نانو فناوری جنبه‌های فراوانی دارد، در كل هر نوع فرآیندی كه بر روی اتم‌ها، مولكول‌ها، نیمه‌هادی‌ها، جامدات و مایعات در مقیاس زیر صد نانومتر صورت بگیرد، نانو فناوری نام دارد. با اینكه ابعاد مقیاس نانو به مراتب كوچكتر از میلیمتر و میكرو است، ولی به دلیل نزدیك بودن ابعاد نانو به ابعاد طبیعت كاركردن در این مقیاس نیز راحت‌تر است. با توانایی ساخت و كنترل ساختار نانوذرات می‌توان خواص حاصل را تغییر داده و خواص مطلوب را در مواد طراحی كرد. امروزه تاثیرگذاری نانوتكنولوژی بر همه صنایع همچنین صنعت نفت پوشیده نیست. آنچه شما میخوانید مقاله ای است كه بخش كوچكی از كاربردهای نانوتكنولوژی در صنایع بالادستی نفت را شامل میشود. در این مجال بررسی تاثیرگذاری نانوكامپوزیتها برروی بخش حفاری و حفاری اكتشافی ارایه می شود.
مقدمه
در فرآیند اكتشاف نفت پس از انجام مطالعات زمین‌شناختی سطح الارضی و نمونه‌گیری‌های در عمق كم (تا 10 متر) و انجام لرزه نگاری، به حفر چاه اكتشافی در جایی كه تصور میشود نفت وجود دارد اقدام میشود. در حفاری اكتشافی ممكن است به نفت دست یافته شود و یا اینكه در تشخیص محل مخزن اشتباهی رخ دهد. با توجه به عدم شناخت كامل از منطقه، در حفاری اكتشافی خطرات بیشتری نهفته است زیرا احتمال هرزروی كامل گِل حفاری و متعاقب آن گیر كردن ابزارهای حفاری درون چاه و یا احتمال برخورد با لایه های غیرعادی پرفشار كه منجر به فوران چاه می شود، وجود دارد.
مته كه در پایین‌ترین قسمت رشته حفاری یك چاه در حال حفر قرار دارد، وظیفه خرد كردن سنگ‌ها را بر عهده دارد.
انواعی از مته های حفاری
بیشترین تنش وارده در عملیات حفاری، به مته‌های حفاری است. مته‌های حفاری، جزء قسمت‌هایی از رشته حفاری هستند كه مرتباً در حال فرسایش می‌باشند و پس از حفر یك متراژ مشخص، كارایی خود را از دست می‌دهند و بایستی جایگزین شوند. بنابراین مواد جدیدی كه مته‌ها را در برابر خوردگی فرسایش مقاوم‌تر نمایند در این بخش بسیار مفید هستند.
كاربرد نانوكامپوزیتها در این بخش
كاربرد اصلی نانوتكنولوژی در مته های حفاری به صورت نانوپوشش می باشد. این پوشش ها را با توجه به سختی آنها، به دوگروه مجزا تقسیم می كنند : 1) پوشش های سخت كه دارای سختی كوچكتر از GPa 40 می باشند و 2) پوشش های ابر سخت كه دارای سختی بیشتر از GPa 40 می باشند. تعداد پوشش های سخت در مقایسه با پوشش های ابرسخت مانند نیترید بور (دارای ساختار مكعبی (c– BN)) ، الماس واره های بی شكل (DLC)، نیتریدهای كربن بی شكل ( -CNx ) و الماس های پلی كریستال، بسیار زیاد است. و این پوشش های ابرسخت از لحاظ ترمودینامیكی به شدت ناپایدار هستند. این ناپایداری گاهاً باعث حل شدن یكی از عناصر تركیب درون ماده ریز پایه خواهد شد.
پوششهای سخت ابر ساختار
پوشش های ابرساختار چند لایه ی نانومتری هستند كه به طور معمول از دو لایه مختلف ساخته شده اند. ضخامت این لایه ها در محدوده 5 تا 10 نانومتر است. این لایه های دوتایی می توانند لایه های فلزی، نیتریدی، یا اكسیدی یا تركیبی از فلز و دیگر تركیبات باشند.
با توجه به تركیب شیمیایی، پوشش های سخت ابرساختار به 5 گروه تقسیم بندی می گردند:
1) ابرساختار فلزی كه سختی پوشش های ابرساختار فلزی بسیار كم است.
2) ابر ساختارهای نیتریدی كه سختی این پوشش ها در محدوده 45 تا 55 گیگا پاسكال می باشد.
3) ابر ساختارهای كربیدی كه سختی این پوشش ها در محدوده نیز درمحدوده 45 تا 55 گیگا پاسكال می باشد.
4) ابر ساختارها اكسیدی
5) ابر ساختارهای نیتریدی – كربیدی یا ابر ساختارهای اكسید/ فلزی.
منتهی این پوشش ها در مقایسه با پوشش های نانوكامپوزیتی در راستای پوشش، تغییرات سختی دارد چرا كه نفوذ بین فازی اجزای لایه های مجاور باعث كاهش سختی آن در دماهای بالا خواهد شد كه این مشكل از طریق تولید پوشش های نانوكامپوزیتی برطرف شده است.
پوشش های نانوكامپوزیتی
طبقه بندی پوشش های سخت نانوكامپوزیتی با توجه به مراجع به گونه های زیر تقسیم بندی می شوند:
1- نانوكامپوزیت نیترید فلز در زمینه نیتریدی با ساختار a (nc – MeN/a-Nitride)
2- نانوكامپوزیت نیترید فلز در زمینه نیتریدی با ساختار مكعبی (nc – MeN / nc – nitride)
3- نانوكامپوزیت كاربید فلز در زمینه كربنی با ساختار a (nc- MeC / a - C)
4- نانوكامپوزیت نیترید فلز در زمینه فلزی (nc – MeN / metal)
5- نانوكامپوزیت نیترید فلز یا كاربید فلز در زمینه بورایدی با ساختار a (nc – MeN یا MeC / a - boron)
6- نانوكامپوزیت كاربید تنگستن به همراه سولفید تنگستن در زمینه الماسوارهها
7- نانوكامپوزیت كاربید فلز در زمینه نیتریدی و كربنی با ساختار
در پتنت ها ثبت شده است كه پیتر و همكاران در دسامبر 2002 موفق به ساخت لوله های نانوكامپوزیتی ویژه ای شده اند. این لوله ها دارای جداره های ضد خوردگی و عایق حرارتی هستند و در مقابل دما و فشار بالا مقاومت خوبی از خود نشان می دهند. لذا می توانند جایگزین لوله های استیل متداول جهت انتقال نفت وگاز، هم درخشكی و هم زیر دریا باشند. همچنین می توانند جایگزین خوبی برای لوله های حفاری نیز باشند.
همچنین شركت های BP , Shell روی نانوكامپوزیت ها برای افزایش استقامت ابزارهای حفاری كار می كنند. شركت South West ، نیز درحال تولید پوشش لوله های حفاری با استفاده از نانو لوله های كربنی است. این نانوكامپوزیتها به تولید انبوه نیز رسیده اند.
