Bagaimana nanoteknologi digunakan untuk mendapatkan akses ke reservoir minyak dan gas yang lebih sulit dijangkau saat ini,
Nanoteknologi - yaitu, bekerja dengan materi pada skala atom dan molekul - menunjukkan janji besar untuk memenuhi tantangan yang terlibat dalam memahami dan memanfaatkan reservoir minyak dan gas yang sulit dijangkau saat ini. Itu menurut para ilmuwan di Advanced Energy Consortium (AEC), sebuah organisasi penelitian yang mengembangkan sensor mikro dan nano untuk mengubah pemahaman tentang reservoir minyak dan gas alam bawah permukaan. University of Texas di Biro Geologi Ekonomi Austin di Jackson School of Geosciences mengelola AEC. Dua ilmuwan AEC, Jay Kipper dan Sean Murphy, berbicara dengan EarthSky tentang bagaimana keberhasilan nanomaterial di berbagai bidang seperti kedokteran dan otomotif sedang diterapkan pada ilmu perminyakan.
Mari kita mulai dengan beberapa dasar. Apa itu nanoteknologi?
Jay Kipper: Awalan nano, dari kata Latin nanus untuk katai, berarti sesuatu yang sangat kecil. Saat kami menggunakannya dalam istilah metrik, nanometer adalah sepersejuta meter. Berpikir tentang itu! Ambil satu helai rambut dan letakkan di antara jari-jari Anda. Lebar rambut itu adalah 100.000 nanometer. Jika Anda menempatkan tiga atom emas berdampingan, itu lebarnya nanometer. Nanometer adalah tentang seberapa banyak kuku Anda tumbuh setiap detik. Jadi nanometer sangat kecil. IBM pada akhir 1980-an yang menciptakan pemindaian mikroskop tunneling diperlukan untuk gambar atom individu yang benar-benar memulai bidang nanosains. Hari ini, Anda mungkin mengatakan nanoteknologi adalah aplikasi atau penggunaan nanosains untuk memanipulasi, mengendalikan dan mengintegrasikan atom dan molekul untuk membentuk bahan, struktur, komponen, perangkat dan sistem di skala nano - skala atom dan molekul.
Mengapa industri minyak dan gas tertarik pada nanoteknologi?
Jay Kipper: Ada beberapa jawaban untuk pertanyaan itu. Pertama, melihatnya dari perspektif sains, apa yang benar-benar menarik dan mendasar tentang nanomaterial dan nanoteknologi adalah ukuran bahan yang kami pelajari. Ukuran sangat kecil dari bahan skala nano ini menciptakan peluang bagi mereka untuk diinjeksi ke dalam reservoir minyak dan gas.
Slide mikroskop dari Frio Sandstone yang mengandung minyak dari Liberty County, Texas pada kedalaman 5040 kaki. Butir merah muda adalah partikel kuarsa, bahan biru adalah pewarna yang menyoroti volume ruang pori terbuka di mana minyak dan air asin mengalir dengan bebas. Foto milik Bob Loucks, Biro Geologi Ekonomi, Univ. dari Texas.
Seperti diketahui pembaca, minyak dan gas umumnya ditemukan di bebatuan yang terkubur ribuan kaki di bawah tanah. Batuan ini dibangun seperti spons. Meskipun batu mungkin terlihat padat, batu ini benar-benar memiliki banyak jalur agar cairan dapat mengalir dengan bebas. Ruang antara butiran pasir dan butir semen ini disebut ruang pori dan tenggorokan pori oleh ahli geografi. Geoscientists telah menganalisis cukup dari batupasir yang mengandung minyak ini untuk memastikan bahwa bukaan tenggorokan pada umumnya berkisar antara 100 dan 10.000 nanometer lebarnya. Itu cukup besar untuk cairan seperti air, air asin, dan minyak dan gas mengalir relatif bebas. Jadi jika kita bisa meletakkan pelacak skala nano atau sensor di lubang, itu akan cukup kecil untuk mengalir melalui pori-pori ini, dan kita bisa mendapatkan banyak informasi berharga tentang batu dan lingkungan cairan tempat minyak dan gas ditemukan.
Yang menarik tentang material berskala nano adalah, secara kimia, mereka berperilaku berbeda dari material massal. Mereka agak ajaib dalam banyak hal. Misalnya, menjatuhkan serbuk logam ke dalam air menghasilkan semua partikel yang tenggelam ke dasar atau mengambang ke atas, tetapi partikel nano yang stabil tetap bersuspensi dalam cairan, dan itu sangat berbeda dari yang diharapkan. Industri memanfaatkan berbagai sifat ini. Partikelnano di raket tenis dan ski salju meningkatkan kekuatan mereka. Kami menggunakan nanopartikel seng oksida atau titanium dioksida di tabir surya untuk lebih efektif menyerap sinar ultraviolet dan melindungi kulit. Nanoscale silver adalah agen antibakteri yang efektif dan ditenun menjadi kain dan pakaian agar tidak berbau.
Ceritakan lebih lanjut tentang penggunaan nanoteknologi di industri minyak dan gas.
Sean Murphy: Nah, kecuali jika sumber energi baru yang revolusioner dikembangkan atau ditemukan, tampaknya kita akan bergantung pada hidrokarbon untuk masa yang akan datang. Bahkan skenario paling optimis dan realistis dari sumber energi terbarukan memproyeksikan bahwa angin, air, matahari dan panas bumi hanya akan membentuk 15% hingga 20% dari total energi kita pada tahun 2035. Jadi jelas bahwa kita akan bergantung pada hidrokarbon seperti minyak dan gas menjadi penting bahan bakar jembatan.
Bor rig di kubah Garam Hockley dekat Houston Texas. Industri minyak biasanya hanya memulihkan 30 hingga 40% minyak dari ladang minyak konvensional, menciptakan insentif keuangan untuk penelitian dalam metode baru untuk meningkatkan tingkat pemulihan (termasuk nanoteknologi.) Foto milik Sean Murphy, Biro Geologi Ekonomi, Univ. dari Texas.
Yang sering tidak dihargai oleh publik adalah berapa banyak minyak yang tertinggal di ladang minyak. Ketika minyak pertama kali disadap di ladang minyak baru, minyak biasanya mengalir bebas dari sumur produksi untuk beberapa tahun pertama hanya berdasarkan tekanan yang melekat pada reservoir. Pemulihan primer ini, juga disebut penipisan tekanan, dipantau dan dikelola dengan hati-hati. Tetapi pada titik tertentu, tekanan berkurang hingga titik di mana tingkat produksi telah menurun secara signifikan, sehingga para insinyur perminyakan terpaksa menggunakan semacam energi eksternal untuk meningkatkan tekanan. Paling sering ini melibatkan air injeksi (atau lebih umum menginjeksi kembali air yang sudah diproduksi dari bidang ini) untuk meningkatkan tekanan dan mendorong oli dari injeksi ke sumur produksi. Langkah ini disebut pemulihan sekunder. Ketika akhirnya langkah dalam proses ini gagal menghasilkan minyak yang cukup, maka pemilik harus memutuskan apakah layak menerapkan cara lain yang lebih mahal untuk meningkatkan pemulihan minyak. Mereka melihat hal-hal yang lebih eksotis seperti uap, gas seperti karbon dioksida atau deterjen untuk membebaskan sisa minyak yang mengikat batu dan menyimpannya di reservoir.
Bahkan setelah semua langkah pemulihan minyak yang disempurnakan ini (primer, sekunder, dan tersier) telah diambil, masih tidak jarang 60 - 70% dari minyak asli ditinggalkan di reservoir. Jadi, jika Anda memikirkannya, ada miliaran barel minyak yang ditemukan yang kami tinggalkan.
Saya akan memberi Anda sebuah contoh yang dekat dengan rumah di Texas. Departemen Energi AS melakukan penelitian di tahun 2007 yang memperkirakan bahwa setidaknya ada 60 miliar barel minyak yang tersisa di Permian Basin, yang berada di perbatasan Texas barat dan New Mexico. Ingat, ini bukan ladang minyak yang belum ditemukan, atau ladang air dalam, atau ladang minyak yang tidak konvensional. Ini adalah minyak yang tertinggal di ladang yang ada dengan infrastruktur yang ada. Tingkat pemulihan ini ditentukan oleh sejumlah masalah yang saling terkait, hal-hal seperti permeabilitas batuan, viskositas minyak dan kekuatan penggerak di reservoir.
Salah satu alasan utama bahwa minyak tetap tidak dapat dipulihkan adalah kekuatan kapiler yang mengikat atau menempel molekul minyak ke batu. Ini bukan konsep yang benar-benar sulit, dan saya dapat menunjukkannya secara sederhana. Satu analogi hanyalah mencoba menghilangkan noda minyak dari jalan masuk Anda. Ini adalah masalah adhesi. Mungkin hanya beberapa molekul minyak yang terserap. Sekarang, ambil spons dan isi penuh dengan air. Peras ke dalam gelas dan lihat berapa banyak air yang diserap. Sekarang rendam spons lagi, dan coba menyedot air dalam spons dengan sedotan. Jauh lebih sulit, bukan? Itu analog dengan apa yang kami coba lakukan di ladang minyak, kecuali minyak itu juga melekat pada pori-pori di spons batu kami.
Jadi pada titik ini, mengetahui bahwa ada miliaran barel minyak yang tersisa di tempat, industri minyak sedang mencari cara yang lebih efektif untuk meningkatkan tingkat pemulihan. Nanomaterial adalah tempat yang jelas untuk dilihat. Karena ukurannya yang kecil, mereka dapat ditransmisikan melalui batuan dan ladang minyak bersama dengan cairan yang disuntikkan, dan karena reaktivitas kimianya yang tinggi, mereka dapat digunakan untuk mengurangi kekuatan ikatan yang menahan molekul hidrokarbon ke batuan.
Apa yang sangat menarik tentang hal ini adalah bahwa perbaikan kecil dalam tingkat pemulihan dapat menghasilkan jutaan galon minyak yang dapat dipulihkan. Teknologi seperti ini yang dapat membuat energi terjangkau bagi konsumen di masa depan.
Mikro dan nanosensor dalam pengembangan dari Advanced Energy Consortium memiliki potensi untuk meningkatkan jangkauan penyelidikan untuk pengukuran parameter resolusi tinggi yang penting untuk meningkatkan tingkat pemulihan minyak. Grafis milik Konsorsium Energi Lanjutan, Biro Geologi Ekonomi, Univ. dari Texas.
Ceritakan tentang sensor skala nano. Kami mendengar mereka adalah alat yang sangat kuat.
Jay Kipper: Iya. Di sini, di Biro Geologi Ekonomi Universitas Texas, kami berfokus pada konsep pembuatan sensor nano-material atau nano.
Saat ini, industri memiliki tiga cara untuk "menginterogasi lapangan," yaitu, untuk melihat apa yang terjadi di bawah tanah. Mereka pertama-tama menjatuhkan elektronik geofisika yang terhubung ke sumur untuk mengukur hal-hal yang terjadi sangat dekat dengan sumur bor. Cara kedua untuk menginterogasi lapangan adalah melalui alat lintas sumur. Dalam proses ini, sumber dan penerima ditempatkan dalam injeksi dan menghasilkan lubang sumur ratusan meter dan terpisah satu sama lain. Mereka dapat berkomunikasi satu sama lain melalui alat seismik dan konduktif, tetapi resolusinya hanya beberapa meter hingga puluhan meter dalam kualitas. Pekerja keras besar industri ini adalah seismik permukaan, yang menggunakan gelombang sonic gelombang sangat panjang yang menembus jauh ke dalam bumi untuk menentukan struktur umum batuan bawah permukaan, tetapi resolusi lagi, biasanya puluhan hingga ratusan meter.
Jadi inilah kesempatan dengan sensor skala nano. Kita dapat menyuntikkannya ke ladang minyak untuk mendapatkan penetrasi yang dalam ke dalam sumur, dan resolusi tinggi karena sifat unik dari bahan nano.
Dengan kata lain, menggunakan nanotek memungkinkan Anda mendapatkan pandangan yang lebih jelas tentang apa yang tampak seperti lubang bawah?
Jay Kipper: Baik. Sebuah analogi yang saya dan Sean sering gunakan adalah tubuh manusia. Saat ini, dokter sedang bekerja untuk memasukkan nanosensor ke dalam tubuh manusia untuk menentukan di mana sel-sel kanker berada, misalnya. Di sini, kami sedang melihat ke dalam tubuh Bumi. Kami menempatkan nanosensor di lubang dan mendapatkan ide yang lebih baik tentang apa yang terjadi. Saat ini, dalam teknik geologi dan perminyakan, kami menafsirkan atau membuat tebakan terbaik tentang apa yang sedang terjadi. Apa yang akan diberikan sensor skala nano kepada kita adalah ide yang lebih baik, lebih banyak data, sehingga kita dapat membuat interpretasi yang lebih cerdas, dan mendapatkan ide yang lebih baik tentang apa yang sedang terjadi di lubang bawah. Dan dengan ide yang lebih baik tentang apa yang terjadi di bawah tanah, kami akan dapat memulihkan lebih banyak hidrokarbon. Itu akan menjadi besar bagi industri dan dunia.
Bagaimana kemajuan yang dibuat dalam pengobatan nano berlaku untuk sumur minyak dan gas?
Sean Murphy: Banyak peneliti yang didanai untuk melakukan penelitian oleh MEA juga bekerja pada proyek-proyek nano. Selama empat tahun terakhir, kami menghadirkan dua kelas sensor yang berasal dari bidang kedokteran.
Kami sedang mengerjakan kelas sensor yang kami juluki agen kontras. Konsepnya mirip dengan MRI, atau pencitraan resonansi magnetik, yang merupakan teknik pencitraan medis umum yang digunakan untuk memvisualisasikan struktur internal tubuh secara rinci. MRI memanfaatkan properti resonansi magnetik nuklir (NMR) untuk mencitrakan inti atom di dalam tubuh sehingga kita dapat membedakan organ. Kami pada dasarnya melihat peningkatan teknologi ini ke ukuran reservoir menggunakan nanopartikel magnetik dan sumber dan penerima magnet besar. Kami telah menyebutkan bahwa industri minyak menyuntikkan air daur ulang ke dalam ladang minyak untuk meningkatkan pemulihan minyak, kami menyebutnya pemulihan sekunder. Apa yang mengejutkan adalah bahwa insinyur reservoir benar-benar tidak tahu banyak tentang ke mana air ini pergi. Mereka menggunakan pelacak kimia, dan dapat mendeteksi kapan ini muncul di sumur produksi, tetapi mereka harus menebak seperti apa aliran alirannya saat cairan yang disuntikkan ini bergerak melalui reservoir. Dengan teknologi yang sedang kami kerjakan, dimungkinkan untuk menyuntikkan partikel magnetik berukuran nano dengan air yang disuntikkan dan memantau dengan tepat di mana air mengalir melalui reservoir. Dampak potensial sangat besar untuk memulihkan lebih banyak minyak. Dengan informasi ini, para insinyur perminyakan dapat mengidentifikasi area-area yang dilewati dan menargetkan area-area ini secara lebih langsung, baik dengan menyesuaikan tekanan injeksi mereka atau mungkin dengan mengebor sumur-sumur tambahan yang lebih bertarget.
Kelas sensor lain yang kami kembangkan disebut sensor bahan nano. Banyak pendekatan yang kami gunakan juga merupakan turunan dari penelitian medis. Saya tidak yakin apakah Anda pernah mendengar tentang penelitian kanker terbaru, tetapi sepertinya dokter akan segera dapat mengangkat tumor dan sel kanker lebih langsung tanpa membahayakan pasien seperti yang kita lakukan hari ini dengan protokol perawatan kimia dan radiasi. Para peneliti sekarang menargetkan sel-sel kanker dengan molekul pengikat khusus-kanker yang melekat langsung ke sel-sel, dan membawa serta nanopartikel logam. Nanopartikel logam ini dapat diiradiasi, menghasilkan pemanasan lokal dari partikel logam dan membakar sel-sel kanker tanpa merusak sel-sel atau jaringan sehat di sekitarnya. Beberapa peneliti kami mengadopsi strategi yang sama untuk menargetkan molekul minyak dan mengirimkan bahan kimia langsung ke partikel minyak dan hidrokarbon untuk mengurangi kekuatan antarmuka yang mengikat minyak ke permukaan batu. Pada dasarnya ini adalah sistem pemulihan minyak ditingkatkan yang ditargetkan, yang berpotensi jauh lebih efisien dan secara signifikan dapat mengurangi jumlah dan jenis bahan kimia yang disuntikkan selama banjir pemulihan bahan kimia tersier.
Konsep lain yang baru saja dieksplorasi dan yang diambil dari kedokteran adalah adopsi teknologi yang digunakan dalam obat-obatan dan kapsul waktu-lepas.Dalam tubuh ini digunakan untuk memberikan dosis obat yang seragam dalam jangka waktu yang lebih lama, atau untuk menargetkan pengiriman obat ke area tubuh tertentu, seperti usus bagian bawah. Beberapa peneliti kami sedang mengembangkan pelapis berstruktur nano yang terdegradasi pada tingkat yang dapat diprediksi di bawah tekanan dan suhu tinggi dan kimia keras yang kita lihat di ladang minyak sehingga kita dapat mengatur waktu pengiriman bahan kimia atau pelacak ke berbagai bagian reservoir. Ini benar-benar menantang, karena tidak ada yang pernah berpikir untuk menggunakan kapsul berskala nano sebagai sistem pengiriman jarak jauh yang direkayasa. Sangat menarik.
Ke depan, apa penelitian paling menjanjikan dalam nanoteknologi yang Anda lihat menghasilkan buah untuk industri minyak dan gas?
Profesor Dean Neikirk (kiri) dan Sean Murphy meneliti dispersi nanopartikel yang stabil di ruang bersih di Pusat Penelitian Mikroelektronika di Kampus Riset Pickle, Universitas Texas. Penelitian nanoteknologi di universitas-universitas di seluruh dunia akan merevolusi eksplorasi dan produksi minyak dan gas, panen matahari, dan penyimpanan serta transmisi jaringan listrik. Foto oleh David Stephens, Biro Geologi Ekonomi, Univ. dari Texas.
Jay Kipper: Kami mengembangkan seluruh kelas sensor baru yang kami panggil sensor mikrofabrikasi. Kami melihat mereka sebagai jangka panjang, tetapi revolusioner. Kami ingin menekan ukuran dan mengurangi konsumsi daya mikroelektronika bahkan lebih dari yang telah dicapai industri semikonduktor hingga saat ini. Kemajuan sampai saat ini sangat luar biasa. Kita semua berjalan-jalan dengan iPhone dan komputer ponsel pintar di saku kita dengan daya komputasi yang digunakan untuk mengisi ruang besar di awal-awal komputasi. Tetapi untuk membuat elektronik yang relevan untuk industri minyak dan gas, kita perlu menyusutkan perangkat sensor terintegrasi dalam ukuran dari ukuran milimeter hari ini ke skala mikron di masa depan.
Saat ini kami mendanai proyek untuk mengambil sejumlah sensor yang telah dibuat peneliti kami selama empat tahun terakhir dan mengintegrasikannya pada perangkat kubus satu milimeter, termasuk sensor, pemrosesan, memori, jam, dan catu daya. Ini cukup kecil sehingga bisa digunakan sebagai sensor untethered mengambang di sekitar data pengumpulan sumur minyak, atau disuntikkan di antara pasir atau proppants yang digunakan dalam pekerjaan frack hari ini. Peneliti kami harus mengambil pendekatan yang cerdas dan tidak intuitif untuk mewujudkannya. Mereka melepaskan fungsi, mengurangi jumlah pengukuran dari ribuan per detik menjadi satu atau dua per jam, atau per hari. Itu mengurangi ukuran memori yang dibutuhkan, dan persyaratan daya. Para peneliti telah menemukan bahan baru untuk baterai yang dapat bertahan pada suhu yang sangat tinggi (lebih dari 100 derajat C). Ini penelitian yang sangat menarik! Apa artinya bagi konsumen adalah bahwa jika kita dapat memulihkan lebih banyak hidrokarbon, itu berarti lebih banyak energi, dan lebih banyak energi adalah hal yang baik bagi masyarakat.
Apa hal terpenting yang Anda ingin orang-orang tahu tentang teknologi nano di masa depan dalam produksi minyak dan gas?
Sean Murphy: Saya pikir nanoteknologi sangat menarik dan ini berlaku untuk hampir semua industri produk. Jika saya seorang siswa di sekolah hari ini, itu bidang yang akan saya pelajari. Di satu sisi, ini adalah evolusi alami dari dorongan teknologi kami untuk membuat miniatur alat dan alat kami. Di sisi lain, dampak masa depan nanoteknologi pada kehidupan kita akan menjadi revolusioner.
Dan kita baru saja di awal revolusi kreatif ini.
Dalam industri minyak dan gas, nanosains dan nanoteknologi memungkinkan kita merasakan jauh dan langsung minyak dan gas bypass yang tidak pernah kita lihat sebelumnya. Dan dengan sensor yang kami kembangkan untuk memberi kami informasi lebih lanjut, kami akan dapat memulihkan lebih banyak minyak dan gas yang saat ini sedang ditinggalkan dan ditinggalkan di tanah. Nanomaterial baru akan merevolusi bidang energi lain seperti matahari dan penyimpanan dan transmisi dan remediasi limbah. Ini sangat menarik.
Untuk menjaga kualitas hidup kita, kita akan terus membutuhkan energi yang terjangkau, aman, dan aman. Nano adalah salah satu revolusi baru dalam teknologi yang akan mewujudkannya.
Jay Kipper adalah Associate Director di Biro Geologi Ekonomi di Universitas Texas di Austin. Dia dan Scott Tinker memimpin upaya penelitian dan menetapkan arah strategis untuk MEA. Kipper juga bertanggung jawab atas semua aspek operasional dan keuangan Biro. Jay mendapatkan gelar BS di bidang Teknik dari Trinity University di San Antonio dan bekerja 20 tahun di berbagai perusahaan di industri swasta termasuk SETPOINT dan Teknologi Aspen sebelum datang ke University of Texas.
Sean Murphy saat ini bertanggung jawab atas tim Manajer Proyek yang mengawasi 30+ proyek penelitian individu di universitas dan lembaga penelitian terkemuka di seluruh dunia, termasuk beberapa di sini di University of Texas di Austin. Sean Murphy memulai karirnya sebagai ahli geologi di Texas pada awal 1980-an, mengebor kubah garam Hockley dekat Houston untuk Sumber Daya Maraton untuk mencari sulfida logam dasar. Kemudian dia pindah ke Austin dan bekerja di industri semikonduktor selama 23 tahun, pertama untuk Motorola, kemudian SEMATECH. Dia memiliki gelar dalam bidang Geologi dari College of William and Mary di Virginia dan University of Georgia, dan gelar MBA dari University of Texas.