بخشی از مقاله
تغییر ترشوندگی مخازن کربناته با استفاده از نانو سورفکتانت ها
چکیده :
امروزه ثابت شده است که علم نانو توانایی بهبود فرایند ها در مقیـاس مولکـولی را دارا مـی باشـند و تـاثیر آن در حیطـه فرایند های جداسازی و ازدیاد برداشت از مخازن نفتی و گازی نیز بسیار چشم گیر است . به گونه ای که با استفاده از نانو سورفکتانت ها و، نانو غشا ها ، نانو ذرات ، نانو ژل ها ، نانو سیالات و هیدروژل های نانو کومپوزیتی ، تحـول عمـده ای در جهت بهبود فرایند استخراج و تولید سیال از مخازن نفتی و گازی به وجود آمده است. در این مقالـه تـاثیرات و عملکـرد فناوری نانوسورفکتانت ها بر روی تغییر ترشوندگی مخازن کربناته مورد بررسی قرار گرفته است.
کلمات کلیدی: نانو سورفکتانت ، ترشوندگی ، مخازن کربناته ، ازدیاد برداشت، کشش سطحی
-1مقدمه
مطابق پیش بینی های به عمل آمده، افزایش تقاضای جهانی برای انرژی همچنان ادامه خواهد داشت و اگر چه استفاده از انرژی های جایگزین مانند انرژی های هسته ای و انرژی های تجدید پذیر در سال های آتی افـزایش می یابد، ولی این افزایش در مقایسه با انرژی های فسیلی کم بوده و نقـش اصـلی منـابع انـرژی تجدیـد پـذیر حداقل تا دو دهه آینده نقش تکمیلی و حامی خواهد بود. با درک این واقعیت که میزان تقاضا انرژی جهانی در سال های آتی به بالاترین میزان خود خواهد رسید، نیاز به ایجاد یک تحول علمی و عملی در هسته اصلی علوم مهندسی نفت و گاز، جهت افزایش میزان بهره وری بیش از پیش احساس می شـود. در ایـن میـان، علـم نـانو بعنوان علمی که هدف آن بازنگری در ساختار تولیـدی مـواد و بهینـه کـردن فرآینـد تولیـد و بهـره بـرداری از آنهاست، این پتانسیل را دارد که انقلابی عظیم در تمامی فناوری های حال حاضر بشری از جمله بهـره بـرداری از منابع هیدروکربوری ایجاد نموده و با استفاده از قابلیت های گسترده خود فناوری هائی پر بازده تر و سالم تر نسبت به آنچه امروزه شاهد هستیم، معرفی نماید. بصورت کلی علم نانو از طریق کنترل ساختار مـاده در ابعـاد اتمی و ایجاد ساختار بهینه برای مواد، سبب بهبود بسیاری از خواص مانند سطح مفید، استحکام، صرفه جـوئی در میزان ماده مصرفی و غیره می گردد. در صنعت نفت و گاز نیز از آنجا که قدرت، پایـداری و ابعـاد تجهیـزات مورد استفاده از اهمیت به سزائی برخوردار است می توان با استفاده از فناوری نانو به تحولات چشمگیری دست یافت. چنانچه در یکی از مقالاتی که به تازگی چاپ شده به این نکته اشاره شده اسـت کـه انتظـار مـی رود بـا کمک فناوری نانو ضریب برداشت جهانی نفت و گاز تا حدود %10 افزایش پیدا کند. به منظـور پاسـخگوئی بـه روند رشد روز افزون تقاضای جهانی جهت تامین منابع نفت و گاز، یا باید منابع جدید هیدروکربنی کشف شـده و مورد بهره برداری قرار گیرند و یا با استفاده از فناوری های گوناگون، نفت و گاز در جا و بدون اسـتفاده درون مخزن تحت فرآیند های ازدیاد برداشت مورد بهره برداری قرار گیرد. در این حال و با توجه بـه شـرایط سـخت اکتشاف و نیز صیانت از منابع هیدروکربوری موجود، استفاده از روش دوم منطقی تـر و اصـولی تـر مـی باشـد. امروزه فناوری نانو در زمینه ازدیاد برداشت از مخازن نفتی و گازی، پیشرفت های اساسی را ایجاد نموده اسـت. برای مثال استفاده از سیالات هوشمند یا نانوسیالات که سبب تغییر در خاصیت ترشوندگی سنگ مخزن شده و نیروی کششی دراگ و اتصال دهنده ها را در جهت پیوستگی شن کاهش می دهند و یـا اسـتفاده از نـانو مـواد فعال سطحی (Surfactants) که سبب افزایش میزان برداشت از مخازن به نسـبت کـاملا کنتـرل شـده مـی گردد.
-2 ترشوندگی
خاصیت ترشوندگی عبارتست از میزان تمایلی که یک سیال برای پخش شدن و چسبیدن به یک سـطح جامـد (در حضور سیال غیر غیر قابل امتزاج دیگر) از خود نشان می دهد . مفهوم تر شوندگی در شکل1-1 نشان داده شده است. این شکل نشان می دهد که سه قطره از سه مایع متفاوت جیـوه ، نفـت و آب بـر روی یـک صـفحه
سومین همایش ملی مهندسی مخازن هیدروکربوری و صنایع بالادستی مجری: هم اندیشان انرژی کیمیا
شیشه ای قرار داده شده اند . اگر از یک زاویه یکسان به زاویه پخـش شـدن ایـن سـه قطـره نگریسـته شـود ، مشاهده خواهد شد که بر روی این سطح شیشه ای ، قطره ی جیوه ای به صورت کروی ، قطره نفت به صـورت نیم کروی و قطره آب به صورت کامل پخش شده اند . این نشان می دهد که بر روی سطح شیشه ای ، قابلیـت ترشوندگی آب بیشتر می باشد . بنابراین می توان گفت که تمایل یک سیال برای پخش شدن بـر روی جامـد مهمترین مشخصه ی ترشوندگی این سیال می باشد . این تمایل پخش شوندگی را می تـوان بـا انـدازه گیـری زاویه تماس سیال – جامد مشخص نمود . با افزایش فشار قابلیت ترشوندگی ، زاویه ی تماس کاهش می یابـد . همچنین ، در حالت تر شوندگی کامل این زاویه صفر و هنگام ترشوندگی کامل این زاویـه 180 درجـه خواهـد شد . برای حالت ترشوندگی متوسط تعاریف مختلفی وجود دارد ، ولی اقلب محققین زاویه بین 60 تا 90 درجه را برای این حالت در نظر گرفته اند . ترشوندگی سنگ مخزن نسبت به سیالات مختلف بسیار حائز اهمیت مـی باشد ، زیرا نحوه ی توزیع سیالات موجود در خلل و فرج سنگ مخزن تابعی از ترشوندگی می باشد . بـه دلیـل وجود نیروهای جاذبه ، فاز تر تمایل دارد که خلل و فرج کوچک سنگ را اشـغال کنـد ولـی تمایـل فازنـاتر بـه اشغال خلل و فرج بزرگتر می باشد .
شکل 1 تعریف ترشندگی سیالات با توجه به نحوه پخش شدگی سیالات بر روی سطح جامد
-3کشش سطحی و بین سطحی
هنگام بررسی یک سیستم حاوی چند فاز غیرقابل امتزاج که در تمـاس بـا یکـدیگر قـرار دارنـد ، کـه یکـی از مهمترین عوامل موثر بر رفتار این فازها ، نیروهای موجود در سطح تماس این فازها می باشد . در صـورتی کـه یک فاز مایع و یک فاز گاز در تماس با یکدیگر باشند ، برای بیـان ایـن نیـرو هـا از لفـظ کشـش سـطحی و در صورت تماس دو فاز مایع از لفظ کشش بین سطحی استفاده می شود.
در شکل 2 دو فاز غیر قابل امتزاج هوا ( به عنوان گاز ) و آب یا نفت (به عنوان مایع) را که در تماس با هم قـرار دارند نشان داده شده اند. هر مولکول از مایع را که در فاصله ای دور از سـطح تمـاس قـرار دارد ، توسـط دیگـر
مولکول های مایع احاطه شده است که در نتیجه تقابل نیروهای جاذبه بین این مولکول و مولکول های اطراف ، برآیند نیروی جاذبه وارد بر این مولکول صفر خواهد بود. اما هر مولکول موجود در سطح تماس مایع با گـاز ، از بالا توسط مولکول های گاز و از پایین توسط مولکول های مایع احاطه شده است . این تفاوت در نـوع مولکـول های اطراف ، موجب ایجاد نوعی عدم توازن در نیروها و در نتیجه ایجاد یک نیروی برآیند غیر متعادل میگـردد این نیروی نامتعادل را کشش سطحی می نامند .
شکل 2 تغییر کشش سطحی
-4 سورفکتانت
سورفکتانت به زبان ساده ماده ای است که هنگامی که به مقدار بسیار ناچیز استفاده می شود کشـش سـطحی آب را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
کلمه سورفکتانت مجموعه از کلمات Surface active agenent می باشد . سورفکتانت ها معمولا ترکیبـاتی آلی هستند که دارای گروههای هیدروفوبیک ( دافع آب) که نقش دو و دنباله را دارد و گروههای هیـدروفیلیک ( جاذب آب) که نقش سر را دارد می باشند، بنابراین به تناسب ساختار مولکولی در حلال های آلـی و آب حـل می شوند و باعث کاهش کشش سطحی در فصل مشترک هوا – آب و یا روغن – آب می شوند.
ساختار شیمیایی این مواد اغلب شامل یک مولکول نسـبتا طـولانی بـا یـک انتهـای آب گریـز و انتهـای دیگـر آبدوست می باشد. قسمت آب گریز ایم مواد ( یک دنباله هیدروکربنی طولانی) با رزین سازگار بوده و در جهت
آن حرکت می کند در حالیکه قسمت اب دوست به سمت بیرون جهت گیری نموده ( بـه سـمت فـاز آب) و بـا احاطه نمودن رزین باعث سازگاری آن با آب می شود .
در واقع سوفکتانت ها موادی هستند که می توانند انرژی سطحی را بین سطوح به میزان زیادی تغییـر دهنـد . خاصیت یک سوفکتانت ناشی از دو شخصیتی بودن ساختمان مولکولی آن است به ایـن معنـی کـه هـم زمـان دارای گروهای آب دوست و آب گریز می باشند .
شکل 3 نمایی از سورفکتانت
-1-4سورفکتانتها معولا به وسیله گروه های بار دار به 4 گروه تقسیم می شوند :
– 1 سورفکتانت کاتیونی ( دارای بار منفی )
– 2 سورفکتانتهای آنیونی ( دارای بار مثبت )
– 3 سورفکتانت غیر یونی ( بدون بار )
– 4 آمفوتریک ( در مجموع دارای بار خنثی)
حال اگر سورفکتانت در سر خود بار مثبت داشته باشد از نوع آنیونی و اگر بار منفی داشته باشد ، کاتیونی و اگر بدون بار باشد غیر یونی و اگر هم بار مثبت و هم منفی داشته باشد از نوع آمفوتریک می باشد .
-2-4انواع سورفکتانتها :
– 1 سورفکتانت های زیستی ( بیو سورفکتانت ) – 2 سورفکتانت با ابعاد نانو ( نانو سورفکتانت
