بخشی از مقاله
چکیده
در متن هیدرات گاز طبیعی که در عملیات حفاری تشکیل می شود همواره یک نگرانی برای مهندسان نفت و گاز بوده است که همراه با جستجوی نفت در آب های عمیق و فوق عمیق جاییکه دما پایین و فشار بالاست افزایش می یابد. حل مشکل تشکیل هیدرات در این مکان ها نیازمند سرمایه و تجربه زیادی است. علاوه بر این آزادسازی گاز نزد یک سطح زمین در حین تجزیه هیدرات ممکن است یک شرایط خطرناک کنترل چاه را فراهم آورد. تشکیل هیدرات می تواند در یک محیط کوچک و بدون جریان شروع شود مثل چوک، خطوط کشتن چاه یا نزدیک فوران گیرها، آب مورد نیاز برای تشکیل کریستال میتواند از گل حفاری تامین شود که خواص آن را تغییر می دهد. چندین تحقیق روی شرایط ترمودینامیکی - فشار، دما و ترکیب - لازم برای تشکیل هیدرات گازی انجام شده است. دستگاه های آزمایش و روش های مختلفی برای غربال کردن بازدارنده ها استفاده شده است. که آنها را به سه نوع ترمودینامیکی، جنبشی و ضدتجمعی تقسیم می کنند. داده های آزمایشگاهی برای بهبودی مدلهای تئوری در یک پیشرفت پیوسته مفیدند.
واژههای کلیدی: هیدرات گازی، تعادل ترمودینامیکی، گل حفاری.
-1 مقدمه
صنعت نفت رو به توسعه میادین نفت و گاز در آبهای عمیقتر است، جایی که شرایط محیطی خاص مثل دمای پایین و فشار بالا وجود دارد، بنابراین خطرات احتمالی عملیات حفاری به دلیل هیدرات های گازی از اهمیت بیشتری برخوردار است. با وجود اینکه این مشکل مهم می تواند منجر به رانش زمین، کاهش سرعت استخراج نفت و... شود، اطلاعات کمی از تشکیل هیدرات گازی در گل حفاری منتشر شده است.[1-3]هیدرات ترکیبی از خانواده اندرون گیر ها هستند که مولکول های گازی کوچک درون یک شبکه مولکول های آب به دام می افتد. کریستال های هیدارت می توانند در یک رنج فشار و دمای خاص پایدار بمانند.
ساختار جامد توسط نیروی واندروالسی بین مولکول های آب که تشکیل قفس داده و مولکول های گاز درون آن است به طور ترمودینامیکی پایدار است. منابع هیدرات تشکیل شده طبیعی، مورد توجه جهانی قرارگرفته است و این به دلیل انرژی پتانسیل زیاد آن، تغییر آب و هوای جهانی، پایداری شیب حاشیه قاره ای وخطرات صنعت نفت است.[4] در عملیات حفاری، خطرات تشکیل هیدرات علاوه بر ایجاد مشکل در جریان باعث ریزش دیواره چاه، افزایش کنترل نشده گاز و فوران آن می شود. به طور کلی شرایط عملیات دور از ناحیه تشکیل هیدرات نگه داشته می شود و انتقال حرارت کنترل می شود، اینکار توسط گرم کردن یا عایق بندی و استفاده از افزودنی هایی مثل بازدارنده ها صورت می گیرد. گاهی اوقات هیدرات ها باتوجه به فشار می توانند در دمای20-30 درجه سلسیوس وجود داشته باشند! حداقل سه ساختار شناخته شده هیدرات وجود دارد. که به این شکل نامگذاری می شوند: ساختارI و ساختارII و ساختار.[5]H
-2 ساختار I
ساختار Iمعمولاً با مولکول های کوچک تر مانند متان، دی اکسید کربن، اتان و ... تشکیل می شود. در این ساختار دو حفره 512 - حفره کوچک - و شش حفره 51262 - حفره بزرگ - با اشتراک گذاشتن ضلع ها در اثر تکرار در فضا با هم شبکه ی این فضا را تشکیل می دهند. بنابراین، هر واحد سلولی این ساختار شامل 46 مولکول آب می باشد و دارای هشت حفره برای مولکول های گاز است که از میان این حفرات دو حفره کوچک و شش حفره بزرگ است و ساختار به صورت مکعب است. بنابراین، در این ساختار 46 مولکول آب به ازای هشت مولکول گاز وجود دارد. ساختار I چهار درصد از حالت کروی انحراف دارد.[6]
-3 ساختار II
مولکول هایی با قطر بین 5 تا 6/7 آنگستروم که نمی توانند در ساختار I قرار بگیرند، فقط می توانند ساختار II را اشغال کنند. بنابراین، این ساختار به وسیله مولکول های بزرگ تر مانند پروپان و ایزو بوتان تشکیل می شود. این ساختار با اشتراک گذاشتن سطح ها از ترکیب شانزده حفره 512 - حفره کوچک - و هشت حفره 51264 - حفره بزرگ - تشکیل شده است. بنابراین، هر واحد سلولی این ساختار شامل 136 مولکول آب است و دارای 24 حفره برای مولکول های گاز است که از میان این حفرات، هشت حفره کوچک و شانزده حفره بزرگ است. بنابراین، در این ساختار 136 مولکول آب به ازای 24 مولکول گاز وجود دارد. ساختار II ده درصد از حالت کروی انحراف دارد. بنابراین، کروی ترین ساختار را در میان ساختار های هیدرات دارا می باشد. این ساختار برای شیرین سازی آب مناسب است.[7]
-4 ساختار H
این ساختار تا سال 1987 ناشناخته بود و هنوز هم به اندازه دو ساختار دیگر شناخته شده نیست. این ساختار از ترکیب سه حفره 512 - حفره کرچک - دو حفره 435663 - حفره متوسط - و یک حفره 51268 - حفره بزرگ - تشکیل شده است. بنابراین، هر واحر سلولی این ساختار شامل 34 مولکول آب می باشد و دارای شش حفره برای مولکول های گاز است که از میان این حفرات سه حفره کوچک، دو حفره متوسط، و یک حفره بزرگ است. بنابراین، در این ساختار 34 مولکول آب به ازای شش مولکول گاز موجود می باشد. زمانی که اجزای گاز طبیعی مثل پروپان و ایزوبوتان وجود دارند این ساختار تشکیل نمی شود. ساختار H تحت عنوان ساختار دوگانه شناخته می شود و برای تشکیل آن یک نوع مولکول کوچک مانند متان و یک نوع مولکول بزرگ مانند متیل سیکلو هگزان باید موجود باشند تا بتوانند ساختار آن را پایدار کنند. از مهم ترین خواص مکانیکی ساختار H، فشار تشکیل پایین و ظرفیت ذخیره سازی بالا است به این خاطر است که در سیالات مخازن نفتی ما ببشتر از این ساختار را داریم.[8-10]
به این ترتیب، انواع مختلف گاز توانایی تشکیل هیدرات را دارند، گازی که معمولا در شرایط کنترل چاه می توان یافت، گاز طبیعی است، بنابراین هیدرات نوع I می تواند تشکیل شود. یک شبکه تنه مرکزی مکعبی، یا ساختارII ، یک شبکه الماسی. اما یک kick سیال های هیدروکربنی سبک که می توانند دارای مولکولهای هیدروکربن میانی باشند به طور تئوری اجازه تشکیل هیدرات ساختار H را می دهند.هیدرات ها در بین رسوبات کف اقیانوسها نیز می توانند تشکیل شوند. شرایط برای تشکیل هیدرات در %90 اقیانوس ها وجود دارد. اما آنها فقط در جاهایی که شرایط و ساختار مناسب برای رسوب گاز طبیعی وجود داشته باشد تشکیل می شوند.[11] تشکیل هیدرات می تواند به سه مرحله تقسیم شود:
· نفوذ گازی که قرار است در شبکه کریستال هیدرات به داخل آب شرکت جوید
· تشکیل هسته
· رشد هسته
پس از حمله مولکول های گاز به سمت قطرات آب و تشکیل لایه های نازک، در مدت زمان بیشتر به گسترش لایه های فیلمی منجر شده و قطره آب به هیدرات تبدیل می شود. در مرحله بعد، هسته کوچک تشکیل شده نیازمند یک زمان induction است. سپس اندازه آنها به یک اندازه بحرانی می رسد و در آن هنگام رشد آغاز می شود. استفاده از بازدارنده های ترمودینامیکی باعث از همگسیختگی پیوند هیدروژنی در فاز آب در مرحله تشکیل هسته می شود. بازدارنده های جنبشی و ضدتجمعی می توانند زمان تشکیل هیدرات را به تاخیر بیندازند. بنابراین یکی میتواند با عمل کردن خارج از ناحیه هیدرات مانع از تشکیل هیدرات شود یا اجازه دهد هسته تشکیل شود، اما مانع از تجمع آنها شود، در اینجا هیدرات ها مثل سیال قابل جابجایی هستند لازم است با دقت شرایط ترمودینامیکی تشکیل هیدرات به عنوان تابعی از composition گاز و گل تعیین شود . این یک hydrate line است - فشار برحسب دما - که در شکل زیر نمایش داده شده است.[12]
