1-    مقدمه

عمليات حفاري يكي از پيچيده ترين و هزينه برترين بخشهاي توليد نفت است و از اين­رو، توانمندي در اين صنعت به نوعي ملاك قدرت شركت‌هاي نفتي محسوب مي‌شود.

در اوايل رشد صنعت نفت، عموماً برداشت نفت از مخازن نفت با عمق كم به كمك حفاري ضربه اي صورت مي‌گرفت. با پيشرفت فناوري اين روش جاي خود را به ديگر روش‌هاي مكانيكي كه حفاري دوراني ناميده مي­­شوند، داده است. حذف محدوديت عمقي، افزايش سرعت حفاري و انتقال سريع كنده ­ها به سطح زمين از مهم‌ترين مزيت­هاي اين روش به حساب مي­آيد. در سال‌هاي اخير روش‌هاي نوين ديگري مانند حفاري حرارتي، لرزشي، شيميايي، ليزري و ... توسعه داده شده­اند، اما با توجه به مزايا و تجارت وسيعي كه از اين روش در سراسر جهان انجام مي‌شود، 98 درصد از كل عمليات­ حفاري در سراسر جهان با روش حفاري دوراني صورت مي­گيرد.

عمليات حفاري خود شامل مجموعه اي از فعاليت­هاي مختلف است كه پيشرفت در هر يك از آنها باعث توسعه اين صنعت مي­گردد. پيشرفت در صنعت حفاري، نقش چشمگيري را دركاهش قيمت تمام شده توليد نفت ايفا مي‌كند. پيشرفت­هايي از جمله، بهبود فرمولاسيون گل حفاري، استفاده از افزودني‌هاي جديد به سيمان‌هاي حفاري، استفاده از حسگرها و فناوري‌هاي رصد برخط عمليات حفاري، ساخت مته‌هاي مقاوم‌تر و توسعه روش‌هاي جلوگيري از هرز روي سيالات حفاري موجب تغييرات عمده­اي در  اين صنعت و افزايش بازده و كاهش هزينه عمليات شده است. 

در ساليان اخير فناوري نانو با سرعت زيادي در اين صنعت وارد شده است به گونه اي كه اكنون اين فناوري يكي از مهمترين فناوري­هاي مورد استفاده در توسعه صنعت حفاري شناخته مي­شود به گونه­اي كه محصولات و تكنيك­هاي زيادي مبتني بر فناوري نانو وارد اين صنعت شده­ است.

با توجه به موارد فراوان استفاده­ از فناوري نانو در اين صنعت و همچنين اهميت و گستردگي سيالات و سيمان حفاري، در اين گزارش تنها به كاربردهاي فناوري نانو در سيالات حفاري پرداخته مي­شود.

2- سيال و سيمان حفاري

در عمليات حفاري از سيالات حفاري به منظور بهبود عمليات حفاري و آوردن كنده­ها به سطح زمين استفاده مي‌شود. فرمولاسيون اين سيالات كه عموماً با نام گل حفاري شناخته مي­شوند، يكي از مهمترين فاكتورهاي يك عمليات موفقيت ‌آميز حفاري شناخته مي­شوند. با توجه به اينكه بخش عمده­ي هزينه‌هاي حفر يك چاه  مربوط به تأمين و پمپاژ گل حفاري است، استفاده از سيالات كارآمدتر و بهتر نقش مهمي را در كاهش هزينه و افزايش بازدهي حفاري ايفا مي­كند. يك سيال حفاري مناسب بايد توانايي بالايي در خنك كردن مته حفاري، آوردن كنده­ها به سطح زمين، روان­سازي حركت لوله‌هاي گردان حفاري، كنترل فشار ديواره­ها، انتقال توان هيدروليكي پمپ به مته حفاري و بسياري موارد ديگر را داشته باشد. تهيه گل حفاري با بهترين فرمولاسيون و مواد كارا، عامل مهمي در افزايش سرعت حفاري، افزايش بهره­وري عمليات حفاري، ممانعت از كاهش دبي جريان، كاهش هزينه تمام شده براي حفر يك چاه و در نهايت بالا بردن درصد موفقيت در عمليات بعد از حفاري محسوب مي­گردد.

 به طور كلي سيالات حفاري بر اساس سيال پايه تشكيل‌ دهنده آن به سه دسته كلي گل­هاي پايه آبي[1]، گل­هاي پايه روغني[2] و گل­هاي سنتزي[3] تقسيم ‌بندي مي‌شود.  براي به دست آوردن يك سيال حفاري با خواص ويژه كه كارايي بالايي داشته باشد، معمولاً افزودني‌هايي به آن اضافه مي­كنند. طبق گزارش­هاي سايت World Oil  بيش از 5000 نوع افزودني مختلف به گل حفاري وجود دارد كه از اين ميان مي­توان به مواد پركاربردي، همچون بنتونيت، باريت، خاك رس، سلولز، پليمرها، آسفالت، كربنات كلسيم، پوست گردو و بسياري مواد ديگر اشاره كرد. اين افزودني­ها وظايف ويژه‌ اي دارند كه در شكل 1 نشان داده شده‌اند.

 

شكل 1 دسته ‌بندي انواع افزودني‌ها به گل حفاري بر حسب وظايف

همچنين در عمليات حفاري از سيمان‌كاري به منظور استحكام ديواره چاه و ثابت سازي لوله‌هاي جداري از سطح چاه استفاده مي‌شود. با اين كار سطح خارجي لوله جداري به ديواره چاه مي‌چسبد و مانع از ريزش ديواره چاه، ورود سيالات ناخواسته به درون چاه و خوردگي بدنه خارجي لوله‌ها مي‌شود.

3- معرفي انواع نانو افزودني‌هاي گل حفاري

 به طور كلي هدف استفاده از افزودني‌هاي نانويي در گل حفاري، كاهش هزينه و تهيه يك سيال مطلوب از طريق كاهش مصرف مواد و نيز بهبود خواص آن است. اضافه كردن نانو مواد به سيال پايه باعث ايجاد خواص رئولوژيكي مطلوب، كنترل مطلوب ظرفيت صافاب، پايداري بسيار خوب سوسپانسيون و روان‌سازي مناسب است. مهم‌ترين اثر نانو ذرات مختلف مورد استفاده در گل حفاري در جدول 1 نشان داده شده است.

 جدول 1 انواع نانو افزودني‌هاي گل حفاري

 

4- كاربرد فناوري نانو در سيال حفاري

نانو ذرات به دليل اندازه بسيار كوچك و نسبت سطح به حجم بسيار بالا، خواص منحصر به ‌فردي دارند. به همين دليل استفاده از نانو ذرات پخش شده در مايعات كاربرد وسيعي در عمليات حفاري دارد كه به موارد زير مي­توان اشاره كرد:

4-1- بهبود خواص رئولوژيكي

نانو افزودني­هاي مناسب به سيال حفاري مي­تواند خواص رئولوژيكي از قبيل چگالي و گرانروي را بر روي يك مقدار بهينه تنظيم كند. به دليل اندازه بسيار كوچك اين مواد حركت سيال حفاري در درون چاه بهبود مي­يابد و به نيروي پمپ كمتري براي گردش سيال حفاري نياز خواهد بود. همچنين خاصيت ژله­اي سيال حفاري افزايش مي­يابد كه با اين كار توانايي حمل كنده­ها و سرعت آوردن آن‌ها به سطح بيشتر مي‌شود. بدين منظور مي­توان از نانو ساختارهاي مختلف از جمله نانو سراميك‌ها، نانو پودرهاي كاربيد سيليسيم، نانو كامپوزيت­ها و نانو لوله­هاي كربني استفاده كرد. اين مواد علاوه بر سازگاري بالا با سازند، به دليل ويژگي‌هاي ذاتي خود، خواص ويژه‌اي را به سيال حفاري مي‌دهند.

ديگر مزاياي استفاده از اين نانو ذرات تغيير خواص تيكسوتروپيك (خاصيتي كه گرانروي ظاهري سيال، با افزايش مدت زمان اعمال تنش، كاهش مي‌يابد) گل حفاري است. گل حفاري تهيه شده با استفاده از نانو مواد قادر خواهد بود در صورت توقف عمليات حفاري به هر دليلي، با تبديل به حالت ژلاتيني مانع از تهنشين شدن كنده‌ها در ته چاه و گير كردن لوله‌ها شود و همچنين با كمترين تنشي از حالت ژلاتيني خارج شود و به گردش خود در چاه ادامه دهد.

4-2- كنترل هرزروي

هرزروي سيال حفاري به درون سازند كه ناشي از ترك‌هاي موجود در آن است، يكي از مهم‌ترين چالش‌ها در عمليات حفاري  به شمار مي­رود. كنترل هرزروي مي­تواند باعث كاهش هزينه، افزايش سرعت حفاري و جلوگيري از آسيب به سازند شود. در نتيجه‌ي هرزروي، سيال رفته رفته سنگين‌تر شده و گردش آن در چاه و انتقال ذرات داخل چاه به سطح زمين سخت‌تر مي‌شود. استفاده از نانو مواد،‌ مي‌تواند ميزان توانايي حمل ذرات درون چاه توسط سيال را افزايش داده و امكان تثبيت فشار و چگالي سيال تحت شرايط متنوع عملياتي را به وجود آورد كه در نهايت سبب كاهش هرزروي سيال مي­گردد. به طور مثال نانو ذرات رس به دليل سازگاري بسيار خوبي كه با سازندهاي نفتي به ‌خصوص سازند ماسه ‌سنگي دارند، پتانسيل بالايي را در رفع اين مشكل دارد.

از ديگر  نانو ساختارهايي كه در اين حوزه مورد استفاده قرار مي­گيرد، مي­توان به نانو لوله‌هاي كربني اشاره كرد. اين مواد به دليل ساختار ويژه­ي خود مي­توانند مانند يك فيلتر عمل كنند و همچنين به دليل خواص حرارتي بسيار خوبي كه دارند باعث كاهش مقدار ماده مصرفي در عمليات نمودار گيري حين حفاري مي­شوند.

4-3- حفظ محيط‌ زيست

با توجه به گستردگي عمليات حفاري و ارتباط مستقيمي كه اين عمليات با سازند و محيط‌ زيست دارد، در سال‌هاي اخير سعي شده از موادي استفاده شود كه سازگاري بالايي با محيط ‌زيست داشته و پسماندهاي آن به راحتي قابل بازيافت باشند، به طوري كه كمترين تخريب را در محيط ‌زيست ايجاد نمايند. به عنوان مثال استفاده از سيالات پايه آبي داراي فوايد زيست محيطي و اقتصادي فراواني در حفاري سازندهاي ماسه ‌سنگي است. در اين ميان نانو موادي كه در سيالات پايه آبي داراي كاربرد هستند از اهميت ويژه‌اي برخوردارند. بعضي از نانو مواد مورد استفاده در سيالات پايه آبي عبارتند از:

v      ساختارهايي بر پايه گرافن: اين نانو ساختار به دليل لايه­اي و ورقه‌اي بودن داراي خواص بسيار ويژه‌اي است كه باعث مي‌شود اين ماده مانند يك فيلتر عمل كند. هر چند گرافن ذاتاً آبگريز است، اما ساختارهاي عامل دار شده آن يا اكسيد گرافن قابليت استفاده در سيال حفاري پايه آبي را دارد. اين ساختار با ايجاد يك لايه ناتراوا بر روي ديواره چاه ضمن كنترل هرزروي سيال به درون سازند موجب كاهش مشكلات زيست محيطي مي‌شود. همچنين اين ماده ضمن ارزان بودن، مخاطرات زيست محيطي نسبتاً پائيني دارد.

v   نانو ذرات سيليكا: اين ماده با چسبيدن به ديواره چاه باعث كاهش تراوايي ديواره چاه مي‌شود و از ورود ذرات موجود در سيال حفاري به درون سازند جلوگيري مي­كند.

v   نانو ذرات اكسيد روي: گاز هيدروژن سولفيد يكي از مواد بسيار خطرناك، سمي و خورنده است كه ممكن است در حين عمليات حفاري از درون سازند وارد سيال حفاري شده و باعث آلودگي محيط‌زيست شود. حذف اين گاز از سيال حفاري به دلايل مخاطرات زيست محيطي، ايمني كاركنان و جلوگيري از خوردگي تجهيزات ضروري است. يكي از جاذب­هايي كه مي­تواند به اين منظور مورد استفاده قرار گيرد تركيبات فلز روي مانند اكسيد و كربنات­هاي روي است. اين نانو ذرات بسيار واكنش‌پذير هستند و پسماند جامد آن‌ها نيز بي‌خطر است.

v   افزايه­ هاي پليمري نانومتري: يكي از مهم‌ترين منابع ايجاد آلودگي در صنايع بالادستي نفت، پسماندهاي سيال حفاري هستند. جداسازي جامد-مايع يكي از پركاربردترين فرآيندها براي تصفيه اين سيالات است. اما در اين بين، استفاده از نانو افزايه‌هاي پليمري مانند پلي اكريل آميدهاي نانو بهبوديافته[4] به‌خصوص در چاه‌هاي عميق كه سيال حفاري پيچيده‌تر است، مي­تواند باعث انعقاد بيشتر و جداسازي راحت‌تر فازهاي جامد-مايع در پسماند حفاري شود. همچنين اين نانو ذرات مي‌توانند از هرزروي سيال حفاري به درون سازند و آلوده كردن آن جلوگيري كنند.

v   نانوفيلتراسيون: به منظور حذف فلزات سمي موجود در سيال حفاري مانند سرب، جيوه، آرسنيك و ... از نانو غشاها استفاده مي‌شود تا پسماند حفاري را تصفيه كند.

4-4- حفاري غير تعادلي

در سال‌هاي اخير محققان موفق به توليد نانو موادي شدند كه با اضافه شدن به سيال، نوعي فوم توليد مي‌كند كه با توجه به شرايط ويژه­ي موجود در عمليات حفاري غير تعادلي، مي­تواند در ساخت گل حفاري سبك مورد نياز در اين عمليات مورد استفاده قرارگيرد. اين سيال توانايي انتقال ضايعات حفاري به سطح را دارد و از انباشت آن‌ها در ته چاه جلوگيري مي‌كند.

4-5- پايداري حرارتي

يكي از وظايف اصلي سيال حفاري، خنك كاري مته حفاري است. استفاده از نانو ذرات فلزي، اكسيد فلزي و نانو ساختارهاي كربني، به دليل توانايي بالايي كه در انتقال حرارت دارند، مي‌توانند عمل خنك كاري را بهبود بخشند. با توجه به اينكه ضريب انتقال حرارت هدايتي نانو سيالات با افزايش دما به صورت صعودي افزايش مي‌يابد، استفاده از سيال حفاري حاوي نانو ذرات باعث پايداري سيال در مقابل حرارت بسيار زياد ته چاه شده و در نتيجه حفظ كارايي گل حفاري را به دنبال دارد.

4-6- افزايش خاصيت ژله‌اي

با افزايش خاصيت ژله‌اي سيال حفاري، توانايي نگه داشتن كنده‌ها و بالا آوردن آن‌ها به سطح زمين بيشتر مي‌شود. اين كار باعث جلوگيري از انباشته شدن ضايعات در ته چاه و بسته شدن آن مي‌شود و از طرف ديگر با بالا بردن سرعت حفاري هزينه عمليات را كاهش مي­دهد. همچنين استفاده از نانو امولسيون‌ها به دليل خاصيت ژله‌اي بسيار خوبي كه به سيال پايه مي­دهند، پتانسيل بالايي را در توليد سيال­هاي حفاري دارند.

4-7- حفاري جهت‌ دار و افقي

از نانو سيالات مي­توان در حفاري­هاي جهت‌دار و افقي كه از لحاظ دانش فني بسيار پيچيده هستند و نياز به سيالات حفاري خاص دارند، استفاده كرد. همچنين  اين سيالات را مي­توان در حفاري زير تعادلي كه شرايط ويژه و حساسي را مي­طلبد، به كاربرد.

4-8- رفع چسبندگي لوله‌ها

نانو سيالات به دليل تشكيل يك نانو فيلم بر روي سطح لوله‌هاي حفاري باعث كاهش تمايل چسبندگي فيلتر كيك[5] به سطوح آن‌ها شده و از چسبندگي لوله‌ها به ديواره چاه جلوگيري مي­كنند.

4-9- رفع فرسايش ديواره چاه

فرسايش ديواره چاه يكي از مشكلات متداول در حين گردش گل حفاري درون چاه است. به همين منظور، بهينه كردن خواص سيال حفاري با استفاده از نانو ذرات (مانند نانو ذرات پليمري)، راهكار مناسبي براي كنترل فرسايش چاه همزمان با افزايش گرانروي سيال و كاهش سرعت آن است.

4-10- كاهش نيروي پسا و گشتاور درون چاه

سيالات حفاري شامل نانو ذرات پليمري مانند دندريمر[6] و پليمرهاي دندريمري، نانولوله­هاي كربني، گرافن و نانو كامپوزيت­ها به دليل توانايي تشكيل فيلم­هاي نانومتري بر روي سطوح، قادر به كاهش مقاومت اصطكاكي بين لوله‌ها و ديواره چاه هستند. اين مقاومت عامل اصلي ايجاد نيروهاي كششي و گشتاوري مشكل‌ساز درون چاه است.

5- كاربرد فناوري نانو در سيمان حفاري

سيمان­كاري چاه­هاي نفتي به منظور اتصال لوله‌هاي جداري به ديواره چاه، ايجاد ارتباط بين سر چاه و سيال موجود در مخزن، جلوگيري از ورود سيال‌هاي ناخواسته به درون چاه در حين برداشت از مخزن، جلوگيري از ريزش چاه و افزايش استحكام آن و موارد ديگر است. سيمان پرتلند مهم‌ترين ماده مورد استفاده در سيمان­كاري چاه­هاي نفت و گاز است كه به لحاظ شرايط دما و فشار بالاي چاه­هاي نفت و گاز، با نوع ساختماني آن متفاوت است. به طور كلي افزودني‌هاي اصلي سيمان حفاري در شكل 2 نشان داده شده است.

 

 روش‌هاي سنتي انجام شده در اين عمليات داراي مشكلاتي مختلف و كارايي پاييني هستند. به همين دليل امروزه استفاده از نانو ذرات در سيمان حفاري به منظور بهبود خواص آن با توجه به خواص ويژه­اي كه اين ذرات دارند بسيار متداول شده است.

6-  معرفي انواع نانو افزودني­هاي مورد استفاده در سيمان حفاري

نانو افزودني‌هاي سيمان حفاري به منظور افزايش كارايي سيمان و بهبود خواص آن استفاده مي­شوند. هم­چنين، اين مواد در بهبود خواص سيال حائل نيز به كار مي­روند. از مهم‌ترين نانو افزودني­هاي سيمان حفاري مي­توان به موارد زير اشاره كرد:

 

مهم‌ترين مزاياي كاربرد نانو ذرات مختلف در سيمان حفاري عبارت‌اند از:

6-1- بهبود خواص مختلف سيمان حفاري     

استفاده از نانو رس‌ها (نانو بنتونيت و نانو مونت موريلونيت) به دليل ساختار لايه‌اي شكل و قابليت تورم و جذب آب تا چندين برابر وزن و حجم اوليه خود، باعث بهبود ساختار سيمان حفاري، بهبود خواص مكانيكي آن از قبيل مقاومت فشاري و كششي و بهبود تراوايي آن مي­شود. همچنين اين ذرات باعث افزايش ريسك‌پذيري عملكرد سيمان در اثر مهاجرت گاز مي­شوند و خوردگي را به نحو چشم­گيري كاهش مي­دهند. از ديگر نانو ذرات مورد استفاده در سيمان حفاري كه باعث بهبود خواص مكانيكي و شيميايي سيمان حفاري مي­شوند مي­توان به تركيب نانو ذرات SiO₂-CaO-Al₂O₃ و حداقل يكي از نانو ذرات SiO₂، Al₂O₃، ، نانو اكسيدهاي فلزي و غير فلزي اشاره كرد.

6-2- پايداري حرارتي

در سال‌هاي اخير محققين شركت Nano Product به اين نتيجه رسيده‌اند كه استفاده از نانو ذرات سيليكات كلسيم در سيمان حفاري باعث بهبود كارايي استفاده از آن در چاه­هاي عميق كه تحت دما و فشار بالا هستند و يا ژئوترمال مي­گردد. براي ساخت اين نانو ذرات از سيليكاي آمورف استفاده شده است. اين ذرات به دليل دانه‌ريز بودن خواص ويژه­اي از لحاظ پايداري، كيفيت و كارايي به سيمان مي­دهند. دوغاب تشكيل شده با اين نانو ذرات بسيار پايدار و سبك مي­باشد و هيچ‌گونه آب اضافي ندارد.

6-3- بهبود خواص سيال حائل

قبل از عمليات سيمان‌كاري، به منظور جلوگيري از تماس سيمان با سيال حفاري و يا اختلاط دو سيال نامناسب، ابتدا سيالي كه موسوم به سيال حائل است وارد چاه شده و سپس عمليات سيمان‌كاري آغاز مي‌شود. سازگاري اين سيال با سيال حفاري و سيمان حفاري بسيار پراهميت بوده و اين سيال بايد توانايي جداسازي جامدات گل موجود در ديواره چاه را داشته باشد. استفاده از نانو افزودني‌هاي مختلف باعث بهبود خواص رئولوژيكي اين سيال و تراكم آن، بهبود و افزايش تميزكاري لوله جداري حين سيمان­ كاري چاه، تغيير ترشوندگي سطوح درگير و چسبندگي بهتر دوغاب مابين لوله و چاه مي‌شود.

فناوري‌هاي به ثبت رسيده توسط شركت­ها

در سال‌هاي اخير شركت­هاي فعال در حوزه صنايع بالا دستي نفت فناوري‌هاي جديدي در زمينه­ي سيال و سيمان حفاري كه با استفاده از فناوري نانو توسعه داده­اند را در قالب پتنت­هايي به ثبت رسانده­اند. اين فناوري­ها شامل توسعه سيالات حفاري جديد، بهبود خواص آن‌ها، ايجاد چندين قابليت همزمان، بهبود خواص زيست محيطي و ديگر موارد است.

الف)فناوري‌هاي مورد استفاده در گل حفاري

   فناوري افزايش مقاومت سيال حفاري در برابر دما و فشار بالا

 اين پتنت توسط شركت توتال و آركما[7] در سال 2007 به ثبت رسيده است و مربوط به تهيه يك نوع سيال حفاري جديد با استفاده از نانولوله‌هاي كربني است، كه توانايي كاركرد در شرايط دمايي و فشاري بالا را دارد. در عمليات حفاري با افزايش عمق حفاري و به ‌تبع آن بالا رفتن دما و فشار عملياتي بايد يكسري مواد افزايش ‌دهنده وزن به سيال حفاري اضافه شود كه عموماً داراي مشكلاتي از قبيل كارايي پايين و رسوب بسيار زياد در چاه هستند.

در اين اختراع از نانولوله‌هاي كربني به همراه يك ماده فعال سطحي براي رفع اين مشكل استفاده شده است. استفاده­ي مقدار اندكي از اين نانو ذرات (كمتر از 3 درصد وزني) در مقايسه با ديگر مواد مي­تواند تنش تسليم بالاتري را به سيال حفاري بدهد و مقاومت آن را در برابر دما و فشار افزايش و توانايي آن را در نگه داشتن ذرات جامد در خود بهبود دهد. اين نانو ذرات تا شرايط دمايي 325 درجه سلسيوس و بالاتر پايدار مي­مانند. همچنين سيال حفاري توليد شده توسط اين فناوري راحت­تر پمپ خواهد شد و جريان بهتري خواهد داشت.

   فناوري ايجاد چندين قابليت همزمان در سيال حفاري

اين پتنت كه در سال 2011 توسط شركت بيكر هيوز[8] به ثبت رسيده است در مورد استفاده از نانو ذرات مختلف كه داراي رسانايي بالا و هدايت مناسب هستند با هدف بهبود خواص رئولوژيكي، فيلتري، شيميايي و فيزيكي سيال حفاري است. اين نانو ذرات مي­توانند نانولوله‌هاي كربني، نانو لاتكس هاي پليمري، نانو ذرات فلزي، گرافن، خاك رس و ديگر نانو ساختارها باشند كه سطح آن‌ها به وسيله مواد شيميايي اصلاح شده است و خاصيت آب دوستي و يا آب گريزي پيدا كرده‌اند.  بهبود هدايت الكتريكي و گرمايي سيال باعث بهبود  كارايي سيال حفاري در عمليات نمودار گيري و تست چاه مي­گردد. افزودن اين نانو ذرات به سيال حفاري باعث ايجاد چندين قابليت همزمان در سيال حفاري از جمله مقاومت در برابر خوردگي، كاهش نيروي پسا، تغيير ترشوندگي فيلتر كيك و مواد موجود در ته چاه، كاهش هرزروي سيال حفاري و بالا بردن توانايي و كارايي سيال حفاري در حفظ خواص خود در بازه وسيعي از دما و فشار مي‌شود. همچنين اين نانو ذرات به همراه مواد فعال سطحي و يا افزودني‌هاي پليمري، تشكيل يك ژل مي­دهند كه قادر خواهند بود در برابر نفوذ آب در حين برداشت نفت جلوگيري كنند. با توجه به موارد مورد ادعا براي اين اختراع، از اين سيال مي­توان در عمليات تكميل چاه نيز استفاده كرد.

   تهيه سيال حفاري جديد

اين پتنت كه در سال 2001 توسط شركت اينتوپ[9] به ثبت رسيده است در مورد استفاده از نانو ذرات ابر مغناطيسي (مانند فلزات گروه III، طلا و كادميم) به منظور تهيه يك سيال حفاري جديد است. اين فناوري روشي بسيار كارآمد براي ايجاد تغييرات مناسب در چگالي سيال در دوره‌هاي زماني كوتاه و همچنين بر اساس شرايط محيطي مختلف پيشنهاد مي­دهد. اين نانو افزودني با تغيير چگالي سيال حفاري در شرايط مختلف قادر خواهد بود فشار مناسبي بر روي سازند در حين حفاري ايجاد كند و از آسيب به آن جلوگيري كند. در نهايت در اين اختراع يك روش مناسب براي بازيابي نانو ذرات از پساب سيال حفاري ارائه شده است كه موجب  كاهش هزينه توليد اين سيال حفاري مي‌شود.

   فناوري استفاده از برچسب­هاي نانومتري به منظور تشخيص مواد شيميايي در سيال حفاري

اين پتنت كه در سال 2011 توسط شركت هاليبرتون[10] به ثبت رسيده است مربوط به استفاده از تگ­هاي نانومتري هوشمند به منظور تشخيص مواد شيميايي از جمله آناليت در سيال حفاري است. از اين روش براي تشخيص وجود ماده و تعيين تركيب شيميايي، ، غلظت، دما و خصوصيات ديگر آناليت استفاده مي‌شود. سيال پايه تشكيل دهنده سيال حفاري مي­تواند آبي، غير آبي و يا پايه نفتي باشد و سطح نانو ذرات هم اصلاح شده است. اين نانو ذرات مي­توانند نانو ذرات كربني، پليمري، سراميكي، فلزي، اكسيد فلزي و نانو حسگرهاي الماسي باشد. همچنين از بنتونيت در 5/0 تا 20 درصد وزني استفاده شده است. استفاده از اين نانو ذرات باعث ايجاد حساسيت بالا و پاسخ سريع براي تشخيص اين مواد مي‌شود. بر همكنش بين اين نانو ذرات و آناليت ممكن است از طريق برهم كنش الكترو استاتيكي، پيوند شيميايي، جذب (شيميايي يا فيزيكي)، و غيره باشد.

   فناوري بهبود خاصيت انسداد سيال حفاري

اين فناوري كه در سال 2013 توسط شركت چاينا پتروكميكال[11] به ثبت رسيده است در مورد استفاده از نانو ذرات سيليكا به همراه ماده سپيوليت جهت بهبود خاصيت آب‌بندي سيال حفاري پايه نفتي است. براي تهيه اين سيال حفاري از يك ماده امولسيون كننده، يك عامل مرطوب كننده و محلول كلسيم كلرايد استفاده شده است. اين فناوري قادر خواهد بود به صورت همزمان هم عملكرد و كيفيت فيلتر كيك ايجاد شده بر روي ديواره چاه را بهبود بخشد و از اين طريق هم از هرزروي سيال حفاري جلوگيري كند و هم توانايي سيال حفاري براي پر كردن و بستن شكاف‌ها و خلل و فرج عميق موجود در ديواره چاه را افزايش دهد. اين كار باعث افزايش استحكام ديواره چاه مي‌شود. همچنين اين فناوري از نوسان و تغيير زياد خواص سيال حفاري جلوگيري مي­كند و پايداري امولسيون سيال حفاري پايه نفتي را بهبود مي­بخشد.

   فناوري افزايش استحكام ديواره چاه

فناوري حاضر توسط شركت هاليبرتون[12] در سال 2003 به ثبت رسيده است و در مورد تهيه يك سيال حفاري با استفاده از نانو ذرات به منظور ممانعت كننده تورم شيل در مخازن ماسه‌ سنگي و لخته سازي ذرات معلق در سيال حفاري است. در اين فناوري از نانو ذرات عامل اتصال دهنده عرضي پلي وينيل پيروليدون با نام تجاري VIVIPRINT 540 استفاده شده است كه قادر خواهند بود بدون تأثير مخرب بر روي سيال حفاري، باعث استحكام ديواره چاه شده و از ريزش آن جلوگيري كنند. اين كار از گيركردن لوله­ها، هرزروي سيال حفاري و كاهش سرعت حفاري جلوگيري مي­كند.

      كنترل هرزروي سيال حفاري به وسيله نانو ذرات گرافن

در اين فناوري كه در سال 2008 توسط دانشگاه رايس به ثبت رسيده است از نانو ذرات گرافن و نانو پلاكت­ها به منظور جلوگيري از هرزروي سيال حفاري استفاده شده است. اين نانو ذرات ساختارهاي مختلفي دارند كه از لحاظ شيميايي عامل دار شده­اند. همچنين به منظور معلق كردن اين نانو ذرات در سيال حفاري از يك ماده فعال سطحي استفاده شده است. ساختار لايه‌اي و استحكام بسيار زياد باعث مي‌شود كه اين ذرات با ايجاد يك فيلتر كيك و محدود كردن حفرات بر روي ديواره چاه از نفوذ سيال حفاري به درون سازند و آسيب رساندن به سازند و همچنين تخريب زيست محيطي جلوگيري كنند.

 

ب) فناوري‌هاي مورد استفاده در سيمان حفاري:

      فناوري بهبود عملكرد مواد تأخير كننده بندش دوغاب سيمان

اين پتنت در سال 2003 توسط شركت شلمبرژر [13] به ثبت رسيده است و در مورد استفاده از نانو ذرات سيليكا به عنوان عامل بهبود دهنده مواد تأخير كننده[14] (كند كننده زمان بندش دوغاب سيمان) بر روي يك زمان مناسب در حفاري چاه­هاي عميق (دما در انتهاي چاه بيشتر از 90 درجه سلسيوس) است. اين نانو ذرات در حالت مايع هستند و قبل از اضافه شدن به دوغاب با مواد تأخير كننده مخلوط خواهند شد. استفاده از اين نانو ذرات موجب مي‌گردد به مقدار كمتري از مواد تأخير كننده نياز باشد. اين نانو ذرات همچنين باعث سرعت بخشيدن به هيدراسيون سيمان در دماي پايين مي‌شوند.

      فناوري سرعت بخشيدن به بندش سيمان حفاري در مخازن با دماي پايين

اين پتنت در سال 2010 توسط شركت هاليبرتون[15] به ثبت رسيده است و مربوط به استفاده از  نانو ذرات آلومينا به منظور بهبود خواص مكانيكي سيمان حفاري، سرعت بخشيدن به تشكيل سيمان حفاري و افزايش كاركرد سيمان در دامنه وسيعي از عمليات سيمان‌كاري به‌ خصوص مخازني كه تحت دماي پايين هستند (معمولاً كمتر از 40 درجه سلسيوس) است. در اين سيمان حفاري از مواد لاتكس استايرن بوتادين استفاده شده است. همچنين مي­توان از ديگر نانو ساختارها مانند نانو ذرات خاك رس، نانو ذرات سيليكا، نانو ذرات اكسيد فلزي و نانو باريت نيز استفاده كرد.

      فناوري بهبود مقاومت كششي سيمان حفاري

اين اختراع نيز در سال 2012 توسط شركت هاليبرتون[16] به ثبت رسيده است. در اين فناوري به منظور بالا بردن مقاومت كششي برزيلي سيمان حفاري، استفاده از نانو لوله­هاي غير آلي پيشنهاد شده است. اضافه كردن اين نانو ساختارها به سيمان حفاري باعث بهبود چگالي سيمان حفاري نيز مي‌شود. در اين اختراع از نانو افزودني‌هاي پليمري آنيوني براي پخش كردن نانو ذرات در سيمان حفاري استفاده شده است. همچنين در اين روش براي جلوگيري از به هم چسبيدن اين نانو ساختارها به منظور استفاده از روش‌هاي اختلاط سنتي براي توليد سيمان حفاري از يك روش جديد به منظور توليد اين نانو ساختارها استفاده شده است.

      فناوري بهبود ويژگي‌هاي ساختاري سيمان حفاري

اين اختراع در سال 2008 توسط شركت اينتوپ[17] به ثبت رسيده است و در مورد بهبود ويژگي­هاي ساختاري سيمان توليد شده براي استفاده در حفاري­ مخازن نفت و گاز با شرايط ويژه است. سيمان حفاري سنتي تشكيل شده داراي خلل و فرج و فضاهاي خالي درون خود است كه در شرايط ويژه مانند هنگامي كه مقاومت ديواره سازند كم است، نفوذ آب و گاز به درون چاه وجود دارد و يا هنگامي كه گاز ترش در سيستم وجود دارد باعث بروز مشكلاتي مي‌شود. از اين رو استفاده از افزودني‌هاي مختلف مانند نانو ذرات به منظور پر كردن اين حفرات ضروري به نظر مي­رسد. در اين فناوري از نانو ذرات سيليكا، آلومينا و كلسيم اكسيد در شكل­ها و ساختارهاي گوناگون استفاده شده است كه اين مواد باعث كاهش نفوذ پذيري، بهبود خواص مكانيكي، بهبود خواص فيزيكي، شيميايي و گرمايي و ديگر خصوصيات سيمان تشكيل شده، مي­شوند.

      فناوري بهبود خواص سيال حائل

در اين فناوري كه توسط شركت شورون[18] توسعه داده شده، از نانو ذرات به عنوان عامل افزايش دهنده چگالي سيال حائل استفاده شده است. نانو ذرات مي­توانند مواد مختلفي مانند فلزات، سراميك، نانو لوله­ها، نانو ميله‌ها، پليمرها و ديگر ساختارهاي نانويي باشند كه سطح آن‌ها به صورت شيميايي اصلاح شده است. استفاده از اين نانو ذرات وزن مخصوص بسيار خوبي را در سيال پايه ايجاد مي­كند به طوري كه نياز به ديگر مواد افزايش دهنده چگالي و گرانروي نيست. همچنين اين ذرات باعث افزايش سازگاري سيال حائل با هر دو سيال حفاري و سيمان حفاري مي­شوند و توانايي تميزكاري چاه از طريق بهبود راحتي پمپاژ سيال در شرايط آشفته را افزايش مي­دهند.

      فناوري توليد سيمان حفاري فوق سبك

اين فناوري در سال 2011 و توسط پژوهشگاه صنعت نفت ايران[19] به ثبت رسيده است و مربوط به تبديل سيمان حفاري سبك به فوق سبك با خواص رئولوژيكي بسيار مناسب براي استفاده در چاه­هاي عميق دريايي و چاه­هايي با دما و فشار بالا در خشكي است. براي تهيه اين سيمان  از نانو ذرات آب گريز سيليكا، حداقل يك افزودني مانند مواد كنترل كننده رهايش گاز و مقدار كافي آب استفاده شده است كه دوغاب بدست آمده در نهايت مقاومت فشاري بالا (در حدودpsi  4550)، تخلخل بسيار پايين، آب آزاد كم، خوردگي بسيار كم، زمان تشكيل كوتاه و هرزروي بسيار پايين خواهد داشت.

7- محصولات تجاري بر پايه نانو فناوري

شركت‌هاي معتبر بسياري در زمينه تأثير فناوري نانو بر سيالات و سيمان حفاري در واحد تحقيق و توسعه خود مطالعاتي انجام داده‌اند كه حاصل اين تحقيقات به‌ صورت محصول روانه بازار شده است. در جدول 2 تعدادي از اين محصولات به همراه شركت سازنده و كاربرد آن‌ها معرفي ‌شده است.

جدول 2 محصولات حاصل از به‌ كارگيري نانو فناوري گل و سيمان حفاري