BR102021024963A2 - Sistema microfluídico portátil para análises em amostras de petróleo - Google Patents

Abstract

A presente invenção trata de um sistema compreendendo dispositivos microfluídicos de extração, de análise de capacitância, juntamente com o potenciostato controlado por smartphone, constituindo um sistema portátil que pode ser aplicado em plataformas offshore e oferece um procedimento analítico com baixo consumo de amostras e insumos químicos. Além disso, o conjunto possibilita análises de espécies com características incrustantes em petróleo in loco, rápidas e com alta frequência analítica. A capacidade de realizar essas análises em petróleos com baixos valores de BSW representa um forte avanço analítico visto as dificuldades técnicas observadas nos métodos tradicionais que fazem uso de extração líquido-líquido. Assim, a possibilidade de prever o perfil da composição iônica dessas amostras de água de forma rápida se torna uma estratégia para ações de monitoramento, controle e tomada de decisão na cadeia produtiva, sendo possível estabelecer estratégias de inibição da incrustação mais adequadas, viabilizando ações mais proativas do que reativas por parte da operação. Dessa forma, evita-se paradas de produção não programadas ocasionadas por conta de incrustações no sistema de produção.

Description

SISTEMA MICROFLUÍDICO PORTÁTIL PARA ANÁLISES EM AMOSTRAS DE PETRÓLEO Campo da Invenção

[001] A presente invenção trata de um sistema microfluídico, com a possibilidade de portabilidade, aplicado a fluidos produzidos em plataformas offshore ou onshore, visando a extração das espécies associadas à fase aquosa em amostras de petróleos com baixos valores de BSW, possibilitando prever o perfil da composição iônica das amostras de água de forma rápida para ações de monitoramento, controle e tomada de decisão na cadeia produtiva.

Descrição do Estado da Técnica

[002] A deposição ou incrustação mineral em superfícies é causada pelo acúmulo de sais inorgânicos. Quando presente em tubulações e equipamentos de exploração e processamento de petróleo e gás, a incrustação gera grandes problemas operacionais, danos às tubulações e riscos de segurança ambiental e aos operadores. Esse fenômeno ocorre não apenas nos poços de petróleo em alto-mar (offshore), mas também em refinarias e unidades de tratamento. A origem da salinidade se deve à composição química das denominadas águas de formação e de injeção.

[003] As análises químicas desses fluidos são realizadas por técnicas já estabelecidas como: absorção atômica, espectrometria de emissão ótica com plasma indutivamente acoplado, cromatografia iônica e/ou titulometria. No entanto, não é viável a utilização dessas técnicas em plataformas offshore, uma vez que as análises são realizadas em equipamentos de grande porte e alto custo. Além disso, antes dessas análises serem realizadas, é necessário transferir dos íons da dispersão de óleo para uma matriz aquosa por extração líquido-líquido (ELL). Muitas vezes são utilizados reatores com controle de pressão e temperatura para a obtenção de melhores resultados em ELL. Porém, o método é demorado e precisa ser executado em laboratórios devidamente equipados. A diluição com uma quantidade conhecida de água ajuda na separação da fase aquosa dispersa, mas é de aplicação limitada no caso de matrizes cujo potencial de formação de emulsões estáveis é elevado.

[004] Ademais, a separação da fase aquosa em baixos valores de BSW é muito difícil e não é possível de ser realizada por técnicas tradicionais, como centrifugação, sem interferir na amostra. Mesmo com a realização de extração líquido-líquido, por exemplo, tem-se um fator de diluição significativo, além de dificuldade de recuperação da água adiciona e eficiência de extração restrita. Com isso, a análise dos fluidos produzidos envolve amostragem, desembarque e análise da água em terra, o que aumenta muito o tempo e faz com que a "foto" do sistema seja do passado, dificultando a adoção de estratégias adequadas para a inibição da incrustação.

[005] Em reservatórios carbonáticos são esperadas reações químicas entre a rocha e os fluidos injetados. Essas reações podem causar alterações na composição da água produzida. A dissolução de carbonatos, como calcita e dolomita, aumenta a concentração de cálcio, magnésio e bicarbonato no fluido produzido. Com isso, a composição da água produzida não será apenas uma mistura dos fluidos presentes no reservatório. É necessário conhecer a composição da água levando em consideração essas interações entre rocha e fluido.

[006] Para adotar a melhor estratégia de inibição de incrustação em poços e topside que, no caso de carbonatos, depende de uma modelagem do transporte reativo mais fidedigna, é necessário o conhecimento da composição química dos fluidos envolvidos no processo: água de injeção, água de formação e água produzida.

[007] Atualmente, a análise para conhecimento de espécies com características incrustantes desses fluidos produzidos em plataformas offshore é realizada em terra, o que demanda muito tempo (amostragem, desembarque da amostra e análise). Esse tempo tem sido longo o suficiente a ponto de a plataforma apresentar parada de produção por conta de incrustação nos sistemas antes do conhecimento da composição química da água produzida para a definição mais adequada da estratégia de inibição da incrustação. Além do tempo necessário para o conhecimento da composição da água produzida, outro fator dificulta a obtenção dessa informação: o baixo valor de BSW impossibilita a realização da análise química, já que não é possível separar um volume de água suficiente para a análise. Análises recentes mostraram ainda um outro problema: mudança nos equilíbrios envolvidos e alteração dos valores medidos. Durante a separação de água, é empregado um procedimento de centrifugação.

[008] BRESSAN, L. P. (2021) “Aplicações de dispositivos microfluídicos impressos em 3D por FDM em química”, Tese (Doutorado) - Universidade de Campinas, SP, apresenta aplicações bioanalíticas para dispositivos produzidos com um protocolo simples para preparar canais microfluídicos impressos em 3D, para determinação de nitrito, proteínas totais e óxido nítrico, além de visualização de microrganismos e na síntese de fluxo contínuo de nanopartículas de prata e ouro. Nesse estudo, também foi desenvolvido um protocolo para a criação de dispositivos de suporte, chamados scaffolds, de maneira que os poros produzidos são controlados diretamente através do software da impressora.

[009] O artigo de CAMARGO, C. L. et al. (2017) “Use of smartphone for turbidimetric detection and control of turbulent microfluidic platform toward full automation of microemulsification-based method”, descreve um método de detecção e controle turbidimétrico de microfluidos turbulentos com o objetivo de automatização total do método baseado na microemulsificação (MEC). O método se mostrou simples, autônomo, com registros de resultados em tempo real, e capacidade de transmissão remota de dados. O dispositivo foi fabricado por métodos de polimerização e remoção de scaffold (PSR) para proporcionar turbulência de fluxo intenso assistido. Essa plataforma microfluídica totalmente automática foi aplicada na determinação de etanol em bebidas alcoólicas comerciais, mostrando melhora na precisão e a frequência analítica de MEC, sendo uma alternativa potencial para aplicações no ponto de uso. Tal característica contribui para o emprego desta tecnologia por pessoas não-especialistas, fornecendo medições in-situ e leitura em tempo real.

[0010] O trabalho de SOUSA, P. J. T. (2011) “Estudo e otimização de estruturas em PDMS para dispositivos microfluídicos”, Dissertação (Mestrado em Micro/Nano tecnologias) - Universidade do Minho, Portugal, descreve um estudo de otimização das diferentes etapas de todo o processo de fabricação de estruturas em PDMS, assim como caracteriza as estruturas produzidas. Um dos processos de otimização é a utilização de um material termoplástico sem a necessidade de máscaras, alinhamento, exposição ou revelação, requerendo apenas um desenho CAD adequado para ser utilizado por uma impressora. Tal estudo também revela diversos grupos de aplicabilidade do PDMS em microfluídica.

[0011] Em vista disso, nenhum documento do estado da técnica revela um sistema microfluídico portátil de extração líquido-líquido aplicado à separação da fase aquosa de amostras de petróleos com baixos teores de BSW e que possibilita a classificação e multideterminação de íons com capacidade incrustante presentes nos diversos fluidos provenientes de reservatórios carbonáticos, através de sensores capacitivos multidimensionais, tal como o da presente invenção.

[0012] Dessa forma, o objetivo da presente invenção foi desenvolver um sistema baseado em plataforma microfluídica para extração das espécies associadas à fase aquosa, considerando petróleos com baixo teor de água. Além disso, utilizam-se sensores baseados no conceito de língua eletrônica e tratamento estatístico dos dados por machine learning (ML) para classificação e multideterminação de íons em amostras de água extraída do petróleo. Esse sistema é portátil para utilização em plataformas offshore.

[0013] Considerando todos os componentes do sistema, ou seja, os dispositivos microfluídicos de extração, de análise de capacitância, juntamente com o potenciostato controlado por smartphone, o conjunto resulta em um sistema portátil que pode ser aplicado em plataformas offshore e oferece um procedimento analítico com baixo consumo de amostras e insumos químicos. Além disso, o conjunto possibilita análises de espécies com características incrustantes em petróleo in loco, rápidas e com alta frequência analítica.

[0014] A capacidade de realizar essas análises em petróleos com baixos teores de BSW representa um forte avanço analítico, tendo em vista as dificuldades técnicas observadas nos métodos tradicionais que fazem uso de extração líquido-líquido. A avaliação em petróleos com baixos BSW é essencial para caracterização da água de formação na zona de óleo, visto que, em valores mais altos deste parâmetro, já ocorre maior presença da água injetada e da interação rocha-fluido. Portanto, a possibilidade de prever o perfil da composição iônica dessas amostras de água de forma rápida se torna uma estratégia para ações de monitoramento, controle e tomada de decisão na cadeia produtiva.

[0015] Do ponto de vista econômico, é possível estabelecer estratégias de inibição da incrustação mais adequadas, viabilizando ações mais proativas do que reativas por parte da operação. Os modelos de transporte reativo poderão ser atualizados com maior frequência, sendo possível identificar alguma anomalia ou presença de espécies não mapeadas. Dessa forma, evita-se paradas de produção não programadas ocasionadas por conta de incrustações no sistema de produção.

Descrição Resumida da Invenção

[0016] A presente invenção trata de um sistema microfluídico de extração líquido-líquido aplicado para a separação da fase aquosa de amostras de petróleos com baixos teores de BSW, as quais, atualmente, são realizadas em laboratórios terrestres. Adicionalmente, a invenção possibilita a classificação e multideterminação de íons com capacidade incrustante presentes nos diversos fluidos provenientes de reservatórios carbonáticos, através de sensores capacitivos multidimensionais. A realização da análise pode ser facilitada por meio de potenciostato portátil controlado por smartphone, não ficando limitada a este, permitindo a aplicação direta em ambientes offshore e seu uso pode ser estendido a outros setores que necessitam de monitoramento rápido da composição salina de amostras de água, sejam essas de formação, de produção ou de injeção. Os resultados serão utilizados para acompanhamento de amostras com risco potencial de incrustação e servirão de base para uma compilação de resultados para ajuste de histórico de modelagens de transporte reativo.

[0017] Esse sistema analítico pode ser aplicado para análise em ambiente offshore quanto onshore de fluidos produzidos em campo.

Breve Descrição dos Desenhos

[0018] A presente invenção será descrita com mais detalhes a seguir, com referência às figuras em anexo que, de uma forma esquemática e não limitativa do escopo inventivo, representam exemplos de realização da mesma. Nos desenhos, têm-se:

• - A Figura 1 ilustrando uma litografia macia e tecnologias de impressão 3D, onde (1) vista em 2D e (2) vista em 3D do chip microfluídico associado a etapa de extração;
• - A Figura 2 ilustrando (A - 1) um sensor obtido pelo método PSR, as sondas capilares de aço inoxidável estão prontas para uso; (B - 2) e (C - 3) são apresentados os sensores microfluídicos obtidos com quatro e oito pares de capacitores em paralelo, respectivamente; e (D - 4) um sensor obtido por litografia macia, os capacitores planos interdigitados de ouro foram depositados em placas de vidro por técnicas de evaporação física em fase vapor, sendo que sua área e desenho foram definidas por fotolitografia. Estes representam a língua eletrônica em diferentes configurações;
• - A Figura 3 ilustra o esquema sequencial da operação do sistema de extração associado com a língua eletrônica.

Descrição Detalhada da Invenção

[0019] O sistema portátil de acordo com a presente invenção e ilustrado na Figura 3 compreende em uma língua eletrônica, um potenciostato, chips microfluídicos e duas bombas seringas. Os chips microfluídicos, tanto de extração líquido-líquido quanto o sistema da língua eletrônica, podem ser construídos pelos métodos de polimerização e remoção de scaffold (PSR, polymerization and scaffold removal), litografia macia e tecnologias de impressão 3D (Figura 1 (1) vista em 2D e (2) vista em 3D).

[0020] Dentre os materiais utilizados é possível citar polímeros à base de silicone ou termoplásticos e resinas epóxi ou acrílicas. No sensor obtido pelo método PSR (Figura 2 (A)) as sondas prontas para uso utilizadas foram capilares de aço inoxidável. Essas sondas foram inseridas nos dois lados dos canais do sensor microfluídico de modo a obter lacunas de cerca de 200 μm entre eles. Esses capilares foram curto-circuitados com peças de cobre obtendo-se uma associação de capacitores em paralelo. Em seguida, mangueiras de poli(cloreto de vinil) conectaram os capilares uns aos outros para completar o circuito microfluídico.

[0021] Nas Figuras 2 (B) e (C) são apresentados os sensores microfluídicos obtidos com quatro e oito pares de capacitores em paralelo, respectivamente. No sensor obtido por litografia macia, os capacitores planos interdigitados de ouro (Figuras 2 (D)) foram depositados em placas de vidro por técnicas de evaporação física em fase vapor, sendo que sua área e desenho foram definidas por fotolitografia. As análises de impedância foram feitas em potenciostatos portáteis controlados por smartphones, de modo que as análises possam ser realizadas em plataformas offshore. As capacitâncias dos pares de eletrodos foram calculadas a partir da impedância imaginária considerando os eletrodos como idealmente polarizáveis. O tratamento estatístico dos dados por ML foi realizado utilizando a biblioteca python de algoritmos.

EXEMPLOS:

[0022] Os exemplos a seguir são apresentados de forma a ilustrar mais completamente a natureza da presente invenção e a maneira de praticar a mesma, sem que, no entanto, possam ser considerados como limitantes do seu conteúdo.

Exemplo 1: Dispositivos microfluídicos.

[0023] O desenvolvimento de dispositivos microfluídicos de fácil fabricação foram obtidos por emprego de resinas epóxi com auxílio de um scaffold e, também, por meio de tecnologia de impressão 3D de estereolitografia (SLA). Esses dispositivos microfuídicos foram compostos por canais entrelaçados, com dimensões de aproximadamente 400 μιτι, e que operaram sob regime de fluxo turbulento e apresentaram características de interesse como portabilidade, baixo custo, capacidade de extrações ultrarápidas, baixo consumo de insumos e amostras, resistência química e mecânica e longo tempo de vida.

[0024] Esse dispositivo apresentou resultados profícuos com respeito à capacidade de extração da fração aquosa presente em amostras de petróleo bruto com valores de BSW inferiores a 1%. A capacidade de extração foi avaliada através de análises de condutividade da água e por análise dos íons Ca2+, Sr2+ (ICP-OES) e (SO4)2- e Cl- (cromatografia de íons). As condições experimentais de diluição com tolueno, volume do diluente, taxa de fluxo, proporções da fase doadora e receptora foram estudadas visando à maximização do processo extrativo citado.

Exemplo 2: Língua eletrônica.

[0025] Para a quantificação dos íons na água extraída pelo dispositivo foi desenvolvida uma língua eletrônica, a qual consiste em um sensor multidimensional eletroquímico baseado em uma única sonda e detecção capacitiva universal em dispositivos microfluídicos. As impressões digitais da língua eletrônica foram obtidas através de um único experimento de capacitância em sondas prontas para uso (capilares de aço inox) de baixo custo, as quais formam capacitores de dupla camada elétrica (DCE) e foram associadas em paralelo no dispositivo microfluídico de polidimetilsiloxano (PDMS).

[0026] Estes dispositivos apresentaram um baixo consumo de amostras e foram prototipados através de uma técnica escalonável, verde e sem uso de sala limpa. Os dados multidimensionais de capacitância diferencial da dupla camada elétrica (Cd) obtidos pelo sensor foram confirmados através de medidas macroscópicas de capacitância e análises por métodos de microscopia e espectroscopia. O sensor foi utilizado na classificação e multideterminação de misturas de três íons Ba2+, Ca2+ e Cl-. O tratamento estatístico dos dados foi realizado por técnicas de ML supervisionadas que podem ser: mínimos quadrados parciais (PLS), árvores aleatórias (RF), análise de discriminante linear (LDA), SISSO (Sure Independence Screening and Sparsifying Operator), entre outras. A aplicação do SISSO possibilitou modelagem simples e linear dos dados e selecionou apenas 2 dados de Cd (em frequências distintas) que foram associadas ao carregamento iônico da solução na dupla-camada elétrica e do material do eletrodo. A acurácia da classificação nas amostras de validação foi de 100, 0%. As regressões empregadas para a multideterminação apresentaram alta correlação em toda a faixa de concentração de íons metálicos estudada (R2> 0, 9996), com acurácia de 100, 0%.

[0027] Deve ser notado que, apesar de a presente invenção ter sido descrita com relação aos desenhos em anexo, esta poderá sofrer modificações e adaptações pelos técnicos versados no assunto, dependendo da situação específica, mas desde que dentro do escopo inventivo aqui definido.

Claims (9)

1. SISTEMA MICROFLUÍDICO PORTÁTIL PARA ANÁLISES EM AMOSTRAS DE PETRÓLEO, caracterizado por compreender uma língua eletrônica, um potenciostato (que pode também ser controlado por um smartphone), chips microfluídicos (sistema de extração) e bombas seringas, em que as sondas são inseridas nos dois lados dos canais do sensor microfluídico.
2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos chips microfluídicos tanto de extração líquido-líquido quanto o da língua eletrônica serem construídos pelos métodos de polimerização e remoção de scaffold (PSR, polymerization and scaffold removal), litografia macia e tecnologias de impressão 3D.
3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelos polímeros serem à base de silicone ou termoplásticos e resinas epóxi ou acrílicas.
4. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo sensor obtido pelo método PSR, as sondas serem capilares de aço inoxidável.
5. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas sondas apresentarem espaçamento de 200 μm entre elas.
6. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelos capilares serem curto-circuitados com peças de cobre obtendo-se uma associação de capacitores em paralelo.
7. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por mangueiras de poli(cloreto de vinil) conectarem os capilares uns aos outros para completar o circuito microfluídico.
8. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos sensores microfluídicos possuírem de quatro ou oito pares de capacitores em paralelo.
9. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo sensor obtido por litografia macia, os capacitores planos interdigitados de ouro serem depositados em placas de vidro por técnicas de evaporação física em fase vapor.