بخشی از مقاله
چکیده :
بحث سیال حفاری یکی از مهم ترین مقوله ها در صنعت حفاری به شمار می رود.در عملیات حفاری از سیالات حفاری جهت انتقال ذرات جامد، پایداری دیواره چاه، خنک کردن سر مته و غیره استفاده می شود.نانو ذرات به دلیل خصوصیات منحصر به فرد مثل اندازه و نسبت بالای سطح به حجم، در حل مشکلات مرتبط با سیالات حفاری بسیار موثر هستند.و ازمهمترین کاربردهای نانو ذرات در سیالات حفاری می توان به بهبود پایداری دیواره چاه در سازند های حساس به اب،بهبود کیفیت کیک گل،کنترل هرزروی، کاهش احتمال گیر لوله ها،سازگاری با گاز اسیدی،کاهش گشتاور ونیروی دراگ و بهبود خواص رئولوژیکی سیال حفاری اشاره کرد.
.1 مقدمه :
از جمله اهداف عملیات حفاری، دستیابی به لایه های هیدروکربنی، ارزیابی سازندها حین حفاری و تکمیل چاه است که موجب افزایش بازدهی در تولید نفت و گاز می شود. خواص سیال حفاری اثر مستقیم بر عملکرد عملیات حفاری دارد. هزینه طراحی سیال حفاری و حفظ خواص آن حین تغییر شرایط بخش مهمی از مجموع هزینه های حفر چاه می باشد.
سیال حفاری مناسب دارای تهیه آسان و کمینه افزودنی های مؤثر که سبب انعطاف پذیری بیشتر سیال حفاری و همچنین تغییر خواص در کمترین زمان در مواجه با تغییر شرایط می باشد. سیال حفاری در عملیات حفاری کاربردهای زیادی دارد که مهمترین آنها انتقال کنده ها و پایداری فشار سازند است.همچنین می توان به خارج نمودن خرده های حفاری از چاه، کنترل فشار سازند، تعلق و جابجایی کنده ها از چاه، ایجاد لایه غیر تراوا در آببندی سازندهای با نفوذپذیری زیاد، حفظ پایداری چاه، کمینه نمودن صدمه دیدگی سازند، سرد کردن و روانکاری و خنک نمودن تجهیزات حفاری، انتقال توان هیدرولیکی به مته و ابزارآلات حفاری، افزایش ضریب اطمینان در ارزیابی سازند، کنترل خوردگی، کاهش اثرات بر محیط زیست اشاره نمود. با توجه به ویژگی فاز پیوسته در سیال حفاری، درانواع مختلفی سیالات حفاری را قرار می دهند.
پر کاربردترین آنها، سیال حفاری پایه آبی، پایه روغنی و مایعات گازی می باشد. هزینه پایین تولید، محدودیت کم حین کاربرد موجب افزایش استفاده از سیالات حفاری پایه آبی شده است.در این حالت، این نوع سیالات بهترین عملکرد رادرشرایط دما و فشار پایین دارند. برای عملیات حفاری در شریطا دما و فشار بالا، معمولاً از سیالات پایه روغنی استفاده می شود. بر طبق بررسی وزارت انرژی ایالت متحده،عملیات حفاری در شرایط دمایی استاتیکی چاه بیشتر از 177 درجه سانتیگراد و فشار بیشتر 2500 پام به صورت فشار و دمای بالا تعریف شده است
.2 شرح و بحث : 1,2خصوصیات نانو ذرات
نانو ذرات به سبب اندازه کوچک و نسبت بالای سطح به حجم خصوصیات منحصر به فردی دارند. وجود این خصوصیات باعث کاربرد نانوذرات در زمینه اکتشاف و بهره برداری از مخازن نفت و گاز می شود. واکنش پذیری و استحکام نانوذرات بسیار بالاست. مزیت دیگر نانوذرات نسبت به ذرات دیگر، افزایش تقابل سطحی است. بنابراین برای یک حجم مشخصی از مواد، تعداد بیشتری از ذرات وجود دارند
به دلیل وجود مساحت سطح بالا، نانو ذرات هدایت حرارتی بالایی دارند. انتقال از میکرو به نانو علاوه بر تغییرات فیزیکی، منجر به تغییرات شیمیایی مواد نیز می شود. افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات، باعث کاهش اندازه ذرات می شود. این کاهش در اندازه باعث افزایش اثر غالب رفتار اتمی بر روی مساحت سطح ذرات می گردد. این ویژگی تقابل ذرات با یکدیگر را تحث تاثیر قرار می دهد. به دلیل مساحت سطح بالاتر، تقابل ذرات نانو با دیگر ذرات در مخلوط بیشتر است. خصوصیات نانوذرات به شکل، ساختار و اندازه بستگی دارد.
شکل -1تعداد ذرات میکرو و نانو موجود در یک میلی متر ماکرو[7]
2 .2کاربرد فناوری نانو در سیالات حفاری
1,2,2 پایداری دیواره چاه
یک سیال حفاری نانویی با طراحی خاص می تواند نقش مهمی در کنترل مکانیکی و شیمیایی سازندهای شیلی داشته باشد. گلوگاه های حفره های سنگ شیلی معمولا دارای ابعادی در مقیاس نانو می باشد.[11] گلوگاه حفره های موجود در شیل معمولا در ابعادی بین 3 تا 100 نانومتر تغییر می کنند.[3] ذرات جامد در سیالات حفاری متداول معمولا دارای ابعاد بسیار بزرگتر برای آببندی کردن حفره ها و ساخت یک کیک مناسب بر سطح سازند شیلی و کاهش نفوذ سیال حفاری به ماتریس سنگ شیلی هستند.
به علت اندازه بسیار کوچک که از اندازه های گلوگاه های حفره های شیل کوچکتر است سیال نانویی می تواند به سادگی واکنش سیال حفاری با سازند شیلی را حذف کند و خواص ژئومکانیکی زون های شیل فعال را هنگام حفاری با افزایش قابل توجه در مقاومت مچالگی و شکست سازندبهبود بخشد.
1.1.2.2مطالعات موردی انجام شده
1. استفاده از ذرات نانو سیلیکا با ابعاد 5 تا 22 نانومتر با درصد وزنی 10 درصد در یک سیال حفاری تراوایی یک سنگ شیلی با ابعاد گلوگاه های 10 تا 30 نانومتر به مقدار قابل توجه ای تا 90 درصد کاهش یافته است.[11] برای انتخاب ابعاد ذرات مورد استفاده در بستن گلوگاه حفره ها خطوط راهنمایی در صنعت وجود دارد.
2. آبرامز در سال 1977 پیشنهاد می کند که اندازه متوسط ذرات افزودنی مرتبط در دهانه حفره می بایست برابر یا کمی بیشتر از یک سوم اندازه متوسط حفره های سازند و غلظت ذرات جامد افزودنی می بایست حداقل 5درصد حجمی کل جامدات گل باشد
.3در یک مطالعه روش های طراحی نانو ذرات بطور خاص برای پلاگ کردن حفره های سازند شیلی ارائه شده است. در این مطالعه ترکیبی از یک پکیج کنترل افت صاف اب و مواد خنثی در ابعاد نانو برای ممانعت از ورود سیال به سازند شیلی پیشنهاد می شود و عملکرد خوبی ارائه می کند. انتخاب بهینه نانو ذره شامل انتخاب سایز و بهسازی سطحی می باشد. بهسازی سطحی به منظور سازگار شدن نانو ذره با یون های موجود در سیال حفاری و سیال سازند انجام می گیرد.
آزمایشات بررسی نفوذ سیال حفاری در سنگ شیل بوسیله دستگاه آزمایش بازدهی غشائی سنگ شیلی انجام می شود. شیمی نانو ذرات باید به نحوی باشد تا باعث شود ذرات در سیال حامل پخش بمانند و با سیال حفاری و سیال سازند واکنش ندهند. از نظر ابعاد ابعاد گلوگاه حفره ها مقیاس انتخاب ابعاد ذره نانو هستند. بدین منظور آزمایش های پایداری پراکندگی نانو ذره در محلول های مختلف شامل کاتیون های کلسیم، سدیم، پتاسیم و آنیون های همراه شامل کربنات ها، هیدروکسیدها و کلریدها انجام گرفته است.
پایداری حرارتی نیز از دیگر آزمایشات پایداری است. برای انجام آزمایشات افت صاف اب از کاغذ فیلتر با ابعاد حفرات 100 نانومتر استفاده شده است. ابعاد پیشنهادی 1/3 اندازه قطر حفرات برای ذرات در این مطالعه تایید شده است. آزمایشات بررسی توانایی نانو ذره سیلیکا در پلاگ کردن حفرات سنگ شیلی با استفاده از دستگاه اندازه گیری بازدهی غشایی با استفاده از 10 پوند بر بشکه گل از افزودنی نانویی انجام شد و کارآیی این ماده از نظر فنیٍ اقتصادی و زیست محیطی مورد تایید قرار گرفت. کلید موفقیت در استفاده از این فن پیدا کردن ترکیب مناسبی از ابعاد ذرات و بهسازی های سطحی برای پراکندگی مناسب ذرات در سیال و پلاگ کردن موثر حفرات است.
.4 در مطالعه ای دیگر از گرافن به عنوان پایدارکننده سازند شیلی استفاده شده است. ذرات گرافن به علت ساختار ورقه ایشان روی دیواره می خوابند و گلوگاه های حفره ها را می بندند و مانع نفوذ آب به سازند شیلی میشوند. در این مطالعه عملکرد گرافن با بستن فیزیکی گلوگاه های حفره ها، اتصال ذرات گرافن از طریق گروه های کاربردی در داخل حفرات به سطح سازند شیلی و تشکیل کیک گرافن روی سطح سازند شیلی و غیرآنیونی شدن سازند و دفع آب شرح داده شده است.
به علاوه کنده های حفاری با پوشیده شدن توسط ذرات گرافن از نفوذ آب و متلاشی شدن مصون می مانند.[6] با بهسازی سطحی می تواند ذرات گرافن را به سطح سازند چسباند و باعث افزایش پایداری دیواره چاه شد. گرافن میتواند با جذب به سطح سازند شیلی باعث افزایش بازدهی غشایی شود
در مواردی از حفاری سازند های خاص اختلاف حد بالایی و پایینی وزن گل کم است و کوچکترین افزایش فشار می تواند منجر به شکست سازند و هرزرفتن سیال حفاری به چاه شود. استفاده از ذره نانو در سیال حفاری میتواند باعث نفوذ ذره به سازند و مستحکم شدن آن شود که در نتیجه القایی کاهش می یابد.[8] به علاوه در سازندهای سست تشکیل یک کیک نازک و سفت و پلاستری باپراکندگی بالا بر روی دیواره چاه باعث دیواره سازی و پایدارسازی دیواره چاه می شود
