وابستگی تأمین انرژی به سوخت های فسیلی و نفت  

تمدن بشری همواره در تمام زمینه‌ ها از قبیل صنعت، حمل‌و‌نقل، سکونت و مسائل تجاری به استفاده از انرژی وابسته بوده است. بخش صنعت شامل واحد‌های تولیدی، کشاورزی، معدن و ساخت وساز 52%، بخش حمل‌ونقل شامل جابه‌جایی افراد از طریق جاده، راه آهن، خطوط هوایی و دریایی 27% ، بخش مسکونی شامل مصارف خانگی شهروندان 14% و سرانجام واحدهای تجاری شامل  موسسات بازرگانی، سازمان‌ها و نهادهای ارائه دهنده‌ی خدمات 7% از کل انرژی تولیدی جهان را به خود اختصاص داده‌اند. اما چشم انداز بین المللی،  افزایش مصرف انرژی را تا پایان سال 2033 به میزان 49% پیش بینی کرده است.

افزایش مصرف جهانی انرژی باعث افزایش تقاضا برای منابع تولید انرژی می‌گردد. با توجه به بررسی‌های انجام شده توسط موسسه‌ی بریتیش پترولیوم، برای تأمین این تقاضای انرژی وابستگی شدیدی به نفت وجود دارد. همانطور که در شکل (1) مشاهده می‌شود، 35% از این تقاضا از طریق نفت، 29% از طریق زغال سنگ، 24% از طریق گاز طبیعی، 7% از منابع آبی و 5% از انرژی هسته‌ای تامین می‌گردد.

شکل(1): منابع تولید انرژی در جهان

تامین انرژی با نفت

نفت به عنوان اصلی ترین منبع تولید انرژی در جهان مطرح می باشد و از این رو اکتشاف و استخراج آن از اهمیت بالایی برخوردار است. بسیاری از این منابع در اعماق دریا وجود دارند و استخراج این منابع مستلزم دستیابی به دانش طراحی و تکنولوژی ساخت سکوها و ادوات استخراج در آب های عمیق می‌باشد. از سال ١٩٨٠ به بعد به دلیل افزایش قیمت نفت، کشورهای مختلف به دنبال روش‌های ازدیاد برداشت از چاه‌ها نیز پرداختند. روش‌های ازدیاد برداشت با گذشت زمان متداول شد و طبیعتن در آینده استفاده از روش‌های نوین بر اساس تکنولوژی‌های جدید انجام می شود.

در متن حاضر، سعی می‌شود، ضمن آشنایی با روش‌های ازدیاد برداشت از مخازن نفتی، بستری برای استفاده از تکنولوژی‌های جدید از جمله نانو تکنولوژی به منظور بهره‌برداری بهینه از منابع نفت و گاز کشور فراهم گردد. بررسی نمودارهای مصرف انرژی در ایران نیز که در شکل (2) آورده شده است نشان می‎‌دهد بیش از %98 مصرف انرژی در کشور وابسته به منابع نفت و گاز است.

شکل (2): منابع انرژی مصرفی در کشور ایران در سال 2016

منابع نفت و گاز در ایران

کشور ایران با دارا بودن منابع عظیم نفت و گاز در مقام دومین تولیدکننده نفت اوپک نقش خود را در بازارهای جهانی حفظ کرده است. با اکتشاف نفت در سال‌های اخیر حجم آن تنها در سال‌های 1376 الی 1381 حدود 60 میلیارد بشکه هیدروکربور مایع بوده است و با اجرای برنامه‌های ایجاد ظرفیت در سال‌های اخیر منجر به افزایش ظرفیت تولید کشور به حدود 4/2 میلیون بشکه شده است. استفاده صحیح از منابع نفتی کشور، به منظور افزایش طول عمر آن‌ها و برخورداری نسل‌های آینده از این ذخایر خدادادی، ایجاب می‌کند مدیریت صحیحی برای بهره برداری از این منابع اتخاذ گردد. از جمله نکات قابل توجه در مدیریت مخازن عبارتند از:

• اتخاذ روش‌هایی برای حفظ و صیانت مخزن
• بالابردن راندمان تولید
• نگه داشتن راندمان تولید در حد مطلوب در طول زمان

در مدیریت موارد ذکر شده باید به ساختار مخازن نفتی کشور به عنوان یک نکته اساسی توجه داشت. مخازن نفتی ایران دارای ساختاری متفاوتی نسبت به مخازن نفتی دنیا می‌باشند به طوری که اکثر این مخازن ساختار کربناته داشته و تنها 10 درصد از آن‌ها به صورت ماسه سنگی هستند. از طرفی، بخش نسبتا بزرگی از نفت موجود در این مخازن، سنگین بوده و به آسانی قابل استحصال نیست. ضریب بازیافت نفت برای اکثر مخازن هیدروکربوری ایران در حدود 24 درصد گزارش شده است که این مقدار بسیار کمتر از ضریب بازیافت متداول نفت درجهان می‌باشد.

از این رو می‌توان گفت که در مخازن ایران، میزان نفت باقی مانده در یک مخزن هیدروکربوری نسبت به مقدار برداشت شده از آن بسیار زیاد است. بنابراین چنان چه نفت استحصال نشده مخازن استخراج نگردد، در آینده‌ای نه چندان دور با کاهش شدید تولید از مخازن نفتی روبرو خواهیم شد. در شکل‌های (3) و (4) نیز به ترتیب به مقایسه مقدار نفت و گاز تولیدی در کشور ایران در مقایسه با دیگر کشورهای تولید کننده پرداخته شده‌است.

شکل (3): مقایسه مقدار تولید نفت ایران در مقایسه با دیگر کشورها برحسب میلیارد بشکه در سال 2017

شکل (4): مقایسه مقدار تولید گاز ایران در مقایسه با دیگر کشورها برحسب تریلیون فوت مکعب در سال 2017

تاریخچه اکتشاف نفت در ایران

سال ۱۲۸۷، آغازگر فصلی نو در حیات سیاسی و اقتصادی کشور ایران به حساب می‌آید، در این سال دکل حفاری مستقر در چاه شماره یک مسجد سلیمان، در منطقه نفتون به نفت رسید. این کشف بزرگ که اولین اکتشاف نفت در خاورمیانه به شمار می‌آید، به عنوان سر آغازی برای تاریخ صنعت نفت در یک قرن گذشته‌ است.

ویلیام دارسی، نخستین فردی بود که با روش‌های جدید روز و دستگاه‌های حفاری مکانیکی در ایران به اکتشاف نفت و حفر چاه پرداخت. او ابتدا گروهی فنی را به سرپرستی زمین شناسی به نام برلز ایران اعزام کرد. این گروه، پس از بررسی های زمین شناسی، گزارش رضایت بخشی ارائه داد و احتمال وجود نفت در حوالی قصرشیرین و شوشتر را زیاد و در دیگر نقاط امیدوارکننده دانست. پس از دریافت این گزارش، دارسی نماینده ای به نام ماریوت  را در سال ۱۹۰۱ به ایران فرستاد.

حفاری اولین چاه در محلی به نام چاه سرخ، در شمال غرب قصر شیرین آغاز شد. کار حفاری به علت نبود راه و نا امنی به کندی پیش می‌رفت تا آن که در تابستان ۱۹۰۳ در عمق ۵۰۷ متری به گاز و مقدار اندکی نفت رسید. چاه دوم هم در همین ناحیه در عمقی مشابه به نفت رسید. بهره دهی این چاه درحدود ۱۷۵ بشکه در روز بود.

در نیمه اول سال ۱۹۰۸ این شرکت دستور توقف عملیات را می‌دهند، ولی مسئول عملیات مهندسی،  با توجه به اطلاعاتی که در محل به دست آورده بود، چند روزی از اجرای دستور توقف خودداری کرد و به حفاری ادامه داد. سرانجام در همان سال در عمق 360 متر به نفت رسیدند، دومین چاه نیز در این منطقه در عمق 307 متر به چاه رسید و با به نفت رسیدن این دو چاه، وجود نفت به مقدار زیاد در ایران به اثبات رسید و بدین ترتیب ایران به عنوان اولین دارنده ذخایر نفت خاورمیانه مورد توجه قرار گرفت.

بیشتر بخوانید: مواد شیمیایی چیست؟ [لیست انواع مواد شیمیایی+ویژگی‌ها]

پس از کشف نفت در ایران در سال ۱۹۰۹ شرکت نفت ایران و انگلیس تشکیل شد. از سال ۱۹۰۸ تا سال ۱۹۲۸ تمام نفت تولیدی ایران از میدان نفتی مسجد سلیمان استخراج می‌شد. با این وجود به دلیل مطالعات انجام شده و اثبات این مدعا که بیشتر مناطق جغرافیایی ایران اکتشافات ادامه یافت. در ادامه این اکتشافات در سال ۱۹۲۸ میدان نفتی هفتکل و به تدریج در سال ۱۹۳۰ میدان نفتی گچساران، در سال ۱۹۳۶ میدان نفتی آغاجاری و در سال ۱۹۳۸ میدان‌های نفتی لالی و نفت سفید کشف شد.

در سال ۱۹۲۷ شرکت نفت انگلیس و عراق یک میدان نفتی با نام «میدان نفت‌خانه» را در عراق کشف کرد. نیمی از این میدان در خاک ایران قرار دارد که در حال حاضر نفت ‌شهر نامیده می‌شود. با کشف این هفت میدان نفتی، حوزه مورد قرارداد شرکت نفت سابق ایران و انگلیس به صورت یکی از مناطق مهم نفتی جهان درآمد.

اکتشاف نفت در خلیج فارس نیز در اواخر دهه ۱۹۵۰ آغاز شد و در جریان آن اولین میدان نفتی به نام بهرگانسر در سال ۱۹۶۰ و پس از آن میدان‌های دورود، سروش، سلمان، اسفندیار، فروزان، نوروز، رشادت، پارس شمالی، هندیجان و رسالت کشف شدند. امور اکتشاف و استخراج شرکت ملی نفت ایران در سال ۱۳۴۷ میدان عظیم گازی خانگیران و در سال ۱۳۶۰ میدان گازی گنبدلی را به ترتیب در غرب و جنوب شهر سرخس کشف کرد. در دهه ۶۰ به دلیلی همزمانی با جنگ ایران و عراق، اکتشاف نفت با رکود نسبی همراه بود.

در سال‌های اخیر نیز، آهنگ فعالیت‌های اکتشافی به تدریج سرعت گرفت و امکانات بیشتری به این بخش تخصیص داده ‌شد. از جمله مهم‌ترین اکتشافات در سال‌های اخیر، کشف میدان گازی پارس جنوبی است که بزرگترین میدان گازی کشف شده در جهان است. در شکل (5) میادین نفت و گاز جنوب و جنوب غربی ایران نشان داده شده‌است. در جدول (1) نیز تاریخچـه اكتشاف تعدادی از میادین نفتی در ایران به همراه سال اکتشاف آورده شده‌است.

شکل (5): میادین نفت و گاز جنوب و جنوب غربی ایران

جدول (1): تاریخچـه اكتشاف تعدادی از میادین نفتی در ایران به همراه سال اکتشاف

مراحل اکتشاف نفت

در منابع و مراجع مختلف بر اساس دیدگاه‌های مختلف مراحل گسترده‌ای برای اکتشاف نفت آورده شده‌است. با بررسی این منابع می‌توان مراحل اکتشاف را از مرحله نقشه برداری تا قبل از استخراج منابع نفت و گاز در موارد زیر جمع‌بندی کرد:

• نقشه برداری
• زمین شناسی
• ژئوشیمی
• ژئوفیزیک
• حفاری
• پتروفیزیک
• آزمایش چاه‌ها
• مهندسی مخازن

در ادامه توضیح مختصری در ارتباط با هر یک از مراحل بالا آورده شده‌است.

1- نقشه برداری

هدف از نقشه برداری و تهیه نقشه‌های توپوگرافی و ایجاد سیستم اطلاعات زمین مرجع، تهیه نقشه‌های مورد نیاز به عنوان نقشه‌های مبنای زمین شناسی، ژئوفیزیکی و راه سازی و ایجاد اطلاعات یکپارچه زمین مرجع است. مراحل نقشه برداری را در این مرحله عبارتند از:

• تهیه نقشه‌های توپوگرافی با مقیاس 1:250000، 1:50000، 1:100000، 1:250000
• تهیه نقشه‌های توپوگرافی با مقیاس 1:5000، 1:2000
• ایجاد شبکه‌های ژئوفیزیکی
• ایجاد سیستم اطلاعات جغرافیایی (زمین مرجع)

2- زمین شناسی

یکی از مهم‌ترین و اساسی ترین مراحل اکتشاف مطالعات زمین شناسی است، هدف از این فرآیند شناسایی ساختمان‌های زمین شناسی است که مستعد ذخیره نفت و گاز (تله تفتگیر) هستند. مراحل مطالعات و بررسی‌های زمین شناسی عبارتند از:

• گردآوری اطلاعات و نقشه‌های موجود
• زمین شناسی عمومی و برنامه ریزی
• چینه شناسی
• بررسی تکتونیکی و زمین شناسی ساختمانی
• زمین شناسی تحت الارضی

3- مطالعات ژئوشیمی

منظور از مطالعات و بررسی‌های ژئوشیمیایی ارزیابی توان هیدروکربورزایی واحدهای سنگی است که به عنوان

سنگ مادر یا سنگ منشأ شناسایی شده‌اند. مطالعات ژ‌ئوشیمایی هم زمان یا بلافاصله پس از پایان مطالعات چینه شناسی با نمونه برداری‌ها، آزمایش‌ها و تعبیر و تفسیرها درجه بلوغ سنگ منشأ در راستای تولید نفت و گاز تعیین می‌گردد. یکی از مراحل مهم در مطالعات ژئوشیمی پتروگرافی آلی است. در پتروگرافی آلی با تهیه برش‌های نازک و قرص‌های صیقلی از مواد آلی جدا شده از نمونه‌ها مطالعه میکروسکپی صورت گیرد. در این مرحله، توان هیدروکربو زایی آن‌ها مشخص گردد. در همین مرحله درجه بلوغ یا پختگی مواد آلی نیز از طریق نور انعکاسی و شاخص تغییرات حرارتی روی نمونه قرص مشخص می‌گردد.

4- مطالعات ژئوفیزیک

هم زمان با مطالعات زمین شناسی نواحی که بایستی مورد مطالعه ژئوفیزیک ثقل سنجی یا گراویمتری قرار گیرند و یا قسمت‌هایی که نیازمند عملیات لرزه نگاری هستند باید مشخص گردند.

5- حفاری

مطالعات و عملیات حفاری شامل مراحل زیر است:

• پیش بینی عمق نهایی حفاری
• قطر چاه (اندازه حفره‌های چاه)
• طراحی پروفایل چاه و نقاط جداره گذاری
• انتخاب مته‌های مناسب حفاری در هر مقطع
• پیش بینی و طراحی نصب لوله‌های جداری
• برنامه ریزی و نظارت بر نحوه نمونه گیری
• طراحی گل حفاری
• طراحی عملیات سیمانکاری
• برنامه ریزی جهت نمونه گیری
• برنامه ریزی آزمایش‌های بهره دهی
• برآورد هزینه‌ها و زمانبندی پیشرفت حفاری
• بررسی گزارش‌های حفاری چاه‌های ناحیه برای پیش بینی چینه‌ها و پیش بینی لایه‌های پر فشار و نقاط با هرز روی گل به مقدار زیاد

6- پترو فیزیک

امروزه در دنیا خدمات نمودار گیری  از چاه‌های نفت و گاز یا چاه پیمائی توسط معدود شرکت‌هایی که تخصص در این رشته دارند ارائه می‌شود. شرکت اکتشافی باید دانش پتروفیزیکی کافی برای ارزیابی و برآورد داده‌های پتروفیزیکی را داشته باشند و برنامه‌های نمودارگیری را در مقاطع مختلف انجام دهند. همچنین در چاه‌های مختلف بسته به نوع لایه‌ها و مشخصات چاه، ،مشخصات گل حفاری، کمبود اطلاعات اکتشافی و غیره نوع نمودار را انتخاب نماید. مهم‌ترین اهداف نمودار گیری عبارتند از:

• تطابق سازندها و دیگر واحدهای چینه‌ای
• تعیین زاویه و جهت انحراف چاه
• اندازه گیری شیب لایه بندی
• تشخیص آب – هیدروکربور (نفت یا گاز) در سنگ مخزن
• تعیین مرز آب نمک با نفت -مرز نفت و گاز
• تعیین مقدار هیدروکربور موجود در سنگ
• تعیین مقدار تخلخل و تراوائی سنگ مخزن
• تعیین نوع سنگ سازند و مقایسه آن‌ها در چاه‌های مختلف

مشخص نمودن اطلاعات اختصاصی از سازندهای تولید کننده (شامل میزان جابجایی سیالات، تأثیر مشبک کاری، نحوه و محل خروج سیال از سازند)

• تعیین زمان عبور امواج صوتی از مرز سازندها جهت ارزیابی نقشه‌های ژئوفیزیکی لرزه نگاری
• خدمات اختصاصی حفاری (شامل اندازه گیری قطر چاه، کیفیت سیمانکاری پشت لوله‌های جداری، مشبک کاری، تعیین محدوده‌های نفوذ آب و گل حفاری)
• نظارت

7- آزمایش چاه‌ها

هدف از آزمایش چاه‌ها ارزیابی سیال مخزن، فشار مخزن و دمای مخزن همچنین پتانسیل تولید تعداد لایه‌های بهره ده و مشارکت تولید آن‌ها، سطوح تماس آب و نفت و گاز، تراوایی، ضریب پوسته، شعاع تخلیه و تعیین خصوصیات سنگ مخزن است. آزمایش چاه‌ها به روش‌های زیر انجام می‌گردد:

• لایه آزمایی
• لایه آزمائی با Mechanical DST در حفره باز و لوله جداری
• لایه آزمایی با Full bore DST و فشار سنج‌های الکترونیکی
• آزمایش بهره دهی
• با تکمیل موقت و استفاده X-Tree
• با FB DST و دستگاه‌های تفکیک کننده
• آزمایش‌های طولانی مدت برای مطالعه افت فشار و حدود مخزن
• Repeat Formation Test (RFT)

RFT وسیله ایست که توسط کابل به داخل چاه فرستاده می شود و اندازه گیری‌ها به کمک ابزار الکترونیکی در سطح ثبت می‌شود.

8- آزمایش چاه‌ها

ارزیابی مخازن نفت و گاز شامل مراحل زیر است:

• بررسی منابع اطلاعات
• کنترل داده‌ها
• تعیین حدود میدان
• انجام محاسبات حجمی ذخائر
• تعیین پارامترهای تولید
• ساخت مدل ریاضی جهت پیش بینی بهره برداری و تعیین ضریب برداشت