαγνητικές τους ιδιότητες, στην εγγενή βιοσυμβατότητα και στο χαμηλό κόστος [4]. Παρά τη διαφορά στο τεχνολογικό φυσικό υπόβαθρο, τα SPIONs έχουν μεγάλες δυνατότητες ως παράγοντες αντίθεσης για ηλεκτρομαγνητική τομογραφία μεγάλης κλίμακας (EMT) δεξαμενών πετρελαίου [5]. Συμβατικά, η EMT είναι μια τεχνική ηλεκτρομαγνητικής απεικόνισης που βασίζεται στη μέτρηση της διαφοράς μεταξύ της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των υγρών των δεξαμενών (δηλαδή του πετρελαίου και του σχηματιζόμενου νερού) και άλλες υπόγειων ουσιών [6]. Εναλλακτικά, η συσσώρευση της πορώδους υφής της δεξαμενής με σταθερές διασπορές SPIONs θα είχε ως αποτέλεσμα την αυξημένη αντίθεση EMT που βασίζεται στην μεταβαλλόμενη μαγνητική διαπερατότητα της δεξαμενής [5]. Η έρευνα που παρουσιάζεται σε αυτή τη διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη SPIONs που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως παράγοντες αντίθεσης για την απεικόνιση μεγάλης κλίμακας των δεξαμενών. Κατ 'αρχάς, χρησιμοποιήθηκαν προσομοιώσεις πεπερασμένων στοιχείων για την επικύρωση της προτεινόμενης τεχνολογίας χρησιμοποιώντας απλούς κανόνες που αναφέρονται στη βιβλιογραφία για το σχεδιασμό συμβατικών συστημάτων EMT βασισμένων στην αγωγιμότητα. Με βάση αυτούς τους πρακτικούς κανόνες, καταφέραμε με επιτυχία να παρακολουθούμε αποκλειστικά την ανώμαλη απόκριση ενός μαγνητικού μετάλλου που διαδίδεται κοντά σε ένα στρώμα αγώγιμης δεξαμενής κορεσμένο με νερό σε ηχητικές συχνότητες. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε η θεωρία του αποτελεσματικού μέσου για να καταδειχθεί ο συσχετισμός της μαγνητικής επιδεκτικότητας του εγχυθέντος σιδηρο-ρευστού (ferrofluid) με τον υπολειπόμενο κορεσμό σε πετρέλαιο και το πορώδες του βράχου. Ένα πειραματικό σύστημα EMT εργαστηριακής κλίμακας εφαρμόστηκε επίσης ως πειραματική απόδειξη καθώς και για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων προσομοίωσης για το σύστημα μεγάλης κλίμακας. Από την προοπτική ανάπτυξης υλικού, αναφέρεται μια ευέλικτη σύνθεση χαμηλού κόστους SPIONs. Τα SPIONs τροποποιήθηκαν χημικά με κιτρικό οξύ ως υδρόφιλος συνδέτης ώστε να ενισχυθεί η κολλοειδή σταθερότητα των σωματιδίων που συντέθηκαν σε υδατικά μέσα. Η ποιότητα των σωματιδίων εξετάστηκε μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης, περίθλαση ακτίνων-Χ και μέσω μαγνητικών μετρήσεων. Τεχνικές χημικών και θερμικών αναλύσεων χρησιμοποιήθηκαν για να εξεταστούν τα χαρακτηριστικά σύνδεσης του συμπλοκοποιητή υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας παρόμοιες με αυτές των δεξαμενών. Τέλος, για τη στρατηγική έγχυσης σιδηρο-ρευστού (ferrofluid) εξετάστηκε ένα υποψήφιο υδατικό ρευστό που παρασκευάστηκε από διάφορες αραιώσεις θαλασσινού νερού. Οι βέλτιστες αραιώσεις θαλασσινού νερού που απαιτούνται για την παραγωγή μίας σταθερής έγχυσης σιδηρο-ρευστού (ferrofluid) προσδιορίστηκαν μετά από ενδελεχή μελέτη της κινητικής συσσωμάτωσης πλειάδων-πλειάδων (cluster-cluster) σε μέσα υψηλής αλατότητας.