Obtención de polímeros asociativos con propiedades óptimas para ser usados en la recuperación mejorada de petróleo (EOR)

Tesis (Magister en Ciencias Químicas) - - Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas, 2023.

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Juárez Data, Martín
Otros Autores: Milanesio, Juan
Formato: masterThesis
Lenguaje:Español
Publicado: 2023
Materias:
Química de los polímeros
Petróleo
Recuperación secundaria de petróleo
Acrilamida
Acetato
Síntesis orgánica
Química orgánica
Acceso en línea:http://hdl.handle.net/11086/548785
Aporte de:
Repositorio Digital Universitario (UNC) de Universidad Nacional de Córdoba
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Por lo tanto, existe una necesidad urgente de maximizar la extracción de petróleo original in situ para cada yacimiento y acelerar el desarrollo de tecnologías de recuperación mejorada de petróleo (EOR, por sus siglas en inglés). Las técnicas de EOR basadas en la alteración de la humectabilidad de los pozos de petróleo, como la inundación con soluciones de polímeros, de surfactantes o combinaciones de ambas, son opciones para impulsar la producción en yacimientos maduros y se las conoce como EOR química o cEOR. La inundación empleando soluciones acuosas de poliacrilamidas es una técnica ampliamente utilizada en EOR, pero tiene sus limitaciones en cuanto a las condiciones estructurales, físicas y químicas que presentan los yacimientos y el agua de formación. La síntesis y diseño de sistemas poliméricos asociativos constituidos a base de acrilamida (AAm), ácido acrílico (AAc) y monómeros asociativos o la modificación de los polímeros con grupos funcionales hidrofóbicos representan una alternativa prometedora que amplía el uso de la cEOR para yacimientos con condiciones de alta salinidad y alta temperatura. Para que estas operaciones de EOR sean económicamente rentables, los polímeros utilizados deben ser capaces incrementar la viscosidad aparente de la solución acuosa siendo utilizados en concentraciones muy bajas. Al mismo tiempo, la síntesis de este tipo de polímero, involucra distintos monómeros de muy variada polaridad, y en la mayoría de los casos, precisa de reacciones heterogéneas involucrando el uso de surfactantes, solventes orgánicos o procesos de purificación y secado que elevan el costo en su producción y causan daños al ambiente. En este contexto, el trabajo de esta tesis de Maestría, tiene como objetivo, la obtención de polímeros asociativos mediante una metodología sintética simple y económica como lo es la polimerización radicalaria por precipitación en acetato de etilo, cuyos productos puedan incrementar la viscosidad del medio acuoso en condiciones de alta salinidad y temperatura aplicables para la EOR. A partir de este estudio, evaluar la posibilidad de avanzar hacia la síntesis de estos polímeros en medios de reacción más amigables con el medioambiente como es la síntesis en CO2 supercrítico (CO2sc). Este trabajo, describe, en una primera etapa, las síntesis de los polímeros, todas ellas en idénticas condiciones de reacción en solvente orgánico. Con ellos, se realizó un estudio comparativo, de los distintos materiales poliméricos con el fin de observar el efecto de incluir un monómero hidrofóbico en la estructura sintetizada. A través de una polimerización por precipitación, empleando monómeros de uso tradicional en aplicaciones comerciales de EOR, como AAc y AAm, se propuso obtener polímeros análogos hidrofóbicamente modificados con pequeñas cantidades de n-butilmetacrilato (BMA). En una segunda etapa, propuso poner a prueba el reactor a alta presión diseñado por nuestro el grupo de investigación para llevar a cabo polimerizaciones en CO2sc de las estructuras poliméricas que presentaron mejores propiedades para su aplicación en EOR. El objetivo de esta parte fue el de simplificar aún más los procesos de purificación y emplear una técnica de síntesis más amigable con el medio ambiente. Para la síntesis en solvente orgánico, se analizó la relación estructura/propiedad de los diferentes, homo, co y terpolímeros comparando ambas familias para ir seleccionando las estructuras más apropiadas para su aplicación en EOR y factibles de ser obtenidas en CO2sc. La estructura química de todos los polímeros preparados se corroboró a través de diferentes técnicas, como la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR) y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN-1H), mientras que los pesos moleculares se analizaron mediante cromatografía de permeación en gel (GPC). Las propiedades de los polímeros preparados se estudiaron mediante la realización de experimentos de viscosidad por reometría rotacional de soluciones acuosas de los polímeros obtenidos a distintas concentraciones, diferentes valores de pH y concentraciones de sales mono y divalentes. Además, esta información se complementó con la técnica de RMN de campo bajo, la cual mostró resultados consistentes con los de viscosidad. Mediante esta técnica, se estudiaron las soluciones a través de los cambios dinámicos de la movilidad del agua, basado en los tiempos relajación de protones del agua libre que pueden distinguirse en soluciones de polímeros a base de AAc:AAm y sus análogos hidrofóbicamente modificados AAc:AAm:BMA. La Tesis ha sido organizada en cuatro secciones. La primera consta de la introducción y los objetivos generales. En ésta sección se desarrollan conceptos relacionados a la temática abordada ofreciendo una revisión de los principales antecedentes informados en la literatura para luego plantear la motivación y los objetivos de este trabajo. En la segunda sección, “Materiales y métodos”, se encuentra detallado el desarrollo experimental utilizado para este trabajo de tesis. La tercera sección presenta los resultados del estudio de cada uno de los sistemas desarrollados y la discusión de los mismos. Finalmente, la cuarta parte contiene las consideraciones finales de este trabajo. A su vez, cada una de dichas secciones está dividida en capítulos, con su introducción, desarrollo y conclusiones. El desarrollo de esta Tesis de Maestría fue posible debido a la colaboración y al trabajo conjunto de investigadores de distintas áreas. Este estudio se destacó por su carácter interdisciplinario y por ser uno de los primeros antecedentes en el IPQA (Instituto de Investigación en Ingeniería de Procesos y Química Aplicada) en la investigación de síntesis de polímeros para EOR mediante la síntesis por precipitación en solvente orgánico y medio supercrítico. Crude oil is the world's most widely used energy source, especially for transportation, heat and light supply, for example. So far, no efficient alternative energy source has been developed to replace it. Therefore, there is an urgent need to maximize the extraction of original oil in situ for each reservoir and accelerate the development of enhanced oil recovery (EOR) technologies. EOR techniques based on wettability alteration, as flooding with polymer solutions, surfactants or combinations of both are options for boosting production in mature reservoirs and are referred to as chemical EOR or cEOR. Waterflooding using aqueous polyacrylamide solutions is a widely used technique in EOR but has its limitations in terms of the structural, physical and chemical conditions of the reservoir and formation water. The synthesis and design of associative polymer systems based on acrylamide (AAm), acrylic acid (AAc) and associative monomers or the modification of polymers with hydrophobic functional groups represent a promising alternative that expands the use of cEOR for reservoirs with high-salinity and high-temperature conditions. For these EOR operations to be economically profitable, the polymers used must be able to increase the apparent viscosity of the aqueous solution by being used at very low concentrations. At the same time, the synthesis of this type of polymer involves different monomers of very different polarity and, in most cases, requires heterogeneous reactions involving the use of surfactants, organic solvents or purification and drying processes that increase the cost of production and cause environmental damage. In this context, the aim of this Master's thesis is to obtain associative polymers by means of a simple and economic synthetic methodology such as radical polymerization by precipitation in ethyl acetate, whose products can increase the viscosity of the aqueous medium under high salinity and temperature conditions applicable to EOR. From this study, to evaluate the possibility of advancing towards the synthesis of these polymers in more environmentally friendly reaction media such as synthesis in supercritical CO2 (CO2sc). This work describes, in a first stage, the synthesis of the polymers, all of them under identical reaction conditions in organic solvent. With them, a comparative study of the different polymeric materials was carried out in order to observe the effect of including a hydrophobic monomer in the synthesized structure. Through a precipitation polymerization, using monomers of traditional use in commercial EOR applications, such as AAc and AAm, it was proposed to obtain analogous polymers hydrophobically modified with small amounts of n-butylmethacrylate (BMA). In a second stage, we proposed to test the high pressure reactor designed by our research group to carry out CO2sc polymerizations of the polymeric structures that presented better properties for their application in EOR. The objective of this part was to further simplify the purification processes and to employ a more environmentally friendly synthesis technique. For the synthesis in organic solvent, the structure/property relationship of the different homo, co and terpolymers was analyzed comparing both families to select the most appropriate structures for their application in EOR and feasible to be obtained in CO2sc. The chemical structure of all the prepared polymers was corroborated through different techniques, such as Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR-1H), while the molecular weights were analyzed by gel permeation chromatography (GPC). The properties of the prepared polymers were studied by performing viscosity experiments by rotational rheometry of aqueous solutions of the polymers obtained at different concentrations, different pH values and concentrations of mono and divalent salts. In addition, this information was complemented with the low-field NMR technique, which showed results consistent with those of viscosity. By means of this technique, the solutions were studied through the dynamic changes of water mobility, based on the proton relaxation times of free water that can be distinguished in solutions of polymers based on AAc:AAm and their hydrophobically modified analogues AAc:AAm:BMA. The Thesis has been organized in four sections. The first one consists of the introduction and general objectives. In this section, concepts related to the subject matter are developed, offering a review of the main antecedents reported in the literature, and then the motivation and objectives of this work are presented. In the second section, "Materials and methods", the experimental development used for this thesis work is detailed. The third section presents the results of the study of each of the developed systems and their discussion. Finally, the fourth part contains the final considerations of this work. In turn, each of these sections is divided into chapters, with their introduction, development and conclusions. The development of this Master's Thesis was possible due to the collaboration and joint work of researchers from different areas. This study stood out for its interdisciplinary character and for being one of the first antecedents at IPQA (Research Institute of Process Engineering and Applied Chemistry in english) in the research of polymer synthesis for EOR by means of precipitation synthesis in organic solvent and supercritical medium. 2025-07-31 Fil: Juárez Data, Martín. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas; Argentina. 2023-09-04T11:49:58Z 2023-08-01 masterThesis http://hdl.handle.net/11086/548785 spa Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/

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