Des millions de barils de pétrole sont produits quotidiennement à partir de réservoirs de schiste, mais une quantité importante reste intacte, piégée dans des pores de taille moléculaire à l’échelle nanométrique. Les modèles de réservoir actuels ne peuvent pas prédire le comportement ou la récupération du pétrole à cette échelle, de sorte que les entreprises ne peuvent pas estimer avec précision les quantités de production pour les investisseurs financiers.
Les chercheurs de la Texas A&M University ont construit et testé (potentiellement) la plus petite plate-forme de recherche de laboratoire sur puce (LOC) à nanopores pour étudier les comportements complexes des fluides à l’échelle nanométrique afin de pouvoir les calculer.
Le Dr Hadi Nasrabadi, le Dr Debjyoti Banerjee et leurs étudiants diplômés, Qi Yang et Ran Bi, ont co-conçu l’ultra-minuscule LOC et l’ont fait fabriquer dans des installations du Texas A&M telles que l’installation de nanofabrication AggieFab et le centre de microscopie et d’imagerie. L’appareil leur permet d’étudier visuellement et d’enregistrer les changements de phase liquide à vapeur et retour à liquide que l’huile et d’autres éléments traversent à une échelle similaire aux conditions dans un réservoir de schiste.
« C’était la première fois que je faisais un projet où les représentants de l’entreprise étaient plus intéressés par les équations que nous avons découvertes que par les données expérimentales que nous avons produites », a déclaré Banerjee, James J. Cain ’51 Faculty Fellow I du J. Mike Walker. ’66 Département de génie mécanique. « C’est un exemple bizarre de la façon dont les équations thermodynamiques peuvent affecter le cours des actions d’une entreprise. L’équation consiste à estimer la quantité de réserves de pétrole qu’une entreprise possède ou peut produire, et cela affecte leur valeur à Wall Street, ou si elles peuvent obtenir un financement prêt à un taux d’intérêt particulier. »
Pourquoi le changement de phase est important
Les LOC autonomes de petit volume de liquide sont courants de nos jours, comme les kits de test d’anticorps COVID-19 à domicile ou les moniteurs de glycémie. Cependant, l’application des LOC à la recherche pétrolière est rare et a nécessité plusieurs étapes pour ce projet.
Nasrabadi et Banerjee ont commencé avec des canaux de test de 50 nanomètres (nm) de diamètre dans leurs LOC avant de travailler jusqu’à des canaux de 2 nm de diamètre, qui sont légèrement plus petits que la largeur d’un brin d’ADN. À cette échelle, correspondant à la stratification serrée du schiste, le pétrole réagit aux fluctuations de température, de pression et de confinement en vibrant avec des retournements thermodynamiques originaux du fluide au gaz et inversement les changements de phase. Étant donné que la production de pétrole à partir de réservoirs de schiste non conventionnels est encore un processus d’apprentissage, ces changements sont largement inexplorés, mais ils ont un impact sur la récupération du pétrole et affectent la confiance des investisseurs financiers.
« L’industrie ne livre pas actuellement le pétrole qu’elle estime, et ce n’est pas intentionnel, à mon avis », a déclaré Nasrabadi, professeur de développement de carrière à Aghorn Energy au département de génie pétrolier Harold Vance. « Notre recherche montre que le comportement des nanopores influence la production, ce qui explique l’écart de récupération. »
Problèmes de sensibilité
La recherche a également eu des problèmes de livraison parce que trois défis allaient de pair avec la réalisation d’expériences à si petite échelle. Tout d’abord, les chercheurs ont dû apprendre et mettre en œuvre la microscopie à force atomique pour caractériser le canal du LOC puisque 2 nm est plus petit que la longueur d’onde de la lumière visible, et le canal devait être inspecté et mesuré avec précision. Deuxièmement, ils ont rapidement appris que certaines conditions, telles que l’humidité de l’air ou le passage d’une voiture devant le bâtiment, pouvaient provoquer suffisamment de perturbations ou de vibrations pour fausser les résultats des expériences. Troisièmement, obtenir des images des réactions de changement de phase bizarres s’est avéré difficile car la caméra avait besoin d’un certain nombre de photons ou de particules de lumière fondamentales présentes. De minuscules ajustements étaient constamment nécessaires pour améliorer les enregistrements des expériences.
Il a fallu environ deux ans pour que la recherche produise des images directes capturées numériquement qui ont aidé les études d’observation des transitions liquide-vapeur-liquide à une échelle qui n’avait jamais été explorée auparavant. Nasrabadi, Banerjee, Yang et Bi ont écrit un article sur le travail, qui a été publié par Langmuir en août 2022.
Les expériences ont été réalisées à des pressions allant jusqu’à 100 livres par pouce carré (psi), mais les chercheurs espèrent augmenter les niveaux pour correspondre aux conditions réelles du réservoir, qui peuvent aller de 1 000 à 5 000 psi. Ils espèrent également augmenter les températures à plus de 300 degrés Fahrenheit. Ces paramètres plus élevés étaient possibles avec des LOC contenant des canaux à l’échelle de 10 nm, mais la puce de 2 nm nécessitera d’abord quelques modifications de conception.
« Nous voulons également faire varier la conception du LOC pour reproduire les conditions de formation du schiste, comme l’utilisation de canaux gravés qui imitent les irrégularités dans la roche », a déclaré Nasrabadi.
Applications au-delà du pétrole
Banerjee a déjà travaillé dans la Silicon Valley, où il a obtenu 17 brevets et commercialisé des plateformes LOC pour diverses startups de biotechnologie et de nanotechnologie. Il a alors remarqué des flux irréguliers de fluides confinés à l’échelle nanométrique, mais n’avait aucun moyen de déterminer pourquoi ils se produisaient.
Des années plus tard, les conversations que Banerjee a eues avec Nasrabadi sur les problèmes intéressants de confinement des fluides dans les réservoirs de schiste ont déclenché une longue collaboration qui a conduit à leur projet pour le Crisman Institute. Le succès du projet a conduit à d’autres conversations et idées.
Banerjee pense que la recherche a bouclé la boucle parce que les modifications qu’ils ont apportées pour réduire l’échelle LOC en dessous de la taille d’un seul brin d’ADN signifient qu’une meilleure recherche sur le génome ou le matériel génétique est désormais possible. Mais le potentiel ne s’arrête pas là.
« A l’échelle de 2 nm, même dans des conditions normales de pression et de température, un liquide nano-confiné peut afficher des propriétés similaires au comportement supercritique », a déclaré Banerjee. « Et cela a des implications importantes pour notre compréhension des fluides supercritiques. De telles connaissances pourraient avoir des implications profondes pour la production d’énergie, l’exploration spatiale et les applications biotechnologiques. C’est vraiment remarquable. »
Qi Yang et al, observation directe de la transition de phase vapeur-liquide et de l’hystérésis dans des nanocanaux de 2 nm, Langmuir (2022). DOI : 10.1021/acs.langmuir.2c00590