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Objetos grandes en paquetes pequeños

Muchas industrias están desarrollando diversos métodos para explotar el potencial

de los objetos nanoescalares y producirlos en serie. La nanotecnología también

podría revolucionar las áreas clave de la recuperación de hidrocarburos.

No obstante, los éxitos 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 están llevando a cabo actividades de investigación para

resolver los desafíos específicos de E&P, lográndose avances en diversas áreas.

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, Canadá

Daniel ResascoUniversidad de OklahomaNorman, Oklahoma, EUA

John UlloConsultorSudbury, Massachusetts

Traducción del artículo publicado en Oilfield Review, Otoño de 2010: 22, no. 3.Copyright © 2011 Schlumberger.Por su colaboración en la preparación de este artículo, se agradece a Hélène 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 localización ade-más de las propiedades de los fluidos que los rodean. O sensores diminutos capaces de identi-ficar contactos agua-petróleo y ser localizados mediante métodos de detección en la superficie. No se trata de meros sueños improbables, sino de las metas a largo plazo de los grupos de investiga-ción que se dedican a investigar las nanotecnolo-

gías para la industria del petróleo y el gas. No obstante, la nanotecnología aún transita sus pri-meras etapas y es probable que hasta su mera descripción genere discusiones y debates.

Las nanopartículas pueden encontrarse por ejemplo en el enlozado de la cerámica antigua, pero ese uso inadvertido de las nanoestructuras dista mucho de la compleja ciencia de la nano-tecnología, que se sustenta en la investigación, el

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

2. A los fines comparativos, los nanocristales pueden medir tan sólo 10 nm; un glóbulo rojo humano mide aproximadamente 5 000 nm. Para obtener más información sobre la nanotoxicología 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,” artículo SPE 127261, presentado en la Conferencia Internacional de la SPE sobre Salud, Seguridad y Medio Ambiente en la Exploración y la Producción de Petróleo y Gas, Río 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

µm

a = 525 nma = 360 nmHíbrido a = 180, 360 nmHBLED estándar

10

8

6

4

2

0

12

1 080

Intensidad normalizada

Long

itud

de o

nda,

nm

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

Paso degraduación, a

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

µm

desarrollo y la manufactura. Los científicos han teorizado sobre las nanoestructuras durante más de medio siglo, pero recién en la década de 1980 fue posible construir físicamente lo que se imagi-naba.1 Además del estudio de los materiales a nanoescala, la nanotecnología abarca el desarro-llo de herramientas para crear, observar y mani-pular las nanoestructuras experimentalmente y, por último, a niveles de producción en serie.

Por otro lado, los científicos deben estudiar y definir con cuidado las propiedades físicas de los nanomateriales recién creados para utilizarlos de manera segura y efectiva. Dichas evaluaciones se necesitan especialmente cuando los nanoma-teriales se construyen a escala molecular y atómica porque sus comportamientos pueden cambiar sig-nificativamente con el tamaño. Estos tipos de estudios, que ayudarán a identificar los nanoma-teriales útiles para aplicaciones específicas o para nuevas investigaciones, son práctica usual en relación con los materiales a granel, tales como los minerales y los químicos.

Además, los descubrimientos científicos pasa-dos, tales como los materiales radioactivos, los

clorofluorocarbonos y el asbesto, planteaban riesgos toxicológicos significativos que no fueron identificados hasta después de haberse regis-trado pérdidas de vidas o daños graves en el medio ambiente. De un modo similar, dado que los nanomateriales son suficientemente peque-ños como para sortear las membranas biológicas o unirse a las células tisulares, podrían plantear serias amenazas toxicológicas, riesgos que tam-bién deben considerarse en las evaluaciones de los materiales.2 A pesar de estas advertencias desafiantes, muchos especialistas anticipan que las aplicaciones nanotecnológicas producirán beneficios revolucionarios.

Algunos de los materiales más avanzados uti-lizados en nuestros días son las aleaciones, con amplia aplicación en aeronaves, automóviles, embarcaciones y edificios. Los especialistas en ciencia de los materiales pueden crear un metal de aleación 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, también pueden ser refinados para ajustarse a las necesidades de una aplicación específica. Existen dos procedimien-tos principales de diseño de nanomateriales: • El diseño descendente (top-down) de materia-

les: Los científicos realizan modificaciones nanoescalares de los materiales existentes, habitualmente de las superficies, para mejorar sus propiedades originales.

• El diseño ascendente (bottom-up) de materia-les: Los científicos desarrollan nuevos materia-les a partir de subcomponentes nanoescalares,

lo que a menudo se traduce en un mayor refina-miento del desempeño del material.

El enfoque descendente, que utiliza métodos tales como la nanolitografía, la nanoablación o el nanograbado, genera nanoestructuras a partir de objetos macroscópicos, o materiales a granel. Estos métodos de nanofabricación suelen ser ver-siones reducidas de métodos de fabricación más amplios. El mejoramiento descendente de un material existente puede visualizarse como un proceso de nanotecnología incremental porque el material original no se altera radicalmente. No obstante, los resultados impresionantes que puede arrojar fueron demostrados por los científicos del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) de Gaithersburg, en Maryland, EUA.

Los científicos del NIST mejoraron las propie-dades luminescentes de los diodos emisores de luz de alto brillo (HBLED) a través de una técnica de nanograbado. La tecnología HBLED posee nume-rosos usos prácticos, tales como la iluminación doméstica, la iluminación de contraluz para los televisores de pantalla plana y los dispositivos láser, porque estos diodos requieren mucha menos potencia y son más pequeños que en la tecnología de iluminación más tradicional. Para mejorar sus capacidades de emisión de luz, las superficies de los HBLED son nanograbadas con un diseño circu-lar de redes de difracción de Bragg (CBG). El CBG reduce la refracción interna, lo que permite la emisión de más luz desde los HBLED (abajo). El proceso mejora la eficiencia de la emisión de luz de los HBLED utilizados en los experimentos, que pasa del 2% al 41%.3

> HBLED mejorados. Un distribuidor de la reflección Bragg (DBR, extremo superior izquierdo) mejora la extracción de la luz, a través de la reducción significativa de la luz que se refleja sobre el sustrato de cobertura de los HBLED. Una rejilla de difracción circular de Bragg (CBG) extrae la luz desde el exterior del cono de reflexión DBR no modificado. La litografía por haz de electrones genera patrones de tipo CBG, que colectivamente forman una máscara CBG. El grabado de la máscara 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 graduación de 525 nm (curva roja) constituye el mejoramiento más significativo de la intensidad de la luz con respecto al HBLED estándar (curva negra). (Fotografías, cortesía del Instituto Nacional de Normas y Tecnología.)

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10

10 nm

Componentes electrónicosdel detector y la

retroalimentación

Sensor por fotodiodo

Láser

Ménsula y puntaSuperficie del espécimen

Escáner PZT

Punto láser reflejado

µm

Mediante el empleo del proceso de diseño ascendente de materiales, los científicos desarro-llan los nanomateriales a partir de los subcompo-nentes moleculares o atómicos o a partir de otras nanoestructuras. Existen numerosos métodos de desarrollo de nanomateriales, cada uno de los cuales posee sus propias variaciones:• Autoensamblaje molecular: Las moléculas adop-

tan disposiciones definidas, según su forma y los grupos funcionales.

• Procesos basados en aerosoles: Los químicos rociados sobre las superficies macroscópicas reaccionan con la superficie y forman gotas pequeñas, generando nanopartículas.

• Condensación atómica: Con el calor intenso, los materiales a granel tales como el metal, se atomizan en el vacío; luego, los científicos diri-

gen la materia dispersa hacia el interior de una cámara de recolección que contiene gas. Los átomos vaporizados colisionan con las molécu-las de gas, lo que produce un enfriamiento rápido con la subsiguiente condensación que forma nanopartículas.

A menudo se alude al diseño ascendente de los materiales de autoensamblaje con el término “nanotecnología evolutiva” porque los materiales creados pueden ser altamente personalizados y, por consiguiente, ofrecen capacidades únicas en comparación con los materiales producidos con otros métodos. Los métodos ascendentes han sido utilizados en la industria médica para crear agentes de contraste que mejoran las imágenes médicas y los sistemas de administración de fár-macos, diseñados para transportar las cargas úti-

les de los tratamientos hasta las áreas objetivo o hasta determinadas células del cuerpo. Además, existen nanosensores que detectan las propieda-des en sitio y nanogeneradores que pueden cap-tar energía, 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 década de 1980 que permitieron que los científicos observaran, y posteriormente manipularan, las nanoestructuras. El microscopio de barrido de efecto túnel (STM), inventado a comienzos de la década de 1980, permitió a los científicos observar los átomos solos presentes en los materiales. Posteriormente, el microscopio de fuerza atómica (AFM), introducido en 1989, per-mitió que los científicos manipularan los átomos individuales (izquierda). En 1985, el STM fue una herramienta esencial para el descubrimiento de los fullerenos, moléculas compuestas enteramente de carbono con estructuras en forma de esferas huecas, cilindros o elipsoides.4 Los fullerenos cilín-dricos o tubulares son más conocidos como nanotu-bos de carbono (CNT); se utilizan en gran parte de los proyectos nanotecnológicos de nuestros días.

Este artículo define primero las nanoestructu-ras. Luego, describe los esfuerzos de investigación registrados recientemente en diversos campos, entre los que se encuentran las industrias electró-nica, médica y cosmética. Una descripción del tra-bajo realizado por el Consorcio de Energía de Avanzada (AEC) destaca las actividades de investi-gación precompetitivas llevadas a cabo en el área de las nanociencias y las potenciales áreas de impacto dentro del flujo de trabajo de E&P.5 El consorcio, diri-gido por el Departamento de Geología Económica de la Universidad de Texas, en Austin, EUA, está 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 petróleo y gas para mejorar la recuperación de recursos. Otros ejemplos tomados de la industria del petróleo y el gas proporcionan una visión general de las aplicaciones ajenas al alcance del AEC.

Una introducción a la nanotecnologíaEn la ciencia, el término “nano” significa una mil-millonésima parte; no obstante, se utiliza normal-mente como un prefijo para describir cualquier cosa que infiera o pertenezca a la nanotecnlogía, tal como la nanociencia, la nanoelectrónica y la nanorrobótica. Si bien los tamaños exactos aún tienen que estandarizarse, el tamaño de las

> La nanotecnología de fuerza atómica. El primer microscopio de fuerza atómica (AFM) comercial fue introducido en el año 1989. Una ménsula con una punta fina (extremo superior derecho) explora físicamente la superficie de los especímenes. La deflexión de la ménsula se mide mediante la detección del movimiento de un punto láser, utilizando un sensor por fotodiodo (izquierda). Un escáner piezoeléctrico (PZT) controla el movimiento de la ménsula para asegurar que se ejerza una fuerza constante contra el espécimen. Como dato de entrada para la ley de Hooke, se utilizan la distancia de deflexión y el coeficiente de rigidez de la ménsula para determinar la fuerza. Cuando la punta entra en contacto con un átomo de un material que se está explorando, se aplica una tensión para levantar el átomo con la punta. El átomo puede ser desplazado luego a otra posición y la polaridad de la tensión puede invertirse para colocarlo en una nueva posición. Los científicos del Instituto Nacional de Normas y Tecnología utilizaron esta técnica para crear su logo con un AFM, colocando átomos de cobalto sobre una superficie de cobre (extremo inferior derecho). Cada átomo (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 μm (1 × 10-9 and 1 × 10-6 m) (arriba). Como comparación, el tamaño de las microestructuras varía entre 1 y 100 μm. En este artículo, se utiliza una clasificación estándar para definir los princi-pales tipos de unidades nanoescalares básicas.6 Estas unidades básicas forman nanomateriales, tales como los nanoaerosoles, los nanopolvos o las nanoláminas:• Las unidades básicas 0 dimensionales (0D) (en

las que la longitud es igual al ancho) compren-den las nanopartículas, los nanoclusters y los nanocristales.

• Las unidades básicas 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 nanopartículas son estructuras amorfas o bien semicristalinas, cuyo tamaño oscila entre 10 nm y 1 μm. Durante la fabricación, las nanopartículas que forman los nanomateriales pueden ser de diferentes tamaños, que pueden variar en más de un 15% y así y todo formar el nanomaterial, sin afectar su especifica-ción de diseño. A diferencia de las nanopartículas,

los nanoclusters son sensibles a su tamaño y pue-den ser más reactivos si se aumentan o se reducen proporcionalmente.7 Por consiguiente, la produc-ción de nanomateriales a partir de nanoclusters requiere variaciones de tamaño mucho más peque-ñas, habitualmente de menos del 15%, o el nano-material se comportará de manera diferente; por ejemplo, los nanoclusters de una nanoemulsión podrían aglomerarse de manera indeseada, produ-ciendo lotes fallidos.8

Los nanoclusters, como las nanopartículas, poseen una estructura amorfa o bien semicrista-lina, pero son más pequeños que las nanopartícu-las: su diámetro oscila entre 1 y 10 nm. En el extremo más pequeño de esta escala, se caracteri-zan a veces por su número de átomos: que oscilan entre 200 y 1 000 aproximadamente. Los nano-cristales son nanoestructuras monocristalinas, cuyo tamaño varía de 1 a 30 nm.9 Los nanocristales semiconductores se conocen más comúnmente como puntos cuánticos y poseen numerosas aplica-ciones potenciales en los nanosensores y en otros componentes eléctricos; además, se utilizan como marcadores de fácil detección en aplicaciones tales como la generación de imágenes médicas.

Las unidades básicas de nano tamaño que son 1D poseen diámetros que oscilan entre 1 nm y 1 μm, pero sus longitudes son ilimitadas y a menudo exceden 1 μm. Los nanotubos pertenecen al grupo de las unidades básicas 1D y poseen un núcleo hueco, en tanto que los nanocables, las nanofibras y los nanorods son sólidos. Las nanofibras son amorfas y típicamente 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 más comunes de la nanotecnología gira en torno de la industria elec-trónica, específicamente, 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. Están conformados por millones de tran-sistores, que son interruptores de dos etapas. Cuanto más cerca se encuentran unos de otros y cuanto más pequeños son los transistores, más rápido se transmite una señal eléctrica. Esta com-binación de proximidad y tamaño pequeño incre-menta el número de instrucciones que pueden ser calculadas por segundo y mejora la eficiencia del procesador en términos de energía eléctrica.

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 rotación, que distribuye la solución de manera uniforme sobre la superficie. A través de un proceso de nanofabricación, denominado lito-grafía por inmersión, se forman canales por curado en la capa fotorresistiva para crear un patrón de

4. Kroto HW, Heath JR, O’Brien SC, Curl RF y Smalley RE: “C60: Buckminsterfullerene,” Nature 318, no. 6042 (14 de noviembre de 1985): 162–163.

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

6. Fahlman BD: Materials Chemistry. Dordrecht, Países Bajos: Springer (2007): 275–357.

7. En química organometálica se utiliza el término “cluster” para describir las jaulas moleculares de tamaños fijos.

8. Para obtener más información sobre la dispersión del tamaño 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): 257–262.

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

>Nanoestructuras en primer plano. Normalmente, se utiliza una solución de nanocristales de sílice coloidal, suspendida en agua (extremo superior izquierdo), como abrasivo para el pulido fino de las obleas de silicio. Otra forma de nanocristal, el dióxido de vanadio (extremo superior, centro) ha sido utilizado para los obturadores ópticos de alto rendimiento. La velocidad de transmisión entre la fase semiconductora transparente y la fase conductora reflectora puede ser de una décima de una trillonésima parte de un segundo. Los nanocables (extremo superior derecho) poseen potencial para los nanocircuitos futuros. Los puntos cuánticos (extremo inferior izquierdo) son semiconductores con aplicaciones en los paneles solares, los dispositivos láser y los marcadores para la generación de imágenes. Los nanotubos de carbono (extremo inferior, centro) se encuentran entre las formas más utilizadas de nanoestructuras. Los nanocubos (extremo inferior derecho) ilustran la diversidad de formas que pueden fabricarse actualmente. [Imágenes, cortesía del Instituto Nacional de Normas y Tecnología y Furmanj (extremo superior, centro) en Wikipedia en idioma inglés, http://en.wikipedia.org/wiki/File:Nanostars-it1302.jpg (Se accedió el 9 de noviembre de 2010.)]


20 nm 5 µm

20 µm

20 µm 1µm 50 nm

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diseño de circuito (arriba). La luz proveniente de una fuente de longitud de onda estrecha, tal como un excimer láser de argón-fluoruro de 193 nm, atra-viesa una máscara del tipo del patrón de diseño de circuito y luego una serie de lentes que enfocan el patrón de diseño en la nanoescala. La exposición de la capa fotorresistiva deja un patrón de diseño de circuito nanoescalar. El patrón expuesto a la luz se remueve mediante un proceso de grabado quí-mico que no afecta a la sustancia fotosensible no expuesta. Para construir circuitos tridimensionales de alta complejidad, se agregan y se remueven por grabado más capas de semiconductor, aislador y sustancia fotosensible. Mediante la utilización del proceso de litografía por inmersión, ahora es posi-ble lograr rasgos de menos de 32 nm de ancho.10

En la industria farmacéutica, las motivacio-nes clave para la investigación de nuevos produc-tos consisten en desarrollar fármacos que puedan combatir determinadas dolencias, con efectos colaterales mínimos para el paciente, y que admi-nistren los tratamientos con la mayor rapidez posible. Si bien los métodos terapéuticos contra el cáncer han mejorado significativamente en los últimos 50 años, prolongando muchas vidas, cier-tos elementos de los tratamientos tales como la quimioterapia antineoplástica, siguen siendo conceptualmente iguales desde la década de 1950.11 Esta medicación, basada en el uso de quí-micos, retarda las velocidades de división de las células. Combinada con la eliminación quirúr-gica de los tumores cancerosos y la radioterapia, la quimioterapia es una forma efectiva de dete-ner la diseminación del cáncer. No obstante,

dado que dichos métodos de tratamiento contie-nen procesos que son perjudiciales para las célu-las sanas, los investigadores están haciendo esfuerzos para descubrir procedimientos médi-cos que sean menos dañinos o completamente seguros de aplicar en los pacientes.

Los sistemas de administración de fármacos (DDS) basados en técnicas nanotecnológicas constituyen un área de investigación con potencial para mejorar significativamente muchos trata-mientos.12 Mediante la aplicación de esta técnica, las moléculas de los fármacos se pueden unir a través de un enlace covalente a la superficie rela-tivamente grande de los nanotubos de carbono (CNT). Además de transportar la medicación adosada, el paquete de CNT se configura con moléculas dirigidas a blancos, que identifican a los receptores de determinadas células. Este pro-ceso limita los efectos negativos de la medicación sobre las células sanas del cuerpo, mejorando la eficacia del tratamiento.

Un proyecto de investigación reciente, que contó con la colaboración del Centro de Salud de la Universidad de Connecticut, en Farmington, EUA, y los Institutos Nacionales de Salud de Bethesda, en Maryland, se centró en la utiliza-ción de nanotubos de carbono de una sola pared (SWNT) como mecanismo de transporte para los agentes anticancerígenos.13 A los SWNT se les aplica un proceso complejo de múltiples etapas

que los prepara para recibir los medicamentos anticancerígenos. Los tubos se oxidan en ácido, produciendo grupos carboxilatos en sus superfi-cies. Luego, se utiliza un promotor químico con el fin de crear una reacción de amidación para ado-sar la medicación anticancerígena a los SWNT.

Uno de los fármacos que está siendo probado es una droga quimioterapéutica a base de platino que interfiere con la división celular en la mito-sis. La droga se combina en el SWNT con un fac-tor de desarrollo epidérmico, que representa el componente del DDS dirigido al blanco (abajo). Un grupo de ensayo de ratones de laboratorio fue inyectado con células cancerígenas, monitoreán-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 período de 10 días. La otra mitad de los sujetos del ensayo estaba compuesta por un grupo de control, en el que los tumores se desarrollaron hasta alcanzar más de 2 000 mg.

La industria cosmética también posee un sec-tor de investigación y desarrollo nanotecnológicos, que goza de buena reputación.14 Por ejemplo, en muchas pantallas solares modernas se utilizan par-tículas de óxido metálico, tales como el dióxido de titanio [TiO2] y el óxido de cinc [ZnO], porque su

Fuente de luz

Lente

Capa delíquido

Obleade silicio

Máscara

AireCapa

de líquido

Lente

Plano focalen el líquido

Plano focalen el aire

Luz


> Sistema de administración de fármacos mediante nanotubos de una sola pared (SWNT). Los receptores del factor de crecimiento epidérmico (EGFR) son producidos en exceso en las células epidérmicas cancerosas. La inserción de las proteínas del factor de crecimiento epidérmico (EGF) en los SWNT hace posible que los nanotubos favorezcan a las células cancerosas con respecto a las células sanas. Una vez en el lugar, cada SWNT puede transportar una selección de tratamientos con drogas contra el cáncer que son expuestos a las células cancerosas, tales como el enlace químico. En este ejemplo, también se adosaron puntos cuánticos fluorescentes (nanopartículas semiconductoras <10 nm) para ayudar a los científicos a localizar y confirmar la inserción exitosa de los SWNT en los tumores cancerígenos.

Sistema deadministración

de fármacos

O

O

Punto cuántico como marcador

NH

SWNT

OON

H

NH

NH2

ONH

Superficie de la célula cancerosa

EGFREGF

O

NH2

Pt

Cl

Tratamiento a base de platino


> Litografía por inmersión. Una fuente de luz de longitud de onda estrecha se coloca sobre una máscara que contiene un patrón de diseño de circuito (izquierda). Luego, la luz canalizada se enfoca a través de una lente que reduce el tamaño del patrón de diseño de circuito a la nanoescala. Un medio líquido que posee un índice de refracción mayor que el del aire, que es 1,0, ocupa el lugar del intervalo de aire utilizado en el proceso de fotolitografía. El mayor índice de refracción de la capa de líquido incrementa la longitud focal y el ángulo de refracción (derecha). En la fabricación de unidades centrales de procesamiento (CPU), este proceso puede reiterarse más de 50 veces; cada ciclo consiste en el tratamiento químico, la limpieza, el dopado (dopaje) y el agregado de más sustancia fotosensible para crear muchas capas de circuitos.


10. Para obtener más información sobre el proceso de litografía por inmersión, consulte: “Technology Backgrounder: Immersion Lithography,” http://www.icknowledge.com/misc_technology/Immersion%20Lithography.pdf (Se accedió el 30 de agosto de 2010).

11. Hirsch J: “An Anniversary for Cancer Chemotherapy,” JAMA 296, no. 12 (27 de septiembre de 2006): 1518–1520.

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):60–68.

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

tamaño pequeño les permite limitar la adsorción de los rayos ultravioleta a parámetros seguros. Además, las partículas son invisibles a simple vista cuando se aplican en la piel y no se aglomeran, lo que facilita la aplicación de la pantalla solar.

Existe cierta preocupación acerca de los ries-gos toxicológicos que implica la aplicación de nanopartículas 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 Administración de Alimentos y Medicamentos de EUA está llevando a cabo un estudio de los efec-tos del tamaño de las nanopartículas sobre la penetración en la piel y un segundo estudio acerca de los efectos específicos del TiO2 y del ZnO sobre la piel extirpada de los seres humanos, durante un período de 24 horas.15

La nanotecnología en los ambientes de E&PSi bien las nanotecnologías están siendo cada vez más utilizadas en otras industrias, la industria del petróleo y el gas recién transita las primeras eta-pas de exploración de este nuevo campo. La princi-pal dificultad que implica la aplicación de los éxitos experimentados por otras industrias es el ambiente operativo hostil del fondo del pozo, que incluye condiciones de alta temperatura y alta pre-sión, y a menudo una diversidad de fluidos corrosi-vos. Por consiguiente, no sólo la industria de E&P debe considerar cómo aprovechar la nanotecnolo-gía para resolver los problemas asociados con los campos petroleros, sino que además las activida-des de investigación 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 áreas.

La caracterización de yacimientos requiere un software de modelado y simulación de avan-zada para pronosticar cómo se comportarán los fluidos del yacimiento y las rocas durante la fase de producción. La disponibilidad de datos físicos precisos es esencial para reducir la incertidum-bre asociada con estas predicciones. Diversas fuentes, incluidos estudios geológicos, levanta-mientos sísmicos, registros y pruebas de pozos, y datos de producción, proporcionan datos de entrada para generar un panorama preciso del yacimiento. Pero las herramientas de adquisición de registros de alta resolución pueden recolectar datos solamente en las proximidades del pozo, y los levantamientos sísmicos, si bien cubren áreas extensas, poseen un grado de resolución compa-rativamente bajo.

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

dos, al mismo tiempo que se mantienen los niveles de resolución de los datos más cercanos a los de los registros, los operadores podrían hallar formas de mejorar considerablemente la eficiencia de la recuperación. A estos efectos, los investigadores están investigando el empleo de nanopartículas que puedan ser inyectadas en un yacimiento para asistir en su caracterización. Una de las primeras metas consiste en crear nanopartículas que posean las propiedades correctas, tales como el tamaño, para atravesar las estructuras del yaci-miento, y resistencia a la floculación para evitar el taponamiento de las estructuras. Un paso poste-rior consistirá en posibilitar que estas partículas midan las propiedades del yacimiento a medida que son transportadas. Se están desarrollando dos tipos de aplicaciones para explotar este potencial: los nanosensores y las nanopartículas que acen-túan los contrastes.

Inyectados en los yacimientos, los sensores explorarán físicamente los fluidos y las rocas yacimiento a medida que son transportados por el flujo de fluido. Los datos serán recuperados mediante la ejecución de un análisis directo de los nanosensores recuperados con los fluidos de

producción, o en forma más ambiciosa, mediante la comunicación inalámbrica con los sensores en sitio. Por otro lado, las nanopartículas que acen-túan los contrastes no poseen capacidades de recolección de datos. Pero se utilizarán para mejorar los métodos tradicionales de adquisición de datos, tales como la generación de imágenes mediante resonancia magnética nuclear (NMR) o los levantamientos electromagnéticos con fuen-tes controladas (CSEM), de un modo similar al que los agentes de contraste mejoran la genera-ción de imágenes médicas.

Transporte durante el proceso de detecciónUn ejemplo sin precedentes de nanotecnología aplicada a los campos petroleros proviene de Medio Oriente. En el año 2007, Saudi Aramco puso en marcha un proyecto de investigación a largo plazo, que pudo utilizarse en los yacimien-tos carbonatados de Arabia. En una etapa inicial del proyecto se determinó cuán pequeñas necesi-taban ser las nanopartículas para atravesar las gargantas de poros; es decir, los canales de flui-dos permeables más pequeños presentes en las rocas yacimiento (arriba). Se efectuaron pruebas


400

2 200 Garganta de poro

Espacio de poro

NanopartículaGrano

µm µm

µm

in Vitro with EGF-Directed Carbon Nanotube Based Drug Delivery,” ACS Nano 3, no. 2 (13 de enero de 2009): 307–316.

14. En el año 2008, el sexto mayor número de patentes de EUA relacionadas con las nanotecnologías perteneció a una compañía de productos cosméticos: Chen H, Roco MC, Li X y Lin Y: “Trends in Nanotechnology Patents,” Nature Nanotechnology 3, no. 3 (Marzo de 2008): 123–125.

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): 193–200.

> Poros y gargantas. Los poros son cavidades microescalares (áreas con tinte azul) existentes entre los granos (áreas 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 más pequeñas de la roca yacimiento. Para garantizar el éxito de la nanotecnología en un yacimiento, es preciso que los agentes de contraste o los nanosensores atraviesen (líneas rojas) una formación sin flocular, obturar los poros, o dañar la permeabilidad del yacimiento. Una visualización 3D más compleja de los poros y las gargantas se observa en la imagen del extremo superior derecho. (Fotografía, cortesía de Dave L. Cantrell, Saudi Aramco.)

46 Oilfield Review

de inyección de mercurio a alta presión en aproxi-madamente 850 núcleos pequeños de diferentes áreas del campo Ghawar. El análisis resultante indicó la existencia de gargantas de poros de tan sólo 0.5 μm de diámetro.16 En base a estudios pre-vios sobre fenómenos de transporte, los científi-cos dedujeron que un límite de tamaño seguro

partículas de 10 nm en 250 bbl [40 m3] de agua de inyección.17 La solución nanoenriquecida, de 100 partes por millón (ppm), fue bombeada luego en la formación Arab-D del campo Ghawar. A continua-ción, se inyectó 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 cerró el pozo de inyección durante tres días antes de explo-tar el yacimiento. Los ingenieros realizaron un muestreo extensivo de los fluidos de producción durante dos días a fin de determinar la presencia de nanopartículas mediante la técnica de espec-troscopía de fluorescencia.

A través de la comparación de las concentra-ciones de nanopartículas presentes en las mues-tras de agua producida y en el agua a inyectar, los investigadores de Saudi Aramco confirmaron un factor de recuperación alto de aproximadamente 86%, lo que demostró la capacidad de las nano-partículas para mantenerse coloidalmente esta-bles en condiciones de alta temperatura y alta salinidad. La alta recuperación indicó además que las nanopartículas lograron atravesar las gargan-tas de poros sin ninguna afinidad con la formación carbonatada. Las pruebas aceleradas de laborato-rio y las mediciones de presión de boca de pozo, obtenidas durante la prueba de pozo, no mostra-ron signos de reducción de las tasas de flujo de fluido ni de la permeabilidad del yacimiento.

Las instituciones académicas están procurando proyectos similares, que investiguen el transporte de los nanosensores a través de los yacimientos. Entre las diversas aplicaciones potenciales se encuentran la detección del petróleo residual y de otras propiedades del yacimiento, tales como aci-dez, salinidad, presión y concentraciones de dióxido de carbono [CO2] y ácido sulfhídrico [H2S]. Si bien son aún incipientes, muchos proyectos ya han registrado avances.

Un equipo ha comenzado a explorar el trans-porte y la retención de las nanopartículas a través de muestras de roca yacimiento.18 Recientemente, este trabajo se extendió para demostrar un método de estimación del petróleo residual en sitio (ROIP). Los científicos de la Universidad de

> La importancia de la funcionalización de la superficie de las nanopartículas. En este ejemplo, luego de la inyección de nanopartículas con funcionalización inadecuada, grandes cantidades de nanopartículas quedaron en las superficie de los granos de rocas (izquierda). Este hecho indudablemente reduciría la permeabilidad del yacimiento; por consiguiente, los científicos buscaron formas de modificar la química de la superficie de las nanopartículas. Después de que los científicos inyectaron nanopartículas bien funcionalizadas, los granos de rocas quedaron limpios (derecha).


2 2 µm µm

Efluente

Afluente

Columna empacadacon dolomía o arenisca1


µm

16. Kanj MY, Funk JJ y Al-Yousif Z: “Nanofluid Coreflood Experiments in the ARAB-D,” artículo SPE 126161, presentado en el Simposio y la Exhibición Técnica de la Sección de Arabia Saudita de la SPE, Al-Khobar, Arabia Saudita, 9 al 11 de mayo de 2009.

17. Para obtener más información 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 accedió 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,” artículo SPE 131158, presentado en la Conferencia Internacional sobre Acumulación de Incrustaciones en Campos Petroleros de la SPE, Aberdeen, 26 al 27 de mayo de 2010.

>Montaje de laboratorio. Los científicos trituraron muestras de núcleos de dolomía y arenisca Berea y luego filtraron el residuo para obtener una distribución de los tamaños de grano, oscilantes entre 106 y 250 μm. Luego, los granos fueron lavados con tolueno y metanol para eliminar el petróleo entrampado y se empacaron en columnas de vidrio individuales. Los científicos calcularon la incursión y la concentración de las nanopartículas [imagen del microscopio electrónico de barrido (SEM), inserto] mediante la inyección de un volumen de poros y el posterior empleo de un espectrofotómetro para detectar la fluorescencia ultravioleta de las nanopartículas presentes en el efluente.

para las nanopartículas equivalía a una quinta-séptima parte del límite de las gargantas de poros, o un valor oscilante entre 70 y 100 nm. Con estas restricciones, los científicos investigaron diversos métodos de funcionalización de las nanopartícu-las para abordar la compatibilidad con las condi-ciones rigurosas del yacimiento (arriba).

Recientemente, el proyecto logró un hito importante en la inyección y producción de nano-partículas en un yacimiento activo. En el primer semestre de 2010, los científicos dispersaron nano-


Conc

entra

ción

de

nano

partí

cula

s, %

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Número de volúmenes de poros inyectados

Columna de dolomía con cationes divalentes

Conc

entra

ción

de

nano

partí

cula

s, %

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Número de volúmenes de poros inyectados

Columna de dolomía con agua de mar sintética

Esquema de puentes salinos

Mg2+ or Ca2+

Nanopartículas


Comienzo delproceso de lavado

Agua desionizada

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

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


NanopartículastratadasNanopartículasno modificadas

Rice, en Houston, y de la Universidad de Nankai, en Tianjin, República Popular de China, prepara-ron un procedimiento de inundación de núcleos para determinar cómo el cambio de la composi-ción de los fluidos de inyección y de las propieda-des de las rocas podría afectar el transporte de las nanopartículas (página anterior, abajo).

Durante una serie de pruebas de las propieda-des de los fluidos, los científicos descubrieron que el incremento de la fuerza iónica del fluido, mediante el agregado de cloruro de potasio [KCl], incrementó el tiempo requerido para detectar la presencia de nanopartículas en el efluente. Además, el incremento de la fuerza iónica redujo significativamente la concentra-ción de nanopartículas en el efluente (derecha). No obstante, en el peor de los casos, cuando las pruebas detectaron sólo un 40% de las nanopartí-culas inyectadas, el lavado con agua desionizada posibilitó la recuperación de más del 90% de las nanopartículas atrapadas.

En otro estudio se consideró cómo los cationes divalentes, abundantes en el agua de mar, afecta-rían el transporte a través de una columna de dolo-mía empacada. Los cationes divalentes son moléculas, 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 dolomía, una de las muestras de rocas utilizadas en la prueba. Los científicos confirmaron la presencia de puentes salinos en las nanopartícu-las y los iones de Ca y Mg del fluido de inyección y la columna de dolomía (abajo).

> Efecto del cloruro del potasio [KCl]. Se utilizó agua desionizada (curva azul) para caracterizar el flujo a través de una columna de dolomía. Con el agregado de concentraciones cada vez mayores de KCl (curvas púrpura, verde y rojo) a una solución de nanopartículas desionizadas, se redujo significativamente el factor de recuperación. La recuperación total de las nanopartículas fue determinada mediante un proceso de lavado con agua desionizada (círculos negros). Los resultados indican que el incremento de la fuerza iónica hace que las nanopartículas sean depositadas sobre las partículas de dolomía, tal como se pronosticó.


Conc

entra

ción

de

nano

partí

cula

s, %

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25Número de volúmenes de poros inyectados

Columna de dolomía 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 nanopartículas modificadas. Las nanopartículas con cargas negativas naturales son puenteadas fácilmente por los iones de magnesio [Mg2+] y calcio [Ca2+], que se encuentran normalmente en el agua de mar (izquierda, extremo superior). Los científicos realizaron varios experimentos para determinar el impacto de estos iones sobre el flujo de fluido a través de columnas de rocas empacadas. Cuando se agregó en concentraciones cada vez mayores a las soluciones de nanopartículas (izquierda, extremo inferior), en todas las pruebas, se incrementó la concentración de nanopartículas en el efluente aproximadamente con la misma concentración que la del agua desionizada, para luego reducirse rápidamente. En la solución que contiene la mayor concentración de cationes divalentes (curva púrpura), la cantidad de nanopartículas presentes en el efluente fue mucho menor que la existente con concentraciones más bajas. El agua de mar sintética, 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 concentración de nanopartículas en el efluente fue similar a la del agua desionizada. Luego, las superficies de las nanopartículas fueron tratadas para ajustar su carga, lo que redujo significativamente el efecto puente observado con el agua de mar sintética mezclada con los cationes divalentes en las columnas de rocas dolomíticas (derecha).

48 Oilfield Review

Las pruebas de fluidos se reiteraron luego, utilizando una columna de arenisca empacada. Una de las características predominantes de la arenisca es que se compone principalmente de granos de sílice que, a diferencia de los minerales de dolomía, poseen carga negativa. En una de las pruebas, los científicos observaron que después de inyectar 15 volúmenes de poros, se recuperaba casi el 100% de las nanopartículas, en compara-ción con el 55% observado en la dolomía bajo las mismas condiciones de fluido.

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

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

Un chip pequeño que se adecua a todoOtra área de investigación nanotecnológica, 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 químicos altamente corro-sivos, tales como el gas H2S. Los científicos de la Universidad del Noreste, en Boston, Massachusetts, EUA, desarrollaron un chip con nanosensores incorporados para detectar concentraciones pequeñas de H2S en el aire, el nitrógeno, el vapor de agua y el gas licuado de petróleo. Dado que cada componente es diminuto, los desarrollos futuros de chips podrían incluir múltiples senso-res de diversos tipos para detectar diversos quími-cos y condiciones de fondo de pozo. Con el fin de lograr redundancia en caso de falla y mayor preci-sión, fue posible incorporar uno o más 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 diseño de circuito electrónico 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 químico durante el proceso de funcionali-zación. Luego, los científicos agregan una solución que contiene millones de moléculas 4-Amino-TEMPO, que se unen en forma covalente con la superficie de los SWNT modificados.19 Estas moléculas producen un efecto especial sobre los SWNT: en ausencia de H2S, la corriente pasa libremente a través de los SWNT, pero ante la presencia de H2S, las moléculas 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 atmosféricas, las moléculas TEMPO se reforman y el sensor puede recuperarse completamente, lo que posibilita la reutilización del chip. En condicio-nes de laboratorio, los científicos demostraron que el chip puede ser utilizado para detectar la presen-cia de H2S en concentraciones muy pequeñas y en varios ambientes diferentes (próxima página). A fin de resultar comercialmente viable para aplica-ciones de campos petroleros, el chip tendrá que ser desarrollado posteriormente para lograr su nanofa-bricación a bajo costo y luego será necesario pro-barlo en condiciones de fondo de pozo.

Nanopartículas de contrasteLos agentes de contraste son ampliamente utili-zados en la generación de imágenes médicas. Por ejemplo, se inyectan en un paciente para mejorar la resolución de los rayos X o las imágenes de resonancia magnética.20 De un modo similar, los especialistas pronostican que las mediciones de la región vecina al pozo, tales como las medicio-nes derivadas de los registros de resonancia mag-nética nuclear, susceptibilidad magnética, acústicos y de resistividad, pueden ser mejoradas utilizando nanopartículas preparadas especial-mente, que responden mejor que los fluidos de yacimiento en sitio o la roca yacimiento. Estas partículas serían transportadas por todo un yaci-miento, utilizando técnicas de inundación de yacimientos similares a las de las operaciones de campos petroleros de nuestros días. Este con-cepto particular ha sido adaptado para ilustrar los usos potenciales de la nanotecnología en la detección de fracturas hidráulicas.

Los operadores desearían conocer los resulta-dos de las operaciones de fracturamiento antes de comenzar las pruebas de pozos. Después del bombeo, las fracturas que fueron abiertas por el fluido de alta presión 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 moléculas de 4-Amino TEMPO se reducen químicamente, 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 fotografía (derecha) muestra los terminales (hilos de oro) que conducen al área de los nanosensores.


NH HNO O

CH3

F F

Molécula de4-AminoTEMPO

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

Ausencia de corriente

Terminal 1 Terminal 2

Corriente

Capa aislanteSustrato

H2S

Fotografía 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 pequeño, la operación de fracturamiento no será 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 más altas.

La identificación de estas oportunidades de fracturamiento pasadas por alto, antes de efec-tuar las pruebas de pozos, constituye un desafío importante ya que los datos de alta resolución de la región vecina al pozo, tales como los registros

de resonancia magnética o de resistividad, no pueden determinar el alcance total de las fractu-ras más profundas. No obstante, para visualizar la formación a mayor profundidad, los operadores pueden “escuchar” las fracturas mediante el monitoreo microsísmico. Así y todo, es probable que este método carezca del nivel de resolución necesario para definir las fracturas con precisión suficiente para calcular los volúmenes con exac-titud.21 En busca de una solución, los socios del AEC, la Universidad de Rice y la Universidad de Alberta, en Edmonton, Canadá, están investi-gando los agentes de contraste nanoescalares para mejorar las mediciones de la susceptibilidad magnética.

19. Para obtener más información 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 accedió 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): 19369–19372.

21. Para obtener más información sobre el método de monitoreo microsísmico, 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 hidráulico,” Oilfield Review 21, no. 3 (Marzo de 2010): 18–31.

> 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 científicos introdujeron el H2S en una cámara estanca de gas, que contenía el chip, y midieron la caída de corriente eléctrica. Para permitir la recuperación del chip, los científicos abrieron la cámara, extrajeron el H2S y la llenaron con aire. En todos los ambientes, el chip detectó 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 científicos no permitieron la recuperación del chip después de cada incremento de H2S; cuando abrieron la cámara para extraer el H2S y llenarla con aire, el chip se recuperó 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

Corri

ente

, 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

Recuperación 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

Corri

ente

, A

H2S en ambiente de gas licuado de petróleo

Recuperación 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

Corri

ente

, A

1 200 2 400 3 6000

Tiempo, segundos4 800 6 000 7 200

H2S en ambiente de vapor de agua

Recuperaciónen 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

Corri

ente

, A

2 400 4 800 7 2000Tiempo, segundos

9 600 12 000 14 400

H2S en ambiente de nitrógeno

700 ppm

500ppm

1 000 ppm1 200 ppm

1 500 ppm

1 000 ppm

Recuperaciónen el aire

700ppm

Tiempo, segundos

50 Oilfield Review

Las nanopartículas superparamagnéticas poseen un grado mayor de susceptibilidad mag-nética que cualquier material natural presente en un yacimiento, y cuando se considera su loca-lización, pueden utilizarse para resaltar las frac-turas de la formación. Para representar los volúmenes de fracturas, los investigadores tienen previsto insertar las nanopartículas en el apunta-

lante (arriba). Esto permite la detección del apuntalante, a partir de lo cual se puede calcular el volumen de fracturas. Esta información pro-porciona a los operadores las razones para modi-ficar el material apuntalante o los criterios de bombeo, y además podría suscitar la ejecución de más actividades de investigación para el mejora-miento de los materiales apuntalantes.

Las nanopartículas que acentúan el contraste deben mantener su susceptibilidad magnética superior mientras se encuentran en el fondo del pozo, pero las condiciones de yacimiento, tales como alta temperatura, pueden reducir el grado de reacción de ciertos nanomateriales. El grupo de la Universidad de Rice fabricó diversas nanopartí-culas potenciales con propiedades superparamag-néticas. Los científicos de la Universidad de Alberta probaron las nanopartículas a temperatu-ras de yacimiento y observaron que algunas con-servaban propiedades magnéticas aceptables.

Ahora, ambos grupos se están concentrando en las partículas resistentes a la temperatura y han iniciado estudios sobre el transporte. Los investigadores también están investigando una herramienta de susceptibilidad magnética de fondo de pozo que finalmente detectará los agen-tes de contraste presentes en las fracturas del yacimiento. Las partículas paramagnéticas simi-lares también pueden ser transportadas a través de las formaciones y utilizarse para mejorar la sensibilidad de las mediciones tradicionales de resonancia magnética, con una escasa o nula adaptación de las herramientas existentes.22

Recuperación mejorada de petróleoLa nanotecnología posee el potencial para mejo-rar la caracterización de yacimientos, mediante el mejoramiento de las técnicas de recolección de datos. No obstante, el mayor impacto sobre la industria quizás resida en el empleo de la nano-tecnología para incrementar el volumen de hidrocarburos recuperables, más allá de las capa-cidades de los métodos existentes de recupera-ción mejorada de petróleo. A esos efectos, se ha

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

Formación objetivo

Tubería de revestimiento

Volumende la fractura

Apuntalante sensor

Apuntalantesensor en sitio

Volumen final de la fractura

Pérdida de volumende la fractura


> Fabricación de nanopartículas de Janus. Los científicos producen una emulsión de agua, cera y nanopartículas de sílice; las nanopartículas de sílice se encastran parcialmente en las pequeñas gotas de cera (extremo superior izquierdo). En la fase siguiente, (extremo superior derecho) se agregan partículas de metal. Estas partículas se adosan solamente a la superficie expuesta de las partículas de sílice. Luego, la solución se seca al vacío, lo que remueve la cera y el agua, dejando las nanopartículas con un doble recubrimiento (extremo inferior izquierdo). El recubrimiento metálico de las superficies de las partículas permite que éstas atraigan los SWNT en la fase final del proceso (extremo inferior derecho).


Emulsión de cera y agua

Partículasde sílice

Cera

Solución acuosa de partículas de metal

Metales

Secado en condiciones devacío a temperatura ambiente Partículas de sílice recubiertas con SWNT

SWNTs


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

Los científicos de la Universidad de Oklahoma demostraron cómo pueden refinarse las nanopartí-culas de Janus para identificar, estabilizar y produ-cir reacciones en las interfaces agua-petróleo.23 Las nanopartículas de Janus, llamadas así por su naturaleza bifacial, poseen propiedades opuestas en sus dos extremos, tales como un lado hidrofó-bico y un lado hidrofílico. Estas características hacen que las nanopartículas posean una tenden-cia a la búsqueda de interfaces agua-petróleo. Mediante la fijación de catalizadores de metal,

tales como el paladio, en estas nanopartículas, los científicos también lograron inducir reacciones de migración de fases, a través del uso de la tempera-tura como control. Con la financiación del AEC, los científicos están explorando ahora el empleo de partículas con propiedades similares para movili-zar el petróleo remanente después del proceso de inyección de agua.24 Este recuso representa aproxi-madamente las dos terceras partes del petróleo original en sitio (OOIP).25

La creación de una partícula bipolar es un pro-ceso de múltiples etapas, que consiste en revestir las partículas hidrofílicas, tales como el sílice, con un componente hidrofóbico, tal como los SWNT (página anterior, abajo). En este caso, mediante el control de la concentración de SWNT en las partículas de sílice, los científicos pueden cam-biar el ángulo de contacto de hidrofóbico a hidro-fílico, pasando por el estado anfifílico. Luego,

mediante el depósito de los catalizadores en un lado específico de las nanopartículas, se pueden provocar reacciones tales como la oxidación, la reducción o la condensación en forma selectiva.

Los científicos de la universidad están visuali-zando métodos de recuperación secundaria y ter-ciaria, basados en la nanotecnología, con el objetivo final de extraer el 100% del OOIP. Su tra-bajo más reciente investiga la modificación de las propiedades reológicas de los hidrocarburos entrampados además del mejoramiento del des-empeño de los fluidos de inyección en cuanto a empuje (izquierda).

Revelaciones de la nanotecnologíaA medida que las operaciones de búsqueda y recuperación de petróleo se vuelven más comple-jas, a menudo se requiere nueva tecnología que reajuste lo que los operadores consideran prácti-cas estándar de exploración y producción. No obstante, el costo de la tecnología es un condicio-nante de lo que se conoce como hidrocarburos recuperables. El costo real de la nanotecnología para la industria del petróleo y el gas es en gran medida una incógnita, ya que actualmente existe casi por completo en investigación. Los factores de costo pueden incluir la reciclabilidad de las nanostructuras y los rendimientos de los proce-sos de fabricación, el saneamiento ambiental y la composición de los nanomateriales. El uso gene-ralizado de nanotecnologías similares en otras industrias también 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 ejecución de más actividades de investigación y desarrollo nanotecnológicos sea la introducción de la primera herramienta comercial exitosa para la recuperación de hidrocarburos. En opinión de un grupo, esa herramienta estará representada por los agentes nanoescalares de contraste ya que podrán hacerse accesibles, resistentes, recupera-bles y reutilizables. Además, esta nanotecnología se integraría de manera fluida con los flujos de trabajo operacionales actuales, lo que significa que los operadores podrán optar por incorporar-los en sus paquetes de sensores como lo harían con cualquier otra herramienta de medición. Indudablemente, en la próxima década, el tér-mino “nanotecnología” se volverá mucho más familiar dentro del ámbito de E&P. —MJM

> Catálisis subterránea. Las nanopartículas catalíticas que se estabilizan en la interfase agua-petróleo pueden ser inyectadas con gases oxidantes (aire) o reductores (hidrógeno [H2] y monóxido de carbono [CO]) para producir reacciones que modifican la viscosidad del fluido de inyección y las propiedades reológicas de los fluidos, tales como las tensiones interfaciales agua-petróleo y roca-petróleo. El aire puede ser inyectado directamente, y el H2 y el CO podrían ser producidos en el lugar mediante la oxidación parcial del gas natural en el yacimiento. Este proceso posibilita la recuperación secundaria y terciaria de hidrocarburos.


Emulsión denanopartículascatalíticasinyectadascon el aire

Pozo de inyección

Zona de catálisis

YacimientoPozo de producción

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,” artículo SPE 129887, presentado en el Simposio sobre Recuperación Mejorada del Petróleo 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 (1º de enero de 2010): 68–72.

Cole-Hamilton DJ: “Janus Catalysts Direct Nanoparticle Reactivity,” Science 327, no. 5961 (1º de enero de 2010):41–42.

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

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