أي مادة كاشطة للكبريتيد الهيدروجيني والمركب الثيولي تُحلّ مشكلة إزالة الكبريت في آبار النفط عالية التركيز من H₂S؟

لماذا تفشل المواد الكاشطة التقليدية للكبريتيد الهيدروجيني والمركب الثيولي في آبار النفط ذات الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية؟

التحلل الحراري والانعكاس: كيف تفقد مركبات الترايازين فعاليتها عند درجات حرارة تفوق ١٢٠°م

تعتمد الصناعة اعتمادًا كبيرًا على المواد المُزيلة للهيدروجين الكبريتي التي تعتمد على مركبات التريازين لإزالة كبريتيد الهيدروجين من عمليات الإنتاج. وتبدأ هذه المواد في التحلل عند تعرضها لدرجات حرارة تفوق نحو ١٢٠ درجة مئوية (أي ما يعادل حوالي ٢٤٨ فهرنهايت). وعند حدوث ذلك، فإنها تفقد فعاليتها بشكل أساسي، مما يسمح بانطلاق كبريتيد الهيدروجين الذي كانت قد امتصته سابقًا مجددًا إلى النظام. وفي الآبار ذات الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية، حيث تتراوح الظروف عادةً حول ١٥٠ درجة مئوية (أو ما يعادل تقريبًا ٣٠٢ فهرنهايت)، يمكن أن تفقد هذه المواد المُزيلة أكثر من سبعين في المئة من فعاليتها خلال بضع ساعات فقط. كما أن الضغط يفاقم المشكلة أيضًا، مسببًا دورات متكررة من التلوث تؤدي إلى تلف المعدات وتعريض العاملين للخطر. وما يجعل مركبات التريازين مشكلةً حقيقيةً مقارنةً بأنظمة أخرى هو أنه بعد استهلاكها، فإنها تُنتج نواتج صلبة مستعصية لا تذوب بسهولة، مما يؤدي إلى انسداد خطوط التدفق. ويؤدي هذا الأمر إلى تأخيرات كبيرة في العمليات. وتُظهر البيانات الميدانية أن هذه الانسدادات ترفع تكاليف وقت التوقف عن العمل بنسبة تقارب اثنين وأربعين في المئة في مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية وكذلك في المشاريع التي تعمل في ظروف الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية.

النفط الخام ذي الرقم الهيدروجيني المنخفض والهيمنة المرتبطة بالمركبتانات: الفجوة في الانتقائية في كيمياء إزالة الشوائب القياسية

يُضعف النفط الخام الحمضي ذا الرقم الهيدروجيني الأقل من ٥,٥ أداء عوامل الإزالة التقليدية عبر التنافس البروتوني: حيث تتفوق أيونات الهيدروجين على المركبتانات في التنافس على المواقع التفاعلية، مما يقلل بشكل كبير من كفاءة احتجاز الكبريت. وفي هذه الظروف:

• تزداد تركيزات المركبتانات بمعدل أسرع بـ ٣–٥ مرات من H₂S في الخزانات التي تشهد تكوّن الغاز الكبريتي
• تظهر التركيبات القياسية انحرافًا انتقائيًّا نسبته ١٥:١ لصالح H₂S مقارنةً بالمركبتنات
• تتجاوز الأحمال الكلية للكبريت ٥٠٠٠ جزء في المليون — وهي شائعة في الخزانات الكربوناتية — ما يؤدي إلى تشبع المواقع التفاعلية خلال أيام قليلة

وتؤكد البيانات الميدانية أن الكيمياء التقليدية تزيل أقل من ٤٠٪ من المركبتانات في البيئات ذات الرقم الهيدروجيني المنخفض، مقارنةً بنسبة ٨٥٪ في النفط الخام المحايد. وهذه عدم الكفاءة تُجبر المشغلين على زيادة غير مستدامة في تكرار الحقن وكميات المواد الكيميائية المستخدمة، ما يرفع التكاليف ويضاعف التعرّض البيئي.

كيمياء متقدمة لإزالة H₂S والمركبتنات: أوكسازولدينات، وتركيبات قابلة للتشتت في الزيت، ومركبات إضافية مستقرة عند درجات الحرارة والضغط المرتفعين (HPHT)

آلية الأوكسازوليدين: الارتباط التساهمي، وربط الميركابتانات المستقرة عند درجة الحموضة دون إعادة توليد كبريتيد الهيدروجين (H₂S)

تتمثل المشكلة الرئيسية مع مركبات التريازين في أنها لا تشكل روابط دائمة مع الميركابتانات، مما يؤدي إلى مشكلات الانعكاس. أما الأوكسازوليدينات فهي تحل هذه المشكلة من خلال تكوين روابط تساهمية دائمة بدلًا من ذلك. فما الذي يجعل هذه المركبات مميزةً؟ إنها تظل مستقرةً عبر نطاق واسع من درجات الحموضة (pH) يتراوح بين ٤ و١٠، ويمكنها تحمل التعرض المستمر للحرارة حتى حوالي ١٨٠ درجة مئوية. ولهذا السبب يُفضّلها العديد من المشغلين في الظروف القاسية مثل الخزانات الحمضية أو البيئات ذات الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT)، حيث لا تؤدي المعالجات الكيميائية القياسية وظيفتها على الإطلاق. ومن المزايا الأخرى التي تتفوق بها هذه المركبات على الخيارات التقليدية قدرتها على الاختلاط جيدًا مع الزيت بدلًا من الماء. وهذا يعني أنها تنتشر بشكل متجانس عبر أنظمة الهيدروكربونات دون أن تنفصل أو تترسب مع مرور الوقت. والنتيجة؟ يتم تثبيت المركبات الكبريتية بشكل دائم عبر هذه الروابط الكيميائية القوية، مما يقلل من احتمالات حدوث مشكلات التلوث لاحقًا في عمليات المعالجة.

إثباتات حالة PRO3®HT وPROM®: أداء مُحقَّق ميدانيًّا في آبار منطقة خليج المكسيك عالية الضغط ودرجة الحرارة (HPHT)

أظهرت الاختبارات التي أُجريت في آبار الضغط العالي/الحرارة العالية في خليج المكسيك نتائج مذهلة، حيث حقَّقت تركيبتا PRO3®HT وPROM® نسبة إزالة تقارب ٩٨٪ من الكبريت. وهذه المُزيلات الخاصة القابلة للتشتُّت في الزيت، والتي تستند إلى كيمياء الأوكسازولدين، صُمِّمت خصيصًا للتعامل مع الظروف القاسية في أعماق البئر. وما يثير الإعجاب حقًّا هو قدرة هذه المنتجات على الحفاظ على مستويات غاز كبريتيد الهيدروجين دون ٥ أجزاء في المليون في سوائل الإنتاج لأكثر من ٩٠ يومًا بعد المعالجة، حتى في ظل ضغوط تجاوزت ١٥٠٠٠ رطل لكل بوصة مربعة ودرجات حرارة تجاوزت ١٥٠ درجة مئوية. ووفقًا لدراسة حديثة نشرتها مجلة «تقرير التكنولوجيا البحرية» (Offshore Technology Report) عام ٢٠٢٣، فإن هذه التركيبات تفوَّقت على الخيارات التقليدية القائمة على التريازين بنسبة تصل إلى ثلاثة أضعاف في إزالة المركبات الكحولية الكبريتية (الميركابتانات) عند معدلات الجرعات نفسها. ويمثِّل هذا تقدُّمًا جذريًّا، إذ تعاني معظم الطرق التقليدية من مشكلات تتعلَّق بالانتقائية عند التعامل مع الخزانات التي تهيمن فيها الميركابتانات على الملف الكيميائي.

اختيار مادة إزالة كبريتيد الهيدروجين والمركبانيات المناسبة: مواءمة التصميم الجزيئي مع ظروف الخزان

ويجب أن يتوافق اختيار مادة الإزالة مع التصميم الجزيئي وثلاثة متغيرات محددة للخزان: نطاق درجة الحرارة، وملف درجة حموضة السائل (pH)، والوفرة النسبية لكبريتيد الهيدروجين مقارنةً بالمركبانيات. وتؤدي المقاربات الموحَّدة (التي تناسب الجميع) إلى زيادة النفقات الكيميائية، وارتفاع المخاطر التشغيلية، وزيادة احتمالات عدم الامتثال.

الحدود الحرارية وقيود الاستقرار الحراري

تُميل مركبات التريازين القياسية إلى التحلل بسرعة بمجرد ارتفاع درجات الحرارة فوق حوالي ١٢٠ درجة مئوية. وعند حدوث ذلك، غالبًا ما تؤدي إلى مشاكل تتعلق بالانعكاس الهيدروجيني للكبريتيد وتُعقِّد ضمان انسياب السوائل في عمليات الحفر. ويصبح الحفاظ على أداء فعّال لمادة إزالة الشوائب تحديًّا كبيرًا جدًّا عند العمل فوق هذا الحد الحراري، لا سيما في بيئات الآبار عالية الضغط وعالية الحرارة (HPHT) التي أصبحت شائعةً بشكل متزايد في هذه الأيام. ولحسن الحظ، فإن الخيارات الأحدث مثل مركبات الأوكسازولدين والإضافات المُصمَّمة خصيصًا والمُستقرة في ظروف الحرارة العالية والضغط العالي تتميَّز بثبات أكبر بكثير تحت ظروف الحرارة القصوى. فهذه المواد تحافظ على بنيتها وتستمر في التفاعل بكفاءة حتى عند درجات حرارة تتجاوز ١٥٠ درجة مئوية. والنتيجة هي معالجات ذات عمر افتراضي أطول وعمليات أكثر موثوقية طوال فترة التشغيل الممتدة، علاوةً على عدم تولُّد أي نفايات سامة ضارة كأثر جانبي أثناء التحلل.

تحسين التفاعلية المعتمدة على درجة الحموضة

تنخفض فعالية عوامل إزالة الشوائب المُفعَّلة قلوياً بشكل حاد عندما ينخفض الرقم الهيدروجيني (pH) إلى أقل من ٥٫٥، وذلك لأن البروتونات تبدأ حينها في التداخل مع وظيفتها. وما يحدث بعد ذلك ليس مجرد انخفاض خطي فحسب، بل تنخفض الأداء فعلاً بطريقة غير خطية كلما ازدادت مستويات الحموضة. ومن الناحية المقابلة، تعمل عوامل الارتباط التساهمي مثل الأوكسازولدينات بغض النظر عن التغيرات في الرقم الهيدروجيني (pH). وتلتقط هذه المركبات الثيولات (الميركابتانات) باستمرار سواءً عند التعامل مع زيوت خام حمضية أو متعادلة أو حتى تلك التي تكون قلويةً بشكل طفيف فقط. وبما أن هذه العوامل لا تتطلب إجراء تعديلات إضافية على الرقم الهيدروجيني، فإن المشغلين يوفرون الوقت والمال. فلا حاجة لتخزين كيماويات إضافية للتحكم في الرقم الهيدروجيني، كما تقل الصعوبات المرتبطة بإدارة مشاكل التآكل الناتجة عن التعديلات المستمرة في محطات المعالجة.

ديناميكيات نسبة الميركابتان إلى كبريتيد الهيدروجين (H₂S)

غالبًا ما تشكِّل المركبتان المركبتية (الميركابتانات) أكثر من 60% من جميع المركبات الكبريتية الموجودة في خزانات الكربونات النشطة بيولوجيًّا أو القديمة. وتُبدِّد المُزيلات التقليدية المصمَّمة خصيصًا لغاز كبريتيد الهيدروجين أكثر من نصف قدرتها التفاعلية عند مواجهة هذه الظروف. أما المُزيلات الأحدث التي تستهدف الميركابتانات تحديدًا، فهي تحقِّق نتائج أفضل باستخدام نفس الكمية من المنتج، وتُنتج كمية أقل من الطين أثناء التشغيل، ما يعني فترات أطول بين الجرعات العلاجية. وتشير بيانات القطاع إلى أن هذه التركيبات المتخصصة يمكنها خفض استهلاك المواد الكيميائية بنسبة تصل إلى نحو 45%، كما أنها أكثر فعالية في التحكم بالروائح الكريهة ومنع مشكلات تآكل المعدات التي تعاني منها العديد من العمليات.