УЛУЧШЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА И УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК: АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАЗМЕРА ЧАСТИЦ НА ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Аннотация
В буровых работах при высоких температурах и высоком давлении эффективное управление тепловыми процессами буровых растворов имеет решающее значение для обеспечения эффективности работы, долговечности инструмента и безопасности. В данном исследовании изучается улучшение характеристик теплопередачи буровых растворов на водной основе путем включения наночастиц диоксида титана (TiO2) и углеродных нанотрубок (УНТ) с различными размерами частиц. С помощью ультразвуковой дисперсии наночастицы были равномерно распределены в базовой жидкости, и были систематически измерены ключевые тепловые свойства, включая теплопроводность, удельную теплоемкость и коэффициент конвективной теплопередачи. Экспериментальные результаты показывают, что уменьшение размера наночастиц с 76 нм до 54 нм значительно улучшает тепловые характеристики жидкости. В частности, наночастицы TiO2 повысили теплопроводность примерно на 22%, а УНТ увеличили коэффициент конвективной теплопередачи более чем на 345%. Более того, было обнаружено, что отношение h/k - критически важный показатель преобладания конвекции - экспоненциально возрастает с уменьшением размера частиц, особенно в жидкостях на основе углеродных нанотрубок, которые демонстрируют превосходное конвективное поведение. Эти результаты подчеркивают ключевую роль размера наночастиц в оптимизации механизмов теплопередачи в буровых растворах. Исследование предоставляет ценные сведения о разработке высокоэффективных наножидкостей для сложных условий бурения и способствует развитию технологий бурения с улучшенными тепловыми характеристиками.
Для цитирования:
Фарахбод Ф., Шакери А., Хоссейнимоталаг С.Н. Улучшение теплопередачи буровых растворов с использованием наночастиц диоксида титана и углеродных нанотрубок: Анализ влияния размера частиц на промышленные тепловые характеристики. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2026. Т. 69. Вып. 5. С. 131-140. DOI: 10.6060/ivkkt.20266905.6835.
Литература
Bin Dahbag M., Ateeq M., Kheirollahi Sh., Hassanzadeh H. Green solutions for heavy oil recovery: Dimethyl ether and dimethyl ether/methanol aqueous solutions. J. Molec. Liq. 2024. V. 411. P. 125719. DOI: 10.1016/j.molliq.2024.125719.
Pham Q.T., Kim T.I., Lee S.S., Chang S.H. Enhancement of critical heat flux using nano-fluids for in-vessel retention–external vessel cooling. Appl. Therm. Eng. 2012. V. 35. P. 157–165. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2011.10.017.
Zhang L., Li Ch., Zhang Y., Wang X., Yao X., Sun Y., Li F., Yang H. CO2-EOR and storage in a low-permeability oil reservoir: Optimization of CO2 balanced displacement from lab experiment to numerical simulation. Geoenergy, Sci. Eng. 2024. V. 243. P. 213325. DOI: 10.1016/j.geoen.2024.213325.
Teng T.-P., Yu C.-C. Heat dissipation performance of MWCNTs nano-coolant for vehicle. Exp. Therm. Fluid Sci. 2013. V. 49. P. 22–30. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2013.03.007.
Seidy-Esfahlan M., Tabatabaei-Nezhad S.A., Khodapanah E. Comprehensive review of enhanced oil recovery strategies for heavy oil and bitumen reservoirs in various countries: Global perspectives, challenges, and solutions. Heliyon. 2024. V. 10. P. 37826. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e37826.
Ahn H.S., Lee C., Kim J., Kim M.H. The effect of capillary wicking action of micro/nano structures on pool boil-ing critical heat flux. Int. J. Heat Mass Transf. 2012. V. 55. P. 89–92. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.08.044.
Zhao Y., Chang Ch., Ji H., Li Z. Challenges of petroleum wastewater treatment and development trends of advanced treatment technologies: A review. J. Environ. Chem. Eng. 2024. V. 12. P. 113767. DOI: 10.1016/j.jece.2024.113767.
Kabeel A.E., Abou El Maaty T., El Samadony Y. The effect of using nano-particles on corrugated plate heat ex-changer performance. Appl. Therm. Eng. 2013. V. 52. P. 221–229. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2012.11.027.
Zhao Y., Chang Ch., Ji H., Li Z. Challenges of petroleum wastewater treatment and development trends of advanced treatment technologies: A review. J. Environ. Chem. Eng. 2024. V. 12. P. 113767. DOI: 10.1016/j.jece.2024.113767.
Abraham-A Richardson M., Rocha Haline V., Oliveira Saulode B., Tassinarri Colombo C.G., Silva Orlando C. Hydrocarbon indication in Rio Bonito Formation sand-stone: Implication for CO2 storage in São Paulo, Brazil. Energy Geoscience. 2024. V. 5. P. 100168. DOI: 10.1016/j.engeos.2023.100168.
Lashari N., Hussain T., Ganat T., Kalam, Hussain Sh. K., Aslam, Ahmed S. Synergistic effect of graphene oxide and partially hydrolyzed polyacrylamide for enhanced oil recovery: Merging coreflood experimental and CFD modeling approaches. J. Molec. Liq. 2024. V. 394. P. 123733. DOI: 10.1016/j.molliq.2023.123733.
Pan Y., Qiao W., Chi D., Li Zh., Shu Y. Research of steam injection in-situ production technology to enhance unconventional oil and gas recovery: A review. J. Analyt. Appl. Pyrol. 2024. V. 177. P. 106332. DOI: 10.1016/j.jaap.2023.106332.
Wang X., Jin W., Li Y., Liu Sh., Xu J., Liu J., Li H., Long T. Treatment advances of hazardous solid wastes from oil and gas drilling and production processes. Chem. Eng. J. 2024. V. 497. P. 154182. DOI: 10.1016/j.cej.2024.154182.
Rezvani H., Binks B.P., Nguyen D. Surfactant-Nanoparticle Formulations for Enhanced Oil Recovery in Calcite-Rich Rocks. Langmuir. 2024. V. 40. P. 24989-25002. DOI: 10.1021/acs.langmuir.4c03100.
Ghalenavi H., Hemmati Sarapardeh A., Schaffie M., Norouzi-Apourvari S. Application of synthesized Fe3O4@Gelatin nanoparticles on interfacial properties and enhanced oil recovery. Sci. Rep. 2025. V. 15. P. 2558. DOI: 10.1038/s41598-024-84953-5.
Khajeh Kulaki A., Hosseini-Nasab S.M., Hormozi F. Low-salinity water flooding by a novel hybrid of nano γ-Al2O3/SiO2 modified with a green surfactant for enhanced oil recovery. Sci. Rep. 2024. V. 14. P. 14033. DOI: 10.1038/s41598-024-64171-9.
Sun Y., Zhang W., Li J., Han R., Lu C. Mechanism and Performance Analysis of Nanoparticle-Polymer Fluid for Enhanced Oil Recovery: A Review. Molecules. 2023. V. 25. N 11. P. 4331. DOI: 10.3390/molecules28114331.
Wang B., Wang S., Yan H., Bai Y., She Y., Zhang F. Synthesis and Enhanced Oil Recovery Potential of the Bio-Nano-Oil Displacement System. ACS Omega. 2023. V. 5. N 19. P. 17122-17133. DOI: 10.1021/acsomega.3c01447.
Lee B.K., Yun Y., Park K. PLA micro- and nano-particles. Adv. Drug Deliv. Rev. 2016. V. 107. P. 176–191. DOI: 10.1016/j.addr.2016.05.020.
Esfanjani A.F., Jafari S.M. Biopolymer nano-particles and natural nano-carriers for nano-encapsulation of phe-nolic compounds. Colloids Surf. B Biointerfaces. 2016. V. 146. P. 532–543. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2016.06.053.
