حفاری یک فرآیند کلیدی در صنعت نفت و گاز است، به ویژه در فاز بالادستی که در آن چندین مرحله مانند اکتشاف، حفاری، تولید و بهبود بازیابی نفت، همگی به صورت پی‌درپی انجام می‌شوند. هنگامی که مته‌ها لایه‌های ضخیم سنگ را خرد می‌کنند، گرم می‌شوند. گل حفاری (drilling fluid) آن را خنک می‌کند و همچنین باعث روانکاری می‌شود. همزمان، خرده سنگ‌های حفاری شده، شسته می‌شوند و سازند (formation) حفظ می‌شود، در حالی که سازند نفوذپذیر کنار گذاشته می‌شود.
گل حفاری رایج که در این زمینه مورد استفاده قرار می‌گیرد، گل بر پایه آب (WBM; water-based mud) است. اما این ماده باید در محیطی با دما و فشار بالا (HTHP) عمل کند، که در آن نقطه خواص سیال به طور قابل‌توجهی بدتر می‌شود. افزودن نانوسیالات به گل حفاری می‌تواند خصوصیات رئولوژیکی آن را تغییر داده و موفقیت عملیات حفاری را افزایش دهد. از آنجا که گل حفاری به هزینه کل فرآیند کمک می‌کند، کاهش هرزروی سیال دستاوردی مهم برای کاهش هزینه‌ها است.
به هر سیالی که دارای حداقل یک افزودنی با اندازه ذره بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد نانوسیال گفته می‌شود. افزودنی نانو موجب می‌شود آنها با نسبت سطح به حجم زیاد در مقایسه با میکروذرات، کوچک‌تر باشند. این ویژگی بسیاری از خواص آنها را تشکیل می‌دهد.
رئولوژی
رئولوژی (Rheology) به چگونگی جریان و تغییر شکل مواد تحت شرایط استاندارد اشاره دارد. «جریان مواد» در موادی که شبیه به مایعات هستند دیده می‌شود، در صورتی که موادی که بیشتر شبیه به جامدات هستند «تغییر شکل» می‌دهند. بنابراین رئولوژی می‌تواند رفتار ویسکوالاستیک (viscoelastic) و پیچیده موادی که هم دارای ویژگی‌های مواد جامد و هم مایع هستند را تعریف کند. رئولوژی همچنین یکی از مهم‌ترین عوامل تعیین‌کننده عملکرد گل حفاری است، که به نوبه خود مسئول بسیاری از مسائل مربوط به حفاری، از جمله هرزروی سیالات حفاری و تخریب سازند در اثر گیر در لوله‌های حفاری (pipe sticking) است.
گل حفاری معمولی بهعنوان سیال غیرنیوتنی عمل می‌کند، رفتاری شبه پلاستیکی (pseudoplastic) یا رقیق شونده برشی (shear-thinning) نشان می‌دهد، که در آن ویسکوزیته سیال با میزان برش به طور معکوس متناسب است. برای تعیین ماهیت رئولوژیکی آن، از یک رئومتر برای انجام آزمایش‌های رئولوژیکی استفاده می‌شود. با این حال، دستیابی به گل حفاری نزدیک به ایده آل دشوار است مگر آن که هر دو ویژگی ویسکوزیته و الاستیسیته گل حفاری علاوه بر رئولوژی آن مطالعه شود. جنبه مهم دیگر، تیکسوتروپی (thixotropy) است، خاصیتی که تعیین می‌کند چگونه گل حفاری به سرعت ژل-مانند می‌شود، بنابراین از ته‌نشین شدن ذرات سنگین جلوگیری می‌کند.
گل حفاری اصلاح شده حاوی نانوذرات
افزودن نانوذرات به گل حفاری می‌تواند رئولوژی آن را بهبود بخشد. یک مطالعه نشان داده‌است که افزودن گرافیت و سیلیسیم دی‌اکسید در غلظت‌های بسیار کم (کم‌تر از 14/0 درصد)، رفتار سیال را از نظر جریان (طبق مدل هرشل-بالکلی) مشابه گل حفاری فاقد نانوذرات، اما با ویسکوزیته‌ای کمی بالاتر نگه می‌دارد. علت آن این است که نانوذرات می‌توانند به طور مساوی در سطح بنتونیت (bentonite) پراکنده شوند.
الاستیسیته
با این حال، مشاهده شد سیال دارای نانوذرات، الاستیسیته بیشتری در محدوده ویسکوالاستیک خطی دارد، اما هنگامی که به نقطه جریان می‌رسد، تنش برشی کم‌تری دارد. این نانوذرات ساختار ژلی بهتری به وجود می‌آورند که این امکان را فراهم می‌کند که بدون تنش برشی زیاد تفکیک شود.
افزایش غلظت نانوذرات باعث می‌شود سیال بیشتر الاستیک شود و این امر ته‌نشین شدن خرده سنگ‌ها و دیگر مواد را به حداقل می‌رساند. میزان بالای ته‌نشین شدن بر حفاری تأثیر منفی می‌گذارد زیرا موجب ویسکوزیته پلاستیکی زیاد، کاهش استحکام ژل و کاهش نقطه واروی (yield point) می‌شود.
با افزودن نانوذرات در غلظت بهینه، سیال قادر است ساختار خود را سریع‌تر و به میزان بیشتری بازیابی کند چرا که زمان بازسازی به شدت کاهش می‌یابد.
پایداری در دما و فشار بالا
مطالعه دیگری که در آن ۱ درصد نانوذرات مس و اکسید روی موجود در صمغ زانتان (Xanthan gum) در دماهای مختلف (از ۲۵ تا ۱۱۰ درجه سانتی‌گراد) به WBM اضافه شده بود نشان داد رئولوژی با فشار متناسب با دما، تغییر بهتری پیدا کرده که این امر سیال را از نظر ویسکوزیته آن در دماهای بالاتر پایدارتر می‌کند.
افرودن برخی نانوذرات رس مخصوص به گل حفاری علاوه بر آن که امکان کنترل خواص مختلف از قبیل رقیق شوندگی برشی و در نتیجه کاهش آسیب به سازند را فراهم می‌سازد، باعث بهتر شدن رئولوژی نیز می‌شود. نویسندگان از ویسکوزیته پلاستیکی و نقطه واروی سیال اصلاح شده نتیجه گرفتند افزودن نانوذرات رسی منجر به پایداری در دما و فشار بالا می‌شود.
نتیجه‌گیری
افرودن نانوذرات برای ایجاد گل حفاری اصلاح‌شده، ضمن حفظ جریان، مشابه با سیال فاقد نانوذرات، به بهبود تیکسوتروپی و ویسکوالاستیکی کمک می‌کند. میزان و نوع بهبود خواص رئولوژیکی به نوع و غلظت نانوذرات اضافه شده بستگی دارد.
