Nanotecnologías - Recuperación HC

40 Oilfield Review

Objetos grandes en paquetes pequeos

Muchas industrias estn desarrollando diversos mtodos para explotar el potencial

de los objetos nanoescalares y producirlos en serie. La nanotecnologa tambin

podra revolucionar las reas clave de la recuperacin de hidrocarburos.

No obstante, los xitos de otras industrias a menudo se han registrado en condiciones

que distan considerablemente de las duras realidades de los ambientes de los campos

petroleros. Ahora, se estn llevando a cabo actividades de investigacin para

resolver los desafos especficos de E&P, logrndose avances en diversas reas.

Andrew R. BarronJames M. TourUniversidad de RiceHouston, Texas, EUA

Ahmed A. BusnainaYung Joon JungSivasubramanian SomuUniversidad del NoresteBoston, Massachusetts, EUA

Mazen Y. KanjSaudi AramcoDhahran, Arabia Saudita

David PotterUniversidad de AlbertaEdmonton, Alberta, Canad

Daniel ResascoUniversidad de OklahomaNorman, Oklahoma, EUA

John UlloConsultorSudbury, Massachusetts

Traduccin del artculo publicado en Oilfield Review, Otoo de 2010: 22, no. 3.Copyright 2011 Schlumberger.Por su colaboracin en la preparacin de este artculo, se agradece a Hlne Berthet, del Centro de Productos Riboud de Schlumberger en Clamart, Francia; y a Tancredi Botto y Joyce Wong, del Centro de Investigaciones Doll de Schlumberger en Cambridge, Massachusetts.

Imaginemos un yacimiento infiltrado con disposi-tivos que pudieran informar su localizacin ade-ms de las propiedades de los fluidos que los rodean. O sensores diminutos capaces de identi-ficar contactos agua-petrleo y ser localizados mediante mtodos de deteccin en la superficie. No se trata de meros sueos improbables, sino de las metas a largo plazo de los grupos de investiga-cin que se dedican a investigar las nanotecnolo-

gas para la industria del petrleo y el gas. No obstante, la nanotecnologa an transita sus pri-meras etapas y es probable que hasta su mera descripcin genere discusiones y debates.

Las nanopartculas pueden encontrarse por ejemplo en el enlozado de la cermica antigua, pero ese uso inadvertido de las nanoestructuras dista mucho de la compleja ciencia de la nano-tecnologa, que se sustenta en la investigacin, el

1. Para conocer uno de los primeros anlisis reconocidos sobre las actividades de investigacin en materia de nanoescalas, consulte: Feynman RP: Theres Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New World of Physics, transcripciones de la charla realizada en la Reunin Anual de la Sociedad Fsica Americana de 1959, publicada por primera vez en Engineering & Science (Febrero de 1960), http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html (Se accedi el 26 de julio de 2010).

2. A los fines comparativos, los nanocristales pueden medir tan slo 10 nm; un glbulo rojo humano mide aproximadamente 5 000 nm. Para obtener ms informacin sobre la nanotoxicologa de campos petroleros, consulte: Nabhani N y Tofighi A: The Assessment of Health, Safety and Environmental Risks of Nanoparticles and How to Control Their Impacts, artculo SPE 127261, presentado en la Conferencia Internacional de la SPE sobre Salud, Seguridad y Medio Ambiente en la Exploracin y la Produccin de Petrleo y Gas, Ro de Janeiro, 12 al 14 de abril de 2010.

3. Su MY y Mirin RP: Enhanced Light Extraction from Circular Bragg Grating Coupled Microcavities, Applied Physics Letters 89, no. 3 (17 de julio de 2006): 033105.

Oilfield ReviewAutumn 10Nanotech Fig. OpenerORAUT10-Nano Fig. Opener

Volumen 22, no. 3 41

10

CBGCanaleta

Capa DBR

2

m

a = 525 nma = 360 nmHbrido a = 180, 360 nmHBLED estndar

10

8

6

4

2

0

12

1 080

Intensidad normalizada

Long

itud de

ond

a, nm

1 100 1 120 1 140 1 160 1 180 1 200

Paso degraduacin, a

Oilfield ReviewAutumn 10Nanotech Fig. 1ORAUT10-Nano Fig. 1

m

desarrollo y la manufactura. Los cientficos han teorizado sobre las nanoestructuras durante ms de medio siglo, pero recin en la dcada de 1980 fue posible construir fsicamente lo que se imagi-naba.1 Adems del estudio de los materiales a nanoescala, la nanotecnologa abarca el desarro-llo de herramientas para crear, observar y mani-pular las nanoestructuras experimentalmente y, por ltimo, a niveles de produccin en serie.

Por otro lado, los cientficos deben estudiar y definir con cuidado las propiedades fsicas de los nanomateriales recin creados para utilizarlos de manera segura y efectiva. Dichas evaluaciones se necesitan especialmente cuando los nanoma-teriales se construyen a escala molecular y atmica porque sus comportamientos pueden cambiar sig-nificativamente con el tamao. Estos tipos de estudios, que ayudarn a identificar los nanoma-teriales tiles para aplicaciones especficas o para nuevas investigaciones, son prctica usual en relacin con los materiales a granel, tales como los minerales y los qumicos.

Adems, los descubrimientos cientficos pasa-dos, tales como los materiales radioactivos, los

clorofluorocarbonos y el asbesto, planteaban riesgos toxicolgicos significativos que no fueron identificados hasta despus de haberse regis-trado prdidas de vidas o daos graves en el medio ambiente. De un modo similar, dado que los nanomateriales son suficientemente peque-os como para sortear las membranas biolgicas o unirse a las clulas tisulares, podran plantear serias amenazas toxicolgicas, riesgos que tam-bin deben considerarse en las evaluaciones de los materiales.2 A pesar de estas advertencias desafiantes, muchos especialistas anticipan que las aplicaciones nanotecnolgicas producirn beneficios revolucionarios.

Algunos de los materiales ms avanzados uti-lizados en nuestros das son las aleaciones, con amplia aplicacin en aeronaves, automviles, embarcaciones y edificios. Los especialistas en ciencia de los materiales pueden crear un metal de aleacin que sea resistente pero al mismo tiempo liviano y que combine las mejores propie-dades de cada metal componente. Los nanomate-riales, como las aleaciones, tambin pueden ser refinados para ajustarse a las necesidades de una aplicacin especfica. Existen dos procedimien-tos principales de diseo de nanomateriales: El diseo descendente (top-down) de materia-les: Los cientficos realizan modificaciones nanoescalares de los materiales existentes, habitualmente de las superficies, para mejorar sus propiedades originales.

El diseo ascendente (bottom-up) de materia-les: Los cientficos desarrollan nuevos materia-les a partir de subcomponentes nanoescalares,

lo que a menudo se traduce en un mayor refina-miento del desempeo del material. El enfoque descendente, que utiliza mtodos

tales como la nanolitografa, la nanoablacin o el nanograbado, genera nanoestructuras a partir de objetos macroscpicos, o materiales a granel. Estos mtodos de nanofabricacin suelen ser ver-siones reducidas de mtodos de fabricacin ms amplios. El mejoramiento descendente de un material existente puede visualizarse como un proceso de nanotecnologa incremental porque el material original no se altera radicalmente. No obstante, los resultados impresionantes que puede arrojar fueron demostrados por los cientficos del Instituto Nacional de Normas y Tecnologa (NIST) de Gaithersburg, en Maryland, EUA.

Los cientficos del NIST mejoraron las propie-dades luminescentes de los diodos emisores de luz de alto brillo (HBLED) a travs de una tcnica de nanograbado. La tecnologa HBLED posee nume-rosos usos prcticos, tales como la iluminacin domstica, la iluminacin de contraluz para los televisores de pantalla plana y los dispositivos lser, porque estos diodos requieren mucha menos potencia y son ms pequeos que en la tecnologa de iluminacin ms tradicional. Para mejorar sus capacidades de emisin de luz, las superficies de los HBLED son nanograbadas con un diseo circu-lar de redes de difraccin de Bragg (CBG). El CBG reduce la refraccin interna, lo que permite la emisin de ms luz desde los HBLED (abajo). El proceso mejora la eficiencia de la emisin de luz de los HBLED utilizados en los experimentos, que pasa del 2% al 41%.3

> HBLED mejorados. Un distribuidor de la refleccin Bragg (DBR, extremo superior izquierdo) mejora la extraccin de la luz, a travs de la reduccin significativa de la luz que se refleja sobre el sustrato de cobertura de los HBLED. Una rejilla de difraccin circular de Bragg (CBG) extrae la luz desde el exterior del cono de reflexin DBR no modificado. La litografa por haz de electrones genera patrones de tipo CBG, que colectivamente forman una mscara CBG. El grabado de la mscara por haz de iones, asistido con cloro, produce una rejilla CBG de 150 nm de profundidad (extremo inferior izquierdo). Alrededor de la parte externa del dispositivo se graba en seco una canaleta para permitir que la luz refractada internamente, dentro de las capas DBR, sea emitida lateralmente. Los resultados (derecha) indican que una rejilla CBG con un paso de graduacin de 525 nm (curva roja) constituye el mejoramiento ms significativo de la intensidad de la luz con respecto al HBLED estndar (curva negra). (Fotografas, cortesa del Instituto Nacional de Normas y Tecnologa.)

42 Oilfield Review


10

10 nm

Componentes electrnicosdel detector y laretroalimentacin

Sensor por fotodiodo

Lser

Mnsula y puntaSuperficie del espcimen

Escner PZT

Punto lser reflejado

m

Mediante el empleo del proceso de diseo ascendente de materiales, los cientficos desarro-llan los nanomateriales a partir de los subcompo-nentes moleculares o atmicos o a partir de otras nanoestructuras. Existen numerosos mtodos de desarrollo de nanomateriales, cada uno de los cuales posee sus propias variaciones: Autoensamblaje molecular: Las molculas adop-tan disposiciones definidas, segn su forma y los grupos funcionales.

Procesos basados en aerosoles: Los qumicos rociados sobre las superficies macroscpicas reaccionan con la superficie y forman gotas pequeas, generando nanopartculas.

Condensacin atmica: Con el calor intenso, los materiales a granel tales como el metal, se atomizan en el vaco; luego, los cientficos diri-

gen la materia dispersa hacia el interior de una cmara de recoleccin que contiene gas. Los tomos vaporizados colisionan con las molcu-las de gas, lo que produce un enfriamiento rpido con la subsiguiente condensacin que forma nanopartculas.A menudo se alude al diseo ascendente de

los materiales de autoensamblaje con el trmino nanotecnologa evolutiva porque los materiales creados pueden ser altamente personalizados y, por consiguiente, ofrecen capacidades nicas en comparacin con los materiales producidos con otros mtodos. Los mtodos ascendentes han sido utilizados en la industria mdica para crear agentes de contraste que mejoran las imgenes mdicas y los sistemas de administracin de fr-macos, diseados para transportar las cargas ti-

les de los tratamientos hasta las reas objetivo o hasta determinadas clulas del cuerpo. Adems, existen nanosensores que detectan las propieda-des en sitio y nanogeneradores que pueden cap-tar energa, tal como el calor o el movimiento, y convertirla en electricidad.

Sin embargo, para el simple hecho de comen-zar a trabajar en la nanoescala, se necesitaron dos invenciones de la dcada de 1980 que permitieron que los cientficos observaran, y posteriormente manipularan, las nanoestructuras. El microscopio de barrido de efecto tnel (STM), inventado a comienzos de la dcada de 1980, permiti a los cientficos observar los tomos solos presentes en los materiales. Posteriormente, el microscopio de fuerza atmica (AFM), introducido en 1989, per-miti que los cientficos manipularan los tomos individuales (izquierda). En 1985, el STM fue una herramienta esencial para el descubrimiento de los fullerenos, molculas compuestas enteramente de carbono con estructuras en forma de esferas huecas, cilindros o elipsoides.4 Los fullerenos ciln-dricos o tubulares son ms conocidos como nanotu-bos de carbono (CNT); se utilizan en gran parte de los proyectos nanotecnolgicos de nuestros das.

Este artculo define primero las nanoestructu-ras. Luego, describe los esfuerzos de investigacin registrados recientemente en diversos campos, entre los que se encuentran las industrias electr-nica, mdica y cosmtica. Una descripcin del tra-bajo realizado por el Consorcio de Energa de Avanzada (AEC) destaca las actividades de investi-gacin precompetitivas llevadas a cabo en el rea de las nanociencias y las potenciales reas de impacto dentro del flujo de trabajo de E&P.5 El consorcio, diri-gido por el Departamento de Geologa Econmica de la Universidad de Texas, en Austin, EUA, est com-puesto por Baker Hughes, BP, ConocoPhillips, Halliburton, Marathon Oil Corporation, Occidental Petroleum Corporation, Schlumberger, Shell y Total. El objetivo principal del AEC es el desarrollo de nanosensores inteligentes que puedan ser inyecta-dos en los yacimientos de petrleo y gas para mejorar la recuperacin de recursos. Otros ejemplos tomados de la industria del petrleo y el gas proporcionan una visin general de las aplicaciones ajenas al alcance del AEC.

Una introduccin a la nanotecnologaEn la ciencia, el trmino nano significa una mil-millonsima parte; no obstante, se utiliza normal-mente como un prefijo para describir cualquier cosa que infiera o pertenezca a la nanotecnloga, tal como la nanociencia, la nanoelectrnica y la nanorrobtica. Si bien los tamaos exactos an tienen que estandarizarse, el tamao de las

> La nanotecnologa de fuerza atmica. El primer microscopio de fuerza atmica (AFM) comercial fue introducido en el ao 1989. Una mnsula con una punta fina (extremo superior derecho) explora fsicamente la superficie de los especmenes. La deflexin de la mnsula se mide mediante la deteccin del movimiento de un punto lser, utilizando un sensor por fotodiodo (izquierda). Un escner piezoelctrico (PZT) controla el movimiento de la mnsula para asegurar que se ejerza una fuerza constante contra el espcimen. Como dato de entrada para la ley de Hooke, se utilizan la distancia de deflexin y el coeficiente de rigidez de la mnsula para determinar la fuerza. Cuando la punta entra en contacto con un tomo de un material que se est explorando, se aplica una tensin para levantar el tomo con la punta. El tomo puede ser desplazado luego a otra posicin y la polaridad de la tensin puede invertirse para colocarlo en una nueva posicin. Los cientficos del Instituto Nacional de Normas y Tecnologa utilizaron esta tcnica para crear su logo con un AFM, colocando tomos de cobalto sobre una superficie de cobre (extremo inferior derecho). Cada tomo (los puntos de cada letra del logo) se comporta como un guijarro en una laguna ya que los electrones perturbados en la superficie de cobre muestran una apariencia ondulante.


nanoestructuras habitualmente oscila entre 1 nm y 1 m (1 10-9 and 1 10-6 m) (arriba). Como comparacin, el tamao de las microestructuras vara entre 1 y 100 m. En este artculo, se utiliza una clasificacin estndar para definir los princi-pales tipos de unidades nanoescalares bsicas.6 Estas unidades bsicas forman nanomateriales, tales como los nanoaerosoles, los nanopolvos o las nanolminas: Las unidades bsicas 0 dimensionales (0D) (en las que la longitud es igual al ancho) compren-den las nanopartculas, los nanoclusters y los nanocristales.

Las unidades bsicas unidimensionales (1D) (en las que la longitud es mayor que el ancho) comprenden los nanotubos, las nanofibras y los nanocables.De los objetos 0D, las nanopartculas son

estructuras amorfas o bien semicristalinas, cuyo tamao oscila entre 10 nm y 1 m. Durante la fabricacin, las nanopartculas que forman los nanomateriales pueden ser de diferentes tamaos, que pueden variar en ms de un 15% y as y todo formar el nanomaterial, sin afectar su especifica-cin de diseo. A diferencia de las nanopartculas,

los nanoclusters son sensibles a su tamao y pue-den ser ms reactivos si se aumentan o se reducen proporcionalmente.7 Por consiguiente, la produc-cin de nanomateriales a partir de nanoclusters requiere variaciones de tamao mucho ms peque-as, habitualmente de menos del 15%, o el nano-material se comportar de manera diferente; por ejemplo, los nanoclusters de una nanoemulsin podran aglomerarse de manera indeseada, produ-ciendo lotes fallidos.8

Los nanoclusters, como las nanopartculas, poseen una estructura amorfa o bien semicrista-lina, pero son ms pequeos que las nanopartcu-las: su dimetro oscila entre 1 y 10 nm. En el extremo ms pequeo de esta escala, se caracteri-zan a veces por su nmero de tomos: que oscilan entre 200 y 1 000 aproximadamente. Los nano-cristales son nanoestructuras monocristalinas, cuyo tamao vara de 1 a 30 nm.9 Los nanocristales semiconductores se conocen ms comnmente como puntos cunticos y poseen numerosas aplica-ciones potenciales en los nanosensores y en otros componentes elctricos; adems, se utilizan como marcadores de fcil deteccin en aplicaciones tales como la generacin de imgenes mdicas.

Las unidades bsicas de nano tamao que son 1D poseen dimetros que oscilan entre 1 nm y 1 m, pero sus longitudes son ilimitadas y a menudo exceden 1 m. Los nanotubos pertenecen al grupo de las unidades bsicas 1D y poseen un ncleo hueco, en tanto que los nanocables, las nanofibras y los nanorods son slidos. Las nanofibras son amorfas y tpicamente no conductoras. Los nano-cables son cristalinos y pueden ser conductores, semiconductores o aislantes. Se encuentran en muchos de los nanocircuitos existentes, tales como los nanocircuitos de los microchips.

Aplicaciones industrialesHoy, una de las aplicaciones ms comunes de la nanotecnologa gira en torno de la industria elec-trnica, especficamente, de las unidades centra-les de procesamiento (CPU). Estos componentes se utilizan en las computadoras; su tarea es eje-cutar instrucciones binarias con la mayor eficacia posible. Estn conformados por millones de tran-sistores, que son interruptores de dos etapas. Cuanto ms cerca se encuentran unos de otros y cuanto ms pequeos son los transistores, ms rpido se transmite una seal elctrica. Esta com-binacin de proximidad y tamao pequeo incre-menta el nmero de instrucciones que pueden ser calculadas por segundo y mejora la eficiencia del procesador en trminos de energa elctrica.

Las CPU se fabrican habitualmente con obleas de silicio. A la oblea se le aplica una capa de mate-rial fotorresistivo, mediante un proceso de revesti-miento por rotacin, que distribuye la solucin de manera uniforme sobre la superficie. A travs de un proceso de nanofabricacin, denominado lito-grafa por inmersin, se forman canales por curado en la capa fotorresistiva para crear un patrn de

4. Kroto HW, Heath JR, OBrien SC, Curl RF y Smalley RE: C60: Buckminsterfullerene, Nature 318, no. 6042 (14 de noviembre de 1985): 162163.

5. Para obtener ms informacin sobre el AEC, consulte: http://www.beg.utexas.edu/aec/ (Se accedi el 8 de septiembre de 2010).

6. Fahlman BD: Materials Chemistry. Dordrecht, Pases Bajos: Springer (2007): 275357.

7. En qumica organometlica se utiliza el trmino cluster para describir las jaulas moleculares de tamaos fijos.

8. Para obtener ms informacin sobre la dispersin del tamao de los nanocristales, consulte: Wan YM, Van Der Jeugd K, Baron T, De Salvo B y Mur P: Improved Size Dispersion of Silicon Nanocrystals Grown in a Batch PSIVD Reactor, en Claverie A, Tsoukalas D, King T-J y Slaughter JM (eds): Materials Research Society Symposium Proceedings 830.

Warrendale, Pensilvania, EUA: Materials Research Society (2005): 257262.

9. Un material monocristalino posee una red cristalina que es continua hasta los bordes del material, sin ningn lmite intergranular.

>Nanoestructuras en primer plano. Normalmente, se utiliza una solucin de nanocristales de slice coloidal, suspendida en agua (extremo superior izquierdo), como abrasivo para el pulido fino de las obleas de silicio. Otra forma de nanocristal, el dixido de vanadio (extremo superior, centro) ha sido utilizado para los obturadores pticos de alto rendimiento. La velocidad de transmisin entre la fase semiconductora transparente y la fase conductora reflectora puede ser de una dcima de una trillonsima parte de un segundo. Los nanocables (extremo superior derecho) poseen potencial para los nanocircuitos futuros. Los puntos cunticos (extremo inferior izquierdo) son semiconductores con aplicaciones en los paneles solares, los dispositivos lser y los marcadores para la generacin de imgenes. Los nanotubos de carbono (extremo inferior, centro) se encuentran entre las formas ms utilizadas de nanoestructuras. Los nanocubos (extremo inferior derecho) ilustran la diversidad de formas que pueden fabricarse actualmente. [Imgenes, cortesa del Instituto Nacional de Normas y Tecnologa y Furmanj (extremo superior, centro) en Wikipedia en idioma ingls, http://en.wikipedia.org/wiki/File:Nanostars-it1302.jpg (Se accedi el 9 de noviembre de 2010.)]


20 nm 5 m

20 m

20 m 1m 50 nm

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diseo de circuito (arriba). La luz proveniente de una fuente de longitud de onda estrecha, tal como un excimer lser de argn-fluoruro de 193 nm, atra-viesa una mscara del tipo del patrn de diseo de circuito y luego una serie de lentes que enfocan el patrn de diseo en la nanoescala. La exposicin de la capa fotorresistiva deja un patrn de diseo de circuito nanoescalar. El patrn expuesto a la luz se remueve mediante un proceso de grabado qu-mico que no afecta a la sustancia fotosensible no expuesta. Para construir circuitos tridimensionales de alta complejidad, se agregan y se remueven por grabado ms capas de semiconductor, aislador y sustancia fotosensible. Mediante la utilizacin del proceso de litografa por inmersin, ahora es posi-ble lograr rasgos de menos de 32 nm de ancho.10

En la industria farmacutica, las motivacio-nes clave para la investigacin de nuevos produc-tos consisten en desarrollar frmacos que puedan combatir determinadas dolencias, con efectos colaterales mnimos para el paciente, y que admi-nistren los tratamientos con la mayor rapidez posible. Si bien los mtodos teraputicos contra el cncer han mejorado significativamente en los ltimos 50 aos, prolongando muchas vidas, cier-tos elementos de los tratamientos tales como la quimioterapia antineoplstica, siguen siendo conceptualmente iguales desde la dcada de 1950.11 Esta medicacin, basada en el uso de qu-micos, retarda las velocidades de divisin de las clulas. Combinada con la eliminacin quirr-gica de los tumores cancerosos y la radioterapia, la quimioterapia es una forma efectiva de dete-ner la diseminacin del cncer. No obstante,

dado que dichos mtodos de tratamiento contie-nen procesos que son perjudiciales para las clu-las sanas, los investigadores estn haciendo esfuerzos para descubrir procedimientos mdi-cos que sean menos dainos o completamente seguros de aplicar en los pacientes.

Los sistemas de administracin de frmacos (DDS) basados en tcnicas nanotecnolgicas constituyen un rea de investigacin con potencial para mejorar significativamente muchos trata-mientos.12 Mediante la aplicacin de esta tcnica, las molculas de los frmacos se pueden unir a travs de un enlace covalente a la superficie rela-tivamente grande de los nanotubos de carbono (CNT). Adems de transportar la medicacin adosada, el paquete de CNT se configura con molculas dirigidas a blancos, que identifican a los receptores de determinadas clulas. Este pro-ceso limita los efectos negativos de la medicacin sobre las clulas sanas del cuerpo, mejorando la eficacia del tratamiento.

Un proyecto de investigacin reciente, que cont con la colaboracin del Centro de Salud de la Universidad de Connecticut, en Farmington, EUA, y los Institutos Nacionales de Salud de Bethesda, en Maryland, se centr en la utiliza-cin de nanotubos de carbono de una sola pared (SWNT) como mecanismo de transporte para los agentes anticancergenos.13 A los SWNT se les aplica un proceso complejo de mltiples etapas

que los prepara para recibir los medicamentos anticancergenos. Los tubos se oxidan en cido, produciendo grupos carboxilatos en sus superfi-cies. Luego, se utiliza un promotor qumico con el fin de crear una reaccin de amidacin para ado-sar la medicacin anticancergena a los SWNT.

Uno de los frmacos que est siendo probado es una droga quimioteraputica a base de platino que interfiere con la divisin celular en la mito-sis. La droga se combina en el SWNT con un fac-tor de desarrollo epidrmico, que representa el componente del DDS dirigido al blanco (abajo). Un grupo de ensayo de ratones de laboratorio fue inyectado con clulas cancergenas, monitoren-dose el desarrollo de tumores de 500 mg. La mitad de este grupo fue tratada con el nuevo DDS, que detuvo el crecimiento posterior de los tumores durante un perodo de 10 das. La otra mitad de los sujetos del ensayo estaba compuesta por un grupo de control, en el que los tumores se desarrollaron hasta alcanzar ms de 2 000 mg.

La industria cosmtica tambin posee un sec-tor de investigacin y desarrollo nanotecnolgicos, que goza de buena reputacin.14 Por ejemplo, en muchas pantallas solares modernas se utilizan par-tculas de xido metlico, tales como el dixido de titanio [TiO2] y el xido de cinc [ZnO], porque su

Fuente de luz

Lente

Capa delquido

Obleade silicio

Mscara

AireCapa

de lquido

Lente

Plano focalen el lquido

Plano focalen el aire

Luz


> Sistema de administracin de frmacos mediante nanotubos de una sola pared (SWNT). Los receptores del factor de crecimiento epidrmico (EGFR) son producidos en exceso en las clulas epidrmicas cancerosas. La insercin de las protenas del factor de crecimiento epidrmico (EGF) en los SWNT hace posible que los nanotubos favorezcan a las clulas cancerosas con respecto a las clulas sanas. Una vez en el lugar, cada SWNT puede transportar una seleccin de tratamientos con drogas contra el cncer que son expuestos a las clulas cancerosas, tales como el enlace qumico. En este ejemplo, tambin se adosaron puntos cunticos fluorescentes (nanopartculas semiconductoras Litografa por inmersin. Una fuente de luz de longitud de onda estrecha se coloca sobre una mscara que contiene un patrn de diseo de circuito (izquierda). Luego, la luz canalizada se enfoca a travs de una lente que reduce el tamao del patrn de diseo de circuito a la nanoescala. Un medio lquido que posee un ndice de refraccin mayor que el del aire, que es 1,0, ocupa el lugar del intervalo de aire utilizado en el proceso de fotolitografa. El mayor ndice de refraccin de la capa de lquido incrementa la longitud focal y el ngulo de refraccin (derecha). En la fabricacin de unidades centrales de procesamiento (CPU), este proceso puede reiterarse ms de 50 veces; cada ciclo consiste en el tratamiento qumico, la limpieza, el dopado (dopaje) y el agregado de ms sustancia fotosensible para crear muchas capas de circuitos.


10. Para obtener ms informacin sobre el proceso de litografa por inmersin, consulte: Technology Backgrounder: Immersion Lithography, http://www.icknowledge.com/misc_technology/Immersion%20Lithography.pdf (Se accedi el 30 de agosto de 2010).

11. Hirsch J: An Anniversary for Cancer Chemotherapy, JAMA 296, no. 12 (27 de septiembre de 2006): 15181520.

12. Prato M, Kostarelos K y Bianco A: Functionalized Carbon Nanotubes in Drug Design and Discovery, Accounts of Chemical Research 41, no. 1 (Enero de 2008):6068.

13. Bhirde AA, Patel V, Gavard J, Zhang G, Sousa AA, Masedunskas A, Leapman RD, Weigert R, Gutkind JS y Rusling JF: Targeted Killing of Cancer Cells in Vivo and

tamao pequeo les permite limitar la adsorcin de los rayos ultravioleta a parmetros seguros. Adems, las partculas son invisibles a simple vista cuando se aplican en la piel y no se aglomeran, lo que facilita la aplicacin de la pantalla solar.

Existe cierta preocupacin acerca de los ries-gos toxicolgicos que implica la aplicacin de nanopartculas directamente en la piel, y algunos resultados indican que el TiO2 puede penetrar en la epidermis, en tanto que otros resultados con-tradicen esas conclusiones. Actualmente, la Administracin de Alimentos y Medicamentos de EUA est llevando a cabo un estudio de los efec-tos del tamao de las nanopartculas sobre la penetracin en la piel y un segundo estudio acerca de los efectos especficos del TiO2 y del ZnO sobre la piel extirpada de los seres humanos, durante un perodo de 24 horas.15

La nanotecnologa en los ambientes de E&PSi bien las nanotecnologas estn siendo cada vez ms utilizadas en otras industrias, la industria del petrleo y el gas recin transita las primeras eta-pas de exploracin de este nuevo campo. La princi-pal dificultad que implica la aplicacin de los xitos experimentados por otras industrias es el ambiente operativo hostil del fondo del pozo, que incluye condiciones de alta temperatura y alta pre-sin, y a menudo una diversidad de fluidos corrosi-vos. Por consiguiente, no slo la industria de E&P debe considerar cmo aprovechar la nanotecnolo-ga para resolver los problemas asociados con los campos petroleros, sino que adems las activida-des de investigacin deben contemplar el desarro-llo de nanoestructuras capaces de sobrevivir a los rigores que imponen estas condiciones tan com-plejas. No obstante, la industria ha logrado ciertos avances en diversas reas.

La caracterizacin de yacimientos requiere un software de modelado y simulacin de avan-zada para pronosticar cmo se comportarn los fluidos del yacimiento y las rocas durante la fase de produccin. La disponibilidad de datos fsicos precisos es esencial para reducir la incertidum-bre asociada con estas predicciones. Diversas fuentes, incluidos estudios geolgicos, levanta-mientos ssmicos, registros y pruebas de pozos, y datos de produccin, proporcionan datos de entrada para generar un panorama preciso del yacimiento. Pero las herramientas de adquisicin de registros de alta resolucin pueden recolectar datos solamente en las proximidades del pozo, y los levantamientos ssmicos, si bien cubren reas extensas, poseen un grado de resolucin compa-rativamente bajo.

No obstante, si fuera posible conocer las propie-dades fsicas y qumicas del yacimiento y sus flui-

dos, al mismo tiempo que se mantienen los niveles de resolucin de los datos ms cercanos a los de los registros, los operadores podran hallar formas de mejorar considerablemente la eficiencia de la recuperacin. A estos efectos, los investigadores estn investigando el empleo de nanopartculas que puedan ser inyectadas en un yacimiento para asistir en su caracterizacin. Una de las primeras metas consiste en crear nanopartculas que posean las propiedades correctas, tales como el tamao, para atravesar las estructuras del yaci-miento, y resistencia a la floculacin para evitar el taponamiento de las estructuras. Un paso poste-rior consistir en posibilitar que estas partculas midan las propiedades del yacimiento a medida que son transportadas. Se estn desarrollando dos tipos de aplicaciones para explotar este potencial: los nanosensores y las nanopartculas que acen-tan los contrastes.

Inyectados en los yacimientos, los sensores explorarn fsicamente los fluidos y las rocas yacimiento a medida que son transportados por el flujo de fluido. Los datos sern recuperados mediante la ejecucin de un anlisis directo de los nanosensores recuperados con los fluidos de

produccin, o en forma ms ambiciosa, mediante la comunicacin inalmbrica con los sensores en sitio. Por otro lado, las nanopartculas que acen-tan los contrastes no poseen capacidades de recoleccin de datos. Pero se utilizarn para mejorar los mtodos tradicionales de adquisicin de datos, tales como la generacin de imgenes mediante resonancia magntica nuclear (NMR) o los levantamientos electromagnticos con fuen-tes controladas (CSEM), de un modo similar al que los agentes de contraste mejoran la genera-cin de imgenes mdicas.

Transporte durante el proceso de deteccinUn ejemplo sin precedentes de nanotecnologa aplicada a los campos petroleros proviene de Medio Oriente. En el ao 2007, Saudi Aramco puso en marcha un proyecto de investigacin a largo plazo, que pudo utilizarse en los yacimien-tos carbonatados de Arabia. En una etapa inicial del proyecto se determin cun pequeas necesi-taban ser las nanopartculas para atravesar las gargantas de poros; es decir, los canales de flui-dos permeables ms pequeos presentes en las rocas yacimiento (arriba). Se efectuaron pruebas


400

2 200 Garganta de poro

Espacio de poro

NanopartculaGrano

m m

m

in Vitro with EGF-Directed Carbon Nanotube Based Drug Delivery, ACS Nano 3, no. 2 (13 de enero de 2009): 307316.

14. En el ao 2008, el sexto mayor nmero de patentes de EUA relacionadas con las nanotecnologas perteneci a una compaa de productos cosmticos: Chen H, Roco MC, Li X y Lin Y: Trends in Nanotechnology Patents, Nature Nanotechnology 3, no. 3 (Marzo de 2008): 123125.

15. Katz LM: Nanotechnology and Applications in Cosmetics: General Overview, en Morgan SE, Havelka KO y Lochhead RY (eds): Cosmetic Nanotechnology: Polymers and Colloids in Cosmetics. Washington, DC: American Chemical Society, ACS Symposium Series 961 (2007): 193200.

> Poros y gargantas. Los poros son cavidades microescalares (reas con tinte azul) existentes entre los granos (reas blancas y amarillas) que contienen fluidos o gases. Las gargantas de poros son los conductos estrechos que vinculan los poros (extremo superior izquierdo) y constituyen las estructuras permeables ms pequeas de la roca yacimiento. Para garantizar el xito de la nanotecnologa en un yacimiento, es preciso que los agentes de contraste o los nanosensores atraviesen (lneas rojas) una formacin sin flocular, obturar los poros, o daar la permeabilidad del yacimiento. Una visualizacin 3D ms compleja de los poros y las gargantas se observa en la imagen del extremo superior derecho. (Fotografa, cortesa de Dave L. Cantrell, Saudi Aramco.)

46 Oilfield Review

de inyeccin de mercurio a alta presin en aproxi-madamente 850 ncleos pequeos de diferentes reas del campo Ghawar. El anlisis resultante indic la existencia de gargantas de poros de tan slo 0.5 m de dimetro.16 En base a estudios pre-vios sobre fenmenos de transporte, los cientfi-cos dedujeron que un lmite de tamao seguro

partculas de 10 nm en 250 bbl [40 m3] de agua de inyeccin.17 La solucin nanoenriquecida, de 100 partes por milln (ppm), fue bombeada luego en la formacin Arab-D del campo Ghawar. A continua-cin, se inyect salmuera para transportar la mez-cla a lo largo de una distancia estimada de 5 a 6 m [15 a 20 pies] lejos del pozo. Luego, se cerr el pozo de inyeccin durante tres das antes de explo-tar el yacimiento. Los ingenieros realizaron un muestreo extensivo de los fluidos de produccin durante dos das a fin de determinar la presencia de nanopartculas mediante la tcnica de espec-troscopa de fluorescencia.

A travs de la comparacin de las concentra-ciones de nanopartculas presentes en las mues-tras de agua producida y en el agua a inyectar, los investigadores de Saudi Aramco confirmaron un factor de recuperacin alto de aproximadamente 86%, lo que demostr la capacidad de las nano-partculas para mantenerse coloidalmente esta-bles en condiciones de alta temperatura y alta salinidad. La alta recuperacin indic adems que las nanopartculas lograron atravesar las gargan-tas de poros sin ninguna afinidad con la formacin carbonatada. Las pruebas aceleradas de laborato-rio y las mediciones de presin de boca de pozo, obtenidas durante la prueba de pozo, no mostra-ron signos de reduccin de las tasas de flujo de fluido ni de la permeabilidad del yacimiento.

Las instituciones acadmicas estn procurando proyectos similares, que investiguen el transporte de los nanosensores a travs de los yacimientos. Entre las diversas aplicaciones potenciales se encuentran la deteccin del petrleo residual y de otras propiedades del yacimiento, tales como aci-dez, salinidad, presin y concentraciones de dixido de carbono [CO2] y cido sulfhdrico [H2S]. Si bien son an incipientes, muchos proyectos ya han registrado avances.

Un equipo ha comenzado a explorar el trans-porte y la retencin de las nanopartculas a travs de muestras de roca yacimiento.18 Recientemente, este trabajo se extendi para demostrar un mtodo de estimacin del petrleo residual en sitio (ROIP). Los cientficos de la Universidad de

> La importancia de la funcionalizacin de la superficie de las nanopartculas. En este ejemplo, luego de la inyeccin de nanopartculas con funcionalizacin inadecuada, grandes cantidades de nanopartculas quedaron en las superficie de los granos de rocas (izquierda). Este hecho indudablemente reducira la permeabilidad del yacimiento; por consiguiente, los cientficos buscaron formas de modificar la qumica de la superficie de las nanopartculas. Despus de que los cientficos inyectaron nanopartculas bien funcionalizadas, los granos de rocas quedaron limpios (derecha).


2 2 m m

Efluente

Afluente

Columna empacadacon doloma o arenisca1


m

16. Kanj MY, Funk JJ y Al-Yousif Z: Nanofluid Coreflood Experiments in the ARAB-D, artculo SPE 126161, presentado en el Simposio y la Exhibicin Tcnica de la Seccin de Arabia Saudita de la SPE, Al-Khobar, Arabia Saudita, 9 al 11 de mayo de 2009.

17. Para obtener ms informacin sobre el estado reciente del proyecto, consulte: Bence H: Nanobot Trial a Winner, http://www.aramcoexpats.com/Articles/Pipeline/Saudi-Aramco-News/Dhahran-Media/6346.aspx (Se accedi el 20 de agosto de 2010).

18. Yu J, Berlin JM, Lu W, Zhang L, Kan AT, Zhang P, Walsh EE, Work SN, Chen W, Tour JM, Wong MS y Tomson MB: Transport Study of Nanoparticles for Oilfield Application, artculo SPE 131158, presentado en la Conferencia Internacional sobre Acumulacin de Incrustaciones en Campos Petroleros de la SPE, Aberdeen, 26 al 27 de mayo de 2010.

>Montaje de laboratorio. Los cientficos trituraron muestras de ncleos de doloma y arenisca Berea y luego filtraron el residuo para obtener una distribucin de los tamaos de grano, oscilantes entre 106 y 250 m. Luego, los granos fueron lavados con tolueno y metanol para eliminar el petrleo entrampado y se empacaron en columnas de vidrio individuales. Los cientficos calcularon la incursin y la concentracin de las nanopartculas [imagen del microscopio electrnico de barrido (SEM), inserto] mediante la inyeccin de un volumen de poros y el posterior empleo de un espectrofotmetro para detectar la fluorescencia ultravioleta de las nanopartculas presentes en el efluente.

para las nanopartculas equivala a una quinta-sptima parte del lmite de las gargantas de poros, o un valor oscilante entre 70 y 100 nm. Con estas restricciones, los cientficos investigaron diversos mtodos de funcionalizacin de las nanopartcu-las para abordar la compatibilidad con las condi-ciones rigurosas del yacimiento (arriba).

Recientemente, el proyecto logr un hito importante en la inyeccin y produccin de nano-partculas en un yacimiento activo. En el primer semestre de 2010, los cientficos dispersaron nano-


Conc

entra

cin

de na

nopa

rtcu

las, %

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Nmero de volmenes de poros inyectados

Columna de doloma con cationes divalentes

Conc

entra

cin

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las, %

0

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60

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100

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Nmero de volmenes de poros inyectados

Columna de doloma con agua de mar sinttica

Esquema de puentes salinos

Mg2+ or Ca2+

Nanopartculas


Comienzo delproceso de lavado

Agua desionizada

Agua de mar sinttica[Ca2+] = 3,5 mmol[Mg2+] = 5,5 mmol

[Ca2+], [Mg2+] = 6.0 mmol[Ca2+], [Mg2+] = 0.8 mmol


NanopartculastratadasNanopartculasno modificadas

Rice, en Houston, y de la Universidad de Nankai, en Tianjin, Repblica Popular de China, prepara-ron un procedimiento de inundacin de ncleos para determinar cmo el cambio de la composi-cin de los fluidos de inyeccin y de las propieda-des de las rocas podra afectar el transporte de las nanopartculas (pgina anterior, abajo).

Durante una serie de pruebas de las propieda-des de los fluidos, los cientficos descubrieron que el incremento de la fuerza inica del fluido, mediante el agregado de cloruro de potasio [KCl], increment el tiempo requerido para detectar la presencia de nanopartculas en el efluente. Adems, el incremento de la fuerza inica redujo significativamente la concentra-cin de nanopartculas en el efluente (derecha). No obstante, en el peor de los casos, cuando las pruebas detectaron slo un 40% de las nanopart-culas inyectadas, el lavado con agua desionizada posibilit la recuperacin de ms del 90% de las nanopartculas atrapadas.

En otro estudio se consider cmo los cationes divalentes, abundantes en el agua de mar, afecta-ran el transporte a travs de una columna de dolo-ma empacada. Los cationes divalentes son molculas, o iones, que han perdido dos electrones, lo que los hace altamente reactivos. Los iones de calcio [Ca2+] y los iones de magnesio [Mg2+] son

dos ejemplos de cationes divalentes que se encuen-tran en grandes cantidades tanto en el agua de mar como en la doloma, una de las muestras de rocas utilizadas en la prueba. Los cientficos confirmaron la presencia de puentes salinos en las nanopartcu-las y los iones de Ca y Mg del fluido de inyeccin y la columna de doloma (abajo).

> Efecto del cloruro del potasio [KCl]. Se utiliz agua desionizada (curva azul) para caracterizar el flujo a travs de una columna de doloma. Con el agregado de concentraciones cada vez mayores de KCl (curvas prpura, verde y rojo) a una solucin de nanopartculas desionizadas, se redujo significativamente el factor de recuperacin. La recuperacin total de las nanopartculas fue determinada mediante un proceso de lavado con agua desionizada (crculos negros). Los resultados indican que el incremento de la fuerza inica hace que las nanopartculas sean depositadas sobre las partculas de doloma, tal como se pronostic.


Concen

tracin

de na

nopa

rtculas, %

0

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80

100

0 5 10 15 20 25Nmero de volmenes de poros inyectados

Columna de doloma con cloruro de potasio


Agua desionizada0,01% en peso de KCI

1% en peso de KCI0,1% en peso de KCI

> Cationes divalentes y superficies de nanopartculas modificadas. Las nanopartculas con cargas negativas naturales son puenteadas fcilmente por los iones de magnesio [Mg2+] y calcio [Ca2+], que se encuentran normalmente en el agua de mar (izquierda, extremo superior). Los cientficos realizaron varios experimentos para determinar el impacto de estos iones sobre el flujo de fluido a travs de columnas de rocas empacadas. Cuando se agreg en concentraciones cada vez mayores a las soluciones de nanopartculas (izquierda, extremo inferior), en todas las pruebas, se increment la concentracin de nanopartculas en el efluente aproximadamente con la misma concentracin que la del agua desionizada, para luego reducirse rpidamente. En la solucin que contiene la mayor concentracin de cationes divalentes (curva prpura), la cantidad de nanopartculas presentes en el efluente fue mucho menor que la existente con concentraciones ms bajas. El agua de mar sinttica, que contiene iones monovalentes, fue sometida a prueba con Mg2+ y Ca2+ (curva azul). Sin los cationes divalentes del agua de mar (no mostrado), la concentracin de nanopartculas en el efluente fue similar a la del agua desionizada. Luego, las superficies de las nanopartculas fueron tratadas para ajustar su carga, lo que redujo significativamente el efecto puente observado con el agua de mar sinttica mezclada con los cationes divalentes en las columnas de rocas dolomticas (derecha).

48 Oilfield Review

Las pruebas de fluidos se reiteraron luego, utilizando una columna de arenisca empacada. Una de las caractersticas predominantes de la arenisca es que se compone principalmente de granos de slice que, a diferencia de los minerales de doloma, poseen carga negativa. En una de las pruebas, los cientficos observaron que despus de inyectar 15 volmenes de poros, se recuperaba casi el 100% de las nanopartculas, en compara-cin con el 55% observado en la doloma bajo las mismas condiciones de fluido.

Para mejorar la velocidad de irrupcin y el factor de recuperacin, los cientficos se concen-traron en el tratamiento de las superficies de las nanopartculas para minimizar las interacciones de las cargas. Cuando se reiteraron las pruebas, tanto en la doloma como en la arenisca, las nanopartculas tratadas alcanzaron un grado de irrupcin del 100% en el tercer volumen de poros. Como resultado de este estudio, los cientficos pudieron demostrar, bajo condiciones de yaci-miento simuladas en el laboratorio, que las nano-partculas pueden ser inyectadas en los yacimientos con una tasa de recuperacin muy alta. Ahora, el equipo est considerando la utilizacin de nano-partculas similares y molculas tipo marcadores de hidrocarburos para detectar el ROIP. Los resul-tados iniciales indican que los nanosensores pudie-

ron diferenciar claramente las columnas sin petrleo de las columnas saturadas de petrleo.

Un chip pequeo que se adecua a todoOtra rea de investigacin nanotecnolgica, dentro del estatuto del AEC, extiende los paradigmas de las herramientas existentes a los chips con senso-res de fluidos: en este caso, a los sensores que detectan la presencia de qumicos altamente corro-sivos, tales como el gas H2S. Los cientficos de la Universidad del Noreste, en Boston, Massachusetts, EUA, desarrollaron un chip con nanosensores incorporados para detectar concentraciones pequeas de H2S en el aire, el nitrgeno, el vapor de agua y el gas licuado de petrleo. Dado que cada componente es diminuto, los desarrollos futuros de chips podran incluir mltiples senso-res de diversos tipos para detectar diversos qumi-cos y condiciones de fondo de pozo. Con el fin de lograr redundancia en caso de falla y mayor preci-sin, fue posible incorporar uno o ms de estos chips con multisensores en una herramienta de fondo de pozo para detectar las propiedades de los yacimientos.

El chip sensor de H2S se basa en un diseo de circuito electrnico de dos terminales (arriba). Estos dos terminales de oro se encuentran conec-tados a lo largo de un canal compuesto por SWNT

funcionalizados. Los SWNT reciben un trata-miento qumico durante el proceso de funcionali-zacin. Luego, los cientficos agregan una solucin que contiene millones de molculas 4-Amino-TEMPO, que se unen en forma covalente con la superficie de los SWNT modificados.19 Estas molculas producen un efecto especial sobre los SWNT: en ausencia de H2S, la corriente pasa libremente a travs de los SWNT, pero ante la presencia de H2S, las molculas TEMPO se des-componen y reducen la conductividad del canal. Por consiguiente, la conductividad del dispositivo es una medida del nivel de H2S.

Si se exponen nuevamente a las condiciones atmosfricas, las molculas TEMPO se reforman y el sensor puede recuperarse completamente, lo que posibilita la reutilizacin del chip. En condicio-nes de laboratorio, los cientficos demostraron que el chip puede ser utilizado para detectar la presen-cia de H2S en concentraciones muy pequeas y en varios ambientes diferentes (prxima pgina). A fin de resultar comercialmente viable para aplica-ciones de campos petroleros, el chip tendr que ser desarrollado posteriormente para lograr su nanofa-bricacin a bajo costo y luego ser necesario pro-barlo en condiciones de fondo de pozo.

Nanopartculas de contrasteLos agentes de contraste son ampliamente utili-zados en la generacin de imgenes mdicas. Por ejemplo, se inyectan en un paciente para mejorar la resolucin de los rayos X o las imgenes de resonancia magntica.20 De un modo similar, los especialistas pronostican que las mediciones de la regin vecina al pozo, tales como las medicio-nes derivadas de los registros de resonancia mag-ntica nuclear, susceptibilidad magntica, acsticos y de resistividad, pueden ser mejoradas utilizando nanopartculas preparadas especial-mente, que responden mejor que los fluidos de yacimiento en sitio o la roca yacimiento. Estas partculas seran transportadas por todo un yaci-miento, utilizando tcnicas de inundacin de yacimientos similares a las de las operaciones de campos petroleros de nuestros das. Este con-cepto particular ha sido adaptado para ilustrar los usos potenciales de la nanotecnologa en la deteccin de fracturas hidrulicas.

Los operadores desearan conocer los resulta-dos de las operaciones de fracturamiento antes de comenzar las pruebas de pozos. Despus del bombeo, las fracturas que fueron abiertas por el fluido de alta presin que ingresa en las forma-ciones, se cierran una vez que el bombeo se detiene. Cuando las presiones de fondo de pozo producen su cierre, se agrega apuntalante al fluido de fracturamiento para mantener abiertas

> Chip sensor de H2S. Bajo las condiciones iniciales (sin H2S), la corriente puede circular desde el Terminal 1, pasando por el canal de los SWNT, hasta el Terminal 2 (extremo inferior). No obstante, cuando se introduce H2S en el sistema, las molculas de 4-Amino TEMPO se reducen qumicamente, lo que incrementa la resistencia del canal de los SWNT. Esto bloquea completamente la corriente (extremo superior izquierdo). Por consiguiente, la conductividad es una medida del volumen de H2S presente en el sistema. La fotografa (derecha) muestra los terminales (hilos de oro) que conducen al rea de los nanosensores.


NH HNO O

CH3

F F

Molcula de4-AminoTEMPO

Imagen de los SWNT obtenida con elmicroscopio de barrido electrnico (SEM)

Ausencia de corriente

Terminal 1 Terminal 2

Corriente

Capa aislanteSustrato

H2S

Fotografa del chip sensor de H2S

400 nm

Corriente


las fracturas. No obstante, puede suceder que el apuntalante no rellene completamente una frac-tura o que retorne al pozo antes de estabilizarse. Si el volumen final de fracturas resultantes es muy pequeo, la operacin de fracturamiento no ser efectiva para incrementar la permeabilidad hasta que alcance niveles comercialmente via-bles. En este caso, puede ser necesario refractu-rar los pozos mediante fluidos de fracturamiento improvisados y presiones de bombeo ms altas.

La identificacin de estas oportunidades de fracturamiento pasadas por alto, antes de efec-tuar las pruebas de pozos, constituye un desafo importante ya que los datos de alta resolucin de la regin vecina al pozo, tales como los registros

de resonancia magntica o de resistividad, no pueden determinar el alcance total de las fractu-ras ms profundas. No obstante, para visualizar la formacin a mayor profundidad, los operadores pueden escuchar las fracturas mediante el monitoreo microssmico. As y todo, es probable que este mtodo carezca del nivel de resolucin necesario para definir las fracturas con precisin suficiente para calcular los volmenes con exac-titud.21 En busca de una solucin, los socios del AEC, la Universidad de Rice y la Universidad de Alberta, en Edmonton, Canad, estn investi-gando los agentes de contraste nanoescalares para mejorar las mediciones de la susceptibilidad magntica.

19. Para obtener ms informacin sobre el compuesto 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (TEMPO): Barriga S: 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl(TEMPO), Thieme Ejournals, https://www.thiemeconnect.de/ejournals/pdf/synlett/doi/10.1055/s-2001-12332.pdf (Se accedi el 11 de octubre de 2010).

20. Ananta JS, Matson ML, Tang AM, Mandal T, Lin S, Wong K, Wong ST y Wilson LJ: Single-Walled Carbon Nanotube Materials as T2-Weighted MRI Contrast Agents, Journal of Physical Chemistry C 113, no. 45 (Noviembre de 2009): 1936919372.

21. Para obtener ms informacin sobre el mtodo de monitoreo microssmico, consulte: Burch DN, Daniels J, Gillard M, Underhill W, Exler VA, Favoretti L, Le Calvez J, Lecerf B, Potapenko D, Maschio L, Morales JA, Samuelson M y Weimann MI: Monitoreo y divergencia de los tratamientos de fracturamiento hidrulico, Oilfield Review 21, no. 3 (Marzo de 2010): 1831.

> Resultados obtenidos con el chip sensor de H2S. Un chip sensor de H2S fue probado en diversos fluidos de yacimiento simulados en el laboratorio. Los cientficos introdujeron el H2S en una cmara estanca de gas, que contena el chip, y midieron la cada de corriente elctrica. Para permitir la recuperacin del chip, los cientficos abrieron la cmara, extrajeron el H2S y la llenaron con aire. En todos los ambientes, el chip detect la presencia de H2S; el mayor grado de sensibilidad observado fue de aproximadamente 10 ppm en el aire (extremo superior izquierdo). En una de las pruebas, (curva azul, extremo superior derecho), los cientficos no permitieron la recuperacin del chip despus de cada incremento de H2S; cuando abrieron la cmara para extraer el H2S y llenarla con aire, el chip se recuper completamente, retornando a su estado inicial.


1,30 x 10-4

1,35 x 10-4

1,40 x 10-4

1,45 x 10-4

1,50 x 10-4

1,55 x 10-4

1,25 x 10-4

Corrien

te, A

1 200 2 400 3 600 4 800 6 000 7 200 8 4000Tiempo, segundos

H2S en ambiente de aire

10 ppm 25 ppm 50 ppm 75 ppm 100 ppm

Recuperacin en el aire

1,25 x 10-4

1,30 x 10-4

1,35 x 10-4

1,40 x 10-4

1,45 x 10-4

1 200 2 400 3 6000 4 800 6 000

Corrien

te, A

H2S en ambiente de gas licuado de petrleo

Recuperacin en el aire

500 ppm700 ppm 1 000 ppm 1 200 ppm 1 500 ppm

1,2 x 10-4

1,3 x 10-4

1,4 x 10-4

1,5 x 10-4

1,1 x 10-4

1,0 x 10-4

Corrien

te, A

1 200 2 400 3 6000

Tiempo, segundos4 800 6 000 7 200

H2S en ambiente de vapor de agua

Recuperacinen el aire

10 ppm

25 ppm 50 ppm 75 ppm100 ppm

1,4 x 10-4

1,5 x 10-4

1,6 x 10-4

1,7 x 10-4

1,3 x 10-4

1,2 x 10-4

Corrien

te, A

2 400 4 800 7 2000Tiempo, segundos

9 600 12 000 14 400

H2S en ambiente de nitrgeno

700 ppm

500ppm

1 000 ppm1 200 ppm

1 500 ppm

1 000 ppm

Recuperacinen el aire

700ppm

Tiempo, segundos

50 Oilfield Review

Las nanopartculas superparamagnticas poseen un grado mayor de susceptibilidad mag-ntica que cualquier material natural presente en un yacimiento, y cuando se considera su loca-lizacin, pueden utilizarse para resaltar las frac-turas de la formacin. Para representar los volmenes de fracturas, los investigadores tienen previsto insertar las nanopartculas en el apunta-

lante (arriba). Esto permite la deteccin del apuntalante, a partir de lo cual se puede calcular el volumen de fracturas. Esta informacin pro-porciona a los operadores las razones para modi-ficar el material apuntalante o los criterios de bombeo, y adems podra suscitar la ejecucin de ms actividades de investigacin para el mejora-miento de los materiales apuntalantes.

Las nanopartculas que acentan el contraste deben mantener su susceptibilidad magntica superior mientras se encuentran en el fondo del pozo, pero las condiciones de yacimiento, tales como alta temperatura, pueden reducir el grado de reaccin de ciertos nanomateriales. El grupo de la Universidad de Rice fabric diversas nanopart-culas potenciales con propiedades superparamag-nticas. Los cientficos de la Universidad de Alberta probaron las nanopartculas a temperatu-ras de yacimiento y observaron que algunas con-servaban propiedades magnticas aceptables.

Ahora, ambos grupos se estn concentrando en las partculas resistentes a la temperatura y han iniciado estudios sobre el transporte. Los investigadores tambin estn investigando una herramienta de susceptibilidad magntica de fondo de pozo que finalmente detectar los agen-tes de contraste presentes en las fracturas del yacimiento. Las partculas paramagnticas simi-lares tambin pueden ser transportadas a travs de las formaciones y utilizarse para mejorar la sensibilidad de las mediciones tradicionales de resonancia magntica, con una escasa o nula adaptacin de las herramientas existentes.22

Recuperacin mejorada de petrleoLa nanotecnologa posee el potencial para mejo-rar la caracterizacin de yacimientos, mediante el mejoramiento de las tcnicas de recoleccin de datos. No obstante, el mayor impacto sobre la industria quizs resida en el empleo de la nano-tecnologa para incrementar el volumen de hidrocarburos recuperables, ms all de las capa-cidades de los mtodos existentes de recupera-cin mejorada de petrleo. A esos efectos, se ha

> Apuntalante revestido con nanosensores. Un apuntalante sensor revestido especialmente se inyecta en las formaciones de inters mediante mtodos tradicionales (izquierda). Cuando la fractura comienza a cerrarse, el apuntalante sensor mantiene la fractura abierta (centro). El apuntalante se estabiliza bajo la presin de la fractura en proceso de cierre e impide un grado posterior de contraccin (derecha). Luego, el apuntalante puede detectarse mediante mediciones de la susceptibilidad magntica.

Formacin objetivo

Tubera de revestimiento

Volumende la fractura

Apuntalante sensor

Apuntalantesensor en sitio

Volumen final de la fractura

Prdida de volumende la fractura


> Fabricacin de nanopartculas de Janus. Los cientficos producen una emulsin de agua, cera y nanopartculas de slice; las nanopartculas de slice se encastran parcialmente en las pequeas gotas de cera (extremo superior izquierdo). En la fase siguiente, (extremo superior derecho) se agregan partculas de metal. Estas partculas se adosan solamente a la superficie expuesta de las partculas de slice. Luego, la solucin se seca al vaco, lo que remueve la cera y el agua, dejando las nanopartculas con un doble recubrimiento (extremo inferior izquierdo). El recubrimiento metlico de las superficies de las partculas permite que stas atraigan los SWNT en la fase final del proceso (extremo inferior derecho).


Emulsin de cera y agua

Partculasde slice

Cera

Solucin acuosa de partculas de metal

Metales

Secado en condiciones devaco a temperatura ambiente Partculas de slice recubiertas con SWNT

SWNTs


demostrado que las nanopartculas son alta-mente personalizables y es posible desarrollarlas con muchas propiedades que pueden ser dispara-das en condiciones muy especficas. Por ejemplo, podran inyectarse suspensiones de nanopartculas en formaciones agotadas para localizar la presen-cia de petrleo inmvil y producir reacciones en sitio para liberar los hidrocarburos entrampados.

Los cientficos de la Universidad de Oklahoma demostraron cmo pueden refinarse las nanopart-culas de Janus para identificar, estabilizar y produ-cir reacciones en las interfaces agua-petrleo.23 Las nanopartculas de Janus, llamadas as por su naturaleza bifacial, poseen propiedades opuestas en sus dos extremos, tales como un lado hidrof-bico y un lado hidroflico. Estas caractersticas hacen que las nanopartculas posean una tenden-cia a la bsqueda de interfaces agua-petrleo. Mediante la fijacin de catalizadores de metal,

tales como el paladio, en estas nanopartculas, los cientficos tambin lograron inducir reacciones de migracin de fases, a travs del uso de la tempera-tura como control. Con la financiacin del AEC, los cientficos estn explorando ahora el empleo de partculas con propiedades similares para movili-zar el petrleo remanente despus del proceso de inyeccin de agua.24 Este recuso representa aproxi-madamente las dos terceras partes del petrleo original en sitio (OOIP).25

La creacin de una partcula bipolar es un pro-ceso de mltiples etapas, que consiste en revestir las partculas hidroflicas, tales como el slice, con un componente hidrofbico, tal como los SWNT (pgina anterior, abajo). En este caso, mediante el control de la concentracin de SWNT en las partculas de slice, los cientficos pueden cam-biar el ngulo de contacto de hidrofbico a hidro-flico, pasando por el estado anfiflico. Luego,

mediante el depsito de los catalizadores en un lado especfico de las nanopartculas, se pueden provocar reacciones tales como la oxidacin, la reduccin o la condensacin en forma selectiva.

Los cientficos de la universidad estn visuali-zando mtodos de recuperacin secundaria y ter-ciaria, basados en la nanotecnologa, con el objetivo final de extraer el 100% del OOIP. Su tra-bajo ms reciente investiga la modificacin de las propiedades reolgicas de los hidrocarburos entrampados adems del mejoramiento del des-empeo de los fluidos de inyeccin en cuanto a empuje (izquierda).

Revelaciones de la nanotecnologaA medida que las operaciones de bsqueda y recuperacin de petrleo se vuelven ms comple-jas, a menudo se requiere nueva tecnologa que reajuste lo que los operadores consideran prcti-cas estndar de exploracin y produccin. No obstante, el costo de la tecnologa es un condicio-nante de lo que se conoce como hidrocarburos recuperables. El costo real de la nanotecnologa para la industria del petrleo y el gas es en gran medida una incgnita, ya que actualmente existe casi por completo en investigacin. Los factores de costo pueden incluir la reciclabilidad de las nanostructuras y los rendimientos de los proce-sos de fabricacin, el saneamiento ambiental y la composicin de los nanomateriales. El uso gene-ralizado de nanotecnologas similares en otras industrias tambin puede ayudar a bajar los cos-tos; por ejemplo, actualmente existe un mercado creciente para los nanomateriales en existencia.

Es probable que lo que ayude a sustentar la ejecucin de ms actividades de investigacin y desarrollo nanotecnolgicos sea la introduccin de la primera herramienta comercial exitosa para la recuperacin de hidrocarburos. En opinin de un grupo, esa herramienta estar representada por los agentes nanoescalares de contraste ya que podrn hacerse accesibles, resistentes, recupera-bles y reutilizables. Adems, esta nanotecnologa se integrara de manera fluida con los flujos de trabajo operacionales actuales, lo que significa que los operadores podrn optar por incorporar-los en sus paquetes de sensores como lo haran con cualquier otra herramienta de medicin. Indudablemente, en la prxima dcada, el tr-mino nanotecnologa se volver mucho ms familiar dentro del mbito de E&P. MJM

> Catlisis subterrnea. Las nanopartculas catalticas que se estabilizan en la interfase agua-petrleo pueden ser inyectadas con gases oxidantes (aire) o reductores (hidrgeno [H2] y monxido de carbono [CO]) para producir reacciones que modifican la viscosidad del fluido de inyeccin y las propiedades reolgicas de los fluidos, tales como las tensiones interfaciales agua-petrleo y roca-petrleo. El aire puede ser inyectado directamente, y el H2 y el CO podran ser producidos en el lugar mediante la oxidacin parcial del gas natural en el yacimiento. Este proceso posibilita la recuperacin secundaria y terciaria de hidrocarburos.


Emulsin denanopartculascatalticasinyectadascon el aire

Pozo de inyeccin

Zona de catlisis

YacimientoPozo de produccin

22. Yu H, Kotsmar C, Yoon KY, Ingram DR, Johnston KP, Bryant SL y Huh C: Transport and Retention of Aqueous Dispersions of Paramagnetic Nanoparticles in Reservoir Rocks, artculo SPE 129887, presentado en el Simposio sobre Recuperacin Mejorada del Petrleo de la SPE, Tulsa, 24 al 28 de abril de 2010.

23. Crossley S, Faria J, Shen M y Resasco DE: Solid Nanoparticles That Catalyze Biofuel Upgrade Reactions at the Water/Oil Interface, Science 327, no. 5961 (1 de enero de 2010): 6872.

Cole-Hamilton DJ: Janus Catalysts Direct Nanoparticle Reactivity, Science 327, no. 5961 (1 de enero de 2010):4142.

24. Villamizar L, Lohateeraparp P, Harwell J, Resasco DE y Shiau B: Interfacially Active SWNT/Silica Nanohybrid Used in Enhanced Oil Recovery, artculo SPE 129901, presentado en el Simposio sobre Recuperacin Mejorada del Petrleo de la SPE, Tulsa, 24 al 28 de abril de 2010.

25. Hartstein A, Kusskraa V y Godec M: Recovering Stranded Oil Can Substantially Add to U.S. Oil Supplies, US Department of Energy Office of Fossil Energy (Oficina de Energa Fsil del Departamento de Energa de EUA, Project Fact Sheet (Hoja Informativa de Proyectos) (Febrero de 2006), http://fossil.energy.gov/programs/oilgas/publications/eor_co2/C_-_10_Basin_Studies_Fact_Sheet.pdf (Se accedi el 8 de noviembre de 2010).

Nanotecnologías - Recuperación HC

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