[کاربردهای فناوری نانو] - کاربرد نانوفناوری در مشبک کاری چاه

[P O U R I A]

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. دراین مقاله به بررسی ابزار مشبک کاری چاه، فرآیند مشبک کاری و پیشرفت های بوجود آمده در آن با استفاده از نانوفناوری پرداخته شده است.

 

[P O U R I A]

1- مقدمه
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 [1‍]​

1-1- انواع مشبک کننده ها
1-1-1- 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 [2].
1-1-2- 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.
1-1-3- 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 [2].

شکل 2- اجزای اساسی یک خرج گود [1‍]​

 

[P O U R I A]

1-1-3-1- 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 [1]. 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 [‍2,1]​

 

[P O U R I A]

2- کاربرد نانوفناوری در زمینه مشبک کاری چاه
2-1- 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. [3]
2-2- 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 [4 و 3].

2-2-1- انواع نانوپوشش ها [4]
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

2-2-1-1- پوشش های نانوکامپوزیتی [4]
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.

2-2-1-2- استفاده از نانوکامپوزیت ها در ساختار تفنگ مشبک کننده [5]
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.

 

[P O U R I A]

2-3- استفاده از مواد نانوساختار

2-3-1- استفاده از مواد نانوساختار در ماده آستری خرج گود [8-6]

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.



بحث و نتیجه گیری:
در این مقاله مروری بر کاربردها و نقش فناوری نانو در زمینه مشبک کاری چاه های نفتی و گازی انجام شده است. در ابتدا به اختصار روش ها مرسوم مشبک کاری لایه مورد نظر توضیح داده شده و اصول و چگونگی فرآیند مشبک کاری در دو حالت استفاده از تفنگ های معمولی و استفاده از خرج گود ها بعنوان نسل جدیدی از ابزارهای مشبک کاری مورد بررسی قرار گرفته است. سپس ساختار ماده آستری بعنوان یکی از مهمترین اجزای این سیستم تشریح شده و با نتایج علمی نشان داده شده است که مواد بکار رفته در ساختار آستری به چه صورت بر عملکرد این ماده در تولید یک جت پر انرژی و متمرکز تاثیر می گذارد. همچنین بر اساس روابط مستدل نشان داده شد که زمانیکه ابعاد ذرات سازنده ماده آستری در محدوده نانومتری قرار می گیرد، قابلیت نفوذ و نیز استحکام به میزان چشمگیری افزایش می یابد. این امر بدان معنی است که مشکلات موجود در صنایع، به ویژه صنعت نفت را با استفاده از نانو فناوری که نگرشی نوین در چینش و ساختار ماده بوده و سبب بهبود خواص آن می گردد، می توان تا حدود زیادی مرتفع نمود. همانگونه که با اشاره به منابع معتبر در متن ذکر شد، نتایج آزمایش های انجام شده توسط محققان نشان می دهد که با استفاده از نانوذرات، نانوساختار ها و نانو پوشش ها می توان فرآیند مشبک کاری چاه های نفت و گاز را بهبود بخشید.

 

[P O U R I A]

منابـــــع :​

• 
  [*=left]1. http://www.civilica.com/Paper-IPEC01-IPEC01_115.html
  [*=left]2. http://www.civilica.com/Paper-NICEC09-NICEC09_230.html
  [*=left]3. http://www.nano.ir/paper.php?PaperCode=179
  [*=left]4. http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=69721&Keyword= نانوپوشش+ها
  [*=left]5. J. Hales, J.Burleson, J.Rodgers, U.S.Patent, US0300750A1, 2010-12-2
  [*=left]6. B. Bourne, K.Graham, U.S.Patent, US7261036B2, 2007-8-28
  [*=left]7. J.W. Rees, T.L. Slagle, U.S.Patent, US5567906A, 1996-10-2
  [*=left]8. L.R. Bates, B. Bourne, U.S.Patent, US8220394B2, 2012-7-17