بخشی از مقاله
خلاصه
عمر بیشتر مخازن نفتی دنیا به نیمه دوم خود رسیده است، به همین دلیل میزان برداشت نفت از آنها به شکل قابل ملاحظهای کاهش یافته است. در نتیجه برای بهرهوری بیشتر در برداشت از ذخایر نفتی، روشهای ازدیادبرداشت مورد توجه بسیاری از شرکت های نفتی قرار گرفته است. در حال حاضر کاربرد فناوری نانو در فرآیندهای ازدیاد برداشت مورد توجه بسیار زیاد قرار گرفته است. یکی از کاربردهای عمده این نانومواد در مخازن تزریقی آب است که قابلیت جداسازی سریع آب را در سطح و شاید هم در مخزن امکان پذیر می سازد. با توسعه این نانومواد مشکل تولید آب از مخازن نیز حل خواهد شد.
این نانو مواد همچنین قابلیت تأثیر بر روی ویسکوزیته نفت را دارد و می توان آن را به جای عملیات حرارتی در مخازن به کاربرد. از طرفی کاربرد برخی نانوذرات در کاهش کشش سطحی نیز به اثبات رسیده است. با امکان تولید نانو فیبر های کامپوزیتی پلیمری گستره استفاده از پلیمرها افق های جدیدی را در عرصه مختلف فناوری های نوین از جمله در ازدیاد برداشت نفت فراهم ساخته است. در این مطالعه پلیوینیلپیرولیدون به همراه نانو ذرات تیتانیا با نسبت PVP/ - TiO2 - =2/1 بهروش الکتروریسندگی به نانوفیبرهای کامپوزیتی TiO2/PVP تبدیل شده است. تصاویر به دست آمده از XRD نشان داد که نانوکامپوزیت مورد نظر به خوبی سنتز شده است وذرات تیتانیا به خوبی با فیبر PVP ترکیب شده است. نتایج تصاویر SEM نشانگر تولید نانوفیبرهایی کامپوزیتی در محدودهی 182 نانومتر می باشد.
-1 مقدمه
صنایع نفت و گاز از مهمترین منابع تأمین انرژی در گذشته وحال هستند. پیش بینی میشود با وجود پیشرفتهای چشمگیر در بهره برداری از منابع انرژی تجدید پذیر حداقل تا دو دهه آینده این منابع تنها تکمیل کننده منابع هیدروکربنی به شمار روند و تقاضا برای انرژیهای هیدروکربنی سالانه حدود 2 تا 3 درصد افزایش پیدا کند که منجر به افزایش 50 درصدی نیاز به این نوع انرژی طی 20 سال آینده میشود.
در نتیجه میتوان گفت منابع عظیم هیدروکربنی در سالهای آینده نیز همچنان سهم عمده خود را در بازار انرژی دنیا حفظ خواهند کرد و دستیابی به انرژیهای تجدیدپذیر جایگزین که هم از نظر فنی و هم از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشند، در آینده نزدیک کمی دور از انتظار به نظر میرسد. به همین دلیل اهمیت توسعه فناوری در این حوزه نه تنها کاهش نخواهد یافت، بلکه به دلیل کاهش منابع نفتی، استخراج از آنها نیاز به فناوریهای پیشرفتهتری نیز پیدا خواهد کرد.
برای حل مشکلات و بهبود روشهای متعارف ازدیاد برداشت از مخازن نفتی تحقیقات بسیاری در جریان است و یکی از شاخههای تحقیقاتی پیشگام در این حوزه استفاده از نانوفناوری است. نانوفناوری بر شناخت و کاربرد مواد نوین در مقیاس 1 تا 100 نانومتر تمرکز دارد. شناخت و کاربرد مواد در این مقیاس تا کنون فرصتهای زیادی را در حوزههای متفاوت فراهم کرده که در سطح جهانی رقابت گستردهای برای دست یافتن به این فرصتها شکل گرفته است، چرا که نانومواد با ارائه خواصی مانند سطح به حجم بالا، قدرت نفوذ بیشتر و ... میتوانند کاربردهای گستردهای در صنایع مختلف داشته باشند.
با افزودن نانوذرات، خواص سیال پایه از قبیل دانسیته، گرانروی، هدایت حرارتی و گرمای مخصوص افزایش مییابد. این افزایش در خواص فیزیکی سیال پایه، برای کاربردهای ازدیاد برداشت مطلوب است. در مواردی نیز نانوذرات ازدیاد برداشت نفت را با بهبود خاصیت ترشوندگی سنگ مخزن افزایش میدهند، بدین معنی که با استفاده از برخی از این نوع مواد می توان کاری کرد که به جای عبور نفت از میان سنگ مخزن کاری کرد که آب از آن عبور کند که این امر به حل برخی مشکلات در این زمینه کمک میکند.
پلیوینیلپیرولیدون - PVP - 1 که پلیویدون هم نامیده می شود، پلیمری با قابلیت حل شدن در آب و حلال های قطبی می باشد که از منومر N وینیل پیرولیدون ساخته شده است. این پلیمر پودری برفکی روشن بوده و به صورت محلول، خاصیت ترشوندگی2 بسیار عالی دارد. نانوذرات تیتانیوم دی اکسید یکی از شناخته شدهترین مواد در حوزه نانوتکنولوژی هستند که به عنوان یک ماده دوستدار محیط زیست تحقیقات زیادی بر روی آنها انجام شده است.
مواد نانومتری منجمله نانو فیبر ها به واسطه ویژگیها و خواص متفاوتی که دارند در سالهای اخیر توجه زیادی را به خود معطوف کردهاند. نانوفیبرها رشته فیبرهایی با قطری کمتر از یک میکرون می باشند که به دلیل نسبت محدوده سطح به حجم بسیار بالا، تخلخل زیاد، توانایی مهندسی کردن در فرمهای مختلف و از طرفی احتمال آمیختن مواد با انواع نانوفیبرها، امکان بهکارگیری آنها را در حوزههای مختلف فراهم میسازد. در این میان نانو فیبر های پلیمری توجه بسیاری از محققین را به خود جلب نموده است.
کاربردهای فناوری نانو در صنعت نفت کاملا جدید نیستند. نانوذرات بیش از 50 سال است که در سیالات حفاری به صورت موفقیت آمیزی مورد استفاده قرار گرفتهاند. با این وجود مدت زیادی از بررسی کارکرد فناوری نانو در سایر زمینههای صنعت نفت نمیگذرد. برای حل مشکلاتی نظیر برداشت از مخازن دور از دسترس، شرایط دشوار مخزنی - مخازن پرفشار با دمای بالا - و همینطور مخازن غیر معمول موجود - مانند مخازن نفت سنگین و فوق سنگین - توجه به فناوری نانو بیشتر شده است.
در واقع اخیرا تلاشهای بسیاری برای ایجاد پلی بین صنعت نفت و فناوری نانو صورت گرفته است. در همین راستا بسیاری از مجامع علمی از جمله جامعه مهندسین نفت3 اقدام به برگزاری جلساتی با محوریت فناوری نانو کردهاند. در سال 2008، با هدف کشف و به کارگیری پتانسیلهای فناوری نانو در صنایع نفت و گاز، کنسرسیوم پیشرفته انرژی4 در ایالات متحده دائر شد. این کنسرسیوم که با بسیاری از شرکتهای گازی و نفتی عظیم نظیر شل5، توتال6 و شلومبرژه 7 در ارتباط و همکاری است و بودجهای چندین میلیون دلاری دارد، دارای هدف اصلی پیدا کردن و به کارگیری فناوریهای نانو جهت بهبود تولید نفت و گاز است. هدف اول آن نیز ساخت حسگرهای میکرو و نانو تعریف شده است که بتوان آنها را به ستونهای چاههای نفتی و گازی تزریق کرد. بسیاری از محققین نیز در حال تلاش برای یافتن پتانسیلهای فناوری نانو در عرصه ازدیاد برداشت و مسائل مربوط به آن نیز هستند.
صنعت نفت همواره به دنبال روشهای نوین برای برداشت بیشتر نفت بوده است و در همین راستا مهندسان نفت در جستجوی یافتن روزنههایی در صنایع دیگر به منظور دستیابی و استفاده از دانش این صنعت برای برآورده کردن اهداف صنعت نفت میباشند. فناوری نانو یکی از حوزههای تحقیقاتی است که به سرعت در حال رشد است و صنعت نفت نیز به دنبال استفاده از پیشرفتهای این حوزه میباشد.
در زمینه تولید و بهرهبرداری، هانگ8 و همکارانش در سال 2008 پروپانت را برای شکاف هیدرولیکی با نانوکریستالها پوشش دادند و از آن برای کنترل مهاجرت شن به درون چاه بدون کاهش بهرهوری استفاده کردند. آنها همچنین از نانوذرات برای کاربرد در زمینه تکمیل چاه استفاده کردند. در سال 2009، سنسوی9 و همکارانش در زمینه حفاری نشان دادند که افزودن نانوذرات به گل پایه آبی، نفوذ گل را به داخل لایههای شیل کاهش میدهد که در نتیجه آن از تورم و ناپایداری دیواره چاه در نواحی شیلی جلوگیری میشود.
در زمینه مهندسی مخزن و ازدیاد برداشت، ژنگ10 و همکارانش در سال 2009 اظهار داشتند که اگر از نانوذرات به همراه سورفکتانت یا به جای سورفکتانت برای پایدار کردن فوم استفاده شود میتواند چندین مزیت مهم داشته باشد. اول اینکه انرژی لازم برای جدا کردن نانو ذرات از روی سطح فیلم مایع در فوم بیشتر از سورفکتانت بوده و منجر به تشکیل فوم پایدارتری میشود. دوم اینکه نانوذرات پتانسیل پایدار کردن فوم را در دمای بالا برای مدت زمان طولانی دارا میباشد و در نهایت چون این ذرات کوچک هستند میتوانند از طریق فضاهای محیط متخلخل با کمترین میزان جذب روی سطح سنگ حرکت کنند. اسپینوزا11 و همکاران نیز در سال 2010 با انتشار گاز دی اکسید کربن در محلول نانوذرات سیلیکا فوم تولید کردند که تحمل شرایط سخت مخزن - دما و شوری بالا - را دارا بود.
نانوموادهایی مانند پلیمرها و افزایه های شیمیایی کریستالی جهت استفاده در روشهای ازدیاد برداشت می توانند تولید نفت را بهبود بخشند. نانوکامپوزیت نیز همان کامپوزیت است که یک یا چند جزء از آن، ابعاد کمتر از 100 نانومتر دارد. نانوکامپوزیت ها از دو فاز تشکیل شده اند. فاز اول یک ساختار بلوری است که در واقع پایه یا ماتریس نانوکامپوزیت محسوب می شود و ممکن است از جنس پلیمر، فلز و یا سرامیک باشد. فاز دوم نیز ذراتی در مقیاس نانومتر می باشند که به عنوان تقویت کننده مواد پرکننده Filler به منظور اهداف خاص از قبیل استحکام، مقاومت، هدایت الکتریکی، خواص مغناطیسی و ... در درون فاز اول - ماده پایه - توزیع می شوند.
نانو کامپوزیت های پلیمری در کاهش مصرف انرژی و افزایش بهره وری در صنعت نفت کاربرد دارند که درآینده ای نزدیک تولید آن در مقیاس صنعتی توسط پژوهشگاه صنعت نفت محقق می شود. نانوکامپوزیت های پلیمری نسل جدیدی از مواد هستند که حاوی یک زمینه - ماتریس - پلیمری و درصد کمی - کمتر از 10 درصد وزنی - از یک تقویت کننده نانومتری می باشند که با یک روش مناسب با هم آمیخته شده اند.
ذرات نانو به علت داشتن ابعاد بسیار کوچک و سطح تماس بسیار بالا در میزان بارگذاری - Loading - کمتری باعث بهبود خواص مورد نظر گردیده و مسائل مربوط به تقویت کننده های رایج، نظیر افزایش وزن، نقایص سطحی و مشکلات فرآیندپذیری در آنها کمتر دیده می شود نانو کامپوزیت ها در حوزه های مختلف صنعت نفت ، مدیریت آب چاه های نفتی و گازی ، ازدیاد برداشت از مخازن نفتی، خالص سازی و جداسازی گازها ، سبک سازی و افزیش مقاومت به شعله سازه های نفتی، تسهیل انتقال نفت خام، کاهش آلودگیهای زیست محیطی کاربرد دارند الکتروریسندگی روشی جدید و ساده برای تولید نانوفیبرها می باشد.
