امروزه نفت و گاز بعنوان حیاتی ترین نیاز بشر به شمار آمده و فرآیند تولید و استخراج بهینه سیال از مخازن هیدروکربوری یکی از دغدغه های جهان کنونی در زمینه تامین سوخت می باشد. 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 استخراج و تولید احساس می شود. در این میان، فناوری جدید و منحصر به فرد نانو این پتانسیل را دارد که تغییرات چشم گیری را در حوزه های متنوع نفت و گاز ایجاد نماید. در این مقاله تاثیرات و عملکرد نانو فناوری بر تولید و استخراج از مخازن نفت و گازی بیان خواهد شد و با اشاره به منابع معتبر، کارآئی استفاده از نانو فناوری در این عرصه مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
1- مقدمه
بصورت کلی پروسه تولید و استخراج نفت و گاز را می توان در دو قالب کلی جداسازی و ازدیاد برداشت مورد بررسی قرار داد. پروسه جداسازی شامل تفکیک سیالات از یکدیگر و همچنین از آلودگی ها و سیالات نامطلوب بوجود آمده در حین فرآیند استخراج و تولید از چاه می باشد. پروسه ازدیاد برداشت نیز شامل انواع عملیاتی می گردد که سیال تولیدی از مخزن را مورد بهره برداری بیشتر قرار می دهد. امروزه ثابت شده است که علم نانو توانائی بهبود فرآیند ها در مقیاس مولکولی را دارا می باشد و تاثیر آن در حیطه فرآیندهای جداسازی و ازدیاد برداشت از مخازن نفتی و گازی نیز بسیار چشمگیر است. به گونه ای که با استفاده از نانوسورفکتانت ها، نانوغشاها، نانوذرات، نانوژل ها، نانوسیالات و هیدروژل های نانوکامپوزیتی، تحول عمده ای در جهت بهبود فرآیند استخراج و تولید سیال از مخازن نفتی وگازی بوجود آمده است. در این مقاله به بررسی فرآیند جداسازی با استفاده از نانوفناوری پرداخته و جزئیات مربوط به کاربرد و تاثیرات نانوفناوری در عملیات ازدیاد برداشت در یک مقاله مجزا مورد بررسی قرار می گیرد.
2-کاربرد فناوری نانو در بهبود فرآیند تولید و استخراج چاه های نفتی و گازی:
امروزه با استفاده از نوآوری های عرصه نانوفناوری، روش های متعدد و بسیار مناسبی جهت بهبود فرآیند استخراج و تولید نفت و گاز صورت گرفته است. در این زمینه می توان به موارد زیر اشاره نمود:
2-1- استفاده از نانوغشاها
در حالت کلی غشا به ماده ای اطلاق می شود که بعنوان یک سد عمل کرده و سبب جداسازی دو فاز و همچنین محدود کردن انتقال اجزای شیمیائی معین بصورت گزینش شده می گردد. ضخامت غشاها می تواند از مقداری به کوچکی 10 میکرون تا مقادیری در محدوده چند صدمیکرومتر متغیر باشد [1]. در سالهای 1970 تا 1980، استفاده از غشاء جهت جداسازی کاربرد وسیعی پیدا کرد و در پایان سال 1980، نانوغشاء ها متولد شدند. از نانوغشاءها معمولا در فرآیند نانوفیلتراسیون استفاده می شود. این پروسه بصورت کلی در مورد مواد حل شده در مایعات و نه مواد توزیع شده در آنها کاربرد دارد. در این حالت پروسه جداسازی شامل نفوذ مولکول های حلال در جرم ماده غشائی بوده که توسط فشار انتقالی بالای غشاء، و نه حفرات آن صورت می گیرد. در حقیقت نانوفیلتراسیون نوعی پروسه جداسازی در فاز مایع است که جامدات حل شده را جدا می سازد [2]. امروزه نانوفیلتراسیون کاربرد های بسیاری در صنایع مختلف از جمله صنعت نفت دارد.
برای مثال نمک زدائی، تصفیه آب زائد، جداسازی مواد آلی و غیره. قطر حفرات در نانوفیلتر از نیم تا یک نانومتر می باشد.
شکل 1- انواع غشاء [1]
پروسه جداسازی و انتقال ماده در نانوفیلترها توسط نفوذ، جابجائی و مهاجرت الکترونی صورت می گیرد. در این حالت بارهای منفی روی سطح قرار گرفته و یون های مثبت جذب می شوند (بعلت تفاوت بین ثابت دی الکتریک در حفرات نانوفیلتر، ماده نانوغشاء و حلال) [3]. همچنین جداسازی گازهای تولیدی پروسه مهمی در صنعت تولید و استخراج به شمار می رود. در این حالت استفاده از غشاء به دلیل سادگی و هزینه پائین بسیار مناسب می باشد. ولی رابطه معکوس بین گزینش پذیری اجزای یک گاز و تراوائی آنها سبب کاهش تاثیر استفاده از غشا می گردد. در این حالت استفاده از غشاهای نانوکامپوزیت پلیمر- ماده غیرآلی که بصورت هماهنگ گزینش پذیری و تراوائی را بهبود می بخشند بسیار مناسب است. نانوکامپوزیت های پلیمری- ماده غیرآلی از دو ماتریس یعنی یک پلیمر و یک ماده غیرآلی تشکیل شده است. در این حالت، فاز غیر آلی در مقیاس نانومتری درون فاز پلیمری توزیع می شود. به دلیل ساختار مناسب ایجاد شده، خاصیت جداسازی گازی غشاهای نانوکامپوزیت پلیمر- ماده غیرآلی نسبت به پلیمرهای خالص بهبود می یابد [1].
دانلود فیلم2
عنوان : صورت های مختلف فیلتراسیون در فناوری نانو
توضیحات : بسته به کاربرد ویژه مورد نظر، غشاء فیلتراسیون به صورتهای مختلفی استفاده می شود که شامل صفحات تخت و الیاف توخالی می باشد. غشاء فیلتراسیون به صورت صفحات تخت در دوحالت پیچش مارپیچی و طراحی صفحه و قاب بکار می رود. انتخاب این اشکال، بر حسب مدیریت جریان سیال و فشار هیدرولیکی فرایند می باشد.
چندرسانه ای 1 :صورت های مختلف فیلتراسیون در فناوری نانو
2-2- استفاده از نانوژل ها
نانوژل ها ذراتی با ابعاد کمتر از میکرومتر هستند که در حضور آب متورم می شوند. در حقیقت این ذرات از یک شبکه سه بعدی از زنجیره های پلیمری آبدوستی که توسط پیوندهای پایدار کوالانسی متصل شده، تشکیل شده است. همچنین از آنجائیکه اندازه و شکل این مواد مشابه تک ماکرومولکول های خطی با ساختار مارپیچی می باشد، می توان آنها را در زمره زنجیره های پلیمری که به صورت درونی اتصال عرضی پیدا کرده اند در نظر گرفت. این ترکیب خاص از لحاظ ساختار و اندازه، این مواد را تبدیل به مبحث مورد علاقه محققان نموده است [4]. بیشتر مخازن موجود در ایران بصورت کربناته بوده و پس از عملیات سیلاب زنی و تزریق گاز، بسیاری از نفت موجود در آنها در شکاف ها باقی می ماند.
میزان اشباع زیاد نفت در این شکاف ها به دلیل کم بودن ضریب جاروب در مخازن شکافدار است. عامل مهم دیگر در اشباع بالای نفت در مخازن شکافدار، این است که بدلیل فشار موئینگی آن، نفت درون حفرات نفت دوست باقی می ماند. دلیل اصلی استفاده از سیلاب زنی پلیمری در بهره برداری از چاه، کاهش روانروی آب تزریق شده به مخزن و از آنجا افزایش احتمال جاروب مخزن توسط آب می باشد. زیرا آبی که سرعت حرکت بیشتری دارد با سرعت بیشتری وارد نواحی با تراوائی بالا می شود و تاثیر کمتری در افزایش نسبت آب/نفت دارد. ولی در عین حال استفاده از پلیمر ها دارای معایب خاص خود نیز می باشد که می توان با افزودن ژل و در حقیقت استفاده از ژل پلیمرها تا حدودی این معایب را برطرف نمود.
علاوه برآن استفاده از ژل پلیمر ها نیز معایبی مانند تخریب ژل در اثر صدمات حرارتی، مکانیکی، میکروبی، تنش و غیره بهمراه دارد. در نهایت به منظور غلبه بر محدودیت های موجود در استفاده از ژل پلیمرهای موجود، نانوژل های جدیدی بر پایه پلی اکریل آمید- خاک رس (MMT) توسعه پیدا کردند و خواص آنها بصورت آزمایشگاهی تست شده و جهت استفاده در سیلاب زنی پلیمری مورد استفاده قرار گرفتند. اینگونه نانوژل ها در مقایسه با ژل پلیمرهای معمولی نتایج مناسبی در تست های حرارتی، مقاومتی و مکانیکی از خود نشان دادند. این نانوژل ها می توانند از محلول آبی با غلظت کم تا یک جامد الاستیک طبقه بندی شوند و یا بعنوان عامل مسدود کننده شکاف ها و یا انواع منحرف کننده ها مورد استفاده قرار گیرند [5].
2-3- استفاده از نانوذرات
کنترل جریان سیال، یکی از مهمترین فاکتورها در استخراج سیالات هیدروکربنی می باشد. در این حالت جبهه جلوئی سیال تزریق شده باید تا حد امکان یکنواخت حرکت کند تا بتواند بصورت مناسب به درون سازند نفوذ کند. محققان به منظور بهبود این پروسه موفق به تولید عوامل سطحی و غیر نفوذ کننده بر پایه نانوذرات شده اند که می توانند میزان جریان را در عملیات استخراج و تولید بهبود دهند. در این حالت به نانوذراتی نیاز است که:
1) به هیچ وجه به بدنه ماتریس سازند نچسبد.
2) در غلظت های بسیار پائین نیز قابل شناسائی باشد
3) بتوانند سبب تغییر شکل سیال درون حفره شود
4) بتواند سبب تغییر کشش سطحی بین هیدروکربن و آب شور و یا مابین سیال و سطح سنگ مخزن گردد [6].
همچنین محققان دانشگاه MIT به تازگی کشف کرده اند که افزودن نانوذرات مغناطیسی که آب را دفع می کنند می توانند در صورت مخلوط شدن با نفت، و در نهایت با استفاده از یک آهنربای قوی، سبب جداسازی آسان مخلوط نفت و آب شوند و این امر در پروسه تولید و بهره برداری از مخازن نفتی نقش بسیار مهمی را ایفا می کند. این پروسه باید خارج از مخازن بازیافت نفت صورت گیرد تا از آلودگی محیط توسط نانوذرات جلوگیری شود. مطابق تحقیقات دکتر Zhan، این پروسه که در آن از ferrofluid ها استفاده می شود- سیالاتی که دارای نانوذرات مغناطیسی هستند- نتایج بسیار مثبتی نشان داده است. در این پروسه مخلوط آب و سیال را از درون کانال عبور داده و در خارج از کانال نیز از یک آهنربای مناسب جهت هدایت به درون مکان مورد نظر قرار می دهند تا عملیات جداسازی به شکل بسیار مناسبی انجام گیرد. از جمله کاربردهای مهم دیگر نانوذرات 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 رهایش نفت خام می شوند [7].
2-4- 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 حالت کلی سورفکتانت ها را اینگونه تعریف می کنند که مواد فعال سطحی و دارای یک سر آبدوست ویک دم آبگریز می باشند. این مواد با توجه به خصوصیت آبدوستی یا آبگریزی سایر مواد، از جهت مناسب خود به آنها متصل شده و از سر دیگر آزاد باقی می مانند و سبب تغییر خواص سطحی آنها می گردند [8].
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 سر 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 [9]. در غلظت های نسبتا بالا، مولکول های سورفکتانت در حالت توده ای یا بالک تجمع می کنند تا به کمترین میزان نسبت حجم به سطح رسیده و از لحاظ ترمودینامیکی پایدارتر شوند. در این حالت کره هائی به شکل گلبول تشکیل می شوند که مایسل نام دارند. در مایسل ها، سرهای آبدوست سورفکتانت ها به سمت سطح کره و سرهای آبگریز یا نفت دوست به سمت مرکز کره جهت گیری شده اند.
شکل 2 - انواع سورفکتانت بر اساس نوع دم [9]
بنابر این سطح مایسل تشکیل شده آبدوست، و درون آن آبگریز می باشد. در حالت عادی ابعاد و جهت گیری اغلب سورفکتانت ها به گونه ای است که مایسل هائی با ابعاد نزدیک به 10-2 نانومتر ایجاد می کنند. معمولا این پدیده در سورفکتانت های غیر یونی رخ می دهد. همچنین زمانیکه از سورفکتانت های آنیونی استفاده شود، سطح مایسل تشکیل شده دارای بار منفی و زمانیکه از سورفکتانت های کاتیونی استفاده گردد، سطح مایسل تولیدی دارای بار مثبت می باشد. در محلول هائی که دارای آلودگی باردار خاصی بوده و یا نیاز است در آنها جداسازی صورت پذیرد از مایسل های با بار متضاد استفاده می شود. بنابراین سورفکتانت های کاتیونی برای جداسازی آلودگی های آنیونی، و سورفکتانت های آنیونی برای جداسازی آلودگی های کاتیونی بکار می روند.
در خصوص آلودگی های غیر یونی نیز این مواد می توانند درون هسته آبگریز مایسل حل شوند. مایسل های با ابعاد بزرگتر نیز به اصطلاح نانوکلوئید نامیده می شوند [10]. هدف اولیه از استفاده از سورفکتانت ها در عملیات استخراج و تولید از مخازن،کاهش کشش سطح و بهبود عملیات جداسازی سیال، تصحیح ترشوندگی سنگ مخزن و تبدیل آن از حالت نفت دوست به آبدوست که خود سبب تسهیل فرآیند جداسازی سیال هیدروکربوری از سازند می گردد، و نیزکاهش ویسکوزیته نفت می باشد. در عین حال این امر سبب متورم شدن وافزایش قطر و فضای بین لایه ها با استفاده از عرض زنجیره های طویل سورفکتانت می شود که به نوبه خود مسیر های فیلتراسون سیال را مسدود می کند. همچنین سورفکتانت های با ابعاد بزرگ به دلیل ساختار نامناسب در فواصل ابتدائی سازند جذب شده و یا تاثیر معکوسی بر ترشوندگی دارند. بنابراین برخی خصوصیات این مواد 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. امروزه استفاده از نانوسورفکتانت ها به دلیل اندازه کوچکتر و سطح فعال بیشتر سبب بهبود فرآیند استفاده از این مواد گردیده است.
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. این مواد بصورت گسترده ای بر روی کشش سطحی سیال مخزن اثر گذاشته و میزان گرانروی آن را کاهش می دهند. در این حالت سیالی که گرانروی آن در داخل مخزن و چاه کاهش یافته باشد، سبکتر شده و بهتر در مسیر خروج از چاه جریان یافته و از سایر مواد موجود در چاه جدا می گردد. مطالعات نشان می دهند که سورفکتانت ها بر روی نانوکمپلکس ها و ترکیبات پیچیده موجود در چاه تاثیر گذاشته و ساختار مخزن را تغییر می دهند. در این حالت توانائی نفوذ سورفکتانت در بین لایه های سازند امری بسیار مهم می باشد [11].
بحث و نتیجه گیری:
در این مقاله مروری بر کاربرد ها و نقش فناوری نانو در زمینه استخراج و تولید مخازن هیدروکربوری انجام گرفته است. در ابتدا به اختصار روش ها مرسوم جداسازی 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 با استفاده از نانو فناوری که نگرشی نوین در چینش و ساختار ماده بوده و سبب بهبود خواص آن می گردد، می توان 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 می توان با استفاده از نانوذرات، نانوسورفکتانت ها، نانوغشاءها و نانوژل ها میزان بازده فرآیند جداسازی در مخازن را تا حد زیادی بهبود بخشید.
منابـــــع :
1- مقدمه
بصورت کلی پروسه تولید و استخراج نفت و گاز را می توان در دو قالب کلی جداسازی و ازدیاد برداشت مورد بررسی قرار داد. پروسه جداسازی شامل تفکیک سیالات از یکدیگر و همچنین از آلودگی ها و سیالات نامطلوب بوجود آمده در حین فرآیند استخراج و تولید از چاه می باشد. پروسه ازدیاد برداشت نیز شامل انواع عملیاتی می گردد که سیال تولیدی از مخزن را مورد بهره برداری بیشتر قرار می دهد. امروزه ثابت شده است که علم نانو توانائی بهبود فرآیند ها در مقیاس مولکولی را دارا می باشد و تاثیر آن در حیطه فرآیندهای جداسازی و ازدیاد برداشت از مخازن نفتی و گازی نیز بسیار چشمگیر است. به گونه ای که با استفاده از نانوسورفکتانت ها، نانوغشاها، نانوذرات، نانوژل ها، نانوسیالات و هیدروژل های نانوکامپوزیتی، تحول عمده ای در جهت بهبود فرآیند استخراج و تولید سیال از مخازن نفتی وگازی بوجود آمده است. در این مقاله به بررسی فرآیند جداسازی با استفاده از نانوفناوری پرداخته و جزئیات مربوط به کاربرد و تاثیرات نانوفناوری در عملیات ازدیاد برداشت در یک مقاله مجزا مورد بررسی قرار می گیرد.
2-کاربرد فناوری نانو در بهبود فرآیند تولید و استخراج چاه های نفتی و گازی:
امروزه با استفاده از نوآوری های عرصه نانوفناوری، روش های متعدد و بسیار مناسبی جهت بهبود فرآیند استخراج و تولید نفت و گاز صورت گرفته است. در این زمینه می توان به موارد زیر اشاره نمود:
2-1- استفاده از نانوغشاها
در حالت کلی غشا به ماده ای اطلاق می شود که بعنوان یک سد عمل کرده و سبب جداسازی دو فاز و همچنین محدود کردن انتقال اجزای شیمیائی معین بصورت گزینش شده می گردد. ضخامت غشاها می تواند از مقداری به کوچکی 10 میکرون تا مقادیری در محدوده چند صدمیکرومتر متغیر باشد [1]. در سالهای 1970 تا 1980، استفاده از غشاء جهت جداسازی کاربرد وسیعی پیدا کرد و در پایان سال 1980، نانوغشاء ها متولد شدند. از نانوغشاءها معمولا در فرآیند نانوفیلتراسیون استفاده می شود. این پروسه بصورت کلی در مورد مواد حل شده در مایعات و نه مواد توزیع شده در آنها کاربرد دارد. در این حالت پروسه جداسازی شامل نفوذ مولکول های حلال در جرم ماده غشائی بوده که توسط فشار انتقالی بالای غشاء، و نه حفرات آن صورت می گیرد. در حقیقت نانوفیلتراسیون نوعی پروسه جداسازی در فاز مایع است که جامدات حل شده را جدا می سازد [2]. امروزه نانوفیلتراسیون کاربرد های بسیاری در صنایع مختلف از جمله صنعت نفت دارد.
دانلود فیلم1
عنوان : انواع روش های فیلتراسیون در فناوری نانو
توضیحات : یکی از کاربردهای فناوری نانو در بهبود فرآیند تولید و استخراج چاه های نفتی و گاز، استفاده از نانوغشاها می باشد که بسته به کاربرد غشاء فیلتراسیون، می تواند از نوع فیلتراسیون ته بسته یا جریان عبوری باشد. پروسه جداسازی شامل نفوذ ملکول های حلال در ماده غشائی است که توسط فشار انتقالی بالای غشاء صورت می گیرد و باعث جداشدن جامدات حل شده در مایع می شود.
چندرسانه ای 1 :انواع روش های فیلتراسیون در فناوری نانوعنوان : انواع روش های فیلتراسیون در فناوری نانو
توضیحات : یکی از کاربردهای فناوری نانو در بهبود فرآیند تولید و استخراج چاه های نفتی و گاز، استفاده از نانوغشاها می باشد که بسته به کاربرد غشاء فیلتراسیون، می تواند از نوع فیلتراسیون ته بسته یا جریان عبوری باشد. پروسه جداسازی شامل نفوذ ملکول های حلال در ماده غشائی است که توسط فشار انتقالی بالای غشاء صورت می گیرد و باعث جداشدن جامدات حل شده در مایع می شود.
برای مثال نمک زدائی، تصفیه آب زائد، جداسازی مواد آلی و غیره. قطر حفرات در نانوفیلتر از نیم تا یک نانومتر می باشد.
شکل 1- انواع غشاء [1]
پروسه جداسازی و انتقال ماده در نانوفیلترها توسط نفوذ، جابجائی و مهاجرت الکترونی صورت می گیرد. در این حالت بارهای منفی روی سطح قرار گرفته و یون های مثبت جذب می شوند (بعلت تفاوت بین ثابت دی الکتریک در حفرات نانوفیلتر، ماده نانوغشاء و حلال) [3]. همچنین جداسازی گازهای تولیدی پروسه مهمی در صنعت تولید و استخراج به شمار می رود. در این حالت استفاده از غشاء به دلیل سادگی و هزینه پائین بسیار مناسب می باشد. ولی رابطه معکوس بین گزینش پذیری اجزای یک گاز و تراوائی آنها سبب کاهش تاثیر استفاده از غشا می گردد. در این حالت استفاده از غشاهای نانوکامپوزیت پلیمر- ماده غیرآلی که بصورت هماهنگ گزینش پذیری و تراوائی را بهبود می بخشند بسیار مناسب است. نانوکامپوزیت های پلیمری- ماده غیرآلی از دو ماتریس یعنی یک پلیمر و یک ماده غیرآلی تشکیل شده است. در این حالت، فاز غیر آلی در مقیاس نانومتری درون فاز پلیمری توزیع می شود. به دلیل ساختار مناسب ایجاد شده، خاصیت جداسازی گازی غشاهای نانوکامپوزیت پلیمر- ماده غیرآلی نسبت به پلیمرهای خالص بهبود می یابد [1].
دانلود فیلم2
عنوان : صورت های مختلف فیلتراسیون در فناوری نانو
توضیحات : بسته به کاربرد ویژه مورد نظر، غشاء فیلتراسیون به صورتهای مختلفی استفاده می شود که شامل صفحات تخت و الیاف توخالی می باشد. غشاء فیلتراسیون به صورت صفحات تخت در دوحالت پیچش مارپیچی و طراحی صفحه و قاب بکار می رود. انتخاب این اشکال، بر حسب مدیریت جریان سیال و فشار هیدرولیکی فرایند می باشد.
چندرسانه ای 1 :صورت های مختلف فیلتراسیون در فناوری نانو
2-2- استفاده از نانوژل ها
نانوژل ها ذراتی با ابعاد کمتر از میکرومتر هستند که در حضور آب متورم می شوند. در حقیقت این ذرات از یک شبکه سه بعدی از زنجیره های پلیمری آبدوستی که توسط پیوندهای پایدار کوالانسی متصل شده، تشکیل شده است. همچنین از آنجائیکه اندازه و شکل این مواد مشابه تک ماکرومولکول های خطی با ساختار مارپیچی می باشد، می توان آنها را در زمره زنجیره های پلیمری که به صورت درونی اتصال عرضی پیدا کرده اند در نظر گرفت. این ترکیب خاص از لحاظ ساختار و اندازه، این مواد را تبدیل به مبحث مورد علاقه محققان نموده است [4]. بیشتر مخازن موجود در ایران بصورت کربناته بوده و پس از عملیات سیلاب زنی و تزریق گاز، بسیاری از نفت موجود در آنها در شکاف ها باقی می ماند.
میزان اشباع زیاد نفت در این شکاف ها به دلیل کم بودن ضریب جاروب در مخازن شکافدار است. عامل مهم دیگر در اشباع بالای نفت در مخازن شکافدار، این است که بدلیل فشار موئینگی آن، نفت درون حفرات نفت دوست باقی می ماند. دلیل اصلی استفاده از سیلاب زنی پلیمری در بهره برداری از چاه، کاهش روانروی آب تزریق شده به مخزن و از آنجا افزایش احتمال جاروب مخزن توسط آب می باشد. زیرا آبی که سرعت حرکت بیشتری دارد با سرعت بیشتری وارد نواحی با تراوائی بالا می شود و تاثیر کمتری در افزایش نسبت آب/نفت دارد. ولی در عین حال استفاده از پلیمر ها دارای معایب خاص خود نیز می باشد که می توان با افزودن ژل و در حقیقت استفاده از ژل پلیمرها تا حدودی این معایب را برطرف نمود.
علاوه برآن استفاده از ژل پلیمر ها نیز معایبی مانند تخریب ژل در اثر صدمات حرارتی، مکانیکی، میکروبی، تنش و غیره بهمراه دارد. در نهایت به منظور غلبه بر محدودیت های موجود در استفاده از ژل پلیمرهای موجود، نانوژل های جدیدی بر پایه پلی اکریل آمید- خاک رس (MMT) توسعه پیدا کردند و خواص آنها بصورت آزمایشگاهی تست شده و جهت استفاده در سیلاب زنی پلیمری مورد استفاده قرار گرفتند. اینگونه نانوژل ها در مقایسه با ژل پلیمرهای معمولی نتایج مناسبی در تست های حرارتی، مقاومتی و مکانیکی از خود نشان دادند. این نانوژل ها می توانند از محلول آبی با غلظت کم تا یک جامد الاستیک طبقه بندی شوند و یا بعنوان عامل مسدود کننده شکاف ها و یا انواع منحرف کننده ها مورد استفاده قرار گیرند [5].
2-3- استفاده از نانوذرات
کنترل جریان سیال، یکی از مهمترین فاکتورها در استخراج سیالات هیدروکربنی می باشد. در این حالت جبهه جلوئی سیال تزریق شده باید تا حد امکان یکنواخت حرکت کند تا بتواند بصورت مناسب به درون سازند نفوذ کند. محققان به منظور بهبود این پروسه موفق به تولید عوامل سطحی و غیر نفوذ کننده بر پایه نانوذرات شده اند که می توانند میزان جریان را در عملیات استخراج و تولید بهبود دهند. در این حالت به نانوذراتی نیاز است که:
1) به هیچ وجه به بدنه ماتریس سازند نچسبد.
2) در غلظت های بسیار پائین نیز قابل شناسائی باشد
3) بتوانند سبب تغییر شکل سیال درون حفره شود
4) بتواند سبب تغییر کشش سطحی بین هیدروکربن و آب شور و یا مابین سیال و سطح سنگ مخزن گردد [6].
همچنین محققان دانشگاه MIT به تازگی کشف کرده اند که افزودن نانوذرات مغناطیسی که آب را دفع می کنند می توانند در صورت مخلوط شدن با نفت، و در نهایت با استفاده از یک آهنربای قوی، سبب جداسازی آسان مخلوط نفت و آب شوند و این امر در پروسه تولید و بهره برداری از مخازن نفتی نقش بسیار مهمی را ایفا می کند. این پروسه باید خارج از مخازن بازیافت نفت صورت گیرد تا از آلودگی محیط توسط نانوذرات جلوگیری شود. مطابق تحقیقات دکتر Zhan، این پروسه که در آن از ferrofluid ها استفاده می شود- سیالاتی که دارای نانوذرات مغناطیسی هستند- نتایج بسیار مثبتی نشان داده است. در این پروسه مخلوط آب و سیال را از درون کانال عبور داده و در خارج از کانال نیز از یک آهنربای مناسب جهت هدایت به درون مکان مورد نظر قرار می دهند تا عملیات جداسازی به شکل بسیار مناسبی انجام گیرد. از جمله کاربردهای مهم دیگر نانوذرات 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 رهایش نفت خام می شوند [7].
2-4- 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 حالت کلی سورفکتانت ها را اینگونه تعریف می کنند که مواد فعال سطحی و دارای یک سر آبدوست ویک دم آبگریز می باشند. این مواد با توجه به خصوصیت آبدوستی یا آبگریزی سایر مواد، از جهت مناسب خود به آنها متصل شده و از سر دیگر آزاد باقی می مانند و سبب تغییر خواص سطحی آنها می گردند [8].
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 سر 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 [9]. در غلظت های نسبتا بالا، مولکول های سورفکتانت در حالت توده ای یا بالک تجمع می کنند تا به کمترین میزان نسبت حجم به سطح رسیده و از لحاظ ترمودینامیکی پایدارتر شوند. در این حالت کره هائی به شکل گلبول تشکیل می شوند که مایسل نام دارند. در مایسل ها، سرهای آبدوست سورفکتانت ها به سمت سطح کره و سرهای آبگریز یا نفت دوست به سمت مرکز کره جهت گیری شده اند.
شکل 2 - انواع سورفکتانت بر اساس نوع دم [9]
بنابر این سطح مایسل تشکیل شده آبدوست، و درون آن آبگریز می باشد. در حالت عادی ابعاد و جهت گیری اغلب سورفکتانت ها به گونه ای است که مایسل هائی با ابعاد نزدیک به 10-2 نانومتر ایجاد می کنند. معمولا این پدیده در سورفکتانت های غیر یونی رخ می دهد. همچنین زمانیکه از سورفکتانت های آنیونی استفاده شود، سطح مایسل تشکیل شده دارای بار منفی و زمانیکه از سورفکتانت های کاتیونی استفاده گردد، سطح مایسل تولیدی دارای بار مثبت می باشد. در محلول هائی که دارای آلودگی باردار خاصی بوده و یا نیاز است در آنها جداسازی صورت پذیرد از مایسل های با بار متضاد استفاده می شود. بنابراین سورفکتانت های کاتیونی برای جداسازی آلودگی های آنیونی، و سورفکتانت های آنیونی برای جداسازی آلودگی های کاتیونی بکار می روند.
در خصوص آلودگی های غیر یونی نیز این مواد می توانند درون هسته آبگریز مایسل حل شوند. مایسل های با ابعاد بزرگتر نیز به اصطلاح نانوکلوئید نامیده می شوند [10]. هدف اولیه از استفاده از سورفکتانت ها در عملیات استخراج و تولید از مخازن،کاهش کشش سطح و بهبود عملیات جداسازی سیال، تصحیح ترشوندگی سنگ مخزن و تبدیل آن از حالت نفت دوست به آبدوست که خود سبب تسهیل فرآیند جداسازی سیال هیدروکربوری از سازند می گردد، و نیزکاهش ویسکوزیته نفت می باشد. در عین حال این امر سبب متورم شدن وافزایش قطر و فضای بین لایه ها با استفاده از عرض زنجیره های طویل سورفکتانت می شود که به نوبه خود مسیر های فیلتراسون سیال را مسدود می کند. همچنین سورفکتانت های با ابعاد بزرگ به دلیل ساختار نامناسب در فواصل ابتدائی سازند جذب شده و یا تاثیر معکوسی بر ترشوندگی دارند. بنابراین برخی خصوصیات این مواد 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. امروزه استفاده از نانوسورفکتانت ها به دلیل اندازه کوچکتر و سطح فعال بیشتر سبب بهبود فرآیند استفاده از این مواد گردیده است.
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. این مواد بصورت گسترده ای بر روی کشش سطحی سیال مخزن اثر گذاشته و میزان گرانروی آن را کاهش می دهند. در این حالت سیالی که گرانروی آن در داخل مخزن و چاه کاهش یافته باشد، سبکتر شده و بهتر در مسیر خروج از چاه جریان یافته و از سایر مواد موجود در چاه جدا می گردد. مطالعات نشان می دهند که سورفکتانت ها بر روی نانوکمپلکس ها و ترکیبات پیچیده موجود در چاه تاثیر گذاشته و ساختار مخزن را تغییر می دهند. در این حالت توانائی نفوذ سورفکتانت در بین لایه های سازند امری بسیار مهم می باشد [11].
بحث و نتیجه گیری:
در این مقاله مروری بر کاربرد ها و نقش فناوری نانو در زمینه استخراج و تولید مخازن هیدروکربوری انجام گرفته است. در ابتدا به اختصار روش ها مرسوم جداسازی 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 با استفاده از نانو فناوری که نگرشی نوین در چینش و ساختار ماده بوده و سبب بهبود خواص آن می گردد، می توان 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 می توان با استفاده از نانوذرات، نانوسورفکتانت ها، نانوغشاءها و نانوژل ها میزان بازده فرآیند جداسازی در مخازن را تا حد زیادی بهبود بخشید.
منابـــــع :
[*=left] 1. Ravanchi, M.T., Kaghazchi, T., Kargarib, A. “Application of membrane separation processes in petrochemical industry: a review”, Desalination, Vol. 235, pp.199-244, (2009).
[*=left] 2. http://www.filtsep.com/view/717/what-is-nanofiltration/
[*=left] 3. Hussain, A.A., Al-Rawajfeh, A.E. “Recent Patents of Nanofiltration Applications in Oil Processing, Desalination, Wastewater and Food Industries”, Recent Patents on Chemical Engineering, Vol. 2, pp. 51-66, (2009).
[*=left] 4. Ulanski, P., Kadlubowski, S., Jeszka, J. K. “Nanogel formation by intrachain radiation-induced cross-linking. Simulation and experiment”, Materials Science-Poland, Vol. 24, pp. 467-476, (2006).
[*=left] 5. http://www.ripi.ir/congress13/improved oil.pdf
[*=left] 6. http://www.kaust-cu.cornell.edu/research/enhanced_oil_and_natural_gas_recovery.cfm
[*=left] 7. http://phys.org/news/2012-09-surprisingly-simple-effective-method-magnetically.html
[*=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. http://en.wikipedia.org/wiki/Surfactant
[*=left] 10. http://nptel.iitm.ac.in/courses/103105060/Sde_pdf/Module-06.pdf
[*=left] 11. 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).
