بخشی از مقاله
بررسی امکان سنجی استفاده از سیالات هوشمند در صنعت نفت
چکیده
در سالهای اخیر توسعه ساختارهایی که به صورت پیوسته خود را مانیتور نموده و عملکرد خود را بهینه میسازند، پیشرفت چشمگیری داشته است. مواد و ساختارهای یاد شده تحت عنوان مواد و ساختارهای هوشمند شناخته میشوند. در حقیقت مواد و ساختارهای یاد شده با توجه به کارایی خاص خود، از عملکرد سیستمهای بیولوژیک تقلید میکنند. مهمترین چالش موجود در این زمینه این است که معمولاً عبارت های مواد و ساختارهای هوشمند به درستی به کار گرفته نمیشوند. هرچند واژهشناسی زبان انگلیسی سرنخهایی برای این عبارات ارائه میکند، اما اکثر مهندسین به جای استفاده از واژهنامهها از اصطلاحات رایج در زبان خود استفاده میکنند. به عبارت دیگر معمولا عبارت "مواد هوشمند" بدون تعریف دقیقی از آنچه مورد نظر است، به کار گرفته میشود. از طرف دیگر ارائه یک تعریف دقیق برای این دسته از مواد به طرز عجیبی دشوار است. هرچند عبارت مواد هوشمند به صورت گسترده در متون علمی و غیرعلمی مورد استفاده قرار میگیرد، توافق کلی بر روی معنای آن وجود ندارد. در این مقاله به مطالعه کاربرد سیالات مختلف هوشمند در صنعت نفت پرداخته شده است. در این راستا منابع مطالعاتی مختلف در این زمینه بررسی شده و مزایا و محدودیتهای این تکنولوژی نوظهور مورد بحث قرار گرفته است.
واژههای کلیدی: سیالات هوشمند، الکترورئولوژیک، مگنتورئولوژیک، صنعت نفت.
-1 مقدمه
واژه سیالات هوشمند عموما به عنوان سیالی که به صورت نیونونی عمل میکند تا زمانی که یک محرک خاصی عمل نکند، اطلاق میگردد. زمانی که محرکی از یک نوع مناسب یا یک نیروی کافی اعمال شود، ذرات با سایز میکرومتر در جهت همراهی با سیال به صف میشوند به صورتی که مقاومت در برابر سیال هوشمند، ویسکوزیته، به صورت قابل ملاحضهای زیاد شود 1]و[2 و این سیال مشابه جامد میگردد .[3]
دو گروه عمده از سیالات هوشمند الکترورئولوژیکی 1(ER)4F و مگنتورئولوژیک 2F5(MR) هستند که نمیتوان فواید آنها را با هم مقایسه کرد.[4] هر دو سیال از یک سیال دیالکتریک تشکیل شدهاند ولی در نوع ذرات معلق و زمینه کاربرد مورد نیاز با هم متفاوت هستند 2]،.[4 یکی از اجزای اصلی سیالهای مگنتورئولوژیک انتخاب ذراتی با خاصیت آهنربایی زیاد مانند آهن کربونیل36F میباشد که به صورت معلق در روغن معدنیP4P7F، روغن مصنوعیP5P8F وگلیکول وجود دارد 1]،.[7 سیالهای الکترورئولوژیکی از ذرات قطبی شده در یک تعلیق کلوئیدی همراه با یک روغنP6P9F که ثابت دی الکتریک آن از ذرات قطبی شده کمتر است، تشکیل شده است 8]، .[9
دامنه تحقیقاتی مواد هوشمند وسیع و پیچیده است که نه تنها به خود ماده بر میگردد بلکه همچنین کاربردها و جنبههای فنی آن نیز مد نظر است. انواع بسیار گوناگونی از مواد هوشمند و روشهای مختلف دستهبندی آنها وجود دارند. با توجه به مطالعات قبلی، محققان دانشگاه ایالت میشیگا ن در سال 1988 اولین کسانی بودند که از سیالات الکترورئولوژیکی برای خلق مواد هوشمند استفاده کردند. گرانروی مواد حاصله از این سیالات در واکنش به جریانات الکتریکی تقریباً بصورت لحظهای تغییر میکرد. این اولین باری بود که اصطلاح سیالات هوشمند بکار برده شد. در همان سال، گزارشی درباره پلیمرهای عاملی رسانا با پتانسیل کاربرد به عنوان سیالات هوشمند منتشر شد. دو سال بعد در سال 1991 مقالهای در مورد پلیمرها و
هیدروژلهای حساس به محیط و کاربرد آنها به عنوان بیومواد هوشمند انتشار یافت.
سیالات هوشمند، گروهی از مواد هوش مند هستند که خواص آن ها ( گرانروی، کششسطحی و سایر خصوصیات سیال) تحت تأثیر محرکهای خارجی مانند میدان مغناطیسی، میدان الکتریکی، نور، دما و PH به صورت لحظهای و برگشتپذیر تغییر میکند. سیالات هوشمند بسته به نوع محرکها به گروههای مختلفی دستهبندی میشوند. به عنوان مثال، سیالات مگنتورئولوژیک(MR) 7F10 تحت تأثیر میدان مغناطیسی از مایع به جامد یا از جامد به مایع تغییر حالت میدهند، در حالیکه سیالات الکترورئولوژیک در اثر اعمال میدان الکتریکی به ساختارهای رشتهای8F11 که از گرانروی بالاتری برخوردارند، تبدیل میشوند. از طرف دیگر آلیاژهای حافظهدار و پلیمرها به تغییرات دمایی حساس هستند؛ به عبارت دیگر میتوان با تغییر دما، تغییر شکلی در مواد یاد شده ایجاد کرد یا تغییر شکل ایجاد شده را برطرف نمود . پلیمرهای حساس به PH گروه دیگری از مواد هوشمند بهشمار میروند که در اثر تغییر PH محیط اطراف متورم یا متراکم میشوند.
-2 کاربرد سیالات هوشمند در صنعت نفت
با توجه به اهمیت بهرهبرداری صحیح از مخازن هیدروکربوری و گسترش تکنولوژیهای نوین در صنعت نفت، استفاده از سیالات هوشمند در این حوزه نیز بسیار مورد توجه است. در ادامه تعدادی از کاربردهای این سیالات در حوزه مهندسی نفت و
در جهت بهبود بازیافت از مخازن بیان میشود.
1-2 سیلابزنی با سورفکتانت بهبود یافته با سیال هوشمند مغناطیسی در فرآیند ازدیاد برداشت نفت
یکی از مشکلات کلیدی بازیابی نفت در مخازن نفت دوست، غلبه بر نیروهای کششسطحی است که تلاش می کنند نفت را به سطح سنگ متصل نگهدارند . در مخازن آب دوست نیروهای کششسطحی حبابهای نفتی ایحاد میکنند که راههای عبور را مسدود میکنند. کاهش تنش بین سطحی و بنابراین کاهش مقاومت در برابر جریان به راحتی با استفاده از سیلاب زنی با سورفکتانت بهبود یافته و با محلول مغناطیسی قابل دستیابی است. نفت میتواند با استفاده از محلول مغناطیسی که به عنوان حلال بهتری برای سورفکتانت عمل میکند، قطبیتر شود .[8]
ایده کنترل خواص محلولهای مغناطیسی با میدان مغناطیسی منجر به بسیاری از کاربردهای جدید شده است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، محلول مغناطیسی متشکل از نانوذرات فرومغناطیس پوشانده شده با لایهای از سورفکتانت است که در یک محلول واسطه شناور میباشد. خواص محلولهای مغناطیسی از قبیل دانسیته، ظرفیت حرارتی و ویسکوزیته در تعیین ترکیب/غلظت ذرات محلولهای مغناطیسی با توجه به خواص مورد نیاز برای محلولهای ازدیادبرداشت موثر است. آزمایشات نشان میدهد که یک محلول مغناطیسی به نسبت محلول حامل خود از دانسیته بالاتری برخوردار است.
محلول مغناطیسی تحت تأثیر یک میدان الکترومغناطیسی قوی در ناحیه نزدیک چاه، میتواند نقش موثری در حرکت سیال در داخل مخزن ایفا کند. تحت تأثیر امواج میدان الکترومغناطیسی، جهتگیری ممانهای دوقطبی سیال مخزن اتفاق میافتد که منجر به افت خواص سیال مخزن مانند ویسکوزیته میشود که خود باعث جریان سیال مخزن در ناحیه متخلخل میگردد .[8]
شکل :1 شمای یک محلول مغناطیسی .[8]
-2-2 استفاده از پلیمرهای هوشمند در سیلابزنی شیمیایی
یک برنامه تحقیقاتی پایهای و هماهنگ در دپارتمان انرژی آمریکا با همراهی دانشگاه میسیسیپی جنوبی در جریان است که هدف نهایی آن، توسعه پلیمرهای هوشمند چندکارهای112F است که میتوانند نسبت به محرک (قدرت یونی، PH، دما و تنش برشی) بصورت درجا پاسخ دهند و در نتیجه به شکل قابل ملاحظهای راندمان جاروبی213F را در فرآیندهای ازدیاد برداشت نفت بهبود بخشند. تولید بیشتر نفت درجای اولیه و بخش عظیمی از نفت کنارگذار3F14 و غیر قابل برداشت با روشهای رایج سیلاب زنی شیمیایی، به کمک پلیمرهای هوشمند ممکن خواهد شد . دو نوع ساختاری از پلیمرهای هوشمند چندکاره برای این کار در نظر گرفته شدهاند که میتوانند به تنهایی و یا با همدیگر در فرآیندهای سیلابزنی با آب استفاده شوند. پلیمرهای
هوشمند چندکاره نوع I میتوانند بصورت بازگشتپذیر مایسل هایی در آب تشکیل دهند که اصطلاحاً پلی صابون1F15 نامیده میشوند و کششسطحی کمتری را در سطح مشترک آب/ نفت نتیجه میدهند. پلیمرهای هوشمند چندکاره نوع II، پلیمرهایی با وزن مولکولی زیاد هستند که به منظور تغییر گرانروی سیالات تزریقی طی فرایند برداشت طراحی شدهاند.
عملکرد مطلوب این سیستمها وابسته به ترکیب دقیق مونومرهای عاملی منتخب در طول ساختار ماکرومولکولی آنها است تا به عنوان سنسور یا محرک توسط تغییرات محیطی سیال پیرامون خود فعال شوند. جایگذاری مونومرهای آبدوست، آبگریز و محرک بوسیله تکنیک پلیمراسیون رادیکالی کنترل شده216F انجام میشود. گروههای عاملی پاسخگو به محرک میتوانند منجر به تغییرات ساختاری در پلیمرها شوند که رفتار سورفکتانتی (نوع (I، گرانروی (نوع (II و نفوذپذیری نفت و فازهای آبی را تغییر خواهند داد.
بنابراین رفتار جریان سیال در درون سنگ مخزن متخلخل میتواند با تغییرات غلظت الکترولیت، PH، دما و نرخ جریان عوض شود. این تکنولوژی پیشنهادی بطور قابل ملاحظهای از نظر محیط زیستی نیز جذاب است زیرا این سیستمها میتوانند در آب سنتز شده، پردازش شوند و از آب جدا و یا بازیافت شوند .[9]
-3-2فوم هوشمند
کنترل تحرکپذیریP3P17F با استفاده از سورفکتانتP4P18F، از روشهای موثر افزایش بازیافت در فرآیند سیلابزنی با دیاکسیدکربنP5P19F است. اضافه کردن سورفکتانت در طول تزریق متناوب آب و دیاکسید کربنR P20F6 PRیا تزریق همزمان با دیاکسیدکربن ، باعث ایجاد فوم در مخزن میشود و تحرکپذیری دی اکسیدکربن را کاهش میدهد. مطالعات آزمایشگاهی نشان می دهد که بعضی از سورفکتانتها تولید فوم هوشمند میکنند که به صورت انتخابی تحرکپذیری دیاکسیدکربن را در مغزههای با تراوایی بالاتر، بیشتر از مغزه های با تراوایی کمتر کاهش میدهند. آزمایشهای گوناگونی جهت بررسی اثر فومهای هوشمند در بازیافت نفت از مخازن انجام شده است که در ادامه یکی از این آزمایشها و نتایج آن شرح داده میشود .[10]
-1-3-2 تأثیر فوم هوشمند در افزایش بازیافت سیلابزنی با دیاکسیدکربن
جهت بررسی اثر تأثیر فوم هوشمند بر ازدیاد برداشت نفت به کمک دیاکسید کربن در مخازن ناهمگن، دو سیستم مغزه مرکبP7P21F طراحی شده است. سیستم مغزه تهیه شده در واقع یک مغزه مرکب هم محورP8P22F است که دارای دو ناحیه با تراوایی مختلف است. این ناحیهها میتوانند در تماس مویینگیP9P23F با هم باشند و یا نباشند. در ابتدا یک مغزه به طول 6/7 سانتیمتر و قطر 3/56 سانتیمتر با اپوکسی و روکش فولادی زنگ نزن، پوشش داده شد و سپس در وسط آن حفرهای به قطر 1/6 سانتیمتر ایجاد و درون آن با ذرات یکنواخت ماسه سیلیکا پر شد؛ در واقع این مغزه مرکبی است که لایهها با هم در تماس مویینگی هستند. برای شبیهسازی عدم تماس لایهها با هم، سیستم مرکب مغزهای مانند نمونه اول آماده شد و در حفره ایجاد شده ابتدا یک لوله از جنس آلیاژ برنج قرار داده شد و سپس توسط ذرات سیلیکا پر شد. مشخصات دو مغزه مرکب ساخته شده (دو ناحیه
با تراوایی مختلف بدون تماس و دو ناحیه با تراوایی مختلف در تماس مویینگی) در جدول 1 آورده شده است .[10]
جدول :1 ویژگیهای مغزههای مرکب مورد استفاده جهت بررسی اثر تاثیر فوم هوشمند بر ازدیاد برداشت نفت به کمک دیاکسیدکربن در مخازن ناهمگن [10]
آزمایش ها در دو فاز انجام شد. در فاز اول آزمایشها، مغزههای مرکب در ابتدا با آب نمک یا سورفکتانت قبل از تزریق دیاکسیدکربن اشباع شدند. در فاز دوم آزمایش، قبل از تزریق دیاکسیدکربن ، مغزهها با نفت تا اشباع آب باقیماندهP1P24F اشباع شدند. تمام آزمایشها با تزریق نرخ ثابت دیاکسیدکربن به تنهایی یا دیاکسیدکربن/سورفکتانت با نسبت حجمی 4 به 1 انجام شدند. جدول 2 و جدول 3، نتایج آزمایشهای انجام شده بر روی دو مغزه مرکب را نشان میدهد. بر اساس و جدول 3، در آزمـایش شمـاره 1، میانشکنیP2P25F دیاکسیدکربن در ناحیه با تراوایی بالا (ناحیـه حلـقوی) بعد از تزریق 0,63 PVP26F3Pو در ناحیه با تراوایی پایین (ناحیه مرکزی) بعد از تزریق 1,13 PV اتفاق میافتد. تزریق همزمان دیاکسیدکربن و آبنمک، که به نوعی تزریق مـتناوب آب و دی اکسیدکربن را شبیه سازی کرده است، به مقدار بسیـار کمـی در نـاحیه حلقوی (0,64 PV) زمان میانشکنی دی اکسیدکربن را به تاخیر انداخته است. با اضافه شدن سورفکتانت به دیاکسیدکربن و آب نمک، زمان میانشکنی دیاکسیدکربن به 1,12 PV و 1,86 PV به ترتیب در ناحیه با تراوایی بالا و ناحیه با تراوایی کم، افزایش پیدا کرده است. افزایش زمان میانشکنی دیاکسیدکربن با اضافه شدن سورفکتانت به خوبی قابل مشاهده است. در حالتی نیز که از دیاکسیدکربن و فوم جهت جابهجایی نفت استفاده شده، افزایش زمان میانشکنی دیاکسیدکربن، قابل توجه است. افزایش زمان میانشکنی برای مغزه مرکب با دو ناحیه با تراوایی مختلف در تماس مویینگی را میتوان در جدول 2 و جدول 3مشاهده کرد. از مقایسه دادههای جدول 2 و جدول 3 میتوان نتیجه گرفت که زمانمیانشکنی دیاکسیدکربن با اضافه کردن فوم هوشمند در هر دو سیستم مغزه مرکب، افزایش یافته است . فوم هوشمند باعث افزایش بازدهی جاروبیP4P27F دیاکسیدکربن شده است. این افزایش بازدهی جاروبی ناشی از کاهش قابل توجه حرکت دیاکسیدکربن در ناحیه با تراوایی بالاست. شکل 2 و شکل 3 میزان کل بازیافت نفت برای هر دو مغزه مرکب را نشان میدهد. همانطور که از این شکلها نیز نشان میدهند، استفاده از فوم باعث افزایش میزان کل بازیافت نفت شده است .[10]
جدول :2 خلاصه نتایج آزمایشهای مغزه مرکب با دو ناحیه با تراوایی مختلف بدون تماس [10]
جدول :3 خلاصه نتایج آزمایشهای مغزه مرکب با دو ناحیه با تراوایی مختلف در تماس مویینگی [10]
شکل :2 میزان کل بازیافت نفت مغزه مرکب با دو ناحیه با تراوایی شکل :3 میزان کل بازیافت نفت مغزه مرکب با دو ناحیه با تراوایی
مختلف بدون تماس [10] مختلف در تماس مویینگی[10]
-4-2 فیلتریت گل حفاری هوشمند1F28
عوامل متعددی باعث آسیب به سازند میشوند . جلوگیری از عوامل آسیب به سازندی که حاصل از ماهیت مخزن و تولید از مخزن است، بسیار مشکل است. این عوامل را میتوان به صورت طبیعی فرض کرد، که با و بدون حضور سیالات حفاری و تکمیل چاه رخ میدهد. از نمونههای آسیب طبیعی به سازند می توان به رسوبات آلی و غیرآلی که ناشی از افت فشار در اطراف دیواره چاه و مهاجرت ذرات ریز سارند به طرف دهانه چاهاست، اشاره کرد. مهاجرت ذرات و به خصوص مهاجرت ذرات کائولیت، از عوامل مهم آسیب به سازند می باشند. برای حل این مشکل از فیلتریت گل حفاری هوشمندی استفاده شده است که با درمان نواحی اطراف دیواره چاه حتی قبل از حفاری آن عمق خاص، از مهاجرت ذرات کائولیت جلوگیری کند. با ثابت
شدن ذرات کائولیت در جای خود، از آسیب سازند در طول عملیات بهرهبرداری در اثر مهاجرت ذرات کائولیت جلوگیری میشود.
کائولیتها رسهای سیلیکاتآلومینیوم آبدارP2P29F با ساختار ورقهای توسعه یافتهای هستند . شکل 4 وجود ورقههای کائولیت در یک نمونه سنگ مخزن را نشان میدهد. کائولیتها رفتار نفت دوستP3P30F از خود نشان میدهند. شکل 5 تصویر SEM یک نمونه سنگ را نشان میدهد. همانطور که این شکل نشان میدهد، سطح کائولیت توسط نفت در برگرفته شده است که حاکی از نفت دوست بودن کائولیت است. ذرات تمایل دارند در فازی که آنها را تر میکند، باقی بمانند. کائولیت سطح تماس بسیار زیادی نسبت به حجم دارد و به راحتی با حرکت درون فازی که آنها را تر میکند، درون حفرهها مهاجرت میکند. به همین دلیل ذرات کائولیت با جریان نفت درون حفره ها مهاجرت میکنند.
