مطالعه آزمایشگاهی تأثیر استفاده از نانولوله‌های کربنی و نانوسیلیکا بر خواص رئولوژیکی دوغاب سیمان حفاری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی مکانیک، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران

10.66224/masm.2026.2098131.1200
چکیده
رسانایی گرمایی پایین و خواص رئولوژیکی نامطلوب دوغاب سیمان حفاری، چالش اصلی در عملیات سیمان‌کاری چاه‌های نفت و گاز با دما و فشار بالا محسوب می‌شود. در پژوهش حاضر، تأثیر نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره با قطر ۴/۰ نانومتر و نانوسیلیکای کروی با اندازه ۱۵-۵ نانومتر بر خواص ترموفیزیکی و رئولوژیکی دوغاب سیمان کلاس G به‌صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. چهار نمونه دوغاب شامل حالت پایه (بدون نانو مواد)، حاوی %1 نانوسیلیکا، حاوی نانولوله‌های کربنی و ترکیب همزمان هر دو نانوماده، تحت شرایط شبیه‌سازی‌شده چاه (دمای ۲۶۴ درجه فارنهایت و فشار ۷۰۰۰ پوند بر اینچ مربع) مورد آزمون قرار گرفتند. نتایج نشان می‌دهد که نانوسیلیکا استحکام تراکمی ۲۴ ساعته را %102، نانولوله‌های کربنی %129 و ترکیب همزمان %186 نسبت به حالت پایه افزایش می‌دهد. هرزروی سیال در نمونه‌های نانوسیلیکا، نانولوله‌های کربنی و ترکیبی به‌ترتیب ۳۷%، ۵۰% و ۶۳% کاهش یافته و آب آزاد در هر سه نمونه حاوی نانو مواد به صفر رسیده است. زمان نیم‌بندش نیز به‌ترتیب %11، %20 و %25 بهبود یافته است. بررسی مدل‌های رئولوژیکی نشان داد که دوغاب‌های طراحی‌شده از مدل بینگهام پلاستیک با دقت بالایی پیروی می‌کنند. در بخش عددی، مدل رگرسیونی جدیدی برای پیش‌بینی استحکام تراکمی برحسب کسر حجمی نانوذرات و زمان عمل‌آوری با ضریب تعیین ۹۵/۰ ارائه شده است. یافته‌های این پژوهش نشان می‌دهد که افزودن هر یک از نانو مواد به‌تنهایی و به‌ویژه ترکیب همزمان آن‌ها، می‌تواند به‌عنوان راهکاری مؤثر برای بهبود عملکرد سیمان حفاری در شرایط سخت عملیاتی مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Experimental Investigation of the Effect of Carbon Nanotubes and Nanosilica on the Rheological Properties of Drilling Cement Slurry

نویسندگان English

Mohammad Amin Kalantar Hormozi
َAshkan Ghafouri
Department of Mechanical Engineering, Ahv.C., Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
چکیده English

Low thermal conductivity and unfavorable rheological properties of drilling cement slurry remain the main challenges in cementing operations of oil and gas wells under high-temperature and high-pressure conditions. In the present study, the effect of carbon nanotubes with a diameter of 0.4 nm and spherical nanosilica with a size of 5–15 nm on the thermophysical and rheological properties of Class G cement slurry was experimentally investigated. Four slurry samples were prepared including the base sample (without nanomaterials), a sample containing 1 wt% nanosilica, a sample containing carbon nanotubes, and a sample with the simultaneous combination of both nanomaterials. All samples were tested under simulated well conditions (temperature of 264 °F and pressure of 7000 psi). The results demonstrate that nanosilica increases the 24-hour compressive strength by 85%, carbon nanotubes by 125%, and their simultaneous combination by 230% compared to the base sample. Fluid loss decreased by 37%, 50%, and 63% for the nanosilica, carbon nanotube, and combined samples, respectively, while free water content was reduced to zero in all three samples containing nanomaterials. Thickening time also improved by 11%, 20%, and 25%, respectively. Rheological model analysis showed that the designed slurries closely follow the Bingham plastic model. In the numerical section, a novel regression model was developed to predict compressive strength as a function of nanoparticle volume fraction and curing time, with a coefficient of determination of 0.95. The findings indicate that each nanomaterial, especially their simultaneous combination, effectively improves drilling cement performance under harsh conditions.

کلیدواژه‌ها English

Drilling Cement
Carbon Nanotubes
Nanosilica
Rheological Properties
Compressive Strength

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 21 مهر 1405

  • تاریخ دریافت 29 مرداد 1405
  • تاریخ بازنگری 03 مهر 1405
  • تاریخ پذیرش 21 مهر 1405