بررسی کاربردهای فناوری نانو در آنالیزگرهای نوین صنایع بالادستی نفت

تجهیزات آنالیز در صنایع بالا دستی نفت

فرآیندهای صنایع نفتی اعم از بالادستی و پایین دستی وابستگی زیادی به تجهیزات آنالیزی دارد. کمتر فرایندی را در صنایع نفت می­توان یافت که بدون وجود دستگاه های آنالیزی در آزمایشگاهها، کیت­های آنالیزی برخط و حسگرها قابل پیاده سازی باشد.

در این میان، استفاده از تجیهزات آنالیزگر در صنایع بالادستی نقش مهمی را در حفظ میزان تولید نفت از مخازن نفتی بر عهده دارد. علاوه بر کاربردهای مرسوم تجهیزات آنالیزی، استفاده از این تجهیزات در مدیریت مخزن مقوله جذاب و جدیدی است که مورد توجه شرکت­های بزرگ نفتی قرار گرفته است.

یکی از مباحث روز صنایع بالادستی نفت، افزایش طول عمر مخازن نفتی به کمک شیوه­های موسوم به مدیریت مخزن است. عمده­ترین اهداف مدیریت مخزن افزایش تولید نفت و گاز، افزایش ذخایر قابل استحصال نفت و گاز در کنار کاهش هزینه­های تولید است.

یکی از الزامات رسیدن به اهداف مدیریت مخزن، شناخت دقیق و کامل شرایط حاکم بر مخزن و امکان پیش بینی رفتار مخازن نفتی در آینده است.

از این منظر، فناوري نانو می­تواند به کمک نانو حسگرها به مدیریت مخزن کمک کند. با ساخت نانوحسگرهاي جديد مي­توان اطلاعات بسيار دقيقي از مخزن و شرایط آن بدست آورد. از قابليت­هاي فناوري نانو مي­توان به ساخت ابزارهاي مورد استفاده در انجام آزمايش چاه­ها مانند ابزارهاي اندازه­گيري فشار و دما اشاره كرد. ساخت ابزارهاي حافظه دار نمونه­گيري درون چاه براي انجام آزمايش­هاي PVT و ساير آزمايش­ها و نيز ساخت نانوابزارهاي آزمايش سيالات مخزن و نمونه گيري از سنگ مخزن از ديگر قابليت­هاي فناوري نانو در مهندسي مخزن است.

همچنین فناوری نانو در ساخت بهتر تجهیزات آنالیزی مرسوم از جمله ساخت انواع سنسورها، حسگرهای گازی و ستون­های دستگاه­های کرومتوگرافی کاربردهای فراوانی دارد که توسط کمپانی های  بزرگ توسعه یافته و به بازار عرضه شده است.

استفاده از فناوری نانو در ادوات آنالیزی در مخازن نفتی

بزرگترین پروژه پژوهشی میان صنایع نفتی و دانشگاههای جهان تحت عنوان کنسرسیوم انرژی پیشرفته[1] (AEC)  هدف توسعه استفاده از نانو ادوات آنالیزی درون مخازن نفتی در سال 2008 تشکیل شد. این کنسرسیوم توسط دفتر زمین شناسی اقتصادی[2] آمریکا شروع شد و هدف آن استفاده از دانش کاربردی فناوری نانو و اختصاصاً نانو و میکرو حسگرها در صنایع بالادستی نفت بوده است. ماموریت نهایی این کنسرسیوم ایجاد تغییر اساسی و مثبت در افزایش برداشت نفت از مخازن است به طوریکه این فناوری چهره این صنعت را با تغییرات کلی روبرو کند. در این کنسرسیوم بیش از 26 دانشگاه و موسسه تحقیقاتی برتر و  بیش از 10 شرکت بزرگ نفتی جهان حضور دارند.

شرکت­های عضو کنسرسیوم انرژی پیشرفته

مهمترین شرکت­های عضو این کنسرسیوم کمپانی بیکر هیوز[3]، رویال داچ شل[4]، کنکو فلیپس[5]، شلامبرژه[6]، انی[7]، شورون[8] ، بی پی[9]، بی جی گروپ[10]، هالیبرتون[11]، رپسول[12]و پتروبراس[13] است. همچنین دانشگاه­های مطرح جهان از جمله هاروارد، میشیگان، تکزاس آستین، تکزاس رایس، اوکلاهما، نیومکزیکو، نورث وسترن، بوستون، کلتک کالگری کانادا، آلبرتا و بسیاری از دانشگاه­های مطرح دیگر از کشورهای آمریکا، کانادا، برزیل، انگلستان و هلند در این طرح حضور دارند. بنا به اعلام، با حمایت این کنسرسیوم تاکنون بیش از 28 پروژه فعال با بودجه بیش از 50 میلیون دلار آغاز شده است.

دانشگاه­ها و نهادهای تحقیقاتی عضو کنسرسویم انرژی پیشرفته

کاربردهای فناوری نانو در صنایع مخازن نفتی

زمینه­های کاربرد

به دلیل شرایط پیچیده، شناخت کامل رفتار مخزن نفتی نیاز به اطلاعات بسیار زیادی دارد. شناخت شرایط فیزیکی و شیمایی مخزن، نوع شکاف و نحوه پخش آن­ها در مخزن، شناخت رفتار مخزن در هنگام سیلاب زنی سیالات و داشتن اطلاعات بر خطی که تصویر دینامیکی نسبت به زمان را برای تیم عملیات به تصویر بکشد، شرایط ایده­آلی است که مدیریت صحیح مخزن را امکان پذیر می­کند.

بر این اساس سه دسته از نیازهای اصلی­ای که نانوحسگرها می­توانند به آن پاسخگو باشند را می­توان به صورت زیر خلاصه کرد:

• امکان تعیین خواص فیزیکی و شیمیایی سنگ و سیالات مخزن در داخل مخزن. داشتن اطلاعات از خواص فیزیکی شامل فشار، دما، تنش و کرنش در سنگ مخزن، تراوایی و تخلخل (شامل اندازه حفره و توزیع اندازه حفره) و همچنین خواص شیمیایی همچون تعیین میزان وجود انواع سیالات اعم از هیدروکربن­ها، آب و گازها و سایر ناخالصی­ها، نوع هیدروکربن­ها، ویسکوزیته سیالات و pH از اهمیت بالایی برخوردار است.
• تعیین توزیع سه بعدی نحوی پخش سیالات و تعیین مرز سازندهای سنگی مختلف در مخازن.
• تهیه نقشه­ای دینامیک (نسبت به زمان) از سیالات داخل مخزن (شامل نقشه جریان سیالاتی و محل شکاف­های سازندها در درون مخزن) با هدف داشتن تصویری بر خط از مخزن.

چالش­ها

پاسخ­گویی به اهداف ذکر شده کاری مشکل و پیچیده بوده و نیاز است که چالش­های مهمی رفع شود. این چالش­های عبارتند از:

• تحرک: نانو مواد مورد استفاده باید قابلیت حرکت در مخازن ناهمگن و همچنین در محیط چند فازی را در وسعت چند کیلومتر داشته باشند.
• امکان ارتباط از راه دور: به واسطه توسعه فناوری نانو آنتن­ها، سنسورهای درون مخزن باید قابلیت ارتباط با محیط بیرون مخزن را داشته باشند.
• امکان موقیعیت یابی: همچون سیستم­های موقعیت­یابی، برای نانو سنسورها داخل مخزن نیز باید امکان تعیین دقیق موقعیت جغرافیایی باید بوجود آید.
• امکان ساخت سیستم های میکرو الکترومکانیک (MEMS) و نانو الکترو مکانیک (NEMS) به عنوان سامانه های حسگر که قادر باشند تا مدتهای طولانی در شرایط سخت به درستی کار کنند و
• امکان تولید و ساخت دستگاهها و مواد در مقیاس بالا برای بکارگیری در مخازن.

راه حل­ها

برای مواجهه با چالش­های فوق  و عملیاتی نمودن استفاده از نانو حسگرها در مخازن نفتی در چهار زمینه پروژه هایی در حال انجام است. مهمترین پروژه­هایی که از طرف کنسرسیوم انرژی پیشرفته برای پاسخ به چالش­های پیش رو تعریف شده عبارت است از:

• مواد با قابلیت تحرک در داخل مخازن نفتی: نانو مواد جهت داشتن تحرک در مخزن نفتی باید هم از نظر اندازه به گونه­ای باشند که بتوانند در خلل و فرج مخزن حرکت کند و هم از نظر خواص بگونه­ای باشد که بتواند در برهمکنش با سیالات مخزن قابلیت حرکت خود را از دست ندهد.
• عامل ایجاد کننده کنتراست جهت تصویر برداری از مخزن نفتی: لرزه نگاری، پرتو نگاری روش­هایی هستند که برای تعیین وضعیت مخزن و ایجاد تصویری سه بعدی از آن به کار گرفته می­شود. در مفهوم جدید، با الهام از روش­های پزشکی، با استفاده از نانو موادی که در داخل مخازن نفتی پخش می­شود و با قرار دادن یک فرستنده و گیرنده امواج در دو بخش مخزن، امکان شناخت نوع سازند مخزن و نقشه حرکت جریان­ها در مخزن ایجاد میشود. در شکل زیر اصول این روش نشان داده شده است.

• ساخت نانو مواد مناسب برای حسگرها: برای ساخت میکرو و نانو حسگرها نیاز به نانو مواد و سامانه­هایی است که به کمک آن بتوان انواع اندازه­گیری­ها از جمله فشار، دما، نوع ماده و غیره را انجام داد. از نانو مواد به دلیل حساسیت بسیار بیشتر نسبت به سایر ساختارهای مواد می­توان به مقادیر بسیار کم استفاده کرد که این موضوع عاملی اصلی در ساخت سیستم­های حسگر در ابعاد میکرو و نانو است.
• میکرو سامانه های حسگر: به پشتوانه قابلیت نانو مواد، ساخت سامانه­های حسگر در ابعاد میکرو در دسترس قرار گرفته است. به کمک میکرو حسگرها و تولید آن در حجم انبوه امکان جمع آوری اطلاعات از سراسر مخازن نفتی ممکن می­شود.

سامانه حسگر فشار ساخته شده با نانو مواد جهت استفاده در مخازن نفت

سرفصل  فعالیت­های تحقیقاتی کنسرسیوم انرژی پیشرفته

فناوری های به ثبت رسیده

هر چند توسعه فناوری نانو در این حوزه در چند سال اخیر مورد توجه بوده است، اما تعدادی از شرکتهای بزرگ فعال توانسته­اند فناوری های خود را در این زمینه توسعه دهند که بعضی از این موارد به شرح زیر است:

• فناوری تعیین ساختار سازند به کمک امواج الکترو مغناطیس[14]

این پتنت که توسط شرکت شلامبرژه  در سال 2014 فایل شده است، با الهام از تصویر برداری بدن انسان، با تزریق نانو سیالات به مخزن و قرار دادن یک فرستنده درون چاهی و گیرنده در چاه دیگر، نوع ساختار سازند و جریانهای سیالات درون مخزن را با تصویر برداری، تعیین می­کند.

در این فناوری از یک فرستنده و دریافت کننده فرکانس الکترومغناطیسی با فرکانس­های کوتاه (کوچکتر یا مساوی با 10 هرتز) در درون چاه استفاده می­شود. جهت امکان تصویر برداری، یک نانو سیال مغناطیسی حاوی نانوذرات با ابعاد کوچکتر از100 نانومتر به درون سازند تزریق می­شود. گیرنده و فرستنده الکترومغناطیسی می­تواند به صورت­های مختلف قرار بگیرد به طور مثال گیرنده و فرستنده در داخل چاه است و یا فرستنده در مخزن و دریافت­کننده الکترومغناطیسی بر روی سطح باشد و یا می­تواند برعکس قرار گیرد. فاصله گیرنده و فرستنده­های الکترومغناطیسی می­تواند تا 1000 متر از هم باشد. شماتیکی از این فرایند در شکل زیر نشان داده شده است:

• فناوری مشخصه یابی خواص سیالات درون چاهی به کمک نانو ساختارها[15]

این فناوری که توسط شرکت بیکرهیوز در سال 2013  در قالب پتنت به ثبت رسیده، در مورد ساخت یک دستگاه و روشی برای برآورد مجموعه ای از پارامترهای یک سیال درون چاهی مانند ترکیب شیمیایی، چگالی، هدایت گرمایی، هدایت الکتریکی، ظرفیت الکتریکی، فشار، سرعت جریان، تراوایی مغناطیسی و گذردهی الکتریکی به کمک تجزیه و تحلیل تغییرات امپدانس (مقاومت ظاهری الکتریکی) است.

میزان تغییرات در امپدانس  به کمک یک نانو ساختار استخراج می­گردد. این فناوری از سه جز اصلی تشکیل شده است که عبارتند از یک نانو ساختار و یک پردازنده تغییرات امپدانس، یک واحد تجزیه و تحلیل سیال  و یک منبع تغذیه جریان متناوب  برای تامین سیگنال­های الکتریکی. در این فناوری با قرار گرفتن این سامانه در مخزن، سیال درون چاهی در تماس با نانو مواد قرار می­گیرد و پس از ارسال سیگنال­های الکتریکی با فرکانس­های زیاد، پاسخ به سیگنال­های الکتریکی در پردازنده مورد تحلیل قرار گرفته و پس از مطابقت با مقادیر مرجع، خواص مختلف ذکر شده برای سیال داخل مخزن تعیین می­شود.

نانو ساختارها می­تواند در اشکال مختلف از جمله نانو فیبر، نانو لوله و یا نانو ذرات باشد. همچنین مواد نانویی می­تواند از جنس کربن، ساختارهای گرافنی و یا فلزاتی چون نیکل، طلا، سیلیکون باشد. شمای زیر نشان دهنده محل قرار گرفتن منبع تغذیه، واحد پردازنده و جمع آوری کننده اطلاعات است.

• فناوری تحلیل مغزه سنگ مخزن به کمک نانو سی تی اسکن[16]

این فناوری که توسط شرکت شلامبرژه  در سال 2011 ارائه شده در مورد نقشه برداری  سه بعدی از  نمونه های سنگ مخزن به کمک اشعه ایکس با تکنیک نانو توموگرافی یا نانو سی تی اسکن است. روش نقشه برداری سه بعدی از مواد معدنی یک نمونه سنگ به کمک تکنیک نانو سی تی این امکان را می­دهد که ساختار نمونه را در ابعاد میکرو و نانو بدون نیاز به سایر تکینک­ها تعیین کرد. همچنین به کمک تکنیک­های پراش اشعه ایکس مواد معدنی موجود در مخازن را مشخصه یابی نمود.

• فناوری حسگرهای هیدروژن خود تمیز کننده

در این فناوری قابلیت خود تمیز شوندگی در نانو حسگرهای هیدروژن (به عنوان یکی از مهمترین حسگرهای مورد استفاده در صنایع نفت و گاز) ایجاد شده است. این حسگرها از جنس نانو لوله تیتانا هستند که توسط یک لایة غیرپیوسته­ای از پالادیوم پوشانده شده­اند. نانو لوله تیتانا به دلیل داشتن مقاومت الکتریکی، خواص فوتوکاتالیستی مناسبی در مقایسه با دیگر فرم­های این نانوذارت دارند. این نانو ذرات قادر به حذف مقدار قابل توجهی از آلودگی­ها مانند دود، روغن­ها و دیگر مواد آلی به کمک اشعه ماورای بنفش هستند به طوری که حسگرهای آلوده در معرض نور می­توانند پس از گذشت مدت زمانی اندک به حالت اولیه خود برگردند. قابلیت خود تمیزشوندگی باعث افزایش طول عمر حسگرها و به خصوص دقت آن­ها در اندازه­گیری­ها می­شود.

• حسگرهای جدید در خدمت بهبود استخراج نفت

تحقیقات اخیر مرکز مطالعات انرژی آمریکا نشان داده است که به دلیل عدم اعتماد به  داده­های حسگرهای قدیمی دورن چاهی تحت دما و فشار بالای مخازن نفت و گاز و عدم وجود اطلاعات کامل و صحیح از وضعیت دقیق مخازن، استخراج نفت در دو سوم از چاه­های نفت آمریکا اقتصادی نیست.

به همین دلیل پروژه­ای در دانشگاه ویرجینیا در حال انجام است که بر روی تولید نانو حسگرهای جدید و ارزان قیمت از فیبرهای نوری برای اندازه­گیری فشار، دما، جریان نفت و … در چاه­های نفت تمرکز دارد. این حسگرها به دلیل اندازه کوچک و عدم تداخل در امواج الکترومغناطیسی ارسالی، قابلیت استفاده در دما و فشار بالای حفاری­های مختلف اعم از افقی و عمودی، دریایی و خشکی را دارند. یکی دیگر از مزایای این نوع حسگرها، قابلیت تعویض ­آن­ها بدون اختلال در فرایند تولید نفت است. تعویض حسگرهای قدیمی میلیون­ها دلار هزینه دربردارد، که به کمک این حسگرها می­توان به مقدار زیادی این هزینه را کاهش داد.

[1] Advanced Energy Consortium

[2] Bureau of Economic Geology

[3] Baker Hughes

[4] Royal Dutch Shell

[5] ConocoPhillips

[6] Schlumberger

[7] Eni

[8] Chevron

[9] British Petroleum (BP)

[10] British Gas

[11] Halliburton

[12] Repsol

[13] Petrobras

[14] US2014239957: Using low frequency for detecting formation structures filled with magnetic fluid, Assignee: CHLUMBERGER

[15] US2013013211: CNT fiber based impedance spectroscopy for characterizing downhole fluids, Assignee: BAKER HUGHES.

[16] US2014376685: A method for 3d mineral mapping of a rock sample, Assignee: SCHLUMBERGER.