چگونه بازیابی نفت را افزایش دهیم؟ سورفکتانت EOR نتایج آشکاری دارد

درک بازیابی بهبودیافته نفت (EOR) و نقش سورفکتانت‌ها

بازیابی بهبودیافته نفت (EOR) چیست و سورفکتانت EOR چگونه کار می‌کند

مواد شیمیایی خاصی به نام مواد فعال سطحی EOR به مخازن نفت پمپاژ می‌شوند و به آزاد کردن نفتی که پس از استخراج عادی درجا مانده است کمک می‌کنند. این مواد فعال سطحی در عمل با تغییر نحوه تعامل نفت با آب و سنگ‌های اطراف، حرکت نفت را در مخزن آسان‌تر می‌کنند. هنگامی که شرکت‌ها چاه‌ها را با مواد شیمیایی سیل می‌کنند، این مواد فعال سطحی با کاهش کشش بین سطحی بین نفت و مایع تزریقی عمل می‌کنند. این امر باعث می‌شود قطرات ریز نفت بهتر به یکدیگر بچسبند و بتوانند دوباره به چاه تولید بازگردند. وزارت انرژی ایالات متحده گزارش داده است که ترکیب مواد فعال سطحی با پلیمرها در این فرآیند می‌تواند میزان بازیابی را در میادین نفتی قدیمی که بیشتر نفت آسان از آنها استخراج شده است، بین ۱۵ تا ۲۵ درصد افزایش دهد. این میزان بهبود زمانی بسیار مهم است که با بقایای سرسخت نفت که هنوز در زیر زمین به دام افتاده‌اند سروکار داشته باشیم.

کاهش کشش بین‌وجهی: مکانیسم اصلی در شست‌و‌شوی شیمیایی مبتنی بر مواد فعال سطحی

مواد فعال سطحی نقش کلیدی در بازیابی بهبودیافته نفت دارند، زیرا کشش بین نفت و آب را در نقاط تماس آنها کاهش می‌دهند. هنگامی که مواد فعال سطحی این کشش بین‌وجهی را تقریباً به صفر برسانند، گاهی حتی کمتر از ۰٫۰۱ میلی‌نیوتن بر متر، به تشکیل امولسیون کمک کرده و حرکت نفت را از میان فضاهای بسیار ریز درون سازندهای سنگی آسان‌تر می‌کنند. برخی از ترکیبات بسیار مؤثر مواد فعال سطحی شناخته شده‌اند که در مقایسه با روش‌های متداول تزریق آب، قادر به کاهش ۹۰ درصدی کشش بین‌وجهی هستند. این امر تفاوت بزرگی در مناطقی مانند مخازن کربناتی غنی از نمک ایجاد می‌کند که در آن نفت تمایل سرسختانه‌ای به چسبیدن به سنگ دارد و روش‌های سنتی استخراج کمتر از حد مطلوب مؤثر عمل می‌کنند.

تغییر ترشوندگی در مخازن به منظور بهبود جابجایی نفت

سورفکتانت‌ها تنها کاهش کشش بین‌وجهی (IFT) را فراهم نمی‌کنند؛ بلکه در واقع نحوه تعامل سنگ مخزن با سیالات را تغییر می‌دهند و آن را از حالت دوستدار روغن به حالتی نزدیک به دوستدار آب تبدیل می‌کنند. این موضوع برای عملیات واقعی چه معنا دارد؟ خب، وقتی سنگ مخزن دوستدار آب‌تر می‌شود، سیالات تزریقی می‌توانند به جای گیر کردن روی سطوح سنگ، بهتر از میان نفت عبور کنند. برخی آزمایش‌های میدانی که در سازندهای ماسه‌سنگی انجام شده‌اند نشان می‌دهند که محلول‌های سورفکتانتی با ترکیب دقیق، ویژگی‌های دوستدار آب را حدود ۶۰ درصد افزایش داده‌اند که طبق تحقیقات منتشر شده در مجله SPE سال گذشته، همچنین کاهش حدود ۱۸ درصدی در اشباع نفت باقیمانده را نیز گزارش کرده است. با ترکیب این تغییرات در ترشوندگی و کاهش IFT، بهره‌برداران نتایج قابل توجهی در پروژه‌های تزریق شیمیایی خود مشاهده می‌کنند. اثر ترکیبی اغلب منجر به نرخ بازیابی تقریباً ۴۰ درصدی از نفت اولیه موجود در مخزن در طی عملیات بهینه‌سازی شده می‌شود.

فرآیندهای کلیدی که توسط سورفکتانت‌ها فعال می‌شوند:

• به‌حرکت درآوردن نفت به‌دام افتاده در مویرگی
• بهبود کارایی پویش از طریق کنترل ویسکوزیته
• جلوگیری از تشکیل امولسیون‌های مسدودکننده منافذ

مکانیسم‌های کلیدی عمل سطح‌فعال در فرآیندهای تزریق شیمیایی برای بازیابی بهبود یافته نفت

تزریق سطح‌فعال در بازیابی بهبود یافته نفت: راهبردهای تزریق و کارایی جابجایی

تزریق سطح‌فعال با سه راهبرد اصلی، به‌حرکت درآوردن نفت را بهبود می‌بخشد:

1. گرادیان غلظت : محلول‌های سطح‌فعال با غلظت 0.1 تا 2 درصد به‌طور مؤثر کشش بین‌سطحی را تا حد حداکثر 0.01 میلی‌نیوتن بر متر کاهش می‌دهند
2. ترتیب تزریق دوغاب : تزریق قلیا-سطح‌فعال-پلیمر (ASP) در آزمایش‌های میدانی سال 2023، 18 تا 25 درصد نفت باقیمانده بیشتری را نسبت به تزریق آب تنها بازیابی کرد
3. کنترل تحرک : ترکیب‌های پلیمر-سورفکتانت بازدهی جاروب را در مخازن ناهمگن به میزان ۳۵٪ افزایش می‌دهند

این رویکرد یکپارچه به‌طور همزمان دینامیک سیال و برهمکنش‌های سنگ-سیال را اصلاح می‌کند و بازدهی جابجایی را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

عملکرد سورفکتانت‌ها در مخازن کربناتی در مقابل مخازن ماسه‌سنگی

مصارف کربناتی معمولاً به دلیل برهمکنش‌های الکترواستاتیک قوی با یون‌های دوظرفیتی مانند Ca²+ و Mg²+ به غلظت سورفکتانت 40٪ بیشتری نیاز دارند.

تأثیر شوری، دما و pH بر پایداری و عملکرد سورفکتانت

*CMC: غلظت میسل بحرانی (در محدوده غلظتی 0.01 تا 0.5 درصد برای اکثر سورفکتانت‌های EOR)

داده‌های میدانی نشان می‌دهد که محلول‌های سورفکتانت پس از 180 روز در مخازن با دمای زیر 70°C و شوری 50,000 ppm، همچنان 90 درصد از عملکرد خود را حفظ می‌کنند.

غلبه بر چالش‌ها در شرایط سخت مخازن

محیط‌های با دمای بالا و شوری زیاد: موانع اصلی کارایی مواد فعال سطحی

وقتی دمای مخازن از ۸۰ درجه سانتی‌گراد فراتر رود و مقدار نمک به حدود ۱۰۰٬۰۰۰ قسمت در میلیون برسد، مواد فعال سطحی دیگر به خوبی کار نمی‌کنند. گرما و نمک در واقع این مواد شیمیایی را تجزیه می‌کنند و باعث می‌شوند که عملکرد آنها در کاهش کشش سطحی بین مواد مختلف به شدت کاهش یابد. بر اساس تحقیقات منتشر شده در سال گذشته در مجله Nature Energy، حدود شش در ده از مخازن نفت غیرمتعارف دارای فشار ترک‌شدگی بالاتر از ۸۰ مگاپاسکال هستند که این امر وضعیت را بیشتر ناپایدار می‌کند. به عنوان مثال، سولفات‌های اتوکسی که ترکیبات متداولی هستند، می‌توانند در مواجهه با آب شور حاوی ۱۵۰ گرم در لیتر کلرید سدیم و در دمای ۹۰ درجه سانتی‌گراد، بین چهل تا شصت درصد از توانایی خود در کاهش کشش بین‌سطحی را از دست بدهند. این کاهش چشمگیر در عملکرد به این معناست که اپراتورها در چنین محیط‌های سختی برای جریان دادن نفت با مشکل مواجه می‌شوند.

جذب و نگهداری مواد فعال سطحی: علل، اندازه‌گیری و تأثیر اقتصادی

هنگامی که مواد فعال سطحی در حین فرآیندهای تزریق به سطوح سنگ جذب می‌شوند، تمایل دارند با نرخ‌هایی بین ۲۰ تا ۳۰ درصد ناپدید شوند، که این امر حدود نیم دلار تا ۱٫۲۰ دلار هزینه اضافی به ازای هر بشکه فرآورش شده ایجاد می‌کند. سنگ‌های کربناتی به ویژه در این جذب مشکل‌ساز هستند و گاهی تا ۲٫۱ میلی‌گرم در گرم از این مواد را جذب می‌کنند، زیرا سطوح آنها دارای بار مثبت هستند که قسمت‌های منفی مولکول‌های مواد فعال سطحی را جذب می‌کنند. بررسی نمونه‌های مغزه از طریق آزمایش‌های شست‌وشو با ردیاب‌ها به شناسایی محل‌هایی کمک می‌کند که این مواد در مناطقی که عبور سیالات را دشوار می‌کنند، در آنجا باقی می‌مانند. یک مقاله اخیر از انتشارات اسپرینگر در سال ۲۰۲۴ نیز نکته مهمی را برجسته می‌کند: هنگام کار با شرایط شور، ممکن است اپراتورها تقریباً به دو برابر مقدار معمول ماده فعال سطحی نیاز داشته باشند تا عملکرد مناسب حفظ شود، و این موضوع قطعاً بر امکان‌پذیری اقتصادی چنین پروژه‌هایی تأثیر می‌گذارد.

راهبردهای بهبود عملکرد مواد فعال سطحی و کاهش تلفات

استفاده از عوامل قربانی‌شونده برای کاهش جذب سطحی مواد فعال زیستی

تزریق پیشینی عوامل قربانی‌شونده مانند سدیم کربنات یا لیگنوسلفونات، محل‌های جذب را روی سطوح سنگ مسدود می‌کند و از دست‌دادن مواد فعال زیستی را در مخازن ماسه‌سنگی تا ۲۰ تا ۴۰ درصد کاهش می‌دهد (پونیمون ۲۰۲۳). شست‌وش‌های قلیایی بارهای مثبت کانی‌های رس را خنثی می‌کنند و از اتصال غیرقابل برگشت مواد فعال زیستی آنیونی جلوگیری کرده و بهره‌وری هزینه‌ها را بهبود می‌بخشد.

نانوذرات به عنوان ابزارهای ضد جذب در بازیابی شیمیایی نفت

نانوذرات سیلیسی و آلومینایی لایه‌های محافظی بین مواد فعال زیستی و سطوح سنگ ایجاد می‌کنند. مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۴ نشان داد که فرمولاسیون‌های پایدارشده با نانوذرات در مقایسه با مواد فعال زیستی منفرد، جذب را در کربنات‌های با شوری بالا تا ۳۵ درصد کاهش می‌دهند. علاوه بر این، نانوذرات پایداری حرارتی را افزایش داده و حتی در دمای ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد بیش از ۹۰ درصد توانایی کاهش کشش سطحی (IFT) را حفظ می‌کنند.

تطبیق شیمی مواد فعال زیستی با ژئوشیمی مخزن

سفارشی‌سازی شیمی مواد فعال زیستی متناسب با شرایط خاص مخزن، مؤثرترین عملکرد را فراهم می‌کند:

مطالعه موردی: کاربرد موفق سورفکتانت در یک میدان نفتی با شوری بالا

یک میدان کربناته در خاورمیانه با شوری 220,000 قسمت در میلیون، با استفاده از سورفکتانت‌های دو قطبی همراه با نانوذرات سیلیس، به بازیابی افزایشی 12 درصدی نفت دست یافت. این فرمولاسیون به مدت شش ماه کشش بین‌سطحی 0.01 میلی‌نیوتن بر متر را علیرغم دمای 95 درجه سانتی‌گراد حفظ کرد و امکان‌پذیری روش بازیابی شیمیایی نفت (EOR) را در شرایط سخت محیطی نشان داد.

روند آینده در بازیابی افزایشی نفت مبتنی بر مواد فعال سطحی

مواد فعال سطحی هوشمند پاسخگو به شرایط مخزن (شوری، دما)

نسل جدید مواد فعال سطحی هوشمند قادر به تنظیم خود به‌طور خودکار با تغییر شرایط مخزن هستند و به این ترتیب اثربخشی خود را حتی در شوری بالاتر از ۲۰۰٬۰۰۰ قسمت در میلیون و دماهایی بالاتر از ۲۵۰ درجه فارنهایت (معادل تقریباً ۱۲۱ درجه سانتی‌گراد) حفظ می‌کنند. چه چیزی این مواد را ویژه می‌سازد؟ این مواد حاوی ترکیبات حساس به pH یا پلیمرهای پاسخگو به دما هستند که به کاهش بهتر کشش سطحی در مناطق مختلف مخزن کمک می‌کنند. آزمایش‌های انجام‌شده در سال ۲۰۲۴ یافته جالبی را نشان دادند. هنگامی که نسخه‌های دو قطبی این مواد در مخازن کربناتی با شوری بالا استفاده شدند، حدود ۱۸ درصد نفت بیشتری نسبت به مواد فعال سطحی معمولی بازیابی شد. این نوع بهبود برای اپراتورهایی که با چالش‌های سخت استخراج مواجه هستند، اهمیت قابل‌توجهی دارد.

مدلسازی دیجیتال و هوش مصنوعی برای پیش‌بینی رفتار مواد فعال سطحی در مخازن پیچیده

مدلهای یادگیری ماشین اکنون شیمی مخزن، تاریخچه تولید و خواص مواد فعال سطحی را ادغام میکنند تا جذب و کارایی جابجایی را با دقت ۹۲ درصد پیشبینی کنند. یک مطالعه در سال ۲۰۲۵ نشان داد که شبیه‌سازی‌های مبتنی بر هوش مصنوعی هزینه‌های آزمایش مقدماتی را ۴۱ درصد کاهش داده و در عین حال طرح‌های بهینه تزریق سیستم شیمیایی شامل مواد فعال سطحی و پلیمر را برای مخازن پیچیده و ناهمگن شناسایی کرده‌اند.

تزریق شیمیایی نسل جدید: ادغام نوآوری و پایداری

تکنیک‌های بازیابی بهبودیافته نفت (EOR) پایدار به لطف مواد فعال سطحی تجزیه‌پذیر حاصل از گیاهان به جای مواد نفتی، در حال کسب محبوبیت هستند. شرکت‌ها شروع به استفاده از سیستم‌های تزریق مجهز به انرژی خورشیدی همراه با مواد فعال سطحی جذب‌کننده دی‌اکسیدکربن کرده‌اند که این امر منجر به کاهش انتشار کربن در عملیات می‌شود. یک آزمایش میدانی که در سال ۲۰۲۵ در حوضه پرمین انجام شد، نشان داد این روش‌ها به‌طور کلی حدود ۳۳٪ از انتشارات کاهش ایجاد کرده‌اند. این رقم زمانی قابل توجه‌تر می‌شود که بدانیم فرآیندهای سنتی استخراج چقدر انرژی مصرف می‌کنند. آنچه این دستاورد را به‌ویژه قابل توجه می‌کند، انطباق دقیق آن با اهداف اقلیمی بین‌المللی تعیین‌شده توسط سازمان‌هایی مانند IPCC است. شکاف واقعی در اینجا فقط استخراج بیشتر نفت از زمین نیست، بلکه انجام این کار با کاهش تأثیرات زیست‌محیطی است؛ چیزی که بسیاری در این صنعت قبلاً غیرممکن می‌دانستند.