عملیات حفاری یکی از پیچیده ترین و هزینه برترین بخشهای تولید نفت است و از اینرو، توانمندی در این صنعت به نوعی ملاک قدرت شرکتهای نفتی محسوب میشود.
در اوایل رشد صنعت نفت، عموماً برداشت نفت از مخازن نفت با عمق کم به کمک حفاری ضربه ای صورت میگرفت. با پیشرفت فناوری این روش جای خود را به دیگر روشهای مکانیکی که حفاری دورانی نامیده میشوند، داده است. حذف محدودیت عمقی، افزایش سرعت حفاری و انتقال سریع کندهها به سطح زمین از مهمترین مزیتهای این روش به حساب میآید. در سالهای اخیر روشهای نوین دیگری مانند حفاری حرارتی، لرزشی، شیمیایی، لیزری و … توسعه داده شدهاند، اما با توجه به مزایا و تجارت وسیعی که از این روش در سراسر جهان انجام میشود، 98 درصد از کل عملیات حفاری در سراسر جهان با روش حفاری دورانی صورت میگیرد.
عملیات حفاری خود شامل مجموعه ای از فعالیتهای مختلف است که پیشرفت در هر یک از آنها باعث توسعه این صنعت میگردد. پیشرفت در صنعت حفاری، نقش چشمگیری را درکاهش قیمت تمام شده تولید نفت ایفا میکند. پیشرفتهایی از جمله، بهبود فرمولاسیون گل حفاری، استفاده از افزودنیهای جدید به سیمانهای حفاری، استفاده از حسگرها و فناوریهای رصد برخط عملیات حفاری، ساخت متههای مقاومتر و توسعه روشهای جلوگیری از هرز روی سیالات حفاری موجب تغییرات عمدهای در این صنعت و افزایش بازده و کاهش هزینه عملیات شده است.
در سالیان اخیر فناوری نانو با سرعت زیادی در این صنعت وارد شده است به گونه ای که اکنون این فناوری یکی از مهمترین فناوریهای مورد استفاده در توسعه صنعت حفاری شناخته میشود به گونهای که محصولات و تکنیکهای زیادی مبتنی بر فناوری نانو وارد این صنعت شده است.
با توجه به موارد فراوان استفاده از فناوری نانو در این صنعت و همچنین اهمیت و گستردگی سیالات و سیمان حفاری، در این گزارش تنها به کاربردهای فناوری نانو در سیالات حفاری پرداخته میشود.
- سیال و سیمان حفاری
در عملیات حفاری از سیالات حفاری به منظور بهبود عملیات حفاری و آوردن کندهها به سطح زمین استفاده میشود. فرمولاسیون این سیالات که عموماً با نام گل حفاری شناخته میشوند، یکی از مهمترین فاکتورهای یک عملیات موفقیت آمیز حفاری شناخته میشوند. با توجه به اینکه بخش عمدهی هزینههای حفر یک چاه مربوط به تأمین و پمپاژ گل حفاری است، استفاده از سیالات کارآمدتر و بهتر نقش مهمی را در کاهش هزینه و افزایش بازدهی حفاری ایفا میکند. یک سیال حفاری مناسب باید توانایی بالایی در خنک کردن مته حفاری، آوردن کندهها به سطح زمین، روانسازی حرکت لولههای گردان حفاری، کنترل فشار دیوارهها، انتقال توان هیدرولیکی پمپ به مته حفاری و بسیاری موارد دیگر را داشته باشد. تهیه گل حفاری با بهترین فرمولاسیون و مواد کارا، عامل مهمی در افزایش سرعت حفاری، افزایش بهرهوری عملیات حفاری، ممانعت از کاهش دبی جریان، کاهش هزینه تمام شده برای حفر یک چاه و در نهایت بالا بردن درصد موفقیت در عملیات بعد از حفاری محسوب میگردد.
به طور کلی سیالات حفاری بر اساس سیال پایه تشکیل دهنده آن به سه دسته کلی گلهای پایه آبی[1]، گلهای پایه روغنی[2] و گلهای سنتزی[3] تقسیم بندی میشود. برای به دست آوردن یک سیال حفاری با خواص ویژه که کارایی بالایی داشته باشد، معمولاً افزودنیهایی به آن اضافه میکنند. طبق گزارشهای سایت World Oil بیش از 5000 نوع افزودنی مختلف به گل حفاری وجود دارد که از این میان میتوان به مواد پرکاربردی، همچون بنتونیت، باریت، خاک رس، سلولز، پلیمرها، آسفالت، کربنات کلسیم، پوست گردو و بسیاری مواد دیگر اشاره کرد. این افزودنیها وظایف ویژه ای دارند که در شکل 1 نشان داده شدهاند.
شکل 1 دسته بندی انواع افزودنیها به گل حفاری بر حسب وظایف
همچنین در عملیات حفاری از سیمانکاری به منظور استحکام دیواره چاه و ثابت سازی لولههای جداری از سطح چاه استفاده میشود. با این کار سطح خارجی لوله جداری به دیواره چاه میچسبد و مانع از ریزش دیواره چاه، ورود سیالات ناخواسته به درون چاه و خوردگی بدنه خارجی لولهها میشود.
- معرفی انواع نانو افزودنیهای گل حفاری
به طور کلی هدف استفاده از افزودنیهای نانویی در گل حفاری، کاهش هزینه و تهیه یک سیال مطلوب از طریق کاهش مصرف مواد و نیز بهبود خواص آن است. اضافه کردن نانو مواد به سیال پایه باعث ایجاد خواص رئولوژیکی مطلوب، کنترل مطلوب ظرفیت صافاب، پایداری بسیار خوب سوسپانسیون و روانسازی مناسب است. مهمترین اثر نانو ذرات مختلف مورد استفاده در گل حفاری در جدول 1 نشان داده شده است.
جدول 1 انواع نانو افزودنیهای گل حفاری
| نوع نانو ماده | اثر |
| نانو رس | بهبود خواص مکانیکی گل حفاری و کاهش تراوایی فیلتر کیک |
| نانو اکسید فلزی | بهبود خواص مکانیکی و رئولوژیکی گل حفاری، جلوگیری از اختلاط گل و سیمان حفاری، کاهش تراوایی فیلتر کیک، کاهش هرزروی سیال، حفظ خواص گل در شرایط دما بالا-فشار بالا، بهبود خواص الکتریکی گل، افزایش پایداری چاه و نیز به عنوان روان کننده (کاهش نیروهای گشتاوری و پسا) |
| نانو ساختارهای کربنی (نانولولههای کربنی، گرافن و …)
|
بهبود ضریب انتقال حرارت، بهبود خواص رئولوژیکی و پایداری گل، بهبود خواص الکتریکی گل به عنوان شناساگر آنالیت در چاه ، وزن دهنده گل، کاهش هرزروی سیال، کاهش خوردگی ادوات حفاری و حفظ خواص گل در دمای بالا |
| نانو پلیمرها
|
کنترل هرزروی سیال، پایداری چاه، کاهش گل گرفتگی مته و کاهش نیروهای گشتاوری و پسا |
| نانو ذرات کربنات کلسیم
|
وزن دهنده، و نیز برای کاهش هرزروی سیال و افزایش پایداری چاه |
| نانوکامپوزیت
|
روان کننده برای کاهش نیروهای گشتاور و پسا، حفظ خواص گل در شرایط دما بالا-فشار بالا، کاهش هرزروی سیال و افزایش پایداری چاه |
| نانو امولسیونها
|
کاهش هرزروی سیال، کاهش تخریب سازند در اثر نفوذ سیال به جداره چاه، کاهش گل گرفتگی مته و نیز کاهش نیروهای گشتاوری و پسا |
| نانو هیدروکسید آهن
|
کاهش هرزروی سیال و افزایش پایداری چاه |
| نانو ابر مغناطیسها | وزن دهنده و نیز کاهش هرزروی سیال |
| دیگر نانو ساختارها (نانو ذرات ATR، نانو ذرات GY-2 و نانو ذرات NM-1)
|
وزن دهنده، کاهش هرزروی سیال، تقویت پایداری چاه و کاهش نیروهای گشتاور و پسا |
- کاربرد فناوری نانو در سیال حفاری
نانو ذرات به دلیل اندازه بسیار کوچک و نسبت سطح به حجم بسیار بالا، خواص منحصر به فردی دارند. به همین دلیل استفاده از نانو ذرات پخش شده در مایعات کاربرد وسیعی در عملیات حفاری دارد که به موارد زیر میتوان اشاره کرد:
4-1- بهبود خواص رئولوژیکی
نانو افزودنیهای مناسب به سیال حفاری میتواند خواص رئولوژیکی از قبیل چگالی و گرانروی را بر روی یک مقدار بهینه تنظیم کند. به دلیل اندازه بسیار کوچک این مواد حرکت سیال حفاری در درون چاه بهبود مییابد و به نیروی پمپ کمتری برای گردش سیال حفاری نیاز خواهد بود. همچنین خاصیت ژلهای سیال حفاری افزایش مییابد که با این کار توانایی حمل کندهها و سرعت آوردن آنها به سطح بیشتر میشود. بدین منظور میتوان از نانو ساختارهای مختلف از جمله نانو سرامیکها، نانو پودرهای کاربید سیلیسیم، نانو کامپوزیتها و نانو لولههای کربنی استفاده کرد. این مواد علاوه بر سازگاری بالا با سازند، به دلیل ویژگیهای ذاتی خود، خواص ویژهای را به سیال حفاری میدهند.
دیگر مزایای استفاده از این نانو ذرات تغییر خواص تیکسوتروپیک (خاصیتی که گرانروی ظاهری سیال، با افزایش مدت زمان اعمال تنش، کاهش مییابد) گل حفاری است. گل حفاری تهیه شده با استفاده از نانو مواد قادر خواهد بود در صورت توقف عملیات حفاری به هر دلیلی، با تبدیل به حالت ژلاتینی مانع از تهنشین شدن کندهها در ته چاه و گیر کردن لولهها شود و همچنین با کمترین تنشی از حالت ژلاتینی خارج شود و به گردش خود در چاه ادامه دهد.
4-2- کنترل هرزروی
هرزروی سیال حفاری به درون سازند که ناشی از ترکهای موجود در آن است، یکی از مهمترین چالشها در عملیات حفاری به شمار میرود. کنترل هرزروی میتواند باعث کاهش هزینه، افزایش سرعت حفاری و جلوگیری از آسیب به سازند شود. در نتیجهی هرزروی، سیال رفته رفته سنگینتر شده و گردش آن در چاه و انتقال ذرات داخل چاه به سطح زمین سختتر میشود. استفاده از نانو مواد، میتواند میزان توانایی حمل ذرات درون چاه توسط سیال را افزایش داده و امکان تثبیت فشار و چگالی سیال تحت شرایط متنوع عملیاتی را به وجود آورد که در نهایت سبب کاهش هرزروی سیال میگردد. به طور مثال نانو ذرات رس به دلیل سازگاری بسیار خوبی که با سازندهای نفتی به خصوص سازند ماسه سنگی دارند، پتانسیل بالایی را در رفع این مشکل دارد.
از دیگر نانو ساختارهایی که در این حوزه مورد استفاده قرار میگیرد، میتوان به نانو لولههای کربنی اشاره کرد. این مواد به دلیل ساختار ویژهی خود میتوانند مانند یک فیلتر عمل کنند و همچنین به دلیل خواص حرارتی بسیار خوبی که دارند باعث کاهش مقدار ماده مصرفی در عملیات نمودار گیری حین حفاری میشوند.
4-3- حفظ محیط زیست
با توجه به گستردگی عملیات حفاری و ارتباط مستقیمی که این عملیات با سازند و محیط زیست دارد، در سالهای اخیر سعی شده از موادی استفاده شود که سازگاری بالایی با محیط زیست داشته و پسماندهای آن به راحتی قابل بازیافت باشند، به طوری که کمترین تخریب را در محیط زیست ایجاد نمایند. به عنوان مثال استفاده از سیالات پایه آبی دارای فواید زیست محیطی و اقتصادی فراوانی در حفاری سازندهای ماسه سنگی است. در این میان نانو موادی که در سیالات پایه آبی دارای کاربرد هستند از اهمیت ویژهای برخوردارند. بعضی از نانو مواد مورد استفاده در سیالات پایه آبی عبارتند از:
- ساختارهایی بر پایه گرافن: این نانو ساختار به دلیل لایهای و ورقهای بودن دارای خواص بسیار ویژهای است که باعث میشود این ماده مانند یک فیلتر عمل کند. هر چند گرافن ذاتاً آبگریز است، اما ساختارهای عامل دار شده آن یا اکسید گرافن قابلیت استفاده در سیال حفاری پایه آبی را دارد. این ساختار با ایجاد یک لایه ناتراوا بر روی دیواره چاه ضمن کنترل هرزروی سیال به درون سازند موجب کاهش مشکلات زیست محیطی میشود. همچنین این ماده ضمن ارزان بودن، مخاطرات زیست محیطی نسبتاً پائینی دارد.
- نانو ذرات سیلیکا: این ماده با چسبیدن به دیواره چاه باعث کاهش تراوایی دیواره چاه میشود و از ورود ذرات موجود در سیال حفاری به درون سازند جلوگیری میکند.
- نانو ذرات اکسید روی: گاز هیدروژن سولفید یکی از مواد بسیار خطرناک، سمی و خورنده است که ممکن است در حین عملیات حفاری از درون سازند وارد سیال حفاری شده و باعث آلودگی محیطزیست شود. حذف این گاز از سیال حفاری به دلایل مخاطرات زیست محیطی، ایمنی کارکنان و جلوگیری از خوردگی تجهیزات ضروری است. یکی از جاذبهایی که میتواند به این منظور مورد استفاده قرار گیرد ترکیبات فلز روی مانند اکسید و کربناتهای روی است. این نانو ذرات بسیار واکنشپذیر هستند و پسماند جامد آنها نیز بیخطر است.
- افزایههای پلیمری نانومتری: یکی از مهمترین منابع ایجاد آلودگی در صنایع بالادستی نفت، پسماندهای سیال حفاری هستند. جداسازی جامد-مایع یکی از پرکاربردترین فرآیندها برای تصفیه این سیالات است. اما در این بین، استفاده از نانو افزایههای پلیمری مانند پلی اکریل آمیدهای نانو بهبودیافته[4] بهخصوص در چاههای عمیق که سیال حفاری پیچیدهتر است، میتواند باعث انعقاد بیشتر و جداسازی راحتتر فازهای جامد-مایع در پسماند حفاری شود. همچنین این نانو ذرات میتوانند از هرزروی سیال حفاری به درون سازند و آلوده کردن آن جلوگیری کنند.
- نانوفیلتراسیون: به منظور حذف فلزات سمی موجود در سیال حفاری مانند سرب، جیوه، آرسنیک و … از نانو غشاها استفاده میشود تا پسماند حفاری را تصفیه کند.
4-4- حفاری غیر تعادلی
در سالهای اخیر محققان موفق به تولید نانو موادی شدند که با اضافه شدن به سیال، نوعی فوم تولید میکند که با توجه به شرایط ویژهی موجود در عملیات حفاری غیر تعادلی، میتواند در ساخت گل حفاری سبک مورد نیاز در این عملیات مورد استفاده قرارگیرد. این سیال توانایی انتقال ضایعات حفاری به سطح را دارد و از انباشت آنها در ته چاه جلوگیری میکند.
4-5- پایداری حرارتی
یکی از وظایف اصلی سیال حفاری، خنک کاری مته حفاری است. استفاده از نانو ذرات فلزی، اکسید فلزی و نانو ساختارهای کربنی، به دلیل توانایی بالایی که در انتقال حرارت دارند، میتوانند عمل خنک کاری را بهبود بخشند. با توجه به اینکه ضریب انتقال حرارت هدایتی نانو سیالات با افزایش دما به صورت صعودی افزایش مییابد، استفاده از سیال حفاری حاوی نانو ذرات باعث پایداری سیال در مقابل حرارت بسیار زیاد ته چاه شده و در نتیجه حفظ کارایی گل حفاری را به دنبال دارد.
4-6- افزایش خاصیت ژلهای
با افزایش خاصیت ژلهای سیال حفاری، توانایی نگه داشتن کندهها و بالا آوردن آنها به سطح زمین بیشتر میشود. این کار باعث جلوگیری از انباشته شدن ضایعات در ته چاه و بسته شدن آن میشود و از طرف دیگر با بالا بردن سرعت حفاری هزینه عملیات را کاهش میدهد. همچنین استفاده از نانو امولسیونها به دلیل خاصیت ژلهای بسیار خوبی که به سیال پایه میدهند، پتانسیل بالایی را در تولید سیالهای حفاری دارند.
4-7- حفاری جهت دار و افقی
از نانو سیالات میتوان در حفاریهای جهتدار و افقی که از لحاظ دانش فنی بسیار پیچیده هستند و نیاز به سیالات حفاری خاص دارند، استفاده کرد. همچنین این سیالات را میتوان در حفاری زیر تعادلی که شرایط ویژه و حساسی را میطلبد، به کاربرد.
4-8- رفع چسبندگی لولهها
نانو سیالات به دلیل تشکیل یک نانو فیلم بر روی سطح لولههای حفاری باعث کاهش تمایل چسبندگی فیلتر کیک[5] به سطوح آنها شده و از چسبندگی لولهها به دیواره چاه جلوگیری میکنند.
4-9- رفع فرسایش دیواره چاه
فرسایش دیواره چاه یکی از مشکلات متداول در حین گردش گل حفاری درون چاه است. به همین منظور، بهینه کردن خواص سیال حفاری با استفاده از نانو ذرات (مانند نانو ذرات پلیمری)، راهکار مناسبی برای کنترل فرسایش چاه همزمان با افزایش گرانروی سیال و کاهش سرعت آن است.
4-10- کاهش نیروی پسا و گشتاور درون چاه
سیالات حفاری شامل نانو ذرات پلیمری مانند دندریمر[6] و پلیمرهای دندریمری، نانولولههای کربنی، گرافن و نانو کامپوزیتها به دلیل توانایی تشکیل فیلمهای نانومتری بر روی سطوح، قادر به کاهش مقاومت اصطکاکی بین لولهها و دیواره چاه هستند. این مقاومت عامل اصلی ایجاد نیروهای کششی و گشتاوری مشکلساز درون چاه است.
- کاربرد فناوری نانو در سیمان حفاری
سیمانکاری چاههای نفتی به منظور اتصال لولههای جداری به دیواره چاه، ایجاد ارتباط بین سر چاه و سیال موجود در مخزن، جلوگیری از ورود سیالهای ناخواسته به درون چاه در حین برداشت از مخزن، جلوگیری از ریزش چاه و افزایش استحکام آن و موارد دیگر است. سیمان پرتلند مهمترین ماده مورد استفاده در سیمانكاری چاههای نفت و گاز است که به لحاظ شرایط دما و فشار بالای چاههای نفت و گاز، با نوع ساختمانی آن متفاوت است. به طور کلی افزودنیهای اصلی سیمان حفاری در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل 2 دستهبندی افزودنیهای سیمان حفاری
روشهای سنتی انجام شده در این عملیات دارای مشکلاتی مختلف و کارایی پایینی هستند. به همین دلیل امروزه استفاده از نانو ذرات در سیمان حفاری به منظور بهبود خواص آن با توجه به خواص ویژهای که این ذرات دارند بسیار متداول شده است.
- معرفی انواع نانو افزودنیهای مورد استفاده در سیمان حفاری
نانو افزودنیهای سیمان حفاری به منظور افزایش کارایی سیمان و بهبود خواص آن استفاده میشوند. همچنین، این مواد در بهبود خواص سیال حائل نیز به کار میروند. از مهمترین نانو افزودنیهای سیمان حفاری میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
شکل 3 نانوافزودنیهای مختلف سیمان حفاری
مهمترین مزایای کاربرد نانو ذرات مختلف در سیمان حفاری عبارتاند از:
6-1- بهبود خواص مختلف سیمان حفاری
استفاده از نانو رسها (نانو بنتونیت و نانو مونت موریلونیت) به دلیل ساختار لایهای شکل و قابلیت تورم و جذب آب تا چندین برابر وزن و حجم اولیه خود، باعث بهبود ساختار سیمان حفاری، بهبود خواص مکانیکی آن از قبیل مقاومت فشاری و کششی و بهبود تراوایی آن میشود. همچنین این ذرات باعث افزایش ریسکپذیری عملکرد سیمان در اثر مهاجرت گاز میشوند و خوردگی را به نحو چشمگیری کاهش میدهند. از دیگر نانو ذرات مورد استفاده در سیمان حفاری که باعث بهبود خواص مکانیکی و شیمیایی سیمان حفاری میشوند میتوان به ترکیب نانو ذرات SiO2-CaO-Al2O3 و حداقل یکی از نانو ذرات SiO2، Al2O3، ، نانو اکسیدهای فلزی و غیر فلزی اشاره کرد.
6-2- پایداری حرارتی
در سالهای اخیر محققین شرکت Nano Product به این نتیجه رسیدهاند که استفاده از نانو ذرات سیلیکات کلسیم در سیمان حفاری باعث بهبود کارایی استفاده از آن در چاههای عمیق که تحت دما و فشار بالا هستند و یا ژئوترمال میگردد. برای ساخت این نانو ذرات از سیلیکای آمورف استفاده شده است. این ذرات به دلیل دانهریز بودن خواص ویژهای از لحاظ پایداری، کیفیت و کارایی به سیمان میدهند. دوغاب تشکیل شده با این نانو ذرات بسیار پایدار و سبک میباشد و هیچگونه آب اضافی ندارد.
6-3- بهبود خواص سیال حائل
قبل از عملیات سیمانکاری، به منظور جلوگیری از تماس سیمان با سیال حفاری و یا اختلاط دو سیال نامناسب، ابتدا سیالی که موسوم به سیال حائل است وارد چاه شده و سپس عملیات سیمانکاری آغاز میشود. سازگاری این سیال با سیال حفاری و سیمان حفاری بسیار پراهمیت بوده و این سیال باید توانایی جداسازی جامدات گل موجود در دیواره چاه را داشته باشد. استفاده از نانو افزودنیهای مختلف باعث بهبود خواص رئولوژیکی این سیال و تراکم آن، بهبود و افزایش تمیزکاری لوله جداری حین سیمان کاری چاه، تغییر ترشوندگی سطوح درگیر و چسبندگی بهتر دوغاب مابین لوله و چاه میشود.
فناوریهای به ثبت رسیده توسط شرکتها
در سالهای اخیر شرکتهای فعال در حوزه صنایع بالا دستی نفت فناوریهای جدیدی در زمینهی سیال و سیمان حفاری که با استفاده از فناوری نانو توسعه دادهاند را در قالب پتنتهایی به ثبت رساندهاند. این فناوریها شامل توسعه سیالات حفاری جدید، بهبود خواص آنها، ایجاد چندین قابلیت همزمان، بهبود خواص زیست محیطی و دیگر موارد است.
الف)فناوریهای مورد استفاده در گل حفاری
- فناوری افزایش مقاومت سیال حفاری در برابر دما و فشار بالا
این پتنت توسط شرکت توتال و آرکما[7] در سال 2007 به ثبت رسیده است و مربوط به تهیه یک نوع سیال حفاری جدید با استفاده از نانولولههای کربنی است، که توانایی کارکرد در شرایط دمایی و فشاری بالا را دارد. در عملیات حفاری با افزایش عمق حفاری و به تبع آن بالا رفتن دما و فشار عملیاتی باید یکسری مواد افزایش دهنده وزن به سیال حفاری اضافه شود که عموماً دارای مشکلاتی از قبیل کارایی پایین و رسوب بسیار زیاد در چاه هستند.
در این اختراع از نانولولههای کربنی به همراه یک ماده فعال سطحی برای رفع این مشکل استفاده شده است. استفادهی مقدار اندکی از این نانو ذرات (کمتر از 3 درصد وزنی) در مقایسه با دیگر مواد میتواند تنش تسلیم بالاتری را به سیال حفاری بدهد و مقاومت آن را در برابر دما و فشار افزایش و توانایی آن را در نگه داشتن ذرات جامد در خود بهبود دهد. این نانو ذرات تا شرایط دمایی 325 درجه سلسیوس و بالاتر پایدار میمانند. همچنین سیال حفاری تولید شده توسط این فناوری راحتتر پمپ خواهد شد و جریان بهتری خواهد داشت.
- فناوری ایجاد چندین قابلیت همزمان در سیال حفاری
این پتنت که در سال 2011 توسط شرکت بیکر هیوز[8] به ثبت رسیده است در مورد استفاده از نانو ذرات مختلف که دارای رسانایی بالا و هدایت مناسب هستند با هدف بهبود خواص رئولوژیکی، فیلتری، شیمیایی و فیزیکی سیال حفاری است. این نانو ذرات میتوانند نانولولههای کربنی، نانو لاتکس های پلیمری، نانو ذرات فلزی، گرافن، خاک رس و دیگر نانو ساختارها باشند که سطح آنها به وسیله مواد شیمیایی اصلاح شده است و خاصیت آب دوستی و یا آب گریزی پیدا کردهاند. بهبود هدایت الکتریکی و گرمایی سیال باعث بهبود کارایی سیال حفاری در عملیات نمودار گیری و تست چاه میگردد. افزودن این نانو ذرات به سیال حفاری باعث ایجاد چندین قابلیت همزمان در سیال حفاری از جمله مقاومت در برابر خوردگی، کاهش نیروی پسا، تغییر ترشوندگی فیلتر کیک و مواد موجود در ته چاه، کاهش هرزروی سیال حفاری و بالا بردن توانایی و کارایی سیال حفاری در حفظ خواص خود در بازه وسیعی از دما و فشار میشود. همچنین این نانو ذرات به همراه مواد فعال سطحی و یا افزودنیهای پلیمری، تشکیل یک ژل میدهند که قادر خواهند بود در برابر نفوذ آب در حین برداشت نفت جلوگیری کنند. با توجه به موارد مورد ادعا برای این اختراع، از این سیال میتوان در عملیات تکمیل چاه نیز استفاده کرد.
- تهیه سیال حفاری جدید
این پتنت که در سال 2001 توسط شرکت اینتوپ[9] به ثبت رسیده است در مورد استفاده از نانو ذرات ابر مغناطیسی (مانند فلزات گروه III، طلا و کادمیم) به منظور تهیه یک سیال حفاری جدید است. این فناوری روشی بسیار کارآمد برای ایجاد تغییرات مناسب در چگالی سیال در دورههای زمانی کوتاه و همچنین بر اساس شرایط محیطی مختلف پیشنهاد میدهد. این نانو افزودنی با تغییر چگالی سیال حفاری در شرایط مختلف قادر خواهد بود فشار مناسبی بر روی سازند در حین حفاری ایجاد کند و از آسیب به آن جلوگیری کند. در نهایت در این اختراع یک روش مناسب برای بازیابی نانو ذرات از پساب سیال حفاری ارائه شده است که موجب کاهش هزینه تولید این سیال حفاری میشود.
- فناوری استفاده از برچسبهای نانومتری به منظور تشخیص مواد شیمیایی در سیال حفاری
این پتنت که در سال 2011 توسط شرکت هالیبرتون[10] به ثبت رسیده است مربوط به استفاده از تگهای نانومتری هوشمند به منظور تشخیص مواد شیمیایی از جمله آنالیت در سیال حفاری است. از این روش برای تشخیص وجود ماده و تعیین ترکیب شیمیایی، ، غلظت، دما و خصوصیات دیگر آنالیت استفاده میشود. سیال پایه تشکیل دهنده سیال حفاری میتواند آبی، غیر آبی و یا پایه نفتی باشد و سطح نانو ذرات هم اصلاح شده است. این نانو ذرات میتوانند نانو ذرات کربنی، پلیمری، سرامیکی، فلزی، اکسید فلزی و نانو حسگرهای الماسی باشد. همچنین از بنتونیت در 5/0 تا 20 درصد وزنی استفاده شده است. استفاده از این نانو ذرات باعث ایجاد حساسیت بالا و پاسخ سریع برای تشخیص این مواد میشود. بر همکنش بین این نانو ذرات و آنالیت ممکن است از طریق برهم کنش الکترو استاتیکی، پیوند شیمیایی، جذب (شیمیایی یا فیزیکی)، و غیره باشد.
- فناوری بهبود خاصیت انسداد سیال حفاری
این فناوری که در سال 2013 توسط شرکت چاینا پتروکمیکال[11] به ثبت رسیده است در مورد استفاده از نانو ذرات سیلیکا به همراه ماده سپیولیت جهت بهبود خاصیت آببندی سیال حفاری پایه نفتی است. برای تهیه این سیال حفاری از یک ماده امولسیون کننده، یک عامل مرطوب کننده و محلول کلسیم کلراید استفاده شده است. این فناوری قادر خواهد بود به صورت همزمان هم عملکرد و کیفیت فیلتر کیک ایجاد شده بر روی دیواره چاه را بهبود بخشد و از این طریق هم از هرزروی سیال حفاری جلوگیری کند و هم توانایی سیال حفاری برای پر کردن و بستن شکافها و خلل و فرج عمیق موجود در دیواره چاه را افزایش دهد. این کار باعث افزایش استحکام دیواره چاه میشود. همچنین این فناوری از نوسان و تغییر زیاد خواص سیال حفاری جلوگیری میکند و پایداری امولسیون سیال حفاری پایه نفتی را بهبود میبخشد.
- فناوری افزایش استحکام دیواره چاه
فناوری حاضر توسط شرکت هالیبرتون[12] در سال 2003 به ثبت رسیده است و در مورد تهیه یک سیال حفاری با استفاده از نانو ذرات به منظور ممانعت کننده تورم شیل در مخازن ماسه سنگی و لخته سازی ذرات معلق در سیال حفاری است. در این فناوری از نانو ذرات عامل اتصال دهنده عرضی پلی وینیل پیرولیدون با نام تجاری VIVIPRINT 540 استفاده شده است که قادر خواهند بود بدون تأثیر مخرب بر روی سیال حفاری، باعث استحکام دیواره چاه شده و از ریزش آن جلوگیری کنند. این کار از گیرکردن لولهها، هرزروی سیال حفاری و کاهش سرعت حفاری جلوگیری میکند.
- کنترل هرزروی سیال حفاری به وسیله نانو ذرات گرافن
در این فناوری که در سال 2008 توسط دانشگاه رایس به ثبت رسیده است از نانو ذرات گرافن و نانو پلاکتها به منظور جلوگیری از هرزروی سیال حفاری استفاده شده است. این نانو ذرات ساختارهای مختلفی دارند که از لحاظ شیمیایی عامل دار شدهاند. همچنین به منظور معلق کردن این نانو ذرات در سیال حفاری از یک ماده فعال سطحی استفاده شده است. ساختار لایهای و استحکام بسیار زیاد باعث میشود که این ذرات با ایجاد یک فیلتر کیک و محدود کردن حفرات بر روی دیواره چاه از نفوذ سیال حفاری به درون سازند و آسیب رساندن به سازند و همچنین تخریب زیست محیطی جلوگیری کنند.
ب) فناوریهای مورد استفاده در سیمان حفاری:
- فناوری بهبود عملکرد مواد تأخیر کننده بندش دوغاب سیمان
این پتنت در سال 2003 توسط شرکت شلمبرژر [13] به ثبت رسیده است و در مورد استفاده از نانو ذرات سیلیکا به عنوان عامل بهبود دهنده مواد تأخیر کننده[14] (کند کننده زمان بندش دوغاب سیمان) بر روی یک زمان مناسب در حفاری چاههای عمیق (دما در انتهای چاه بیشتر از 90 درجه سلسیوس) است. این نانو ذرات در حالت مایع هستند و قبل از اضافه شدن به دوغاب با مواد تأخیر کننده مخلوط خواهند شد. استفاده از این نانو ذرات موجب میگردد به مقدار کمتری از مواد تأخیر کننده نیاز باشد. این نانو ذرات همچنین باعث سرعت بخشیدن به هیدراسیون سیمان در دمای پایین میشوند.
- فناوری سرعت بخشیدن به بندش سیمان حفاری در مخازن با دمای پایین
این پتنت در سال 2010 توسط شرکت هالیبرتون[15] به ثبت رسیده است و مربوط به استفاده از نانو ذرات آلومینا به منظور بهبود خواص مکانیکی سیمان حفاری، سرعت بخشیدن به تشکیل سیمان حفاری و افزایش کارکرد سیمان در دامنه وسیعی از عملیات سیمانکاری به خصوص مخازنی که تحت دمای پایین هستند (معمولاً کمتر از 40 درجه سلسیوس) است. در این سیمان حفاری از مواد لاتکس استایرن بوتادین استفاده شده است. همچنین میتوان از دیگر نانو ساختارها مانند نانو ذرات خاک رس، نانو ذرات سیلیکا، نانو ذرات اکسید فلزی و نانو باریت نیز استفاده کرد.
- فناوری بهبود مقاومت کششی سیمان حفاری
این اختراع نیز در سال 2012 توسط شرکت هالیبرتون[16] به ثبت رسیده است. در این فناوری به منظور بالا بردن مقاومت کششی برزیلی سیمان حفاری، استفاده از نانو لولههای غیر آلی پیشنهاد شده است. اضافه کردن این نانو ساختارها به سیمان حفاری باعث بهبود چگالی سیمان حفاری نیز میشود. در این اختراع از نانو افزودنیهای پلیمری آنیونی برای پخش کردن نانو ذرات در سیمان حفاری استفاده شده است. همچنین در این روش برای جلوگیری از به هم چسبیدن این نانو ساختارها به منظور استفاده از روشهای اختلاط سنتی برای تولید سیمان حفاری از یک روش جدید به منظور تولید این نانو ساختارها استفاده شده است.
- فناوری بهبود ویژگیهای ساختاری سیمان حفاری
این اختراع در سال 2008 توسط شرکت اینتوپ[17] به ثبت رسیده است و در مورد بهبود ویژگیهای ساختاری سیمان تولید شده برای استفاده در حفاری مخازن نفت و گاز با شرایط ویژه است. سیمان حفاری سنتی تشکیل شده دارای خلل و فرج و فضاهای خالی درون خود است که در شرایط ویژه مانند هنگامی که مقاومت دیواره سازند کم است، نفوذ آب و گاز به درون چاه وجود دارد و یا هنگامی که گاز ترش در سیستم وجود دارد باعث بروز مشکلاتی میشود. از این رو استفاده از افزودنیهای مختلف مانند نانو ذرات به منظور پر کردن این حفرات ضروری به نظر میرسد. در این فناوری از نانو ذرات سیلیکا، آلومینا و کلسیم اکسید در شکلها و ساختارهای گوناگون استفاده شده است که این مواد باعث کاهش نفوذ پذیری، بهبود خواص مکانیکی، بهبود خواص فیزیکی، شیمیایی و گرمایی و دیگر خصوصیات سیمان تشکیل شده، میشوند.
- فناوری بهبود خواص سیال حائل
در این فناوری که توسط شرکت شورون[18] توسعه داده شده، از نانو ذرات به عنوان عامل افزایش دهنده چگالی سیال حائل استفاده شده است. نانو ذرات میتوانند مواد مختلفی مانند فلزات، سرامیک، نانو لولهها، نانو میلهها، پلیمرها و دیگر ساختارهای نانویی باشند که سطح آنها به صورت شیمیایی اصلاح شده است. استفاده از این نانو ذرات وزن مخصوص بسیار خوبی را در سیال پایه ایجاد میکند به طوری که نیاز به دیگر مواد افزایش دهنده چگالی و گرانروی نیست. همچنین این ذرات باعث افزایش سازگاری سیال حائل با هر دو سیال حفاری و سیمان حفاری میشوند و توانایی تمیزکاری چاه از طریق بهبود راحتی پمپاژ سیال در شرایط آشفته را افزایش میدهند.
- فناوری تولید سیمان حفاری فوق سبک
این فناوری در سال 2011 و توسط پژوهشگاه صنعت نفت ایران[19] به ثبت رسیده است و مربوط به تبدیل سیمان حفاری سبک به فوق سبک با خواص رئولوژیکی بسیار مناسب برای استفاده در چاههای عمیق دریایی و چاههایی با دما و فشار بالا در خشکی است. برای تهیه این سیمان از نانو ذرات آب گریز سیلیکا، حداقل یک افزودنی مانند مواد کنترل کننده رهایش گاز و مقدار کافی آب استفاده شده است که دوغاب بدست آمده در نهایت مقاومت فشاری بالا (در حدودpsi 4550)، تخلخل بسیار پایین، آب آزاد کم، خوردگی بسیار کم، زمان تشکیل کوتاه و هرزروی بسیار پایین خواهد داشت.
- محصولات تجاری بر پایه نانو فناوری
شرکتهای معتبر بسیاری در زمینه تأثیر فناوری نانو بر سیالات و سیمان حفاری در واحد تحقیق و توسعه خود مطالعاتی انجام دادهاند که حاصل این تحقیقات به صورت محصول روانه بازار شده است. در جدول 2 تعدادی از این محصولات به همراه شرکت سازنده و کاربرد آنها معرفی شده است.
جدول 2 محصولات حاصل از به کارگیری نانو فناوری گل و سیمان حفاری
| ردیف | نوع محصول | شرکت سازنده | کاربرد | تصویر محصول |
| 1 | مواد کنترل هرزروی گل
™PlatDrill و ™ PlatQ |
Graphene Nanochem (Malaysia) | کنترل هرزروی سیال حفاری با استفاده از نانو ذرات گرافن | |
| 2 | Nano-based fluid loss control additive YDN-1 | Greatwall Drilling Company (China) | – کنترل هرزروی سیال حفاری با استفاده از نانو بنتونایت خاک رس | |
| 3 | ماده کنترل هرزروی سیال حفاری
®Pure-Bore |
Clear Solutions (US) | کنترل هرزروی سیال حفاری با استفاده از نانو ذرات سازگار با محیطزیست | |
| 4 | نانو افزودنی کلسیم کربنات
NPCC-901 |
NanoMaterials Technology Co. (Singapore) | – افزایش راون سازی
– ایجاد یک لایه محافظ در سیال حفاری |
|
| 5 | نانو افزودنی سیلیکا
DP9711 |
NYACOL (US) | – افزایش مقاومت در برابر خوردگی
– کنترل هرزروی سیال حفاری – بهبود خواص سیمان حفاری |
|
| 6 | نانو سیمان حفاری | VICON | – بالا بردن عملکرد سیمان حفاری
– کاهش اثرات مخرب زیست محیطی |
|
| 7 | نانو افزودنی
Flocapso™ |
Solazyme Inc. (US) | – افزایش روانسازی سیال حفاری |
[1] Water-based-Mud (WBM)
[2] Oil-based-Mud (OBM)
[3] Synthetic-based-Mud (SBM)
[4] Nano-Modified Polyacrylamide
[5] Mud Cake
[6] Dendrimer
[7] US8469118: Drilling fluid containing carbon nanotubes; ARKEMA and TOTAL.
[8] US8822386: Nanofluids and methods of use for drilling and completion fluids; BAKER HUGHES.
[9] US6579832: Method for treating drilling fluid using nanoparticles; INTEVEP.
[10] US2013109100: Nanoparticle smart tags in subterranean applications; HALLIBURTON ENERGY SERVICES.
[11] CN104710968: Drilling fluid additive and method of use and the sealing material; CHINA PETROCHEMICAL.
[12] US7786049: Drilling fluids with improved shale inhibition and methods of drilling in subterranean formations; HALLIBURTON.
[13] US7674331: Dual function cement additive; SCHLUMBERGER.
[14] Retarder
[15] US8940670: Cement compositions comprising sub-micron alumina and associated methods; CURTIS PHILIP ANTHONY and HALLIBURTON ENERGY SERVICES.
[16] US20140090842: Cement Compositions Comprising Deagglomerated Inorganic Nanotubes and Associated Methods; HALLIBURTON ENERGY SERVICES.
[17] US8273173: Nano-additive for hydrocarbon well cementing operations; INTEVEP.
[18] US8499837: Nanoparticle-densified Newtonian fluids for use as cementationspacer fluids and completion spacer fluids in oil and gas wells; CHEVRON.
[19] US8834624: Modified cement composition, preparation and application thereof; Research Institute Of Petroleum Industry.
———————————————————————
تهیه و تنظیم:
- شرکت ایده سازان عصر آفتاب
بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
