بررسي و بهينه سازي پارامترهاي رئولوژيكي در سيالات حفاري پايه آبي حاوي نانو ذرات فلزي به روش سطح پاسخ

Study and optimization of rheological parameters of water-based drilling mud contains metal nanoparticles using response surface methodology Full

بررسي خواص رئولوژيكي يكي از پارامترهاي اساسي در طراحي سيالات حفاري و عملكرد آن در شرايط عملياتي است. نانو ذرات فلزي از جمله افزودني-هاي مهم جهت بهبود و ثبات خواص ريولوژيكي سيالات حفاري در شرايط دما و فشار بالاي عملياتي مي باشند. در اين پژوهش بر اساس داده هاي مقالات، دو مدل كلاسيك شامل پاورلا و بينگهام پلاستيك بررسي شد. متغيرهاي فرآيندي دما (70 ، 90 و 110 درجه سانتيگراد) و غلظت نانو ذرات (0/1، 0/3 و 0/5 درصد وزني) در سه سطح بر اساس طرح مركب مركزي بررسي شدند و پارامترها با استفاده از روش سطح پاسخ بهينه سازي شدند. نتايج نشان دادند كه نانو ذرات سبب بهبود و ثبات خواص ريولوژيكي سيال حفاري پايه آبي در دماها و فشارهاي بالا شده است. شاخص رفتار جريان با افزايش غلظت نانو ذرات ابتدا كاهش و سپس افزايش يافت، همچنين اين پارامتر با افزايش دما روند نزولي داشت. با افزايش غلظت نانو ذرات پارامترهاي شاخص غلظت و تنش تسليم افزايش يافت. دما تاثير زيادي بر پارمترهاي شاخص غلظت و تنش تسليم نداشته در نتيجه ثبات ريولوژيكي سيال در دماهاي بالا حفظ شد. بهينه سازي با استفاده از تابع مطلوبيت درينگر انجام شد و دماي 95/53 درجه سانتيگراد و غلظت 0/44 درصد وزني نانو ذرات به عنوان شرايط بهينه به دست آمد.

The study of rheological properties is one of the essential aspects in designing drilling mud and its performance in operational conditions. Metal nanoparticles are one of the important additives to improve rheological properties of drilling mud in high temperatures and pressures of the operational conditions. In this research, based on the literature data, two classic rheological models, namely Power law and Bingham plastic were studied. Process variables temperature (70, 90 and 110 ̊C) and concentration of nanoparticles (0.1, 0.3 and 0.5 %w) were investigated at three levels based on central composite design and parameters were optimized using response surface methodology. Results showed that nanoparticles improved and stabilized rheological properties at water-based drilling mud in high temperatures and pressures operational conditions. Flow behavior index by increase in concentration of nanoparticles, outset decreased and then increased, also this parameters decreased with increased temperature. Consistency index and yield stress were increased by increase concentration of nanoparticles. Temperature did not have much effect on the consistency index and yield stress parameters, so rheological stability was maintained in high temperature. Optimization was performed by using Derringer’s desired function methodology and optimum condition was obtained in temperature 95.53 ̊C and concentration of nanoparticles 0.44 %w