کاربرد فناوری نانو درفرآیندهای ازدیادبرداشت نفت خام

مقدمه

درطول عمر یک مخزن نفتی میتوان درطی سه دوره نفت خام رااستخراج نمود. درمرحله اول نیروهای طبیعی درون خودمخزن باعث استخراج نفت ازدرون چاه میشود. عوامل مختلفی درطی این دوره درتولید نفت خام وسرازیرشدن نفت به سمت چاه تولیدی نقش دارند. درادامه مطالب با فناوری نانو وکاربردآن در فرایند ازدیادبرداشت آشناخواهیم شد.

باگذشت زمان وباتولیدنفت، افت فشاردریک مخزن نفتی ایجادمیشودکه به منظور تثبیت فشار وادامه تولیدنفت، سیالاتی به درون مخزن تزریق میشود. دراین مرحله که به مرحله ثانویه شهرت دارد، تزریق به دوصورت تزریق آب ویا تزریق گاز انجام میشود. پس ازاین مرحله وبرداشت بیشترنفت ازمخزن، فشاردرون مخزن دچارافت بیشترشده بطوریکه دیگرباروشهای معمول ذکرشده نمیتوان نفت رابرداشت کرد. به همین دلیل درمرحله سوم روشهای مختلفی به منظور افزایش تولیدنفت مورداستفاده قرارمیگیردکه به روشهای ازدیادبرداشت نفت خام یا Enhanced Oil Recovery که به اختصار EOR گفته میشود،معروف هستند. دراین مرحله ازروشهای مختلفی ازجمله تزریق امتزاجی/غیرامتزاجی گاز، روشهای حرارتی، روشهای شیمیایی ویا روشهای نوین(مانندروشهای میکروبی وغیره)برای ازدیادبرداشت نفت استفاده میشود. انتخاب روش مناسب ازدیادبرداشت نفت خام به متغیرهای زیادی ازجمله شرایط دوره عمرمخزن، نوع نفت خام درون مخزن،نوع سنگ مخزن، دردسترس بودن سیال تزریقی و… بستگی دارد.

استفاده از موادشیمیایی درفرآیندهای EOR یکی ازروشهای متداول است. دراین روش، موادی ازجمله پلیمرها، موادفعال سطحی وحلالهاوترکیبات مختلف شیمیایی به منظورتزریق به درون چاه جهت کاهش کشش سطحی دوفاز، ایجادیک نسبت پویایی مناسب وبهبودتحرک نفت خام درمخازن مورداستفاده قرارمیگیرند. روشهای شیمیایی دارای پتانسیل زیادی درفرآیندهای EORهستندزیراتوانایی افزایش بازدهی برداشت نفت خام رادارند. امااستفاده ازاین موادخالی ازاشکال نیست، زیرااین فرآیندهاپیچیده وهزینه بربوده وعمدتاباکاهش تراوایی پس ازسیلابزنی همراه هستندواتلاف موادتزریقی دراین روشهامعمولازیاداست. به همین دلیل تنهادرصورت وجودتوجیه اقتصادی، قابلیت استفاده ازاین روشهاوجوددارد.

اهمیت فناوری نانو در صنایع نفت و گاز

درسالهای اخیرباگسترش علم نانو،شرکتهای بزرگ نفتی سعی دراستفاده از فناوری نانو دربخشهای مختلف صنایع نفت وگازدارند. پتانسیلهای زیادفناوری نانوموجب شده که بخش عمده ازفعالیتهای تحقیق وتوسعه شرکتهای بزرگ نفتی به استفاده ازفناوری نانومعطوف شود.

براساس رصدفناوری که به سفارش ستادتوسعه فناوری نانو باموضع بررسی فعالیتهای ده شرکت برترنفتی جهان درحوزه فناوری نانو انجام شده است، مشخص گردیدکه این شرکتهادرمجموع ۸۳۵ پتنت درحوزه فناوری نانو وصنایع مختلف نفتی(بالادستی و پایین دستی)درادارات مختلف ثبت اختراع ،درسراسرجهان ثبت نموده اندکه نشاندهنده اهمیت فناوری نانو درحوزه های مختلف صنایع نفت وگازاست. سهم هرشرکت ازپتنت های مرتبط با فناوری نانو ودارای کاربرددرحوزه صنایع نفت و گازدرنمودار۱ قابل مشاهده است.

براساس اطلاعات استخراج شده ازپتنتهای فوق، تعدادپتنتهایی که درحوزه صنایع بالادستی وپایین دستی نفت به ثبت رسیده تقریبابرابربوده است. که بیانگراهمیت فناوری نانودرهردوحوزه بالادستی وپایین دستیست.

پتنت به معنی ثبت اختراع

پتانسیل های فناوری نانو در ازدیادبرداشت نفت

چندسالی بیش نیست که استفاده ازفناوری نانودرفرآیندهای ازدیادبرداشت نفت موردتوجه قرارگرفته. امادراین مدت کوتاه به یکی ازاولویتهای کاربردی فناوری نانودرصنایع بالادستی نفت تبدیل شده است. استفاده از نانومواد بمنظورازدیادبرداشت نفت، جزءروشهای نوین ازدیادبرداشت تقسیم بندی میشود. نانوذرات بدلیل تواناییهاوپتانسیل های مختلفی که دارند،میتوانندکاندیدای مناسب به منظوراستفاده درفرایندهای ازدیادبرداشت نفت باشند. مثلااکثرروشهای شیمیایی دارای کاهش تراوایی شدیدپس ازتزریق هستندوبارسوب دردرون سنگ مخزن باعث بسته شدن خلل وفرج سنگ مخزن میشوند. امانانوذرات به دلایلی که درادامه آورده شده است، دارای کاربرددرفرآیندهای ازدیادبرداشت هستند:

• اندازه کوچک این موادکه موجب ورودآسان آنهابه خلل وفرج سنگمخزن شده وبدون بدام افتادن، نفت راازدرون خلل وفرج خارج میکند.
• قابلیت تغییرخواص سیال پایه وایجادیک نسبت پویایی مناسب درآن
• توانایی پایدارسازی امولسیونها
• انتقال سریع و بهترگرما در روشهای حرارتی
• سازگازی بیشتر با محیط زیست نسبت به سایر موادشیمیایی
• تحمل دما و فشار بالا به دلیل مقاومت بیشتردر برابر تخریب نسبت به بقیه مواد

کاربرد فناوری نانو در فرآیندهای ازدیادبرداشت نفت

براساس تحلیل پتنت انجام شده، ازمیان پتنتهای مربوط بافناوری نانودرحوزه بالادستی صنایع نفت،حدود۸%ازپتنتهامرتبط باکاربردفناوری نانودرفرآیندهای ازدیادبرداشت نفت بوده است. باتوجه به گسترده بودن حوزه کاربرد فناوری نانو درصنایع نفت وگازاین میزان(۸درصد)سهم بالایی محسوب میشود. همچنین بایددرنظرداشت که دردسته بندی زیرتنهاپتنت هایی که کاربردمستقیم درEOR داشته لحاظ شده است وبسیاری ازپتنت های مرتبط باتولیدنفت وگاز(Oil and Gas Production)نیزکه کاربردهای غیرمستقیمی درفرآیندهای ازدیادبرداشت دارنددردسته دیگری قرارگرفته اند.(نمودار۲)

درمیان شرکتهای بزرگ نفتی هفت شرکت بیکرهیوز، رویال داچشل، کنکوفیلیپس،شامبرژر ، انی ، شورون و بیپی دارای پتنت هایی هستندکه درآن ازنانومواددرفرآیندهای EOR استفاده شده است. نمودار۳ نشاندهنده سهم هرکدام ازشرکتهای مذکوردراین حوزه است.

فناوری و نوع موادمورداستفاده درفرآیندهای ازدیادبرداشت نفت

راهبردهای شرکتهای مختلف برای استفاده ازفناوری نانودراین حوزه باتوجه به نیازآنهابسیارمتفاوت بوده است. به تبع آن براساس اهداف مختلف این شرکتهانانوساختارهای مورد استفاده نیزباهم تفاوتهای زیادی داشته است. ازانواع نانوساختارهای مختلفی که دراین حوزه مورداستفاده قرارگرفته است، میتوان به نانوذرات کلوئیدی، نانوذرات فلزی ویا اکسیدفلزی، انواع نانوساختارهای سیلیکایی، نانوذرات غیرآلی، نانوساختارهای آلومینا، نانولوله کربنی، غشاهای نانوساختار ونانوساختارهای کاتالیستی اشاره کرد. فعالیتهایی که این شرکتهادراین حوزه انجام داده اندبسیارمتنوع بوده که ازجمله آنهامیتوان به مواردزیراشاره نمود:

۱-استفاده ازفناوری نانوفیلتراسیون برای تصفیه آب وکنترل شوری آن برای تزریق درون مخزن

تزریق آب به درون مخزن نفتی یاهمان سیلابزنی باآب که به منظورتامین فشاروایجادنیروی لازم برای برداشت نفت ازمخزن مورداستفاده قرارمیگیرد، یکی ازمتداولترین روشهای ازدیادبرداشت نفت است. دراین فرآیندتامین آب بادرصدشوری مناسب برای تزریق بصورت تنهایاهمراه باسایرموادشیمیایی مانندموادفعال سطحی، عاملی مهم دراین فراینداست. دراین فناوری که درسال۲۰۰۷توسط شرکت بیپی ثبت شده ازنانوفیلتراسیون برای تهیه آب ویاکاهش شوری وحذف یونهای دوظرفیتی موجوددرآن استفاده شده است. دراین فناوری ازدوفراینداسمزمعکوس ونانوفیلتراسیون استفاده میشودواین امکان رامیدهدکه آب تزریق باشوری مناسب وبدون حضوریونهای سنگین بدست آید. آب مصرفی دراین مراحل میتواندآب دریا، آب رودخانه، آب بدست آمده ازخودمخزن نفتی، آب فاضلاب، سفره های آب زیرزمینی ویاتمامی آب های غیرقابل شرب باشد. این فناوری میتواندنقش مهمی درکاهش اثرات مخرب زیست محیطی وبهره گیری ازآب های غیرقابل استفاده به منظورتزریق به درون مخزن وبرداشت نفت وکاهش هزینه ایفاکند.

یکی دیگرازشرکتهای بزرگ نفتی که به استفاده ازاین فناوری بمنظورحذف موادجامدموجوددرآب وکنترل شوری آن روی آورده، شرکت رویال داچشل است. این شرکت ازنانوفیلتراسون، میکروفیلتراسیون واسمزمعکوس بمنظورکاهش سختی آب،حذف یونهای چندظرفیتی موجوددرآن وکنترل شوری آن استفاده کرده است.

۲-استفاده از فناوری نانوفیلتراسیون جهت جداسازی و بازیابی پلیمرها در سیلابزنی پلیمر

فناوری دیگری که توسط شرکت بیپی درسال۲۰۱۰ثبت شده مربوط به استفاده ازفناوری نانوفیلتراسیون بمنظورجداسازی وبازیابی پلیمرهادرسیلابزنی پلیمراست.این کارمنجربه کاهش هزینه های عملیاتی طی فرایندهای تزریق پلیمربمنظورازدیادبرداشت نفت میشود. غشای ساخته شده دراین پتنت ازجنس پلی اتر سولفات،پلی وینیلیدن فلوراید و پلی اکریلونیتریل است که دارای سایزحفراتی بین ۲۰-۸۰۰ نانومتراست.

۳-استفاده ازنانوفیلتراسیون جهت شکستن امولسیونهای آب ونفت تشکیل شده درجریان تزریق سورفکتانت به مخزن

این فناوری که توسط شرکت رویال داچشل درسال۲۰۱۱ثبت شده درموردجداسازی فازآلی هیدروکربنی ازمخلوط شامل امولسیون آب ونفت است. روش کاردراین فناوری به اینصورت است که درابتداباتنظیم کردن شوری مخلوط اجازه خروج آب وفازآلی ازامولسیون رامیدهدودرمرحله بعدنفت ازفازآبی نمکی جداخواهدشد. فازآبی بدست آمده دراین مرحله برای موارداستفاده دیگرمانندترکیب شدن با سورفکتانت بمنظورتزریق به درون چاه برای ازدیادبرداشت نگهداری خواهدشد.

۴-استفاده ازنانوذرات بعنوان عامل تشکیل ژل درتزریق پلیمریااستفاده ازنانوذرات درجهت کنترل سرعت تشکیل ژل

وجودشکافهادربسیاری ازمخازن بخصوص مخازن نفتی ایران یک امرطبیعیست. این شکافهاهم میتوانندنقش مثبت وهم منفی درتولیدنفت ازیک مخزن داشته باشند. اگربدلیل شکاف موجوددریک مخزن، آب همراه بانفت افزایش یابدویادرتزریق آب بمنظورازدیادبرداشت نفت هرز روی زیادباشد، دراینصورت وجودشکاف دریک مخزن نقش منفی درتولیدنفت داردوجداسازی آب ازنفت برروی سطح زمین بسیارپیچیده خواهدشد. به همین دلیل استفاده ازژلهای پلیمری برای مدیریت آب مخزن میتواندسودمندباشد. این ژلهادرتماس باآب متورم شده ولی حل نمیشوندوبابستن شکافهااجازه افزایش آب درمخزن رامیگیرند. ژلهای نانوکامپوزیتی باپایه پلی اکریل آمیدیک ازپرمصرف ترین این مواداست. نانوکامپوزیتهاباعث افزایش مقاومت شبکه ژلهای پلیمری، افزایش تمایل به جذب آب، افزایش عمق نفوذ، افزایش مقاومت مکانیکی وپایداری حرارتی بالایی میشوند. همچنین گرانروی این نوع پلیمرهامانندآب است وبه همین دلیل باپمپهای معمولی قابل تزریق به مخازن هستند.

با توجه به موارد گفته شده استفاده از این نوع ژل ها توسط بسیاری از شرکت های نفتی مورد توجه قرار گرفته است. در پتنتی که درسال۲۰۱۲توسط شرکت کونکوفیلیپس فایل شده است ازنانوذرات مختلف برای کنترل سرعت ژل شدگی استفاده شده است. دراین پتنت برای تهیه یک ساختار پلیمری تجزیه پذیردوروش ارائه شده: مخلوط کردن یک مونومر، یک آغازگر، یک عامل اتصال دهنده عرضی ویک عامل ژل شدگی ودیگری مخلوط کردن یک پلیمر، یک عامل اتصال دهنده عرضی ویک عامل ژل شدگی. باتجزیه ساختارپلیمری تولیدشده بصورت کلی یاجزئی تحت شرایط دمایی بالاویاتغییراتpH عامل ژل شدگی خارج میشود،که این امرموجب اتصال عرضی بایک پلیمردیگروتولیدژل جدیدمیشود. این عمل باعث افزایش زمان تجزیه وتخریب ذرات وزمان ژل شدگی میشود. این روش درمخازن عمیق به برداشت بیشترنفت کمک میکند.شکل مقابل بیانگرمراحل ساخت یک نانوژل اصلاح شده سطحی است.

۵-استفاده ازنانوسیالات هوشمندبرپایه ژل به منظورکنترل هرزروی سیال درعملیاتهای سیلابزنی

باتوجه به پیچیدگی شرایط یک مخزن درمناطق مختلف آن، استفاده ازسیال های هوشمندبرای ایجادیک حرکت پیستونی یکنواخت درون مخزن به منظورازدیادبرداشت نفت بسیارمفیداست. همیشه حرکت سیال ازدرون شکافهاوترکهای موجوددریک مخزن نسبت به مسیرهای دیگرتوسط سیال تزریقی درارجحیت است. به همین دلیل برای جلوگیری ازاین عمل وکنترل بهترحرکت سیال تزریقی دردرون مخزن به ترتیب این شکافهابایدازبزرگ به کوچک موردتوجه قرارگیرندوحرکت سیال دردرون آنهاکنترل شود. این کارباعث میشودکه درفرایندهای ازدیادبرداشت نفت سطح بیشتری ازمخزن درتماس باسیال تزریقی قرارگیردوبازدهی جاروبی این فرایندافزایش یابد. ایده اصلی بکاررفته دراین فناوری که توسط شرکت شامبرژر درسال۲۰۰۴به ثبت رسیده است همگن سازی رفتارمخزنی است که سیال درون آن تزریق شده است.

استفاده ازسیالات برشی-ژل شوندگی برای کاهش ابعادروزنه شکافهای بزرگ، ایده این پتنت است. دراین حالت تنشهای برشی ودرنتیجه نرخ تنش درمرزهای شکافهابیشینه خواهدشدودرنتیجه سیال دردیواره هاژل خواهدشد، ابعادروزنه موثرشکافها کاهش خواهدیافت وهرزروی سیال نفتی کاهش مییابد. سیال هوشمندمورداستفاده دراین پتنت ازطریق حل کردن یک یاچندپلیمردرون یک فازآبی به همراه نانوذرات سیلیکابدست میاید. این پلیمرهاشامل چندین گروه عاملی است که باعث ژل شدگی واستفاده ازاین پلیمرهاتحت شرایط دمایی موردنظرمیشودوبصورت قرص مورداستفاده قرارمیگیرندوبصورت ناگهانی وباسرعت زیادبه ژل تبدیل میشوند.

سرمایه گذاریها و سایرفعالیتهای علمی و فنی شرکتهای بزرگ نفتی

هرچندفعالیتهای شرکتهای نفتی بطورکامل اعلام نمیشود، اماازمیان اخبارواطلاع رسانی رسمی شرکتهامیتوان به مواردزیراشاره کرد:

• شرکتRoyal Dutch Shell ودولت عمان باسرمایه گذاری ۵۳میلیون دلارازسال۲۰۱۴ درحال اجرای طرحی هستندکه بااستفاده ازفناوری نانو به کمک انرژی خورشیداقدام به تولیدبخاربرای استفاده درفرآیندهای ازدیادبرداشت نفت حرارتی نمایند.
• شرکتConocoPhillips باهمکاری دانشگاه کانزاس ازسال۲۰۰۸ پروژه ای بابودجه سالیانه۴۰۰هزاردلارجهت شبیه سازی اثرات نانومواددرفرآیندهای ازدیادبرداشت شروع کرده است که نتایج این فعالیتهادرقالب پتنت هایی منتشرشده است.
• شرکتEni ودانشگاهMITدرسال۲۰۱۳ طی توافقنامه ای چهارساله، برنامه مشترکی رادرحوزه انرژی شروع نمودندکه یکی ازسرفصلهای اصلی این برنامه توسعه فناوری نانو امولسیونهاجهت استفاده درفرآیندهای ازدیادبرداشت است.

تهیه کننده مقاله:

شرکت ایده سازان عصر آفتاب