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

[P O U R I A]

مخازن نفتی و گازی در حقیقت منابع عظیمی از سیالات هیدروکربوری هستند که دارای شرایط فیزیکی و شیمیائی خاص خود بوده و در طول کل فرآیند اکتشاف،‌ استخراج،‌ تولید و افزایش بهره برداری نیاز است تا رفتار و نیز ساختار زمین شناسی و درونی آنها تا حد امکان به خوبی شناسائی و عملیاتی که بر روی آنها انجام می گیرد، با دیدی باز و علمی تعیین گردد. مدیریت مخازن به اصطلاح به بررسی و پایش، دریافت اطلاعات صحیح از خصوصیات و رفتار مخزن و همچنین کنترل فرآیندهای ناخواسته که بعنوان مانعی بر سر راه تولید قرار می گیرند، اطلاق می شود. از آنجائیکه نانوفناوری بعنوان رویکردی جدید در جهت برطرف نمودن معایب و مشکلات در صنایع مختلف از جمله صنایع بالادستی نفت و گاز می باشد،‌ این مقاله به بررسی مفاهیم بکار رفته در مدیریت مخازن در دو حیطه پایش وضعیت چاهها با استفاده از نانوحسگرها‌ و نیز کنترل شن و ذرات نامطلوب درون چاه با استفاده از نانوغشاءها و نانوذرات می پردازد.

 

[P O U R I A]

1-مقدمه
امروزه محققان به دنبال پاسخی برای این پرسش هستند که در آینده در زمینه مدیریت مخازن چه روش هایی مورد توجه قرار خواهد گرفت و فناوری های جدید چه تغییراتی در روش مدیریت مخازن ایجاد خواهد کرد. در طول دو دهه گذشته پیشرفت های زیادی در زمینه توانایی های کاوش،‌ جمع آوری اطلاعات و توانائی های محاسباتی صورت گرفته است. همچنین با کاهش جهانی تولید نفت سبک،‌ افزایش تمرکز بر تولید نفت سنگین، گاز طبیعی چالش های جدیدی را ارائه خواهد کرد. لذا تعداد حسگرها و میزان داده ها در حال افزایش است همچنین استفاده از داده های لحظه ای و آنالیز خودکار داده ها متداول شده است. با پیشرفت فناوری هی و با ورود نانوفناوری به این حوزه، تغییرات وسیعی در تبدیل داده های جمع آوری شده به اطلاعات و از آنجا افزایش توان تصمیم گیری درست بر پایه این اطلاعات،‌ و نیز بهبود فرآیندهای تولید سیال هیدروکربوری ایجاد شده است [1]. برای مثال محققان نشان داده اند که با استفاده از نانوحسگرها می توان به اطلاعات دقیقی از خواص فیزیکی و شیمیائی و نیز ساختار داخلی مخازن دست پیدا نمود، که این امر در کنترل وضعیت چاه ها، افزایش میزان سیال برداشت شده و کنترل کیفیت آن بسیار موثر است [2]. همچنین طبق بررسی ها و مشاهدات، مهاجرت ذرات درون سازند در طول فرآیند تولید سیال هیدروکربنی همواره مشکل زا بوده و این ذرات می توانند از فواصل دور درون سازند حرکت نموده، با تجمع در نواحی دیواره چاه سبب ایجاد اختلال در فرآیند تولید شده و نیز به شکل توده ای به یکدیگر چسبیده و سبب مسدود شدن غربال های کنترل شن،‌ فرسایش موضعی آنها و نیز آسیب رسانی به پمپ ها شوند. لذا به منظور غلبه بر این معایب لازم است تا ذرات مهاجر تا حد امکان دور از دیواره چاه نگاه داشته شوند. در این زمینه نانوذرات و نانوسیالات ویژگی های بسیار مناسبی در تثبیت این ذرات ریز و بهبود فرآیند تولید نشان داده اند [3]. در این راستا این مقاله به بررسی روش های مدیریت مخزن از جمله کنترل تولید ماسه و ذرات ریز با استفاده از نانوذرات و نانوغشاء ها و نیز پایش چاهها با استفاده از نانوحسگرها می پردازد.

2-کاربرد نانوفناوری در مدیریت مخازن نفت و گاز
2-1- کنترل شن و ذرات
بر اساس منابع مطالعاتى، ذرات ریز سازندى به عنوان ذرات سست یا ذرات جامد رها شده شناخته مى شوند که در خلل و فرج ماسه سنگها وجود دارند. اندازه این ذرات کمتر از 37 میکرون می باشد وشامل ذرات رسى و غیر رسى و ذرات باردار و بدون بار هستند. این ذرات به راحتى با هر سیالى که از بین ماسه سنگها جریان یابد، انتقال یافته و در نتیجه با تولید سیالات هیدروکربنى یا آب از چاه و در محیط متخلخل از فواصل دور و از تمامى جهات تا فواصل نزدیک دیواره چاه حرکت می کنند. زمانى که تولید از چاه ادامه مى یابد، مقدار زیادى از ذرات ریز در نزدیکى چاه تولیدى تجمع یافته، فعل و انفعال انجام داده و ذرات بزر گترى را تشکیل می دهند که می تواند موجب بسته شدن حفره ها و انسداد غربال ها گردد. که خود این عمل سب کاهش شدید تولید می گردد. همچنین عامل نگران کننده دیگر خوردگی غربال های موجود در چاه و نقص پمپ های بهره برداری می باشد [4]. امروزه مطالعات بسیارى براى کنترل حرکت ذرات ریز سازندی انجام گرفته و برخی از مهمترین روش ها بر پایه استفاده از نانومواد مورد بحث قرار می گیرد.

 

[P O U R I A]

2-1-1- استفاده از نانوذرات و نانوسیالات
پروپانت ماده ای است که شکست هیدرولیکی ایجاد شده در سنگ را باز نگاه داشته و از مسدود شدن مجدد آن جلوگیری می کند. به منظور بهبود فرآیند تثبیت و توزیع ذرات ریز سازندی می توان از پروپانت های پوشش داده شده با نانوذرات استفاده نمود. به این منظور محققان از بستر پروپانت پوشش داده شده توسط نانوکریستال های خاص که دارای نیروهای سطحی قابل توجهی مانند نیروی واندروالس و الکترواستاتیک هستند و سبب چسبیدن این ذرات به سطح پروپانت ها می شود استفاده می کنند. در طول عملیات شکاف هیدرولیکی سازند و تزریق پروپانت، ‌زمانیکه ذرات ریز سازندی به سمت منطقه پوشش داده شده با پروپانت حرکت می کنند، توسط نیروهای سطحی نانوذرات به دام افتاده و از نزدیک شدن به دیواره چاه باز می مانند. در شکل 1 (الف) بستر پوشش داده شده با نانوذرات قبل از عبور ذرات سازندی و در شکل 1 (ب) همان بستر پس از عبور ذرات سازندی نشان داده شده است. طبق شکل ها می توان ذرات ریز سازندی جذب شده توسط نانوذرات را مشاهده نمود. در این راستا Huang و همکارانش نشان دادند که استفاده از سیال شکاف دهنده که حاوی ذراتی مانند پروپانت ها و‌ شن و ماسه می باشد، با افزایش میزان موثری از افزایه های حاوی نانوذرات می تواند سبب تثبیت و یا کاهش مهاجرت ذرات ریز گردد. در این حالت این افزایه های خاص می توانند اکسیدهای فلزات قلیائی،‌ هیدروکسیدهای فلزات قلیائی، ‌اکسیدهای فلزات واسطه،‌ هیدروکسیدهای فلزات واسطه و غیره باشند.

شکل1- بستر پوشش داده شده با نانوذرات، قبل از عبور جریان ذرات ریز سازندی (الف) و پس از عبور جریان ذرات ریز سازندی (ب)[4]​

به این منظور این افزایه های خاص با ابعاد نانومتری،‌ توسط یک عامل پوشش دهنده مانند یک روغن، به پروپانت می چسبند. برای مثال زمانیکه از نانوذرات اکسید منیزیم یا غیره استفاده می شود، ‌اندازه ریز این نانوذرات سبب ایجاد بارهای خاصی می شود که به ثابت نمودن ذرات ریز کمک می نماید. در این حالت نشان داده شده که نانوذرات اکسید منیزیم توانائی بالائی در تثبیت ذرات ریز سازندی مانند خاک رس و کوارتز دارند. همچنین نانوذرات مورد استفاده در این حالت نه تنها دارای سطح ویژه و فعالیت زیاد می باشند بلکه به دلیل بار سطحی زیادی که دارند قادر به چسبیدن و جمع نمودن ذرات دارای بار و حتی بدون بار نیز می باشند. علاوه بر این نانوذرات،‌ نانوذرات دیگری نیز مانند زیرکونیوم دی اکسید، ‌تیتانیا،‌ کبالت اکسید، ‌نیکل اکسید و نیز کریستال های پیزوالکتریک و پیروالکتریک نیز دارای این قابلیت ها می باشند. به منظور انجام عملیات،‌ نانوذرات توسط سیال حامل (carrier fluid) با استفاده از پمپ به درون چاه تزریق شده و نیز می توانند بر روی پروپانت ها و یا ماسه پوشش دهی شوند تا طی عملیات دیگر مانند شکافت هیدرولیکی و غیره مورد استفاده قرار گیرند. چنانچه ماسه ها توسط نانوذرات پوشش دهی شوند، ذرات ریز سازندی نهایتا درون بسته شنی (gravel pack) به دام خواهند افتاد. سیال حامل در این عملیات نیز می تواند پایه آبی، پایه الکلی و یا پایه روغنی باشد ولی در اکثر عملیات از سیالات پایه آبی استفاده می شود. همچنین چنانچه از محلول های نمکی بعنوان سیالات حامل استفاده شود، ‌نمک های مورد استفاده می توانند سدیم کلرید، پتاسیم کلرید،‌کلسیم دی کلرید، ‌منیزیم دی کلرید و غیره باشند. عوامل پوشش دهنده مناسب نیز می توانند روغن های معدنی و یا سایر هیدروکربن هائی که شرایط مناسب عملیاتی را ایجاد کنند باشند[4]. طبق بررسی های محققان، نانوسیالات دارای اکسیدهای فلزی دارای خواص بسیار مناسبی می باشند. همچنین نانوذرات اکسید منیزیم یکی از بهترین جاذب های ذرات ریز در ماده متخلخل می باشند [5]. نانوسیالات حاوی نانوذرات دارای خواص بسیار مناسبی مانند تمایل زیاد به جذب از خود نشان داده و به دلیل ذرات بسیار ریزی که دارند انتخاب مناسبی جهت تزریق به منطقه نزدیک دیواره چاه به شمار می روند. در این راستا حبیبی و همکارانش به بررسی کاهش مهاجرت ذرات ریز سازندی در ماده متخلخل سنتز شده با استفاده از یک برج پر شده و نانوذرات اکسید منیزیم، سیلیس و آلومینا پرداختند. نتایج بیانگر آن است که زمانیکه ماده متخلخل در محلول نانوذرات خیسانده می شود، ‌ذرات ریز می توانند به بازدارنده دانه ها (grain hinders) چسبیده و حرکتشان محدود گردد. طبق نتایج،‌ افزودن 0.1% وزنی از نانوذرات اکسید منیزیم و سیلیس می تواند تا 15% مهاجرت ذرات ریز را محدود نماید. در این حالت محققان توانسته اند نشان دهند که نانوذرات اکسید منیزیم زمانیکه در غلظت های بالا و نرخ تزریق سیال بالا مورد استفاده قرار می گیرند دارای تاثیر بیشتری در این زمینه هستند [6]. در شکل 2 تصویر مربوط به دانه های شیشه ای (glass beads) پوشیده شده با نانوذرات اکسید منیزیم قبل (الف) و پس از عبور ذرات ریز(ب) نشان داده شده است. تصاویر بیانگر شدت جذب ذرات ریز توسط نانوذرات می باشد [7].

شکل 2- دانه های شیشه ای پوشیده شده با نانوذرات اکسید منیزیم قبل (الف) و پس از عبور ذرات ریز(ب) [7]​

 

[P O U R I A]

2-1-2- نانوغشاها
اصولا غشاء نوعی لایه نازک و نیمه تراوا است که با استفاده از نیروی محرکه اعمال شده می تواند مواد را جداسازی نماید. انواع روش های جداسازی ذرات توسط غشاء را می توان به میکروفیلتراسیون (MF)، ‌اولترافیلتراسیون (UF)،‌ نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO) تقسیم بندی نمود. در عملیات نانوفیلتراسیون از نانوغشاءها استفاده می شود که دارای اندازه حفراتی در حدود یک هزارم میکرون می باشد [8]. مهمترین کابرد نانوغشاءها در مدیریت مخازن، مربوط به تزریق آب دریا به مخازن در عملیات سیلاب زنی و تثبیت فشار می باشد. در این حالت آب دریا حاوی ترکیبات یونی فروانی مانند Na[SUP]+[/SUP]، ‌Ca[SUP]2+[/SUP]،‌ Mg[SUP]2+[/SUP]، Cl[SUP]-1[/SUP] و SO4[SUP]-[/SUP][SUP]2[/SUP] بوده و رسوب این ترکیبات بر روی تجهیزات درون چاهی سبب ایجاد آسیب و خوردگی در آنها می گردد. یکی از مهمترین خوردگی های ایجاد شده در تجهیزات درون چاهی بر اثر ترکیبات سولفات است و به این منظور محققان از روش نانوفیلتراسیون جهت تولید آب تقریبا فاقد سولفات به منظور کاربرد در عملیات تزریق آب استفاده نمودند. همچنین در روش دیگر محققان به بررسی پایداری مقاومت این نانوفیلترها پرداختند آنها از یک کامپوزیت سه لایه ای که قابلیت کاربرد تا دمای 75 درجه سانتیگراد را داشته و فاز عبوری از آن حاوی غلظت های مطلوب از یونها است استفاده نمودند. آب تصفیه شده با این نانوفیلتر مستقیما در عملیات سیلاب زنی فشار بالای لایه های زیرزمینی تراوا بکار برده شد. فرایند سیلاب زنی جهت عملیات ازدیاد برداشت، ‌نیاز به آبی دارد که عاری از ترکیبات خاص جامد آلی و معدنی و نیز یونهای دوظرفیتی باشد تا از مسدود شدن حفرات تراوای سازند تا حد امکان جلوگیری شود. همچنین ترکیبات یونی آب تزریقی باید حتی الامکان مشابه آب موجود در لایه های تولیدی باشد تا تغییر در سختی یونها سبب ایجاد تورم در ذرات خاک رس و از آنجا کاهش تراوائی سازند نگردد [9].

2-1-3- فیبر- رزین ها
امروزه استفاده از روش کنترل تولید ماسه با استفاده از پوشش های فیبر-رزینی در مخازن ماسه سنگی بسیار رو به افزایش است. بر اساس آنالیز مکانیسم کنترل تولید ماسه در میدان نفتی Guado و میدان گازی Sebei،‌ که از مهمترین میادین ماسه سنگی می باشند،‌ مکانیسم کنترل تولید ماسه از این دو میدان با استفاده از فیبر-رزین ها بهبود زیادی پیدا کرده است. مقایسه کنترل تولید ماسه در این میادین نشان می دهد که استفاده از فیبر-رزین ها نتایج بسیار مناسبی دارد و از آنجا پیش بینی می شود که استفاده از نانومواد جهت بهبود دادن ساختار کمپلکس فیبر-رزین، ‌تاثیرات بهتری نیز در این فرآیند بر جای می گذارد. در این بررسی از کمپلکس های فیبر-ذرات نانومتری تهیه شده به روش اختلاط همزمان توسط امواج اولتراسونیک استفاده شده و بهبود مکانیسم با استفاده از مواد نانومتر توسط روش های طیف نگاری مادون قرمز و تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی روبشی تایید شد. طبق گزارشات استفاده از روش کنترل تولید شن با استفاده از پوشش های فیبر-رزینی در 28 چاه از میادین فوق الذکر و نیز میدان نفتی Xinjiang نتایج بسیار موفقیت آمیزی داشته است [10].

2-2- پایش وضعیت چاه ها
2-2-1- نانوحسگرها
اصولا نانوحسگرها عوامل الکترونیکی یا غیر الکترونیکی هستند که دارای ابعاد نانومتری بوده و در فرآیندهای دریافتی مورد استفاده قرار می گیرند. در حقیقت نانوحسگرها توانائی اندازه گیری جابجائی ها و تغییرات بسیار کوچک در ابعاد مولکولی را دارا بوده و حساسیت آنها نسبت به حسگرهای معمولی فوق العاده بیشتر است. کاربرد عمده نانوحسگر ها در صنایع نفت و گاز مربوط به تعیین مکان دقیق مخازن و نیز تشخیص گازهای سمی از چاه ها و معادن و بررسی وضعیت درون چاه مانند دما، ‌فشار و غیره می باشد. در این راستا نانوحسگرها با استفاده از ابعاد بسیار ریزی که دارند می توانند به درون حفرات سازند نفوذ کرده و اطلاعات مناسبی را از ساختار آن در اختیار قرار دهند [11].

امروزه شرکت های بزرگ نفتی و گازی دنیا به دنبال استفاده از میکرو و نانوحسگرهائی هستند که می توانند به دیواره چاههای نفتی و گازی تزریق شده، ‌در داخل شکست ها و حفرات مهاجرت کرده و اطلاعات لحظه ای از خواص فیزیکی، ‌شیمیائی و خصوصیات مکانی سنگها،‌ مواد معدنی و سیال درون چاه جمع آوری نمایند که به اصطلاح به آن روشن سازی مخزن (illuminating the reservoir) اطلاق می شود. نانوعامل های بهبود دهنده کنتراست (contrast enhancing nanoagents)، حسگرهای آشکارساز بر پایه نانوذرات هستند که بصورت اختصاصی به شکلی طراحی می شوند که میل پیوستگی با هدف مطلوب را دارا هستند و از دور تصویربرداری می شوند. با بهره گیری از خواص فیزیکی و شیمیایی بی نظیری که برخی از ترکیبات در مقیاس نانو ارئه می دهند این عامل های کنتراست برای افزایش پاسخ و/یا بهبود رزلوشن تصاویر دریافتی از حسگرهای فعلی دارای قابلیت کنترل از راه دور مورد استفاده در صنعت نفت و گاز، نوید بخش هستند. حسگرهای نانوموادی به حسگرهای مولکولی و مبتنی بر ماده (material-based sensors) اطلاق می شود و بیشتر آنها نیاز به بازیابی و بازرسی دارند. این حسگرها زمانیکه در معرض تغییرات ناپیوسته شرایط فیزیکی و شیمیائی مخزن قرار می گیرند،‌ یک تغییرحالتی که قابل شناسایی است بروز می دهند. همچنین ابزارهای میکرو و نانوالکترونیک خواص مخزن را اندازه گیری نموده و اطلاعات را به سر چاه انتقال می دهند. محققان دانشگاه رایس، نانوگزارشگرهائی (nano reporter) را طراحی نموده اند که در حقیقت حسگرهای نانومواد بر پایه نانومواد کربن (خوشه های کربنی آبدوست یا HCCs) و سیلیکا می باشند. این نانوگزارشگرها می توانند شرایط محیطی موضعی که در آن قرار دارند را احساس و ثبت کنند و حتی ممکن است این نانوگزارشگرها دارای قابلیت جداسازی ردیاب های شیمیائی،‌ رادیواکتیو باشند و غلظت آنها را بر اساس دما،‌ زمان و نیز خصوصیات محلول (آبی و یا هیدروکربنی) که به آن وارد می شوند تغییر دهند و بدین ترتیب نوعی پروفایل از محیط داخل مخزن تهیه می شود. محققان دانشگاه Boston نیز در حال بررسی حسگرهای نانومواد آستانه فشار بر پایه غشاهای گرافن می باشند. در حقیقت گرافن یک تک لایه از جنس کربن است که در برابر نفوذ گاز ناتراوا می باشد. لایه های گرافن از لحاظ نوری، ‌الکتریکی و مکانیکی در محیط های بازی پایدار بوده و می توانند به گونه ای تنظیم شوند که در برابر آستانه فشارهای متفاوت تغییر شکل دهند [12].

 

[P O U R I A]

منابـــــع :​

• 
  [*=left]1. http://www.spe.org/jpt/print/archives/2011/09/13RPMFocus.pdf
  [*=left]2. http://www.nasa.gov/pdf/581812main_oil reservoir evaluation using nanotechnology.pdf
  [*=left]3. http://www.epmag.com/Technology-Completion/Control-fines-migration_28827
  [*=left]4. T. Huang, J.B. Crews, R. Willingham, J.R. Pace, C.K. Belcher, U.S.Patent, US7721803B2, 2010-25-4
  [*=left]5. Habibi, A., Ahmadi, M., Bastami, A., Pourafshary, P., Ayatollahi, S. “Mathematical Modeling of Fines Fixation in the Sandstone Cores Soaked by MgO Nanofluid”. IPTC 14846.
  [*=left]6. http://www.spe.org/ejournals/jsp/journalapp.jsp?pageType=Preview&jid=ESJ&mid=SPE-144196-PA.
  [*=left]7. http://www.spe.org/jpt/print/archives/2011/10/18SMFPFocus.pdf
  [*=left]8. http://www.mrwa.com/Chapter19MembraneFiltration.pdf
  [*=left]9. 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]10. http://www.china-papers.com/?p=28606
  [*=left]11. http://webarchive.nationalarchives....technologies-and-sensing-and-instrumentation/
  [*=left]12. http://www.thecis.ca/cms3/userfiles/Image/Think big, get small.pdf
  [*=left]13. http://www.onepetro.org/mslib/app/Preview.do?paperNumber=SPE-157120-MS&societyCode=SPE