Nano karbon siyahı ile fonksiyonelleştirilmiş su bazlı sondaj çamurlarının reolojik ve fizikokimyasal performans değişimlerinin araştırılması
Investigation of rheological and physicochemical performance changes of water-based drilling fluids functionalized with nano carbon black
Yazar: MUSTAFA YAVUZ TUNÇER
Danışman: PROF. DR. EKREM KALKAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı / Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Bentonit = Bentonite ; Karbon siyahı = Carbon black ; Nano parçacık = Nano particles ; Reoloji = Rheology ; Sondaj sıvısı = Drilling fluid

Özet:
Amaç: Bu çalışma ile petrol ve gaz endüstrisinin temel kilometre taşlarından biri olan sondaj işlemleri sırasında kullanılan ve toplam sondaj maliyetinin yaklaşık %10'unu oluşturan sondaj çamurlarının fonksiyonelleştirilmesi maksadıyla, su bazlı sondaj çamurlarına nano karbon siyahı ilavesiyle meydana gelecek reolojik ve fizikokimyasal performans değişimlerinin tespit edilmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: Bu çalışma iki temel aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada katkısız ve barit katkılı olmak üzere iki farklı su bazlı sondaj çamurunun düşük basınç ve düşük sıcaklık ortamındaki yoğunluk, pH değeri, viskozite, kopma noktası, jel mukavemeti ve filtrasyon deneylerinin yapılması ve sonuçlarının değerlendirilmesi şeklindedir. İkinci aşama ise su bazlı sondaj çamurlarının hazırlanmasında ana ürün olarak kullanılan bentonit, barit ve nano karbon siyahı ile kurutulmuş sondaj çamuru numunelerinin SEM, EDS, XRD ve FT-IR malzeme karakterizasyon analizlerinin yapılması olarak belirlenmiştir.
Bulgular: Laboratuvar deneyleri sonucunda elde edilen verilere göre; nano karbon siyahı ilavesiyle konsantrasyona bağlı olarak katkısız bentonit çamurunun yoğunluk ve pH değerlerinde farklılık görülmemiş, görünür viskozite değerlerinin %0-128,8, plastik viskozite değerlerinin %1,6-89, kopma noktası değerlerinin %(-)4,7-246,5, jel mukavemeti değerlerinin %1,4-475, API sıvı kaybı değerlerinin %2,2-17,4, çamur keki kalınlığının %42,3-84,5 ve çamur ağırlığının ise %39,4-88,3 oranlarında değişim gösterdiği tespit edilmiştir. Nano karbon siyahı ilavesiyle konsantrasyona bağlı olarak barit katkılı bentonit çamurunun yoğunluk ve pH değerlerinde de farklılık görülmemiş, görünür viskozite değerlerinin %8,7-53, plastik viskozite değerlerinin %5,8-59,4, kopma noktası değerlerinin %(-)1,5-43,8, jel mukavemeti değerlerinin %1,7-49,7, API sıvı kaybı değerlerinin %(-)8-5, çamur keki kalınlığının %27,7-73 ve çamur ağırlığının ise %2,7-56,4 oranlarında değişim gösterdiği tespit edilmiştir. Malzeme karakterizasyon analizleriyle ise materyallerin elementel yapısı, bileşimi ve bağ yapılarında nano karbon siyahı ilavesiyle meydana gelen değişimlerin tespiti sağlanmıştır.
Sonuç: Nano karbon siyahının su bazlı katkısız ve barit katkılı bentonit çamurlarına ilave edilmesi sayesinde yoğunluk artışına sebep olunmadan daha yüksek viskozitede çamur elde edilebildiği ve daha kalın ve mukavemetli çamur keki oluşumu sağlanabildiği sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
Purpose: In this study, it was aimed to determine the rheological and physicochemical performance changes that will occur with the addition of nano carbon black to water-based drilling muds in order to functionalize the drilling mud, which is one of the main milestones of the oil and gas industry, and which constitutes approximately 10% of the total drilling cost.
Method: This study consists of two main stages. In the first stage, the density, pH value, viscosity, yield point, gel strength and filtration tests of two different water-based drilling muds, which were additive-free and barite-added, in low pressure and low temperature conditions were performed and the results were evaluated. The second stage was determined as the SEM, EDS, XRD and FT-IR material characterization analyzes of bentonite, barite and nano carbon black, which were used as the main product in the preparation of water-based drilling mud, as well as dried mud samples.
Findings: According to the data obtained as a result of laboratory experiments; with the addition of nano carbon black, there was no difference in the density and pH values of the additive-free bentonite mud depending on the concentration. It was also determined that the change rate was 0-128.8% for the apparent viscosity values, 1.6-89% for the plastic viscosity values, (-)4.7-246.5% for the yield point values, 1.4-475% for gel strength values, 2.2-17.4% for API fluid loss values, 42.3-84.5% for mud cake thickness and 39.4-88.3% for mud weight. Secondly with the addition of nano carbon black, there was no difference in the density and pH values of the barite-added bentonite mud depending on the concentration. It was also determined that the change rate was 8.7-53% for the apparent viscosity values, 5.8-59.4% for the plastic viscosity values, (-)1.5-43.8% for the yield point values, 1.7-49.7% for gel strength values, (-)8-5% for API fluid loss values, 27.7-73% for mud cake thickness and 2.7-56.4% for mud weight. Moreover, with the material characterization analysis, the changes in the elemental structure, composition and bond structures of the materials, which occurred with the addition of nano carbon black, were determined.
Results: It has been concluded that, by adding nano carbon black to water-based additive-free and barite-added bentonite muds, higher viscosity mud can be obtained without causing an increase in density, and a thicker and more durable mud cake can be formed.