سیمانکاری چاههای نفت و گاز بخش مهمی از عملیات تکمیلی حفاری چاه محسوب میشود که به دلیل تجدید ناپذیری دارای حساسیت خاصی بوده و کیفیت آن در طول عمر چاه تأثیرگذار میباشد. وظیفه سیمان پشت لوله جداری، کمک به محافظت لوله جداری در برابر فشار سازند و محافظت از خوردگی لولهها در اثر سیالات خورنده یا تماس با چینهها میباشد. همچنین سیمان از مهاجرت سیالات از سازندی به سازند دیگر یا به سطح ممانعت کرده و از آلودگی هیدروکربورهای مخزن توسط سیالات سایر سازندها جلوگیری میکند. بهکارگیری سیمان برای تقویت طبقات ضعیف و نیز غلبه بر هرزروی و تزریق سیمان برای متروکهسازی یا تعلیق چاه از دیگر موارد استفاده از سیمانکاری میباشد. بدین منظور در فرمولاسیونهای جدیدی از نانوذراتی مانند نانولولههای کربنی و نانو ذرات سیلیس کروی و...استفاده شده است. تبدیل فرمولاسیون معمول دوغاب به فرمولاسیونی با ترکیبات نانو ساختار، باعث کاهش وزن دوغاب سیمان و کاهش loading و همچنین بهبود خصوصیات رئولوژی و ساختاری دوغاب شده است. تبدیل مواد مورد استفاده در فرمولاسیون معمول به نانو، باعث افزایش مساحت سطح و کنترل تخلخل و سایز میشود که در خصوصیات رئولوژی و مکانیکی مؤثر و سبب سبکی سیمان میگردد.
1- مقدمه
به مجموعه عملیاتی که از اکتشــاف تا پالایشــگاه در زمینه تولید و اســتخراج نفت انجام میگیرد، صنایع بالادستی گفته میشود. این عملیات شامل اکتشاف، حفاری، بهرهبرداری و مدیریتمخازن میشود. از میان کلیه خدماتی که در طول حفاری یک چاه نفت یا گاز به آن زمان داده میشود، لولهگذاری و سیمانکاری را یقیناً میتوان مهمترین خدمات دانست که با توجه به عمق و دما طراحی میشود. عمر چاه، میزان تولید و مدت بهرهدهی آن به مقدار وسیعی بستگی به درجه موفقیت این خدمات دارد. در عملیات لولهگذاری در قسمت حفره باز بهوسیله یک رشته لوله فولادی مخصوص پوشیده میشود و متعاقب آن در عملیات سیمانکاری، فضای حلقوی بین لوله و دیواره چاه از یک دوغاب سیمان با ترکیبات معین پرمیگردد. دوغاب سیمانی که بهاینترتیب دالان پشت لولهها را پرمیکند با گذشت زمان (معمولاً پس از چند ساعت یا چند روز) میبندد و سخت میشود و سنگ سیمان حاصل چون غلافی محکم لولههای پوششی را در برمیگیرد و آنها را با سازند پیوند میدهد. این غلاف سخت سیمانی وظایف متعددی را انجام میدهد؛ که شاید بتوان تمام آنها را در دو کلمه محافظت و ممانعت خلاصه کرد. سیمان به دیواره چاه ثبات میدهد و لولههای پوششی را در مقابل فشارهای خارجی ناشی از طبقات زمین که ممکن است حتی باعث درهم شکستن و خورد شدن لولهها گردد و نیز در مقابل الکترولیز و خوردگی که ناشی از آبهای خورنده زیرزمینی یا تماس مستقیم لولهها با چینهها است محافظت میکند و از مهاجرت سیالات یک سازند به سازند دیگر و آلوده شدن ناخواسته هیدروکربنهای ارزشمند (نفت و گاز) ممانعت به عمل میآورد. سایر وظایف افزودنیهای سیمان حفاری در شکل 1 مشاهده میشود.
اخیراً خصوصیات مکانیکی سیمان حاوی نانوذرات مورد مطالعه قرار گرفته است و نتایج تجربی آن بهطور خلاصه شامل:
· توزیع مناسب نانوذرات موجب افزایش ویسکوزیته فاز مایع گردیده و به تعلیق ذرات سیمان و تودههای درون آن کمک نموده و مقاومت در برابر جدایش و قابلیت کارکرد سیستم را بهبود میبخشد.
· نانوذرات حفرات مابین ذرات سیمان را پرنموده و منجر به عدم جریان یافتن آب آزاد میگردد.
· نانوذرات خوب پخششده بهعنوان مراکز بلورشدگی سیمان هیدراته عمل مینمایند، لذا
هیدراسیون سیمان را تسریع میبخشد.
· نانوذرات ساختار تودهای متراکم زونهای برخود را بهبود بخشیده که نتیجه آن اتصال بهتر مابین
تودههای متراکم و دوغاب سیمان است.
· ممانعت از ایجاد درز و اثرات میان قفل کنندگی مابین صفحات لغزش که بهوسیله نانوذرات به وجود میآید و موجب بهبود و افزایش سختی، استحکام برشی، کششی و خنثی سیمان میگردد.
· حضور نانوذرات باعث کاهش شدید تخلخل و تراوایی میشوند که دلیل این امر ریز بودن نانوموادی مثل ذرات کروی سیلیس برای پرکردن خلل و فرج و یا همچنین وجود ساختار میلهای نانو کربن تیوب برای پل زدن میان ماتریس دوغاب است.
2- کاربرد نانوسیال در صنعت نفت
تاکنون محققان بسیاری بر روی کاربردپذیری نانوسیالات در صنایع مختلف کار کردند، در همین راستا پژوهشهای گسترده برای بهبود خواص فیزیکی از جمله ضریب هدایت حرارتی[1-6]، ویسکوزیته[7-10] صورت گرفته است. مطابق شکل 2 کاربرد نانومواد در صنعت نفت در بخشهای گوناگون از اکتشاف تا پالایش در حال گسترش است و بهطور برجسته مورد تحلیل پژوهشگران قرار گرفته است[11-13]. نانوذرات دارای خــواص ویــژه و منحصربهفردی هستند که افزودنشان باعـث بهبـود خـواص سیال مختلف میشود و درنهایت کارایـی حفاری و استخراج بهبود مییابد [14-17].
2-1- عملیات حفاری به کمک نانو
حفاری یکی از جنبههای مهم بخش نفت و گاز است که با توجه به افزایش نیاز به بهرهبرداری از ذخایر هیدروکربوری مورد توجه پژوهشهای بسیاری است. حفاری در حقیقت بخش اولیه دسترسی به سیال درون مخزن است و میبایست بهصورت ایمن، با کمترین هزینه و با حداقل آسیب و یا بدون آسیب به محیطزیست انجام گیرد؛ بنابراین پیش از شروع عملیات حفاری ساخت و ترکیب، انتخاب برنامه سیمانکاری صحیح در کنار سیال حفاری از گامهای اولیه و شاهرگ یک عملیات موفق و کارآمد حفاری است.[18-20] بنابراین تأثیر نانوسیال در حفاری بیشتر در سه وجه یک مثلث خلاصه میشود (شکل 3).
2-1-1- کاربرد نانوافزودنیها در بهبود عملکرد سیال حفاری
افزودن نانوذرات میتواند با کنترل رفتار سیال به روند و کارایی گِل حفاری و پیشرفت این بخش با پاسـخگویی به نیازهـای عملیـات حفـاری در شـرایط پیچیـده کمک کند[21, 22]. نانوسیال حفاری بـا افـزودن ذرات در نسبتهای حجمـی پاییـن بـه سـیال پایـه و چگالی مناسب تهیه میشود. حصول پارامترهایی همچون ویسکوزیته بهینه و پایداری حراراتی نیز با اضافه کردن نانو افزودنیها به دست میآید[23-25]. سیال حفاری ارتقـا یافتـه بـا نانـوذرات دارای خـواص رئولوژیکـی مطلـوب، کنتـرل مطلـوب ظرفیـت فیلتر، پایـداری بسـیار خـوب سوسپانسـیون، روانکاری خـوب و قـدرت ضـد آلودگـی بـالا اسـت. [26, 27] [28]. YUو همکاران[29] تأکید کردند که افزودن نانوذرات علاوهبر بهبود خواص رئولوژی سیال حفاری، کارایی عملیات حفاری را با کاهش هرزروی، زدودن آلودگی سیال حفاری، رفع گیر رشته حفاری و خود تمیزشوندگی بهدنبال دارد. نانوذرات موجود در سیال حفاری با تشکیل کیک گِل نفوذناپذیر، بدون تخلخل، نازک و پیوسته، میتوانند هرزروی را خصوصا در فضاهایی با تخلخل بالا را به حداقل برسانند. نازک بودن کیک ROP را افزایش میدهد و وقفه در عملیات را کاهش میدهد. همچنین کیک گِل را میتوان بهعنوان عامل روانساز در سطح تماس رشته حفاری – دیواره چاه در نظر گرفت که کاهش اصطکاک و خوردگی را منجر میشود (شکل 4) [30, 31].
2-1-2- سازوکارهای ازدیاد برداشت به کمک نانوسیال
بـا افزودن نانومواد بـه سیال پایه، نسبت پویایی سیال تزریقی بهبود مییابد. درنتیجه هنگام تزریق، پدیده انگشتی کاهش مییابد و سطح بیشتری از محیط متخلخل در تماس بـا سیالتزریقی خواهد بـود. لذا بازدهی جاروبی سیال افزایش مییابد و نفت بیشتری از مخزن برداشت خواهد شد. تزریق نانوسیالها به درون مخزن، باعث تغییر ترشوندگی سنگ مخزن از نفتتر بـه آبتر میشوند و از این طریـق باعث حرکت راحتتر نفت از درون خللوفرج سنگ مخزن بهسمت چاه تولیدی میشوند همچنین نانوذرات قـادرند کششبینسطحی نفت و سیال تزریقی را به مقدار قابلتوجهی کاهش دهند (شکل 5) [33-35].
شکل 6 شمایی از عملکرد نانوذرات در فرایند ازدیاد برداشت است. محققان مکانیزمهای احتمالی اثر نانوذرات بر بازدهی نفت را به 4 دسته کلی تقسیمبندی میکنند [36]:
· کاهش زاویه تماس سیال با سنگ که باعث تغییر ترشوندگی از نفتتر به آبتر میشود.
· کاهش کشش بین سطحی بین سیال و نفت
· کاهش ویسکوزیته نفت که باعث گسیل راحتتر نفت در مخزن میشود.
· ایجاد یک نسبت پویایی مناسب در سیال تزریقی
Khalafi و همکاران[37] به بررسی اثر نانـوذرات 2SiO و مواد فعال سطحی بر ترشوندگی و میزان برداشت در بستر متخلخل ماسهسنگی پرداختند. برای اینمنظور سیلابزنی سورفکتانت با 2SiO با میکرومدل تحلیل شد. در تزریق نانوسیالات لایهای از آب بر بستر متخلخل قرار گرفته که این امر نشان میدهد که استفاده از 2SiO باعث تغییر ترشوندگی بستر متخلخل از حالت نفتدوست به آبدوست شده است و در محیط متخلخل میزان برداشت نفت بهکمک 2SiO سیر صعودی داشته است. در این مطالعه مشاهده شد که تزریق 2SiO همراه با سورفکتانت علاوهبر بهبود جاروب باعث کاهش اندازه حباب نفت باقیمانده میشود. Alnarabiji و همکاران[38] استفاده از نانوکریستالهای ZnO و تأثیر افزایش ویسکوزیته بر EOR را تحت میدانالکترومغناطیس در brine-salinity محیط متخلخل (غلظتهای مختلف) را بررسی کردند. این مطالعه قابلیت استفاده از میدان مغناطیسی برای افزایش ویسکوزیته ZnO-NF در محیط متخلخل را تحلیل کرد؛ که متعاقباً بازیافت تا ۳/23 درصد افزایش یافت (شکل 7).
تزریق آب با شوری کم و ترکیب یونی بهعنوان روشی بهینه برای EOR است. اخیراً کاربرد نانوذرات با آب با شوری پایین نتایج قابلتوجهی را در بهبود بازیابی نشان داده است. Sadatshojaei و همکاران[39] تغییر wettability در محیط متخلخل با تزریق آب با شوری کم در سنگ کربنات و حضور SiO2 را بررسی کردند که در آن یونهای فعال بهدنبال حذف carboxylic سطح متخلخل هستند و سطح آبدوستی ایجاد میکنند و در نتیجه موجب بهبود ازدیاد میشود. تزریق آبهوشمند بهصورت ترکیبی با آب دارای CO2 کاهش IFT را با افزایش حلالیت به دنبال دارد؛ باوجود CO2 سیلابزنی اسیدی میشود و تخلخل، تراوایی و درنتیجه EOR افزایش مییابد[40]. در این زمینه fu و همکاران[41] انتشار همزمان CO2 و نانوذرات SiO2 از طریق محیطی متخلخل را بررسی کردند که موبیلیتی CO2 کاهش و کارایی جاروب سیلابزنی CO2 و بهدنبالشEOR بهبود مییابد.
2-1-3- سیمان نانویی
سیمانکاری چاههای نفتی بهمنظور 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 (در مقابل سازندهای متخلخل) مهمترین ماده مورد استفاده در سیمانکاری چاههای نفت و گاز است که به لحاظ شرایط دما و فشار بالای چاههای نفت و گاز، با نوع ساختمانی آن متفاوت است. گاه این عملیات دارای مشکلاتی مختلف و کارایی پایینی هستند. به همین دلیل امروزه استفاده از نانوذرات در سیمان حفاری بهمنظور بهبود خواص آن با توجه به خواص ویژهای که این ذرات دارند بسیار متداول شده است. هرچند مطالعات کمی انجام شده است، درعینحال پرداخت به این موضوع در رابطه با کاهش تخلخل و نفوذپذیری نیز از اهمیت برخوردار است (سیمان بایستی بهگونهای طراحی شود که دچار نشتی در سازندهای متخلخل نشود) (شکل 8).
2-1-3-1- کاربرد نانوافزودنیها در سیمان حفاری
افزودنیهای سـیمان در مقیـاس نانـو بهمنظور افزایـش کارایـی سـیمان و بهبـود خـواص آن اسـتفاده میشوند. همچنیـن، نانوافزودنیهـا در بهبـود خـواص سـیال حائـل بـه کار میروند و پیش از فرایند عملیاتی بهصورت آزمایشگاهی ارزیابی میشوند (شکل 9).
Ø کاربرد نانوافزودنیها در سیال حائل
نانوافزودنیها بهصورت نانوامولسیونهایی که بـهدلیل اندازه فاز داخلی امولسیون دارای سطح بالاتر و ویژگیهای متفاوتی نسبت به سایر امولسیونها هستند در سیال حائل سیمان استفاده میشوند. استفاده از این نانوافزودنیها در سیال حائل موجب بهبود و افزایش تمیزکاری لوله جداری حین سیمانکاری چاه میشود. همچنین این نانو امولسیونها با تغییر ترشوندگی سطوح درگیر، موجـب چسبندگی بهتر دوغابه مابین لوله و چاه میشوند. بهعلاوه با استفاده از چنین سیستمی با کارکرد بالا و میزان کمتر ماده شیمیایی هزینههای سیمانکاری کاهش خواهد یافت.
کاربرد نانوافزودنیها در ترکیب سیمان حفاری
نانومواد به دلیل سطح بالایی که دارند در فرایند سیمانکاری چاه نفت با اهداف زیر به کار گرفته میشوند:
· شتابدهنده فرایند هیدراسیون سیمان؛
· افزایش مقاومت تراکمی؛
· کنترل فاکتور هرزروی سیال (میزان آب ازدستدادگی سیمان) ؛
· کاهش احتمال فروریختن یا شکستگی لوله جداری؛
· جلوگیری از مهاجرت گاز.
2-3-1-2- مروری بر کاربرد انواع نانوذرات
نانومواد خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه دارند که میتوانند به ساخت موادی جدید منجر شوند. اندازه بسیار ریزنانوذرات باعث ایجاد خواص مطلوب ماده میشود و در محیطی همچون فضای متخلخل کاربرد ایدهآلی دارد. استفاده از علم نانو در عملیات سیمانکاری چاههای نفتوگاز، بازده و نیز هزینه عملیات را به میزان بسیار زیادی بهبود میبخشد. جهت فایق آمدن مشکلات حفاری میتوان از نانوذرات مختلف از جمله SiO2، ZnO، MgO، نانوذرات نیکل، نانورسها، نانوذرات آلومینا، نانو مونتموریلونیت، نانو بنتونیت، نانولولههای کربنی و... استفاده نمود و مطالاعات آن را گسترده کرد[42, 43].
تخلخل که بخشی از حجم خلأ بر حجم کل است و تراوایی بهعنوان معیاری برای اتصال منافذ دو پارامتر مهم در عملیات سیمانکاری است که لازم است که حداقل مقدار در سیمان را داشته باشند. ضمن آن مقدار بهینه آن بهصورت آزمایشگاهی و به کمک قالب و مغزههای سیمانی اندازهگیری شود. اگر سیمان قابلنفوذ و نفوذپذیر باشد، ممکن است شکاف و کانالها درون سیمان وجود داشته باشد که میتواند بسیار خطرناک باشد؛ و با نفوذ سیالات اطراف سازند به چاه و همچنین سیمان هزینه بسیاری را متحمل کنند بنابراین، کاهش تخلخل و تراوایی در سیمان ضروری است. با ظهور فناوری نانو، این مسئله میتواند بهطور مؤثر به کاهش تخلخل و تراوایی منجر شود و امکان ایجاد channeling درون سیمان را به حداقل برساند و امکان مهاجرت گاز را کاهش دهد (شکل 10).
برای مثال در مطالعات مشاهده شده است که با افزودن 1 درصدی نانوذرات به دوغاب تخلخل به میزان 15 درصد کاهش و بهدنبال آن نفوذپذیری نیز نزولی میشود. البته این نتایج در مقدار محاسباتی بهدست آمده و در حدی بیشتر افزودن نانوذرات نتایج مثبتی ندارد. برای مثال افزودن نانوذرهای مثل سیلیکا با Calcium Hydroxide crystals نیز ضمن کاهش اندازه و مقدار، خمیر سیمان را متراکمتر میکند[44, 45]. شکل 11 چرخه کاهش نفوذپذیری ضمن کاهش تخلخل بهدنبال افزودن نانوذرات را نمایش میدهد.
Ø سیلیکا
سیلیکا ترکیب شیمیایی است که از گذشته تاکنون در موارد مختلف مهندسی از جمله مکانیک، شیمی، عمران و... استفاده گردیده است. SiO2 یکی از پیچیدهترین ترکیباتی است که بهصورت معدنی در طبیعت موجودند و قرار گرفتن اتمهای اکسیژن در رئوس چهاروجهی آن از لحاظ ترمودینامیکی پایدارترین حالت فضایی را ایجاد میکند و ترکیبش با آب یکی از مشتقات پرمصرف در سیمانکاری است.
این ترکیب در حالتهای مختلفی نظیر کوارتز ذوب شده یا شیشه سیلیکای بلوری، سیلیکای بخار شده و ژلهای سیلیکاتی در طبیعت موجود است. موارد کاربرد SiO2 بهعنوان یک ماده ارزان، مقرونبهصرفه گسترده است و در صنایع مختلف از جمله نفت و حفاری و در بخش عملیات سیمانکاری حفاری در بازههای وزنی مختلف تا 50 درصد کاربردی شده است ضمن وابستگی به پارامتر زمان بندش مقاومت تراکمی را افزایش میدهد (شکل 12) [49-46]. بهطورکلی:
· زمـان بنـدش و میـزان تخلخـل سـیمان و نفوذپذیری، در اثـر افزایش نانوسـیلیکا کاهـش یافته اسـت. ایـن در حالـی اسـت کـه افزایـش نانوسـیلیکا موجـب افزایش ویسـکوزیته شـده اسـت.
· بندش بهتر در مقابل سازندهای آبدوست و نفت دوست
· افزایش استحکام تراکمی سنگ سیمان
· افزایش مقاومت در مقابل آلودگی سازند بهوسیلهی سیال چاه بهواسطه کاهش تراوایی
· کاهش نرخ هرزروی
· بهبود مقاومت و ماندگاری
Ø سیلیس و نانو اکسید تیتانیوم و اکسید آهن
در رابطه با بهبود نفوذپذیری و کاهش تخلخل و در مجموع خصوصیات مکانیکی سیمان حاوی نانوذرات سیلیس و نانو اکسید تیتانیوم و اکسید آهن نیز مطالعاتی صورت گرفته است. نتایج تجربی حاکی از افزایش در استحکام خمشی و تراکمی ماده ساروج حاوی نانوذرات است. بر طبق دادههای در دسترس، عملکرد سودمند نانو بر روی ساختار بسیار ریز و عملکرد مصالح سیمانی را میتوان بهوسیلهی موارد ذیل بیان نمود:
1- توزیع مناسب نانوذرات موجب افزایش ویسکوزیته فاز مایع گردیده و به تعلیق ذرات سیمان و تودههای درون آن کمک نموده و مقاومت در برابر جدایش و قابلیت کارکرد سیستم را بهبود میبخشد.
2- نانوذرات حفرات مابین ذرات سیمان را پرنموده و منجر به عدم جریان یافتن آب آزاد میگردد.
3- نانوذرات خوب پخش شده بهعنوان مراکز بلورشدگی سیمان هیدراته عمل مینمایند، لذا هیدراسیون سیمان را تسریع میبخشد.
4- نانوذرات ساختار تودهای متراکم زونهای بر خود را بهبود بخشیده که نتیجه آن اتصال بهتر مابین تودههای متراکم و دوغاب سیمان است.
5- ممانعت از ایجاد درز و اثرات میان قفل کنندگی مابین صفحات لغزش که بهوسیله نانوذرات به وجود میآید و موجب بهبود و افزایش سختی، استحکام برشی، کششی و خنثی سیمان میگردد.
آلومینا نیز رفتار مشابهی با سیلیکا دارد و با اضافه نمودن نانوذرات آلومینا و همچنین نانوذرات نیکل میتوان ضمن تسریع هیدراسیون، مقاومت سیمان مورد استفاده در فرایند را بهطور فزایندهای افزایش و زمان بندش (تسریعکننده بندش) را بهبود داد. البته استفاده بیشازاندازه نانوذرات در سیمان نتیجه معکوس خواهد داشت که باید برای جلوگیری از این واقعه میزان بهینه را تعیین نمود.
آلومینا ماننـد نانوخوشـههایی عمل میکنند که به ذرات درشتتر درون ماتریس چسبیده و سطح ماتریس را افزایش میدهد. بدیـن ترتیب، تخلخل کاهش یافته و افزایشی مستقیم در خواص مکانیکی ایجاد میشود[50, 51].
Ø نانولولههای کربنی
نانولولههای کربنی دارای سطح ویژه بسیار بالا، نفوذپذیری زیاد و پایداری مکانیکی و حرارتی خوبی هستند و در مطالعات بسیاری در مورد تأثیر افزودن آنها بهویژه در صنعت نفت در نتایج اشاره شده است؛ از این نانومواد Dispersion stability عالی دارد که در دماهای بالایی کاربردی است[52].
این قبیل مواد استوانهای تنوع؛ شکل و خواص نوظهوری دارند که آنها را دارای پتانسیل مفیدی در هدایت حرارتی و بهویژه همراه با نانوذرهای دیگر در محیطی متخلخل یا همراه سورفکتانت (عامل پراکنش) کرده است ؛ و همین خواص در کنار نحوه افزودن به ترکیب سیمان موجب بهبود خواص سیمان حفاری میشود. نکتهای که در رابطه با نانولولههای کربنی میبایست هزینه شود، هزینه بالا این نوع افزودنی است که باعث شده در مقایسه با کاربرد عملیاتی بیشتر در مطالعات به آن اشاره شود[53-55].
از CNT بهعنوان یک ماده تقویتکننده برای سیمان در مقایسه با اکثر فیبرهای تجاری و دارا بودن چندین مزیت متمایز و مشخص را انتظار میرود. اول اینکه نانولولههای کربنی دارای مقاومت قابلملاحظه بیشتری نسبت به فیبرهای دیگر هستند که باعث بهبود بخشیدن رفتار مکانیکی کلی سیمان میشود.
دوم اینکه، CNT دارای نسبت جانبی خیلی بیشتری است که و در نتیجه نیازمند انرژی بیشتری برای گسترش و پخش شکاف و ترک در اطراف یک لوله در مقایسه با حالتی که از یک فیبر با نسبت جانبی کمتری استفاده شود، است.
سوم اینکه، قطرهای کوچکتر از CNT میتوانند هم بهطور گستردهتری در ماتریکس سیمان با کاهش فضای فیبرهای توزیع و منتشر شوند و هم فعلوانفعالات و واکنشهای آنها با ماتریکس سیمان ممکن است متفاوت با فیبرهای بزرگتر باشند.
نتایج ارزیابی و بررسی اثر CNT بر روی سیمان چاه نفت نشان میدهد که این ماده میتواند مقاومت تراکمی سیمان بسته شده را بهطور مؤثری افزایش دهد. همچنین، اضافه کردن مقدار صحیح CNT به دوغاب سیمان میتواند تخلخل و تراوایی سیمان بسته شده را به مقدار قابلملاحظهای کاهش دهد.
همچنین یکیاز مهمترین ویژگیهای CNT این است که نانولولههای بهکاررفته در سیمان بستهشده میتواند ایجاد شکاف و ترکها در سیمان را کاهش میدهد. استفاده از سیمان تقویتشده بهوسیله CNT میتواند احتمال مچالگی لوله جداری در چاههای گازی و نفتی را نیز کاهش دهد. مهاجرت گاز یکی از شایعترین مشکلات عملیات سیمانکاری در چاههای گازی است که با استفاده از CNT در سیمان میتواند، میزان مهاجرت گاز از میان سیمان بسته شده در بین دیواره چاه و لوله جداری را کاهش دهد.
Ø نانورس
در رابطه با بررسی تأثیر نانورسها در فرایند سیمانکاری حفاری باید به مزایای ویژه این نوع نانوذره اشاره کرد که شامل gel-strengh و مقاومتکششی ایدهال، بهبود رفتار رئولوژیک و بهخصوص جلوگیری از هرزروی در دماهای مختلف و بهخصوص دمای بالا است. نانورسها نانوذراتی با ســازگاری بالا با ســازند هستند که به دلیل ویژگیهای ذاتی خود کمتر در غلظتهای مختلف تحت تأثیر قرار میگیرند[56, 57]. افزایش محتوی بنتونایت نانویی البته با توجه به انتخاب غلظت مناسب در سیمان حفاری ضمن مقاومت تراکمی بالا موجب کاهش مقاومت الکتریکی میشود و چگالی و نفوذپذیری و تخلخل را کاهش میدهد و درعینحال مقدار بهینه را میبایست در نظر داشت (شکل 13).
Ø نانوکربنات کلسیم
افزودن نانوکربنات کلسیم به سیمان سبب بهبود سختی و مقاومت در برابر فرسایش میشود. در مقایسه با کامپوزیت سیمانی بدون نانوکربنات کلسیم، استحکام فشاری کامپوزیت دارای نانوکلسیم کربنات افزایش و هرزروی کاهش مییابد. ضمن این موارد افزودن این نوع نانوذرات باعث کاهش زمان بندش و آب ازدستدادگی میشود. مطالعات نشان داده که کاهش اندازه نانوذرات و به دنبال آن افزایش نسبت به حجم موجب بهبود پارامترهای مکانیکی و کاهش تخلخل میشود.
Ø نانوسلولز
اشاره به نانوساختارهای سلولزی نیز لازم است؛ نانوسلولز (Nanocellulose) عبارتی است که برای اشاره به سلولز با ساختاری نانو بهکار میرود؛ مانند نانوالیاف سلولزی که میتوانند بـا بهبود رفتار رئولوژیکی، پایداری دمایی را افزایش دهند و خطر تخریب سازند را نیز کاهش دهند. نانوسلولزها دارای ویژگیهای منحصربهفردی ازجمله فراوانی منابع تجدیدپذیری زیستتخریبپذیری قیمت کم مقاومت ویژه زیادمی باشند[59, 60].
کاربـرد نانوسـلولز از سـوی شرکتهای شـلمبرژه، سـان دریلینـگ و هالیبرتون بررسـی شـده اسـت. در برخی مقالات مورد مطالعه بوده است. Cellulose یک polysaccharide متشکل از چندین واحد D - گلوکز است که در شکل نشانداده شدهاست. ویژگیها مانند سختی و تراکم، insolubility آب و ماهیت فیبری نقش حیاتی در خواص عملکردی سلولز و مواد مبتنی بر سلولز مانند کربوکسی متیل سلولز ایفا میکنند. Cellulose nanofibre CNF از جمله نانوفایبر سلولزهایی است که باتوجه به ماهیت خاص خود موجب کاهش تخلخل میشود و میتواند خصوصیات مکانیکی interfacial transition zone در خمیر سیمان چاه نفت را بهبود ببخشد[61-64].
سایر نانوموادی همچون نانوکامپوزیت، نانوباریت، نانو زئولیت و... نیز افزودنیهایی هستند که ضمن افزایش مدول الاستیک (بهدنبال توزیع مناسب نیروهای تحت بارگذاری دینامیک) باعث افزایش مقاومت تراکمی، مقاومت فشاری و... میشوند. افزایش آب در سیمان باعث افزایش تخلخل و نفوذپذیری شده و مهاجرت گاز و سایر آسیبها و هزینهها را منجر میگردد ولی درعینحال افزودن نانوذراتی که در این قسمت و پیشتر نام برده شد با توجه به ماهیت خاصی و نسبت سطح به حجم بهینه (شکل 14) و با تنوع و اندازههای متفاوت باعث بهبود خواص مکانیکی، کاهش تخلخل و نفوذپذیری میشوند. نانوذرات با شکل یکنواخت و فعالیت زیادشان هیدراسیون را تسریع میکنند و تخلخل را پرکرده و ساختار میکروبی سیمان و سطح مشترک را بهبود میبخشد و درمجموع باعث:
· ایمنتر شدن متروکهسازی و جداسازی زونهای هیدروکربوری
· مقاوم شدن سیمان در برابر آبهای شور
· کاهش انقباض ستونهای سیمانی و.... میگردد.
3- بحث و نتیجهگیری
حوزههای متعددی در صنعت نفت وجود دارد که با ورود فناوری نانو به آنها میتوانند نسبت به حال حاضر خود، مؤثرتر، ارزانتر و سازگارتر با محیطزیست باشند. چشماندازهای ممکن فناوری نانو در آینده صنعت را میتوان در صنایع بالادستی و سنگین عملیاتی بیشتر نقشآفرین دانست. سرمایهگذاری در فناوری نانو ازدیاد برداشت نفت، کاربرد نانوسیالات در اصلاح خواص رئولوژیک سیال حفاری، بهبود پایداری و هدایت حرارتی و یک عملیات بهینه سیمانکاری به کمک انواع نانوذرات در اولویتهای دپارتمان انرژی آمریکا، انگلستان، ژاپن و... قرار گرفته است؛ و اخیراً ایران نیز بهعنوان یکی از کشورهای فعال در حوزه فناوری نانو دستاوردهای قابلتوجهی را در این راستا به دست آورده است. یکی از چالشهای عمده صنایع نفتی، کاربرد نانوسیال در محیط متخلخل است که در این مطالعه بیشتر با رویکرد سیمان حفاری است؛ بنابراین در این پژوهش تأثیر نانوسیال را در سه وجه کاربردی فوق بررسی کردهایم که نتایج برجسته آن شامل موارد ذیل است:
نانوسیال حفاری
· نانوذرات موجود در سیال حفاری با تشکیل کیک گِل نفوذناپذیر، بدون تخلخل، نازک و پیوسته، میتوانند هرزروی را خصوصاً در فضاهایی با تخلخل بالا را به حداقل برسانند.
· سازندهای ماسهای ضعیف به جهت تخلخل و تراوایی سازند هرزروی سیال حفاری را ممکن میسازند، با توجه به ساختار، شکل و اندازه نانوذرات تولید شده، انتظار میرود که مسیر هرزروی موجود در سازندهای نفوذپذیر، متخلخل و شکاف دار مسدود نماید.
· در برخی مطالعات دلیل اصلی برای برتری نانوذرات، تخلخل بالای نانوذرات است که منجر به افزایش سطح ویژه و واکنشپذیری این ذرات میگردد.
ازدیاد برداشت
· نانوسیال با نسبت پویایی بالا هنگام تزریق، پدیده انگشتی شـدن را کاهش میدهد و سطح بیشتری از محیط متخلخل را در برمیگیرد و لذا بازدهی جاروبی سیال و ازدیاد برداشت نفت بهبود مییابد.
· تزریق نانوسیالها به درون مخزن، ترشوندگی سنگ مخزن را از نفتتر بـه آبتر تبدیل میکند و از این طریـق باعث حرکت راحتتر نفت درون خللوفرج و محیط متخلخل سنگ میشوند.
· قابلیت استفاده از میدان مغناطیسی در محیط متخلخل برای افزایش ویسکوزیته نانوسیال از جمله مطالعاتی است که منجر به افزایش قبال توجه بازیافت میشود (نظم و تمرکز جریانی).
· انتشار نانوذرهای مانند SiO2 در محیط متخلخل، کارایی جاروبسیلابزنی CO2 و بهدنبالش EOR را بهبود میبخشد.
· بهسازی نفت درجا و تبدیل آن به ترکیبات سبکتر بهمنظور کاهش گرانروی سیال درون محیط متخلخل و سهولت درحرکت آن به سمت چاههای تولیدی میتواند روشی مؤثر در ازدیاد برداشت نفتهای سنگین باشد.
سیمانکاری
· اندازه ویژه و نسبت سطحبهحجم بالا نانوذرات باعث ایجاد خواص مطلوب ماده میشود و در محیطی همچون فضای متخلخل کاربرد ایدهآلی دارد و بهطور مؤثر باعث کاهش تخلخل و تراوایی میشود.
· کاهش تخلخل و تراوایی به کمک نانوذرات امکان ایجاد channeling درون سیمان را به حداقل میرساند و امکان مهاجرت گاز را کاهش میدهد.
· مقدار بهینه افزودن نانوذرات میبایست مورد محاسبه قرار گیرد؛ چراکه در برخی مطالعات مشاهده شده است که افزایش از حدی بیشتر نتیجهای معکوس در کاهش تخلخل دارد.
· سیلیکا با توجه به فراوانی و ساختار خاص خود در بسیاری از تحلیلهای سیمانکاری نانویی موردبحث بوده که ضمن کاهش نفوذپذیری و تخلخل موجب بهبود مقاومت تراکمی و جلوگیری از آلودگی میشود. علاوهبر این سیلیکا در ترکیب و هیبریدی از نانوذرات دیگر نیز به تصحیح فضاهای خالی؛ عدم جریان و بهبود بندش کمک میکند.
· آلومینا ماننـد نانوخوشـههایی عمل میکنند که به ذرات درشتتر درون ماتریس چسبیده و سطح ماتریس را افزایش میدهد. بدیـن ترتیب، تخلخل کاهش یافته و افزایشی مستقیم در خواص مکانیکی ایجاد میشود.
· نانوذرات با شکل یکنواخت و فعالیت زیادشان هیدراسیون را تسریع میکنند و تخلخل را پرکرده و ساختار میکروبی سیمان و سطح مشترک را بهبود میبخشد.
· علاوهبر نانوفایبرسلولزی، نانورس و سایر نانوذرات که نتایج بهبود یافته مشترکی در مورد تخلخل دارند؛ اشاره به CNT با Dispersion stability عالی بهویژه در دماهای بالا لازم است، هرچند این نانومواد بهخاطر هزینه بالایی که دارد بیشتر در محیط آزمایشگاهی و مطالعات محدود شده است. این قبیل مواد استوانهای بهویژه همراه با نانوذرهای دیگر در محیطی متخلخل یا همراه سورفکتانت (عامل پراکنش) دارای پتانسیل بالاست.
منابع
1. Dehkordi, R.A., M.H. Esfe, and M.J.A.T.E. Afrand, Effects of functionalized single walled carbon nanotubes on thermal performance of antifreeze: an experimental study on thermal conductivity. 2017. 120: p. 358-366.
2. Esfe, M.H., et al., Estimation of thermal conductivity of CNTs-water in low temperature by artificial neural network and correlation. 2016. 76: p. 376-381.
3. Alirezaie, A., et al., Price-performance evaluation of thermal conductivity enhancement of nanofluids with different particle sizes. 2018. 128: p. 373-380.
4. Esfe, M.H., et al., Modeling of thermal conductivity of MWCNT-SiO 2 (30: 70%) /EG hybrid nanofluid, sensitivity analyzing and cost performance for industrial applications. 2018. 131 (2) : p. 1437-1447.
5. Rostamian, S.H., et al., An inspection of thermal conductivity of CuO-SWCNTs hybrid nanofluid versus temperature and concentration using experimental data, ANN modeling and new correlation. 2017. 231: p. 364-369.
6. Afrand, M., et al., Predicting the effects of magnesium oxide nanoparticles and temperature on the thermal conductivity of water using artificial neural network and experimental data. 2017. 87: p. 242-247.
7. Esfe, M.H., M. Bahiraei, and O.J.P.T. Mahian, Experimental study for developing an accurate model to predict viscosity of CuO–ethylene glycol nanofluid using genetic algorithm based neural network. 2018. 338: p. 383-390.
8. Nadooshan, A.A., et al., Evaluation of rheological behavior of 10W40 lubricant containing hybrid nano-material by measuring dynamic viscosity. 2017. 92: p. 47-54.
9. Hružík, L., A. Bureček, and M. Vašina, Effect of Oil Viscosity on Pulsating Flow in Pipe, in Advances in Mechanism Design II. 2017, Springer. p. 137-143.
10. Esfe, M.H., A.A.A. Arani, and S.J.J.o.M.L. Esfandeh, Experimental study on rheological behavior of monograde heavy-duty engine oil containing CNTs and oxide nanoparticles with focus on viscosity analysis. 2018. 272: p. 319-329.
11. Agista, M., K. Guo, and Z.J.A.S. Yu, A state-of-the-art review of nanoparticles application in petroleum with a focus on enhanced oil recovery. 2018. 8 (6) : p. 871.
12. He, L., et al., Application of nanotechnology in petroleum exploration and development. 2016. 43 (6) : p. 1107-1115.
13. Peng, B., et al., Applications of nanotechnology in oil and gas industry: Progress and perspective. 2018. 96 (1) : p. 91-100.
14. Esfe, M.H., et al., Modeling and estimation of thermal conductivity of MgO–water/EG (60: 40) by artificial neural network and correlation. 2015. 68: p. 98-103.
15. Al-Anssari, S., et al. Retention of silica nanoparticles in limestone porous media. in SPE/IATMI Asia Pacific Oil & Gas Conference and Exhibition. 2017. Society of Petroleum Engineers.
16. Cheraghian, G.J.P.S. and Technology, Application of nano-fumed silica in heavy oil recovery. 2016. 34 (1) : p. 12-18.
17. Esfe, M.H., M.H. Hajmohammad, and S.J.C.N. Wongwises, Pareto Optimal Design of Thermal Conductivity and Viscosity of NDCo3O4 Nanofluids by MOPSO and NSGA II Using Response Surface Methodology. 2018. 14 (1) : p. 62-70.
18. Hamoodi, A., et al., The Effect of Proper Selection of Drilling Fluid on Drilling Operation in Janbour Field. 2018. 39 (1) : p. 224-234.
19. Alcázar-Vara, L.A., I.R.J.R.I.i.P.S. Cortés-Monroy, and Engineering, Drilling Fluids for Deepwater Fields: An Overview. 2018: p. 71.
20. Ismail, A.R., et al., Drilling fluid waste management in drilling for oil and gas wells. 2017. 56: p. 1351-1356.
21. Afolabi, R.O., et al., Optimizing the rheological properties of silica nano-modified bentonite mud using overlaid contour plot and estimation of maximum or upper shear stress limit. 2017. 4 (1) : p. 1287248.
22. Ho, C.Y., et al., Rheological behaviour of graphene nano-sheets in hydrogenated oil-based drilling fluid. 2016. 148: p. 49-56.
23. Cedola, A., et al. Nanoparticles in weighted water based drilling fluids increase loss gradient. in 50th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium. 2016. American Rock Mechanics Association.
24. Caldarola, V., et al. Potential Directional Drilling Benefits of Barite Nanoparticles in Weighted Water Based Drilling Fluids. in 50th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium. 2016. American Rock Mechanics Association.
25. Noah, A., et al., Enhancement of yield point at high pressure high temperature wells by using polymer nanocomposites based on ZnO & CaCO3 nanoparticles. 2017. 26 (1) : p. 33-40.
26. Smith, S.R., et al., Application of aluminium oxide nanoparticles to enhance rheological and filtration properties of water based muds at HPHT conditions. 2018. 537: p. 361-371.
27. Yang, X.-y., et al., Experimental study and stabilization mechanisms of silica nanoparticles based brine mud with high temperature resistance for horizontal shale gas wells. 2015. 2015: p. 2.
28. Razali, S., et al., Review of biodegradable synthetic-based drilling fluid: progression, performance and future prospect. 2018. 90: p. 171-186.
29. Yu, Z., et al., The potential of nanotechnology in petroleum industry engineering and technology journal Vol. 35, Part A, No. 8, 2017 058 with Focus on Drilling Fluids. 2017. 1 (1) : p. 000106.
30. Zoveidavianpoor, M., A.J.J.o.N.G.S. Samsuri, and Engineering, The use of nano-sized Tapioca starch as a natural water-soluble polymer for filtration control in water-based drilling muds. 2016. 34: p. 832-840.
31. Abdo, J., et al., Effects of nano‐sepiolite on rheological properties and filtration loss of water‐based drilling fluids. 2016. 48 (7) : p. 522-526.
32. Taraghikhah, S., M. Kalhor Mohammadi, and K. Tahmasbi Nowtaraki. Multifunctional nanoadditive in water based drilling fluid for improving shale stability. in International Petroleum Technology Conference. 2015. International Petroleum Technology Conference.
33. Qiao, C., et al., Modeling low-salinity waterflooding in chalk and limestone reservoirs. 2016. 30 (2) : p. 884-895.
34. Piñerez Torrijos, I.n.D., et al., Experimental study of the response time of the low-salinity enhanced oil recovery effect during secondary and tertiary low-salinity waterflooding. 2016. 30 (6) : p. 4733-4739.
35. Hilner, E., et al., The effect of ionic strength on oil adhesion in sandstone–the search for the low salinity mechanism. 2015. 5: p. 9933.
36. Alomair, O.A., K.M. Matar, and Y.H. Alsaeed. Nanofluids application for heavy oil recovery. in SPE Asia Pacific Oil & Gas Conference and Exhibition. 2014. Society of Petroleum Engineers.
37. Khalafi, E., et al., An experimental investigation of nanoparticles assisted surfactant flooding for improving oil recovery in a micromodel system. 2018. 9 (1) : p. 1-6.
38. Alnarabiji, M.S., et al., Nanofluid enhanced oil recovery using induced ZnO nanocrystals by electromagnetic energy: Viscosity increment. 2018. 233: p. 632-643.
39. Sadatshojaei, E., et al., Effects of low-salinity water coupled with silica nanoparticles on wettability alteration of dolomite at reservoir temperature. 2016. 34 (15) : p. 1345-1351.
40. Manshad, A.K., et al., Effects of water soluble ions on interfacial tension (IFT) between oil and brine in smart and carbonated smart water injection process in oil reservoirs. 2016. 223: p. 987-993.
41. Fu, C., J. Yu, and N.J.F. Liu, Nanoparticle-stabilized CO2 foam for waterflooded residual oil recovery. 2018. 234: p. 809-813.
42. Ershadi, V., et al., The effect of nanosilica on cement matrix permeability in oil well to decrease the pollution of receptive environment. 2011. 2 (2) : p. 128.
43. Ji, T.J.C. and C. Research, Preliminary study on the water permeability and microstructure of concrete incorporating nano-SiO2. 2005. 35 (10) : p. 1943-1947.
44. Quercia, G. and H. Brouwers. Application of nano-silica (nS) in concrete mixtures. in 8th fib PhD Symposium in Kgs. 2010.
45. Rutuja, S., et al., Review Paper on Multifunctional use of Nano Silica in Concrete. 2017. 10780.
46. Aramendiz Pacheco, J., New nanoparticle water-based drilling fluid formulation with enhanced thermal stability and inhibition capabilities in the Woodford shale. 2018.
47. Aramendiz, J. and A. Imqam. Silica and Graphene Oxide Nanoparticle Formulation to Improve Thermal Stability and Inhibition Capabilities of Water-Based Drilling Fluid Applied to Woodford Shale. in SPE International Conference on Oilfield Chemistry. 2019. Society of Petroleum Engineers.
48. Cheraghian, G., et al., Effect of a novel clay/silica nanocomposite on water-based drilling fluids: Improvements in rheological and filtration properties. 2018. 555: p. 339-350.
49. Bayat, A.E., et al., Experimental investigation of rheological and filtration properties of water-based drilling fluids in presence of various nanoparticles. 2018. 555: p. 256-263.
50. Maagi, M.T., et al., Effect of Nano-SiO 2, Nano-TiO 2 and Nano-Al 2 O 3 Addition on Fluid Loss in Oil-Well Cement Slurry. 2019. 13 (1) : p. 62.
51. Thakkar, A., et al., A comprehensive review of the application of nano-silica in oil well cementing. 2019.
52. Rehman, W.U., et al., Synthesis, characterization, stability and thermal conductivity of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and eco-friendly jatropha seed oil based nanofluid: An experimental investigation and modeling approach. 2019. 293: p. 111534.
53. Sobolev, K., et al., Engineering of SiO 2 nanoparticles for optimal performance in nano cement-based materials, in Nanotechnology in construction 3. 2009, Springer. p. 139-148.
54. Raki, L., et al., Cement and concrete nanoscience and nanotechnology. 2010. 3 (2) : p. 918-942.
55. Li, G.Y., et al., Pressure-sensitive properties and microstructure of carbon nanotube reinforced cement composites. 2007. 29 (5) : p. 377-382.
56. Vipulanandan, C., A. Mohammed, and R. Samuel. Fluid loss control in smart bentonite drilling mud modified with nanoclay and quantified with Vipulanandan fluid loss model. in Offshore Technology Conference. 2018. Offshore Technology Conference.
57. Cheraghian, G.J.I.J.o.N. and Nanotechnology, Application of Nano-Particles of Clay to Improve Drilling Fluid. 2017. 13 (2) : p. 177-186.
58. Murtaza, M., M. Rahman, and A. Al-Majed. Effect of nanoclay on mechanical and rheological properties of oil well cement slurry under HPHT environment. in International Petroleum Technology Conference. 2016. International Petroleum Technology Conference.
59. Wu, Q. and M. Li, Modified Cellulose Nanocrystals and Their Use in Drilling Fluids. 2019, Google Patents.
60. Saboori, R., et al., Improvement in filtration properties of water-based drilling fluid by nanocarboxymethyl cellulose/polystyrene core–shell nanocomposite. 2018. 8 (2) : p. 445-454.
61. Habibi, Y., L.A. Lucia, and O.J.J.C.r. Rojas, Cellulose nanocrystals: chemistry, self-assembly, and applications. 2010. 110 (6) : p. 3479-3500.
62. Hauser, P.J. and A.H.J.C.T. Tabba, Improving the environmental and economic aspects of cotton dyeing using a cationised cotton. 2001. 117 (5) : p. 282-288.
63. Ramasamy, J., M.J.J.o.P.S. Amanullah, and Engineering, Nanocellulose for oil and gas field drilling and cementing applications. 2019: p. 106292.
64. Thomas, D.C.J.S.o.P.E.J., Thermal stability of starch-and carboxymethyl cellulose-based polymers used in drilling fluids. 1982. 22 (02) : p. 171-180.