Оптимизация реологии бурового раствора с гибридными наночастицами нитрида бора и графеновых нанопластинок: экспериментальное исследование

Почему буровой раствор важен в повседневной жизни

Современная жизнь зависит от нефти и газа, добываемых в глубоких недрах. Чтобы добраться до этих скрытых резервуаров, инженеры бурят скважины длиной в несколько километров через горячие породы под высоким давлением. Бурение опирается на специальный «раствор», который охлаждает долото, поднимает обломки породы на поверхность и защищает стенки скважины от обрушения. Когда этот раствор разжижается при высокой температуре, он может перестать выполнять все эти функции, что ведёт к потерям времени и денег. В этом исследовании изучается, как крошечные добавки — наночастицы — могут сделать буровой раствор более густым и надёжным в горячих скважинах.

Маленькие помощники в суровой среде

Традиционные маслосодержащие буровые растворы уже обладают хорошей термостойкостью и смазывающими свойствами, поэтому их предпочитают в сложных скважинах. Но по мере нагрева раствор склонен разжижаться, как масло на сковороде. Это усложняет подъём измельчённой породы на поверхность и поддержание устойчивости стенок. Авторы обратились к нанотехнологиям, добавив в раствор ультра-мелкие твёрдые частицы. Поскольку эти частицы имеют размер лишь в десятки нанометров, у них огромная площадь поверхности и сильные взаимодействия с окружающей жидкостью, что меняет её текучесть без существенного изменения удельного веса.

Что дают графен и нитрид бора

Исследователи сосредоточились на двух материалах, которые на наноуровне напоминают стопки очень тонких карточек: графен, состоящий из чистого углерода, и гексагональный нитрид бора, часто называемый «белым графеном» из‑за аналогичной листовой структуры. Листы графена гибкие, сморщенные и по размеру велики по сравнению с большинством наночастиц, что даёт им большую поверхность и способность образовывать паутиноподобную сеть в жидкости. Частицы нитрида бора представляют собой более мелкие и жёсткие пластинки, склонные к агрегации и действующие как крошечные распорки или балки. Микроскопические изображения подтвердили эти формы, а отдельные тесты показали, что оба типа частиц хорошо диспергируются в маслосодержащем растворе — ключевое требование для предсказуемого поведения в скважине.

Как раствор меняется с добавлением наночастиц

Сначала исследователи измерили поведение базового раствора при нагреве от 140 до 240 °F. Как и ожидалось, его вязкость резко падала при более высоких температурах. При добавлении только графеновых нанопластинок раствор становился значительно гуще во всём диапазоне температур: кажущаяся вязкость повышалась примерно до 90%, а связанная величина — пластическая вязкость — более чем удваивалась при некоторых концентрациях. Важно, что плотность раствора не увеличивалась, поэтому его можно было использовать без изменения конструкции скважины. Сеть из графеновых листов противостояла обычному разжижению при нагреве, помогая раствору сохранять прочность в более горячих участках скважины.

Неожиданный поворот от гибридной смеси

Самое интересное поведение наблюдалось у растворов с гибридной смесью графена и нитрида бора в соотношении 50–50. При низких дозах такой гибрид немного разжижал раствор по сравнению с базой, вероятно потому, что жёсткие пластинки нитрида бора нарушали начальную графеновую сеть. Но при увеличении содержания эффект менялся. Два типа частиц начали работать совместно, формируя более прочный внутренний каркас. При наивысшей протестированной концентрации гибридный раствор показал рост кажущейся вязкости до примерно 164% и увеличение пластической вязкости около 71% при самой высокой температуре. Эти изменения были значительно больше, чем мог обеспечить каждый материал по отдельности, и сохранялись при нагреве раствора.

Что это значит для бурения в сложных скважинах

Для неспециалистов вывод прост: тщательный подбор и смешение наномасштабных твёрдых частиц позволяет инженерам тонко настраивать поведение бурового раствора при нагреве, не увеличивая его плотность. В этом исследовании графен сам по себе стабильно делал раствор гуще и устойчивее, тогда как гибрид графена и нитрида бора дал настраиваемую систему, которая сначала немного смягчала, а при росте концентрации резко упрочняла раствор. В реальных скважинах такие растворы могли бы эффективнее уносить шлам, снижать трение труб и сокращать дорогостоящие простои, особенно в глубоких или наклонных скважинах, где тепло и расстояние создают проблемы для традиционных растворов. Авторы предлагают применять более высокие дозы гибридов в самых горячих зонах скважины и меньшие в прохладных участках, а также отмечают, что дальнейшие исследования должны проверить эти составы при ещё более экстремальных давлениях и изучить их экологические последствия.

Цитирование: Pourrajab, R., Behbahani, M. & Moosavi, S.N. Optimizing drilling fluid rheology with hybrid nanoparticles boron nitride and graphene nanosheets: an experimental study. Sci Rep 16, 15658 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46779-1

Ключевые слова: буровые растворы, наночастицы, графен, нитрид бора, реология