رانده می­شوند. سپس سیمان از ته چاه به پشت لوله­های جداری(فضای بین لوله­های جداری و دهانه چاه)پمپ می­ شود و تا سطح زمین بالا می ­آید. نهایتاً زمان لازم برای خشک شدن سیمان در نظر گرفته می­ شود تا لوله­های جداری به دیواره چاه متصل شوند. از لحظه تزریق سیمان تا خشک شدن کامل آن، لوله­های جداری توسط کابل به دکل متصلند. سیمان­های مورد استفاده می‌بایستی خواص بندش، پمپ شوندگی، ویسکوزیته و سختی نهایی قابل کنترل وخصوصیات ویسکوزیته، استحکام و زمان گیرش مناسبی داشته باشد.
پایان نامه - مقاله - پروژه
با بهره گرفتن از نانوافزودنی‌ها می‌توان این خصوصیات را برآورده ساخت. نانوذرات با اضافه شدن به این سیمان به خاطر خواص میان خواص کوانتومی و خواص توده مواد، باعث به وجود آمدن خواص مناسب گردند. یکی از خصوصیات بارز این ذرات پس ازاضافه شدن هموژنیته یکسان تمام مخلوط می­باشد که باعث هموژن شدن خواص سیمان می شود. شرکت NanoProduct Corp. از نانو ذرات سیلیکات کلسیم در سیمان استفاده نموده است و سیمان حاصل قابلیت کاربری در دماهای بالا را دارد، لذا می‌تواند گزینه مناسبی برای چاه‌های عمیق نفتی و چاه‌های ژئوترمال باشد]۲[.
۱-۳- نانو فناوری و سیمان چاه های نفتی
یکی از مشکلات سیمان مورد استفاده در چاه­های نفتی که برای اتصال لوله­های جداری و دیواره چاه مورد استفاده قرار می گیرند، این است که این سیمان­ها مقاومت مورد نظر را در مقابل دما و فشار بالا ندارند. لذا در دما و فشار بالای چاه، سیمان ترک می خورد. یکی از راه­های مقاوم کردن آن افزودن برخی افزودنی­های خاص در سایز میکرومتری یا نانومتری به سیمان و بهبود مقاومت فشاری و خمشی و مقاومت سیمان در مقابل دما می باشد.
در سال­های اخیر تحقیقات زیادی در خصوص افزودن نانو ذرات به سیمان انجام گرفته است. نانو ذرات افزودنی به سیمان هم می ­تواند از نوع ترکیبات تشکیل دهنده خود سیمان (اکسید سیلیس، اکسیدآهن و آلومینا) باشند و هم از ترکیباتی دیگر، که در جهت ایجاد خواصی مشخص و معینی در سیمان، کاربرد دارند. به عنوان مثال، برای حصول به سیمانی با خواص مناسب جهت استفاده در چاه­های نفت افزودن نانو ذرات مناسب می­باشد. هدف اصلی استفاده از نانو افزودنی ها در سیمان جداره چاه­های نفتی مقابله با وجود مشکلاتی از لحاظ پایین بودن فشار مخزن و ضرورت ایجاد فشار لازم توسط سیمان استفاده شده می­باشد.
علاوه بر موارد فوق افزایش مقاومت تراکمی و کاهش تخلخل و تراوایی و نهایتاً کنترل و مهار مهاجرت گاز و سیال از درون ستون سیمان از مزایای دیگر استفاده از نانو ذرات در طراحی دوغاب سیمان می­باشد.
به طور کلی مهمترین عامل درکنترل خواص نانو سیمان­ها، علاوه بر خواص نانو ذرات، اختلاط مناسب نانو ذرات و سیمان می­باشد. نانو سیمان­ها به دلیل مقاومت بالا و خواص ساختاری بهبود یافته، کاربرد­های زیادی دارند. برای مثال از این نوع سیمان­ها، برای ساخت آسمان خراش­ها، ساختمان­های ریاست جمهوری و نظامی(ضد گلوله) و در مناطقی که خورندگی زیاد است، استفاده می­ شود. در ادامه انواع نانو سیمان­ها، خواص آن­ها درمقایسه با خواص سایر سیمان­ها و مزایای تولید هر کدام از آن­ها، مورد بررسی قرار می­گیرد]۳[.
۱-۴- معرفی برخی از نانو افزودنی های مورد استفاده در سیمان
- نانو ذرات سیلیکات کلسیم
شرکت Nano Product Corp. از نانو ذرات سیلیکات کلسیم در سیمان استفاده نموده است و سیمان حاصل قابلیت کاربری در دماهای بالا را دارد، لذا می‌تواند گزینه مناسبی برای چاه‌های عمیق نفتی و چاه‌های ژئوترمال، باشد[۲].
- محصول نانوافزودنی Combiner W
از سیلیکای آمورف در ساختن آن استفاده شده است. بواسطه ‌دانه ریز بودن ذرات تشکیل ‌دهنده‌اش، خواص ویژه‌ای از لحا ظ پایداری، کیفیت و قابلیت استفاده شدن، به سیمان چاه‌ها می‌دهد. همچنین دوغاب سیمان حاصل، کاملاً پایدار می‌شود و آب اضافی حذف می‌شود.
باتوجه به داشتن وزن مخصوص مناسب،Combiner W ، در دوغاب‌های سبک، بسیار عالی عمل می‌کند. در حفاری آب‌های عمیق و بسیار عمیق که دمای سطح زمین پائین است Combiner W خواص مطلوبی ازجمله تراکم‌ پذیری اولیه و زمان ‌بند‌ش مناسب به سیمان می‌دهد. با توجه به اینکه زمان ‌بندش سیمان حاصل کاهش می‌یابد، Weight on Cement کمتر شده و حفاری با سرعت بیشتری ادامه پیدا می‌کند]۴[.
- کربن نانوتیوب
این ماده پتانسیل فوق­العاده قوی(سیمان سخت ) ایجاد می­ کند چون هم یک ماده تقویت کننده ایده­آل می­باشد و هم قطر آن شبیه اندازه کلسیم-سیلیکات-هیدرات است. از دیگر کاربردهای کربن نانوتیوب در صنعت ساختمان استفاده از آن به عنوان اجز اء ساختاری و عامل انتقال حرارت می­باشد به نحوی که یکی از کاربردهای آن، بکارگیری برای گرم کردن ساختمان­ها می باشد.
- سیلیکافیوم
سیلیکافیوم محصول جانبی کارخانه­های سیلیکا­متال است. این ماده شامل ۸۵ تا ۹۵ درصد اکسید سیلیس بی شکل با وزن مخصوص ۲/۲ است. هر ذره مجزا سیلیکافیوم به شکل کره­ای با قطر ۳/۰ تا ۵/۱ میکرومتر(۱۰۰برابر ریزتر از ذرات سیمان) است. ریزی بیش از حد سیلیکافیوم به آن اجازه می­دهد که فضاهای میکروسکوپی بین ذرات سیمان را پر کند. سیلیکافیوم با هیدروکسید کلسیم حاصل از واکنش سیمان پرتلند ترکیب شده و خواص سیمان را بهبود می­دهد. بعضی از این خواص عبارتند از: افزایش مقاومت تراکمی حدود ۳۵ درصد، کاهش نفوذپذیزی سنگ سیمان، افزایش دوام سیمان، اثرات ضد مهاجرت گاز، کاهش رسانایی الکتریکی بدون آب آزاد، مبارزه با حمله یون­های کلراید و سولفات و جلوگیری از پسرفت مقاومت سیمان سفت شده در دماهای بالاتر از ۲۳۰ درجه فارنهایت(۱۱۰ درجه سانتیگراد) و داشتن خواص مناسب در محیط­های حاوی دی­اکسید کربن. این ماده می ­تواند برای سیمان­کاری چاه­های نفت و گازی که سیمان­های با وزن متوسط و سبک نیاز دارند، بکار رود.
دردوغاب سیمان فوق سبک با بهره گرفتن از فناوری نانو ضمن بهسازی خواص رئولوژیکی در سیمان­کاری پشت لوله­های جداری چاه، افزایش قابل توجه مقاومت تراکمی سنگ سیمان نیز حاصل می­ شود و با تنظیم اندازه ذرات جامد، ضمن افزایش سطح ویژه دانه­ها، چگالی مخلوط کمتر شده و برای طراحی سیمان­های فوق سبک و با نرخ فشار پایین بسیار ایده­آل خواهد بود.
- نانو لوله­های چند جداره
موجب افزایش مقاومت فشاری( ۲۵نیوتن بر متر مربع) و مقاومت خمشی( ۸ نیوتن بر متر مربع ) بتن می­شوند.
- سیلیس ((SiO2
با بهره گرفتن از نانو ذرات سیلیس می توان میزان تراکم ذرات در بتن را افزایش داد که این به افزایش چگالی میکرو و نانو ساختارهای تشکیل دهنده بتن و در نتیجه بهبود ویژگی­های مکانیکی آن می­انجامد. افزودن نانو ذرات سیلیس به مواد مبتنی بر سیمان هم موجب کنترل تجزیه ناشی از واکنش بنیادی C-S-H (کلسیم- سیلیکات- هیدرات)، که در اثر نشت کلسیم در آب رخ می­دهد، و نیز جلوگیری از نفوذ آب به درون بتن می­ شود که هر دوی این موارد دوام بتن را افزایش می­دهد. متناسب با میزان افزایش تراکم ذرات، آسیاب کردن کلینکر سیمان پرتلند معمولی(OPC) به همراه ماسه استاندارد، منجر به تولید ذرات ریزتری درمقایسه با ذرات حاصل از آسیاب نمودن سیمان پرتلند معمولی به تنهایی می­ شود، و نکته مهم اینکه با افزایش میزان ریزی و در نتیجه تراکم ذرات، مقاومت فشاری بتن تا حد سه تا شش برابر افزایش می­یابد.
یکی دیگر از مواد مورد استفاده این ماده در ساخت بتن است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش دوام و استحکام بتن، میزان مصرف سیمان را نیز کاهش می دهد، ولی افزودن خاکستر فرار به بتن موجب کند شدن فرایند عمل ­آوری بتن و کمتر شدن مقاومت کوتاه مدت آن در مقایسه با بتن معمولی می­ شود. در صورت افزودن نانو ذرات سیلیس به بتن ساخته شده با خاکستر فرار، با وجود اینکه قسمتی از سیمان مصرفی با سیلیس جایگزین می­ شود، چگالی و استحکام بتن و مخصوصاَ مقاومت کوتاه مدت بتن افزایش چشمگیری می­یابد.
- دی اکسید تیتانیوم (TiO2)
دی اکسید تیتانیوم یک رنگدانه سفید است که می­توان آن را به عنوان یک روکش بازتاب کننده مطلوب استفاده نمود.
دی اکسید تیتانیوم از طریق واکنش­های فوتو­کاتالیستی قوی قادر به شکستن و تجزیه آلاینده­های آلی، ترکیبات آلی فرار[۲] و غشاهای باکتریایی است و به همین دلیل برای ایجاد خاصیت ضد عفونی کنندگی به رنگ ها، سیمان­ها و شیشه­ها اضافه می­گردد.
چنانچه از دی اکسید تیتانیوم در سطوح بیرونی سازه­ها استفاده شود، قادر است غلظت آلاینده­های موجود در هوا را کاهش دهد. دی اکسید تیتانیوم ماده­ای آب دوست است و با اضافه شدن به سطحی، موجب ایجاد خاصیت خود تمیز کنندگی در سطح می­گردد.
بتن تولید شده با این ذرات هم­اکنون در پروژه ­هایی در سر تا سر دنیا در حال استفاده است، این بتن دارای رنگ سفید و درخشندگی خاصی است که سفیدی و درخشندگی خود را به طور موثری حفظ می کند، این در حالی است که سازه­های ساخته شده با بتن معمولی فاقد چنین ویژگی هستند.
- نانو لوله­های کربنی[۳]
از جمله نانو ذرات دیگری با ویژگی­های قابل توجهی هستند که تحقیقات برای بررسی مزایای حاصل از اضافه نمودن آنها به بتن در حال انجام است. در صورت افزودن مقادیر کوچکی (در حدود یک در صد وزنی) از نانو لوله­های کربنی به نمونه­های متشکل از آب و بخش عمده­ای سیمان پرتلند، خواص مکانیکی نمونه­ها بطور قابل توجهی بهبود می­یابد. هزینه بالای افزودن نانو لوله­های کربنی به بتن، توجه به مزایای آن را تحت­الشعاع قرار داده است، لذا فعالیت­هایی در جهت کاهش قیمت نانو لوله­ها در حال انجام است که در این صورت مزایای حاصل از افزودن آنها به مواد سیمان بیشتر مورد توجه قرار خواهد گرفت.
- نانو لوله­های تک جداره
بالاترین میزان افزایش را هم در مقاومت فشاری(۲۵ نیوتن بر متر مربع) و هم در مقاومت خمشی( ۸ نیوتن بر متر مربع) نمونه­ها نشان دادند. به طور تئوری اثبات شده است که وجود مقدار زیادی نقایص ساختاری بر روی سطح نانو لوله­های چند جداره اکسید شده می ­تواند به ایجاد اتصال بهتر میان نانو ساختارها و ملات بینجامد، لذا می­توان نتیجه گرفت که از طریق ایجاد نقایصی بر روی سطح میلگردهای تقویت کننده بتن، خواص مکانیکی کامپوزیت بهبود می­یابد.
در مورد افزودن نانو لوله­ها به هر ماده­ای دو مشکل عمده وجود دارد: یکی ایجاد اتصال میان نانو لوله­ها با همدیگر و دیگری فقدان چسبندگی مناسب میان نانو لوله و شبکه ماده توده، که از دلایل این مشکل، بر هم کنش­های میان صفحات گرافیتی نانو لوله­هاست. این خاصیت، آنها را به سمت جمع شدن کنار یکدیگر به صورت دسته­ها یا طناب­هایی سوق می­دهد و گاهی اوقات امکان دارد این طناب­ها به یکدیگر گیر کرده باشند.
برای دستیابی به پراکندگی یکنواخت نانو لوله­ها درون شبکه ماده توده، باید نانو لوله­ها را از یکدیگر جدا نمود، علاوه بر این به دلیل طبیعت گرافیتی نانو لوله­ها و وجود خاصیت لغزندگی در آن­ها، امکان ایجاد چسبندگی مناسب میان نانو لوله و شبکه وجود ندارد.
در صورت استفاده از صمغ عربی به منظور از پیش پراکنده سازی نانو لوله­ها، مخصوصاَ در صورت کاربرد نانو لوله­های تک جداره، ویژگی­های مکانیکی بتن به طور قابل ملاحظه­ای افزایش می­یابد. برای تعیین مقادیر بهینه نانو لوله­های مورد مصرف و نیز شاخص­ های مؤثر در پراکنده سازی نانو لوله­ها در مخلوط، به تحقیقات بیشتری نیاز است.
- نانو ذرات هماتیت (Fe2O3)
علاوه بر افزایش استحکام بتن، پایش سطوح تنش را نیز امکان پذیر می­سازد. همچنین تحقیق در مورد اضافه نمودن نانو ذرات اکسید آهن یا هماتیت به بتن نشان داده است که این ذرات علاوه بر افزایش مقاومت بتن، پایش سطوح تنش(خستگی) بتن را از طریق اندازه ­گیری مقاومت الکتریکی برشی(مقطعی) امکان پذیر می­سازد]۵[.
۱-۵- تعریف سیال فوق بحرانی
بنا به تعریف، سیالی که فشار و دمای آن در بالاتر از نقاط بحرانی قرار گیرد، سیال فوق بحرانی نامیده می‌شود. در دمای بالاتر از دمای بحرانی، سیال نه تبخیر می­ شود و نه مایع می­گردد بلکه با افزایش فشار ویژگی­های مشابه با گاز به ویژگی­های مشابه با مایع تغییر می­ کند. در شکل(۱-۱) نمودار فازی یک ترکیب در اثر تغییرات فشار و دما نشان داده شده است. در حالت کلی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی یک سیال فوق بحرانی بین خواص مایع و گاز قرار دارد که می­توان آنها را از جهاتی گاز و از جهاتی دیگر مایع به حساب آورد. یک سیال فوق بحرانی از نظر خواص فیزیکی مانند چگالی، مشابه مایعات و از حیث خواص انتقالی مثل نفوذ­پذیری و ویسکوزیته و قابل اغماض بودن کشش سطحی، شبیه به گازها رفتار می کند.
شکل (۱-۱). مقایسه خواص فیزیکی­ـ شیمیایی مایعات، گازها و سیالات فوق بحرانی[۱۰۳]
در سیال فوق بحرانی دانسیته شبه مایع موجب افزایش قدرت حل کنندگی می­ شود. قدرت حل کنندگی سیال فوق بحرانی به شدت به دما و فشار بستگی دارد، به عنوان مثال، در فشارهای پایین قدرت حل کنندگی دی اکسیدکربن فوق بحرانی با افزایش دما به شدت کاهش می­یابد ولی در فشارهای بالا با افزایش دما افزایش می­یابد.
با توجه به برخی خواص گاز گونه و مایع گونه سیالات فوق بحرانی نظیر نفوذ­پذیری و دانسیته امکان کاربرد فرآیندهای سیالات فوق بحرانی در تولید مواد مختلف در مقیاس میکرو- نانو در صنایع مختلف فراهم شده است. یکی از سیالات فوق بحرانی دی اکسیدکربن می­باشد. دی اکسیدکربن فوق بحرانی دارای فشار بحرانی حدود ۸/۷۳ بار و دمای ۱/۳۱ درجه سانتیگراد است. به علاوه سیالی غیرسمی، غیرقابل احتراق و ارزان می­باشد. همچنین خنثی و غیر خورنده بودن، انتخاب پذیری بالا، خصوصیات خوب فیزیکی آن نظیر پایین بودن دما و فشار بحرانی، قابل دسترس بودن به مقدار زیاد با درجه خلوص بالا از جمله عواملی است که این ماده را یکی از پرکابردترین سیالات در فرایند­های فوق بحرانی کرده است.
علاوه بر این، با تغییر مناسب فشار و دما می‌توان قدرت حلالیتی آن را در دامنه وسیعی تغییر داد. به عنوان نمونه، در جدول(۱-۱) دما و فشار بحرانی بعضی از حلال­ها آورده شده است. برای کار در مقیاس صنعتی، گازهای دی اکسیدکربن، اتان و پروپان به دلیل ارزانی، سهولت دسترسی و غیر­سمی بودن مناسب­ترین حلال­ها به شمار می‌آیند. اتان و پروپان برای حل‌شونده­‌های غیرقطبی، حلال­های بهتری بوده و در صورت کاهش خطرات ناشی از انفجار، بکارگیری آنها می‌تواند به ساخت دستگاه­های ارزانتر و با هزینه عملیاتی پایین­تر منتهی گردد ولی دی ‌اکسید­کربن بدلیل مزیت­های فراوان، بیشتر مورد استفاده قرار می­گیرد.
جدول (۱-۱). دما و فشار بحرانی برای بعضی از حلال­های فوق بحرانی[۱۰۳]

 

حلال دمای بحرانی(سانتیگراد)
موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...