بررسی تأثیر نانوذرات و سیالات توزیع کننده بر ازدیاد برداشت نفت

MICROMAX؛ تحولی درساخت دوغاب سنگین بدون SETTELING
دی ۱۰, ۱۳۹۶
تأثیر غلظت سورفکتانت، نمک و pH بر روی تنش سطحی
دی ۱۰, ۱۳۹۶

بررسی تأثیر نانوذرات و سیالات توزیع کننده بر ازدیاد برداشت نفت

چکیده

از آنجاییکه هدف ابتدایی صنعت نفت بازیافت نفت می­باشد، لازم است که تأثیر نانوذرات را بر بازیافت نفت را مشخص کرد. در اینجا به استفاده­ از نانوذرات اکسیدهای آلومینیوم، روی، منیزیم، آهن، زیرکونیوم، نیکل، قلع و سیلیکون در سازند پرداخته شده و تأثیرات آن­ها بر بازیافت نهایی نفت مورد مطالعه قرار گرفته است. نانوذرات یاد شده جهت انجام آزمایشات ازدیاد برداشت تحت شرایط سطحی مورد استفاده قرار گرفته­اند. آب مقطر، آب شور و اتانول به عنوان محیط پخش­کننده­ی نانوذرات به ­کار رفته­اند. آزمایشات صورت گرفته شامل جابجایی نفت تزریقی با نانوسیالات بوده است. نتایج حاصل از آزمایشات نشان می­دهد که اکسید آلومینیوم و سیلیکون مواد مناسبی جهت انجام عملیات ازدیاد برداشت می­باشند. اکسید آلومینیوم زمانیکه با آب مقطر و آب شور به عنوان عامل پخش­کننده استفاده می­شود جهت بازیافت نفت مناسب است. در مورد کاربرد اتانول، اکسید سیلیکون غنی از سیلان بالاترین بازیافت را در میان تمامی آزمایشات بدست می­دهد و همچنین اکسید سیلیکون آب­گریز در اتانول نیز نتایج خوبی را نشان می­دهد. اکسید آلومینیوم گرانروی نفت را کاهش می­دهد درحالیکه اکسید سیلیکون علاوه بر کاهش کشش سطحی بین نفت و آب به سبب وجود اتانول، باعث تغییر ترشوندگی سنگ نیز می­شود. اکسید منیزیم و روی توزیع­شده در آب مقطر و آب شور باعث بروز مشکلاتی در تراوایی می­شوند و به طور کلی بازیافت نفت را کاهش می­دهند. این مسأله نقش مهم سیالی که به عنوان عامل پخش­کننده­ی نانوذره در سازند ایفا می­کند را مورد تأکید قرار می­دهد، به این خاطر که مستقل از اثر نانوذرات می­تواند اثری مثبت یا منفی در بازیافت نفت داشته باشد.

کلمات کلیدی: نانوذرات، بازیافت نفت، نانوسیالات، ترشوندگی نفت.

  • مقدمه

با استفاده از نانوذرات می­توان ترشوندگی سازند را تغییر داد. تولید نفت در سازندهای آب­دوست بهتر از سازندهای نفت­دوست می­باشد (بین شانگ و همکاران ۲۰۰۵) و البته سازندهای با ترشوندگی میانی سازندهای آب­دوست تولید بهتری دارند (دانگ و همکاران ۲۰۰۶). استفاده از نانوذرات در تغییر ترشوندگی سنگ و تأثیرات ناشی از آن بر بازیافت نفت توسط اشخاص زیادی گزارش شده است (کین فنگ و همکاران ۲۰۰۹). همچنین اکسید سیلیکون توزیع ­شده در اتانول نتایج خوبی را ارائه داده است (اونیکونو و همکاران ۲۰۱۰)، گرچه تأثیر اتانول به صورت مجزا بر بازیافت نفت گزارش نشده است. بنابراین در اینجا به بررسی تأثیر عوامل دیگر اتانول به صورت مجزا و اتانول به همراه نانوذرات گوناگون بر بازیافت نفت پرداخته شده است. نقش نانوذرات در بازیافت کلی نفت نیز محاسبه شده است. گرانروی نفت را می­توان با استفاده از نانوذره­ی اکسید آلومینیوم کاهش داد، که تحت شرایط سطح و خارج از سازند مخزنی بدست آمده است (نارس و همکاران ۲۰۰۷). از آنجاییکه اکسید آلومینیوم قابلیت کاهش گرانروی نفت (مخصوصاً نفت­های سنگین) که مانع بازیافت هستند را دارد، بررسی قابلیت آن در کاهش گرانروی نفت در سازند ضروری است.

ضریب جاروبی سیالات پخش­کننده در مخزن نیز بسیار حائز اهمیت است. ضریب جاروبی به نسبت تحرک وابسته است که خود نیز تا حدودی به گرانروی سیال پخش­کننده و پخش­شونده بستگی دارد. اگر گرانروی سیال پخش­کننده و پخش­شونده را جهت بهبود نسبت تحرک بتوان تغییر داد، آنگاه ضریب جاروبی افزایش خواهد یافت. پلیمرها عوامل شناخته شده­ای جهت افزایش گرانروی سیالات پخش­شونده می­باشند. معایب پلیمرها شامل از دست رفتن برخی از خواص سیال در دماهای بالا، قیمت و مقدار مورد نیاز جهت به پایان رساندن یک عملیات می­باشد. از سوی دیگر کاربرد نانوذرات به علت سطح بزرگ نیازمند مقدار کم جهت انجام یک عملیات است. نانوذرات اکسید آهن قابلیت افزایش گرانروی سیالات پخش­شونده را دارند (کوتاری و همکاران ۲۰۱۰).

تأثیرات سایر انواع نانوذرات بر بازیافت نفت نیازمند مطالعه است. تحقیقاتی با تمرکز بر کاربرد نانوذرات در حل مشکلات مربوط به تولید نفت و گاز موجود در سازند انجام شده است. یکی از آن­ها بر مبنای کنترل جابجایی ذرات در مخازن می­باشد، که اکسید منیزیم در این زمینه نتایج خوبی را نشان داده است (حبیب و همکاران ۲۰۱۱)، اما تأثیر آن بر بازیافت نفت بررسی نشده است و سایر نانوذراتی که قابلیت کنترل جابجایی ذرات در سازند را دارند هنوز تحت بررسی می­باشند. اما تاکنون تأثیرات آن­ها بر بازیافت نفت مورد مطالعه قرار نگرفته است. بنابراین از آنجاییکه هدف اولیه در صنعت نفت بازیافت نفت می­باشد، مطالعه­ی تأثیر نانوذرات مختلف ضروری است. هر ماده­ای که در سازندهای مخزنی مشکلاتی به عنوان مانع بازیافت نفت ایجاد می­کند بایستی شناسایی شده و جهت توصیه در کاربردهای میدانی بازنگری شود.

  • مواد به­ کار رفته

موادی که در انجام این آزمایشات به­کار رفته­اند عبارتند از: ماسه، نفت خام، نانوسیالات، آب شور و کیسه­ی شن. آب شور ساخته شده­ی آزمایشگاهی با غلظت g/l 30 به­کار رفته است. حجم کیسه­های به­کار رفته حدود cm3 80 بوده است. تعداد ۹ نوع نانوذره مورد استفاده قرار گرفته­اند که پیش از این ذکر گردید. اندازه­ی نانوذرات در جدول ۱ آورده شده است.

جدول ۱: برخی خواص نانوذرات به کار رفته.

هر یک از این نانو ذرات در ۳ سیال مختلف با غلظت g/l 3 توزیع شده­اند. عوامل پخش­کننده­ی مورد استفاده آب مقطر، آب شور و اتانول بوده­اند. این نانوذرات مختلف به دلیل پتانسیل­هایی که جهت رفع مشکلاتی در سازندهای مخزنی دارند جهت آزمایش ازدیاد برداشت نفت انتخاب شده­اند. در اینجا تمرکز اصلی بر تأثیرات آن­ها بر بازیافت نفت می­باشد. خواص نفت مورد استفاده در جدول ۲ آورده شده است.

جدول ۲: خواص نفت.

  • روش کار و محاسبات

در ضریب جابجایی نفت، سیالات نقش مهمی را ایفا می­کنند. به طور مثال آب شور با شوری کم، بهتر از آب با شوری زیاد، نفت را جابجا می­کند.  از آنجائیکه نانوذرات جامد هستند، به سیالی نیاز دارند تا بتواند آن­ها را به درون سازند حمل کنند. برای آنکه در اثر نانوذرات در این سیالات اشتباهی رخ ندهد، ابتدا این سیالات بدون نانوذرات به صورت کنترل شده در آزمایشات به کار برده شده اند. سپس در سایر آزمایشات از این سیالات به همراه نانوذرات استفاده شده است. جهت تخمین نقش نانوذرات در بازیافت کلی، بازیافت به دست آمده از آزمایشات کنترل شده از بازیافتی که از آزمایشاتی که در حضور نانوذرات حاصل شده­اند، کم می­شود. مقدار منفی به دست آمده از این تفریق، مشخص­ می­کند که نانوذرات به عنوان مانعی در برابر بازیافت نفت عمل کرده­اند. هدف ابتدایی در اینجا تشخیص نانوذراتی است که قابلیت کاربرد در ازدیاد برداشت نفت را دارند. نمودارهای رسم شده به وضوح نشان می­دهند که کدام نانوذره و سیال پخش­کننده بهترین نتیجه را در ازدیاد برداشت نفت به دست داده­اند. می­توان بر روی عوامل ازدیاد برداشت شناخته شده (نانوذرات و سیالات پخش­کننده) تحقیقات بیشتری تحت شرایط مخزن جهت تشخیص بازده واقعی آن­ها در جابجایی نفت از سازند انجام داد. در تمامی آزمایشات اشباع نفت یکسان و برابر با ۴۰% حجم فضای خالی می­باشد.

ضریب جاروبی:  ED = x / So * 100

که x برابر است با مقدار نفت جابجا شده و So اشباع اولیه­ی نفت می­باشد.

جهت به دست آوردن نقش نانوذرات در بازیافت کلی، Y را برابر با درصد بازیافت به دست آمده از آزمایشات تحت کنترل در نظر می­گیریم. Y1, Y2, Y3 و … را درصد بازیافت حاصل از سایر آزمایشاتی در نظر می­گیریم که نانوذرات در سیالات پخش­کننده توزیع شده­اند. بنابراین سهم نانوذرات در بازیافت کلی نفت به صورت Z1 = Y1 – Y , Z2 = Y2 – Y می­باشد. نمایش مقدار منفی Z در نمودار نشان­دهنده­ی این نکته است که نانوذره­ی مذکور جهت عملیات ازدیاد برداشت نفت مناسب نبوده و نبایستی مورد استفاده قرار گیرد.

  • مراحل آزمایش

آزمایشات تحت شرایط سطح و با فشار اتمسفری انجام شده­اند. دلیل این امر آن است که سایر مجموعه آزمایشاتی که با استفاده از این نانوذرات انجام شده است (مخصوصاً جهت بررسی تأثیر آن­ها بر جابجایی ذرات) تحت شرایط سطح بوده­اند.

شرایط سطح به سبب پایین بودن فشار باعث جابجایی ذرات می­شود که باعث بوجود آمدن یکی از بدترین حالات شود. فشار بالا تمایل دارد که ذرات سازند را به یکدیگر بست دهد، در حالیکه تحت فشار پایین ذرات ماسه به راحتی جدا شده و از مکان اصلی خود مهاجرت می­کنند. از آنجائیکه سایر مجموعه آزمایشات به جهت حفظ ثبات، تحت فشار اتمسفری انجام شده­اند، آزمایشات ازدیاد برداشت نیز تحت این شرایط انجام پذیرفته­اند. ترسیمی از مراحل آزمایش در شکل ۱ نشان داده شده است. جهت انجام تمام آزمایشات، ماسه­ی تمیز خیسانده شده در آب شور به مدت بیش از ۷ روز، به کار برده شده است.

شکل ۱: ترسیمی از فرایند سیلابزنی.

در این آزمایشات آب شور به درون ماسه­ای که بسته بندی شده تزریق شده و سپس نفت (به اندازه­ی ۴۰% حجم فضای خالی) تزریق شده است. سپس نانوسیالات به اندازه­ی سه برابر حجم فضای خالی جهت جابجایی، شست­وشو و بازیابی نفت تزریق شده اند. هیچ یک از آزمایشات توسط نانوذرات اکسید سیلیکون آب­گریز توزیع­شده در آب مقطر و آب شور انجام نشده است. دلیل این امر آن است که این نانوذرات قابلیت توزیع در سیالات قطبی را ندارند و تنها می­توانند در سیالات آلی توزیع شوند.

  • نتایج

نتایج کلی به دست آمده از این آزمایشات در جدول­ ۳ آورده شده است.

 

جدول ۳: نتایج بازیافت نفت توسط تزریق نانوسیالات مختلف در ماسه.

شکل ۲: نتایج نانوسیالات مختلف به کار رفته در آزمایشات ازدیاد برداشت.

البته همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است حضور تمامی نانوذرات در آب مقطر بازیافت را بهبود بخشیده است.

شکل ۳: نتایج نانوسیالات مختلف به کار رفته با آب مقطر جهت آزمایشات ازدیاد برداشت.

نانوذره­ی اکسید آلومینیوم بهترین نتیجه را داده و نانوذره­ی اکسید آهن نیز نتیجه­ی خوبی را ارائه داده است. همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده است، زمانیکه از آب شور به عنوان عامل پخش­کننده استفاده شده است، تنها آلومینیوم، نیکل و سیلان نتایج مثبتی را ارائه می­دهند و سایر نانوذرات نتایجی منفی دارند.

شکل ۴: نتایج نانوسیالات مختلف به کار رفته با آب شور جهت آزمایشات ازدیاد برداشت.

مجدداً در این حالت اکسید آلومینیوم بهترین نتیجه را دارد. همانطور که در شکل ۵ نشان داده شده است، زمانیکه اتانول عامل پخش­کننده باشد، تنها سیلان و اکسید سیلیکون آب­گریز نتایج مثبتی داشته، در حالیکه سایر نانوذرات نتایج منفی از خود نشان می­دهند. در واقع نانوذرات سیلان در اتانول بهترین نتایج در تمام آزمایشات را نشان داده است. بایستی متذکر شد که اتانول به عنوان یک سیال مستقل (بدون نانوذرات) بازیافت نفت را بهبود می­بخشد، زیرا اتانول کشش سطحی بین آب و نفت را کاهش می­دهد. نتایج فوق مشخص می­کند که برای هریک از این نانوذراتی که جهت عملیات ازدیاد برداشت به کار می­روند، محیط پخش­کننده بایستی کاملاً در نظر گرفته شود چراکه می­تواند تأثیر مثبت یا منفی بر بازیافت داشته باشد.

شکل ۵: نتایج نانوسیالات مختلف به کار رفته با اتانول جهت آزمایشات ازدیاد برداشت.

از شکل­های ۴ و ۵ دو نانوذره­ای که به بهبود بازیافت گرایش دارند، مشخص شده­اند. که به ترتیب نانوذرات اکسید آلومینیوم و اکسید سیلیکون در آب شور و اتانول می­باشند. همچنین نانوذرات اکسید آلومینیوم و اکسید سیلیکون به ترتیب به علت کاهش گرانروی نفت و تغییر ترشوندگی سازند باعث بهبود بازیافت می­شوند. نانوذرات اکسید نیکل در آب شور و اکسید آهن در آب مقطر با افزایش گرانروی سیالات پخش­کننده، ممکن است به خوبی عمل کنند.

مشاهدات

  • زمانیکه از اتانول به عنوان محیط پخش­کننده­ی نانوذرات استفاده شده است، نفت تولیدی به دلیل اختلاف چگالی به سمت پایین لوله­ی جمع­آوری فرو می­رود.
  • تغییر رنگ برون­ریزهای فرعی تولیدی در زمان به کارگیری اتانول به همراه نانوذرات و بدون آن­ها نشان­دهنده­ی این است که این مورد به علت واکنش بین نفت و اتانول است. در ترکیب برون­ریز فرعی با آب واکنشی گرمازا رخ می­دهد که به محیط حرارت وارد می­کند. این نتیجه­ای از واکنش بین اتانول و آب است و نفت تولیدی به سمت بالای محلول شناور می­شود.
  • با اکسید آلومینیوم، اکسید منیزیم، اکسید قلع و اکسید نیکل در آب مقطر، حباب­های زیادی به همراه برون­ریز تولید می­شود.
  • اکسید منیزیم در آب شور و آب مقطر و اکسید روی در آب شور و آب مقطر به سبب گرفتگی منافذ حفرات، مشکلات تراوایی را افزایش می­دهند. در واقع اکسید روی در نقاط تزریق، ذرات بزرگتری را انباشته می­کند که تزریق سیال را دشوار می­سازد.
  • نفت تولیدی حاصل از کاربرد نانوذرات اکسید آلومینیوم و نیکل سبک­تر از نفت تزریقی است.
  • اتانول در ماسه­ها تراوایی را بهبود می­بخشد.
  • به طور کلی نتایج آب مقطر بازیافت کمی دارند اما حضور نانوذرات در آن بازیافت را بهبود می­بخشد.
  • حضور اکثر نانوذرات در آب شور و اتانول در مقایسه با استفاده از این سیالات بدون حضور نانوذرات، بازیافت ضعیفی دارند.

در صورت استفاده­ی اتانول، نفت تولیدی به زیر سطح اتانول فرو می­رود، به خاطر اینکه چگالی نفت بیشتر از اتانول است. این موضوع بیان می­کند که اگر مخزنی شامل نفت باقیمانده­ی اشباع از اتانول بوده و برای مدتی در آن محبوس باشد (بدون تولید) نفت می­تواند به پایین فضاهای خالی مخزن جهت جای­گیری در سطح تماس آب-اتانول حرکت کند. تولید در این حالت می­تواند شامل تبدیل چاه­های تزریقی به تولیدی و بلعکس باشد. جهت اجتناب از این مورد بایستی تزریق اتانول و تولید همزمان انجام شود و برای یک دوره­ی زمانی در مخزن محبوس نشود.

نتیجه گیری

نتیجه ­گیری­های پس از انجام این مطالعه عبارتند از:

  • نانوذرات اکسید آلومینیوم توزیع­شده در آب شور و آب مقطر با کاهش گرانروی نفت به بهبود بازیافت نفت تمایل دارد.
  • سیلان و اکسید سیلیکون آب­گریز توزیع­شده در اتانول با تغییر ترشوندگی سنگ به بهبود بازیافت نفت تمایل دارند. زمانی­که اتانول به تنهایی به کار می­رود (بدون نانوذرات) نیز با کاهش کشش سطحی بین نفت و آب، بازیافت نفت را افزایش می­دهد.
  • نوع سیال به کار رفته جهت توزیع نانوذرات در ماسه جهت بهبود بازیافت نفت اهمیت دارد زیرا نقش قابل توجهی در این فرایند دارند.
  • اکسید منیزیم و روی توزیع­شده در آب مقطر و آب شور سبب بروز مشکلاتی در تراوایی می­شوند. بازیافت حاصل از کاربرد اکسید منیزیم جهت عملیات ازدیاد برداشت، بسیار ضعیف است.
  • از مقایسه­ی بازدهی سیالات مختلف (بدون وجود نانوذرات) در جابجایی نفت، به طور کلی می­توان مشاهده کرد که آب مقطر بازیافت پایینی به دست می­دهد، آب شور بازیافت خوبی دارد، اتانول بازیافت خوبی داشته و تأثیر گازوئیل خوب به نظر می­رسد.
  • هنگامی­که از نانوذرات توزیع­شده در آب شور و اتانول جهت عملیات ازدیاد برداشت یا رفع سایر مشکلات موجود در سازند استفاده می­شود، بایستی دقت کرد زیرا اکثر این نانوذرات ممکن است تأثیر منفی بر بازیافت نفت بگذارند.

                                           سالار وکیلی نژاد۱

                                         کارشناس ارشد مهندسی نفت، دانشگاه تهران

منابع

  • Binshan, J., Tailang, F. and Mingxua M.: (Aug. 2005) “Enhanced oil recovery by flooding with hydrophilic nanoparticles”, China Particuology, Vol. 4, No. 1, Elsevier B. V., Beijing, China. Pp. 41-46.
  • Dong, H., Hong, Y., Weng, R.: (Sep. 2006) “The effect of wettability on oil recovery of Alkaline/Surfactant/Polymer and Polymer flooding” , SPE 102564, Texas, USA. Pp. 1-8.
  • Habib, A., Ahmadi, M. and Pourafshary, P. (2011) “Reduction of fines migration by nanofluds injection, An experimental study” Institude of Petroleum Engineering University of Tehran, SPE Conference, June 7-10, 2011, Netherland. Pp. 1-16.
  • Kothari, N., Raina B., Chandak, K., Iyer V. and Mahajan, H., (2010), “Application of Ferrofluid for enhanced surfactant flooding in EOR” , SPE Europe/Eage Annual Conference and Exhibition, 14-17 June 2010, Barcelona, Spain, Paper No. 131272 – MS, Pp. 1-7.
  • Nares, H.R., Schacht – Hernendez, P., Ramirez – Gamica, M>A>R> and Cabrera – Reyes, M.C., (2007), “Heavy crude oil upgrading with transition metals” , Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference, 15-16 April, 2007, Buenos Aires, Argentina, Paper No. 107837 – MS, Pp. 1-4.
  • Onyekonwu, M.O. and Ogolo, N.A., (2010), “ Investigating the use of nanoparticles in enhanced oil recovery” Nigerian Annual International Conference and Exhibition, 31 July- 7 August 2009, Tinapa – Calabar, Nigeria, Paper No. 140744 – MS, Pp. 1-13.
  • Quinfen, D., Shen, C., Wang, Z., Jing, B., Gu, C. and Qian, Y., (2010), “Innovative drag reduction of flow in rock’s micro-channels using nanoparticles adsorbing method” , International oil and gas conference and exhibition in China, 8-10 June 2010, Beijing, China, Paper No. 130994- MS, Pp. 1-11.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *