Date of Award

1-2014

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

Abstract

A novel method of delivering thermal energy efficiently to reservoirs for heavy oil production is described in this study. The method uses magnetic nanoparticles that generate heat locally when exposed to a high frequency magnetic field oscillation via hysteresis losses. This concept is currently used in medical research to thermally kill cancerous cells. Electromagnetic heating is a n alternative method to heat heavy oil reservoirs without using water or steam. Using magnetic nanoparticles with electromagnetic heating would greatly reduce the energy requirement and would allow efficient propagation of heat into deeper regions beyond wellbore locality that are otherwise difficult to reach. In this study, an alternating magnetic fieldis used to heat different types of dry and water dispersed nanoparticles and the temperature rise over time was measured. Two types of nanoparticles (NPs) generated the most amount of heating; pure Iron III Oxide (Fe3O4) and Fe3O4 mixed with Erbium (Er) in a 75% to 25%chemical ratio (Fe/Er 75-25). Fe3O4 and Fe/Er 75-25samples were then prepared for different sizes and chemical compositions and were characterized for size using a nanosizer and Scanning Electron Microscope (SEM) images, morphology using X-ray Diffraction (XRD) analysis, chemical composition using Energy Dispersive Spectrometer (EDS) and hysteresis loop using a Super-conducting Quantum Interference Device (SQUID) test. Bitumen was used to simulate heavy oil conditions in which the nanoparticles were dispersed to create a nano ferro-fluid. The particles were then dispersed in bitumen samples and the effect of varying concentration, particle size and chemical ratio (50% and 75% Erbium) on vii heating efficiency was examined. The tested particle sizes were in the range of 40-120nm which means they were all above the critical size for superparamagnetism (~27nm for the particle investigated in this study) and hence all heating generated by the NPs was attributed to hysteresis losses. Characterization revealed high crystallinity of pure Fe3O4 samples and a tendency of crystallinity to decrease as the percentage of Erbium added to Fe3O4 is increased. SEM images revealed a tendency of the particles to aggregate as the percentage of Erbium increased. Except for Fe/Er 75-25, heating experiments revealed a negative relationship between concentration of NPs and Specific Absorption Rate (SAR); as concentration of NPs increased the SAR decreased. For NP size, the results followed a common trend; SAR increased when NP size was decreased. In terms of chemical composition, it was revealed that the optimal percentage of Er added to Fe3O4 to enhance its heating capability was 25% whereas any increase in Er % beyond that point caused a proportional decrease in SAR

Comments

ھذه الدراسة تھدف إلى وصف طریقة جدیدة لإیصال الطاقة الحراریة بكفاءة أثناء عمیلة إنتاج النفط الثقیل. یستخدم الأسلوب مبدأ التدفئة المغناطیسیة التي تولد الحرارة محلیا عندما تتعرض جزئیات النانو لمجال التذبذب المغناطیسي وذلك عن طریق خسائر التباطؤ. یستخدم ھذا المفھوم حالیا في مجال الأبحاث الطبیة لقتل الخلایا السرطانیة حراریا. التدفئة الكھرومغناطیسیة ھي طریقة بدیلة لتسخین خزانات النفط الثقیل دون استخدام الماء أو البخار. إن استخدام الجسیمات النانویة المغناطیسیة مع التدفئة الكھرومغناطیسیة یقلل كثیرا من متطلبات الطاقة وسیسمح بنشر فعال للحرارة إلى مناطق أعمق في آبار النفط الثقیل والتي یصعب الوصول إلیھا حالیا. في ھذه الدراسة، تم استخدام المجال المغناطیسي لتسخین أنواع مختلفة من الجسیمات النانویة وتم قیاس ارتفاع درجة (Fe3O أكسید ( 4 III الحرارة مع مرور الوقت. نوعین من الجسیمات النانویة ولدا اكبر قدر من التدفئة، الحدید تم تحضیر .(Fe/Er 75-25) ٪ بنسبة المواد الكیمیائیة 75 ٪ إلى 25 (Er) مختلطة مع مادة الأربیوم Fe3O و 4 بأحجام مختلفة وتراكیب كیمیائیة متغیرة ثم تم تشخیص جمیع العینات باستعمال Fe/Er 75- و 25 Fe3O عینات 4 الھیئة ،(SEM) والمسح الضوئي الالكتروني nanosizer تقنیات المختبر كالاتي: تحدید الحجم باستخدام جھازي ال والتركیب الكیمیائي باستخدام الطاقة المتشتتة مطیاف ، (XRD) المورفولوجیة باستخدام حیود الأشعة السینیة .SQUID باستخدام اختبار (hysteresis) وحلقة التباطؤ (EDS) (bitumen) تم استخدام البیتومین لمحاكاة ظروف النفط الثقیل حیث اضیفت الجسیمات النانویة إلى سائل البیتومین لخلق تركیبة النانو السائل. ثم تم دراسة تأثیر تفاوت تركیز جسیمات النانو، وحجم الجسیمات، والنسبة الكیمیائیة وھو ما یعني nm 120- على كفاءة التدفئة. وقعت أحجام الجسیمات التي تم اختبارھا في مجال ال 40 (Er) لالإربیوم وبالتالي تم عزاء كل التدفئة التي (superparamagnetism) أنھم كانوا جمیعا فوق الحجم الحرج لجزئیات النانو .(hysteresis) ولدتھا جسیمات النانو إلى خسائر التباطؤ ix میل جسیمات النانو الى التراكم وانخفاض معدلات التبلور عند زیادة نسبة (SEM+XRD) كشفت نتائج التوصیف كشفت تجارب التسخین ،Fe/Er 75- باستثناء 25 .(Fe3O أكسید ( 4 III المضافة الى الحدید (Er) الاربیوم الكھرومغناطیسي وجود علاقة سلبیة بین تركیز جسیمات النانو في سائل البیتومین ومعدل الامتصاص النوعي عند انخفاض حجم جسیمات النانو. اما (SAR) كما أظھرت النتائج زیادة في معدل الامتصاص النوعي .(SAR) التي تولد اعلى معدلات ارتفاع الحرارة (Er) بالنسبة للتركیب الكیمیائي، تم الكشف عن أن النسبة المثلى للاربیوم والامتصاص النوعي ھي 25 ٪ في حین أن أي زیادة ما بعد تلك النقطة تسبب انخفاض نسبي في الفاعلیة الحراریة.

Share

COinS