Investigation of the Rheology, Filtration Loss, and H2S Scavenging Performance of Zeolitic-Imidazole Framework-67 (ZIF-67) and Layered Metal Hydroxide (LTH) Nanomaterials for Oilfield Drilling Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS_thesis_g202110410_corrected.pdf Restricted to Repository staff only until 31 December 2024. Download (8MB)

Arabic Abstract

تعتبر الخصائص الريولوجية وفقدان السوائل لسوائل الحفر حاسمة لنجاح أي عملية حفر في حقول النفط. من بين المواد المضافة المستخدمة للتحكم في هذه الخصائص ، تظهر الجسيمات النانوية وعدا كبيرا للاستخدام في تركيبات سوائل الحفر. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام الجسيمات النانوية للبحث عن الآثار الضارة ل hydrogen sulfide (H2S) والتخفيف من حدتها ، والتي تتم مواجهتها عادة أثناء عمليات حفر حقول النفط. في هذا الصدد ، يزداد الطلب على إضافات النانو ذات التقارب العالي ل H2S. في هذا العمل ، تم تصنيع zeolitic-imidazole framework-67 (ZIF-67) ، CuMgFe-layered triple hydroxide (LTH) ، ومركباتها النانوية واستخدامها كإضافات نانوية لصياغة WBMs. تم تمييز التبلور والمجموعات الوظيفية والخصائص التركيبية والاستقرار الحراري للجسيمات النانوية البكر المركبة ومركباتها النانوية باستخدام تقنيات XRD و FTIR و BET و TGA ، على التوالي. بناء على النتائج التي تم الحصول عليها ، فإن إدراج الإضافات النانوية في سوائل الحفر عزز بشكل كبير أداء كسح H2S عند قياسه بتركيبة WBM الأساسية. كانت أوقات الاختراق والتشبع لسائل الحفر الأساسي 34.5 و 325 min ، على التوالي ، المقابلة ل 52.3 و 294.6 mg H2S / L. ومع ذلك ، فإن كميات H2S التي تم كسبها بواسطة سوائل الحفر التي تحتوي على ZIF-67 و CuMgFe-LTH و CuMgFe-LTH / ZIF-67 في وقت الاختراق كانت 117.2 و 216.3 و 140.8 mg / g على التوالي. عند التشبع ، وصلت كميات H2S التي تم كسبها بواسطة nano-WBMs المذكورة أعلاه إلى 163.6 و 268.0 و 184.8 mg / g على التوالي. بالإضافة إلى ذلك ، حسنت الإضافات النانوية اللزوجة ونقاط الخضوع وقوة الهلام في قاعدة WBM. ومن المثير للاهتمام ، أن جميع nano-WBMs أظهرت خصائص فقدان ترشيح مقبولة وسلوك غير نيوتوني مرغوب فيه (أي اللدونة الزائفة) مثل قاعدة WBM ، مما يؤكد أن إضافتها إلى التركيبة لم تؤثر سلبا على ريولوجيا الطين. علاوة على ذلك ، كشفت النمذجة الريولوجية أن نموذج Herschel-Bulkley يصف بشكل أفضل ريولوجيا جميع سوائل الحفر. توضح النتائج في هذا العمل أن المواد النانوية البكر المركبة ومركباتها النانوية واعدة وفعالة ومناسبة لإزالة H2S وتحسين ريولوجيا سوائل الحفر المائية

English Abstract

The rheological and fluid loss properties of drilling fluids are crucial to the success of any oilfield drilling operation. Among the additives that are used to control these properties, nanoparticles are showing great promise for use in drilling fluid formulations. Additionally, nanoparticles can be used to scavenge and mitigate the noxious effects of hydrogen sulfide (H2S), which is usually encountered during oilfield drilling operations. In this regard, nano-additives with high affinity for H2S are in increasing demand. In this work, zeolitic imidazolate framework-67 (ZIF-67), CuMgFe-layered triple hydroxide (LTH), and their nanocomposites were synthesized and utilized as nano-additives to formulate water-based drilling fluids (WBMs). The crystallinity, functional groups, textural properties, and thermal stability of the synthesized pristine nanoparticles and their nanocomposites were characterized using XRD, FTIR, BET, and TGA techniques, respectively. Based on the results obtained, the inclusion of the nano-additives into the drilling fluids significantly boosted the H2S scavenging performance when benchmarked with the base WBM formulation. The breakthrough and saturation times of the base drilling fluid were 34.5 and 325 min, respectively, corresponding to 52.3 and 294.6 mg H2S/L mud. However, the amounts of H2S scavenged by the drilling fluids containing ZIF-67, CuMgFe-LTH, and CuMgFe-LTH/ZIF-67 at the breakthrough time were 117.2, 216.3, and 140.8 mg/g, respectively. At saturation, the amounts of H2S scavenged by the above nano-WBMs reached 163.6, 268.0, and 184.8 mg/g, respectively. Additionally, the nano-additives improved the viscosity, yield points, and gel strengths of the base WBM. Interestingly, all the nano-WBMs exhibited acceptable filtration loss properties and desirable non-Newtonian behavior (i.e., pseudo-plasticity) as the base-WBM, which confirms that their addition to the formulation did not adversely affect the mud rheology. Further, rheological modelling revealed that the Herschel-Bulkley model best describes the rheology of all drilling fluids. The findings in this work demonstrate that the synthesized pristine nanomaterials and their nanocomposites are promising, effective, and suitable for the removal of H2S and improving the rheology of aqueous drilling fluids.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering Petroleum
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Ahmed Onaizi, Sagheer
Committee Members:	Malaibari, Zuhair Omar and Abo-Ghander, Nabeel Salem M.
Depositing User:	MUSTAPHA IDDRISU (g202110410)
Date Deposited:	03 Jan 2024 07:13
Last Modified:	03 Jan 2024 07:13
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142712