بخشی از مقاله
استفاده از فناوري نانو براي بهبود ساختار مته ها و جلوگیري از خوردگی آنها
چکیده:
از الویت هاي شرکت نفت استفاده از فناوري نانو در صنعت نفت است، که صنعت حفاري یکی از مهم ترین بخش هاي این شرکت می باشد.
صنعت حفاري یکی از پر هزینه ترین و مشکل ترین مشاغل دنیاست، امروزه استفاده از این فناوري در صدر پژوهش هاي شرکت نفت در صنایع بالا دستی قرار دارد.
در این مقاله به بررسی فناوري هاي نانو در مته هاي حفاري پرداخته شده است. مته یکی از دردسرسازترین قسمت هاي حفاري است، که با بهینه کردن آنها با فناوري هاي نانو میتوان هم هزینه هاي حفاري را کاهش داد، هم مقاومت مته را در برابر گرما و ضربه بالا برد و همچنین آسیب رسانی مته هاي حفاري به لایه هاي زمین را به حداقل رساند.
در این مقاله به بررسی انواع نانو مواد قابل استفاده در صنعت حفاري پرداخته شده است و همچنین به نحوه استفاده از نانو مواد در بخش هاي استحکام ساختار مته، سختی و پایداري گرمایی مته و جلوگیري از خوردگی مته پرداخته شده است.
واژه هاي کلیدي:
استحکام مته حفاري ، خوردگی مته ، نانو پوشش کاربیدي ، نانو مواد
مقدمه
مطابق پیش بینی هاي صورت گرفته، تقاضاي جهانی نفت که در سال 2000 میلادي 75 میلیون بشکه در روز گزارش شده بود تا سال 2030 میلادي به بیش از 120 میلیون بشکه در روز خواهد رسید. در واقع نیاز به استخراج نفت تا سال 2030 میلادي به طور میانگین سالیانه 1.7 درصد افزایش خواهد یافت. این بدان معنی است که نفت و سایر مشتقات آن در دهه هاي آینده همچنان به عنوان اصلی ترین منبع تامین انرژي و مواد اولیه صنایع بزرگ مطرح خواهد بود. [1]
یکی از مهم ترین مسائل صنعت نفت در صنایع بالا دستی استفاده از فناوري هاي نوین براي بهره وري بالاتر و ایمنی بیشتر می باشد. مهم ترین فناوري که در این زمینه میتوان استفاده کرد، فناوري نانو می باشد. یکی از بهترین تعاریف براي فناوري نانو تعریف فیزیکی این فناوري است، بر اساس این تعریف فناوري نانو توسعه و استفاده از ادوات و قطعاتی است که اندازه آنها به چند نانو متر است.
مته حفاري یکی از ابزار مهم صنعت حفاري می باشد که در پایینترین قسمت رشته حفاري قرار میگیرد و وظیفه خرد کردن سنگها را برعهده دارد. بیشترین تنش وارده در عملیات حفاري، به متههاي حفاري وارد میشود. متههاي حفاري، جزء قسمتهایی از رشته حفاري هستند کهمرتباً در حال فرسایش هستند و پس از حفر یک متراژ مشخص، کارایی خود را از دست میدهند و باید جایگزین شوند.
ساختار مته ها هرچه مقاوم تر باشد به کاهش هزینه هاي حفاري منجر میشود و سبب آسیب رسانی کمتر ادوات حفاري به لایه هاي زمین شناسی نیز میشود، نانو پوشش ها میتواند به مقاوم شدن این ساختارها بسیار کمک کند. همچنین مواد جدید که متهها را در برابر خوردگی و فرسایش مقاومتر کنند در این بخش بسیار مفید هستند. لذا در این بخش میتوان با استفاده از نانوکامپوزیتها، نانوساختارها و نانو لولههاي کربنی، متههاي حفاري بادوام و مستحکمتري را تولید کرد. همچنین با استفاده از نانو الماسها که به صورت مصنوعی ساخته میشود میتوان بازده حفاري را به میزان زیادي افزایش داد.
نانو مواد:
با استفاده از نانو مواد میتوان وسایل و تجهیزات حفاري را بهینه کرد. آزمایشات انجام شده در سراسر جهان نشان داده اند که با استفاده از نانو مواد میتوان ساختارهاي ادوات و وسایل انواع صنایع مرسوم در دنیا را با این فناوري بهینه کرد و سبب بازده ي بیشتر این ادوات در صنعت شد حتی با افزایش هزینه ساخت وسایل با این فناوري سبب کاهش هزینه هاي کل میشویم. این فناوري این قابلیت را دارد که از خوردگی بیشتر تجهیزات جلوگیري کند. همچنین فناوري نانو میتواند از آسیب رساندن ادوات حفاري به محیط زیست نیز جلوگیري کند.
دسته اي از نانومواد که خود در شرط مقیاس نانو نمی گنجند اما حاوي اجزاي نانو ساختار هستند نانو ساختار سه بعدي یا نانو ساختار بالک نامیده می شوندطبیعتاً. این مواد داراي خواص متفاوتی از حالت معمول می باشند. به زبان دیگر اگر با افزودن یا ایجاد فاز نانو ساختار در یک سیستم بالک بتوان خواص متفاوتی از آن بدست آورد به آن سیستم نانوساختار بالک گفته می شود.
جدول زیر تمامی موارد ارائه شده در شکل نانوساختار بالک را نشان میدهد. (جدول (1
جدول 1 تقسیم بندي نانو ساختار بالک
نانو ساختارها را به سه گروه کلی زیر تقسیم میشوند:
-1 نانو کریستال:
مواد کریستالی از حوزه هایی تشکیل می شوند که در هر یک از این حوزه ها خواص تک تک اتمها یا مولکولها یکسان است اما بین
دو حوزه حداقل از جهات کریستالی متفاوت استاصطلاحاً. به این حوزه ها دانه گفته می شود و مواد نانوکریستالی دانه بندي زیر
100 نانومتر دارند. پدیدهایی چون سوپر پارا مغناطیس و پراکنش فونون که عدم انتقال حرارت را سبب می شود در مواد نانوکریستالی مشاهده می گردد. استحکام و سختی فوق العاده ساده ترین پیامد این مواد است. روش ساخت این مواد به سه صورت
است: الف) تراکم ب) انجماد سریع پ) تغییر شکل شدید
- 2 نانو کامپوزیت ها:
بطور کلی کامپوزیت ها معمولا خواص میانگین اجزاي خود را ارائه می کنند. اما از آنجا که نانومواد سطح بیشتري را فراهم می کنند اندر کنش با ماتریکس را افزایش داده لذا درصد تقویت کننده بسیار کمتري نیاز است. بنابر این دو خاصیت ممتاز نانو کامپوزیت ها یعنی وزن کمتر (به دلیل استفاده از تقویت کننده کمتر) و استحکام چند برابر (به دلیل افزایش فصل مشترك تقویت کننده ماتریکس) حاصل می شوند. همچنین می توان با استفاده از نانو ذرات بدون تغییر محسوس رنگ یا شفافیت مقاومت به اشتعال، هدایت حرارتی، مقاومت شیمیایی و ممانعت گازي در آنها پدید آورد. مواد تقویت کننده نانو کامپوزیت ها عبارتند از: رس آلی مونت موري لونیت (MMT )، نانو فایبر کربن (CNF )، POSS، نانوتیوب کربن (CNT )، نانوسیلیکا، نانوذرات آلومینا (Al2O3)،
نانوذرات تیتانیا .(TiO2)
- 3 نانو غشا ها:
این دسته از نانو ساختارها کمتر در آزمایشات صنعتی مورد استفاده قرار گرفته است.
مته هاي حفاري
مته حفاري وسیله برنده ایی است. که در انتهاي رشته حفاري قرار گرفته و با خراشیدن، تراشیدن، قاشقی کردن، و خرد کردن سنگ باعث ایجاد حفره در سنگ می شود. (شکل(1 عملکرد یک مته به پارامترهاي زیادي از جمله وزن روي مته، سرعت چرخش مته، خصوصیات سیال حفاري، هیدرولیک چاه، نوع سازند و در نهایت نوع مته بستگی دارد. [2] در اینجا در سه بخش به بررسی فناوري نانو در مته هاي حفاري میپردازیم:
شکل 1 مته هاي حفاري
الف) استحکام ساختار مته:
براي بهبود استحکام ساختار مته میتوان از نانو پوشش ها استفاده نمود. نانو پوشش ها از لایه هاي نازك در ابعادي در حد نانو می باشند و مته را به صورت ذرات نانو متري پوشش می دهند. این لایه با ابعاد در سطح نانو این اجازه را به ما میدهد تا با یک دست نمودن سطح مته و به حداقل رساندن خلل و فرج، مانع نفوذ عوامل خورنده به ساختار مته شده و استحکام مته را بالا ببریم.
در برخی پژوهش ها، استفاده از نانو پوشش ها براي مته هاي حفاري در چاهها، مزایاي مقاومت در برابر خوردگی، ویسکوزیته مناسب و سختی متغیر اشاره شده است. که عمده این گزارشات از خاصیت روان کنندگی در این نوع ساختارها گزارش شده است.
انواع نانو پوشش هاي مورد استفاده در مته هاي حفاري به شرح زیر است:
نانو پوشش هاي کاربیدي
-1 کاربید سیلیسیم (Si C)
-2 کاربید تیتانیوم (Ti C)
-3 کاربید بور (B4 C)
نانو پوشش هاي کاربید-فلز -1 کاربید بور-تنگستن
-2 کاربید سیلیسیم-تنگستن
-3 کاربید بور-کاربید سیلیسیم
نانو پوشش هاي روان کاري
-1 سولفید مولیبدنیوم-مولیبدنیوم
-2 سولفید تنگستن-تنگستن
-3 سولفید تالیم-تالیم
نانو پوشش هاي نیترید تیتانیم
Ti Al N -1
