[کاربردهای فناوری نانو] - کاربرد نانوفناوری در ازدیاد برداشت نفت و گاز

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 4, 2013

• #1

امروزه و در جهان کنونی،‌ نفت و گاز بعنوان حیاتی ترین نیاز سوختی جوامع انسانی به شمار می آیند. حال آنکه با در نظر گرفتن محدودیت منابع نفتی و گازی در جهان و نیز توانائی محدود بشر در اکتشاف، تولید و بهره برداری از منابع هیدروکربوری، نیاز به توسعه فناوری های جدید در جهت توسعه علمی و عملی ازدیاد برداشت (Enhanced Oil Recovery یا EOR) احساس می شود. در این میان، فناوری جدید و منحصر به فرد نانو این ظرفیت و پتانسیل را دارد که تغییرات چشم گیری را در حوزه های متنوع نفت و گاز ایجاد نماید. در این مقاله تاثیرات و عملکرد فناوری نانو بر روی عملیات ازدیاد برداشت از مخازن نفت و گاز در چهار بخش اصلی: استفاده از نانوسیال ها، نانوذرات، نانوسورفکتانت ها و هیدروژل های نانوکامپوزیتی و کارآئی استفاده از فناوری نانو در هر زمینه مورد بررسی قرار گرفته است.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 4, 2013

• #2

1- مقدمه
مطابق پیش بینی های به عمل آمده، افزایش تقاضای جهانی برای انرژی همچنان ادامه خواهد داشت و اگر چه استفاده از انرژی های جایگزین مانند انرژی های هسته ای و انرژی های تجدید پذیر در سال های آتی افزایش می یابد،‌ ولی این افزایش در مقایسه با انرژی های فسیلی کم بوده و نقش اصلی منابع انرژی تجدید پذیر حداقل تا دو دهه آینده نقش تکمیلی و حامی خواهد بود. با درک این واقعیت که میزان تقاضا انرژی جهانی در سال های آتی به بالاترین میزان خود خواهد رسید، نیاز به ایجاد یک تحول علمی و عملی در هسته اصلی علوم مهندسی نفت و گاز، جهت افزایش میزان بهره وری بیش از پیش احساس می شود. در این میان، علم نانو بعنوان علمی که هدف آن بازنگری در ساختار تولیدی مواد و بهینه کردن فرآیند تولید و بهره برداری از آنهاست، این پتانسیل را دارد که انقلابی عظیم در تمامی فناوری های حال حاضر بشری از جمله بهره برداری از منابع هیدروکربوری ایجاد نموده و با استفاده از قابلیت های گسترده خود فناوری هائی پر بازده تر و سالم تر نسبت به آنچه امروزه شاهد هستیم، معرفی نماید. بصورت کلی علم نانو از طریق کنترل ساختار ماده در ابعاد اتمی و ایجاد ساختار بهینه برای مواد، سبب بهبود بسیاری از خواص مانند سطح مفید، استحکام، صرفه جوئی در میزان ماده مصرفی و غیره می گردد. در صنعت نفت و گاز نیز از آنجا که قدرت، پایداری و ابعاد تجهیزات مورد استفاده از اهمیت به سزائی برخوردار است می توان با استفاده از فناوری نانو به تحولات چشمگیری دست یافت. چنانچه در یکی از مقالاتی که به تازگی چاپ شده به این نکته اشاره شده است که انتظار می رود با کمک فناوری نانو ضریب برداشت جهانی نفت و گاز تا حدود 10% افزایش پیدا کند [1]. به منظور پاسخگوئی به روند رشد روز افزون تقاضای جهانی جهت تامین منابع نفت و گاز، یا باید منابع جدید هیدروکربنی کشف شده و مورد بهره برداری قرار گیرند و یا با استفاده از فناوری های گوناگون، نفت و گاز در جا و بدون استفاده درون مخزن تحت فرآیند های ازدیاد برداشت مورد بهره برداری قرار گیرد. در این حال و با توجه به شرایط سخت اکتشاف و نیز صیانت از منابع هیدروکربوری موجود، استفاده از روش دوم منطقی تر و اصولی تر می باشد. امروزه فناوری نانو در زمینه ازدیاد برداشت از مخازن نفتی و گازی، پیشرفت های اساسی را ایجاد نموده است. برای مثال استفاده از سیالات هوشمند یا نانوسیالات که سبب تغییر در خاصیت ترشوندگی سنگ مخزن شده و نیروی کششی دراگ و اتصال دهنده ها را در جهت پیوستگی شن کاهش می دهند و یا استفاده از نانو مواد فعال سطحی (Surfactants) که سبب افزایش میزان برداشت از مخازن به نسبت کاملا کنترل شده می گردد.

2- مراحل بهره وری و تولید از مخازن هیدروکربوری
مطابق شکل 1 سیال هیدروکربوری در داخل مخزن ذخیره شده و نیازمند بکارگیری روش های مختلف جهت برداشت می باشد.

شکل 1- ذخیره شدن نفت و گاز درون مخزن [2]​

مطابق شکل 2 به منظور استخراج سیال از درون مخزن مراحل و روش های متفاوتی وجود دارد.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 4, 2013

• #3

در مرحله بازیافت اولیه (Primary Recovery)، سیال با فشار طبیعی و یا با استفاده از فرازآوری مصنوعی (Artificial Lift)، از درون مخزن خارج می شود. طبیعتا فشار طبیعی درون مخزن پس از مدتی دچار کاهش می شود و یا از همان ابتدا نیاز به عملیات کمکی جهت بیرون راندن سیال دارد که در این مرحله با استفاده از تزریق گاز به کلاهک بالائی و یا تزریق آب به سفره زیرزمینی، میزان برداشت از مخزن افزایش می یابد. اما چنانچه افت فشار مخزن در اثر مدت طولانی بهره برداری محسوس بوده و سیال بصورت درجا و راکد مانده باشد، نیاز است تا از روش های موسوم به ازدیاد برداشت نفت یا همان EOR استفاده گردد. در این حالت روش های ازدیاد برداشتی که از نظر تجاری موفق بوده اند، در حالت کلی به سه دسته تقسیم می شوند که در هر دسته، می توان از روش های مختلفی استفاده نمود.

شکل 2- مراحل تولید و بهره برداری از مخزن [EOR] و [3]​

2-1- روش های کلی ازدیاد برداشت [1]
2-1-1- ازدیاد برداشت حرارتی
این روش شامل اعمال حرارت به مخزن توسط تزریق انواع بخار، آب داغ، روش الکترومغناطیس و غیره می باشد و سبب کاهش ویسکوزیته نفت سنگین و خروج آن از مخزن می گردد.

2-1-2- ازدیاد برداشت با استفاده از تزریق گاز
در این روش با استفاده از تزریق گازهای نامحلول مانند گاز طبیعی، دی اکسید کربن و نیتروژن که در مخزن منبسط شده و باعث حرکت سیال به دهانه چاه می گردند و نیز با استفاده از تزریق گازهای محلول در نفت که سبب کاهش ویسکوزیته آن می گردند، سبب افزایش ازدیاد برداشت از چاه می شوند.

2-1-3- ازدیاد برداشت با استفاده از تزریق مواد شیمیائی
در این روش که به(CEOR=Chemically Enhanced Oil Recovery) نیز شهرت دارد،‌ با استفاده از تزریق مواد و ترکیبات شیمیائی سعی می شود تا میزان برداشت از مخازن افزایش یابد. از آنجائیکه علم نانو توانائی بهبود بخشیدن به خواص ماده و ایجاد ترکیبات نوین شیمیائی را دارا می باشد، تاثیرات چشمگیرآن را می توان در CEOR مشاهده نمود.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 4, 2013

• #4

2-2- ازدیاد برداشت با استفاده از نانومواد
در این حالت بصورت کلی استفاده از نانوسیالات، نانوذرات، نانوسورفکتانت ها و هیدروژل های نانوکامپوزیتی سبب بهبود فرآیند بهره وری از چاه می گردد.

2-2-1- ازدیاد برداشت با استفاده از نانوسیالات
امروزه نسل جدیدی از سیالات مورد توجه محققین در صنایع نفت و گاز قرار گرفته اند که نانوسیالات و یا سیالات هوشمند نام دارند و از افزودن نانوذرات با غلظت های حجمی کم به سیالات به منظور افزایش و بهبود خواص آنها بدست می آید. از مهمترین خواص نانوسیالات می توان به این امر اشاره نمود که خواص آنها شدیدا تابع ابعاد نانوذرات موجود در آنهاست [4]. چنین سیالات هوشمندی می توانند با تغییر ترشوندگی، کاهش نیروی کششی و نیز استحکام ماسه، فرآیند ازدیاد برداشت از مخازن را بهبود دهند. برای مثال Soleimanov و همکارانش [4] توانستند نشان دهند که استفاده از نانوذرات باعث افزایش خواص رئولوژیکی و نیز افزایش تاثیر محلول سورفکتانت در پروسه برداشت نفت شده و در وهله اول موجب ایجاد تغییر در ضریب کشش سطحی مخلوط نفت و سورفکتانت می گردد.

2-2-2- ازدیاد برداشت با استفاده از نانوذرات
از جمله کاربردهای مهم نانوذرات در این زمینه می توان به استفاده از نانو مواد جهت تسهیل جدایش نفت وگاز در داخل مخزن و استفاده از نانوردیاب ها در داخل سنگ مخزن اشاره نمود. این نانو ذرات هنگامی که با سنگهای حاوی نفت خام تماس پیدا می کنند، محموله های خود را رها کرده و باعث بازیافت نفت خام می شوند.
شرکت نانوتکنولوژی "جی پی"در هنگ‌کنگ یکی از پیشگامان توسعه کربید سیلیکون، یک پودر سرامیکی در ابعاد نانو می‌باشد. با استفاده از این پودرها می‌توان مواد بسیار سختی تولید نمود. این مخلوط آسیب‌های وارده به دیواره مخزن در چاه را حذف نموده و قابلیت استخراج نفت را افزایش می‌بخشد. همچنین طبق مطالعات انجام شده، یکی از کاربردهای اساسی نانوذرات، تغییر دادن میزان ترشوندگی (Wettability) سنگ مخزن می باشد. ترشوندگی یک سیستم سیال- سنگ مخزن به صورت توانایی پخش شدن یک سیال بر روی سطح سنگ در حضور سیال دیگر تعریف می شود. ترشوندگی نه تنها تعیین کننده توزیع اولیه سیال است بلکه یک فاکتور اصلی در نحوه ی جریان سیال در مخزن می باشد و نقش مهمی در تولید نفت و گاز دارد. در حالت کلی سنگ مخزن آب دوست نسبت به نفت دوست ارجحیت دارد. زیرا در صورت نفت دوست بون سنگ مخزن، نفت تمایل دارد که به آن بچسبد و میزان تولید کاهش یابد. زمانیکه چاه مورد بهره برداری قرار می گیرد در اثر صدماتی که به سازند وارد می شود ممکن است سنگ مخزن حالت نفت دوست پیدا کند که در این حالت با استفاده از نانوذرات می توان به خوبی ترشوندگی سنگ مخزن را اصلاح نمود. به این منظور اثر نانوسیالات بر روی ترشوندگی سنگ کربناته به عنوان یکی از عوامل اصلی در ازدیاد برداشت در مطالعات مورد بررسی قرار گرفته و از نانوذرات ZrO2، TiO2 ، CaCO3 و SiO2 در این راستا استفاده می شود [5]. همچنین Ju و همکارانش توانستند نشان دهند که استفاده از نانوذرات پلی سیلیکون می تواند سنگ مخزن را از حالت نفت دوست به آبدوست تغییر دهد. طبق تصاویر میکروسکوپ الکترون عبوری، نانوذرات پلی سیلیکون بر روی دیواره حفرات مشاهده شدند [6].

2-2-3- ازدیاد برداشت با استفاده از نانوسورفکتانت ها
مواد فعال سطحی یا همان سورفکتانت در سال 1950 از واژه surface active agent به معنای فعال کننده سطحی استخراج شده و به موادی اطلاق می شود که سبب کاهش کشش سطحی می شوند. این مواد را میتوان بر اساس ساختار و روش تولید به انواع سورفکتانتهای زیستی (بیوسورفکتانت)، سورفکتانت با ابعاد نانو (نانوسورفکتانت) و سورفکتانتهای پلیمری تقسیم بندی نمود. در حقیقت زمانی که این مواد در حلال حل می شوند، ساختارهائی با ابعاد نانو تا میکرومتری پدید می آورند. این مواد اغلب از یک سر (head) آبدوست و یک دم (tail) آبگریز تشکیل شده اند و بر اساس خاصیت دم خود به دسته های: غیر یونی (nonionic) یا بدون بار، آنیونی (anionic) یا دارای بار منفی، کاتیونی (cationic) یا دارای بار مثبت و آمفوتریک (amphoteric) که هم بار مثبت و هم بار منفی دارد، تقسیم بندی می شوند.

شکل3- انواع سورفکتانت بر اساس نوع دم [7]​

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 4, 2013

• #5

اگر سورفکتانت شامل یک زنجیره هیدروکربن با کمتر از دروازه اتم کربن باشد، حلال در آب نامیده می‌شود. به این دلیل که سرگروه‌های قطب مغناطیسی تمام مولکول را در آب می‌کشند. به هر حال، وقتی که طول زنجیره هیدروکربن بزرگتر از چهارده اتم کربن است این ترکیبها سورفکتانت غیر حلال در آب نامیده می‌شوند. به این دلیل که آنها در آب به دلیل دارا بودن زنجیره بلند هیدروکربن حل نمی‌شوند. زمانی که ابعاد مواد اشاره شده در محدوده کمتر از 100 نانومتر قرار می گیرد، به آنها نانوسورفکتانت اطلاق می شود. طبق بررسی های انجام شده توسط محققان، فعالیت مواد با اندازه آنها و نیز میزان سطح فعال آنها رابطه دارد. این پدیده می تواند بیانگر این امر باشد که خواص سورفکتانت ها (که همان فعالیت های سطحی آنها می باشد) نیز با کاهش ابعاد به گونه بسیار چشمگیری افزایش می یابد. در حالت عادی می توان گفت که پوشاندن یک سطح با سورفکتانت های کلاسیک، نسبت به نانوسورفکتانت ها حدود 100 برابر ماده بیشتری می طلبد! همچنین خودآرائی مولکو ل ها در نانوسورفکتانت ها به گونه بسیار بهتری صورت می پذیرد. یکی از مهمترین خواص سورفکتانت ها، ‌محو امولسیون ها یعنی قطرات و حباب های کوچکی است که از یک مایع در مایع دیگر تشکیل می شود. برای مثال زمانیکه از عملیات سیلاب زنی با سورفکتانت و پلیمر در مخازن استفاده می شود،‌ امولوسیون های آب- روغن شکل می گیرند که برای جداسازی آنها مجددا از انواع سورفکتانت ها استفاده می گردد [8]. هدف اولیه از استفاده از سورفکتانت ها در ازدیاد برداشت از مخازن،‌کاهش کشش سطحی، تصحیح تر شوندگی سنگ مخزن و کاهش ویسکوزیته نفت می باشد. با اینحال بسیاری از این مواد در فواصل ابتدائی سازند جذب شده و یا تاثیر معکوسی بر ترشوندگی دارند. بنابراین سبب کاهش تاثیر آنها در پائین آوردن فشار موئینگی می گردد. در حالیکه هدف، کاهش فشار موئینگی و افزایش تراوائی سازند در ازدیاد برداشت می باشد. تحقیقات نشان می دهند که نانوسورفکتانت ها سبب کاهش فشار موئینگی در ناحیه شکست مخزن شده و جریان یافتن سیال مخزن را در این ناحیه بهبود می بخشند. زیرا زمانیکه ابعاد این مواد در محدوده نانومتری قرار می گیرد، توانائی آنها برای نفوذ به درون حفرات سازند و نیز سطح فعال آنها افزایش چشمگیری می یابد [9].

2-2-4- ازدیاد برداشت با استفاده از هیدروژل های نانوکامپوزیتی
طبق مطالعات چنانچه مقدار تولید آب همراه نفت به دلیل شکاف طبیعی مخزن یا افزایش تزریق آب برای ازدیاد برداشت، افزایش یابد و چاه به مرحله آب دهی برسد در این صورت، تأسیسات روزمینی (سطح الارضی) قادر به جداسازی آب از نفت نخواهد بود. لذا باید پس از شناسایی منشأ شکاف ها، از ژل ها یا روش‌های دیگر برای مدیریت آب مخزن استفاده شود. در این روش، ترک ها (شکاف ها) و سطح مخروطی آب مخزن با استفاده از ژل پوشیده شده و در نتیجه از افزایش و بالا آمدن بیش از اندازه آب در مخازن جلوگیری می شود. در حقیقت هیدروژل ها، پلیمرهای سه بعدی آبدوستی هستند که در تماس با آب متورم شده ولی حل نمی شوند. امروزه از انواع این مواد که در فرآیند ازدیاد برداشت استفاده می شود می توان به ژل های نانوکامپوزیتی با پایه پلی اکریل آمید (Polyacrylamide-based nanocomposite gels) اشاره نمود. امروزه در جهت افزایش مقاومت شبکه ژل های پلیمری، از هیدروژل های نانوکامپوزیتی استفاده می گردد که به اختصار به آنها NC gels اطلاق می شود. این ژل ها تمایل زیادی به جذب آب دارند در حالیکه مقاومت مکانیکی و پایداری حرارتی بالائی نیز از خود نشان می دهند. در حقیقت نانوکامپوزیت های پلیمری نسل جدیدی از مواد هستند که حاوی یک زمینه (ماتریس) پلیمری و درصد کمی (کمتر از ۱۰ درصد وزنی) از یک تقویت کننده نانومتری می باشند که با یک روش مناسب با هم آمیخته شده اند. ذرات نانو به علت داشتن ابعاد بسیار کوچک و سطح تماس بسیار بالا در میزان بارگذاری (Loading) متری باعث بهبود خواص مورد نظر گردیده و مسائل مربوط به تقویت کننده های رایج، نظیر افزایش وزن، نقایص سطحی و مشکلات فرآیندپذیری در آنها کمتر دیده می شود. این سیستم‌های ژل شونده شامل یک پلیمر محلول در آب و یک یا چند عامل اصلی اتصال عرضی هستند، همچنین این نوع پلیمرها به دلیل ویسکوزیته مشابه آب با پمپ های معمولی قابل تزریق به مخازن هستند، این مواد با رسیدن به محل مورد نظر به یک توده سفت تبدیل می‌شوند و نقش خود را به عنوان عامل تغییر دهنده مسیر یا مسدود کننده ایفا می‌کنند. در این روش به علت تشابه ویسکوزیته آب و ژل‌های پلیمری هزینه تزریق به چاه بسیار کمتر از سایر روش‌ها است، همچنین عمق نفوذ این نوع ژل‌ها به علت تشابه ساختاری با آب بسیار بیشتر از سیمان است؛ از سوی دیگر استحکام و ماندگاری این نوع ژل‌ها در قیاس با ژل‌های معمولی و در شرایط مشابه بیش از ده برابر است. همچنین باید توجه داشت که این نوع ژل ها دائمی نیستند و در صورت تزریق اشتباه، می‌توان با عامل شیمیایی دیگر اثر آنها را خنثی کرد [10 و 11].


بحث و نتیجه گیری:
در این مقاله کاربرد ها و نقش نانو فناوری در زمینه ازدیاد برداشت از مخازن هیدروکربوری مرور شده است. در ابتدا به اختصار روش های مرسوم تولید و استخراج و نیز ازدیاد برداشت مورد بررسی قرار گرفت و در هر زمینه نیز جنبه های بهبود هر روش توسط فناوری نانو شرح داده شد. این امر بدان معنی است که مشکلات موجود در صنایع، به ویژه صنعت نفت را می توان با استفاده از فناوری نانو -که نگرشی نوین در چینش و ساختار ماده می باشد و سبب بهبود خواص آن می گردد- تا حدود زیادی مرتفع نمود. همانگونه که با اشاره به منابع معتبر در متن ذکر شد، نتایج آزمایش های انجام شده توسط محققان نشان می دهد که در بخش ازدیاد برداشت، می توان با استفاده از نانوذرات، نانوسیالات، نانوسورفکتانت ها و هیدروژل های نانوکامپوزیتی، میزان برداشت سیال درجا در مخازن را تا حد زیادی بهبود بخشید.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد

مدیر تالار

• Aug 4, 2013

• #6

منابـــــع :

• 1. سید رامین موسوی، "کاربرد فناوری های میکرو و نانو در صنعت نفت و گاز"، ماهنامه فناوری نانو، شماره 162، صفحه 24-18، ( سال 1390).
  [*=left]2. http://sec4chemistry-pehyk.wiki.hci.edu.sg/Fuel
  [*=left]3. Green, D. and P. Willhite. “Enhanced Oil Recovery”, 1st edition, SPE Pub., (1998).
  [*=left]4. Suleimanov, B.A., Ismailov, F.S., Veliyev, E.F. “Nanofluid for enhanced oil recovery”, Journal of Petroleum Science and Engineering, Vol.78, pp. 431–437, (2011).
• 5. علی کریمی، " تزریق نانوسیالات به عنوان شیوه جدید ازدیاد برداشت نفت". پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه تهران، (1389).
  [*=left]6. Ju, B., Fan, T., Ma, M. “Enhanced oil recovery by flooding with hydrophilic nanoparticles”, China Particuology, Vol. 4, pp. 41-46, (2006).
  [*=left]7. http://en.wikipedia.org/wiki/Surfactant
  [*=left]8. Jamaloei, B.Y., “Insight into the Chemistry of Surfactant-Based Enhanced Oil Recovery Processes”, Recent Patents on Chemical Engineering, Vol.2, pp.1-10, (2009).
  [*=left]9. Izotov, V.G. and Sitdikova, L.M. “ Nanomineral systems of oil reservoirs and their role in the development process”, Georesources international journal of science, Vol.1, pp.11-12, (2008).
  [*=left]10. Tongwa, P., Nygaard, R., Bai, B. “Evaluation of a Nanocomposite Hydrogel for Water Shut-Off in Enhanced Oil Recovery Applications: Design, Synthesis, and Characterization”, J. APPL. POLYM. SCI., DOI: 10.1002/APP.38258 (2012).
  [*=left]11. Zolfaghari, R., Katbab, A.A., Nabavizadeh, J., Tabasi, R.Y., Nejad, M.H., “Preparation and Characterization of Nanocomposite Hydrogels Based on Polyacrylamide for Enhanced Oil Recovery Applications”, J. APPL. POLYM. SCI., Vol. 100, pp. 2096–2103, (2006).

​