بخشی از مقاله
چکیده:
نفت های سنگین بخشی از منابع قابل توجه نفتی به شمار می آیند که به دلیل مشکلات استخراج ناشی از بالا بودن گرانروی ، هنوز تا حدود زیادی دست نخورده باقی مانده اند .در حال حاضر، استخراج از مخازن نفت سنگین با استفاده از روش های ازدیاد برداشت حرارتی, تزریق حلال و تزریق گاز امتزاجی صورت می پذیرد .در این مقاله، مزایای سه فرآیند مجزا شامل روش های حرارتی، تزریق حلال و تزریق گاز امتزاجی با یکدیگر ترکیب شده و یک فرآیند نو برای کاهش گرانروی نفت سنگین ارائه شده است .
در این پژوهش، از نانوذرات فلزی برای افزایش هدایت حرارتی , دی اکسید کربن فوق بحرانی یا سیال تزریقی کاهنده گرانروی برای کاهش گرانروی نفت سنگین استفاده شده است . یک ماده فعال سطحی قابل حل در دی اکسید کربن فوق بحرانی نیز برای تقویت این کاهش گرانروی به مخلوط اضافه شده است .بنابراین، خواص حرارتی نانوذرات فلزی، خواص شیمیایی و حلالیت مواد فعال سطحی و خواص امتزاجی دی اکسید کربن فوق بحرانی و سیال تزریقی کاهنده گرانروی، همه با هم به کاهش گرانروی نفت سنگین و تسهیل در استخراج این نوع نفت، کمک می کنند.
مقدمه:
نفت سنگین یا فوق سنگین، به نفت خامی اطلاق می شود که به راحتی جریان پیدا نمی کند .علت استفاده از واژه سنگین برای این نوع نفت، بالا بودن چگالی آنها در مقایسه با نفت سبک است . به طور معمول، نفت سنگین، نفتی با درجه کمتر از20 - یا به عیارت دیگر چگالی نسبی بیش از - 0/933 است. تولید، انتقال و پالایش نفت سنگین در مقایسه با نفت سبک دشوارتر است . بزرگترین مخازن نفت سنگین دنیا در شمال ونزوئلا قرار دارد .اما به طور کلی بیش از سی کشور دارای مخازن نفت سنگین هستند .
بالا بودن گرانروی و چگالی نسبی و همچنین داشتن ترکیبات مولکولی سنگین تر این نوع از نفت خام، مهمترین خواص فیزیکی هستند که بین نفت سنگین و سبک تمایز ایجاد می کنند .نفت فوق سنگین ونزوئلا دارای گرانروی بیش از ده هزار سانتی پواز و درجه 10 استمعمولاً،. برای انتقال این نوع از نفت خام در فواصل معین با خط لوله، از رقیق کننده هایی استفاده می شود که باعث سهولت در جریان سیال می شوند. روش های تولید از مخازن نفت سنگین و فوق سنگین عبارتند از:
طبقه بندی مخازن نفتی به مخازن نفت سبک و سنگین، بر اساس درجه سیال مخزن انجام می گیرد. اگرچه یک طبقه بندی یکسان بین المللی برای این منظور وجود ندارد، ولی به طورمعمول نفت هایی با درجه بین 12 تا 20 را می توان به نفت سنگین و نفت هایی با درجه بین 8 تا 12 را به نفت فوق سنگین طبقه بندی کرد. در نقاط مختلف جهان به خصوص در کشورهای کانادا، آمریکا، ونزوئلا، ایران، مکزیک، روسیه و بعضی از کشورهای تولید کننده نفت خام در خاورمیانه، منابع عظیمی از نفت های سنگین و بسیار سنگین وجود دارد .به طور کلی میزان کلی منابع نفت به شکل نفت سنگین و قیر طبیعی در جهان حدود 6تریلیون بشکه نفت درجا تخمین زده می شود که سه برابر ذخایر نفت معمولی جهان است .همچنین مطابق مطالعات انجام گرفته، مجموع ذخایر نفت سنگین ایران حدود 85 میلیارد بشکه برآورد شده است.
با وجود حجم زیاد ذخایر نفت سنگین و قیر طبیعی، تولید از این منابع انرژی به سادگی برداشت از ذخایر متداول نفت خام نبوده و با استفاده از فناوری های متداول به آسانی قابل بهره برداری نیستند .وجود گرانروی بالا و درصد بالایی از ترکیبات آسفالتین و رزین در این هیدروکربن ها باعث بروز مشکلاتی در مراحل استخراج، انتقال و فرآوری نفت سنگین می شود .برداشت اولیه در تعداد کمی از مخازن نفت سنگین و قیر که دارای شرایط بهتری هستند، حداکثر به 6 درصد نفت درجا می رسد .بنابراین استفاده از روش های بازیافت از همان ابتدای برداشت از این نوع مخازن، ضروری به نظر میرسد.
تقاضای روزافزون جهانی برای نفت و فرآورد ههای آن و کاهش تولید طبیعی از مخازن نفت سبک و از سوی دیگر افزایش قیمت نفت در سال های اخیر باعث توجه روزافزون به روش های تولید از مخازن نفت سنگین و فوق سنگین شده است .به طوری که برآورد ها نشان می دهد، تولید نفت سنگین کانادا در آینده نزدیک از مرز 1/2 میلیون بشکه در روز بگذرد .در کشور ونزوئلا طبق برنام هریزی انجام شده، شرک تهای نفتی قصد دارند 600/000 بشکه در روز برسانند .
دولت چین نیز قصد دارد در آینده نزدیک میزان تولید تولید نفت سنگین را به 150/000 بشکه در روز برساند .این در حالی است که در کشور ایران با توجه از میادین نفت سنگین خود را به ذخایر قابل ملاحظه نفت سنگین، به دلیل عدم انتقال فناوری مربوطه، تولید از میادین نفت سنگین صورت نمی گیرد.
مخازن نفت سنگین و فوق سنگین به خاطر گرانروی بالا، دارای بازیافت اولیه قابل توجهی نیستند، از این رو برای بازیافت موثر از چنین مخازنی ضرورت کاهش گرانروی نفت درجا با استفاده از رو شهای حرارتی احساس می شود، به طوریکه بیش از 80 درصد تولید نفت سنگین در مرحله ازدیاد برداشت از طریق روش های حرارتی انجام می گیرد.
به طور کلی مخازن نفت سنگین و فوق سنگین نیازمند اقداماتی برای کاهش گرانروی نفت و وارد کردن انرژی به مخزن هستند. زمانی که بخار فوق داغ به مخزن تزریق می شود، گرانروی نفت کاهش یافته، فشار مخزن از طریقجابه جایی و تقطیر جزئی نفت افزایش می یابد. بخار می تواند به طور پیوسته به شکل سیلابزنی 6 یا به صورت منقطع و طی چند چرخه به مخزن تزریق شود .
در حالت منقطع، می توان بخار را از یک چاه - در نقش چاه تزریقی - به مخزن تزریق کرد و سپس از همان چاه - این بار در نقش چاه تولیدی - به استخراج نفت پرداخت. روش تزریق گاز، هم به صورت امتزاجی - که گاز تزریقی و نفت درون مخزن با یکدیگر امتزاج یافته و تشکیل سیال واحدی می دهند - و هم به صورت غیرامتزاجی - که گاز تزریقی پیستون مانند، نفت درون مخزن را به سمت چاه های تولیدی هدایت می کند - ، از روش های ازدیاد برداشتی هستند که به طور گسترده، پس از روش های حرارتی در استخراج نفت، مورد استفاده قرار گرفته اند.
هدف:
چالش های فعلی در تولید نفت سنگین را می توان با روش های نوین ازدیاد برداشت نفت سنگین حل نمود .در این مقاله روشی نوین به منظور کاهش گرانروی نفت سنگین با استفاده از نانوذرات فلزی بررسی شده است.
اهداف این مطالعه عبارتند از:
1. کاهش گرانروی نفت با استفاده از دی اکسید کربن یا اشباع شده با نانوذرات
2. استفاده از خواص حرارتی نانوذرات برای افزایش انتقال حرارت به نفت سنگین
3. بررسی اثر افزایش چگالی و گرانروی پلی دی متیل سیلوکسان و نانوذرات فلزی برای کاهش تحرک و اثر انگشتی شدن
4. بررسی میزان بازیافت نفت سنگین با استفاده از دی اکسید کربن اشباع شده از نانوذرات در مقایسه با دی اکسید کربن بدون نانوذرات
نانوذرات فلزی:
از آنجا که نانوذرات فلزی می توانند بطور موثری پلی بین مواد در مقیاس بزرگ و ساختارهای اتمی و ملکولی باشند، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند .مواد در مقیاس بزرگ بدون توجه به اندازه، دارای خواص فیزیکی ثابت هستند، اما این قضیه در مقیاس نانو صدق نمی کند .اما با نزدیک شدن اندازه مواد به مقیاس نانو و افزایش قابل توجه درصد اتم ها در سطح ماده، خواص مواد تغییر می کنند.
نانوذرات تنها بخشی از خواص ماده در حالت توده را از خود نشان می دهند .برای مثال، خمش مس در مقیاس توده ای - برای ساختن سیم، نوار و غیره - از طریق جابجایی اتم ها یا خوشه هایی از مس در ابعاد 50 نانومتر انجام می گیرد .نانوذرات مس، که در شکل 1، تصویر آن نشان داده شده است، با اندازه کمتر از 50نانومتر به عنوان مواد فوق العاده سخت شناخته می شوند که خواص چکش خواری و لوله ای شدن مس در مقیاس توده ای را نخواهند داشت.
نانوذرات به ازای حجم مشخصی از ماده، دارای سطح خیلی زیاد هستند .این خاصیت یک نیروی محرک قابل توجه برای نفوذ به خصوص در دماهای بالا ایجاد می کند.
با افزودن نانوذرات، خواص سیال پایه - سیال معمول - از قبیل دانسیته، گرانروی، هدایت حرارتی، و گرمای مخصوص افزایش می یابد. این افزایش در خواص فیزیکی سیال پایه، برای کاربردهای انتقال حرارتی مطلوب است.
مواد فعال سطحی:
مواد فعال سطحی، کشش سطحی مایع را از طریق جذب سطحی در فصل مشترک گاز -مایع، کاهش می دهند .پلی دی متیل سیلوکسان ، یکی از پلیمرهای آلی با پایه سیلیکونی است که بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد و به خصوص به علت خواص رئولوژیکی غیر معمولش معروف است .شکل 2 این مولکول پلیمری را نشان می دهد.
این پلیمر، باعث بروز خواص رئولوژیکی غیر معمول از قبیل گرانروی بالا 100000 - سانتی پوز - است .همچنین این پلیمر، از نظر شیمیایی نسبت به اکثر مواد شیمیایی دیگر حالت خنثی دارد . این پلیمر، در دی اکسید کربن فوق بحرانی حل شده و می تواند گرانروی آن را افزایش دهد .دانسیته این پلیمر 0/98 وزن ملکولی آن 139000 و گرانروی آن 100000 سانتی پواز است.
آزمایش ها:
برای بررسی تاثیر افزودن نانو ذره اکسید مس مجموع های از آزمایشات به شرح زیر انجام شده است.
آزمایش های بررسی ویسکوزیته نفت سنگین:
انتظار می رود اضافه کردن نانو ذره موجب کاهش ویسکوزیته نفت سنگین شود .به همین منظور دو دسته آزمایش برای بررسی صحت این موضوع انجام شد .آزمای شهای دسته اول به منظور بررسی اثر افزودن نانو ذره اکسید مس به گاز دی اکسید کربن تزریقی در فشارهای مختلف طراحی شدند که طراحی آزمایش ها و نتایج حاصل در جدول و نمودار - 1 - آمده است.
