Badania laboratoryjne nad zwiększeniem przewodności cieplnej płuczek wiertniczych przeznaczonych do wierceń geotermalnych

• Autorzy: Błaż Sławomir , Zima Grzegorz , Jasiński Bartłomiej

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2023.05.05

Warianty tytułu

EN

Laboratory research on increasing the thermal conductivity of drilling muds for geothermal drilling

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Jednym z potencjalnych kierunków rozwoju energetyki w Polsce jest wykorzystanie dla celów geotermalnych jako źródła energii głęboko zlokalizowanych wód o wysokich temperaturach. Udostępnianie złóż geotermalnych wiąże się z wysokimi wymogami stawianymi stosowanym płuczkom wiertniczym. Wysoka temperatura i ciśnienie panujące na dnie otworu wiertniczego są główną przyczyną zmiany parametrów reologicznych, ekwiwalentnej gęstości cyrkulacyjnej i objętości płuczki wiertniczej. Dlatego niezmiernie istotne jest, aby płuczka wiertnicza miała odpowiednią charakterystykę przewodnictwa cieplnego. Szczególnie ważne jest to w przypadkach wiercenia otworów, gdzie występująca różnica między ciśnieniem porowym a ciśnieniem szczelinowania jest niewielka. Właściwości termofizyczne, takie jak przewodność cieplna i ciepło właściwe płuczki wiertniczej, wpływają na wymianę ciepła i odgrywają zasadniczą rolę w profilu temperaturowym cieczy wiertniczych cyrkulujących w otworze. Przewodność cieplna i właściwa pojemność cieplna są zależne od składu płuczki wiertniczej, gęstości, właściwości reologiczno-strukturalnych i zawartości fazy stałej. W artykule przedstawiono badania przewodności cieplnej wodnodyspersyjnych płuczek wiertniczych przeznaczonych do wierceń geotermalnych. Określono wpływ podstawowych składników płuczki oraz środków do regulowania jej parametrów na właściwości termofizyczne. Zaprezentowane zostały wyniki badań z zakresu prac eksperymentalnych zmierzających do wyboru i zastosowania środków chemicznych poprawiających przewodność cieplną płuczek wiertniczych. Na podstawie analizy otrzymanych wyników z badań laboratoryjnych opracowano skład płuczki wiertniczej do wiercenia otworów geotermalnych charakteryzującej się zwiększonymi wartościami przewodności cieplnej przy zachowaniu wysokiej odporności na działanie wysokiej temperatury i ciśnienia.

EN

One of the potential directions of energy development in Poland is the use of deep waters with high temperatures as a source of energy for geothermal purposes. Accessing geothermal deposits is associated with exacting requirements in terms of the drilling muds used. The high temperature and pressure at the bottom of the borehole are the main cause of changes in rheological parameters, equivalent circulation density and drilling mud volume. Therefore, it is of the utmost importance that the drilling mud has adequate thermal conductivity characteristics. This is especially important in cases of drilling holes where the difference between the pore pressure and the fracture pressure is small. Thermophysical properties such as the thermal conductivity and heat capacity of the drilling mud affect heat transfer and play an essential role in the temperature profile of the drilling fluids circulating in the hole. Thermal conductivity and proper heat capacity depend on the drilling mud composition, density, rheological and structural parameters and solid phase content. The article presents the study of thermal conductivity of water based drilling muds intended for geothermal drilling. The influence of basic mud components and agents regulating its parameters on thermophysical properties was determined. The results of experimental research designed to select and apply chemicals to improve the thermal conductivity of drilling muds are presented. Based on the analysis of the results obtained from laboratory tests, a composition for drilling mud for drilling geothermal boreholes was created with enhanced thermal conductivity while maintaining strong resistance to high temperature and pressure.

Słowa kluczowe

PL

płuczka wiertnicza; przewodność cieplna; właściwości termofizyczne; nanododatki; nanociecze

EN

drilling mud; thermal conductivity; thermophysical properties; nanoadditives; nanoliquids

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 79, nr 5
• Strony: 338--348
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz.

Twórcy

autor

Błaż Sławomir

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Zima Grzegorz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Jasiński Bartłomiej

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Aftab A., Ismail A.R., Ibupoto Z.H., Akeiber H., Malghani M.G.K., 2017. Nanoparticles based drilling muds a solution to drill elevated temperature wells: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 76: 1301–1313. DOI: 10.1016/j.rser.2017.03.050.
• Beg M., Kesarwani H., Sharma S., 2019. Effect of CuO and ZnO Nanoparticles on Efficacy of Poly 4-Styrenesulfonic Acid-Co-Maleic Acid Sodium Salt for Controlling HPHT Filtration. International Petroleum Exhibition & Conference, Abu Dhabi, UAE, November 2019.DOI: 10.2118/197703-MS.
• Bavoh C.B., Adam J.M., Lal B., 2022. Specific heat capacity of xanthan gum/PAC polymer-based drilling fluids: An experimental and correlation study. Materials Today: Proceedings, 57: 1002–1007.
• Cardona L.F., Forero L.A., Velásquez J.A., 2022. A group contribution method to model the thermal conductivity of pure substances. Fluid Phase Equilibria, 564: 113592. DOI: 10.1016/j.fluid.2022.113592.
• Cheraghian G., 2021. Nanoparticles in drilling fluid: A review of the state-of-the-art. Journal of Materials Research and Technology, 13:737–753. DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.04.089.
• Cheraghian G., Wu Q., Mostofi M., Li M.-C., Afrand M., Sangwai J.S., 2018. Effect of a novel clay/silica nanocomposite on water-based drilling fluids: Improvements in rheological and filtration properties. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 555: 339–350. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2018.06.072.
• Duangthongsuk W., Wongwises S., 2009. Measurement of temperature-dependent thermal conductivity and viscosity of TiO2-water nanofluids. Experimental Thermal and Fluid Science, 33(4): 706–714. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2009.01.005.
• Espinosa-Paredes G., Garcia-Gutierrez A., 2004. Thermal behaviour of geothermal wells using mud and air–water mixtures as drilling fluids.
• Energy Conversion and Management, 45(9–10): 1513–1527. DOI: 10.1016/j.enconman.2003.08.023.
• Fazelabdolabadi B., Khodadadi A.A., Sedaghatzadeh M., 2015. Thermal and rheological properties improvement of drilling fluids using functionalized carbon nanotubes. Applied Nanoscience, 5: 651–659. DOI: 10.1007/s13204-014-0359-5.
• Gudarzifar H., Sabbaghi S., Rezvani A., Saboori R., 2020. Experimental investigation of rheological & filtration properties and thermal conductivity of water-based drilling fluid enhanced. Powder Technology, 368: 323–341. DOI: 10.1016/j.powtec.2020.04.049.
• Hong S.H., Jo H.J., Choi M.-J., Jang H.W., Kim Y.J., Hwang W.R., Kim S.Y., 2019. Influence of MoS2 Nanosheet Size on Performance of Drilling Mud. Polymers, 11(2): 321. DOI: 10.3390/polym11020321.
• Ikram R., Badrul M.J., Vejpravova J., Choudhary M.I., Chowdhury Z.Z., 2020. Recent Advances of Graphene-Derived Nano-composites in Water-Based Drilling Fluids. Nanomaterials, 10(10): 2004. DOI: 10.3390/nano10102004.
• Kazemi-Beydokhti A., Hajiabadi S.H., 2018. Rheological investigation of smart polymer/carbon nanotube complex on properties of waterbased drilling fluids. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 556(5): 23–29. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2018.07.058.
• Kędzierski M., Rzepka M., Kremieniewski M., 2020. Możliwości zastosowania nanorurek węglowych (CNTs) w technologii zaczynów cementowych. Nafta-Gaz, 76(2): 110–118. DOI: 10.18668/NG.2020.02.05.
• Kim S.H., Choi S.R., Kim D., 2007. Thermal Conductivity of Metal-Oxide Nanofluids: Particle Size Dependence and Effect of Laser Irradiation. Journal Heat Transfer, 129(3): 298–307. DOI: 10.1115/1.2427071.
• Kole M., Dey T.K., 2012. Thermophysical and pool boiling characteristics of ZnO-ethylene glycol nanofluids. International Journal of Thermal Sciences, 62: 61–70. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2012.02.002.
• Liu J.-P., Zhang X.-F., Zhang W.-Ch., Lv K.H., Bai Y.-R., Wang J.-T., Huang X.-B., Jin J.-F., Sun J.-S., 2022. Carbon nanotube enhancedwater-based drilling fluid for high temperature and high salinity deep resource development. Petroleum Science, 19: 916–926. DOI:10.1016/j.petsci.2021.09.045.
• López-Acosta N.P., Zaragoza-Cardiel A.I., Barba-Galdámez D.F., 2021. Determination of Thermal Conductivity Properties of Coastal Soils for GSHPs and Energy Geostructure Applications in Mexico. Energies, 14, 5479. DOI: 10.3390/en14175479.
• Mohamed A., Salehi S., Ahmed R., 2021. Significance and complications of drilling fluid rheology in geothermal drilling: A review. Geothermics, 93: 102066. DOI: 10.1016/j.geothermics.2021.102066.
• Murshed S.M.S., Leong K.C., Yang C., 2008. Investigations of thermal conductivity and viscosity of nanofluids. International Journal of Thermal Sciences, 47: 560–568.
• Namburu P.K., Kulkarni D.P., Misra D., Das D.K., 2007. Viscosity of copper oxide nanoparticles dispersed in ethylene glycol and water mixture. Experimental Thermal and Fluid Science, 32(2): 397–402. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2007.05.001.
• Pandey H., Gupta N.K., 2022. A descriptive review of the thermal transport mechanisms in mono and hybrid nanofluid-filled heat pipes and current developments. Thermal Science and Engineering Progress, 31: 101281. DOI: 10.1016/j.tsep.2022.101281.
• Prałat K., Kubissa W., Jaskulski R., Ciemnicka J., Pilarczyk S., 2019. Wpływ wybranych mikrododatków na przewodnictwo cieplne oraz mikrostrukturę powierzchni modyfikowanych gipsów. Architectura, 18(1): 69–75. DOI: 10.22630/ASPA.2019.18.1.8.
• Saboori R., Sabbaghi S., Kalantariasl A., 2019. Improvement of rheological, filtration and thermal conductivity of bentonite drilling fluid using copper oxide/polyacrylamide nanocomposite. Powder Technology, 353: 257–266. DOI: 10.1016/j.powtec.2019.05.038.
• Saffari H.R.M., Soltani R., Alaei M., Soleymani M., 2018. Tribological Properties of Water-Based Drilling Fluids with Borate Nanoparticles as Lubricant Additives. Journal of Petroleum Science and Engineering, 171: 253–259. DOI: 10.1016/j.petrol.2018.07.049.
• Santoyo E., Santoyo-Gutiérrez S., Garcı́a A., Espinosa G., Moya S.L., 2001. Rheological property measurement of drilling fluids used in geothermal wells. Applied Thermal Engineering, 21(3): 283–302. DOI: 10.1016/S1359-4311(00)00003-X.
• Sharma M.M., Zhang R., Chenevert M.E., Ji L., Guo Q., Friedheim J., 2012. A new family of nanoparticle based drilling fluids. SPE Annual Technical Conference and Exhibition, San Antonio, Texas, USA, October 2012. DOI: 10.2118/160045-MS.
• Veisi E., Hajipour M., Delijani E.B., 2020. Experimental study on thermal, rheological and filtration control characteristics of drilling fluids: effect of nanoadditives. Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP Energies nouvelles, 75(36): 10. DOI: 10.2516/ogst/2020033.
• Wu W.-T., Aubry N., Antaki J.F., McKoy M.L., Massoudi M., 2017. Heat Transfer in a Drilling Fluid with Geothermal Applications. Energies, 10: 1349. DOI: 10.3390/en10091349.
• Xie H., Fujii M., Zhang X., 2005. Effect of interfacial nanolayer on the effective thermal conductivity of nanoparticle-fluid mixture. International Journal of Heat and Mass Transfer, 48(14): 2926–2932. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.10.040.
• Xuan Y., Li Q., 2000. Heat transfer enhancement of nanofluids. International Journal of Heat and Fluid Flow, 21(1): 58–64. DOI: 10.1016/S0142-727X(99)00067-3.
• Yu W., Xie H., Chen L., Li Y., 2009. Investigation of thermal conductivity and viscosity of ethylene glycol based ZnO nanofluid. Thermochimica Acta, 491(1): 92–96. DOI: 10.1016/j.tca.2009.03.007.
• Zhang Z., Xiong Y., Pu H., Sun Z., 2021. Effect of the variations of thermophysical properties of drilling fluids with temperature on wellbore temperature calculation during drilling. Energy, 214: 119055. DOI: 10.1016/j.energy.2020.119055.
• Zhong H., Guan Y., Qiu Z., Feng J., Liu W., Wan Y., Zhang Y., 2021. Improvement of Rheological and Filtration Properties of Water-Based Drilling Fluids Using Bentonite-Hydrothermal Carbon Nanocomposites Under the Ultra-High Temperature and High Pressure Conditions. SPE/IATMI Asia Pacific Oil & Gas Conference and Exhibition, Virtual, October 2021. DOI: 10.2118/205539-MS.
• Zima G., 2017. Analiza wpływu nanomateriałów na właściwości osadu filtracyjnego. Nafta-Gaz, 63(5): 312–320. DOI:10.18668/NG.2017.05.03.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).