Nanopartikel haben in den letzten Jahren in vielen Industriezweigen, insbesondere aber in der Öl- und Gasindustrie, große Aufmerksamkeit erregt. In verschiedenen Forschungsarbeiten wurde beispielsweise der Einsatz von oberflächenmodifizierten Siliziumdioxidnanopartikeln in Lagerstättengestein untersucht.
In dieser Arbeit wurde die Wechselwirkung von Nanopartikel mit Sandstein durch eine Kombination verschiedener experimenteller Ansätze untersucht. Unter anderem wurden Fluid-Fluid- und Gestein-Fluid-Wechselwirkungen mittels Kompatibilitätstests, Batch-Sorptionsexperimenten und einphasigen Kernflutungen bewertet. Die zugrundeliegende Aufgabe bestand darin, ein besseres Verständnis für die Faktoren zu erlangen, die die Adsorption von Nanopartikeln an das Gesteinsmaterial beeinflussen.
In dem experimentellen Ansatz wurden Diol- und Polyethylenglycol (PEG)-oberflächenmodifizierte Siliziumdioxidnanopartikel unter Verwendung von zwei Solen mit unterschiedlicher Ionenstärke sowie Natriumcarbonat (Na2CO3) und Berea und Keuper Aufschlüssen (Kernmaterial und gebrochene Form) getestet. Die Effluenten der Kernflutversuche wurden analysiert, um Konzentrationsänderungen und die Rückhaltung der Nanopartikel im Gestein zu bestimmen. Feldflussfraktionierung (FFF) und dynamische Lichtstreuung (DLS) wurden in ausgewählten Proben durchgeführt, um Veränderungen in der Größenverteilung zu untersuchen. Die Adsorption wurde mit Hilfe der UV-Vis-Spektroskopie und der Rasterelektronenmikroskopie (SEM) bewertet.
Die höchste Adsorption wurde in Sole mit hoher Ionenstärke beobachtet, während die Verwendung von Alkali die Adsorption verringerte. Zerkleinertes Material aus Berea-Gestein zeigte eine etwas höhere Adsorption im Vergleich zu Keuper-Gestein, während die Temperatur einen geringen Einfluss auf das Adsorptionsverhalten hatte. In einphasigen Kernflutversuchen wurden keine Auswirkungen auf die Permeabilität beobachtet. Die verwendeten Nanopartikel zeigten im Vergleich zum Tracer einen verzögerten Durchbruch und größere Partikel passierten den Gesteinskern schneller. Die Rückgewinnung von Nanopartikeln war bei PEG-modifizierten Nanopartikeln in Berea signifikant niedrig, was auf eine hohe Adsorption schließen lässt. REM-Bilder zeigen, dass die Adsorptionsstellen eher durch die Oberflächenrauheit als durch die Mineralart definiert sind. Trotz eines Überschusses an Nanopartikeln im porösen Medium war die Adsorption in einer Monoschicht der vorherrschende Typ.
Die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Gestein erforderte die Entwicklung und Verbesserung von Methoden zur Bewertung des Konzentrationsverlaufs und der Rückgewinnung. Die gewonnenen Erkenntnisse sind entscheidend für die weitere Forschung in diesem Bereich und die Anwendung in einem möglichen Feldversuch.