BỘ CÔNG THƢƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG Tên đề tài Nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu n[.]
BỘ CÔNG THƢƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp biến tính vật liệu nano oxit sắt từ định hướng ứng dụng tăng cường thu hồi dầu Mã số đề tài: 184HH06 Chủ nhiệm đề tài: Ths Nguyễn Thị Liễu Đơn vị thực hiện: Khoa Cơng nghệ Hóa học Tp Hồ Chí Minh, 1/20201 LỜI CÁM ƠN Để thực hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này, nhóm nghiên cứu nhận hỗ trợ, giúp đỡ quan tâm, động viên từ nhiều quan, tổ chức cá nhân Nghiên cứu khoa học hoàn thành dựa tham khảo, học tập kinh nghiệm từ kết nghiên cứu liên quan, sách, báo chuyên ngành nhiều tác giả trường Đại học, tổ chức nghiên cứu, …Đặc biệt cảm ơn hợp tác, giúp đỡ đồng nghiệp Viện Khoa học vật liệu ứng dụng, … giúp đỡ, tạo điều kiện cơng việc tinh thần từ phía ban lãnh đạo Khoa Cơng nghệ Hóa học, bạn bè đồng nghiệp Chúng xin trân trọng cám ơn Ban giám hiệu, Trường ĐH Cơng nghiệp Tp Hồ Chí Minh hỗ trợ kinh phí để nhóm nghiên cứu có hội hồn thành đề tài nghiên cứu Mặc dù có nhiều cố gắng để thực đề tài cách hoàn chỉnh đề tài nghiên cứu khoa học không tránh khỏi thiếu sót Nhóm nghiên cứu kính mong hội đồng khoa học, chuyên gia, người quan tâm đến đề tài, đồng nghiệp, gia đình bạn bè tiếp tục có ý kiến đóng góp, giúp đỡ để đề tài hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Tp.Hồ Chí Minh, tháng 1/2021 Nhóm tác giả PHẦN I THƠNG TIN CHUNG I Thơng tin tổng qt 1.1 Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp biến tính vật liệu nano oxit sắt từ định hướng ứng dụng tăng cường thu hồi dầu 1.2 Mã số: 184HH06 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Họ tên Đơn vị công tác Vai trò thực đề tài (học hàm, học vị) Ths Nguyễn Thị Liễu FCE-IUH Chủ nhiệm đề tài PGS TS Nguyễn Phương Tùng VAST Thành viên nghiên cứu cố vấn khoa học TS Nguyễn Hoàng Duy VAST Thành viên nghiên cứu TS Bạch Thị Mỹ Hiền FCE-IUH Thành viên nghiên cứu Ths Nguyễn Tiến Đạt FCE-IUH Thành viên nghiên cứu 1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa Cơng nghệ Hóa học 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 04 năm 2017 đến tháng năm 2018 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng 06 năm 2020 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 03 năm 2018 đến tháng 01 năm 2020 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): Khơng 1.7 Tổng kinh phí đƣợc phê duyệt đề tài: 20 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Năng lượng thành tố định phát triển kinh tế, đời sống xã hội loài người Việc đáp ứng nhu cầu lượng mối quan tâm hàng đầu nghiệp phát triển kinh tế Cho đến nay, cho dù nhiều dạng lượng tái tạo, lượng thay đầu tư phát triển mạnh mẽ phần lớn lượng sử dụng nhiều thập kỷ tới lượng hóa thạch : dầu khí than đá Bên cạnh đó, dầu khí nguồn lượng vơ quan trọng cho cơng nghiệp hóa học Do đó, khai thác dầu hiệu bền vững nhiệm vụ tiên công nghiệp dầu khí Tuy nhiên thời kỳ khám phá mỏ dầu lớn, giá rẻ qua phần lớn mỏ dầu lớn giới, đặc biệt Việt Nam qua giai đoạn khai thác đỉnh cao sản lượng sụt giảm Với kỹ thuật khai thác dầu khí nay, sau trải qua giai đoạn khai thác sơ cấp thứ cấp mỏ lại 70-75% lượng dầu chỗ bị bẫy lại vỉa [1] Do đó, tăng cường thu hồi dầu từ mỏ dầu “già” mối quan tâm chuyên gia nhà điều hành khai thác mỏ Người ta ước tính cần khai thác thêm 10% lượng dầu lưu đủ đáp ứng nhu cầu lượng cho giới 50 năm Tăng cường thu hồi dầu (TCTHD) trình bơm tác nhân chưa có vỉa trước vào vỉa nhằm cải thiện một vài tính chất chất lưu, đá vỉa để cải thiện hệ số quét hệ số đẩy hai Từ đó, dầu khai thác nhiều lâu Các công nghệ tăng cường thu hồi dầu sử dụng giúp khai thác thêm 1-3% lượng dầu chỗ[1,2] Rất nhiều thách thức cho trình TCTHD vỉa nhiệt độ cao, độ muối cao, trình hấp thụ giải hấp thụ bề mặt đá vỉa, bề mặt dính ướt dầu đá vỉa …Tất yếu tố làm giảm cấp mặt hóa học, giảm độ bền nhiệt tác nhân bơm ép gây thất thoát hấp thụ, dẫn đến hiệu TTHD không cao Công nghệ vật liệu nano ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực: vật liệu, y sinh, công nghệ vũ trụ…và giúp mang lại nhiều tỷ đơla lợi nhuận Vì nhà khoa học tập đoàn khai thác dầu khí hy vọng với đặc tính siêu việt vật liệu nano, ứng dụng công nghệ vật liệu nano thăm dị khai thác dầu khí, đặc biệt TCTHD giúp tiệm cận khả khai thác thêm 10% lượng dầu chỗ nói Sau thời gian bơm ép nước, lượng dầu vỉa bị giảm dẫn đến việc dùng áp lực nước để đẩy dầu lên khơng cịn tác dụng Khi phần lớn nước bơm xuống lên miệng giếng dầu mắc kẹt khe đá bám vào đá [2] Vì vậy, để tiếp tục khai thác thu hồi dầu, cần có tác động yếu tố khác nhằm thay đổi đặc tính lưu chất đá vỉa, làm giảm lực giữ dầu lỗ rỗng đá vỉa thay đổi tính dính ướt đá; giảm sức căng bề mặt liên diện hai pha dầu – nước; giảm độ nhớt dầu và/hoặc tăng độ nhớt dung dịch bơm ép,… Các phương pháp sử dụng giai đoạn gọi giai đoạn khai thác tam cấp (bậc ba), thường biết đến với tên gọi giai đoạn tăng cường thu hồi dầu (TCTHD) Hình thể phương pháp tăng cường thu hồi dầu thực giới nay: Tăng độ nhớt nước Tăng cường hiệu suất quét Dùng Polymer Bơm ép nước Giảm độ nhớt dầu Đốt chỗ TCTHD Tăng cường hiệu suất đẩy Sử dụng chất lưu đẩy có khả trộn lẫn Bơm ép CO2 Đốt chỗ Giảm sức căng bề mặt chất lưu Dùng chất HĐBM Thay đổi tính dính ước đá vỉa Dùng chất kiềm Hình Nguyên lý chung phương pháp TCTHD Ở Việt Nam áp dụng số biện pháp nâng cao thu hồi dầu: bơm ép thử nghiệm chất hoạt động bề mặt, vi sinh, hóa lý đối tượng cát kết mỏ Bạch Hổ Đồng thời chuyên gia PetroVietNam nghiên cứu biện pháp nâng cao thu hồi dầu: phân tích nghiên cứu khả bơm ép CO2 cho đối tượng cát kết mỏ Rạng Đông; bơm ép polymer cho đối tượng cát kết mỏ Bạch Hổ; bơm ép nước khí hydrocarbon luân phiên tầng Miocene mỏ Bạch Hổ, mỏ Rạng Đông…Tuy nhiên, biện pháp nêu áp dụng đại trà mà áp dụng mỏ có trữ lượng tương đối lớn; mỏ khai thác giai đoạn suy giảm sản lượng; tầng sản phẩm: Miocene, Oligocene, Móng Gần đây, Viện Khoa học vật liệu Ứng dụng kết hợp với liên doanh Vietsopetro tiến hành thử nghiệm công nghiệp hệ dung dịch HĐBM polymer thu nhiều kết tốt Ngoài ra, Viện Khoa học vật liệu Ứng dụng nghiên cứu nhiều tổ hợp nano SiO2 chất HĐBM, kết cho thấy sức căng mặt dầu nước giảm từ 24 xuống 5.10-3 dyne/cm [5] Tuy nhiên, nghiên cứu sâu vào thấy chất bơm ép bị bẫy lại pha dầu gây lãng phí, hiệu Mặc khác, việc sử dụng chất HĐBM đặc thù có giá thành cao khả chịu nhiệt khơng ổn định chất HĐBM có độ bền nhiệt khơng cao Có hai phương pháp TCTHD phương pháp vật lý phương pháp hóa học Các phương pháp làm giảm lực giữ dầu lỗ rỗng xốp vỉa đá, làm giảm sức căng bề mặt liên diện hai pha dầu nước làm giảm độ nhớt dầu, tăng độ nhớt dung dịch bơm ép thay đổi đặc tính vỉa dầu để dễ dàng khai thác [3] Phương pháp vật lý bao gồm Bơm khí Bơm nhiệt Bơm khí (có thể sử dụng loại khí trộn lẫn khí CO2, khí tự nhiên N2) vào bể chứa để giảm SCBM dầu nước Trong phương pháp này, lưu chất bơm thường nhanh chóng chảy xói qua khối đá xốp bên mỏ bỏ qua hầu hết lượng dầu có tỷ lệ lưu động (quyết định độ thẩm thấu độ nhớt lưu chất khí so với dầu) không phù hợp Nhược điểm phương pháp phụ thuộc nhiều vào áp suất, nhiệt độ bể dầu thành phần dầu thô Bơm nhiệt bao gồm bơm tuần hoàn, nước đốt cháy Phương pháp làm nóng dầu thơ trình hình thành để giảm SCBM tăng tính thấm dầu Chi phí cao lại khơng an toàn hạn chế phương pháp Phương pháp hóa học bao gồm dùng chất chất hoạt động bề mặt (HĐBM), dùng polymer dùng kiềm Các chất HĐBM polymer sử dụng để hỗ trợ tính di chuyển giảm SCBM liên diện hai pha dầu nước giảm tăng độ nhớt dung dịch bơm ép, nhờ cho phép thu hồi thêm dầu từ bể chứa Ứng dụng phương pháp thường bị hạn chế chi phí cao hóa chất, thất hấp phụ chúng lên đá mỏ chứa Ngoài ra, phương pháp bơm chất HĐBM polymer bị giảm tính hóa học điều kiện khắc nghiệt với nhiệt độ áp suất cao mỏ Hơn nữa, nước muối có độ cứng nước cao độ nhớt dầu tương đối cao dẫn đến khả mài mòn khối đá ngăn túi dầu/khí thất lưu chất bơm chảy qua mỏ chứa hạn chế phương pháp [6] Các hạt nano phân tán ổn định với cấu trúc tương tự cấu trúc keo micel môi trường lỏng (nước) gọi chất lỏng nano So với hệ phân tán khác, hệ phân tán hạt nano có ưu điểm tác động đến hợp phần lắng đọng, tính chất nhiệt, quang học, học, điện, lưu biến, tính từ… loại vật liệu gốc tăng cường hiệu [8] Đó ưu điểm vượt trội hệ phân tán nano so với hệ phân tán thông thường Tương tự chất HĐBM, hạt nano có xu hướng tác động lên bề mặt liên diện lỏng – lỏng lỏng – khí, xếp chặt đó, làm giảm sức căng bề mặt, làm giảm sức căng bề mặt liên diện giọt với pha không hịa tan đồng thời ngăn cản khơng cho chúng kết hợp lại với hay nói cách khác làm bền nhũ Ngoài ra, qua nhiều nghiên cứu thực Wasan Nikolov vừa nêu trên, nhóm nghiên cứu Mc Elfresh [13], ngày chế tác động hạt nano đến trình tăng cường thu hồi dầu cho liên quan đến khả lan rộng của chất lỏng dọc theo bề mặt đá để thay đổi tính dính ướt bề mặt Có điểm vượt trội với loại hạt nano khác phối trộn chất lỏng nano từ tính với dịng lưu chất bơm kiểm sốt hướng dịch chuyển áp đặt từ trường ngồi, kiểm sốt di chuyển dòng lưu chất bên vỉa [27], nhóm nghiên cứu giáo sư Chun Huhp thiết kế hệ thơng mơ phịng thí nghiệm đánh giá độ bão hòa dầu dư [28] Với đặc điểm mang tính kinh tế dễ dàng thu hồi tái sử dụng, hệ chất lỏng nano từ tính trở thành đề tài “hot” lĩnh vực nghiên cứu ngành dầu khí Tóm lại, mục tiêu nghiên cứu bao gồm: (1) Tổng hợp vật liệu nano oxit sắt từ (MNPs) phương pháp đồng kết tủa; (2) Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới trình tổng hợp vật liệu nano nhiệt độ, thời gian phản ứng; (3)Bảo vệ ổn định hạt nano từ tính cách bọc với polymer/chất hoạt động bề mặt; (4) Khảo sát độ bền nhiệt hạt nano oxit sắt từ polymer hóa (magnetic nano composite- MNC) điều kiện vỉa;Đánh giá khả tăng cường thu hồi dầu hạt MNC Mục tiêu a Mục tiêu tổng quát: Tổng hợp vật liệu nano oxit sắt từ bọc polymer có khả thu hồi tái sử dụng ứng dụng tăng cường thu hồi dầu b Mục tiêu cụ thể: Trong khuôn khổ đề tài này, đặt mục tiêu cụ thể bao gồm: - Tổng hợp vật liệu nano oxit sắt từ (MNPs); - Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới trình tổng hợp vật liệu nano; - Bảo vệ ổn định hạt nano từ tính cách bọc với polymer/chất hoạt động bề mặt; - Khảo sát độ bền nhiệt hạt nano oxit sắt từ polymer hóa (magnetic nano composite- MNC) điều kiện vỉa; - Đánh giá khả tăng cường thu hồi dầu hạt MNC; Phƣơng pháp nghiên cứu: a Tổng hợp vật liệu: Vật liệu tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa Vật liệu nano oxit sắt từ tổng hợp từ dung dịch muối Fe2+ /Fe3+ điều kiện môi trường trơ nhiệt độ phòng nhiệt độ cao Cụ thể trình tổng hợp sau: hai muối FeCl3.6H2O FeCl2.4H2O hòa tan nước cất, sau hịa tan với lượng vừa đủ dung dịch NH4OH, khuấy mạnh điều kiện môi trường trơ 80oC Khi có chuyển màu từ cam ban đầu dung dịch sang màu đen dấu hiệu cho việc hình thành hạt nano từ tính Dung dịch sệt chứa chất kết tủa tách từ dung dịch cách ly tâm gạn lấy phần kết tủ, sấy khô môi trường chân khơng b Phân tích vật liệu: Các kỹ thuật phân tích vật liệu bao gồm: XRD, TGA, TEM, VSM, FTIR, DLS … phân tích thiết bị phân tích chuyên dụng thuộc viện Khoa học vật liệu, Trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM tổ chức trường học nghiên cứu khác c Đánh giá khả định hướng tăng cường thu hồi dầu thực khảo sát khả bền nhiệt, khả giảm sức căng bề mặt vật liệu Tổng kết kết nghiên cứu Đề tài đạt kết nghiên cứu sau: ứu tổng quan vai trò, ứng dụng vật liệu nano oxit sắt từ ngành cơng nghiệp dầu khí giới Việt Nam Ngoài ra, phương pháp sản xuất vật liệu phân tích, đánh giá ưu nhược điểm lựa chọn phương pháp sản xuất vật liệu tối ưu nghiên cứu Các yếu tố ảnh hưởng tới trình sản xuất khảo sát ề tài nhóm nghiên cứu định tổng hợp vật liệu phương pháp đồng kết tủa, dễ dàng gia tăng quy mơ thích hợp để sản xuất vật liệu sử dụng cho ngành dầu khí Vật liệu sau tổng hợp biến tính cách bọc thêm polymer bền nhiệt để bảo vệ ổn định nano từ tính ặc trưng vật liệu phân tích tính chất hóa lý, pha tinh thể, độ từ hóa, cấu trúc hình thái bề mặt kích thước thủy động học nghiên cứu ề tài đánh giá khả định hướng ứng dụng tăng cường thu hồi dầu hệ nano oxit sắt từ bọc polymer cách khảo sát giảm sức căng bề mặt, đo độ nhớt hệ Đánh giá kết đạt đƣợc kết luận Các kết đạt bao gồm: - báo khoa học đăng tạp chí KHCN trường - thực hành - sinh viên ĐH bảo vệ thành cơng khóa luận tốt nghiệp từ kết đề tài Tóm tắt kết (tiếng Việt tiếng Anh) Qúa trình tăng cường thu hồi dầu (TCTHD) nhằm mục đích thu hồi dầu bị bẫy lại lỗ xốp đá vỉa sau trình khai thác sơ cấp thứ cấp cách bơm vào vỉa tác nhân ngoại lai Các hạt nano với chuỗi polymer ghép bề mặt gọi hạt nano bọc polymer ứng dụng cho TCTHD cải thiện khả phân tán độ ổn định cao so với vật liệu nano thông thường Trong nghiên cứu này, vật liệu nano từ tính Fe3O4 bọc copolymer (methyl methacrylate) – (2–acrylamide –2–methyl–propanesulfonate) (MMA-co-AMPS), với cầu nối Oleic acid, để giúp hạt nano ổn định tính chất mơi trường phân tán khắc nghiệt Q trình tổng hợp nano từ tính sử dụng phương pháp đồng kết tủa Phương pháp vi nhũ – polymer hoá sử dụng để tổng hợp lớp vỏ polymer bao bọc nano từ tính Vật liệu tổng hợp có cấu trúc lõi – vỏ phân tán tốt môi trường nước biển, ổn định nhiệt cao Đặc điểm cấu trúc hóa học, hình thái vật liệu khảo sát phương pháp phân tích FTIR, DLS, TEM, PXRD, VSM TGA Các hạt nano có kích thước trung bình 16nm bền nhiệt, có tiềm ứng dụng TCTHD Enhanced oil recovery processes focus on recovering oil trapped in reservoir rocks after primary and secondary recovery state by introducing alien agents into reservoirs Nanoparticles grafted with polymer onto the surface, known as polymer-coated nanoparticles (PNPs), possess better dispersity and stability compared with nanoparticles In this research, Fe3O4 magnetic nanoparticles were coated with copolymer (methyl methacrylate) – (2–acrylamide –2–methyl–propanesulfonate) (MMA-co-AMPS) connected via oleic acid bridge, in order to stabilize nanoparticles in salinity and high-temperature environments Magnetic nanoparticles were synthesized by co-precipitation method Subsequently, mini-emulsion polymerization was carried out to fabricate polymer-coated magnetic nanoparticles Said material adopted core-shell structure with high dispersity and temperature-stable properties Structure and morphology of material were characterized by FTIR, DLS, TEM, PXRD, VSM and TGA methods Obtained nanoparticles with an average size of 16nm and temperature-stable could be utilized in enhanced oil recovery processes III Sản phẩm đề tài, công bố kết đào tạo 3.1 Kết nghiên cứu (Sản phẩm d 1,2) Tên sản phẩm TT Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật Đăng ký Đạt đƣợc Vật liệu nano oxit sắt - Độ tinh khiết cao > Độ từ >60 từ, MNPs Kích 99% - Độ từ > 50 emu - Kích thước thước: 11- 13nm hạt nano 40 emu từ bọc polymer - OMNPs-MMA-co Độ từ >40 Kích thước hạt < Kích thước: 13-15nm – 100 nm AMPS 3.2 Kết đào tạo (Bài báo; Sách chuyên khảo; sản phẩm khác) Tên sản phẩm TT Yêu cầu khoa học Đăng ký Bài báo khoa học đăng tạp chí Đạt đƣợc KHCN trường Sản phẩm đào tạo đại học sinh viên bảo vệ sinh viên thành cơng khóa luận TN Bài thực hành bài IV Tình hình sử dụng kinh phí TT A Nội dung chi Kinh phí Kinh phí đƣợc duyệt thực (triệu đồng) (triệu đồng) Ghi Chi phí trực tiếp ... phẩm Bài thực hành: ? ?Tổng hợp vật liệu oxit sắt từ kích thước nano phương pháp đồng kết tủa” Bài báo: “ Tổng hợp biến tính vật liệu nano oxit sắt từ ứng dụng tăng cường thu hồi dầu? ??- Tạp chí khoa... - Đánh giá khả tăng cường thu hồi dầu hạt MNC; Phƣơng pháp nghiên cứu: a Tổng hợp vật liệu: Vật liệu tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa Vật liệu nano oxit sắt từ tổng hợp từ dung dịch muối... thành vật liệu kim loại, phi kim loại điện môi từ[ 35] Phân loại vật liệu từ: - Vật liệu thu? ??n từ - Vật liệu nghịch từ - Vật liệu siêu thu? ??n từ 18 Siêu thu? ??n từ tượng, trạng thái từ tính xảy vật liệu