سنتز نانو‌ذرات سیلیکا آمورف از مواد طبیعی و به‌کارگیری آن در سیال حفاری به منظور پایداری لایه‌های شیلی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی نفت، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم تحقیقات، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی نفت، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم تحقیقات، تهران، ایران

3 واحد پژوهش حفاری پژوهشکده اکتشاف و تولید، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران، ایران

چکیده

ناپایداری سازندهای شیلی به‌هنگام استفاده از گل‌های پایه آبی یکی از مشکلات بزرگ در هنگام حفاری چاه‌های هیدروکربوری می‌باشد. در هنگام حفاری فرا تعادلی اختلاف فشاری که بین سیال حفاری و سازند ایجاد می‌شود باعث شده که صافاب سیال حفاری به درون شیل نفوذ کرده و به‌دلیل بزرگ بودن ذرات جامد موجود در سیال حفاری در مقایسه با گلوگاه‌های منفذی شیل که در حدود 3 تا nm 100 می‌باشد تشکیل کیک گل برای جلوگیری از نفوذ صافاب به داخل شیل میسر نبوده، در نتیجه صافاب سیال حفاری به‌طور پیوسته وارد سازند شده و باعث افزایش فشار منفذی شیل و به دنبال آن کاهش پایداری و ریزش دیواره چاه می‌شود. به منظور مسدود‌‌سازی منافذ نانومتری شیل و جلوگیری از نفوذ صافاب، اقدام به سنتز نانوذرات SiO2 آمورف با استفاده از روشی ساده و کارآمد از ماده‌ای دور ریز از صنعت کشاورزی به نام سبوس برنج گردید و در سیال حفاری پایه آبی طی دو غلظت 3 و 5% وزنی- حجمی به‌کار گرفته شد. با گرفتن خواص رئولوژی گل پایه و گل پایه همراه با نانوذرات و مقایسه نتایج تست‌ها مشخص شد که نانوذرات به‌کار گرفته شده باعث بهبود خواص رئولوژی سیال حفاری نظیر افزایش پایداری حرارتی و کاهش میزان صافاب می‌شود. در ادامه با استفاده از دستگاه انتقال فشار منفذی (PPT) به بررسی اثر گل حاوی نانوذرات در مسدود سازی منافذ شیلی و کاهش فشار منفذی پرداخته شد. نتایج نشان داده که استفاده از غلظت 3% نانوذرات سنتز شده باعث کاهش نرخ نفوذ سیال به درون شیل در حدود 6/5% و با افزایش غلظت نانوذرات به 5% به میزان 7/43% از نفوذ سیال به درون شیل جلوگیری می‌شود که این عامل می‌تواند از تضعیف خواص مکانیکی لایه‌های شیلی و ریزش آنها در هنگام حفاری توسط گل‌های پایه آبی جلوگیری کند.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Synthesis of Amorphous Silica Nanoparticles from Natural Materials Applied in Drilling Fluid for Stabilizing Shale Layers

نویسندگان [English]

  • vahid zarei 1
  • Abolghasem Emamzadeh 2
  • alireza nasiri 3
1 Petroleum Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Department of Petroleum Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
3 Unit Drilling, Exploration and Production Center, Research Institute of Petroleum Industry, Tehran, Iran
چکیده [English]

One of the most significant problems during oil and gas drilling is shale formation instability when using water-based muds. During underbalanced drilling due to pressure difference induced between drilling fluid and formation, mud filtrate invades to shale. Moreover, because of the large solid particles in drilling mud in comparison with shale pore throats (about 3 to 100 nm), formation of mud cake to prevent the invasion of filtrate to the shale is not possible. Therefore, drilling fluid filtrate continually penetrates to the formation and will cause an increase in pore pressure and instability of shale followed by lost in sidewall. In order to block the shale nanometer pores and to prevent the invasion of filtrate, a synthesis of amorphous silica nanoparticles using a simple and efficient method of waste material from agricultural industry is performed which was called rice husk, and applied in drilling water-based muds at two concentrations of 3 and 5% weight/volume (w/v). By taking rheological properties of base mud and the base mud with nanoparticles and comparing the test results, it was found that nanoparticles used improved the rheological properties of drilling mud such as thermal stability and reducing the amount of filtration. Then, a pore pressure transmission (PPT) device utilized to investigate the effect of the mud containing the nanoparticles to block shale pores and reduce pore pressure. The results showed that using concentrations of %3 and %5 synthesis nanoparticles cause the reduction of the rate of penetration of fluid into the shale at around 5.6% and 43.7%  respectively. This phenomenon can be a factor to prevent the mechanical weakening of shale layers and their loss during drilling by water-based muds.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water Base Mud
  • Swelling Shale
  • Rice Husk
  • Silica Nanoparticles
  • Pore Pressure
  • Shale Stability

[1]. Mitchell J. K., “Fundamentals of Soil Behavior,” 3rd ed., Wiley Interscience., 1993.##

[2]. Amanullah M. D. and Al-Arfaj M., “Preliminary test result of Nano-base drilling fluids for oil and gas field application,” SPE/LADC 139534, 2011.##

[3]. Chenevert M. E., “Shale control with balanced activity oil muds,” JPT Trans AIME, Vol. 249, pp 1309-1316, 1970.##

[4]. Oort E. V., “On the physical and chemical stability of shales,” Journal of Petroleum Science and Engineering, Vol. 38, pp. 213-235. 2003.##

[5]. Suri A. and Sharma M. M., “Strategies for sizing Particles in drilling and completion fluids,” SPE Journal., Vol. 9, No.1, pp. 13-23, 2004.##

[6]. Riley M., Stamatakis E., Young S., Hoelsher K. P., Stefano G. D., Ji L., Guo Q. and Friedheim J., “Wellbore stability in unconventional shale -the design of a nano-particle fluid,” SPE 153729, 2012.##

[7]. Sensoy T., Chenevert M. E. and Sharma M., “Minimizing water invasion in shale using nanoparticles,” SPE, 124429, 2009.##

[8]. Soares L. W. O., Braga R. M., Freitas J. C. O., Ventura R. A., Pereira D. S. S. and Melo D. M. A., “The effect of rice husk ash as pozzolan in addition to cement Portland class G for oil well cementing,” Journal of Petroleum Science and Engineering, Vol. 131, pp. 80–85. 2015.##

[9]. Zong T. and Liou H., “Preparation and characterization of Nano-structured silica from rice husk,” Materials Science and Engineering A, Vol. 364. pp. 313–323, 2004.##

[10]. Della V. P., Kuhn I. and Hotza D., “Rice husk ash as an alternate source for active silica production,” Materials Letters., Vol.57, pp. 818–821, 2002.##

[11]. Kyung H., “Potential applications of rice husk ash waste from rice husk biomass power plant,” Journal of Renewable and Sustainable Energy Reviews., Vol. 53, pp.1468–1485, 2016.##

[12]. M. D R., Criado A. J.M., “Preparation of silica from rice husks,” Journal of the American Ceramic Society., Vol. 79, pp. 2012–2016, 1996.##

[13]. Obrien D. E. and Chenevert M. E, “Stabilizing sensitive shales whit inhibited potassium-base drilling fluid,”JPT. Vol.25, pp. 1089-1100, 1973.##