کاربرد نانوسیال در محیط متخلخل در صنایع نفت و گاز با رویکرد سیمان حفاری

 

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.