از دیدگاه تاریخی، برداشت نفت از مخازن به سه مرحله تقسیم می‌شود. مرحله آغازین تولید با استفاده از انرژی طبیعی موجود در مخزن که منبع اصلی انرژی برای جابجایی نفت به سمت چاه تولیدی است، انجام می‌شود.
- منبع این انرژی طبیعی رانش کلاهک گازی (Gas Cap Drive)
- رانش آبده (Aquifer Drive)
- رانش گاز محلول (Solution Gas Drive)
- انبساط سنگ و سیال (Rock and Fluid Expansion)
- ریزش ثقلی (Gravity Segregation)
در این مرحله تنها در حدود ۳۰-۵ درصد نفت اولیه موجود در مخزن برداشت می‌شود. مرحله دوم عملیات به طور معمول بعد از کاهش انرژی مخزن و در نتیجه کاهش برداشت نفت، استفاده می‌شود.
برداشت ثانویه با افزایش انرژی طبیعی مخزن با کمک تزریق آب یا گاز انجام می‌شود. در این فرآیند گاز و آب را می‌توان برای تثبیت فشار با انبساط کلاهک گازی و آبده و یا رویکرد جابه‌جایی غیرامتزاجی نفت بر مبنای نفوذپذیری نسبی و روبش حجمی داخل ستون نفتی تزریق کرد.
به منظور افزایش ازدیاد برداشت نفت در سال‌های اخیر به منظور ازدیاهای برداشت نوین و اصولی با بازده بالاتر از از روش‌های نوین استفاده شده‌است. سه شاخه اصلی برای فناوری‌های جدید که در قرن 21 رشد چشم‌گیری داشته و توسعه یافته‌اند عبارتند از:
- نانو تکنولوژی
- فناوری اطلاعات
- بیوتکنولوژی
ازدیاد برداشت از چاه‌های نفت و گاز
با توجه به اینکه منابع نفتی که به راحتی قابل دسترس هستند رو به کاهش بوده و از طرفی تقاضا برای نفت در حال افزایش است؛ لذا روش‌های پیچیده‌تری به منظور بهبود تکنیک‌های تعیین مشخصات میدان و فرآیندهایی که منجر به ازدیاد برداشت می‌شوند مورد نیاز است.
نفت‌های سنگین به دلیل مشکلات استخراج ناشی از بالا بودن گرانروی هنوز تا حدود زیادی دست نخورده باقی مانده و بخشی از منابع قابل توجه نفتی بشمار می‌آیند. در حال حاضر، استخراج از مخازن نفت سنگین با استفاده از روش‌های ازدیاد برداشت زیر صورت می‌گیرد:
- ازدیاد برداشت با تزریق آب، گاز و یا تزریق متناوب آب و گاز
- ازدیاد برداشت حرارتی
- ازدیاد برداشت به وسیله فوم و ژل‌های پلیمری
- استفاده از مواد شیمیایی کاهش دهنده کشش سطحی
- استفاده از روش میکروبی
روش ازدیاد برداشت به روش تزریق گاز به دو صورت امتزاجی و غیرامتزاجی صورت می‌گیرد. در روش امتزاجی، گاز طبیعی با افزودن تركیبات هیدروكربنی میانی C2 تا C6 غنی شده و سپس با نفت مخزن امتزاج یافته و آن را از درون خلل و فرج سنگ مخزن به طرف چاه‌های تولیدی هدایت می‌كند.
در این روش در صورتی که سنگ مخزن دارای تراوایی مناسب باشد، می‌توان تا %70 حجم نفت باقی‌مانده، نیز دست یافت. در روش غیر امتزاجی، گاز تزریقی در قسمت بالای مخزن متراكم شده و فشار مخازن را افزایش می‌دهد و حركت نفت را سهولت می‌بخشد.
روش تزریق آب نیز مشابه روش تزریق گاز است و تنها تفاوت آن استفاده از آب به جای گاز به عنوان ماده تزریقی است. نتایج مطالعات نشان می‌دهد بازدهی استفاده از آب پایین‌تر است و حدود نصف بازدهی استفاده از گاز است. در روش دیگری نیز از تزریق متناوب آب و گاز برای افزایش فشار در مخزن استفاده می‌شود.
در روش‌های حرارتی معمولاً در بهره برداری از مخازنی كه نفت آن‌ها نسبتا سنگین است، به كار برده می‌شود و برای نفت خام با شاخص API بین 10 تا 20 كاربرد دارد. حرارت‌دادن به منظور كاستن گرانروی شامل تزریق آب داغ یا بخار به درون مخزن و یا ایجاد حرارت به كمك انرژی الكتریكی است.
در روش تزریق مواد شیمیایی و یا فوم به منظور كاهش نیروی كشش سطحی بین سنگ و سیال، با تنظیم نسبت تراوایی به گرانروی نفت مخزن، مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از روش تزریق فوم و مواد شیمیایی، در برخی از میادین نروژ به صورت آزمایشی با موفقیت انجام پذیرفته است.
در روش ازدیاد برداشت میكروبی با استفاده از میكروب‌ها جهت تولید گاز به منظور افزایش بازده و یا دفع موادی كه باعث كاهش غلظت و گرانروی نفت و انتقال آسان آن به سمت چاه‌های تولیدی می‌شود. روش‌های میكروبی از روش‌های نوین افزایش بازده ذخایر به شمار می‌رود كه این روش از جنبه‌های نوین كاربرد علوم بیوتكنولوژی در صنعت نفت است.
هزینه بالا از یک سو و وجود برخی موانع و مشکلات از سوی دیگر منجر شده‌است روش‌های مرسوم ژئوفیزیکی برای اکتشاف و استخراج نفت، از جمله عدم امکان شناسایی بسیاری از ذخایر چینه‌ای باعث توجه به روش‌های ارزانتر و با کارایی بیشتر شده است. از جمله این روش‌ها ژئوشیمی اکتشافی مبتنی بر نمونه برداری و آنالیز گازهای موجود در خاک است.
در پژوهش انجام شده توسط Amedi و همکاران تفسیر داده‌های حاصل از این اندازه گیری‌ها نشان داده است که در بالای بسیاری از مخازن هیدروکربوری اعم از چینه‌ای یا ساختمانی یا مختلط، بیراه‌هایی از ترکیبات گازی هیدروکربوری مانند متان و یا پروپان وجود دارد.
این گاز‌ها عموما با عبور از سنگ پوشش، از مخازن نفتی به سطح زمین راه پیدا کرده‌اند. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد کاربرد همزمان این روش ژئوشیمیایی به همراه دیگر روش‌های ژئو فیزیکی در بسیاری از موارد کارایی عملیات اکتشافی را بالا برده و منجر به کاهش هزینه‌ها شده‌است.
روش‌های ازدیاد برداشت متداول در کشور
استفاده از روش‌های ازدیاد برداشت متداول در کشور هرچند مزایایی به دنبال داشته است اما معمولا میزان محصول تولیدی بسیار کم است. به عنوان مثال فرآیند ازدیاد برداشت میکروبی نفت (MEOR) شامل قسمت‌های مختلفی است که عمده‌ترین آن‌ها شامل آماده سازی محلول‌های حاوی مواد مغذی و میکروبی، سپس تزریق این مواد به داخل مخزن است.
در مرحله بعد مجموعه این مواد مغذی و میکروارگانیسم در داخل مخزن منتشر شده و از طریق نفوذ به قسمت‌های مختلف مخزن می‌رسند، سپس با انجام فرآیندهای متابولیکی، میکروارگانیسم‌ها مواد مغذی موجود را مصرف و مجموعه‌ای از مواد بیولوژیکی مفید را که باعث جابجایی و افزایش راندمان تولید نفت می‌شوند تولید می‌کنند.
در نهایت به واسطه مجموعه تغییرات فیزیکی و شیمیایی رخ داده در مخزن در اثر فعالیت‌های میکروبی، راندمان تولید مخزن بالا می‌رود. از جمله مسائلی که باعث مطرح شدن روش MEOR در بین سایر روش‌های در کشور شده‌است عبارتند از:
- مزایای اقتصادی این روش
- زیست تخریب بودن کلیه محصولات
- آلودگی محیط زیست پایین
اهمیت MEOR برای کشور با توجه به قدمت چاه‌های نفتی ایران و از آنجایی که MEOR معمولا پس از اجرای روش‌های دیگر به کار می‌رود، به نظر می‌رسد اهداف متعددی در ایران برای این شیوه وجود داشته باشد. به ویژه این که MEOR برای چاه‌هایی که به دلیل تزریق آب، دیگر قادر به تولید نفت نیستند و در اصطلاح غرقاب شده‌اند و همچنین چاه‌هایی که به دلیل رسوب ترکیبات آلی و معدنی مسدود شده‌اند روش مناسبی است.
از آن جایی که حتی پس از تزریق آب و گاز حداکثر حدود %38 تا %40 از مخزن برداشت می‌شود، حتی با به کاربردن MEOR حدود 1% نفت آزاد می‌شود، بنابراین باید از روش‌های جایگزین نوین دیگری در ازدیاد برداشت استفاده نمود. در شکل (1) نمونه‌ای از یک ازدیاد برداشت میکروبی به کمک نوعی سورفکتانت آورده شده‌است.
شکل (1): نمونه‌ای از یک ازدیاد برداشت میکروبی به کمک نوعی سورفکتانت
این شکل نشان دهنده لایه‌های مختلف زمین به همراه لایه‌ای که در آن سورفکتانت اثر می‌گذارد است. شکل (2) نیز نشان دهنده مکانیزم عملکرد و چگونگی اثر گذاری سورفکتانت به منظور ازدیاد برداشت نفت است.
شکل (2): مکانیزم عملکرد و چگونگی اثر گذاری سورفکتانت به منظور ازدیاد برداشت نفت
روش دیگری که به عنوان روش ازدیاد برداشت در کشور مورد توجه قرار گرفته است استفاده از روش سیلاب‌زنی آلکالین است. در این سال‌ها سیلاب‌زنی آلکالین به عنوان یک روش ازدیاد برداشت مقرون به صرفه شناخته شده است.
در واقع آلکالین با اسید موجود در نفت واکنش داده و ماده فعال سطحی ایجاد می‌کند و باعث کاهش کشش بین سطحی آب – نفت می‌شود.
در مطالعه انجام شده توسط قربانی و همکاران جهت استفاده صحیح از منابع نفتی کشور و افزایش طول عمر آن‌ها و برخورداری نسل‌های آینده از این ذخایر، روش‌های ازدیاد آن به کمک بیوتکنولوژی مورد بررسی قرار گرفته‌است.
در این پژوهش ابتدا به منظور بیان ضرورت به کارگیری روش‌های ازدیاد به جمع آوری مطالب پیرامون، علت این ضرورت، شرایط لازم برای انجام این پروژه بیولوژیکی، معرفی میکرو ارگانیسم‌های مورد استفاده در روش بیولوژیکی و همچنین سازوکار مختلف این میکروارگانیسم‌ها که به ازدیاد برداشت نفت کمک می‌کند پرداخته شده‌است.
یکی از روش‌های اکتشاف هیدروکربن‌ها در صنعت نفت و گاز، آشکار سازی روند تراوش و مهاجرت آن‌ها از مخازن نفتی زیر سطحی به محیط‌های سطحی است. در پژوهش انجام شده توسط Maghzi و همکاران ویژگی‌های میکروبیولوژیکی تراوشات هیدروکربن مورد بحث قرار داده شده‌است و راه‌هایی برای استفاده از میکروارگانیسم‌های همراه تراوش به عنوان مسیریاب‌ها برای کمک به استراتژی‌ها و روش‌های اکتشاف نفت پیشنهاد شده است.
در این پژوهش محیط‌های نفوذ و تراوش هیدروکربن به سطح غالباً توسط میکروارگانیسم‌های هیدروکربن هوازی و بی‌هوازی اشغال شده است. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد تشخیص افزایش تراکم این ارگانیسم‌ها می‌تواند حضور تراوشات را مشخص کند و از این رو مخازن هیدروکربنی زیرسطحی را نشان می‌دهد. میکروارگانیسم‌های بومی بی‌هوازی درون مخزن نفت ممکن است همراه با تراوشات مایعات هیدروکربنی به سمت بالا به محیط‌های سطحی منتقل شوند.
در پژوهش انجام شده توسط Wang و همکاران تغییر ترشوندگی سنگ از حالت نفت دوست به آب دوست به عنوان یکی از راهکارهای موثر در افزایش بازیابی نفت در این مخازن شناخته شده‌است. در این پژوهش تاثیر یون‌های مختلف محلول در آب بر حالت ترشوندگی سنگ کربناته آهکی با استفاده از آزمایش زاویه تماس بررسی شده است.
همچنین سعی شده است که مکانیزمی برای رفتار یون‌ها با سطح سنگ با استفاده از نتایج زاویه تماس ارایه شود. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد که یون‌های Ca+2 و Mg+2 ترشوندگی سنگ کربناته را از حالت نفت دوست به آب دوست تغییر می‌دهند.
هدف از پژوهش انجام شده به وسیله Bai و همکاران مطالعه آزمایشگاهی و بررسی تأثیر شدت میدان الکتریکی روی ضریب کشش سطحی نانو سورفکتانت کاتیونی است.
در این پژوهش از سورفکتانت هگزا دسیل تریمتیل آمونیوم برماید بر پایه آب استفاده شده است و اثر کسر وزنی سورفکتانت و شدت میدان الکتریکی روی کشش سطحی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد در غیاب میدان الکتریکی با افزودن سورفکتانت هگزا دسیل تریمتیل آمونیوم برماید به سیال پایه کشش سطحی کاهش می‌یابد و میزان ازدیاد برداشت افزایش می‌یابد، در حالی که با اعمال میدان الکتریکی کشش سطحی نانو سورفکتانت روند افزایشی پیدا می‌کند.
در پژوهش انجام شده توسط Liu و همکاران اثر سوسپانسیون سورفکتانت و نانو ذرات بر کشش بین سطحی و همچنین زاویه تماس مورد بررسی قرار گرفته‌است. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد استفاده از سوسپانسیون سورفکتانت و نانو ذرات باعث کاهش کشش بین سطحی می‌شود.
سوسپانسیون سورفکتانت همچنین باعث کاهش زاویه تماس بین قطره آب و سازند شده و تر شوندگی سنگ مخزن به سمت آب دوست میل می‌کند. با توجه به تأثیری که محلول سورفکتانت با نانو ذرات بر زاویه تماس و کشش بین سطحی دارد، می‌تواند به عنوان سیال تزریقی در فرآیند ازدیاد برداشت نفت مورد استفاده قرار گیرد و سبب افزایش تولید نفت مخصوصاً در مخازن کربناته شود.سوسپانسیون‌های کلوئیدی نانو ذرات اسید بوریک محلول در نفت می تواند خاصیت روان کنندگی قابل توجهی روی سطوح سرامیکی یا فلزی ایجاد کند.
ازدیاد برداشت با استفاده از تزریق آب و گاز
در پژوهش انجام شده توسط Zhuو همکاران به بررسی تزریق گاز به میدان نفتی به عنوان یکی از روش‌های ازدیاد برداشت نفت و فرآیندی که به منظور جلوگیری از کاهش فشار نفت و افزایش حجم و فشار سیال درون مخزن و در نتیجه افزایش میزان نفت قابل استخراج در یک میدان نفتی در طول عمر مخزن انجام می‌شود پرداخته شده‌است.
در این فرایند به دلیل خاصیت امتزاج در اثر تزریق گاز، فشار مویینگی به حداقل کاهش می‌یابد در نتیجه نفت خام موجود در دیواره مخزن جای خود را به گاز خشک تزریق شده می‌دهد و نفت مورد نظر با فشار مناسب از حفره چاه خارج می‌شود.
در پژوهش انجام شده توسط این گروه با استفاده از شبیه‌سازی مخزن مورد مطالعه نتایج حاصل از فشار مخزن و تولید تجمعی نفت و نسبت گاز به نفت تولیدی در حالت تزریق نیتروژن و دی اکسید کربن مورد بررسی قرارگرفته است و نتایج نشان می‌دهد که بهترین گاز برای تزریق دی اکسید کربن بوده که این کار با توجه به منابع کثیر دی اکسید کربن می‌تواند هم باعث جلوگیری از آلودگی محیط زیست و هم باعث افزایش بازیافت نفت در میدان‌های نفتی گردد.
در پژوهش انجام شده توسط Li و همکاران به بررسی بنابراین روش‌های مختلف ازدیاد برداشت، به منظور افزایش تولید از مخازن شکافدار با نفت سنگین، پرداخته شده‌است. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد به طور کلی سه نیرو بر چگونگی حرکت سیال درون محیط متخلخل و در نتیجه میزان بازیافت نفت تاثیر گذار هستند. این نیروها عبارتند از:
- نیروی لزجی
- نیروی جاذبه
- نیروی مویینه و پیوستگی
نیروهای مویینه از طریق دو عدد بدون بعد مویینه به ترتیب به نیروهای لزجی و جاذبه مرتبط می‌شود. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد در صورت وجود عدد مویینه‌ی کوچکتر از 3 و همچنین عدد پیوستگی کوچکتر از 10، نیروهای مویینه غالب خواهند بود. عدد بدون بعد مهم دیگر در حرکت سیال درون محیط متخلخل، نسبت تحرک می‌باشد.
نسبت تحرک کوچکتر و یا مساوی با یک، بیانگر جابجایی پایدار و مطلوب است. بنابراین یکی از روش‌هایی که می‌تواند برای ازدیاد برداشت از مخازن شکافدار با نفت سنگین مناسب باشد، استفاده از تزریق مواد شیمیایی است.
سیلاب زنی با مواد فعال سطحی به عنوان یکی از روش‌های شیمیایی متداول به منظور کاهش کشش سطحی بین سیالات است که در نتیجه تزریق آن، نیروهای مویینه که عامل به دام افتادگی نفت می‌باشد کاهش می‌یابد و بدین ترتیب بازده تولید نفت افزایش می‌یابد.
در پژوهش انجام شده توسط Xia و همکاران با انجام آزمایش‌های تزریق آب، دبی نفت تولیدی اندازه گیری شده و سپس با تزریق نانو سورفکتانت غیر یونی اکتیل فنل اتوکسیله، با غلظت‌های مختلف دبی نفت تولیدی اندازه گیری شده است. نتایج آزمایش‌های انجام شده توسط این گروه نشان می‌دهد با اضافه نمودن سورفکتانت غیریونی اکتیل فنل اتوکسیله به آب میزان برداشت نفت افزایش یافته است.
در پژوهش انجام شده توسط Zhu و همکاران با انجام آزمایش‌های تزریق آب، دبی نفت تولیدی با استفاده از فرآیند سیلاب‌زنی اندازه‌گیری شده و سپس با تزریق نانوسورفکتانت کاتیونی هگزا دسیل تری متیل آمونیوم برماید با غلظت‌های مختلف دبی نفت تولیدی اندازه‌گیری شده است. نتایج آزمایش‌های انجام شده توسط این گروه نشان می‌دهد با اضافه نمودن سورفکتانت به آب میزان برداشت نفت افزایش یافته است.
در پژوهش انجام شده توسط Denney و همکاران، مزایای سه فرآیند مجاز از هم شامل روش‌های حرارتی، تزریق گاز امتزاجی و تزریق حلال با یکدیگر ترکیب شده و یک فرآیند جدید برای کاهش گرانروی نفت سنگین ارائه شده است. در این پژوهش، از نانو ذرات فلزی برای افزایش هدایت حرارتی دی‌اکسیدکربن فوق بحرانی یا سیال تزریقی کاهنده گرانروی برای کاهش گرانروی نفت سنگین استفاده شده است. یک ماده فعال سطحی قابل حل در دی‌اکسیدکربن فوق بحرانی نیز برای تقویت این کاهش گرانروی به مخلوط اضافه شده است.
نتایج حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد خواص حرارتی نانو ذرات 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 می‌کنند.
در پژوهش انجام شده توسط Wang و همکاران با انجام آزمایش‌های تزریق آب دبی نفت تولیدی اندازه‌گیری شده و سپس با تزریق دو نوع نانو سورفکتانت با نام‌های آمفوتری کوکوامیدو پروپیل بتائین و آنیونی تری اتانول آمین لوریل اترسولفات با غلظت یکسان دبی نفت تولیدی اندازه گیری شده‌است.
نتایج اندازه‌گیری‌ها و همچنین بررسی تصاویر تهیه شده نشان می‌دهد میزان نفت برداشت شده با اضافه کردن نانو سورفکتانت‌های آمفوتری %40 و نانوسورفکتانت‌های آنیونی %44 بازیافت نفت را بهبود می‌بخشند.
استفاده از روش‌های نوین در ازدیاد برداشت
از آن جا که بیشتر مخازن کشور در نیمه دوم عمر خود به سر می‌برند و هر چه از عمر مخزن می‌گذرد برداشت از آن دشوارتر می‌شود باید روش‌های خاصی با توجه به شرایط مخزن، برداشت از آن را بهتر و بیشتر کرد، البته نباید فراموش کرد که در روش‌های ازدیاد برداشت باید از میان روش‌های مختلف بهترین روش لحاظ عملی و اقتصادی انتخاب شود. شرط اساسی در به کارگیری مناسب ازدیاد برداشت تسلط کامل بر نیروهای موجود در چاه و عوامل ایجاد اختلال در استخراج است.
به طور کلی درون هر مخزن، سه نیرو بر چگونگی حرکت سیال درون محیط متخلخل و در نتیجه میزان بازیافت نفت تاثیر گذارند. این نیروها عبارتند از:
• نیروی لزجی
• نیروی جاذبه
• نیروی مویینه و پیوستگی
پس از شناسایی و تسلط کامل بر نیروهای وارد به سیال درون مخازن تسلط بر شرایط مخازن مورد نظر نیز امری ضروری است. نتایج بررسی پژوهش‌های پیشین نشان می‌دهد استفاده از نانو ذرات در ازدیاد برداشت از چاه‌های نفت و گاز روشی کار آمد است. در این پژوهش نیز به منظور ازدیاد برداشت از منابع نفت و گاز به بررسی و امکان‌سنجی و مطالعات مربوط به ذرات در اندازه نانو و همچنین نانو تکنولوژی که یکی از علوم به نوین به حساب می‌آید پرداخته شده‌است.
خواص منحصر به فرد نانو ذرات، پتانسیل بسیار زیادی در برنامه‌های کاربردی مخازن هیدروکربنی ایجاد کرده است. با توجه به اهمیت موضوع هدف از این پژوهش بررسی پارمترهای مختلف روی حرکت و انتقال نانو ذرات و ارایه پیشنهاداتی در خصوص بهبود بازیافت نفت است.
هنگام برداشت نفت مواد شیمیایی مختلفی تحت عنوان محصولات اولیه و ثانویه استخراج می شوند.که خرید و فروش این مواد نقش به سزایی در بازار جهانی مواد شیمیایی دارد.