Subject Areas :
1 -
Keywords:
Abstract :
|
|
شاپا چاپی: 9228-2008 شاپا الکترونیکی: 7264-2423
مقاله پژوهشی
بررسی آزمایشگاهی تعیین نقش نانو ذرات بر روی عملکرد گل حفاری پایه آبی در حین حفاری یک سازند نفتی در جنوب ایران
عبدالرضا عیدی‌وندی
گروه فنی و مهندسی، مرکز تحقیقات نفت و انرژی، واحد امیدیه، دانشگاه آزاد اسلامی، امیدیه، ایران
چکیده استفاده از نانو ذرات می‌تواند به عنوان روشی مؤثر در بهبود عملکرد خواص گل حفاری نقش داشته باشند. ذرات نانو، با ویژگی‌های منحصر به فرد در حوزه‌های مختلفی از جمله مکانیکی، شیمیایی، حرارتی و مغناطیسی، به دلیل این ویژگی‌ها عملکرد بهتری نسبت به مواد میکرو و ماکرو معمولی در بسیاری از کاربردهای میدان نفت و گاز دارند. به علت ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی منحصر به فرد آن‌ها، ذرات نانو به عنوان گزینه‌ای عالی برای فرمولاسیون سیال‌های حفاری هوشمند مطرح می‌شوند. این سیال‌ها خواص رئولوژیکی و فیلتراسیون بهینه را فراهم می‌کنند.در این تحقیق از نانو ذرات گرافن به منظور بهبود خواص رئولوژیکی و شیمیایی گل حفاری استفاده شده است. نتایج حاصل از آزمایش‌های انجام شده نشان می‌دهد که پارامترهای K و n تابعی از غلظت ذرات نانو می‌باشند به طوری که با افزایش غلظت نانو این دو پارامتر به ترتیب افزایش و کاهش می‌یابند. گل نانو پلیمری با 4/0 درصد وزنی مناسب‌ترین عملکرد را برای پارامترهای K و n دارد به طوری که مقدار K را حدوداً 28 درصد و مقدارn را 38 درصد بهبود می‌بخشد. اضافه کردن نانوذرات به مقدار 4/0 درصد وزنی به گل پایه پلیمری مرجع، موجب افزایش هدایت الکتریکی تا حدود 54 درصد می‌شود.
|
از دستگاه خود برای اسکن و خواندن مقاله به صورت آنلاین استفاده کنید
واژههای کلیدی: نانو ذرات، گل حفاری پایه آبی، بهبود عملکرد
|
مقدمه
عملیات حفاری یکی از پرهزینه‌ترین و پیچیده‌ترین فعالیت‌های موجود در صنعت نفت و گاز می‌باشد. از این‌رو بهینه‌سازی این عملیات از جمله فعالیت‌های مهم و اساسی مهندسین حفار می‌باشد. یکی از عواملی که در سرنوشت یک عملیات حفاری نقش مؤثر دارد استفاده از گل حفاری با خصوصیات کارآمد می‌باشد. گل حفاری به دلیل نقش مؤثری که در عملکرد عملیات حفاری دارد از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌باشد. بطور کلی گل حفاری دارای ویژگی‌های اساسی بی‌شماری می‌باشد که از این بین می‌توان به انتقال خرده‌های حفاری در حین عملیات حفاری به سطح، خنک‌کاری و تمیزکاری مته حفاری، پاک‌سازی دهانه چاه در حین حفاری، معلق نگه داشتن خرده‌های حفاری در حین توقف حفاری و جلوگیری از فوران چاه اشاره نمود. از این‌رو شناخت عوامل تاثیرگذار بر روی خواص گل حفاری در حین عملیات حفاری از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌باشد. خواص گل حفاری از قبیل ویسکوزیته پلاستیکی، قدرت ژله‌ای شدن، نقطه تسلیم و هدایت حراراتی گل حفاری از جمله عواملی می‌باشند که ضعف و یا قوت گل حفاری تاثیر مستقیمی بر روی این خواص دارند. از این‌رو استفاده از گل حفاری اصلاح شده می‌تواند منجر به موفقیت بیشتر گل حفاری در پیشبرد اهداف مهندسین حفاری بینجامد[1-3].
استفاده از نانو ذرات می‌تواند به عنوان روشی مؤثر در بهبود عملکرد خواص گل حفاری نقش داشته باشند. ذرات نانو، با ویژگی‌های منحصر به فرد در حوزه‌های مختلفی از جمله مکانیکی، شیمیایی، حرارتی و مغناطیسی، به دلیل این ویژگی‌ها عملکرد بهتری نسبت به مواد میکرو و ماکرو معمولی در بسیاری از کاربردهای میدان نفت و گاز دارند. به علت ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی منحصر به فرد آن‌ها، ذرات نانو به عنوان گزینه‌ای عالی برای فرمولاسیون سیال‌های حفاری هوشمند مطرح می‌شوند. این سیال‌ها خواص رئولوژیکی و فیلتراسیون بهینه را فراهم می‌کنند. در این تحقیق استفاده از نانوذرات گرافن مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج حاصل از آن نیز می‌تواند در بهینه‌سازی خواص گل حفاری مورد استفاده قرار گیرند [4-۵].
مبانی نظری
با وجود اینکه سیالات حفاری مزایای زیادی برای فرآیند حفاری دارند، اما فشار بالای این سیالات می‌تواند منجر به ورود آن‌ها به درون سازندهای سنگی تراوا شود و این می‌تواند باعث کاهش تولید و مشکلاتی برای فرآیند حفاری شود. برای جلوگیری از این مشکلات، موادی به سیالات حفاری افزوده می‌شود تا با تشکیل فیلتر کیکی ناتروا، منافذ سازند را مسدود سازند. این فیلتر کیک‌ها بر روی سطح سازند قرار می‌گیرند و خواصی مانند ضخامت، سختی، یکدست بودن و تراوایی کیک بسیار مهم هستند.
تشکیل یک کیک نامناسب می‌تواند مشکلات زیادی را در حفاری ایجاد کند، بنابراین انتخاب و استفاده از فیلتر کیک مناسب برای حفاری بسیار حیاتی است. این فیلتر کیک‌ها به عنوان باقی‌مانده‌های ته نشین شده گل حفاری عمل می‌کنند و باعث مسدود شدن منافذ سازند می‌شوند. به طور کلی، استفاده از فیلتر کیک‌ها برای کنترل و مدیریت سیالات حفاری در فرآیند حفاری بسیار اهمیت دارد. این فیلتر کیک‌ها به عنوان یک پوشش محافظ بر روی سطح سازند عمل می‌کنند و باعث جلوگیری از ورود سیالات حفاری به درون سازند می‌شوند. بنابراین، انتخاب و استفاده از فیلتر کیک مناسب با خواص مورد نیاز برای هر نوع سازند و شرایط حفاری، از اهمیت بالایی برخوردار است.
افزودنی‌های مختلفی مانند بنتونیت، سلولز، پلیمرها، آسفالت و کربنات کلسیم به فیلتر کیک اضافه می‌شوند تا خواص و عملکرد آن بهبود یابد. در برخی موارد، زمانی که میزان تولید نفت یا گاز پایین است، فیلتر کیک ممکن است ضعیف باشد و نتواند به خوبی سیال حفاری را تصفیه کند. به همین دلیل، لازم است که فیلتر کیک به‌طور کامل ناتراوا باشد تا از یک سیال حفاری ناخالص جلوگیری کند. از طرفی، فیلتر کیک ضخیم نیز می‌تواند باعث تنگ شدن فضای بین لوله حفاری و دیواره چاه شود که ممکن است جریان سیال حفاری را مختل کند. همچنین، اگر فیلتر کیک تشکیل شده نتواند از ورود سیال حفاری به داخل سازندهای سنگی با تراوایی بالا جلوگیری کند، ممکن است جریان سیال حفاری به داخل این سازندها مسدود شود که منجر به گیر کردن لوله حفاری می‌شود.
برای رفع این مشکلات، افزودنی‌هایی مانند باریت برای افزایش دانسیته سیال حفاری استفاده می‌شود تا فشار هیدرواستاتیکی لازم در اعماق چاه فراهم شود. افزایش دانسیته گل حفاری همچنین می‌تواند از نفوذ سیالات از سازند به داخل چاه جلوگیری کند و از تخریب چاه در نتیجه فشار بالای حین حفاری جلوگیری کند. استفاده از افزودنی‌های مناسب و بهینه‌سازی فیلتر کیک می‌تواند به بهبود عملکرد و کارایی عملیات حفاری کمک کند. از این رو، انتخاب و استفاده از افزودنی‌های مناسب و تنظیم دقیق غلظت و نسبت آن‌ها در فیلتر کیک از اهمیت بالایی برخوردار است تا از مشکلاتی همچون گیر کردن لوله حفاری، تنگ شدن فضای بین لوله و چاه و نفوذ ناخالصی سیال حفاری جلوگیری شود[6].
برای افزایش کارایی و کیفیت حفاری، استفاده از این افزودنی‌ها ضروری است. از طرفی، توجه به انتخاب و استفاده صحیح از افزودنی‌های مطلوب نیز امری حیاتی است تا عملکرد حفاری بهینه شود و هزینه‌های احتمالی کاهش یابد. بنابراین، تحقیقات و آزمایشات دقیق در زمینه انتخاب و استفاده از افزودنی‌های گل حفاری اهمیت بسزایی دارند.
فناوری نانو به عنوان یکی از فناوری‌های پیشرفته و نوین در عالم علم و صنعت شناخته می‌شود که به کار با ابعاد نانومتری اشاره دارد. این فناوری امکان دستکاری و کنترل دقیق بر روی اتم‌ها و مولکول‌ها را فراهم می‌کند و برای تولید مواد و وسایل با خواص منحصر به فرد و کارایی بالا استفاده می‌شود. از سال 1959 که ایده فناوری نانو توسط ریچارد فاینمن مطرح شد، تا امروز این حوزه به یکی از پررنگ‌ترین و مهم‌ترین حوزه‌های تحقیقاتی تبدیل شده است. از تکنولوژی‌های نانو در زمینه‌های مختلفی مانند الکترونیک، پزشکی، محیط زیست و صنایع مختلف استفاده می‌شود. به عنوان مثال، در صنعت نفت، فناوری نانو از اکتشاف تا قبل از مرحله پالایشگاه مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فناوری نه تنها امکان تولید مواد با خواص مطلوب را فراهم می‌کند، بلکه امکان بهبود خواص مواد موجود نیز را فراهم می‌سازد. با پیشرفت روزافزون فناوری نانو، انتظار می‌رود که این روند تحولی با سرعت بیشتری ادامه یابد و بهبود‌های بیشتری در صنایع مختلف به ارمغان آورد. این فناوری نه تنها به عنوان یک ابزار علمی، بلکه به عنوان یک راهکار صنعتی نیز برای حل مشکلات پیش رو به‌کار گرفته می‌شود.
کاربرد نانوذرات در عملیات حفاری
برای دستیابی به سیال مخزن، فرایند حفاری چاه‌ها از سطح زمین تا مخزن نفت و گاز بسیار ضروری است. یکی از مراحل این فرآیند، استفاده از گل حفاری و سیستم گردش گل است. گل حفاری به عنوان یک سیال، از درون لوله‌های رشته حفاری به پمپ منتقل می‌شود، سپس از سوراخ‌های مته خارج شده و نهایتاً کنده‌های حفاری را به سطح حمل می‌کند. این سیال باید خواص رئولوژیک، چگالی و ویسکوزیته مناسبی داشته باشد تا بتواند کنده‌های حفاری را به سطح حمل کند و از قابلیت انتقال توان هیدرولیکی پمپ‌ها برخوردار باشد[7].
برای انجام این فرآیند به بهترین شکل ممکن، لازم است که از تجهیزات و مواد با کیفیت و استاندارد استفاده شود. همچنین، تجربه و مهارت حفاران نیز بسیار حیاتی است تا بهترین نتیجه را بتوان به دست آورد. در این فرآیند، انتخاب گل حفاری مناسب نیز امری حیاتی است. باید مطمئن شویم که گل حفاری انتخابی، توانایی حمل کنده‌های حفاری را دارد و از ویژگی‌های لازم برای انجام این کار را داراست. همچنین، باید توجه داشت که گل حفاری باید بتواند با شرایط مختلفی که در فرآیند حفاری ممکن است رو به رو شویم، سازگاری داشته باشد. به طور کلی، فرآیند حفاری چاه‌ها یک فرایند پیچیده و حساس است که نیازمند دقت، دانش و تجربه است. از این رو، اهمیت انتخاب تجهیزات و مواد مناسب و همچنین تجربه حفاران بسیار بالا است تا بتوان به بهترین نتیجه ممکن دست یافت.
با استفاده از نانوموادها، می‌توان بهبود‌های قابل توجهی در خواص گل حفاری داشت[8]. از جمله این بهبود‌ها می‌توان به افزایش تراکم‌پذیری، جلوگیری از هرزروی، و افزایش خاصیت تیکسوتروپیک اشاره کرد. همچنین، این مواد می‌توانند قابلیت عبور سیگنال را نیز افزایش دهند، که بیشترین تأثیر را در انتقال داده‌ها از طریق گل حفاری دارد. برای استفاده بهینه از خواص نانوموادها، لازم است که به تحقیقات و بررسی‌های دقیق در این زمینه توجه شود. تیم‌های تحقیقاتی و توسعه دهنده‌ها باید با دقت و حوصله به تولید و استفاده از این مواد بپردازند تا بتوانند از تمامی مزایای این فناوری بهره‌مند شوند.
گرافن یکی از مواد نانوساختار کربنی است که در صنایع حفاری چاه به کار می‌رود. واحد‌های گرافن، به عنوان نانوگرافن نیز شناخته می‌شوند، که برای کاربردهای ویژه تولید می‌شوند. این ماده دارای ویژگی‌های منحصر به فردی است که می‌تواند بهبود مؤثری در عملکرد چاه‌های نفتی و گازی ایجاد کند. از جمله مزایای استفاده از گرافن می‌توان به کاهش هرزروی سیال، افزایش پایداری چاه، بهبود خواص الکتریکی و دی‌الکتریکی گل حفاری، کاهش میزان گل‌گرفتگی مته و افزایش خواص رئولوژیکی سیال اشاره کرد. این مواد نه تنها به بهبود عملکرد چاه‌ها کمک می‌کنند، بلکه به کاهش هزینه‌ها و افزایش بهره‌وری نیز کمک می‌کنند. این تحقیقات نشان داده است که گرافن می‌تواند به عنوان یک راهکار نوین و مؤثر برای بهبود فرآیند حفاری و استخراج نفت و گاز مورد استفاده قرار گیرد.
روش پژوهش
مواد شيميايي مورد نیاز
در ساخت نمونه‌های سیال حفاری، استفاده از مواد شیمیایی بسیار حائز اهمیت است. به منظور حفظ پایداری چاه، نمک به گل حفاری افزوده می‌شود. سازندهایی که شیل دارند ممکن است با جذب آب موجود در گل حفاری متورم شوند که می‌تواند باعث گیر کردن لوله ها و افزایش گشتاور شود. بنابراین، افزودن نمک به گل حفاری و کاهش فعالیت آب برای جلوگیری از متورم شدن سازند ضروری است. از این رو، توجه به این نکته حیاتی است که مواد شیمیایی به درستی مورد استفاده قرار گیرند تا مشکلاتی همچون متورم شدن سازند و گیر کردن لوله ها را به حداقل برسانند. این موضوع نشان از اهمیت انتخاب درست مواد شیمیایی در صنعت حفاری دارد. در جدول شماره (1) مواد شیمیایی مورد نیاز جهت ساخت نمونه‌های سیال حفاری آورده شده است.
جدول1- مواد شیمیایی مورد نیاز
ماده شیمیایی | مقدار ماده | کاربرد |
KCl | 20 پوند | وزن افزا، بازدارنده شیل |
XC Polymer | 5/1 پوند | کنترل گرانروی و عامل تعلیق‌ساز |
Low Viscous PAC | 1 پوند | کنترل فیلتراسیون، ویسکوزیفایر |
PHPA | 75/0 پوند | جلوگیری از تورم شیل |
Starch Green | 2 پوند | کنترل هرزروی |
KOH for Ph | عدد Ph (5/9) | کنترل ph |
مدل رئولوژیکی مورد استفاده
در این تحقیق از مدل رئولوژیکی پاورلا استفاده شده است.
(رابطه 1) 
(رابطه 2) 
(رابطه 3) 
چنانچه رابطه (3) را بر روی لگاریتمی ترسم نماییم، شیب نمودار حاصل، مقدار n و عرض از مبدا K خواهد بود.
روش آزمایش
در ابتدای آزمایش و به منظور ایجاد خاصیت اسیدیته به در حدود 5/9 الی 10 برای سیال، به آب دی‌یونیزه در دمای 25 درجه سانتی‌گراد، هیدروکسید پتاسیم اضافه می‌گردد. به منظور جلوگیری از تخمیر زانتان‌گام، 1/0 درصد وزنی پارافرمالدهید به عنوان یک ماده ضد باکتری به مایع اضافه می‌گردد. سپس پودر نانودر مقادیر مختلف (1/0 و2/0، 4/0 و 8/0) به محلول مود نظر اضافه شده و به منظور ایجاد پایداری و پراکندگی ذرات، این محلول را به مدت 75 دقیقه در دستگاه اولتراسونیک قرار خواهیم داد. پس از آن مقداری نمک کلرید پتاسیم برای کنترل Ph، 5/1 پوند پلیمر زانتان‌گام جهت افزایش ویسکوزیته، 5/1 پوند پلی آنیونیک سلولز جهت کنترل صافاب گل و 75/0 پوند پلی‌آکریل‌آمید نیمه هیدرولیز شده به منظور جلوگیری از تجمع ذرات به سیال مورد نظر اضافه می‌شود. بایستی دقت نمود که تمامی این مواد بایستی به ترتیبی که گفته شد به سیال اضافه شوند و در هر مرحله به خوبی با همزن به هم زده تا از کلوخه‌ای شدن آن‌ها جلوگیری بعمل آید. پس از آماده‌سازی گل پلیمری حاوی نانو ذرات، با کمک حمام لوشاتلیه نمونه ها را تا دماهای 25، 45، 65 و 85 درجه سانتی‌گراد گرم می‌نماییم. در ادامه آزمایش‌ها، ابتدا ویسکوزیته سیال در دمای 85 درجه را توسط دستگاه بروکفیلد و با نرخ‌های برشی متفاوت (1.10.100.100) قرائت نموده و سپس همین کار را برای سایر دماها نیز انجام می‌دهیم.
تجزیه و تحلیل
تجزیه و تحلیل نتایج رئولوژی گل‌های حفاری مختلف
1- سیال پایه پلیمری بدون ذرات نانو در دماهای مختلف
در این سناریو، سیال پایه پلیمری بدون استفاده از نانوذرات در دماهای مختلف مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از دستگاه ویسکومتر بروکفیلد، ویسکوزیته این سیال در دماهای 25، 45، 65 و 85 درجه سانتی‌گراد اندازه گیری شد و نمودارهای log-log ترسیم شدند. نتایج بدست آمده از این آزمایش‌ها نشان می‌دهد که با افزایش دما، ویسکوزیته سیال کاهش یافت. این امر به دلیل افزایش فاصله بین مولکول‌ها در مایعات است که با افزایش دما، نیروی چسبندگی بین مولکول‌ها کاهش می‌یابد و در نتیجه گرانروی کاهش می‌یابد.
در این تجربه، دو نمودار به دلیل ناپایداری گل پلیمری در دماهای بالا، از هم جدا می‌شوند. ضریب تصحیح R2 نیز به نزدیکی به 1 نشان می‌دهد که رئولوژی سیال به خوبی با مدل پاور لاو توصیف می‌شود. با استفاده از رگرسیون خطی، معادله خط برای محاسبه شیب خط (n) و عرض از مبدا (K) به دست آمده است.
با توجه به اینکه نمودار log-log است، مقادیر K را به توان 10 می‌رسانیم. این تجربه نشان می‌دهد که با افزایش دما، خواص رئولوژیکی سیال تغییر می‌کند و می‌توان با استفاده از مدل پاور لاو این تغییرات را به خوبی توصیف کرد.
شکل 2.گل پایه پلیمری بدون نانو (دماهای 25 و 45 درجه سانتی‌گراد) شکل3.گل پایه پلیمری بدون نانو (دماهای 65 و 85 درجه سانتی‌گراد)
جدول 2- نتایج تست شماره (1)
دما | N | K |
25 | 2895/0 | 3/1863 |
45 | 3341/0 | 4/1373 |
65 | 3852/0 | 7/1075 |
85 | 4627/0 | 1/603 |
2- سیال پایه پلیمری با 1/0 درصد وزنی ذرات نانو در دماهای مختلف
در این مرحله از تحقیقات، با اضافه کردن مقادیر مختلف نانو به گل پلیمری در دماهای مختلف، تاثیر آن بر ویسکوزیته مورد بررسی قرار گرفته است. به عنوان مثال، از نمودارهای (4) و (5) مشخص است که افزودن مقادیر کمی نانو باعث افزایش نزدیکی دو نمودار به یکدیگر می‌شود. این نتایج نشان می‌دهند که نانو به عنوان یک پایدار‌کننده ویسکوزیته عمل کرده و تاثیر مثبتی بر رفتار گل پلیمری داشته است.
شکل4- گل پایه پلیمری با 1/0 درصد وزنی نانو (دماهای 25 و 45) شکل 5-گل پایه پلیمری با 1/0 درصد وزنی نانو (دماهای 65 و 85)
جدول 2- نتایج تست شماره (2)
دما | N | K |
25 | 2787/0 | 8/2149 |
45 | 3081/0 | 1/1793 |
65 | 3282/0 | 1/1517 |
85 | 3508/0 | 9/1256 |
3- سیال پایه پلیمری با 2/0 درصد وزنی ذرات نانو در دماهای مختلف
شکل 6- گل پایه پلیمری با 2/0 درصد وزنی نانو (دماهای 25 و 45) شکل7- گل پایه پلیمری با 2/0 درصد وزنی نانو (دماهای 65 و 85)
جدول 3- نتایج تست شماره (3)
دما | N | K |
25 | 2692/0 | 9/2394 |
45 | 2988/0 | 6/1830 |
65 | 3252/0 | 7/1547 |
85 | 3560/0 | 8/1376 |
4- سیال پایه پلیمری با 4/0 درصد وزنی ذرات نانو در دماهای مختلف
شکل 8-گل پایه پلیمری با 4/0 درصد وزنی نانو (دماهای 25 و 45) شکل 9- گل پایه پلیمری با 4/0 درصد وزنی نانو (دماهای 65 و 85)
جدول 4- نتایج تست شماره (4)
دما | N | K |
25 | 2776/0 | 4/2477 |
45 | 2996/0 | 6/1864 |
65 | 3268/0 | 1/1580 |
85 | 3506/0 | 7/1415 |
5- سیال پایه پلیمری با 4/0 درصد وزنی ذرات نانو در دماهای مختلف
شکل 10- گل پایه پلیمری با 8/0 درصد وزنی نانو (دماهای 25 و 45) شکل 11- گل پایه پلیمری با 8/0 درصد وزنی نانو (دماهای 65 و 85)
جدول 5- نتایج تست شماره (5)
دما | N | K |
25 | 2475/0 | 6/2449 |
45 | 2867/0 | 9/1966 |
65 | 3060/0 | 3/1597 |
85 | 3423/0 | 4/1444 |
تجزیه و تحلیل تاثیر غلظت نانو بر ویسکوزیته سیال در دماهای مختلف
در نمودارهای (12) تا (15) تاثیر نانو ذرات بر سیالات حفاری در دماهای مختلف مورد بررسی قرار گرفت. با افزایش دما، گل پلیمری (بدون نانو) رفتار ناپایداری از خود نشان می‌دهد. اما گل نانو پلیمری با افزایش دما عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهد و تغییرات ویسکوزیته کمتری دارد که قابل قبول است. این نشان می‌دهد که نانوذرات می‌توانند بهبودی مهمی در رفتار گل پلیمری داشته باشند.
شکل 12- تاثیر غلظت نانو بر ویسکوزیته سیال در دمای 25 درجه سانتی‌گراد شکل 13- تاثیر غلظت نانو بر ویسکوزیته سیال در دمای 45 درجه سانتی‌گراد
شکل 14- تاثیر غلظت نانو بر ویسکوزیته سیال در دمای 65 درجه سانتی‌گراد شکل15-تاثیر غلظت نانو بر ویسکوزیته سیال در دمای 85 درجه سانتی‌گراد
تجزیه و تحلیل تاثیر غلظت نانو بر روی فاکتور K
با افزودن نانو به فرمولاسیون، تغییرات در مقدار K کاهش می‌یابد و با افزایش دما، این تغییرات بهبود می‌یابد. این نشان می‌دهد که استفاده از نانوها می‌تواند بهبود قابل توجهی در عملکرد فرمولاسیون ایجاد کند. در نظر گرفتن جنبه‌های اقتصادی و مقرون به صرفه بودن این روش، اهمیت بالایی دارد. این موضوع نشان دهنده اهمیت و کاربردی بودن استفاده از نانوها در فرمولاسیون‌های صنعتی است.
با توجه به جدول شماره (5) و نمودار شماره (17) می‌توان مشاهده نمود که تغییرات K نسبت به شرایط مرجع (گل پایه بدون نانوذرات و در دمای 25 درجه سانتی‌گراد) نسبت به همان گل پایه در دمای 85 درجه سانتی‌گراد، تقریباً 68 درصد می‌باشد و این در حالی است که در صورت افزودن نانوذرات به مقدار 8/0 درصد وزنی و در دمای 85 درجه سانتی‌گراد، این تغییرات در حدود 40 درصد است. بنابراین می‌توان گفت که با افزودن نانوذرات به گل پایه پلیمری، تغییرات K در حدود 28 درصد بهبود یافته است. البته بایستی شرایط اقتصادی و مقرون به صرفه بودن نیز در نظر گرفته شود. از طرفی تغییرات K در گل پایه پلیمری به همراه ذرات نانو به میزان 4/0 درصد وزنی و دمای 85 درجه سانتی‌گراد، تقریباً 43 درصد است و عملکرد مشابه با مقادیر بالاتر دارد بنابراین نی‌توان گفت که با افزایش دما، عملکرد نانوذرات نیز بهتر خواهد بود.
شکل16- تاثیر غلظت نانو بر روی فاکتور K شکل 17-تغییرات در K با توجه به شرایط مرجع
جدول 6- تغییرات در K با توجه به شرایط مرجع
تغییرات درK با توجه به شرایط مرجع (Wt=0% , T=25 ( بر حسب درصد | ||||||
Wt=0.8% | Wt=0.4% | Wt=0.2% | Wt=0.1 % | Wt=0.0% | دما | |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 25 | |
19.7 | 24.7 | 23.5 | 16.5 | 26.2 | 45 | |
34.7 | 36.2 | 35.3 | 29.4 | 42.2 | 65 | |
41.1 | 42.8 | 42.5 | 35.3 | 67.6 | 85 | |
تجزیه و تحلیل تاثیر غلظت نانو بر روی فاکتور n
مطابق نمودار شماره (18)، با افزایش دما مقدار n کاهش می‌یابد. این تغییرات البته که در گل پلیمری پایه بسیار نامتعارف و بالاست. این در حالی است که تغییرات n در سیال پلیمری که به آن نانو ذرات اضافه شده است، بسیار کمتر است. در جدول شماره (6) مشاهده می‌گردد که تغییرات گل پایه پلیمری مرجع در دمای 85 درجه سانتی‌گراد برابر با 60 درصد می‌باشد در حالی که تغییراتn در همین دمای 85 درجه سانتی‌گراد و در گل پلیمری با 8/0 درصد وزنی نانو ذرات حدوداً 38 درصد است. یعنی عملکرد n در سیال نانو و دمای 85 درجه سانتی‌گراد تقریباً 21 درصد بهبود یافته است. بهتر کرده است.
شکل 18- تاثیر غلظت نانو بر روی فاکتور n شکل 19- تغییرات در n با توجه به شرایط مرجع
جدول 6- تغییرات در K با توجه به شرایط مرجع
تغییرات درn با توجه به شرایط مرجع (Wt=0% , T=25 ( بر حسب درصد | ||||||
Wt=0.8% | Wt=0.4% | Wt=0.2% | Wt=0.1 % | Wt=0.0% | دما | |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 25 | |
15.8 | 7.9 | 10.9 | 10.5 | 15.4 | 45 | |
23.6 | 17.7 | 20.8 | 17.7 | 33.1 | 65 | |
38.3 | 26.2 | 32.2 | 25.8 | 59.8 | 85 | |
نتیجه‌گیری
گل‌های پلیمری با افزودن نانوذرات، بهبود قابل ملاحظه‌ای در خواص رئولوژی خود داشته و در دماهای بالا پایداری بیشتری ارائه می‌دهند. این اقدام، باعث کاهش اشتباهات نمودار گیری و افزایش کارایی گل حفاری در شرایط دشوار می‌شود. استفاده از مدل پاورلاو نیز برای ارزیابی خواص رئولوژی سیالات بسیار موثر است. با افزایش غلظت نانوذرات در گل پلیمری، می‌توان خواص رئولوژی مناسبی را برای حفاری در دماهای بالا فراهم کرد.
1-پارامترهایK وn تابعی از غلظت ذرات نانو می‌باشند به طوری که با افزایش غلظت نانو این دو پارامتر به ترتیب افزایش و کاهش می‌یابند.
2-گل نانو پلیمری با 4/0 درصد وزنی مناسب‌ترین عملکرد را برای پارامترهایK وn دارد به طوری که مقدار K را حدوداً 28 درصد و مقدارn را 38 درصد بهبود می‌بخشد.
3-اضافه کردن نانوذرات به مقدار 4/0 درصد وزنی به گل پایه پلیمری مرجع، موجب افزایش هدایت الکتریکی تا حدود 54 درصد می‌شود.
4- با استفاده از دو پارامتر n و K در مدل پاور لاو می‌توان رفتار رئولوژیکی گل حفاری را توضیح داد. به طوری که هنگامی که این دو پارامتر بر خلاف یکدیگر عمل می‌کنند، عامل کنترل‌کننده اثرات رئولوژیکی و تغییرات ویسکوزیته بر پارامتر K قالب خواهد بود..
Referenc
1. Beg OA, Espinoza DS, Kadir A, Shamshuddin MD, Sohail A. Experimental study of improved rheology and lubricity of drilling fluids enhanced with nano-particles. Appl Nanosci 2018:1e22.
2. Ghasemi N, Mirzaee M, Aghayari R, Maddah H. Investigating created properties of nanoparticles based drilling mud. Heat Mass Transf 2018;54(5):1381e93.
3. Ponmani S, Nagarajan R, Sangwai JS. Effect of nanofluids of CuO and ZnO in polyethylene glycol and polyvinylpyrrolidone on the thermal, electrical, and filtration-loss properties of water-based drilling fluids. SPE J 2016;21(2):405e15.
4. Novara R, Rafati R, Haddad A. Rheological and filtration property evaluations of the nano-based muds for drilling applications in low temperature environments. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021; 622.
5. Esfandiari Bayat A, Harati S, Kolivand H. Evaluation of rheological and filtration properties of a polymeric water-based drilling mud in presence of nano additives at various temperatures. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021; 627.
6. Herschel, W.H.E., Bulkley, R, Measurement of Consistency as Applied to Rubber-Benzene Solutions. American Society for Testing And Materials, 1926. 26: p. 621-633.
7. M. Hojjat, S.Gh. Etemad, R. Bagheri, and J. Thibault, "Rheological characteristics of non-Newtonian nanofluids”, 2011
8. Roozbeh Mollaabbasi , Seyed Hossein Noie Baghban , Saeed Zeinali Heris , Experimental Investigation of the Effect Exerted by NANOPARTICLES ON THE HEAT TRANSFER COEFFICIENT OF HERSCHEL−BULKLEY FLUIDS , Heat Transfer Research , Volume ( 45 ) , 2014-10, Pages 485-505
