اخبار صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی

کاربرد فناوری نانو در صنایع نفت و فرآیندهای ازدیاد برداشت نفت خام

فرآیندهای ازدیاد برداشت نفت خام

در طول عمر یک مخزن نفتی می­توان در طی سه دوره نفت خام را استخراج نمود. در مرحله اول نیروهای طبیعی درون خود مخزن باعث تولید نفت از درون چاه می­شود. عوامل مختلفی در طی این دوره در تولید نفت خام و سرازیر شدن نفت به سمت چاه تولیدی نقش دارند.

شکل بدون شماره در متن جهت استفاده تزئینی در این بخش از مطالب

با گذشت زمان و با تولید نفت، افت فشار در یک مخزن نفتی ایجاد می­شود که به منظور تثبیت فشار و ادامه تولید نفت، سیالاتی به درون مخزن تزریق می شود. در این مرحله که به مرحله ثانویه شهرت دارد، تزریق به دو صورت تزریق آب و یا تزریق گاز انجام می شود. پس از این مرحله و برداشت بیشتر نفت از مخزن، فشار درون مخزن دچار افت بیشتر شده بطوربکه دیگر با روش­های معمول ذکر شده نمی­توان نفت را برداشت کرد. به همین دلیل در مرحله سوم روش­های مختلفی به منظور افزایش تولید نفت مورد استفاده قرار می­گیرد که به روشهای ازدیاد برداشت نفت خام یا Enhancement Oil Recovery که  به اختصار EOR گفته می شود، معروف هستند. در این مرحله از روش های مختلفی از جمله تزریق امتزاجی/ غیرامتزاجی گاز، روش های حرارتی، روش های شیمیایی و یا روش­های نوین (مانند روش­های میکروبی و غیره) برای ازدیاد برداشت نفت استفاده می شود. انتخاب روش مناسب ازدیاد برداشت نفت خام به متغییرهای زیادی از جمله شرایط دوره­ی عمر مخزن، نوع نفت خام درون مخزن، نوع سنگ مخزن، در دسترس بودن سیال تزریقی و … بستگی دارد.

استفاده از مواد شیمیایی در فرآیندهای EOR یکی از روش­های متداول است. در این روش، موادی از جمله پلیمرها، مواد فعال سطحی و حلال­ها و ترکیبات مختلف شیمیایی به منظور تزریق به درون چاه جهت کاهش کشش سطحی دو فاز، ایجاد یک نسبت پویایی مناسب و بهبود تحرک نفت خام در مخازن مورد استفاد قرار می­گیرند.

روش­های شیمیایی دارای پتانسیل زیادی در فرآیندهای EOR هستند زیرا توانایی افزایش بازدهی برداشت نفت خام را دارند. اما استفاده از این مواد خالی از اشکال نیست. زیرا این فرآیندها پیچیده و هزینه بر بوده و عمدتاً با کاهش تراوایی پس از سیلابزنی همراه هستند و اتلاف مواد تزریقی در این روش ها معمولاً زیاد است. به همین دلیل تنها در صورت وجود توجیه اقتصادی، قابلیت استفاده از این روش­ها وجود دارد.

شکل بدون شماره در متن جهت استفاده تزئینی در این بخش از مطالب

اهمیت فناوری نانو در صنایع نفت و گاز

در سال­های اخیر با گسترش علم نانو، شرکت­های بزرگ نفتی سعی در استفاده از فناوری نانو در بخش­های مختلف صنایع نفت و گاز دارند. پتانسیل­های زیاد فناوری نانو باعث شده است که بخش فراوانی از فعالیت­های تحقیق و توسعه کمپانی های بزرگ نفتی به استفاده از فناوری نانو معطوف شود.

بر اساس رصد فناوری­ که به سفارش ستاد توسعه فناوری نانو با موضع “بررسی فعالیتهای ده شرکت برتر نفتی جهان[1] در حوزه فناوری نانو” انجام شده است، مشخص گردید که این شرکتها در مجموع 835 پتنت در حوزه فناوری نانو و صنایع مختلف نفتی (بالادستی و پائین دستی) در ادارات مختلف ثبت اختراع در سراسر جهان ثبت نموده اند که نشان دهنده اهمیت فناوری نانو در حوزه­های مختلف صنایع نفت و گاز است. سهم هر شرکت از پتنت­های مرتبط با فناوری نانو و دارای کاربرد در حوزه صنایع نفت و گاز در نمودار 1 قابل مشاهده است.

نمودار 1: سهم شرکت­های بزرگ نفتی از پتنت­های مرتبط با فناوری نانو و دارای کاربرد در صنایع نفت و گاز

بر اساس اطلاعات استخراج شده از پتنت­های فوق، تعداد پتنت­هایی که در حوزه صنایع بالا دستی و پایین دستی نفت به ثبت رسیده است تقریبا برابر بوده است که بیانگر اهمیت فناوری نانو در هر دو حوزه بالا دستی و پائین دستی است.

پتانسیل­های فناوری نانو در ازدیاد برداشت نفت

چند سالی بیش نیست که استفاده از فناوری نانو در فرآیندهای ازدیاد برداشت نفت مورد توجه قرار گرفته است، اما در این مدت کوتاه به یکی از اولویت­های کاربردی فناوری نانو در صنایع بالا دستی نفت تبدیل شده است. استفاده از نانو مواد به منظور ازدیاد برداشت نفت جزء روش­های نوین ازدیاد برداشت تقسیم­بندی می­شود. نانوذرات به دلیل توانایی­ها و پتانسیل­های مختلفی که دارند می­تواند یک کاندیدای مناسب به منظور استفاده در فرایندهای ازدیاد برداشت نفت باشند. به عنوان مثال اکثر روش­های شیمیایی دارای کاهش تراوایی شدید پس از تزریق هستند و با رسوب در درون سنگ مخزن باعث بسته شدن خلل و فرج سنگ مخزن می­شوند. اما نانوذرات به دلایل زیر دارای کاربرد در فرآیندهای ازدیاد برداشت هستند:

  • اندازه کوچک این مواد که باعث ورود آسان آنها به خلل و فرج سنگ مخزن شده و بدون به دام افتادن، نفت را از درون خلل و فرج خارج می کند.
  • قابلیت تغییر خواص سیال پایه و ایجاد یک نسبت پویایی مناسب در آن
  • توانایی پایدارسازی امولسیون­ها
  • انتقال سریع و بهتر گرما در روش­های حرارتی
  • سازگازی بیشتر با محیط زیست نسبت به سایر مواد شیمیایی
  • تحمل دما و فشار بالا به دلیل مقاومت بیشتر در برابر تخریب نسبت به بقیه مواد

کاربرد فناوری نانو در فرآیندهای ازدیاد برداشت نفت

بر اساس تحلیل پتنت انجام شده، از میان پتنت­های مربوط با فناوری نانو در حوزه بالا دستی صنایع نفت، تعداد حدود 8% از پتنت­ها مرتبط با کاربرد فناوری نانو در فرآیندهای ازدیاد برداشت نفت بوده است. با توجه به گسترده بودن حوزه کاربرد فناوری نانو در صنایع نفت و گاز این میزان (8 درصد) سهم بالایی محسوب می­شود. همچنین باید در نظر داشت که در دسته بندی زیر تنها پتنت­هایی که کاربرد مستقیم در EOR داشته لحاظ شده است و بسیاری از پتنت­های مرتبط با تولید نفت و گاز (Oil and gas production) نیز که کاربردهای غیر مستقیمی در فرآیندهای ازدیاد برداشت دارند در دسته دیگری قرار گرفته­اند (نمودار 2).

نمودار 2: سهم فناوری نانو در بخش­های مختلف صنایع بالا دستی نفت (برگرفته از پتنت­ها)

در میان شرکت­های بزرگ نفتی 7 کمپانی بیکر هیوز[2] ، رویال داچ شل[3] ، کنکو فیلیپس[4]، شلامبرژر[5]، انی[6]، شورون[7] و بی پی[8] دارای پتنت­هایی هستند که در آن از نانو مواد در فرآیندهای EOR استفاده شده است. نمودار 3 نشان دهنده سهم هر کدام از شرکت­های مذکور در این حوزه است.

نمودار 3: سهم هر شرکت از پتنتهای فناوری نانو و EOR.

فناوری و نوع مواد مورد استفاده در فرآیندهای ازدیاد برداشت نفت

راهبردهای شرکت­های مختلف برای استفاده از فناوری نانو در این حوزه با توجه به نیاز آنها بسیار متفاوت بوده است. به تبع آن بر اساس اهداف مختلف این شرکت­ها نانو ساختارهای مورد استفاده نیز با هم تفاوت­های زیادی داشته است. از انواع نانو ساختارهای مختلفی که در این حوزه مورد استفاده قرار گرفته است، می­توان به نانو ذرات کلوئیدی، نانو ذرات فلزی و یا اکسید فلزی، انواع نانو ساختارهای سیلیکایی، نانو ذرات غیر آلی، نانو ساختارهای آلومینا، نانو لوله کربنی، غشاهای نانو ساختار و نانو ساختارهای کاتالیستی اشاره کرد.

فعالیت­هایی که این شرکت­ها در این حوزه انجام داده اند بسیار متنوع بوده است که از جمله آن­ها می­توان به موارد زیر اشاره نمود:

  • استفاده از فناوری نانو فیلتراسیون برای تصفیه آب و کنترل شوری آن برای تزریق درون مخزن

تزریق آب به درون مخزن نفتی یا همان سیلابزنی با آب که به منظور تامین فشار و ایجاد نیروی لازم برای برداشت نفت از مخزن مورد استفاده قرار می­گیرد، یکی از متداول­ترین روش­های ازدیاد برداشت نفت است. در این فرآیند تامین آب با درصد شوری مناسب برای تزریق به صورت تنها یا همراه با سایر مواد شیمیایی مانند مواد فعال سطحی، عاملی مهم در این فرایند است. در این فناوری­یی که در سال 2007 توسط شرکت بی پی به ثبت رسیده است[9]، از نانوفیلتراسیون برای تهیه آب و یا کاهش شوری و حذف یون­های دوظرفیتی موجود در آن استفاده شده است. در این فناوری دو فرایند اسمز معکوس و نانو فیلتراسیون استفاده میشود و  این امکان را می­دهد که آب تزریق با شوری مناسب و بدون حضور یون­های سنگین بدست آید. آب مصرفی در این مراحل می­تواند آب دریا، آب رودخانه، آب بدست آمده از خود مخزن نفتی، آب فاضلاب، سفره­های آب زیرزمینی و  یا تمامی آب­های غیر قابل شرب باشد. این فناوری می­تواند نقش مهمی در کاهش اثرات مخرب زیست محیطی و استفاده از آب­های غیر قابل استفاده به منظور تزریق به درون مخزن و برداشت نفت و کاهش هزینه ایفا کند. یکی دیگر از شرکت­های بزرگ نفتی که به استفاده از این فناوری به منظور حذف مواد جامد موجود در آب و کنترل شوری آن روی آورده است، شرکت رویال داچ شلاست. این شرکت از نانوفیلتراسون، میکروفیلتراسیون و اسمز معکوس به منظور کاهش سختی آب، حذف یون­های چند ظرفیتی موجود در آن و کنترل شوری آن استفاده کرده است[10]،[11]،[12].

  • استفاده از فناوری نانو فیلتراسیون جهت جداسازی و بازیابی پلیمرها در سیلاب زنی پلیمر

فناوری دیگری که توسط شرکت بی پی  در سال 2010 به ثبت رسیده[13]، مربوط به استفاده از فناوری نانوفیلتراسیون به منظور جداسازی و بازیابی پلیمرها در سیلاب زنی پلیمر است. این کار منجر به کاهش هزینه­های عملیاتی طی فرایندهای تزریق پلیمر به منظور ازدیاد برداشت نفت می­شود. غشا ساخت شده در این پتنت از جنس پلی اتر سولفات[14]، پلی وینیلیدن فلوراید[15] و پلی اکریلونیتریل[16] است که دارای سایز حفراتی بین 20 تا 800 نانومتر است.

  • استفاده از نانو فیلتراسیون جهت شکستن امولسیون­های آب و نفت تشکیل شده در جریان تزریق سورفکتانت به مخزن

این فناوری که توسط شرکت رویال داچ شل در سال 2011 به ثبت رسیده است[17]، در مورد جداسازی فاز آلی هیدروکربنی از مخلوط شامل امولسیون آب و نفت است. روش کار در این فناوری به این صورت است که در ابتدا با تنظیم کردن شوری مخلوط اجازه خروج آب و فاز آلی را از امولسیون را می­دهد و در مرحله بعد نفت از فاز آبی نمکی جدا خواهد شد. فاز آبی بدست آمده در این مرحله برای موارد استفاده دیگر مانند ترکیب شدن با سورفکتانت به منظور تزریق به درون چاه برای ازدیاد برداشت نگه­داری خواهد شد.

  • استفاده از نانو ذرات به عنوان عامل تشکیل ژل در تزریق پلیمر یا استفاده از نانو ذرات در جهت کنترل سرعت تشکیل ژل

وجود شکاف­ها در بسیاری از مخازن به خصوص مخازن نفتی ایران یک امر طبیعی است. این شکاف­ها هم می­توانند نقش مثبت و هم منفی در تولید نفت از یک مخزن داشته باشند. اگر به دلیل شکاف موجود در یک مخزن، آب همراه با نفت افزایش یابد و یا در تزریق آب به منظور ازدیاد برداشت نفت هرزروی زیاد باشد، در این صورت وجود شکاف در یک مخزن نقش منفی در تولید نفت دارد و جداسازی آب از نفت بر روی سطح زمین بسیار پیچیده خواهد شد. به همین دلیل استفاده از ژل­ها پلیمری برای مدیریت آب مخزن می­تواند سودمند باشد. این ژل­ها در تماس با آب متورم شده ولی حل نمی شوند و با بستن شکاف­ها اجازه افزایش آب در مخزن را می­گیرند. ژل­های نانوکامپوزیتی با پایه پلی اکریل آمید یک از پر مصرف­ترین این مواد است. نانو کامپوزیت­ها باعث افزایش مقاومت شبکه ژل های پلیمری، افزایش تمایل به جذب آب،افزایش عمق نفوذ، افزایش مقاومت مکانیکی و پایداری حرارتی بالائی می­شوند. همچنین این گرانروی این نوع پلیمرها آب است و به همین دلیل با پمپ­های معمولی قابل تزریق به مخازن هستند.

با توجه به موارد گفته شده استفاده از این نوع ژل­ها توسط بسیاری از شرکت­های نفتی مورد توجه قرار گرفته است. در پتنتی که در سال 2012 توسط شرکت کونوکوفیلیپس فایل شده است[18]، از نانوذرات مختلف برای کنترل سرعت ژل شدگی استفاده شده است. در این پتنت برای تهیه یک ساختار پلیمری تجزیه پذیر دو روش ارئه شده است: مخلوط کردن یک مونومر، یک آغازگر، یک عامل اتصال دهنده عرضی[19] و یک عامل ژل شدگی و دیگری مخلوط کردن یک پلیمر، یک عامل اتصال دهنده عرضی و یک عامل ژل شدگی. با تجزیه ساختار پلیمری تولید شده به صورت کلی یا جزئی تحت شرایط دمایی بالا و یا تغییرات pH، عامل ژل شدگی خارج می­شود که باعث اتصال عرضی با یک پلیمر دیگر و تولید ژل جدید می­شود. این عمل  باعث افزایش زمان تجزیه و تخریب ذرات و زمان ژل شدگی می­شود. این روش در مخازن عمیق به برداشت بیشتر نفت کمک می­کند. شکل زیر بیانگر مراحل ساخت یک نانوژل اصلاح شده سطحی است.

  • استفاده از نانوسیالات هوشمند بر پایه ژل به منظور کنترل هرزروی سیال در عملیات­های سیلابزنی

با توجه به پیچیدگی شرایط یک مخزن در مناطق مختلف آن، استفاده از سیال­های هوشمند برای ایجاد یک حرکت پیستونی یکنواخت درون مخزن به منظور ازدیاد برداشت نفت بسیار مفید است. همیشه حرکت سیال از درون شکاف­ها و ترک­های موجود در یک مخزن نسبت به مسیرهای دیگر توسط سیال تزریقی در ارجحیت است. به همین دلیل برای جلوگیری از این عمل و کنترل بهتر حرکت سیال تزریقی در درون مخزن به ترتیب این شکاف­­ها باید از بزرگ به کوچک مورد توجه قرار گیرند و حرکت سیال در درون آن­ها کنترل شود. این کار باعث می­شود که در فرایندهای ازدیاد برداشت نفت سطح بیشتری از مخزن در تماس با سیال تزریقی قرار گیرد و بازدهی جاروبی[20] این فرایند افزایش یابد. ایده اصلی به کار رفته در این فناوری که توسط شرکت شلامبرژر در سال 2004 به ثبت رسیده است[21]، همگن سازی رفتار مخزن­ای است که سیالی به درون آن تزریق شده است. استفاده از سیالات برشی-ژل شوندگی[22] برای کاهش ابعاد روزنه شکاف­های بزرگ، ایده این پتنت است. در این حالت تنش­های برشی و در نتیجه نرخ تنش در مرزهای شکاف­ها بیشینه خواهد شد و در نتیجه سیال در دیواره­ها ژل خواهد شد و به همین دلیل ابعاد روزنه موثر شکاف­ها کاهش خواهد یافت و به همین دلیل هرزروی سیال نفتی کاهش می­یابد. سیال هوشمند مورد استفاده در این پتنت از طریق حل کردن یک یا چند پلیمر درون یک فاز آبی به همراه نانوذرات سیلیکا بدست می­آید. این پلیمرها شامل چندین گروه عاملی است که باعث ژل شدگی و استفاده از این پلیمرها تحت شرایط دمایی مورد نظر می­شود و به صورت قرص مورد استفاده قرار می­گیرند که به صورت ناگهانی و با سرعت زیاد به ژل تبدیل می­شوند.

سرمایه­ گذاری­ها و سایر فعالیت­های علمی و فنی شرکت­های بزرگ نفتی

هر چند فعالیت­های شرکت­های نفتی به طور کامل اعلام نمی­شود، اما از میان اخبار و اطلاع رسانی رسمی شرکت ها می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • شرکت Royal Dutch Shell و دولت عمان با سرمایه گذاری 53 میلیون دلار از سال 2014 در حال اجرای طرحی هستند که با استفاده از فناوری نانو به کمک انرژی خورشید اقدام به تولید بخار برای استفاده در فرآیندهای ازدیاد برداشت نفت حرارتی نمایند.
  • شرکت ConocoPhillips با همکاری دانشگاه کانزاس از سال 2008 پروژه ای با بودجه سالیانه 400 هزار دلار جهت شبیه سازی اثرات نانو مواد در فرآیندهای ازدیاد برداشت شروع کردند که نتایج این فعالیت­ها در قالب پتنت­هایی منتشر شده است.
  • شرکت Eni و دانشگاه MIT در سال 2013 طی توافقنامه­ای چهارساله، برنامه مشترکی را در حوزه انرژی شروع نمودند که یکی از سرفصل­های اصلی این برنامه توسعه فناوری نانو امولسیون­ها جهت استفاده در فرآیندهای ازدیاد برداشت است.

مراجع:

[1] شامل شرکت­های:

، Schlumberger، Eni، ExxonMobil، Baker Hughes، Halliburton، Royal Dutch Shell، BP، Total، ConocoPhillips.

[2] Baker Hughes

[3] Royal Dutch Shell

[4] ConocoPhillips

[5] Schlumberger

[6] Eni

[7] Chevron

[8] British Petroleum (BP)

[9] WO2007138327: Method of providing a supply of water of controlled salinity and water treatment system.

[10] US20120125611:  Water injection systems and methods.

[11] US20120227975:  Water injection systems and methods.

[12] US20130168097:  Method and system for enhancing oil recovery (EOR) by injecting treated water into an oil bearing formation.

[13] WO201090889:  Polymer recovery and recycle.

[14] Polyethersulfone

[15] Polyvinylidene Fluoride

[16] Polyacrylonitrile

[17] EP2613863: Improvements relating to hydrocarbons recovery.

[18] US20120037364: Delayed gelling agents.

[19] Crosslinker

[20] Sweep Efficiency

[21] EP1591619: Enhanced oil recovery method.

[22] Shear-Gelling

 

———————————————————————

تهیه کننده: شرکت ایده سازان عصر آفتاب

بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================

 

مطالب مرتبط
درباره رسانه نانو و صنعت

ستادویژه‌توسعه‌فناوری‌نانو معاونت علمی وفناوری ریاست جمهوری در راستای تحقق اهداف سند چشم انداز توسعه صنعتی فناوری نانوی ایران، به عنوان بخشی از اقدامات خود، امر ترویج صنعتی و مدیریتی را به منظور معرفی و بکارگیری توان داخلی و با هدف ثروت آفرینی دانش‌بنیان و تولید فناورانه، در دستور کار خود قرار داده است. بر این اساس، پایگاه اینترنتی «رسانه نانو و صنعت» ستاد ویژه توسعه فناوری نانو (رسانه تخصصی فناوری نانو در صنایع و سازمانهای کشور)، به منظور «ارائه الگوهای موفق پیشرفت ملی برای مدیران و متخصصان برتر در سازمان‌های اثرگذار، پژوهشی، تولیدی و صنعتی کشور»، «تبیین توانمندیها و دستاوردهای صنعتی نانوفناوران ایران»، و «معرفی خدمات کارگروه های صنعت، بازار، توسعه فناوری، سرمایه های انسانی، بین‌الملل و مؤسسه خدمات فناوری تا بازار»، در دسترس هموطنان گرامی قرار گرفته است.

تازه‌ترین اخبار نانو و صنعت
RSS آخرین اخبار ستاد ویژه توسعه فناوری نانو
مطالب پیشنهادی نانو و صنعت