طبق بررسی ها در پنجاه سال آینده میزان تقاضای جهانی انرژی دو برابر خواهد شد. بنابراین نیاز به استفاده از تکنولوژی های جدید و نوعی بازنگری در نوع تولید و مصرف منابع انرژی به شدت احساس می شود. در این میان علم نانوفناوری با نگرشی جدید که در ساختار و چینش مواد بوجود آورده، روش های بسیار مناسبی را در جهت استفاده از فرآیندهای مختلف در حوزه انرژی ایجاد کرده است. در حقیقت نانوفناوری می تواند با کمک به یافتن منابع هیدروکربوری بصورت دقیق تر و با جزئیات بیشتر به خصوص در فواصل عمیق تر و نیز اندازه گیری ابعاد مخزن با استفاده از روش های لرزه نگاری و مغناطیسی پیشرفته، نقش عمده ای را در بهبود فرآیند بهره برداری و تولید سیال از چاه ایفا کند.
در بخش بالا دستی نفت اولین مرحله برای دست یابی به نفت و بهره برداری از آن، اکتشاف مخازن است. با بدست آوردن مجموعه ای از اطلاعات از لایه‌های مختلف زمین با استفاده از روشهای زمین شناسی، ژئوفیزیکی و ژئوشیمی، محل و کیفیت نفت خام یا گاز کشف میشود و بدین ترتیب با تشخیص محل صحیح نفت و گاز موجود در اعماق زمین میتوان به حفاری و استخراج این مواد اقدام کرد. در حقیقت ابتدا با توجه به مطالعات سطحی و صحرایی محیط، مجموعه ای از اطلاعات اولیه بدست می آید و اولویت های سایر روش های اکتشافی مشخص می شود. این روش ها شامل روش های سطحی، ثقل سنجی و مغناطیسی سنجی، لرزه نگاری، ژئوشیمی آلی و حفر چاه های اکتشافی می باشد .
1-روش های سطحی
گاه مطالعه برخی از نشانه ها در سطح زمین می تواند راهنمای ما برای کشف مخازن احتمالی باشد. بخشی از لایه هایی که هزاران متر زیر زمین هستند، ممکن است در اثر عوامل مختلفی به سطح زمین رسیده باشد و ما آن بخش از لایه را که برونزد(outcrop) آن نامیده می شود، مشاهده کنیم. ابتدایی ترین کار در اکتشاف مخازن نفت این است که با مطالعه برونزدها (outcrops) و نشانه های سطحی، اطلاعاتی در مورد سازندهای نفت بدست آورد و یا با مطالعه ساختارهای زیرزمینی که آثار آن ها در روی زمین قابل مشاهده و بررسی است، تا حدودی به وجود تله های نفتی پی برد و همچنین اگر در سطح، چشمه های نفتی(oil spring) وجود داشت با مطالعه آن ها به سنگ منشأ(source rock) آن پی برد و از این طریق مخازن احتمالی را شناسایی کرد.
2-روش های ثقل سنجی و مغناطیسی سنجی
این دو روش برای شناسایی مخازن نفتی که ساختارهای مشخص و معینی (مثل طاقدیس) در اعماق کم دارند به کار می روند. در روش ثقل سنجی اساس کار این گونه است که تغییر شتاب جاذبه ثقل در نقاط مختلف را می توان به تغییر ماهیت سنگ یا تغییر ساختار، مخصوصا ساختارهای طاقدیس نسبت داد. اساس کار روش مغناطیس سنجی بر این است که میدان مغناطیسی طبیعی زمین را می سنجد، اما اگر سنگی وجود داشته باشد که خود میدان مغناطیسی اضافی ایجاد کند، با استفاده از دستگاه های مغناطیس سنج شناسایی می شود. از آ ن جایی که برخی از سنگ های رسوبی خود مغناطیسه هستند و میدان مغناطیسی اضافی ایجاد می کنند، به کمک این دستگاه می توان ضخامت این لایه ها را تا حدودی مشخص کرد. باید توجه داشت که جنس سنگ مخزن و منشا از سنگ های رسوبی است.
3-مطالعه لرزه نگاری (seismic)
در روش لرزه نگاری امواج لرزه ای در اثر انفجار به صورت موج های مکانیکی در لایه های درون زمین منتشر می شوند. برای این که بازتاب این امواج از لایه های مختلف دریافت شود، گیرنده هایی (Geophone) بر روی زمین تعبیه شده اند که بازگشت این امواج را ثبت می کنند. منابعی که برای ایجاد این لرزه ها بکار می رود می تواند چاله هایی که از مواد منفجره پر شده و یا دستگاه vibrosize باشد. این دستگاه کامیونی است که یک صفحه در زیر خود دارد. به هنگام ایجاد لرزه این صفحه روی زمین قرار می گیرد و وزن کامیون بر روی صفحه می افتد و با لرزه هایی که این صفحه ایجاد می کند امواجی پدید می آید. اساس کار این گونه است که با توجه به این که سازندهای مختلف قابلیت های مختلفی برای عبور موج از درون خود دارند، سرعت امواج درون این لایه ها با هم متفاوت است و به این وسیله می توان سطوح بین لایه ای را تشخیص داد البته به این شرط که این لایه ها دارای چگالی و سرعت انتشار متفاوتی باشند این تفاوت اساس شناسایی لایه ها و سازندهای مختلف است. لرزه نگاری بصورت یک بعدی، دو بعدی، سه بعدی و اخیرا چهار بعدی انجام می گیرد. لرزه نگاری چهاربعدی همان لرزه نگاری سه بعدی است که بعد چهارم آن زمان بوده ونحوه پیشروی سیالات مخزن را ارائه می دهد. ازاطلاعات لرزه نگاری، ساختارکلی لایه های زمین، محدوده مخزن، نوع سیال اعم ازگاز، آب یا نفت و ... را می توان به دست آورد.
4-ژئوشیمی آلی (organic Geochemistry)
امروزه از روش ژئوشیمی آلی (organic Geochemistry) برای اکتشافات مخازن، سنگ منشا و تحلیل این سنگ ها استفاده می شود.
5-حفر چاه های اکتشافی
روشهای پیش گفته اطلاعات اولیه را برای حفر اولین چاه در اختیار متخصصین اکتشاف قرار می‌دهند این متخصصین برای دستیابی به دقت بیشتر در اطلاعات خود باید چاههای اکتشافی را در مخزن حفر کنند. از یک چاه اکتشافی می توان به اطلاعاتی دست یافت از جمله: ترتیب قرار گرفتن سازند های مختلف در عمق زمین، عمق واقعی مخزن در زیر زمین، ضخامت مخزن، خصوصیات سنگ و سیال های درون مخزن (گاز، نفت و آب) که با نمونه برداری از سنگ و سیال و انجام آزمایش های مربوطه مطالعه می شود، مرز لایه ها ی زمین شناختی، جنس و شیب هر لایه، برخی از ویژگی های سنگ مخزن از جمله میزان تخلخل و درجه ی اشباع آن از سیال های مختلف و دمای مخزن با انجام عملیات چاه پیمایی شناسایی می شود.
2-کاربرد نانوفناوری در اکتشاف مخازن نفتی و گازی
کاربرد نانومواد در زمینه اکتشاف سیالات هیدروکربنی را می توان اینگونه در نظر گرفت : 1) کشف هیدروکربن ها
2) اندازه گیری سایز مخزن
امروزه محققان بر این باور هستند که صنعت اکتشاف مخازن زیرزمینی نیازمند تحولی است تا بتوان هیدروکربن ها را در نقاط مختلف زمین شناسائی نمود. زیرا گاهی حتی لرزه نگاری های دو و سه بعدی نیز قادر به ارائه اطلاعات روشنی از ساختار زمین شناسی برخی نواحی خاص نمی باشند. محققان بر این باورند که نانوتکنولوژی قادر است تمامی این مشکلات را به خوبی حل کند. زیرا علم نانو می تواند با تولید نانوذرات یا نانوحسگرهای قوی، اطلاعات بسیار باارزشی را از ساختار مخزن جمع آوری نموده و ارائه دهد .
طبق مطالعات، نانوفناوری دارای تاثیرات مهمی در بهبود فرآیند اکتشاف با استفاده از لرزه نگاری و چاه پیمائی و نیز روش مغناطیس سنجی می باشد.
2-1- کاربرد نانوفناوری در روش مغناطیس سنجی
اکتشاف مغناطیسی نوعی روش جستجوی ژئوفیزیکی است که در آن از آهنرباهای بسیار دقیق جهت مکان یابی و مشخصه یابی اشیا و پدیده های زمین شناسی استفاده می شود. اساسا دلیل تشخیص اشیا طی این روش به دلیل میدان مغناطیسی ساطع شده از خود آنها می باشد. هرچند این میدان تشکیل شده بسیار ضعیف می باشد اما می تواند تغییرات قابل اندازه گیری در توزیع میدان مغناطیسی زمین ایجاد کند. به چنین تغییری، نابهنجاری مغناطیسی (magnetic anomaly) اطلاق می شود. در شکل 1 تاثیر شی مدفون در زیر سطح زمین بصورت یک نابهنجاری نشان داده شده است. همچنین اغلب اجسامی که خاصیت غیرمغناطیسی نیز دارند مانند سنگ مخزن نیز با قرار گرفتن در میدان مغناطیسی زمین حالت مغناطیسی پیدا می کنند. دستگاهی که جهت اندازه گیری میدان مغناطیسی بکار می رود مغناطیس سنج نام دارد و شامل دو قسمت می باشد: BEarth که میدان مغناطیس زمین و BAnomaly که میدان مغناطیسی شیئ مدفون شده را می سنجد. پرکاربردترین نوع مغناطیس سنج ها در زمینه اکتشاف از نوع: مغناطیس سنج پروتونی (Proton Processing Magnetometer) و مین مغناطیسی (Fluxgate magnetometer) می باشد.
شکل 1- تاثیرات شیء مدفون در داخل زمین بر روی میدان مغناطیسی
با تفسیر داده های بدست آمده با استفاده از یک مغناطیس سنج به سوالات زیر پاسخ داده می شود:
1) نابهنجاری های مغناطیسی در داده های جمع آوری شده کدام هستند؟
2) کدام شی مصنوعی و/ یا ساختار زمین شناسی سبب پیدایش این نابهنجاری شده است؟
3) عمق این شیئ و /یا ساختار زمین شناسی چقدر است؟
4) اندازه و شکل شیئ و/ یا ساختار زمین شناسی به چه صورتی است؟
برای تعیین میزان مغناطیس موجود در سنگ می توان از دو نوع ابزار مغناطیسی استفاده نمود:
1) نقشه برداری هوائی که در آن از یک مغناطیس سنج متصل به یک هواپیما استفاده میشود.
2) نقشه برداری زمینی که در آن از یک مغناطیس سنج قابل حمل استفاده می گردد.
استفاده از نانوتکنولوژی در ساختار مغناطیس سنج ها امروزه در مرحله تحقیق و بررسی قرار دارد و همانگونه که پورافشاری و همکارانش نشان داده اند، استفاده از نانوکامپوزیت ها می تواند آغازگر ایجاد تحول در این روش باشد .
2-2- کاربرد نانوفناوری در روش نمودار گیری و لرزه نگاری
2-2-1-کاربرد نانوحسگرها در لرزه نگاری
اصولا کشف یک منبع زیرزمینی بدون مانیتور کردن حرکت سیال درون مخزن بسیار دشوار است. در این راستا زمین شناسان با استفاده از ابزارآلات حسگر از راه دور توانسته اند تصاویری را از منابع زیرزمینی آورند. در طول سال های اخیر تلاش های بسیاری در جهت تولید تصویربرداری زیرزمینی از منابع هیدروکربوری انجام گرفته است. محقق کانادائی Reginlad Fessenden برای اولین بار استفاده از روش لرزه نگاری را در زمین شناسی در سال 1917 ثبت اختراع نمود. یک دهه بعد شرکت شلمبرژه (Schlumberger) اولین ابزار الکتریکی چاه پیمائی را به درون چاه وارد نمود. امروزه پیشرفت های حاصل در داده های لرزه نگاری و الکترومغناطیس، پردازش سیگنال ها و مدلسازی با محاسبات پیشرفته و نیز انقلاب نانوتکنولوژی سبب ایجاد بهبودهای چشمگیری در تصویربرداری از مخازن گردیده است. چنانچه امروزه با استفاده از حسگرهای کنترل از راه دور میتوان تصاویر بهتر و با جزئیات بیشتر از تغییرات عمودی و عرضی لایه های سازند زیرزمینی و نیز تخلخل و تراوائی آن بدست آورد. اغلب موانعی که بر سر راه کنترل از راه دور این حسگرها وجود دارد ناشی از ساختار و فیزیک خاص سنگ مخزن است. برای مثال با افزایش عمق، ضخامت بستر و اندازه عرضی نسبت به طول موج سیگنال سبب تضعیف انرژی و چگالی و سرعت متغیر سنگ سبب پخش یا پیچیدگی سیگنال ورودی می شود. عموما منبع و گیرنده های سیگنال در فاصله دوری بر روی سطح زمین قرار دارند و همین امر سبب کاهش کیفیت تصاویر دریافتی می گردد. لرزه نگاری انعکاسی پرکاربردترین نوع استفاده از حسگرهای از راه دور در زمین شناسی می باشد. داده های ناشی از لرزه نگاری میزان سرعت سیال زیرزمینی و تغییرات چگالی آن را تعیین می کنند و حتی اگر سنگ مخزن دارای ویژگی های مناسبی باشد این ابزار توانائی تشخیص هیدروکرین ها از آب مخزن را نیز دارند.در حقیقت انرژی لرزه ای که از لایه های درونی زمین بازتابش می شود در سطح زمین توسط ژئوفون ها دریافت می گردد. برای افزایش حساسیت این گیرنده ها لازم است تا امواج رسیده از داخل زمین به خوبی جمع آوری گردند. ژئوفون های معمولی اغلب از نوع سیم پیچ الکترومغناطیسی متحرک می باشند و اساس کار آنها بدین صورت است که زمانیکه بدنه بصورت عمودی حرکت می کند، سیم پیچ ثابت مانده و آهنربا متحرک می گردد. حرکت نسبی بین سیم پیچ و میدان مغناطیسی سبب تولید ولتاژ نهائی ژئوفون می گردد. ولی در این نوع گیرنده ها عموما مشکل تداخل الکترومغناطیسی وکم بودن محدوده فرکانس پاسخ وجود دارد و محققان در حال بررسی روش های نوین در جهت بهبود این معایب می باشند .
شکل 2- استفاده از ژئوفون ها در لرزه نگاری
امروزه ایجاد نانوحسگرها جدید برای ثبت لرزه ها بصورت دقیق تر و پربازده تر توانسته این بخش ها از صنایع بالادستی نفت را متحول کند، چرا که امکان وارد کردن نانوحسگرها در لایه های مختلف زمین و ثبت لرزه ها از موقعیت های متنوع تر بوجود آمده است. همچنین نانوتکنولوژی می تواند با نانوساختار نمودن ژئوفون ها (گیرنده ها) به عملکرد سریع و ثبت اطلاعات صوتی دقیق تر منجر گردد. دراین راستا آزمایش های زیادی انجام پذیرفته و توانایی نانوفناروی را در این بخش به اثبات رسانده است. ازنتایج این آزمایش ها می توان به تولید ده برابر ضریب طول و دریافت اطلاعات ازاعماق دورتر اشاره کرد. آقای جونگ کیم ازدانشگاه تگزاس در کنفرانس نانوفناوری انجمن مهندسین برق آمریکا، فناروی "شناوری مغناطیسی با دقت بالا" راکه دربسیاری اززمینه های تحقیقاتی نانوفناوری و سایر فناوری هایی که براساس اندازه گیری دقیق حرکات و نیروها کار می کنند کاربرد دارد، موردبررسی قرار داده است. این فناوری ها شامل ساختن ساختارهای نانومقیاس، کاربری در مقیاس اتمی، سرهم بندی میکروقطعات و آشکارسازهای حرکات لرزه ای می باشند. شرکتهای نفتی Shell وBP برای کشف واستخراج میادین جدید نفت وگاز از نانوفناوری درتصویربرداری لرزه ای و لرزه نگاری چهار بعدی استفاده می کنند.
همچنین شرکت آمریکائی IncInput/Output از میکرومکانیکال سیستم ها (MEMS) و نانومکانیکال سیستم ها (NEMS) جهت تهیه داده های لرزه نگاری چاه های نفت و گاز استفاده می کند. این ابزارها داده ها را بصورت دقیق تر و کم حجم تر از ژئوفون های معمولی ثبت می کنند. به طور خلاصه کاربرد نانوفناوری در ابزارآلات مربوط به عملیات اکتشاف نفت و گاز می تواند به دریافت اطلاعات دقیق تر و به خصوص ارائه اطلاعات اعماق بسیار زیاد وبه تبع آن شناخت جامع تر ازمخزن کمک نماید .
2-2-کاربرد نانوحسگرها در نمودارگیری دقیق تر از چاه
بطور کلی در این رویکرد، ابتدا در آزمایشگاه پرتوهای مختلفی نظیر گاما، ایکس، نوترون و همچنین انواع مختلف امواج صوتی و میدان های مغناطیسی یا الکتریکی در مقابل ساختارهای سنگی مختلف اعمال، بازتابش های مربوطه ثبت و نمودارها رسم می شود (کالیبراسیون). سپس ابزار نمودارگیری در میدان نفتی یا گازی به درون یک چاه رانده شده و فرآیند تاباندن پرتوها،امواج و میدان ها و ثبت بازتابش ها صورت می پذیرد. نهایتا از مقایسه نمودارهای بدست آمده با نمودارهای استاندارد، جنس لایه ها (لیتولوژی) تعیین می گردد. همچنین با استفاده از تئوری های موجود، تخلخل و درجه اشباع سیالات نیز مشخص می شود. در این قسمت از نانوحسگرها برای تحلیل دقیق پرتوها و نیز به دلیل سطح ویژه بالای آنها، جهت تحلیل پرتوها در همه جهات استفاده می شود. علاوه بر آن از این نانوحسگرها می توان جهت تعیین جنس لایه ها و خواص سیال نیز استفاده نمود. همچنین چون بخشی از نمودارگیری درون چاه مربوط به بررسی تخلخل ها می شود، می توان باوارد نمودن یک سری نانوپودرها به داخل مخزن و دانستن مقدار و سطح ویژه آنها، میزان تخلخل سازند را تخمین زد. در این راستا می توان نانوحسگر ها را به اعماق بیشتری درون سازند نفوذ داده و تحلیل های دقیق تر و در نقاط متنوع تر را انجام داد. این حسگر ها به دلیل مزایائی مانند اندازه کوچک، ایمنی در قبال تداخل الکترومغناطیسی، قابلیت کارآئی در دما و فشار بالا و محیط های دشوار در صنعت نفت بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. محققان در دانشگاه صنعتی ویرجینیا در حال تولید نانوحسگرهائی ارزان وقابل اعتماد از فیبرهای نوری جهت اندازه گیری فشار، دما، جریان نفت و امواج اکوستیک در چاه های نفت می باشند . همچنین Benischek و همکارانش نشان دادند که با استفاده از نانوذرات و/یا نانوحسگرها بعنوان نانوابزارها (nano devices) و بررسی انرژی برگشت داده شده از آنها در نقاط مختلف درون چاه می توان مکان و مورفولوژی آنها را شناسائی و به اطلاعات مفیدی دست یافت. در حقیقت این محققین، یک سیستم انتقال و دریافتامواج الکترومغناطیسی را که از دسته ای از آنتن ها تشکیل شده است بکار گرفتند. این امواج به نانوابزارهای موجود در داخل چاه نفت برای شارژ منبع قدرت تعبیه شده در داخل این ابزارها و کنترل و ایجاد ارتباط با آنها فرستاده می شود. این نانوابزارها بخشی از این انرژی الکترومغناطیسی را منعکس می کنند نهایتا با دریافت این امواج برگشت داده شده و تحلیل آنها، نقشه سه یا چهار بعدی از ساختار داخلی مخزن بدست می آید
مخازن نفتی و گازی در حقیقت منابع عظیمی از سیالات هیدروکربوری هستند که دارای شرایط فیزیکی و شیمیائی خاص خود بوده و در طول کل فرآیند اکتشاف، استخراج، تولید و افزایش بهره برداری نیاز است تا رفتار و نیز ساختار زمین شناسی و درونی آنها تا حد امکان به خوبی شناسائی و عملیاتی که بر روی آنها انجام می گیرد، با دیدی باز و علمی تعیین گردد. مدیریت مخازن به اصطلاح به بررسی و پایش، دریافت اطلاعات صحیح از خصوصیات و رفتار مخزن و همچنین کنترل فرآیندهای ناخواسته که بعنوان مانعی بر سر راه تولید قرار می گیرند، اطلاق می شود. از آنجائیکه نانوفناوری بعنوان رویکردی جدید در جهت برطرف نمودن معایب و مشکلات در صنایع مختلف از جمله صنایع بالادستی نفت و گاز می باشد، این مقاله به بررسی مفاهیم بکار رفته در مدیریت مخازن در دو حیطه پایش وضعیت چاهها با استفاده از نانوحسگرها و نیز کنترل شن و ذرات نامطلوب درون چاه با استفاده از نانوغشاءها و نانوذرات می پردازد.
امروزه محققان به دنبال پاسخی برای این پرسش هستند که در آینده در زمینه مدیریت مخازن چه روش هایی مورد توجه قرار خواهد گرفت و فناوری های جدید چه تغییراتی در روش مدیریت مخازن ایجاد خواهد کرد.
در طول دو دهه گذشته پیشرفت های زیادی در زمینه توانایی های کاوش، جمع آوری اطلاعات و توانائی های محاسباتی صورت گرفته است. همچنین با کاهش جهانی تولید نفت سبک، افزایش تمرکز بر تولید نفت سنگین، گاز طبیعی چالش های جدیدی را ارائه خواهد کرد. لذا تعداد حسگرها و میزان داده ها در حال افزایش است همچنین استفاده از داده های لحظه ای و آنالیز خودکار داده ها متداول شده است. با پیشرفت فناوری هی و با ورود نانوفناوری به این حوزه، تغییرات وسیعی در تبدیل داده های جمع آوری شده به اطلاعات و از آنجا افزایش توان تصمیم گیری درست بر پایه این اطلاعات، و نیز بهبود فرآیندهای تولید سیال هیدروکربوری ایجاد شده است .
برای مثال محققان نشان داده اند که با استفاده از نانوحسگرها می توان به اطلاعات دقیقی از خواص فیزیکی و شیمیائی و نیز ساختار داخلی مخازن دست پیدا نمود، که این امر در کنترل وضعیت چاه ها، افزایش میزان سیال برداشت شده و کنترل کیفیت آن بسیار موثر است .
همچنین طبق بررسی ها و مشاهدات، مهاجرت ذرات درون سازند در طول فرآیند تولید سیال هیدروکربنی همواره مشکل زا بوده و این ذرات می توانند از فواصل دور درون سازند حرکت نموده، با تجمع در نواحی دیواره چاه سبب ایجاد اختلال در فرآیند تولید شده و نیز به شکل توده ای به یکدیگر چسبیده و سبب مسدود شدن غربال های کنترل شن، فرسایش موضعی آنها و نیز آسیب رسانی به پمپ ها شوند. لذا به منظور غلبه بر این معایب لازم است تا ذرات مهاجر تا حد امکان دور از دیواره چاه نگاه داشته شوند. در این زمینه نانوذرات و نانوسیالات ویژگی های بسیار مناسبی در تثبیت این ذرات ریز و بهبود فرآیند تولید نشان داده اند .
در این راستا این مقاله به بررسی روش های مدیریت مخزن از جمله کنترل تولید ماسه و ذرات ریز با استفاده از نانوذرات و نانوغشاء ها و نیز پایش چاهها با استفاده از نانوحسگرها می پردازد.
کاربرد نانوفناوری در مدیریت مخازن نفت و گاز
کنترل شن و ذرات
بر اساس منابع مطالعاتى، ذرات ریز سازندى به عنوان ذرات سست یا ذرات جامد رها شده شناخته مى شوند که در خلل و فرج ماسه سنگها وجود دارند. اندازه این ذرات کمتر از 37 میکرون می باشد وشامل ذرات رسى و غیر رسى و ذرات باردار و بدون بار هستند. این ذرات به راحتى با هر سیالى که از بین ماسه سنگها جریان یابد، انتقال یافته و در نتیجه با تولید سیالات هیدروکربنى یا آب از چاه و در محیط متخلخل از فواصل دور و از تمامى جهات تا فواصل نزدیک دیواره چاه حرکت می کنند. زمانى که تولید از چاه ادامه مى یابد، مقدار زیادى از ذرات ریز در نزدیکى چاه تولیدى تجمع یافته، فعل و انفعال انجام داده و ذرات بزر گترى را تشکیل می دهند که می تواند موجب بسته شدن حفره ها و انسداد غربال ها گردد. که خود این عمل سب کاهش شدید تولید می گردد. همچنین عامل نگران کننده دیگر خوردگی غربال های موجود در چاه و نقص پمپ های بهره برداری می باشد .
امروزه مطالعات بسیارى براى کنترل حرکت ذرات ریز سازندی انجام گرفته و برخی از مهمترین روش ها بر پایه استفاده از نانومواد مورد بحث قرار می گیرد.
استفاده از نانوذرات و نانوسیالات
پروپانت ماده ای است که شکست هیدرولیکی ایجاد شده در سنگ را باز نگاه داشته و از مسدود شدن مجدد آن جلوگیری می کند. به منظور بهبود فرآیند تثبیت و توزیع ذرات ریز سازندی می توان از پروپانت های پوشش داده شده با نانوذرات استفاده نمود. به این منظور محققان از بستر پروپانت پوشش داده شده توسط نانوکریستال های خاص که دارای نیروهای سطحی قابل توجهی مانند نیروی واندروالس و الکترواستاتیک هستند و سبب چسبیدن این ذرات به سطح پروپانت ها می شود استفاده می کنند.
در طول عملیات شکاف هیدرولیکی سازند و تزریق پروپانت، زمانیکه ذرات ریز سازندی به سمت منطقه پوشش داده شده با پروپانت حرکت می کنند، توسط نیروهای سطحی نانوذرات به دام افتاده و از نزدیک شدن به دیواره چاه باز می مانند.
در شکل 1 (الف) بستر پوشش داده شده با نانوذرات قبل از عبور ذرات سازندی و در شکل 1 (ب) همان بستر پس از عبور ذرات سازندی نشان داده شده است. طبق شکل ها می توان ذرات ریز سازندی جذب شده توسط نانوذرات را مشاهده نمود. در این راستا Huang و همکارانش نشان دادند که استفاده از سیال شکاف دهنده که حاوی ذراتی مانند پروپانت ها و شن و ماسه می باشد، با افزایش میزان موثری از افزایه های حاوی نانوذرات می تواند سبب تثبیت و یا کاهش مهاجرت ذرات ریز گردد. در این حالت این افزایه های خاص می توانند اکسیدهای فلزات قلیائی، هیدروکسیدهای فلزات قلیائی، اکسیدهای فلزات واسطه، هیدروکسیدهای فلزات واسطه و غیره باشند.
شکل1- بستر پوشش داده شده با نانوذرات، قبل از عبور جریان ذرات ریز سازندی (الف) و پس از عبور جریان ذرات ریز سازندی (ب)
به این منظور این افزایه های خاص با ابعاد نانومتری، توسط یک عامل پوشش دهنده مانند یک روغن، به پروپانت می چسبند. برای مثال زمانیکه از نانوذرات اکسید منیزیم یا غیره استفاده می شود، اندازه ریز این نانوذرات سبب ایجاد بارهای خاصی می شود که به ثابت نمودن ذرات ریز کمک می نماید. در این حالت نشان داده شده که نانوذرات اکسید منیزیم توانائی بالائی در تثبیت ذرات ریز سازندی مانند خاک رس و کوارتز دارند. همچنین نانوذرات مورد استفاده در این حالت نه تنها دارای سطح ویژه و فعالیت زیاد می باشند بلکه به دلیل بار سطحی زیادی که دارند قادر به چسبیدن و جمع نمودن ذرات دارای بار و حتی بدون بار نیز می باشند. علاوه بر این نانوذرات، نانوذرات دیگری نیز مانند زیرکونیوم دی اکسید،
تیتانیا، کبالت اکسید، نیکل اکسید و نیز کریستال های پیزوالکتریک و پیروالکتریک نیز دارای این قابلیت ها می باشند. به منظور انجام عملیات، نانوذرات توسط سیال حامل (carrier fluid) با استفاده از پمپ به درون چاه تزریق شده و نیز می توانند بر روی پروپانت ها و یا ماسه پوشش دهی شوند تا طی عملیات دیگر مانند شکافت هیدرولیکی و غیره مورد استفاده قرار گیرند. چنانچه ماسه ها توسط نانوذرات پوشش دهی شوند، ذرات ریز سازندی نهایتا درون بسته شنی (gravel pack) به دام خواهند افتاد.
سیال حامل در این عملیات نیز می تواند پایه آبی، پایه الکلی و یا پایه روغنی باشد ولی در اکثر عملیات از سیالات پایه آبی استفاده می شود. همچنین چنانچه از محلول های نمکی بعنوان سیالات حامل استفاده شود، نمک های مورد استفاده می توانند سدیم کلرید، پتاسیم کلرید،کلسیم دی کلرید، منیزیم دی کلرید و غیره باشند. عوامل پوشش دهنده مناسب نیز می توانند روغن های معدنی و یا سایر هیدروکربن هائی که شرایط مناسب عملیاتی را ایجاد کنند باشند. طبق بررسی های محققان،
نانوسیالات دارای اکسیدهای فلزی دارای خواص بسیار مناسبی می باشند. همچنین نانوذرات اکسید منیزیم یکی از بهترین جاذب های ذرات ریز در ماده متخلخل می باشند .
نانوسیالات حاوی نانوذرات دارای خواص بسیار مناسبی مانند تمایل زیاد به جذب از خود نشان داده و به دلیل ذرات بسیار ریزی که دارند انتخاب مناسبی جهت تزریق به منطقه نزدیک دیواره چاه به شمار می روند. در این راستا حبیبی و همکارانش به بررسی کاهش مهاجرت ذرات ریز سازندی در ماده متخلخل سنتز شده با استفاده از یک برج پر شده و نانوذرات اکسید منیزیم، سیلیس و آلومینا پرداختند. نتایج بیانگر آن است که زمانیکه ماده متخلخل در محلول نانوذرات خیسانده می شود، ذرات ریز می توانند به بازدارنده دانه ها (grain hinders) چسبیده و حرکتشان محدود گردد. طبق نتایج، افزودن 0.1% وزنی از نانوذرات اکسید منیزیم و سیلیس می تواند تا 15% مهاجرت ذرات ریز را محدود نماید. در این حالت محققان توانسته اند نشان دهند که نانوذرات اکسید منیزیم زمانیکه در غلظت های بالا و نرخ تزریق سیال بالا مورد استفاده قرار می گیرند دارای تاثیر بیشتری در این زمینه هستند .
در شکل 2 تصویر مربوط به دانه های شیشه ای (glass beads) پوشیده شده با نانوذرات اکسید منیزیم قبل (الف) و پس از عبور ذرات ریز(ب) نشان داده شده است. تصاویر بیانگر شدت جذب ذرات ریز توسط نانوذرات می باشد .
شکل 2- دانه های شیشه ای پوشیده شده با نانوذرات اکسید منیزیم قبل (الف) و پس از عبور ذرات ریز(ب)
نانوغشاها
اصولا غشاء نوعی لایه نازک و نیمه تراوا است که با استفاده از نیروی محرکه اعمال شده می تواند مواد را جداسازی نماید.
انواع روش های جداسازی ذرات توسط غشاء را می توان به میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO) تقسیم بندی نمود. در عملیات نانوفیلتراسیون از نانوغشاءها استفاده می شود که دارای اندازه حفراتی در حدود یک هزارم میکرون می باشد .
مهمترین کابرد نانوغشاءها در مدیریت مخازن، مربوط به تزریق آب دریا به مخازن در عملیات سیلاب زنی و تثبیت فشار می باشد.
در این حالت آب دریا حاوی ترکیبات یونی فروانی مانند Na[SUP]+[/SUP]، Ca[SUP]2+[/SUP]، Mg[SUP]2+[/SUP]، Cl[SUP]-1[/SUP] و SO[SUB]4[/SUB][SUP]-[/SUP][SUP]2[/SUP] بوده و رسوب این ترکیبات بر روی تجهیزات درون چاهی سبب ایجاد آسیب و خوردگی در آنها می گردد. یکی از مهمترین خوردگی های ایجاد شده در تجهیزات درون چاهی بر اثر ترکیبات سولفات است
و به این منظور محققان از روش نانوفیلتراسیون جهت تولید آب تقریبا فاقد سولفات به منظور کاربرد در عملیات تزریق آب استفاده نمودند. همچنین در روش دیگر محققان به بررسی پایداری مقاومت این نانوفیلترها پرداختند آنها از یک کامپوزیت سه لایه ای که قابلیت کاربرد تا دمای 75 درجه سانتیگراد را داشته و فاز عبوری از آن حاوی غلظت های مطلوب از یونها است استفاده نمودند.
آب تصفیه شده با این نانوفیلتر مستقیما در عملیات سیلاب زنی
فشار بالای لایه های زیرزمینی تراوا بکار برده شد. فرایند سیلاب زنی جهت عملیات ازدیاد برداشت، نیاز به آبی دارد که عاری از ترکیبات خاص جامد آلی و معدنی و نیز یونهای دوظرفیتی باشد تا از مسدود شدن
حفرات تراوای سازند تا حد امکان جلوگیری شود.
همچنین ترکیبات یونی آب تزریقی باید حتی الامکان مشابه آب موجود در لایه های تولیدی باشد تا تغییر در سختی یونها سبب ایجاد تورم در ذرات خاک رس و از آنجا کاهش تراوائی سازند نگردد.
فیبر- رزین ها
امروزه استفاده از روش کنترل تولید ماسه با استفاده از پوشش های فیبر-رزینی در مخازن ماسه سنگی بسیار رو به افزایش است. بر اساس آنالیز مکانیسم کنترل تولید ماسه در میدان نفتی Guado و میدان گازی Sebei،
که از مهمترین میادین ماسه سنگی می باشند، مکانیسم کنترل تولید ماسه از این دو میدان با استفاده از فیبر-رزین ها بهبود زیادی پیدا کرده است. مقایسه کنترل تولید ماسه در این میادین نشان می دهد که استفاده از فیبر-رزین ها نتایج بسیار مناسبی دارد و از آنجا پیش بینی می شود که استفاده از نانومواد جهت بهبود دادن ساختار کمپلکس فیبر-رزین، تاثیرات بهتری نیز در این فرآیند بر جای می گذارد.
در این بررسی از کمپلکس های فیبر-ذرات نانومتری تهیه شده به روش اختلاط همزمان توسط امواج اولتراسونیک استفاده شده و بهبود مکانیسم با استفاده از مواد نانومتر توسط روش های طیف نگاری مادون قرمز و تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی روبشی تایید شد. طبق گزارشات استفاده از روش کنترل تولید شن با استفاده از پوشش های فیبر-رزینی در 28 چاه از میادین فوق الذکر و نیز میدان نفتی Xinjiang نتایج بسیار موفقیت آمیزی داشته است.
پایش وضعیت چاه ها
نانوحسگرها
اصولا نانوحسگرها عوامل الکترونیکی یا غیر الکترونیکی هستند که دارای ابعاد نانومتری بوده و در فرآیندهای دریافتی مورد استفاده قرار می گیرند. در حقیقت نانوحسگرها توانائی اندازه گیری جابجائی ها و تغییرات بسیار کوچک در ابعاد مولکولی را دارا بوده و حساسیت آنها نسبت به حسگرهای معمولی فوق العاده بیشتر است. کاربرد عمده نانوحسگر ها در صنایع نفت و گاز مربوط به تعیین مکان دقیق مخازن و نیز تشخیص گازهای سمی از چاه ها و معادن و بررسی وضعیت درون چاه مانند دما، فشار و غیره می باشد.
در این راستا نانوحسگرها با استفاده از ابعاد بسیار ریزی که دارند می توانند به درون حفرات سازند نفوذ کرده و اطلاعات مناسبی را از ساختار آن در اختیار قرار دهند .
امروزه شرکت های بزرگ نفتی و گازی دنیا به دنبال استفاده از میکرو و نانوحسگرهائی هستند که می توانند به دیواره چاههای نفتی و گازی تزریق شده، در داخل شکست ها و حفرات مهاجرت کرده و اطلاعات لحظه ای از خواص فیزیکی، شیمیائی و خصوصیات مکانی سنگها، مواد معدنی و سیال درون چاه جمع آوری نمایند که به اصطلاح به آن روشن سازی مخزن (illuminating the reservoir) اطلاق می شود. نانوعامل های بهبود دهنده کنتراست (contrast enhancing nanoagents)، حسگرهای آشکارساز بر پایه نانوذرات هستند که بصورت اختصاصی به شکلی طراحی می شوند که میل پیوستگی با هدف مطلوب را دارا هستند
و از دور تصویربرداری می شوند. با بهره گیری از خواص فیزیکی و شیمیایی بی نظیری که برخی از ترکیبات در مقیاس نانو ارئه می دهند این عامل های کنتراست برای افزایش پاسخ و/یا بهبود رزلوشن تصاویر دریافتی از حسگرهای فعلی دارای قابلیت کنترل از راه دور مورد استفاده در صنعت نفت و گاز، نوید بخش هستند. حسگرهای نانوموادی به حسگرهای مولکولی و مبتنی بر ماده (material-based sensors) اطلاق می شود و بیشتر آنها نیاز به بازیابی و بازرسی دارند. این حسگرها زمانیکه در معرض تغییرات ناپیوسته شرایط فیزیکی و شیمیائی مخزن قرار می گیرند، یک تغییرحالتی که قابل شناسایی است بروز می دهند. همچنین ابزارهای میکرو و نانوالکترونیک خواص مخزن را اندازه گیری نموده
و اطلاعات را به سر چاه انتقال می دهند. محققان دانشگاه رایس، نانوگزارشگرهائی (nano reporter) را طراحی نموده اند که در حقیقت حسگرهای نانومواد بر پایه نانومواد کربن (خوشه های کربنی آبدوست یا HCCs) و سیلیکا می باشند. این نانوگزارشگرها می توانند شرایط محیطی موضعی که در آن قرار دارند را احساس و ثبت کنند و حتی ممکن است این نانوگزارشگرها دارای قابلیت جداسازی ردیاب های شیمیائی،
رادیواکتیو باشند و غلظت آنها را بر اساس دما، زمان و نیز خصوصیات محلول (آبی و یا هیدروکربنی) که به آن وارد می شوند تغییر دهند و بدین ترتیب نوعی پروفایل از محیط داخل مخزن تهیه می شود. محققان دانشگاه Boston نیز در حال بررسی حسگرهای نانومواد آستانه فشار بر پایه غشاهای گرافن می باشند. در حقیقت گرافن یک تک لایه از جنس کربن است که در برابر نفوذ گاز ناتراوا می باشد. لایه های گرافن از لحاظ نوری، الکتریکی و مکانیکی در محیط های بازی پایدار بوده و می توانند به گونه ای تنظیم شوند که در برابر آستانه فشارهای متفاوت تغییر شکل دهند .
همچنین از آنجائیکه فرآیند ازدیاد برداشت نفت (EOR) یکی از مهمترین عملیات در افزایش برداشت از مخازن به شمار میرود، محققان در تلاش هستند تا با استفاده از حسگرهای جدید که نقشه مناسبی از ساختار درونی مخزن بدست می دهند، افزایش تولید را به گونه ای مناسب و علمی بهبود بخشند. عملیات سیلاب زنی به مخازن یکی از روش های بکار رفته در افزایش بهره برداری است که موفقیت آن به شدت تابع محیط درونی مخزن است که بر روی جریان آب تاثیر می گذارد. شکل گیری مسیرهای ترجیحی و مناسب برای حرکت آب درون مخزن، نیاز به دانستن شرایط فیزیکی و شیمیائی زیر زمین داشته و بر بازده عملیات سیلاب زنی موثر است.
در گذشته مسیرهای جریان توسط ردیاب های ایزوتوپ تعیین می شدند که بصورت مستقیم در عملیات سیلاب زنی به مخزن تزریق می شدند. محدودیت این روش در آن است که تنها مشخصه های جریان را بدست می دهد در حالیکه دانستن خصوصیات فیزیکی و شیمیائی مخزن نیز اهمیت بسیار دارد و علاوه بر این زمانیکه مخزن دارای شرایط سختی از لحاظ دما و فشار باشد،کارآئی این ردیاب ها پائین می آید. در این راستا مطالعات نشان می دهد که استفاده از نانومواد غیر آلی با خصوصیات حسگری پیشرفته می تواند این مشکل را برطرف نماید. برای مثال Turkenburg و همکارانش نوعی نانوحسگر بر اساس
نقاط کوانتومی Inp/ZnS و خوشه های اتمی نقره توزیع شده در محلول آبی طراحی نمودند که علاوه بر خاصیت شفافیت و نورانی بودن، دارای خواص بهینه یک حسگر در فرآیند سیلاب زنی مخازن نیز می باشد. زمانیکه از نانوحسگر مبتنی بر نقاط کوانتومی و نانوذرات نقره در شرایط شبیه سازی شده مخزن (دارای میزان زیادی از نمک، Ca[SUP]2+[/SUP]، pH بالا، دمای بالا، نفت و جامدات) استفاده شد، نتایج بسیار مثبتی از قدرت حسگرها در تعیین خصوصیات مخزن دریافت گردید.
تولید مواد و تجهیزات با خواص فیزیکی، مکانیکی، شیمیایی و حرارتی بهبود یافته با نانو
تولید مواد و تجهیزات با خواص فیزیکی، مکانیکی، شیمیایی و حرارتی بهبود یافته با نانو
در اکثر صنایع به ویژه صنعت نفت و گاز نیاز است تا از تجهیزاتی مناسب و مقاوم در برابر عوامل مخرب استفاده گردد. امروزه با استفاده از نانومواد می توان شرایط این تجهیزات را به نحو بسیار مناسبی بهبود بخشید و نیز میزان استفاده از مواد و هزینه و زمان را بهینه نمود. در این حالت نانومواد مورد استفاده اغلب بعنوان یک سد مقاوم در برابر خوردگی عمل کرده و علاوه بر این می توانند سبب افزایش استحکام ماده و تولید موادی با پایداری بالا و طول عمر بیشتر گردند. این مقاله به بررسی اثرات استفاده از نانوفناوری در بهبود خواص مواد و فرآیندهای صنایع بالادستی نفت و گاز پرداخته و نشان می دهد که به دلیل داشتن ساختارهای نانومتری و منظم، استفاده از نانوکامپوزیت ها، پوشش های نانوکامپوزیتی، نانوروان کننده هاو نانوذرات تا چه اندازه می تواند مقاومت مواد در برابر عوامل سایشی و فرسایشی را بهبود بخشد.
هزینه کلی ناشی از خوردگی که بصورت سالانه به صنعت نفت و گاز جهان تحمیل می شود در حدود 1.372 بیلیون دلار می باشد که 589 میلیون دلار از آن صرف خوردگی لوله کشی های سطحی و تجهیزات، 320 میلیون برای خوردگی های اساسی و 463 میلیون دلار آن صرف لوله های درون چاهی می گردد. از آنجاییکه یکی از بزرگترین نگرانی ها در صنعت نفت و گاز، خوردگی لوله ها می باشد، پوشش دهی و ساخت این قطعات با استفاده از نانوذرات و نانوکامپوزیت ها می تواند سبب افزایش استحکام و پایداری تجهیزات و کاهش استهلاک آنها گردد. در این حالت لوله های دارای نانوپوشش می توانند سبب بهبود فرآیند انتقال مواد خام از طریق افزایش مقاومت لوله در برابر دمای های پایین و افزایش مقاومت آنها در برابر شکل گیری پارافین ها، می گردد. همچنین از آنجائیکه پیش بینی می شود تقاضای انرژی جهانی طی 30 سال آینده تا 60% افزایش پیدا کند، لزوم افزایش تولید و بهره برداری از منابع نفتی و گازی و استخراج بیشتر سیالات هیدروکربنی احساس می شود. همچنین امروزه عملیات اکتشاف بیشتر در نواحی دور از دسترس و دارای شرایط سخت انجام می شود که همین امر کنترل فرآیند خوردگی تجهیزات را مشکل تر می سازد و نیاز به تولید مواد و تجهیزات با خواص فیزیکی، مکانیکی، شیمیایی و حرارتی بهبود یافته را ملموس تر می کند.
نانوفناوری می تواند طی بخش های ذکر شده به فرآیند تولید کمک کند:
1) افزایش کارآئی و پایداری در تجهیزات حفاری، مواد لوله ای و بخش های دوار
2) بهبود کشپار ها (elastomers) که در فرآیند حفاری عمیق در محیط های دارای دما و فشار بالا کاربرد دارند
3) بهبود پایداری تجهیزات سخت در شرایط دما و فشار بالا
4) افزایش طول عمر تجهیزات با افزایش مقاومت خوردگی، افزایش چسبندگی و مقاومت سایشی
5) افزایش توانمندی، طول عمر و انعطاف پذیری مته حفاری، واشر ها،کلاهک و لوله ها [1]
استفاده از مواد نانوساختار در این حیطه را می توان به بخشهای استفاده از نانوکامپوزیت ها، پوشش های نانوکامپوزیتی، نانوذرات و نانوروان کننده ها تفکیک نمود که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد.
استفاده از نانوفناوری در تولید موادی با خواص بهبود یافته مکانیکی، شیمیائی، حرارتی و غیره؛ قابل استفاده در صنایع بالادستی نفت و گاز
پوشش های نانوکامپوزیتی
استفاده از پوشش های نانوکامپوزیتی منجر به ظهور نوآوریهای مناسبی در زمینه مهندسی سطح شده که در جهت بهبود معایب فیزیکی و شیمیائی مواد ایجاد گردیده است. در این زمینه انواع روشهای مختلف پوشش دهی جهت کاهش اصطکاک، بهبود خواص حرارتی و الکتریکی، افزایش مقاومت خوردگی و سایش و غیره در شرایط سخت عملیاتی مورد استفاده قرار گرفته اند. اغلب ترکیباتی که در گذشته توسط روش های معمولی تحت پوشش دهی قرار می گرفتند، امروزه توسط فیلم های نانوکامپوزیتی و نانوساختار به دلیل پایداری بالا و سختی مکانیکی مناسب، مقاومت در برابر اکسایش و خوردگی و نیز دارا بودن سطوح لغزنده قابل انطباق در محیط های گوناگون جایگزین شده اند. به دلیل دارا بودن اندازه دانه های (grain size) بسیار کوچک، سطح نانوکامپوزیت ها و یا مواد پوشش دهی شده توسط نانولایه ها بسیار صاف تر از سطوح معمولی است و این مواد دارای صفحات کریستالی منظم و بدون عدم یکنواختی می باشند.
همچنین به دلیل طبیعت نانوساختاری و کامپوزیتی، اینگونه پوشش ها می توانند درگستره وسیعی از خواص فیزیکی، شیمیائی، حرارتی، مکانیکی و غیره تولید شوند. اکثر تکنیک های لایه نشانی و پوشش دهی نانوکامپوزیت ها امروزه توسط فرآیند کند و پاش (sputtering) و یا رسوب دهی فیزیکی بخار (PVD) انجام می گیرد
دو نمونه از نتایج این نوع لایه نشانی در شکل های 1 و 2 نشان داده شده است.
شکل 1- تصویر میکروسکوپ الکترون عبوری (TEM) از نانولایه های Ti/C
شکل 2- تصویر میکروسکوپ الکترون عبوری (TEM) از فیلم نانوکامپوزیتی W/C:H
امروزه محققان تلاش های بسیاری در جهت استفاده از پوشش دهی توسط نانوساختار ها انجام داده اند. برخی از این پوشش های نانوساختار دارای چندین فاز فلزی و سرامیکی بوده و برخی نیز از لایه های چندگانه نانومتری و یا ابرشبکه های (superlattices) نانومتری تشکیل شده اند. این فرآیند پوشش دهی غالبا توسط رسوب دهی فیزیکی بخار(PVD) صورت می گیرد و به دلیل ساختار نانومتری و خواص منحصر بفرد شیمیائی، پوشش ایجاد شده می تواند کارآئی های متفاوتی داشته باشد. به گونه ای که برخی فازهای ایجاد شده داخل پوشش می توانند خاصیت ابر سختی (super hardness) را ایجاد نماید و فازهای دیگر سبب کاهش اصطکاک و افزایش هدایت حرارتی و الکتریکی شوند. همچنین افزایه های شیمیائی اضافه شده به این مواد می توانند به گونه ای انتخاب گردند که با محیط های مختلف انطباق پذیری بالائی داشته باشند. همچنین طی جدیدترین تحقیقات محققان توانسته اند با استفاده از لیزر بر روی پوشش های سختی مانند TiN و TiCN، الگوهایی با ابعاد میکرون تا نانومتری ایجاد نمایند
همچنین کاهش خوردگی در تجهیزات نفتی و گازی یکی از مهمترین دغدغه های محققان می باشد که می تواند منجر به توقف عملیات تولید و در نتیجه اعمال هزینه گردد. نوع خاصی از خوردگی که خوردگی زیر عایق (under insulation corrosion) نام دارد، یکی از مهمترین و هزینه برترین انواع خورگی در تجیهزات نفتی و گازی می باشد که به دلیل سختی تشخیص می تواند بسیار خطرناک نیز باشد. زیرا در ابتدا لازم است تا عایق جهت بازرسی فلز برداشته شود. در اغلب فرآیندهای خوردگی وجود رطوبت، اکسیژن و انواع یونها سبب خوردگی شده و نیز جنس عایق نیز ممکن است سبب تشدید خوردگی شود. همانگونه که noveiri و torfi نشان داده اند استفاده از نوعی پوشش نانوکامپوزیتی شامل 30% اکریلیک رزین پایه آبی و 70% نانوکامپوزیت جهت پوشش دهی کامل سطح، سبب جلوگیری از نفوذ هوا به روی سطح و ایجاد خوردگی می گردد و نیز به دلیل خواص آبگریز ایجاد شده، رطوبت را نیز از سطح عایق شده دور می سازد. بنابراین این پروسه عایق سازی با استفاده از نانوپوشش ها از رسیدن رطوبت به سطح لوله های تجهیزات نفتی و گازی جلوگیری نموده و نوع ایزولاسیون بکار برده شده نیز از نوع نیمه شفاف (semi-transparent) می باشد و می توان سطح زیر آن را در لحظه مشاهده نمود .
نانوروان کننده ها
امروزه روان کننده ها (lubricants) کارائی زیادی در صنایع مختلف دارند. بهرحال استفاده از روان کننده های مایع یا گریسی به دلیل مشکلاتی که ایجاد می کنند بویژه مشکلات زیست محیطی، محدود شده است. گزینه بسیار مطلوب در این زمینه این است که پوشش ها و روان کننده ها باهم سازگار شده و مکمل نقش یکدیگر باشند. برای مثال در یک پوشش نانوکامپوزیتی با طراحی ویژه، در حالیکه یک فاز مقاومت بسیاری در برابر سایش و تغییر شکل ایجاد می کند، فاز دوم یا سوم می تواند بصورت ترجیحی با افزایه های موجود واکنش داده و روان کنندهی بالائی جهت محافظت در برابر سایش ایجاد نماید. همچنین امکان طراحی پوشش های نانوکامپوزیتی که بتواند عملکرد روان کننده های مایع موجود را بهبود بخشد وجود دارد
. روش دیگر افزودن نانو ذرات به روان کننده ها (نانوروان کننده ها) می باشد. نانوروان کننده ها دارای میلیاردها نانوذره کروی شکل هستند که بصورت قابل توجهی میزان اصطکاک و سایش و نیز خواص فشاری ماده روان کننده را بهبود می بخشند. از مزایای استفاده از این مواد بسته به نوع عملیات می توان به افزایش سرعت و کاهش انرژی مورد نیاز، افزایش طول عمرمواد و کاهش مضرات زیست محیطی با توجه به غیرخورنده بودن مواد اشاره نمود .روان کننده های جامد در حالت بالک یا توده ای طی سالیان متمادی در صنایع مختلف به منظور کاهش اصطکاک و افزایش مقاومت سایشی در شرایط سخت مانند خلا بالا، فشار و دمای زیاد بکار رفته اند.
امروزه چندین نمونه از روان کننده های جامد (هم به شکل بالک و هم به شکل فیلم نازک) مانند مولیبدن دی سولفید، بوریک اسید،گرافیت و غیره موجود است که می توان جهت کنترل اصطکاک و مقاومت سایشی در سطوح لغزنده استفاده نمود. امروزه محققان توانسته اند روان کننده های جامد را بر روی انواع سطوح مختلف با ضخامتی در محدوده چندین نانومتر تا چندین میکرومتر ایجاد نمایند. در این حالت فیلم روان کننده جامد تشکیل شده بر روی سطح می تواند ظرفیت تحمل بار و روان بودن سطح را بهبود داده و بعنوان یک پشتیبان بخصوص در شرایط سخت سطوح اغزنده عمل نماید. روان کننده های جامد و لایه لایه از قبیل مولیبدن دی سولفید،گرافیت، هگزاگونال بورون نیترید در گذشته جهت ایجاد لغزش مناسب بر روی سطوح بکار رفته اند و امروزه تلاش محققان بر استفاده از نانوپودرهای مولیبدن دی سولفید،تنگستن دی سولفید و گرافیت می باشد. زمانیکه از این مواد در روغن یا گریس روان کننده استفاده می شود،کاهش شدیدی در اصطکاک و مقاومت سایشی سطوح لغزنده مشاهده می شود .
در حالت کلی مواد دارای ساختار لایه لایه، مانند گرافیت، مولیبدن دی سولفید و‌تنگستن دی سولفید می توانند هم بعنوان روان کننده جامد و هم بعنوان افزایه در ساختار روان کننده های مایع بکار برده شوند. مهمترین مزایای استفاده از نانوذرات تنگستن دی سولفید را می توان به کاهش اصطکاک
در فرآیند نورد (rolling) و استفاده از این ذرات بعنوان جداساز (spacer) که سبب برطرف نمودن تماس سطحی بین دو فلز می گردد برشمرد .
نانوکامپوزیت ها
اکثر صنایع مانند حفاری نیاز به موادی با سختی فوق العاده زیاد و مقاومت فراوان در برابر سایش دارند. در صنعت حفاری نفت و گاز نیز استفاده از موادی مانند الماس فشرده پلی کریستال (polycrystalline diamond compact) در ساختار مته حفاری رو به افزایش است. اما این مواد دارای معایبی مانند کم بودن پایداری حرارتی می باشند. امروزه محققان توانسته اند
با استفاده از نانوکامپوزیت های الماس/ سیلیکون کربید و الماس/ تنگستن کربیدکه سختی فوق العاده زیادی (در حدود 60-40 گیگاپاسکال) ایجاد می کنند این معایب را برطرف نمایند. تصویر میکروسکوپ الکترون روبشی نانوکامپوزیت الماس/ تنگستن کربید در شکل 3 نشان داده شده است. تولید این گونه نانوکامپوزیت ها سبب ایجاد بهبود در عملیات حفاری و بازده آن و نیز کاهش هزینه و انرژی و بخصوص معایب زیست محیطی و تولید کربن می گردد.
در حالت کلی می توان گفت
مته حفاری مورد استفاده در صنایع نفت و گاز که سخت (hard) است ولی سفت (rough) نیست می تواند در اثر برخورد با سنگ سخت سازند خرد شود. در حالکه مته سفت و غیر سخت می تواند به سرعت ساییده شود. این فرآیند می تواند سبب ایجاد هزینه و زمان اضافی در عملیات شود. الماس ماده ای است که به دلیل سختی فوق العاده زیادی که دارد (super hardness) در اکثر عملیاتی که سایندگی بالائی دارند مورد استفاده قرار می گیرد. ولی متاسفانه به دلیل ترد بودن در معرض شکستگی قرار دارد. این مشکل را می توان با استفاده از قرار دادن ذرات الماس در ماتریس نانوکریستالی سیلیکون کربید برطرف نمود.
این ماتریس روند شکل گیری ترک هائی که منجر به شکست می شود را متوقف می سازد.
در حقیقت این از نوع نانوکامپوزیت ها، سخت ترین و پایدارترین انواع موجود هستند. مکانیسمی که منجر به شکل گیری چنین سختی در نانوکامپوزیت ها می گردد در حقیقت هنوز ناشناخته است، ولی در حالت کلی محققان بر این باورند که نانوکریستال های کوچک که شامل هزاران اتم هستند در لحظه شکل گیری ترک ها از انتشار آنها جلوگیری می کنند.
کربید سیلیکون نوعی ماده سرامیکی بسیار سخت می باشد که گرچه به سختی الماس نیست، با سطح آن پیوندهای شیمیائی قوی تشکیل داده و ذرات الماس را مانند یک چسب قوی در کنار یکدیگر نگاه می دارد. اغلب دانه های الماس دارای ابعادی در حدود میکرومتر هستند
و در هر سانتی متر مکعب از نانوکامپوزیت تشکیل شده میلیاردها دانه الماس وجود دارد (شامل نانوکریستال های کربید سیلیکون واقع شده در میان الماس هائی که از آنهاصدها بار بزرگتر هستند). در این حالت ترک های ایجاد شده در دانه های الماس نمی توانند تمام کامپوزیت را بشکنند، زیرا ماتریس کربید سیلیکون نانوکریستالی که ترک ها را پوشش می دهد و به نانوکامپوزیت حاصل، خاصیت مقاومت فوق العاده در برابر شکست می بخشد .
نانوذرات
نانوذرات به دلیل برخورداری از سطح تماس بالا قادرند نفوذ عوامل خورنده به داخل پوشش را سخت کنند. برای مثال پژوهشگران دانشگاه‌های امیرکبیر و صنعت نفت با استفاده از نانوذرات اکسید روی، به پوشش‌های اپوکسی/پلی آمیدی با خواص بهبود یافته ضد خوردگی و فیزیکی-مکانیکی دست پیدا کردند. پوشش اپوکسی یک پوشش آلی پرکاربرد با خواص منحصربه‌فرد فیزیکی-مکانیکی و ضد خوردگی است. از این پوشش جهت کاهش نرخ خوردگی فلزات در معرض محیط‌های خورنده استفاده میگردد. نانوذرات اکسید روی به دلیل اندازه ذرات پایین و سطح ویژه بالا قادرند تا یک سد فیزیکی در برابر نفوذ عوامل خورنده به درون پوشش و به سطح فلز ایجاد نموده و زمان رسیدن این عوامل خورنده را به سطح فلز طولانی‌تر نموده و طول عمر سازه فلزی را افزایش دهند. نانوذرات همچنین با کاهش چگالی اتصالات شیمیایی و افزایش چگالی اتصالات فیزیکی پوشش، باعث بهبود مقاومت یونی و مقاومت در برابر تخریب هیدرولیتیکی (تخریب در حضور آب) شده و دوام پوشش را افزایش می‌دهند. همچنین با این مکانیزم بهبود خواص فیزیکی-مکانیکی از جمله کاهش شکنندگی پوشش و افزایش چقرمگی آن نیز حاصل میشود کاربرد عمده این پوشش‌ها بر روی سازه‌های فلزی نظیر لوله‌های انتقال نفت، گاز و آب است.
همچنین یکی دیگر از کاربردهای بسیار مهم نانوذرات در صنایع بالادستی نفت و گاز را می توان استفاده از آنها بعنوان افزایه در ساختار ماده لحیم کننده در فرآیند جوشکاری تجهیزات در نظر گفت.
در محیط های سخت عملیاتی، شکست ناشی از خستگی تجهیزات (fatigue failure) در مقاطع لحیم شده یکی از معضلات اساسی می باشد. در این حالت افزایش استحکام منطقه لحیم شده با استفاده از افزودن نانوذرات و پایدار نمودن ساختار دانه ها سبب بهبود پایایی قطعات می گردد. امروزه محققان از دو نوع خاص نانوذرات جهت بهبود لحیم استفاده می کنند.
نوع اول آنها از عناصر واکنشگر مانند نیکل یا نقره تشکیل شده اند. ولی نقطه ضعف این ذرات آن است که این مواد در نهایت و بخصوص در دماهای بالا با لحیم وارد واکنش شده و پایداری جوش را پائین می آورند. نوع دوم از ذراتی که مورد استفاده قرار می گیرد از مواد پایدار و غیرواکنشی شامل تیتانیا (Tio2) تشکیل شده است که حتی در دماهای بالا نیز پایدار می باشند. بهرحال پخش این نوع ذرات در لحیم مشکل می باشد. امروزه محققان به این نتیجه رسیده اند که استفاده از نانوذرات هسته – پوسته ای شامل یک هسته خنثی و یک پوسته ای که می تواند لحیم را تر کند (solder wettable) موثر خواهد بود. در این حالت از سیلیکا بعنوان هسته و از فلزات نجیبی مانند طلا، نقره و پالادیوم نیز بعنوان پوسته استفاده می شود
امروزه نانوفناوری سبب ایجاد انقلابی در علوم مهندسی شده و به دلیل گستره وسیع این علم، صنعت حفاری را نیز مانند سایر صنایع تحت تاثیر قرار داده است. در این میان استفاده از علم نانو در بهبود خواص سیال حفاری به سبب بازده بالا، پایداری زیاد و روش های متنوع اعمال روی چاه، یکی از مهمترین جنبه های مورد بررسی توسط محققین می باشد. استفاده از نانوذرات در سیال حفاری، محققان را قادر می سازد تا با تغییر ترکیب، اندازه و توزیع نانوذرات، به سرعت خواص سیال حفاری را تصحیح نمایند. همچنین در عملیات سیمانکاری چاه نیز با استفاده از ترکیبات پیشرفته می توان بازده و بهره وری و نیز هزینه عملیات را با استفاده از نانوفناوری به میزان بسیار زیادی بهبود بخشید.
در حالت کلی عملیاتی که به منظور تولید سیال هیدروکربوری انجام می گیرد را می توان به اکتشاف، حفاری، تولید و استخراج و نیز فرآیندهای ازدیاد برداشت تقسیم بندی نمود که هر کدام از آنها دارای روش های متعددی جهت بهبود فرآیند می باشند. عملیات حفاری در حقیقت بخش اولیه دسترسی به سیال درون مخزن می باشد و توسعه مناسب این عملیات، نقش چشمگیری را در افزایش بازده تولید ایفا می کند.
در این میان سیالات حفاری موسوم به drilling fluids و یا drilling muds شاهرگ اصلی یک عملیات موفقیت آمیز حفاری می باشند. هزینه یک سیستم سیال حفاری بخش عمده ای از هزینه حفر یک چاه جدید را تشکیل می دهد و به همین دلیل استفاده از سیالات مفیدتر و بهبود یافته بخش مهمی از مطالعات محققان را تشکیل می دهد. سیال حفاری باید توانائی مناسبی در خنک کردن مته حفاری، روانسازی لوله های گردان حفاری، پاکسازی مناسب چاه و غیره داشته باشد. در غیر اینصورت مشکلاتی از قبیل هرزروی، آسیب سازند، چسبندگی لوله ها، نیروهای دراگ و تنش بالا پدید می آید. این مشکلات بخصوص در چاه هائی با دما و فشار بالا بیشتر دیده شده است. بنابراین دستیابی به سیالی که مقاومت بالائی در شرایط دما و فشار بالا نشان می دهد در این حیطه بسیار مهم است. اصولا ویسکوزیته، دانسیه سیال حفاری فاکتورهای کلیدی هستند که رفتار سیال را کنترل می کنند و باید در طول عملیات ثابت باقی بمانند .
همچنین در عملیات سیمانکاری چاه نیز با استفاده از ترکیبات پیشرفته در ساختار سیال حفاری و سیمان، می توان بازده و بهره وری چاه را تا حدود زیادی بهبود بخشید. اغلب از سیمانکاری جهت ثابت سازی و استحکام دیواره چاه حفر شده استفاده می گردد.
در این حالت سیمان سبب چسبیدن سطح خارجی لوله درون چاه به دیواره می گردد و بدنه چاه را نیز محکم نموده و از ورود سیالات ناخواسته موجود در لایه های مختلف زمین به درون چاه جلوگیری می کند. همچنین جلوگیری از خوردگی بدنه خارجی لوله ها و نیز ورود سیالات اضافی به قسمت های سیمانکاری شده از مزایای استفاده از سیمان در دیواره چاه می باشد. همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است، عملیات حفاری و سیمانکاری چاه دارای اجزای ذیل می باشد .
شکل 1- شمای کلی چاه در حین عملیات حفاری و سیمانکاری
1: چاه
2: سازند
3: سر چاه (wellhead)
4: کف چاه (bottom-hole)
5: لوله جداری (casing)
6: فضای حلقوی بین دیواره خارجی لوله جداری و سازند
7: کفشک راهنما
8: روزنه
9: طوقه شناور
10: سیال حفاری
11: سیال جدا کننده
12: دوغاب سیمان
13: پلاگ پائینی
14: پلاگ بالائی
15: سیال جابه جائی
طبق شکل 1، عملیات حفاری از سر چاه (wellhead) شروع شده و تا رسیدن به سازند ادامه می یابد. پس از هر مرحله حفاری، رشته های حفاری (drill string) برداشته شده و لوله جداری (casing) به درون چاه رانده می شود. در این حالت نوعی ناحیه حلقوی بین سطح خارجی لوله جداری و دیواره داخلی چاه ایجاد می گردد. معمولا نوعی کفشک راهنما و متمرکز کننده (centralizer) به انتهای رشته های لوله جداری متصل می کنند این کفشک راهنما دارای یک روزنه است بطوریکه جریان سیال در داخل لوله جداری و به سمت پایین حرکت کرده و از طریق این روزنه بیرون می آید و به درون منطقه حلقوی و به سمت بالا جریان می یابد.
به علاوه نوعی طوقه شناور می تواند در لوله جداری و در نزدیکی کف چاه قرار داده شود تا از برگشت جریان تا به داخل لوله جداری جلوگیری نماید. همچنین سیال حفاری موجود در چاه در حین قرار دادن لوله جداری را می توان با استفاده از سیال حفاری (یا سیال جایگزین مناسب دیگر) با حرکت دادن به سمت پایین از درون رشته های لوله جداری، از داخل طوقه شناور و روزنه کفشک راهنما
و نهایتا با حرکت دادن به سمت بالا در ناحیه حلقوی، از چاه خارج نمود. از آنجائیکه دوغاب های سیمان اغلب با سیالات حفاری ناسازگار هستند، در حین عملیات سیمانکاری می توان پس از سیال حفاری از سیال جداکننده (spacer fluid) استفاده نمود. در این حالت پس از سیال جدا کننده، دوغاب سیمان با قرارگیرفتن در بین دو پلاگ جامد بالائی و پلاگ نفوذپذیر/تخریب پذیر پایینی وارد لوله جداری می شود. سپس سیال جایگزین (بطور مثال سیال حفاری) – که گاهی اوقات سیال جدا کننده نیز پشت سر آن است-سبب اعمال نیرو به سیستم پلاگ بالایی-دوغاب سیمان- پلاگ پایینی و حرکت آن به سمت پائین لوله جداری می شود تا جائیکه پلاگ پائینی به طوقه شناور برسد. در این نقطه پلاگ پائینی دچار شکست شده و دوغاب سیمان از درون طوقه شناور، از آنجا به داخل روزنه و نهایتا به داخل ناحیه حلقوی جریان می یابد، تا زمانیکه پلاگ بالائی به پلاگ پائینی بچسبد .
کاربرد نانوفناوری در بهبود سیال حفاری و سیمانکاری چاه
استفاده از نانوذرات و نانو سیال در بهبود خواص سیال حفاری
محققینی چون Abdo و Haneef [1] نشان داده اند که استفاده از نانوذرات سبب بهبود خواص سیال حفاری می گردد. طبق مطالعات ایشان، استفاده از سیال حفاری بر پایه نانوذرات علاوه بر بهبود خواص عملیات سبب کاهش هزینه ها به نحو چشمگیری می شود. در این حالت به این سیالات اصطلاحا سیال حفاری بهبود یافته از طریق نانوفناوری Enhanced Drilling Fluids) Nano یا (NEDF اطلاق می شود.
اصولا مزایای استفاده از NEDF را می توان در چندین مورد برشمرد:
هزینه
استفاده از سیالات حفاری در حالت معمولی نیاز به اضافه نمودن افزایه هائی دارد که اغلب گران بوده مقادیر زیاد و شرایط خاصی را نیز می طلبند. در حالیکه با استفاده از نانوذرات، کنترل پذیری سیال و میزان استفاده، بهینه شده و هزینه ها نیز به نحو چشمگیری کاهش می یابد. همچنین با استفاده از این نوع سیالات پیشرفته، میزان برداشت از مخازنی که دارای شرایط خاص مثل عمق زیاد هستند افزایش می یابد و با کاهش زمان غیر مفید در طول پروسه حفاری به دلیل رفع مشکلات، در زمان و هزینه ها صرفه جوئی خواهد شد.
فنی
از لحاظ فناوری نیز با استفاده از NEDF ها می توان حفاری های نوین مانند افقی/جهت دار را نیز بهبود بخشید و حفاری زیر تعادلی (under-balanced drilling) را کنترل کرد.
رفع مشکل چسبندگی لوله ها (pipe sticking)
استفاده از NEDF ها در عملیات حفاری سبب شکل گیری یک نانو فیلم بر روی سطح رشته های حفاری شده و از این رو باعث کاهش تمایل چسبندگی گل کبره (mud cake) به سطوح شده و مشکلات چسبندگی لوله ها را تا حدود زیادی کاهش می دهد.
رفع مشکل هرزروی گل حفاری (lost circulation)
در حین استفاده از گل حفاری مقداری از سیال آن به دلیل وجود کانال ها، شکست ها و غیره به درون سازند رفته و سیال رفته رفته سنگین تر شده و گردش آن در چاه و انتقال ذرات داخل چاه به سطح زمین سخت تر می گردد، در حالیکه معمولا کنترل خاصی روی این مسئله وجود ندارد. با استفاده از نانوذرات، میزان توانائی حمل ذرات درون چاه توسط سیال بهینه شده و امکان تثبیت فشار و دانسیته سیال تحت شرایط متنوع عملیاتی بوجود می آید که در نهایت سبب کاهش هرزروی سیال می گردد.
رفع مشکل فرسایش دیواره چاه
زمانیکه سیال در چاه با موانع برخورد می کند ممکن است دچار چرخش شده و در این حین بدنه چاه را دچار فرسایش کند. به منظور کاهش این اثرات باید گرانروی و سرعت سیال بهینه باشد که با استفاده از نانوذرات می توان به این هدف دست یافت.
به گونه ای که مقایسه یک سیال پایه معمولی و بدون افزایه، یک سیال پایه دارای افزایه و یک سیال پایه دارای نانوذرات (نانو سیال)، نشان دهنده این است که در نانوسیال، فرسایش دیواره چاه همزمان با افزایش گرانروی سیال و کاهش سرعت آن، کمترین مقدار را دارد.
کاهش نیروی کشش و گشتاور درون چاه
اغلب به دلیل نیروی اصطکاک مابین رشته های حفاری و دیواره چاه، نیروهای کششی و گشتاوری مشکل سازی در چاه پدید می آید که سیالات حفاری معمولی قادر به کاهش آنها نمی باشند. در حالیکه NEDF ها یا نانوسیال ها به دلیل توانائی تشکیل فیلم های نانومتری بر روی سطوح، قادر به کاهش مقاومت اصطکاکی بین لوله ها و دیواره چاه می باشند.
پایداری حرارتی
همانگونه که می دانیم گرانروی یک سیال حفاری و ازآنجا توانائی آن در پیشروی درون چاه با افزایش دما کاهش می یابد. در حالیکه سیال حفاری مناسب باید در شرایط دما و فشار بالای درون چاه، قابلیت ها و خواص خود را تا حد ممکن حفظ کند. در این حالت نانوذرات که دارای هدایت حرارتی فوق العاده می باشند، در انواع، ترکیبات و اندازه های متنوع می توانند منجر به تولید نانوسیالاتی شوند که دارای گرانروی مشخص و از لحاظ دمائی پایدار می باشند.
همچنین Lee و همکارانش
توانستند نشان دهند که استفاده از سیالات حفاری هوشمند دارای قابلیت کنترل مغناطیسی به صورت درجا (in-situ)، می تواند سبب کنترل گرانروی سیال تحت یک میدان مغناطیسی گردد. در این راستا نشان داده شده است که با استفاده از نانوذرات مغناطیسی (اکسید آهن) و بنتونیت، می توان سیال حفاری بسیار مناسبی که دارای خواص رئولوژیکی و انتقال حرارت چشمگیری است تولید نمود. در این حالت دو نوع سیال حفاری متفاوت مورد بررسی قرار گرفته اند:
1) سیالاتی بر پایه ذرات هیبریدی که در آنها نانوذرات مغناطیسی در فضاهای بین لایه ای ذرات بنتونیت قرار گرفته اند.
2) سیالاتی بر پایه مخلوط های ساده نانوذرات و ذرات بنتونیت
بررسی مغناطیسی این سیالات نشان می دهد که ویسکوزیته آنها می تواند با افزایش شدت میدان مغناطیسی به طرز چشمگیری تحت تاثیر قرار بگیرد. طبق مطالعات، زمانیکه سیال مغناطیسی بر پایه ذرات بنتونیت و نانوذرات آهن تحت تاثیر یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد،
ذرات دچار بازآرائی شده، برهمکنش نیروهای دور برد (long-range)، نیروهای جاذبه واندروالس و سایر نیروها مجددا به تعادل رسیده و امکان کنترل وسیعی روی پارمترهای مختلف از جمله گرانروی سیال، دانسیته و هدایت حرارتی آن بوجود می آید.
استفاده از نانوکامپوزیت ها در ساختار سیال حفاری
همانگونه که Bicerano در پتنت خود ثبت نموده است، می توان با استفاده از نانوکامپوزیت های گرماسخت (Thermoset) و افزودن آنها به سیالاتی مانند سیال حفاری از هرزروی سیال به درون سازند جلوگیری کرده و نیز مقاومت دیواره چاه را نیز افزایش داد. هرزروی سیال به اصطلاح به معنای تمایل فاز مایع سیال حفاری جهت عبور کردن از میان فیلتر کیک تشکیل شده، و ورود به داخل سازند می باشد. در این حالت اغلب هرزروی پائین و شکل گیری لایه نازکی از فیلتر کیک که دارای تراوائی کمی است از نشانه های عملکرد مثبت یک سیال حفاری می باشد. این نوع افزایه های سیال حفاری را اغلب بصورت چندکاره انتخاب می کنند. برای مثال به گونه ای که هم هرزروی و هم افزایش مقاومت دیواره چاه بهینه گردد. ذرات نانوکامپوزیتی گرماسخت مورد استفاده در این روش می توانند دارای شکل های متفاوت پودری، گلوله ای، دانه ای، فیبرهای کوتاه، میله ای، سیلندری و غیره و نیز دارای اندازه های متنوع باشند. این گونه نانوذرات مقاومت حرارتی و تجزیه ای و سختی مناسبی در شرایط نامناسب از خود نشان می دهند.
همین خواص منحصر به فرد آنها را تبدیل به مواد مناسبی برای استفاده در شرایطی با دما و فشار بالا می گرداند. این ذرات می توانند دارای وزن مخصوصی بین 0.75 تا 1.75 بوده و با افزایه های دیگری نظیر کلسیم کربنات، لیتیم کربنات، سنگ آهک، سنگ مرمر و برخی اکسیدهای فلزی مورد استفاده قرار گیرد .
استفاده از نانوذرات در بهبود خواص سیمان
اصولا عملیات سیمانکاری چاه به منظور بهره برداری موثر و ایجاد ارتباط مابین سر چاه و سیال موجود در مخزن انجام می گیرد. در این میان عملیات سنتی سیمانکاری با مشکلاتی مانند پائین بودن مقاومت مکانیکی سیمان، پائین بودن مقاومت مکانیکی سازند، مهاجرت گاز و سیال ناخواسته و نیز برخورد با گاز ترش درون مخزن، رو به رو می باشد. همچنین سیمانکاری اولیه در چاه ممکن است
به دلیل تنش های ایجاد شده در اثر فشار و دمای بالا و نیز حرکت لوله ها دچار نقصان شود. این گونه تنش ها اغلب در اثر دما و فشار بالای سیال درون چاه و نیز عملیات آزمایش ، مشبک کاری، تزریق سیال یا تولید سیال ایجاد می گردند. برای مثال زمانیکه از بخار داغ برای افزایش تولید از چاه استفاده می گردد و یا خود سازند دارای دمای بالائی است، شرایط موجود در چاه سبب انبساط لوله ها هم در جهت شعاعی و هم در جهت طولی و در نهایت ایجاد تنش در ماده سیمانی بین دیواره چاه و لوله ها می گردد.
بنابراین تلاش های محققان در جهت تولید موادی است که استفاده از آنها در ساختار سیمان سبب افزایش سختی و نیز مقاومت گردد و همچنین در برابر شرایطی که منجر به ایجاد ترک خوردگی در دیواره چاه و نیز در خود سیمان می شود مقاومت کند.
این شرایط می تواند حرکت سازند (formation shifting)، فشار لایه های فوقانی (overburden pressure)، نشست خاک (subsidence)، خزش زمین ساختی (creep tectonic)، حرکت لوله (movement pipe)، حفاری (drilling) و سایر عملیات درون چاهی باشد. همچنین یکی دیگر از مشکلات مهمی که بر سر راه فرآیند سیمانکاری بهینه در چاه وجود دارد، مهاجرت ناخواسته گاز از سازند زیرزمینی به درون ترکیات سیمانی می باشد.
این مشکل ممکن است در حین سیمانکاری و قرار دادن مواد سیمانی در داخل چاه و در اثر برخورد سیالات پر فشار درون چاه با این مواد صورت گیرد. این پدیده ممکن است سبب ایجاد تونل هائی درون ماده اولیه و نرم سیمانی شود که پس از سخت شدن مقاومت آن را کاهش می دهند. مشکل مهم دیگر می تواند در خصوص برخورد سیالات خورنده با مواد سیمانی باشد. برای مثال وجود مواد اسیدی داخل چاه و یا گاز دی اکسید کربن که جهت ازدیاد برداشت مورد استفاده قرار می گیرد و در اثر تماس با آب اسید کربنیک تولید می کند سبب ایجاد آسیب در ساختار سیمان می گردد.
همچنین اسید کربنیک موجود در چاه می تواند سبب تغییر سطح سیمان به کلسیم کربنات شود، پروسه ای که از آن به کربناسیون (carbonation) یاد می شود. سپس کلسیم کربنات تشکیل شده با اسید کربنیک موجود در محیط واکنش داده و درون آن حل می شود. این مشکل بخصوص در سیمان هائی که دارای تراوائی زیاد هستند (قبل از سخت شدن درون چاه در اثر برخورد با سیالات پر فشار، ساختار درونی آنها دارای حفرات و تونل های ریز و درشت شده است) شدیدتر است و نیاز به استفاده از ماده ای که به ترکیبات اولیه سیمان اضافه شده و این نقائص را کاهش دهد به شدت احساس می گردد. امروزه محققان دریافته اند که استفاده از نانوذرات در ساختار سیمان حفاری می تواند مشکلات موجود در مسیر سیمانکاری چاه را تا حدود زیادی کاهش دهد
چنانچه Roddy و همکارانش توانستند نشان دهند که
استفاده از نانورس هائی (nano-clays) مانند نانو- بنتونیت (nano-bentonite) و نانو- مونت موریلونیت (nano-montmorillonite) سبب بهبود ساختار سیمان مورد استفاده در عملیات حفاری چاه می گردد.
نانو- مونت موریلونیت دارای ساختاری لایه ای شکل است و ابعاد طولی و عرضی آن بسیار بیشتر از ضخامتش می باشد. در حقیقت این ماده دارای ساختار سه لایه ای از آلومینا است که در بین دو لایه از سیلیکون به حالت ساندویچی قرار گرفته است. این ماده یکی از اجزای اصلی خاکستر های آتشفشانی است که دارای قابییت تورم تا چندین برابر وزن و حجم اولیه در اثر جذب آب می باشد. همانگونه که Roddy و همکارانش ذکر کرده اند، استفاده از نانو-کلی ها در ساختار سیمان سبب بهبود خواص آن می گردد. برای مثال استفاده از نانو-رس ها در ساختار سیمان نسبت به ذرات کلی بزرگتر، سبب بهبود خواص مکانیکی مانند مقاومت فشاری و مقاومت کششی شده و نیز میزان تراوائی و ریسک پذیری سیمان در اثر مهاجرت گاز و یا خوردگی را به نحو چشم گیری کاهش می دهد. نانو-رس ها را می توان به اشکال مختلفی مانند نانو ذرات خشک و پودری شکل و یا سوسپانسیون های کلوئیدی در ساختار سیمان بکار برد. همچنین Mercado و همکارانش [6] به بررسی نانو- افزایه ها (nano-additives) در ساختار سیمان بکار رفته در عملیات سیمانکاری چاه پرداخته و نشان داده اند که استفاده از ترکیب نانوذرات SiO[SUB]2[/SUB]-Cao-Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB] و حداقل یکی از نانوذرات Sio[SUB]2[/SUB]،2CaO.SiO[SUB]2[/SUB] ، 3CaO.SiO[SUB]2[/SUB]، Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB] و P-Ca و ترکیبی از آنها، به نحو چشمگیری خواص مکانیکی و شیمیائی سیمان تشکیل شده را بهبود می دهد. ترکیب افزایه های مورد استفاده در این زمینه در شکل 2 نشان داده شده است.
2- یک ترکیب خاص از نانو-افزایه های بکار رفته جهت بهبود خواص سیمان در عملیات سیمانکاری چاه
استفاده از نانوذرات در بهبود خواص سیال جدا کننده (spacer)
یکی از نکاتی که همواره می تواند در عملیات سیمانکاری مد نظر قرار گیرد، مسئله عدم تناسب دوغاب های سیمان و سیالات حفاری می باشد. زیرا اغلب این دو ماده از لحاظ شیمیائی با هم نامتناسب می باشند. در حقیقت اختلاط چنین سیالات نامتناسبی می تواند سبب شکل گیری ژل های با ویسکوزیته بالا گردند که جابه جا کردن آنها درون چاه مشکلات بسیاری را ایجاد می کند.
از این جهت و به منظور جلوگیری از اختلاط دو سیال نامتناسب از سیال جدا کننده (spacer) استفاده می شود. از این رو یکی از مهمترین خصوصیات سیال جداکننده باید تناسب این ماده با سیالات حفاری و دوغاب سیمان باشد. همچنین این ماده باید دارای خواص رئولوژیکی و گرایشی مناسب باشد تا بتواند به جداسازی جامدات گرانوله و گل کبره های موجود در دیواره چاه کمک کند. معمولا ماده جا به جا کننده شامل یک سیال بر پایه محلول آبی و یک عامل متراکم کننده است. در این راستا Koons و
توانست نشان دهد که افزودن نانوذرات به منظور بهبود خواص سیال جدا کننده و تصحیح دانسیته و تراکم این ماده به گونه ای که هم با سیال حفاری و هم با دوغاب سیمان در تناسب باشد، دارای کارآئی بسیار مناسبی می باشد.
در این حالت ماده نهائی از یک سیال پایه و مجموعه ای از نانوذرات با خصوصیات زیر تشکیل می شود:
1) دارای خلوص بالا باشند
2) قطر آنها بین 100-1 نانومتر باشد.
3) در سیال پایه به خوبی توزیع شده باشند.
4) توانائی افزایش تراکم مخلوط نهائی جداکننده سیمان را داشته باشند، به گونه ای که وزن نهائی مخلوط به دست آمده تابعی از اندازه نانوذرات، میزان آنها و وزن مخصوص آنها باشد.
قسمت عمده تکمیل یک چاه، مشبک کردن لایه تولیدی آن در صورت نیاز است. این عمل، یعنی برقرار کردن ارتباط بین لایه تولیدی و داخل چاه، با سوراخ کردن جداره پوششی چاه به چند روش صورت می پذیرد مانند: گلوله های خاصى که با یک روش مشخص از داخل چاه به سمت دیواره فلزی آن در عمق مورد نظر پرتاب می شود و یا به وسیله ى شهاب فلزی که با استفاده از باروت به وجود می آید. انجام عملیات مشبک کاری به نوع مواد منفجره، جنس گلوله، نوع سنگ و غیره بستگی دارد. امروزه با استفاده از نانوساختارها، مواد جدیدی تولید شده اند که علاوه بر طرف نمودن نقائص روش های قدیمی، روش های جدیدی را نیز در جهت بهبود فرآیند مشبک سازی دیواره چاه ارئه می کنند.
همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است، مشبک کاری (Perforation) عملی است که در صنعت حفاری استفاده میشود. این عمل جهت سوراخ کردن لوله جداری برای عبور جریان سیال از مخزن به درون ستون چاه می‌باشد و بر اساس نوع مشبک کننده، به روش های مختلفی صورت می گیرد.
شکل 1- نمائی از چاه در حال مشبک کاری
انواع مشبک کننده ها
گلوله های مشبک کننده
در این روش چندین گلوله روی یک تفنگ مخصوص که شبیه به لوله است بسته شده و با رسیدن به عمق مورد نظر، با شوک الکتریکی که از روی چاه اعمال میشود بطرف دیواره فلزی چاه شلیک می‌شوند گردد . در حقیقت در این روش – که دیگر کاربرد ندارد- مشابه گلوله های تفنگ، پس از انفجار گلوله فلزی از تفنگ خارج و به سمت دیواره فلزی چاه پرتاب می گردد .
لیزر
این روش کاملا جدید می باشد بطوریکه فناوری آن در دنیا در اختیار شرکت های محدودی قرار دارد. در این روش با استفاده از اشعه قدرتمند لیزر، لوله جداری چاه سوراخ می گردد.
شهاب فلزی (جت) مشبک کننده
همانطور که قبلا گفته شد عملیات مشبک کاری در ابتدا با استفاده از گلوله های معمولی انجام می گرفت لیکن با پیشرفت تکنولوژی در حال حاضر بیشتر از گلوله های مخصوص یا شهاب فلزی (جت) بدلیل اندازه (قطر سوراخ) و عمق نفوذ بیشتر استفاده می شود.
تفنگ مشبک کاری به شکل های مختلفی می تواند فعال گردد، مانند ایجاد یک سیگنال، استفاده از یک خط نوری فیبری، یک خط کنترل هیدرولیکی و یا با استفاده از یک رسانا. در این حالت در حقیقت گلوله از دهانه تفنگ خارج نمی گردد ،
بلکه در اثر انفجار دیواره فلزی به حالت ذوب در آمده و تغییر شکل داده و در اثر فشار زیاد بصورت جت به خارج از فشنگ راه یافته و بصورت یک شعاع گازی به سمت پوشش جداری چاه حرکت می کند و با سرعت تقریبی ٦٥٠٠ متر در ثانیه با آن برخورد می نماید و با ایجاد فشاری معادل ٥ میلیون پوند بر اینچ مربع و حرارت تولیدی جداره پوششی را سوراخ می کند و از داخل آن و دیواره سیمانی به داخل سنگ مخزن نفوذ کرده و ارتباط چاه با سنگ مخزن را ایجاد می نمایدکه عمق آن به طول و پهنای این شعاع گازی بستگی دارد. نحوه مشبک کاری، نوع و اندازه تفنگ انتخاب شده تأثیر مستقیم بر بازده و کیفیت عملیات خواهد داشت. در حال حاضر انواع مشبک کننده ها از این نوع با استاندارد های جهانی وجود دارند که توسط شرکت های سرویس دهنده در حال استفاده می باشند. خوشبختانه در ایران نیز از سال ١٣٧٤ این نوع گلوله ها توسط صنایع دفاع تولید و توسط شرکت سرویس دهنده ایرانی (ملی حفاری) در چاه های مختلف بکار گرفته شده و نتایج خوبی در بر داشته است .
شکل 2- اجزای اساسی یک خرج گود
ساختار خرج گود (shaped charge)
مشبک کاری توسط ریل ها (carriers) که مجهز به گلوله ها (perforator guns) هستند صورت می گیرد.
گلوله های مشبک کاری توسط ریل درون لوله جداری قرار می گیرد و سپس ولتاژ به چاشنی اعمال و سبب انفجار فتیله انفجاری می شود. گلوله های مشبک کاری در اثر انفجار ناشی از فتیله، منفجر و جت های کوچکی با سرعت بالا ایجاد می کنند. در واقع گلوله های مذکور نوعی خرج گود (shaped charge) می باشند. شکل 2 نشان دهنده اجزای اصلی یک خرج گود می باشد.
در حقیقت خرج گود، استوانه ای متشکل از ماده منفجره است با حفره ای توخالی در یک انتهای آن و یک چاشنی در انتهای دیگر آن بطوریکه حفره توخالی خرج با یک لایه نازک فلزی (آستری یا liner) پوشانده می شود.
پس از شروع انفجار، از نقطه شروع انفجار یک موج کروی به بیرون گسترش می یابد که با سرعت بسیار زیاد حرکت کرده و با رسیدن به آستری جامد، در اثر فشار بالای انفجار به ماده آستری شتاب داده و باعث انهدام آن می شود. مواد تشکیل دهنده آستری که به شدت تغییر شکل یافته اند به طرف محور خرج گود شتاب گرفته و در آنجا پس از برخورد با یکدیگر جریانی از ذرات پر سرعت بوجود می آورند که به آن جت گفته می شود. جت های ایجاد شده در داخل لوله جداری، سیمان و سازند چاه نفوذ کرده و دیواره چاه را مشبک می کنند.
در شکل 3، نحوه تشکیل جت در زمان های مختلف و فرایند مشبک کاری نشان داده شده است.
امروزه محققان تلاش های بسیاری را در جهت افزایش بازده این عملیات انجام داده اند که از مهمترین آنها می توان به استفاده از مواد پر انرژی در ساختار ماده آستری اشاره نمود.
شکل 3- تشکیل جت در زمان های مختلف و فرایند مشبک کاری
کاربرد نانوفناوری در زمینه مشبک کاری چاه
استفاده از نانومواد
جنس مواد بکار رفته در ابزار مشبک کاری اهمیت حیاتی در انجام این فرایند دارد و در این میان نانو مواد در این حیطه پتانسیل خوبی جهت بکار گرفته شدن دارد.
استفاده از نانوپوشش ها
در حقیقت نانوپوشش ها گونه ای از لایه های نازک هستند که یا ابعاد آن ها در حد نانو می باشد،
و یا زمینه ای (سُل) دارند که ذرات ریز در ابعاد نانو در آن پراکنده شده اند و خواص ویژه ای را به آن می بخشند. یکی از مواردی که در حال حاضر فناوری نانو در آن به طور گسترده و مؤثری مورد استفاده قرار گرفته است، فرآیندهای پوشش دهی و به دنبال آن تولید مواد نانوساختار است. بررسی های انجام گرفته بر روی نانوپوشش ها نشان می دهد که خواص آن ها در بسیاری موارد نسبت به پوشش های معمولی بهبود چشمگیری دارد.
نانوپوشش ها در مقایسه با پوشش های میکرومتری از ضریب انبساط حرارتی، سختی و چقرمگی بالاتر و مقاومت بیشتر در برابر خوردگی، سایش و فرسایش برخوردار هستند. تاکنون عمده تحقیقات انجام شده بر روی نانوپوشش ها مربوط به پوشش های با سختی بالا و فوق سخت(Super hard) است. پوشش های فوق سخت پوشش هایی هستند که سختی آن ها بیشتر از 40 گیگا پاسکال است .
انواع نانوپوشش ها
چهار گروه مهم از نانوپوشش ها عبارتند از:
1) پوشش های دانه ای (nano grade)
2) پوشش های شبکه ای و چند لایه ای (super lattice)
3) پوشش های لایه نازک (Thin films)
4) پوشش های نانوکامپوزیتی
پوشش های نانوکامپوزیتی
در بین چهار نوع از پوشش های نانوساختار، پوشش های نانوکامپوزیتی بیشترین کاربرد را دارند، زیرا با استفاده از آن ها می توان خواص منحصر به فرد شیمیایی و فیزیکی را بر روی سطح قطعات ایجاد نمود. در این پوشش ها که از دو فاز زمینه و تقویت کننده تشکیل شده اند، فاز نانوکریستالی (تقویت کننده) در فاز آمورف (ماده ی زمینه) جاسازی شده است. در این دسته از نانوپوشش ها اندازه ی فاز نانوکریستال و نحوه توزیع آن به درون فاز آمورف بسیار حائز اهمیت می باشد. هرچه اندازه مواد نانوکریستالی کاهش یابد، تشکیل نابجایی ها به تأخیر افتاده و تغییر شکل پلاستیکی کمتر رخ می دهد. توزیع ذرات نیز باید به نحوی باشد که فاصله بین دو ذره نانوکریستالی در حدود نانومتر باشد. چنانچه این فاصله زیاد باشد باعث ایجاد ترک و گسترش آن در ماده زیرلایه می گردد. فاصله بیش از حد کم بین این ذرات نیز امکان ایجاد واکنش بین صفحات اتمی دانه های نانوکریستال را به وجود می آورد.
لذا در طراحی و ساخت این پوشش های نانوکامپوزیتی، اندازه، درصد حجمی و توزیع این ذرات فاکتورهای مهمی هستند و تغییر هر یک از این موارد روی چقرمگی و سختی پوشش تأثیر خواهد گذاشت. روش های مختلفی برای پوشش دهی نانوکامپوزیت ها وجود دارد اما اغلب از روش کندوپاش مغناطیسی، پاشش حرارتی و رسوب شیمیایی بخار استفاده می شود.
استفاده از نانوکامپوزیت ها در ساختار تفنگ مشبک کننده
معمولا در چاه هائی با دما و فشار بالا نیاز است تا از تفنگ های مشبک کننده با استحکام بیشتری استفاده گردد و یا برای مثال بدنه تفنگ مشبک کننده با ضخامت بیشتری تولید گردد. در عین حال از آنجا که ضخامت سیستم مشبک کننده دارای محدودیت هائی می باشد و نباید از یک مقدار خاص بیشتر گردد، این افزایش ضخامت در تعداد گلوله های مشبک کننده تاثیر می گذارد و سبب می شود که به دلیل محدودیت فضا لاجرم از خرج گودهای (shaped charges) کوچکتری استفاده گردد. در این حالت امکان نفوذ گلوله ها به داخل سازند کاهش می یابد. از این رو محققان به بررسی روش های ساخت تفنگ هائی با قابلیت کاربرد در چاه های با دما و فشار بالا، بدون افزایش ضخامت بدنه پرداخته اند. در این راستا استفاده از پوشش های نانوکامپوزیتی با قابلیت استحکام بسیار بالا در ساختار لایه بیرونی و درونی تفنگ های مشبک کننده بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
در این حالت می توان تمام بدنه تفنگ و یا بخش بیرونی آن را از ناانوکامپوزیت هائی بر پایه آهن تهیه کنند. سایر مواد مورد استفاده نیز می توانند بور، کربن، کروم، منگنز، مولیبدن، نیکل، سیلیکون، تنگستن و غیره باشد.
استفاده از مواد نانوساختار
استفاده از مواد نانوساختار در ماده آستری خرج گود
در صنعت نفت و گاز، اغلب با فشرده سازی، پودر فلز آستری را به فرم مخروطی شکل تبدیل می کنند. زمانیکه ماده منفجره دچار انفجار می شود، نیروی ایجاد شده سبب فروپاشی آستری شده و از انتهای خرج با سرعت بسیار زیادی بصورت توده مواد خارج می شود. این جت می تواند ماده هدف را سوراخ کند. در بسیاری از صنایع، هدف این است که جت به عمق بیشتری از ماده هدف نفوذ کند. برای رسیدن به این هدف، یکی از روش ها می تواند افزایش میزان ماده منفجره درون خرج گود باشد. ولی مشکل این روش در این است که مقداری از انرژی آزاد شده توسط انفجار در جهات مختلف و متفرق از جهت اصلی جت پراکنده می گردد و ممکن سبب ایجاد صدمات ناخواسته گردد. در صنعت نفت نیز استفاده از این روش می تواند سبب ایجاد صدمه در دهانه چاه و تجهیزات درون چاهی گردد.
روش دیگر جهت افزایش میزان عمق نفوذ، ایجاد تغییر در مواد مورد استفاده در ساختار آستری می باشد. در گذشته اغلب از فلز مس در ساختار این ماده استفاده شده است ولی امروزه مواد جدیدتری در این حیطه مورد استفاده قرار می گیرند. در حقیقت هدف تولید نوعی ماده آستری واکنش پذیر و دارای ترکیباتی است که در اثر فعال شدن، قابلیت تولید یک واکنش گرمازا را داشته باشند. به منظور دستیابی به این نتایج، ترکیب آستری را اغلب حداقل از دو نوع ماده انتخاب می کنند به گونه ای که با تامین انرژی کافی (میزان انرژی که بیشتر از انرژی فعالسازی واکنش گرمازاست) وارد واکنش شده و میزان بسیار زیادی انرژی تولید می کند که معمولا بصورت حرارت نمایان می شود. برای ایجاد واکنش گرمازا، نوعا ماده آستری از مخلوط استوکیومتری حداقل دو فلز ساخته می شود بطوریکه هنگام فعال سازی، این فلزات قابلیت تولید ترکیب بین فلزی (intermetallic product) و حرارت را دارند. همچنین می توان آستری را از ترکیب حداقل یک فلز و یک غیر فلز که می تواند اکسید فلزی باشد،
مثل اکسید مس، اکسید مولیبدن یا اکسید نیکل و یا هر ترکیب غیر فلزی از گروه سه یا چهار اصلی، مثل سیلیکون، بور یا کربن انتخاب کرد. زمانیکه این مواد با یکدیگر مخلوط شده و به دمائی بالاتر از دمای فعالسازی می رسند، میزان زیادی انرژی تولید می کنند و دمای جت تولیدی می تواند به 2000 کلوین برسد. ولی اغلب مواد انتخاب شده نمی توانند قابلیت های مناسبی مانند دانسیته و مقاومت مکانیکی مناسب از خود نشان دهند.
در این حالت به منظور بهبود خواص و بازده فرآیند، تاثیر اندازه ذرات فلزات تشکیل دهنده ماده آستری بر روی خواص جت تولیدی نیز مبحث بسیار مهمی است. زمانیکه از یک ترکیب خاص استفاده می شود، اندازه ذرات (grain size) نقش مهمی را در
استحکام مواد و در نتیجه دانسیته فشاری ماده آستری ایفا می کند و مطلوب ترین حالت، دستیابی به بیشترین دانسیته جهت تولید جت سوراخ کن موثرتری است. درگذشته معمولا از پودرهائی با اندازه ذرات در حدود 1 تا 10 میکرومتر استفاده می شده است ولی ذراتی با ابعاد کمتر و نانوذرات نیز جدیدا مورد استفاده قرار گرفته
و به آنها "nano-crystalline material" اطلاق می شود. زمانیکه ابعاد ذرات فلزات کاهش یافته و به زیر میکرومتر می رسد، واکنش پذیری و از آنجا گرمادهی آنها بسیار افزایش می یابد، زیرا با کاهش ابعاد، میزان سطح فعال ذرات افزایش پیدا می کند. بنابراین ترکیبی که بر اساس این ذرات شکل می گیرد سبب بهبود انرژی سینتیکی جت ایجاد شده می گردد .
امروزه استفاده از ذرات نانومتری در ساختار ماده آستری به دلیل انرژی و حرارت بسیار زیاد تولیدی و نیز سطح فعال بسیار بالا مورد توجه ویژه قرار گرفته است. خواص تنگستن و مس بعنوان آستری، به دلیل دانسیته بالا و انعطاف پذیری بالا مشهور است و همین امر آنها را تبدیل به فلزات مناسبی جهت تولید این ماده می گرداند. برای مثال محققان نشان داده اند که استفاده از آستری های فشرده شده حاوی پودر تنگستن می تواند سبب افزایش چشمگیر عمق نفوذ در عملیات مشبک کاری گردد. طبق مطالعات، عمق نفوذ باحاصلضرب طول جت در دانسیته ماده آستری نسبت مستقیم دارد. بنابراین افزایش دانسیته ماده آستری سبب افزایش عمق نفوذ جت میگردد. زیرا تنگستن دارای دانسیته بالائی است و
استفاده از آن با مقدار بالاتر از 90% وزنی، سبب افزایش عمق نفوذ در عملیات مشبک کاری می گردد. علاوه بر آن طول جت نیز بر روی عمق نفوذ موثر می باشد. برای رسیدن به یک جت طولانی باید آستری به گونه ای طراحی گردد که زمان تجزیه جت طولانی باشد. در این حالت مطالعات نشان می دهد که زمان تجزیه جت نیز با اختلاف سرعت ذرات (plastic particle velocity) رابطه عکس دارد و خود این پارامتر نیز دارای تابعیت یکنواخت از اندازه ذرات تشکیل دهنده ماده آستری می باشد. در نتیجه هر چه اندازه ذرات ماده ریزتر باشد،
مدت زمان تجزیه جت (jet break up time) افزایش یافته و از آنجا میزان عمق نفوذ نیز بیشتر می شود. نتایج تحقیقات نشان می دهد که با استفاده از ذراتی با ابعاد کوچکتر از یک میکرون، قابلیت نفوذ ذرات آستری از جنس تنگستن افزایش چشمگیری می یابد. زمانیکه ابعاد ذرات تنگستن مورد استفاده به حدود 25 نانومتر رسید، این قابلیت به بیشترین مقدار خود افزایش پیدا می نماید. در حقیقت با داشتن ذراتی با ابعاد زیر 100 نانومتر، به دلیل بهبود چشمگیر پلاستیسیته دینامیک، ذرات نانوکریستالی تنگستن بعنوان نوعی آستری بسیار مناسب عمل می کنند. این ذرات را می توان به روش های مختلفی از جمله رسوب دهی فیزیکی (PVD) و نیز توسط plasma arc reactor تولید نمود. در این رابطه Bourne و Graham موفق به تولید نوعی ماده آستری شدند که بیشتر از 90% وزن آن از تنگستن و 10% آن نیز پودر binder است و بصورت مخروطی شکل داده شده و ابعاد ذرات آن بین 25 نانومتر تا 1 میکرون می باشد.
