بررسی اثر نانوذرات گرافن-سیلیکا بر خواص رئولوژیکی و ترموفیزیکی سیال حفاری پایه آبی

محورهای موضوعی : یافته های نوین کاربردی و محاسباتی در سیستم های مکانیکی

محمد غلامحسین زاده ¹ , اشکان غفوری ²

1 - دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران
2 - گروه مهندسی مکانیک، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران

تاریخ دریافت : 1400/03/02 تاریخ پذیرش : 1400/03/15 تاریخ انتشار : 1400/03/01

کلید واژه: نانو ذرات, ضریب هدایت حرارتی, خواص رئولوژی, گل حفاری پایه آبی,

چکیده مقاله :

گل حفاری یکی از مهمترین و اساسی ترین ملزومات عملیات حفاری چاه های نفتی و گازی است. بهینه سازی خواص سیال حفاری منجر به کاهش زمان و هزینه های حفاری می‌شود. گل حفاری پایه آبی یکی از انواع سیال حفاری است که بدلیل سازگاری با محیط زیست بصورت عمده در عملیات حفاری چاه ها کاربرد دارد. در این پژوهش به منظور بالا بردن بازدهی این نوع سیال حفاری از نانو ذرات گرافن و سیلیکون اکسید به نسبت وزنی برابر در گل حفاری پایه آبی استفاده شده است. این پژوهش به بررسی اثر غلظت های مختلف (۲۵/۰، ۵/۰، ۷۵/۰ و ۱ درصد کسر حجمی) این نانوذرات بر خواص مختلف سیال حفاری از قبیل گرانروی پلاستیکی، نقطه واروی، استحکام ژله ای ۱۰ دقیقه و ۱۰ ثانیه، حجم صافاب گل و ضریب هدایت حرارتی پرداخته است. تمامی آزمایشات خواص رئولوژیکی بر پایه استاندارد (API RP 13B) انجام شده است. از روش سیم داغ گذرا برای تعیین ضریب هدایت حرارتی سیال استفاده شده است. نتایج نشان می دهد افزایش نانوذرات تاثیر بسزایی بر خواص رئولوژیکی و ترموفیزیکی گل حفاری پایه آبی داشته و سبب کاهش ویسکوزیته پلاستیک (15 درصد)، کاهش حجم صافاب (25 درصد) و استحکام ژله ای و همچنین افزایش ضریب هدایت حرارتی به میزان 16 درصد در کسر حجمی 1 درصد می گردد.

چکیده انگلیسی:

Drilling mud is one of the most important and basic requirements for drilling oil and gas wells. Optimization of drilling fluid properties leads to reduce drilling time and costs. Water-based drilling mud is one type of drilling fluid that is mainly used in drilling wells due to its environmental compatibility. In this research, in order to increase the efficiency of this type of drilling fluid, graphene and silicon oxide nanoparticles in equal weight ratio in water-based drilling mud have been used. This study investigates the effect of different concentrations (0.25, 0.5, 0.75 and 1% volume fraction) of these nanoparticles on different properties of drilling fluid such as plastic viscosity, yield point, gel strength of 10 minutes and 10 seconds, circulation loss of the samples and the coefficient of thermal conductivity are discussed. All rheological properties tests are performed according to the standard (API RP 13B). The transient hot wire method has been used to determine the thermal conductivity of the fluid. The results show that the increase of nanoparticles has a significant effect on the rheological and thermo-physical properties of water-based drilling mud and reduces plastic viscosity (15%), decreases circulation loss of the samples (25%) and gel strength and also increases the thermal conductivity by 16% in the volume fraction of 1%.

منابع و مأخذ:

1. Bourgoyne, A.T., Millheim, K.K., Chenevert, M.E., Young, J.R., (2016), Applied drilling engineering, Vol 2, Society of Petroleum Engineering, Inc, Richardson, TX, USA, 502.


2. Fazelabdolabadi, B., Khodadadi, A. A., Sedaghatzadeh, M., (2015), Thermal and rheological properties improvement of drilling fluids using functionalized carbon nanotubes, Applied Nanoscience, 5(6), pp 651-659.


3. Smalley, R. E., Yakobson, B. I., (1998), The future of the fullerenes. Solid state communications, 107(1), pp 597-606.


4. Zhou, W., Heiney, P. A., Fan, H., Smalley, R. E., Fischer, J. E., (2005), Single-walled carbon nanotube-templated crystallization of H2SO4: Direct evidence for protonation. Journal of the American Chemical Society, 127(6), pp 1640-1641.


5. Friedheim, J. E., Young, S., De Stefano, G., Lee, J., Guo, Q., (2012), Nanotechnology for oilfield applications-hype or reality, SPE international oilfield nanotechnology conference and exhibition. Society of Petroleum Engineers.


6. Duangthongsuk, W., Wongwise, S., (2009), Measurement of temperature-dependent thermal conductivity and viscosity of TiO2-water nanofluids, Experimental thermal and fluid science, 33(4), pp 706-714.


7. Kim, S. H., Choi, S. R., Kim, O., (2007),  Thermal conductivity of metal-oxide nanofluids: particle size dependence and effect of laser irradiation, pp 298-307.


8. Xie, H., Wang, J., Xi, T., Liu, Fei Ai, Y., Wu, Q., (2002), Thermal conductivity enhancement of suspensions containing nanosized alumina particles. Journal of applied physics, 91(7), pp 4568-4572.


9. Krishnamurthy, S., Bhattacharya, P., Phelan, P. E., Prasher, R. S., (2006), Enhanced mass transport in nanofluids, Nano letters, 6(3), pp 419-423.


10. Wasan, D. T.,  Nikolov, A. D., (2003), Spreading of nanofluids on solids, Nature 423(6936), pp 156-159.


11. Eastman, J. A., Choi, S. U. S., Li, S., Yu, W., (2001), Thompson L. J., Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles, Applied physics letters, 78(6), pp 718-720.


12. Li, Q., Xuan, Y., Convective heat transfer and flow characteristics of Cu-water nanofluid, (2002), Science in China Series E: Technolgical Science. 45(4), pp 408-416.


13. He, Y., Jin, Y., Chen, H., Ding, Y., Cang, D., Lu, H., (2007), Heat transfer and flow behaviour of aqueous suspensions of TiO2 nanoparticles (nanofluids) flowing upward through a vertical pipe, International journal of heat and mass transfer, 50( 11-12), pp 2272-2281.


14. Ding, Y., Alias, H., Wen, D., Williams, R. A., (2006), Heat transfer of aqueous suspensions of carbon nanotubes (CNT nanofluids), International Journal of Heat and Mass Transfer, 49(1-2), pp 240-250.


15. Wen, D., Ding, Y., (2004), Effective thermal conductivity of aqueous suspensions of carbon nanotubes (carbon nanotube nanofluids), Journal of thermophysics and heat transfer, 18(4), pp 481-485.


16. Shaikh, S., Lafdi, K., Ponnappan, R., (2007), Thermal conductivity improvement in carbon nanoparticle doped PAO oil: An experimental study, Journal of Applied Physics, 101(6), pp 064302.


17. Zakaria, M., Husein, M. M., Harland, G., (2012), Novel nanoparticle-based drilling fluid with improved characteristics, SPE international oilfield nanotechnology conference and exhibition. Society of Petroleum Engineers.


18. Sayyadnejad, M. A., Ghaffarian, H. R., Saeidi, M., (2008), Removal of hydrogen sulfide by zinc oxide nanoparticles in drilling fluid, International Journal of Environmental Science & Technology, 5(4), pp 565-569.


19. Li, L., Yuan, X.,  Xu, X., Li, S., Wang, L., (2013), Vital role of nanotechnology and nanomaterials in the field of oilfield chemistry,  IPTC 2013: International Petroleum Technology Conference, pp. cp-350. European Association of Geoscientists & Engineers.


20. Jain, R., Mahto, V., VSharma, P., (2015), Evaluation of polyacrylamide-grafted-polyethylene glycol/silica nanocomposite as potential additive in water based drilling mud for reactive shale formation, Journal of Natural Gas Science and Engineering, 26, pp 526-537.


21. Esfe, M. H., Saedodin, S., Mahmoodi, M., (2014), Experimental studies on the convective heat transfer performance and thermophysical properties of MgO–water nanofluid under turbulent flow. Experimental thermal and fluid science, 52, pp 68-78.


22. Saeedinia, M., Akhavan-Behabadi, M. A., Razi, P.,  (2012), Thermal and rheological characteristics of CuO–Base oil nanofluid flow inside a circular tube, International Communications in Heat and Mass Transfer, 39(1), pp 152-159.


23. , Abdul Razak, I., Norhana M. R., Mohd Zaidi, J., Wan Rosli Wan, S., Nor Aziah B., (2014), Effect of nanomaterial on the rheology of drilling fluids,  Journal of applied sciences, 14(11), pp 1192.


24. Xuan, Y., Li, Q., Hu, W., (2003), Aggregation structure and thermal conductivity of nanofluids, AIChE Journal, 49(4), pp 1038-1043.


25. Choi, S. U., Eastman, J. A.,  (1995), Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles. No. ANL/MSD/CP-84938; CONF-951135-29. Argonne National Lab., IL (United States).


26. Kadjo, A. J. J., Maye, J. P.,  Saillard, J., Thévenot, G., Garnier, J. P.,  Martemianov, S., Measurement of thermal conductivity and diffusivity of electrically conducting and highly corrosive liquids from small samples with a new transient hot-wire instrument, Proceeding of 5th European Thermal Sciences Conference, pp. 18-22. 2008.