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

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
طبق بررسی های محققان در پنجاه سال آینده میزان تقاضای جهانی انرژی دو برابر خواهد شد. بنابراین نیاز به استفاده از تکنولوژی های جدید و نوعی بازنگری در نوع تولید و مصرف منابع انرژی به شدت احساس می شود. در این میان علم نانوفناوری با نگرشی جدید که در ساختار و چینش مواد بوجود آورده، روش های بسیار مناسبی را در جهت استفاده از فرآیندهای مختلف در حوزه انرژی ایجاد کرده است. در حقیقت نانوفناوری می تواند با کمک به یافتن منابع هیدروکربوری بصورت دقیق تر و با جزئیات بیشتر به خصوص در فواصل عمیق تر و نیز‌ اندازه گیری ابعاد مخزن با استفاده از روش های لرزه نگاری و مغناطیسی پیشرفته،‌ نقش عمده ای را در بهبود فرآیند بهره برداری و تولید سیال از چاه ایفا کند. دراین مقاله به بررسی تاثیرات نانوفناوری در عملیات اکتشاف مخازن نفتی و گازی پرداخته شده و مزایای آن در مقابل روش های سنتی ارائه خواهد شد.


 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
1-مقدمه
در بخش بالا دستی نفت اولین مرحله برای دست یابی به نفت و بهره برداری از آن، اکتشاف مخازن است. با بدست آوردن مجموعه ای از اطلاعات از لایه‌های مختلف زمین با استفاده از روشهای زمین شناسی، ژئوفیزیکی و ژئوشیمی، محل و کیفیت نفت خام یا گاز کشف می‌شود و بدین ترتیب با تشخیص محل صحیح نفت و گاز موجود در اعماق زمین می‌توان به حفاری و استخراج این مواد اقدام کرد. در حقیقت ابتدا با توجه به مطالعات سطحی و صحرایی محیط، مجموعه ای از اطلاعات اولیه بدست می آید و اولویت های سایر روش های اکتشافی مشخص می شود. این روش ها شامل روش های سطحی، ثقل سنجی و مغناطیسی سنجی، لرزه نگاری، ژئوشیمی آلی و حفر چاه های اکتشافی می باشد [1].

1-1-روش های سطحی [1]
گاه مطالعه برخی از نشانه ها در سطح زمین می تواند راهنمای ما برای کشف مخازن احتمالی باشد. بخشی از لایه هایی که هزاران متر زیر زمین هستند، ممکن است در اثر عوامل مختلفی به سطح زمین رسیده باشد و ما آن بخش از لایه را که برونزد(outcrop) آن نامیده می شود، مشاهده کنیم. ابتدایی ترین کار در اکتشاف مخازن نفت این است که با مطالعه برونزدها (outcrops) و نشانه های سطحی، اطلاعاتی در مورد سازندهای نفت بدست آورد و یا با مطالعه ساختارهای زیرزمینی که آثار آن ها در روی زمین قابل مشاهده و بررسی است، تا حدودی به وجود تله های نفتی پی برد و همچنین اگر در سطح، چشمه های نفتی(oil spring) وجود داشت با مطالعه آن ها به سنگ منشأ(source rock) آن پی برد و از این طریق مخازن احتمالی را شناسایی کرد.

1-2-روش های ثقل سنجی و مغناطیسی سنجی[1]
این دو روش برای شناسایی مخازن نفتی که ساختارهای مشخص و معینی (مثل طاقدیس) در اعماق کم دارند به کار می روند. در روش ثقل سنجی اساس کار این گونه است که تغییر شتاب جاذبه ثقل در نقاط مختلف را می توان به تغییر ماهیت سنگ یا تغییر ساختار، مخصوصا ساختارهای طاقدیس نسبت داد. اساس کار روش مغناطیس سنجی بر این است که میدان مغناطیسی طبیعی زمین را می سنجد، اما اگر سنگی وجود داشته باشد که خود میدان مغناطیسی اضافی ایجاد کند، با استفاده از دستگاه های مغناطیس سنج شناسایی می شود. از آ ن جایی که برخی از سنگ های رسوبی خود مغناطیسه هستند و میدان مغناطیسی اضافی ایجاد می کنند، به کمک این دستگاه می توان ضخامت این لایه ها را تا حدودی مشخص کرد. باید توجه داشت که جنس سنگ مخزن و منشا از سنگ های رسوبی است.

1-3-مطالعه لرزه نگاری (seismic) از [2و1]
در روش لرزه نگاری امواج لرزه ای در اثر انفجار به صورت موج های مکانیکی در لایه های درون زمین منتشر می شوند. برای این که بازتاب این امواج از لایه های مختلف دریافت شود، گیرنده هایی (Geophone) بر روی زمین تعبیه شده اند که بازگشت این امواج را ثبت می کنند. منابعی که برای ایجاد این لرزه ها بکار می رود می تواند چاله هایی که از مواد منفجره پر شده و یا دستگاه vibrosize باشد. این دستگاه کامیونی است که یک صفحه در زیر خود دارد. به هنگام ایجاد لرزه این صفحه روی زمین قرار می گیرد و وزن کامیون بر روی صفحه می افتد و با لرزه هایی که این صفحه ایجاد می کند امواجی پدید می آید. اساس کار این گونه است که با توجه به این که سازندهای مختلف قابلیت های مختلفی برای عبور موج از درون خود دارند، سرعت امواج درون این لایه ها با هم متفاوت است و به این وسیله می توان سطوح بین لایه ای را تشخیص داد البته به این شرط که این لایه ها دارای چگالی و سرعت انتشار متفاوتی باشند این تفاوت اساس شناسایی لایه ها و سازندهای مختلف است. لرزه نگاری بصورت یک بعدی، دو بعدی، سه بعدی و اخیرا چهار بعدی انجام می گیرد. لرزه نگاری چهاربعدی همان لرزه نگاری سه بعدی است که بعد چهارم آن زمان بوده ونحوه پیشروی سیالات مخزن را ارائه می دهد. ازاطلاعات لرزه نگاری، ساختارکلی لایه های زمین، محدوده مخزن، نوع سیال اعم ازگاز، آب یا نفت و ... را می توان به دست آورد.

1-4-ژئوشیمی آلی (organic Geochemistry) از [1]
امروزه از روش ژئوشیمی آلی (organic Geochemistry) برای اکتشافات مخازن، سنگ منشا و تحلیل این سنگ ها استفاده می شود.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
1-5-حفر چاه های اکتشافی [1]
روش‌های پیش گفته اطلاعات اولیه را برای حفر اولین چاه در اختیار متخصصین اکتشاف قرار می‌دهند این متخصصین برای دست‌یابی به دقت بیشتر در اطلاعات خود باید چاه‌های اکتشافی را در مخزن حفر کنند. از یک چاه اکتشافی می توان به اطلاعاتی دست یافت از جمله: ترتیب قرار گرفتن سازند های مختلف در عمق زمین، عمق واقعی مخزن در زیر زمین، ضخامت مخزن، خصوصیات سنگ و سیال های درون مخزن (گاز، نفت و آب) که با نمونه برداری از سنگ و سیال و انجام آزمایش های مربوطه مطالعه می شود، مرز لایه ها ی زمین شناختی، جنس و شیب هر لایه، برخی از ویژگی های سنگ مخزن از جمله میزان تخلخل و درجه ی اشباع آن از سیال های مختلف و دمای مخزن با انجام عملیات چاه پیمایی شناسایی می شود.
2-کاربرد نانوفناوری در اکتشاف مخازن نفتی و گازی
کاربرد نانومواد در زمینه اکتشاف سیالات هیدروکربنی را می توان اینگونه در نظر گرفت [3]:
1) کشف هیدروکربن ها
2) اندازه گیری سایز مخزن
امروزه محققان بر این باور هستند که صنعت اکتشاف مخازن زیرزمینی نیازمند تحولی است تا بتوان هیدروکربن ها را در نقاط مختلف زمین شناسائی نمود. زیرا گاهی حتی لرزه نگاری های دو و سه بعدی نیز قادر به ارائه اطلاعات روشنی از ساختار زمین شناسی برخی نواحی خاص نمی باشند. محققان بر این باورند که نانوتکنولوژی قادر است تمامی این مشکلات را به خوبی حل کند. زیرا علم نانو می تواند با تولید نانوذرات یا نانوحسگرهای قوی، اطلاعات بسیار باارزشی را از ساختار مخزن جمع آوری نموده و ارائه دهد [4]. طبق مطالعات، نانوفناوری دارای تاثیرات مهمی در بهبود فرآیند اکتشاف با استفاده از لرزه نگاری و چاه پیمائی و نیز روش مغناطیس سنجی می باشد.
2-1- کاربرد نانوفناوری در روش مغناطیس سنجی [5]
اکتشاف مغناطیسی نوعی روش جستجوی ژئوفیزیکی است که در آن از آهنرباهای بسیار دقیق جهت مکان یابی و مشخصه یابی اشیا و پدیده های زمین شناسی استفاده می شود. اساسا دلیل تشخیص اشیا طی این روش به دلیل میدان مغناطیسی ساطع شده از خود آنها می باشد. هرچند این میدان تشکیل شده بسیار ضعیف می باشد اما می تواند تغییرات قابل اندازه گیری در توزیع میدان مغناطیسی زمین ایجاد کند. به چنین تغییری، نابهنجاری مغناطیسی (magnetic anomaly) اطلاق می شود. در شکل 1 تاثیر شی مدفون در زیر سطح زمین بصورت یک نابهنجاری نشان داده شده است. همچنین اغلب اجسامی که خاصیت غیرمغناطیسی نیز دارند مانند سنگ مخزن نیز با قرار گرفتن در میدان مغناطیسی زمین حالت مغناطیسی پیدا می کنند. دستگاهی که جهت اندازه گیری میدان مغناطیسی بکار می رود مغناطیس سنج نام دارد و شامل دو قسمت می باشد: BEarth که میدان مغناطیس زمین و BAnomaly که میدان مغناطیسی شیئ مدفون شده را می سنجد. پرکاربردترین نوع مغناطیس سنج ها در زمینه اکتشاف از نوع: مغناطیس سنج پروتونی (Proton Processing Magnetometer) و مین مغناطیسی (Fluxgate magnetometer) می باشد.



شکل 1- تاثیرات شیء مدفون در داخل زمین بر روی میدان مغناطیسی [5]



با تفسیر داده های بدست آمده با استفاده از یک مغناطیس سنج به سوالات زیر پاسخ داده می شود:
1) نابهنجاری های مغناطیسی در داده های جمع آوری شده کدام هستند؟
2) کدام شی مصنوعی و/ یا ساختار زمین شناسی سبب پیدایش این نابهنجاری شده است؟
3) عمق این شیئ و /یا ساختار زمین شناسی چقدر است؟
4) اندازه و شکل شیئ و/ یا ساختار زمین شناسی به چه صورتی است؟
برای تعیین میزان مغناطیس موجود در سنگ می توان از دو نوع ابزار مغناطیسی استفاده نمود:
1) نقشه برداری هوائی که در آن از یک مغناطیس سنج متصل به یک هواپیما استفاده میشود.
2) نقشه برداری زمینی که در آن از یک مغناطیس سنج قابل حمل استفاده می گردد.
استفاده از نانوتکنولوژی در ساختار مغناطیس سنج ها امروزه در مرحله تحقیق و بررسی قرار دارد و همانگونه که پورافشاری و همکارانش نشان داده اند، استفاده از نانوکامپوزیت ها می تواند آغازگر ایجاد تحول در این روش باشد [6].
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
2-2- کاربرد نانوفناوری در روش نمودار گیری و لرزه نگاری
2-2-1-کاربرد نانوحسگرها در لرزه نگاری
اصولا کشف یک منبع زیرزمینی بدون مانیتور کردن حرکت سیال درون مخزن بسیار دشوار است. در این راستا زمین شناسان با استفاده از ابزارآلات حسگر از راه دور توانسته اند تصاویری را از منابع زیرزمینی آورند. در طول سال های اخیر تلاش های بسیاری در جهت تولید تصویربرداری زیرزمینی از منابع هیدروکربوری انجام گرفته است. محقق کانادائی Reginlad Fessenden برای اولین بار استفاده از روش لرزه نگاری را در زمین شناسی در سال 1917 ثبت اختراع نمود. یک دهه بعد شرکت شلمبرژه (Schlumberger) اولین ابزار الکتریکی چاه پیمائی را به درون چاه وارد نمود. امروزه پیشرفت های حاصل در داده های لرزه نگاری و الکترومغناطیس، پردازش سیگنال ها و مدلسازی با محاسبات پیشرفته و نیز انقلاب نانوتکنولوژی سبب ایجاد بهبودهای چشمگیری در تصویربرداری از مخازن گردیده است. چنانچه امروزه با استفاده از حسگرهای کنترل از راه دور میتوان تصاویر بهتر و با جزئیات بیشتر از تغییرات عمودی و عرضی لایه های سازند زیرزمینی و نیز تخلخل و تراوائی آن بدست آورد. اغلب موانعی که بر سر راه کنترل از راه دور این حسگرها وجود دارد ناشی از ساختار و فیزیک خاص سنگ مخزن است. برای مثال با افزایش عمق، ضخامت بستر و اندازه عرضی نسبت به طول موج سیگنال سبب تضعیف انرژی و چگالی و سرعت متغیر سنگ سبب پخش یا پیچیدگی سیگنال ورودی می شود. عموما منبع و گیرنده های سیگنال در فاصله دوری بر روی سطح زمین قرار دارند و همین امر سبب کاهش کیفیت تصاویر دریافتی می گردد. لرزه نگاری انعکاسی پرکاربردترین نوع استفاده از حسگرهای از راه دور در زمین شناسی می باشد. داده های ناشی از لرزه نگاری میزان سرعت سیال زیرزمینی و تغییرات چگالی آن را تعیین می کنند و حتی اگر سنگ مخزن دارای ویژگی های مناسبی باشد این ابزار توانائی تشخیص هیدروکرین ها از آب مخزن را نیز دارند.در حقیقت انرژی لرزه ای که از لایه های درونی زمین بازتابش می شود در سطح زمین توسط ژئوفون ها دریافت می گردد. برای افزایش حساسیت این گیرنده ها لازم است تا امواج رسیده از داخل زمین به خوبی جمع آوری گردند. ژئوفون های معمولی اغلب از نوع سیم پیچ الکترومغناطیسی متحرک می باشند و اساس کار آنها بدین صورت است که زمانیکه بدنه بصورت عمودی حرکت می کند، سیم پیچ ثابت مانده و آهنربا متحرک می گردد. حرکت نسبی بین سیم پیچ و میدان مغناطیسی سبب تولید ولتاژ نهائی ژئوفون می گردد. ولی در این نوع گیرنده ها عموما مشکل تداخل الکترومغناطیسی وکم بودن محدوده فرکانس پاسخ وجود دارد و محققان در حال بررسی روش های نوین در جهت بهبود این معایب می باشند [8و7].





شکل 2- استفاده از ژئوفون ها در لرزه نگاری [8]



امروزه ایجاد نانوحسگرها جدید برای ثبت لرزه ها بصورت دقیق تر و پربازده تر توانسته این بخش ها از صنایع بالادستی نفت را متحول کند، چرا که امکان وارد کردن نانوحسگرها در لایه های مختلف زمین و ثبت لرزه ها از موقعیت های متنوع تر بوجود آمده است. همچنین نانوتکنولوژی می تواند با نانوساختار نمودن ژئوفون ها (گیرنده ها) به عملکرد سریع و ثبت اطلاعات صوتی دقیق تر منجر گردد. دراین راستا آزمایش های زیادی انجام پذیرفته و توانایی نانوفناروی را در این بخش به اثبات رسانده است. ازنتایج این آزمایش ها می توان به تولید ده برابر ضریب طول و دریافت اطلاعات ازاعماق دورتر اشاره کرد. آقای جونگ کیم ازدانشگاه تگزاس در کنفرانس نانوفناوری انجمن مهندسین برق آمریکا، فناروی "شناوری مغناطیسی با دقت بالا" راکه دربسیاری اززمینه های تحقیقاتی نانوفناوری و سایر فناوری هایی که براساس اندازه گیری دقیق حرکات و نیروها کار می کنند کاربرد دارد، موردبررسی قرار داده است. این فناوری ها شامل ساختن ساختارهای نانومقیاس، کاربری در مقیاس اتمی، سرهم بندی میکروقطعات و آشکارسازهای حرکات لرزه ای می باشند. شرکتهای نفتی Shell وBP برای کشف واستخراج میادین جدید نفت وگاز از نانوفناوری درتصویربرداری لرزه ای و لرزه نگاری چهار بعدی استفاده می کنند.
همچنین شرکت آمریکائی IncInput/Output از میکرومکانیکال سیستم ها (MEMS) و نانومکانیکال سیستم ها (NEMS) جهت تهیه داده های لرزه نگاری چاه های نفت و گاز استفاده می کند. این ابزارها داده ها را بصورت دقیق تر و کم حجم تر از ژئوفون های معمولی ثبت می کنند. به طور خلاصه کاربرد نانوفناوری در ابزارآلات مربوط به عملیات اکتشاف نفت و گاز می تواند به دریافت اطلاعات دقیق تر و به خصوص ارائه اطلاعات اعماق بسیار زیاد وبه تبع آن شناخت جامع تر ازمخزن کمک نماید [9و2].
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
2-2-2-کاربرد نانوحسگرها در نمودارگیری دقیق تر از چاه
بطور کلی در این رویکرد، ابتدا در آزمایشگاه پرتوهای مختلفی نظیر گاما، ‌ایکس،‌ نوترون و همچنین انواع مختلف امواج صوتی و میدان های مغناطیسی یا الکتریکی در مقابل ساختارهای سنگی مختلف اعمال، بازتابش های مربوطه ثبت و نمودارها رسم می شود (کالیبراسیون). سپس ابزار نمودارگیری در میدان نفتی یا گازی به درون یک چاه رانده شده و فرآیند تاباندن پرتوها،‌امواج و میدان ها و ثبت بازتابش ها صورت می پذیرد. نهایتا از مقایسه نمودارهای بدست آمده با نمودارهای استاندارد،‌ جنس لایه ها (لیتولوژی) تعیین می گردد. همچنین با استفاده از تئوری های موجود، تخلخل و درجه اشباع سیالات نیز مشخص می شود. در این قسمت از نانوحسگرها برای تحلیل دقیق پرتوها و نیز به دلیل سطح ویژه بالای آنها، جهت تحلیل پرتوها در همه جهات استفاده می شود. علاوه بر آن از این نانوحسگرها می توان جهت تعیین جنس لایه ها و خواص سیال نیز استفاده نمود. همچنین چون بخشی از نمودارگیری درون چاه مربوط به بررسی تخلخل ها می شود،‌ می توان باوارد نمودن یک سری نانوپودرها به داخل مخزن و دانستن مقدار و سطح ویژه آنها، میزان تخلخل سازند را تخمین زد. در این راستا می توان نانوحسگر ها را به اعماق بیشتری درون سازند نفوذ داده و تحلیل های دقیق تر و در نقاط متنوع تر را انجام داد. این حسگر ها به دلیل مزایائی مانند اندازه کوچک، ایمنی در قبال تداخل الکترومغناطیسی، قابلیت کارآئی در دما و فشار بالا و محیط های دشوار در صنعت نفت بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. محققان در دانشگاه صنعتی ویرجینیا در حال تولید نانوحسگرهائی ارزان وقابل اعتماد از فیبرهای نوری جهت اندازه گیری فشار،‌ دما،‌ جریان نفت و امواج اکوستیک در چاه های نفت می باشند [9]. همچنین Benischek و همکارانش نشان دادند که با استفاده از نانوذرات و/یا نانوحسگرها بعنوان نانوابزارها (nano devices) و بررسی انرژی برگشت داده شده از آنها در نقاط مختلف درون چاه می توان مکان و مورفولوژی آنها را شناسائی و به اطلاعات مفیدی دست یافت. در حقیقت این محققین، یک سیستم انتقال و دریافتامواج الکترومغناطیسی را که از دسته ای از آنتن ها تشکیل شده است بکار گرفتند. این امواج به نانوابزارهای موجود در داخل چاه نفت برای شارژ منبع قدرت تعبیه شده در داخل این ابزارها و کنترل و ایجاد ارتباط با آنها فرستاده می شود. این نانوابزارها بخشی از این انرژی الکترومغناطیسی را منعکس می کنند نهایتا با دریافت این امواج برگشت داده شده و تحلیل آنها، نقشه سه یا چهار بعدی از ساختار داخلی مخزن بدست می آید[10].


بحث و نتیجه گیری:
در این مقاله مروری بر کاربرد ها و نقش فناوری نانو در زمینه اکتشاف مخازن هیدروکربوری انجام گرفته است. همانگونه که اشاره شد تا کنون کاربردهای نانوفناوری در حیطه استفاده از نانوکامپوزیت ها طی روش مغناطیس سنجی (که هنوز در مرحله تحقیق و بررسی قرار دارد) و نیز استفاده از نانوحسگرها در لرزه نگاری و چاه پیمائی مورد بررسی و تحقیق محققان قرار گرفته است. با توجه به منابع معتبر ارائه شده اکتشاف مخازن هیدروکربوری که اولین قدم در دسترسی به سیال داخل مخزن می باشد با استفاده از نانوفناوری بهبود بسیار مناسبی از خود نشان می دهد. این امر بدان معنی است که مشکلات موجود در صنایع، به ویژه صنعت نفت را با استفاده از فناوری نانو که نگرشی نوین در چینش و ساختار ماده بوده و سبب بهبود خواص آن می گردد، می توان تا حدود زیادی مرتفع نمود.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار

Similar threads

بالا