Synthesis and characterization of functionalized super-paramagnetic nanomaterials as imaging agents for crude oil-bearing formation. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF PhD_Dissertation_Shahid_Ali.pdf Download (24MB) | Preview

Arabic Abstract

إن الحصول على معلومات دقيقة عن مكامن النفط هي أكثر الأبحاث تعقيدا وتحديا في مجال صناعة التنقيب عن النفط، في هذه الأطروحة سيتم تحضير سوبرباراماجنيتيك أكسيد الحديد النانوية والمسماة (سبيونس)كعوامل تباين لتطبيقات مكامن النفط، حيث استخدمت طريقة الترسيب الكيميائية لتوليف الجسيمات النانوية المغناطيسية الغير مغطاة والمسماة منبسوفيها تم التحقيق في تأثير معدل التقليب ، ودرجة الحرارة، ووقت التفاعل، ودرجة الحموضة، والعوامل المسببة للسيطرة على حجم وشكل والخصائص المغناطيسية للمنبسالمحضرة، وكذلك تم استخدام طريقة سولفوثرمال من خطوة واحدة لتوليف مواد السبيونس الجديدة في شكلين احدهما قابل للتوزع بالماء والأخر بالمحاليل الزيتية، والتي تكونت باستخدام البولي ايثيلين جلايكول والأوليامين على التوالي حيث تم دراسة خواصها بالعديد من التقنيات الفيزيائية والكيميائية لرصد استقرارها في ماء نقي ومياه البحر الصطناعية وكذلك في نموذج النفط المكون من سيكلوهيكسان-هيكساديكان بنسبة 1:1 وفحص نقاوة الطور، البنية البلورية، ومتوسط حجم البلورات من سبيونس عن طريق تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) و تحفيز طيف رامان المحسن (SERS) وباستخدام الأشعة السينية الضوئية (XPS) وكذلك تم استخدام المجهر الإلكتروني (TEM) بدقة لدراسة حجم وشكل مواد السبيونس المحضرة ، وتم إجراء قياسات وقت الاسترخاء العرضي (T2) لتحديد خصائص الاسترخاء (r2) المستعرضة لتطبيقات مكامن النفط المستهدفة حيث لوحظ ان إشارات T2 مع تركيز سبيونس وخصائص الاسترخاء والاستقرار على المدى الطويل في السوائل المختلفة واتضح أن السبيونس المحضرة لها خصائص واعدة T2 بالتباين كوكلاء لتطبيقات مكامن النفط ، حيث تم فصل إشارة الزيت/ الماء في تركيبات الكربونات والرمل المستخدمة لمحاكاة الصخور الكربونية والحجر الرملي الفعلي لمكامن النفط، على التوالي حيث أجريت تجارب T2 للاسترخاء عبر مطياف GeoSpec2 وأخيرا تم التحقيق من قدرة سبيونس كعامل تباين للتصوير ثلاثي الأبعاد (3D) من للعينات الصخرية المشبعة بالنفط بالتصوير المقطعي (CT-scan) بعد الحقن بمحلول سبيونس في مياه البحر او الماء النقي والنفط وذلك على نطاق المختبر باستخدام عينات صخرية تحاكي ظروف مكامن النفط الفعليةحيث لوحظ القدرة الفائقة على رسم خريطة الخصائص الفيزيوكيميائية وديناميكيات للمكامن والتي بدورها ستخلق تقنيات الجيل القادم لتطبيقات تصوير مكامن النفط الطبيعية.

English Abstract

Information acquisition and analysis of oil reservoirs are the most challenging and scientifically demanding areas in the oil exploration industry. In this dissertation, our primary objective was to synthesize functionalized superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) as contrast agents for oil reservoir applications. A chemical co-precipitation method was adopted for synthesis of uncapped SPIONs, i.e., magnetite nanoparticles (MNPs). Influence of stirring rate, temperature, reaction time, pH, and precipitating agents was investigated to control the size, shape, and magnetic properties of MNPs. Moreover, a facile single-step solvothermal method was utilized for the synthesis of highly-stable hydrophilic and hydrophobic SPIONs by using different capping agents, polyethylene glycol (PEG-400) and oleylamine (OLA), respectively. The synthesized SPIONs were characterized by several physicochemical techniques. Stability of hydrophilic SPIONs was monitored in deionized (DI) water and artificial seawater (ASW) while stability of hydrophobic SPIONs was investigated in model oil (cyclohexane-hexadecane 1:1). The phase purity, crystal structure, and average crystallite size of as-synthesized SPIONs were examined via X-ray diffraction (XRD) analysis. The phase purity was further elucidated via surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) while the surface functionalization of SPIONs was investigated via X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Transmission electron microscopy (TEM) was thoroughly utilized to study the size, shape, and morphology of SPIONs. Transverse relaxation time (T2) of various concentrations of SPIONs was measured to determine the transverse relaxivity (r2) properties for targeted reservoir applications. The observed (i) quenching of T2-relaxation signals with optimum SPIONs concentration, (ii) excellent relaxivity properties due to their ultra-small size, and (iii) long-term stability in different media, suggest them to be promising T2-contrast agents. Various carbonate and sand packs were prepared to mimic the actual carbonate and sandstone rocks of the oil reservoir, respectively. T2-relaxation experiments were performed via NMR GeoSpec2 spectrometer, and their T2-distribution signals were attained via Laplace inversion technique. The quenching of T2-signals was recorded for the sample packs before and after injection of hydrophilic-SPIONs in brine. Finally, the use of SPIONs as contrast agent was also investigated for three-dimensional (3D) imaging of brine/oil saturated rock cores via computed tomography (CT). The fluid phase (i.e., brine and oil) was numerically segregated through ‘segmentation’ process after the addition of SPIONs. The research work was carried out at lab scale using the sample packs and reservoir cores that mimic the actual oil reservoir conditions. The prepared SPIONs produced well defined physiochemical properties and dynamics details of the reservoir information that could be a potential material for developing next-generation technologies for oil reservoir applications.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Chemistry Petroleum
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Committee Advisor:	Morsy, Mohammed Ali
Committee Co-Advisor:	Khan, Safyan Akram
Committee Members:	Yamani, Zain Hassan and Isab, Anvar Husein and Kawde, Abdel Nasser
Depositing User:	SHAHID ALI (g201205620)
Date Deposited:	15 Mar 2018 12:18
Last Modified:	30 Dec 2020 12:22
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140582