بخشی از مقاله
چکیده
صنعت حفاری یکی از اصلی ترین و تخصصی ترین بخش های صنعت نفت به شمار می آید. انجام عملیات حفاری منجر به تولید ضایعات و پسماندهایی می شود که اگر عملیات تصفیه و حذف بر روی آن صورت نگیرد عواقب جبران ناپذیری بر سلامت جامعه و محیط زیست خواهد داشت. یکی از روش های نوین جهت حذف آلودگی های گل حفاری استفاده از نانو ذرات می باشد. مروری جامع بر مطالعات، نشان می دهد که استفاده از نانوذرات مغناطیسی آهن، اکسید آهن و اکسید روی در حذف یون کادمیوم، سرب و سولفید هیدروژن ازگل حفاری روشی پر بازده است. مزایای استفاده از نانوذرات مغناطیسی در حذف فلزات سنگین در گل حفاری مقرون به صرفه بودن این روش و نیاز به فضای کم برای انجام عملیات حذف آلودگی، انجام عملیات در دما و فشار محیط، عدم ایجاد تغییرات در محلول است. همچنین این روش دوستدار محیط زیست بوده و آلودگی ثانویه ایجاد نکرده و به آن آسیب وارد نمیکند.
کلمات کلیدی: سیال حفاری، نانو ذرات، گل حفاری، آلودگی فلزات سنگین
مقدمه
گل حفاری عامل کلیدی در انجام تمامی عملیات های حفاریهایی در صنعت نفت و گاز انجام میباشد. گل حفاری نقش بزرگی را در تسهیل عملیات حفاری بازی کرده و بهره وری از چاههای نفت و گاز را افزایش میدهد و امتخاب نوع آن از لحاظ اقتصادی برای عملیات حفاری دارای سود قابل توجهی میباشد.[1] گل حفاری در دو گروه عمده امولسیون و امولسیون معکوس دسته بندی شده و دارای چند وظیفه اصلی و پایهای است. این وظایف عبارت اند از: کمک به حذف کنده های حفاری، تمیز کردن چاه و انتقال کنده ها به سطح زمین، خنک کردن مته و لوله های حفاری، روان کردن مته و لولههای حفاری، کنترل فشارهای زیر زمینی، اندود کردن دیواره چاه و جلوگیری از ریزش آن به درون چاه، معلق نگه داشتن کندههای حفاری و ذرات جامد و جلوگیری از ته نشینی آن ها به خصوص درهنگام خاموشی پمپها، تحمل بخشی از وزن لولههای حفاری وکیسینگ چاه، انتقال توان هیدرولیک پمپ ها به مته، کاهش دادن ضایعات وارد بر سازندهای مجاور و ارائه حداکثر اطلاعات لازم پیرامون نوع ساختار تشکیل دهنده چاه و کندههای حفاری و ترخیص شن و کنده های حفاری روی الک لرزان.[7-2]
در بعضی مواقع برای بهتر شدن خواص گل، مواد افزودنی مختلفی به گل اضافه می شوند که این مواد یا محتوایشان باعث آلودگی گل شده و اثرات سوئی بر محیط زیست و سلامت جانداران میگذارند. برخی دیگر از مواد آلاینده از طریق ساختارهای زیرزمینی و هیدروکربنهای موجود در نفت خام به درون گل حفاری نفوذ میکنند. [9-8 ] گل های پایه روغنی به دلیل داشتن مواد هیدروکربنی مضر و همچنین ترکیبات سمی و خطرناک آروماتیکی خود منبع آلودگی شناخته شده و در سالهای اخیر استفاده از آنها بسیار محدود شده است.[7-6] یکی از آلایندههای گل حفاری هیدروژن سولفید میباشد که به صورت طبیعی در ساختارهای زمینی موجود است. وجود این گاز در ساختار های زمینی گل را آلوده کرده و علاوه بر تغییر خواص آن ، باعث به خطر افتادن سلامت انسان ها میشود. [10 ] فلزات سنگین یکی دیگر از مهم ترین آلایندههای گل حفاری محسوب میشود.
فلزات سنگین از سه طریق وارد گل حفاری میشوند؛ بسیاری از آنها به طور طبیعی در چینهها وجود داشته و لذا در طول حفاری وارد سیال مورد استفاده میشوند و نیز همچنین بعضی از فلزات سنگین به عنوان افزودنی به گل حفاری اضافه میشوند تا خواص مطلوب را در آن ایجاد نمایند که از این میان می توان باریم و جیوه موجود در باریت، که به عنوان کنترل کننده دانسیته به کار برده میشوند و کروم موجود در لیگنوسولفونات کروم، که به عنوان رقیق کننده کاربرد دارد ، نام برد. از دیگر منابع ورود فلزات سنگین به گل حفاری نفت خام است ؛ نفت خام به طور طبیعی شامل غلظت های بسیار متفاوتی از فلزات مختلف میباشد. فلزات سنگین محیط زیست را آلوده کرده و آن را تحت تاثیر خود قرار داده و دارای عوارض شدیدی از جمله سرطان، بیماری های پوستی، جهش زایی و ... برای انسان ها می باشند. فلزات سنگین موجود در گل حفاری عبارت اند از: آرسنیک، جیوه، باریم، وانادیم، کروم، کبالت، روی، نیکل و ... .
با توجه به معایب گفته شده برای بهبود عملکرد گل حفاری و داشتن یک حفاری موفق و همچنین جلوگیری از آسیب دیدن محیط زیست و جانداران موجود در آن، باید این مواد آلاینده از گل و کندههای حفاری حذف و درمان گردند.[13-11] آلودگی های موجود در گل حفاری در دو گروه آلودگی های تغییر دهنده خواص گل و آلودگی های محیط زیستی تقسیم بندی می گردند. بسته به نوع آلودگی موجود در گل حفاری از روش های مختلف تصفیه و خالص سازی استفاده می شود. روش هایی که جهت حذف آلودگی های کنده های حفاری توسط دپارتمان تحقیقات نفت1، به کار برده می شود شامل تزریق دوغاب، تثبیت سیمان، سوراندن و دفع حرارتی می باشد.[14] پراکندگی به وسیله واکنش شیمیایی یکی دیگر از روش های حذف ضایعات کند های حفاری است که نوعی عمل انجماد و تثبیت کنندهی پیشرفته می باشد.[14]
از روش های دیگر حذف آلودگی ها روش استخراج فوق بحرا نی به وسیله کربن دی اکسید است. اساس کار این روش بر پایه استخراج آلاینده ها مخصوصا ترکیبات هیدروکربنی مانند دیزل و روغن های معدنی از گل حفاری آلوده به وسیله حل شدن این مواد در حلال کربن دیاکسید میباشد.[15] روش اصلاح زیستی و تجزیه میکروبی یکی از جدیدترین روش های حذف آلاینده های نفتی گل حفاری مانند فلزات سنگین و ترکیبات هیدروکربنی سمی است . مزیت این روش نسبت به روش های قدیمی مانند انجماد و پایدارسازی، تجزیه گیاهی، دفع حرارتی و غیره، که دارای معایبی چون هزینه بالا و ایجاد آلودگیهای ثانویه هستند، این است که این فرایند در فضای کوچک، با هزینه کم و عدم ایجادآلودگیهای ثانویه انجام می پذیرد.[16]
روش های مختلفی جهت حذف فلزات سنگین از گل حفاری موجود است. این روش ها در کارایی وهزینه متفاوت هستند. این روش ها شامل: روش ته نشینی. جذب سطحی. تبادل یونی. اسمز معکوس. یونشناوری می باشند.[19-17] امروزه فناوری نانو سهم بسیاری را در پیشرفت فناوری در صنایع مختلف به خود اختصاص داده است. مطالعات صورت گرفته بیانگر این مهم است که این فناوری توانایی قابل توجهی در ایجاد تحول وپیشرفت در صنایع نفت و گاز دارد.[20] نانوذرات با اضافه شدن به گل حفاری قابلیت های گل را بهبود می بخشند. عملکرد اصلی نانو افزودنی ها در گل حفاری شامل: کنترل هرزروی سیال و پایداری چاه، جلوگیری از گل گرفتگی مته، کاهش گشتاور پیچشی و نیروی پسا، حذف گازهای سمی، مقابله با چالش دما و فشار بالای مخزن و کنترل وزن گل حفاری می باشد.[21]
بررسی مطالعات اخیر نشان می دهد که نانوذرات به دلیل سطح بالا و موقعیت ویژه قادر است با روش جذب سطحی در تصفیه و خالص سازی آلودگی های گل حفاری نقش موثری را ایفا کند. با توجه به جدید بودن این موضوع مطالعات و آزمایشات محدودی با استفاده از تکنولوژی نانو در زمینه حذف آلایندههای گل صورت گرفته ولی با این حال این آزماشات توانایی بالای استفاده از نانوذرات در حذف آلایندههای گل حفاری را نشان میدهد. از این رو این مطالعه مروری به تحقیقات انجام شده در استفاده از نانوذرات در جذب آلودگی های گل حفاری است.
حذف آلاینده های گل حفاری با استفاده از نانوذرات
در مطالعهای که توسط علیمحمدی و همکاران در مورد حذف یون کادمیم از گل حفاری آلوده صورت گرفته، با استفاده از ترکیب فرآیند جذب نانوذرات با روش جداسازی مغناطیسی به حذف این یون آلوده در گل حفاری پرداخته شده است و فاکتورهایی چون میزان PH ، شدت لرزش، زمان ماند و نیز مقادیر مورد استفاده از نانوذرات در پروسه جذب، مورد مطالعه قرار گرفته است.[ 22] نانوجاذب مغناطیسی2 سنتز شده به وسیله نانوذرات اکسید آهن3 و پلی اکریلیک اسید4 به ترتیب به عنوان هسته وگروه تبادل یونی، توسعه یافته شده است. همچنین این نانوذرات به وسیله دی اتیلن تری آمین5، آمین دار شدهاند.[22] .[22]
نتایج این مطالعه نشان می دهد که با کاهش مقدار PH و اسیدی شدن محیط فرآیند، جذب یون کادمیم افزایش یافته و میزان PH بهینه برای عمل جذب کادمیم از محلول گل برابر با 6 گزارش شده است. با کاهش مقدار PH از حالت بهینه مقدار جذب کادمیم از گل حفاری با شیب بسیار کمی نزدیک به صفر کاهش پیدا می کند .[22] همچنین در شرایط ثابت با افزایش مقدار ماده جاذب میزان جذب یون کادمیم کاهش یافته و با توجه به شرایط موجود در آزمایشات صورت گرفته، مقدار بهینه ماده جاذب برای عملیات جذب کادمیم از گل حفاری برابر با 3/2 میلی گرم گزارش شده است.[22] اثر گذشت زمان بر فرآیند جذب حاکی از سرعت بالای جذب یون کادمیم از گل حفاری در لحظات ابتدایی شروع فرآیند است - شکل . - 1
باتوجه به نمودار درصد بازده فرآیند جذب بر حسب پارامتر زمان بیشترین مقدار و بازدهی جذب - حدود90درصد - در دو دقیقه ابتدایی فرآیند حاصل میشود و قسمت کوچکی از جذب کادمیم تا 10دقیقه بعد از شروع فرآیند رخ می دهد. سرعت جذب بالای یون کادمیم توسط نانوذرات مغناطیسی از اصلی ترین دستاوردهای این روش است. این پارامتر درکاربردهای صنعتی بسیار مهم و موثر است..[22] در مطالعه ای که توسط صیاد نژاد و همکاران انجام گرفته است[23]، از نانوذرات اکسید روی و مقیاس بالک6 آن جهت حذف هیدروژن سولفید از نمونه گل حفاری پایه آبی استفاده شده است. بازدهی و عملکرد نانوذرات اکسید روی در حذف هیدروژن سولفید موجود در گل حفاری نسبت به مقیاس بالک آن، در این مطالعه مورد مقایسه و ارزیابی قرار گرفته است.
