کدام جاذب سولفید هیدروژن و مرکاپتان برای حذف گوگرد در چاه‌های نفتی با غلظت بالای H₂S مناسب است؟

دلایل شکست جاذب‌های متداول سولفید هیدروژن و مرکاپتان در چاه‌های نفتی با فشار و دمای بالا

تخریب حرارتی و بازگشت (Reversion): چگونه تریازین‌ها در دماهای بالاتر از ۱۲۰°C از کارایی خود می‌افتند

صنعت به‌طور گسترده‌ای بر پاک‌کننده‌های مبتنی بر تریازین برای حذف سولفید هیدروژن از فرآیندهای تولید متکی است. این مواد زمانی که در معرض دمای بالاتر از حدود ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد (معادل تقریبی ۲۴۸ فارنهایت) قرار می‌گیرند، شروع به تجزیه می‌کنند. در این صورت، اساساً عملکرد قبلی خود را لغو کرده و تمام سولفید هیدروژن جذب‌شده را دوباره به سیستم بازمی‌گردانند. در چاه‌های با فشار و دمای بالا که شرایط آن‌ها به‌طور متوسط حدود ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد (معادل تقریبی ۳۰۲ فارنهایت) است، این پاک‌کننده‌ها ممکن است در عرض چند ساعت بیش از هفتاد درصد از کارایی خود را از دست دهند. فشار نیز وضعیت را بدتر می‌کند و منجر به چرخه‌های مکرر آلودگی می‌شود که هم تجهیزات را آسیب می‌رساند و هم ایمنی کارکنان را به‌خطر می‌اندازد. آنچه در مقایسه با سایر سیستم‌ها در مورد تریازین‌ها واقعاً مشکل‌ساز است این است که پس از مصرف، محصولات زائد جامد و مقاومی ایجاد می‌کنند که خطوط جریان را مسدود می‌کنند. این مسئله منجر به تأخیرهای قابل‌توجهی در عملیات می‌شود. داده‌های میدانی نشان می‌دهند که این انسدادها هزینه‌های ایست‌وقت را در پروژه‌های ژئوترمال و همچنین در پروژه‌هایی که در شرایط فشار و دمای بالا فعالیت می‌کنند، حدود ۴۲ درصد افزایش می‌دهند.

نفت خام با pH پایین و غلبت مرکاپتان‌ها: شکاف انتخابی در شیمی معمول جذب‌کننده‌ها

نفت خام اسیدی با pH کمتر از ۵٫۵، عملکرد جذب‌کننده‌های متعارف را از طریق رقابت پروتونی تضعیف می‌کند: یون‌های هیدروژن در برابر مرکاپتان‌ها برای جذب در سایت‌های واکنش‌پذیر پیشی می‌گیرند و به‌طور چشمگیری کارایی جذب گوگرد را کاهش می‌دهند. در این شرایط:

• غلظت مرکاپتان‌ها در مخازن اسیدی ۳ تا ۵ برابر سریع‌تر از H₂S افزایش می‌یابد
• فرمولاسیون‌های معمول دارای تمایل انتخابی ۱۵:۱ نسبت به H₂S در مقایسه با مرکاپتان‌ها هستند
• بار کلی گوگرد بالاتر از ۵۰۰۰ قسمت در میلیون — که در مخازن کربناته رایج است — ظرف چند روز سایت‌های واکنش‌پذیر را اشباع می‌کند

داده‌های میدانی تأیید می‌کنند که شیمی سنتی در محیط‌های با pH پایین کمتر از ۴۰٪ مرکاپتان‌ها را حذف می‌کند، در حالی که در نفت خام خنثی این مقدار به ۸۵٪ می‌رسد. این ناکارآمدی منجر به افزایش‌های غیرقابل تحمل در فراوانی تزریق و حجم مواد شیمیایی می‌شود و هزینه‌ها و معرض قرار گرفتن محیط زیست را افزایش می‌دهد.

شیمی‌های پیشرفته جذب‌کننده H₂S و مرکاپتان: اکسازولیدین‌ها، فرمولاسیون‌های پراکنده در روغن و افزودنی‌های پایدار در دما و فشار بالا (HPHT)

مکانیسم اکسازولیدین: جذب کووالانسی و پایدار در برابر pH از مرکاپتان‌ها بدون بازتولید H₂S

مشکل اصلی تریازین‌ها این است که آن‌ها پیوندهای پایداری با مرکاپتان‌ها ایجاد نمی‌کنند، که منجر به مشکلات بازگشت (ریورژن) می‌شود. اکسازولیدین‌ها این مسئله را با ایجاد پیوندهای کووالانسی دائمی حل می‌کنند. چه ویژگی‌ای این ترکیبات را برجسته می‌سازد؟ این ترکیبات در محدوده وسیعی از pH از ۴ تا ۱۰ پایدار باقی می‌مانند و می‌توانند در برابر قرار گرفتن مداوم در معرض گرما تا دمای حدود ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد مقاومت کنند. به همین دلیل بسیاری از اپراتورها ترجیح می‌دهند از آن‌ها در شرایط سختی مانند مخازن اسیدی یا محیط‌های دمای بالا و فشار بالا (HPHT) استفاده کنند، جایی که روش‌های معمول تیمار شیمیایی به‌طور مؤثر عمل نمی‌کنند. مزیت دیگری که این ترکیبات نسبت به گزینه‌های سنتی دارند، قابلیت اختلاط خوب آن‌ها با نفت به جای آب است. این بدان معناست که آن‌ها به‌صورت یکنواخت در سیستم‌های هیدروکربنی پخش می‌شوند و در طول زمان از هم جدا یا ته‌نشین نمی‌شوند. نتیجه چیست؟ ترکیبات گوگردی به‌طور دائمی از طریق این پیوندهای شیمیایی قوی «قفل» می‌شوند و این امر احتمال بروز مشکلات آلودگی را در مراحل بعدی عملیات پردازش کاهش می‌دهد.

شواهد موردی PRO3®HT و PROM®: عملکردی که در چاه‌های فشار بالا و دمای بالا (HPHT) خلیج مکزیک تأیید شده است

آزمایش‌های انجام‌شده در چاه‌های فشار بالا/دمای بالا در خلیج مکزیک، نتایج چشمگیری با فرمولاسیون‌های PRO3®HT و PROM® نشان داد که تقریباً ۹۸ درصد گوگرد را حذف کرده‌اند. این مواد جاذب ویژهٔ پراکنده‌شونده در روغن، که بر پایه شیمی اکسازولیدین طراحی شده‌اند، به‌طور خاص برای مقابله با شرایط سخت زیرزمینی توسعه یافته‌اند. آنچه واقعاً قابل توجه است، این است که این محصولات سطح هیدروژن سولفید را در سیالات تولیدی به‌مدت بیش از ۹۰ روز پس از درمان، حتی در برابر فشارهای بالاتر از ۱۵۰۰۰ psi و دماهایی بالاتر از ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد، زیر ۵ قسمت در میلیون نگه داشته‌اند. بر اساس یک مطالعه اخیر منتشرشده در گزارش فناوری دریایی (Offshore Technology Report) در سال ۲۰۲۳، این فرمولاسیون‌ها در حذف مرکاپتان‌ها در نرخ دوز مشابه، عملکردی سه برابر بهتر از گزینه‌های سنتی مبتنی بر تری‌آزین داشته‌اند. این امر یک پیشرفت قابل‌توجه محسوب می‌شود، زیرا اکثر روش‌های مرسوم در مواجهه با مخازنی که مرکاپتان‌ها سهم اصلی را در پروفایل شیمیایی آن‌ها دارند، با مشکلات انتخاب‌پذیری دست و پنجه نرم می‌کنند.

انتخاب جاذب مناسب برای H₂S و مرکاپتان: تطبیق طراحی مولکولی با شرایط مخزن

انتخاب جاذب باید طراحی مولکولی را با سه متغیر خاص مخزن همسو کند: بازه دمایی، پروفایل pH سیال و فراوانی نسبی H₂S در مقایسه با مرکاپتان‌ها. رویکردهای «یک‌اندازه‌برای‌همه» باعث افزایش هزینه‌های شیمیایی، ریسک عملیاتی و احتمال عدم انطباق با الزامات می‌شوند.

آستانه‌های دمایی و محدودیت‌های پایداری حرارتی

ترکیبات استاندارد تریازین تمایل دارند که پس از افزایش دما فراتر از حدود ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد به‌سرعت تجزیه شوند. هنگامی که این اتفاق رخ می‌دهد، اغلب منجر به مشکلاتی در زمینه بازگشت سولفید هیدروژن و ایجاد چالش‌هایی برای تضمین جریان در عملیات حفاری می‌شوند. حفظ عملکرد مؤثر مواد جذب‌کننده در دماهای بالاتر از این حد، به‌ویژه در محیط‌های چاه‌های با فشار و دمای بالا (HPHT) که امروزه روزبه‌روز رایج‌تر می‌شوند، بسیار دشوار می‌گردد. خوشبختانه گزینه‌های جدیدتری مانند ترکیبات اکسازولیدین و ادوکت‌های ویژه‌سازی‌شده پایدار در شرایط HPHT، در مقابل شرایط حرارتی شدید مقاومت بسیار بهتری از خود نشان می‌دهند. این مواد ساختار خود را حفظ کرده و حتی در دماهایی بالاتر از ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد نیز به‌طور مؤثر واکنش می‌دهند. نتیجه این امر، طولانی‌تر شدن مدت اثر درمان‌ها و قابل‌اطمینان‌تر شدن فرآیندها در طول عملیات گسترده‌تر است؛ علاوه بر این، در طی تجزیه آن‌ها هیچ پسماند سمی و نامطلوبی به‌عنوان اثر جانبی تولید نمی‌شود.

بهینه‌سازی واکنش‌پذیری وابسته به pH

کارایی جاذب‌های فعال‌شده قلیایی به‌طور چشمگیری افت می‌کند وقتی pH زیر ۵٫۵ کاهش یابد، زیرا یون‌های هیدروژن (پروتون‌ها) شروع به مداخله در عملکرد آن‌ها می‌کنند. آنچه در ادامه رخ می‌دهد، صرفاً یک افت خطی نیست؛ بلکه عملکرد به‌صورت غیرخطی و با افزایش سطح اسیدیته کاهش می‌یابد. از سوی دیگر، عوامل پیوندی کووالانسی مانند اکسازولیدین‌ها بدون توجه به تغییرات pH عمل می‌کنند. این ترکیبات به‌طور پایدار و بدون وابستگی به شرایط اسیدی یا قلیایی، مرتکتان‌ها را حذف می‌کنند — چه در نفت خام اسیدی، چه در نفت خام خنثی و حتی در نفت‌هایی که تنها به‌مقدار جزئی قلیایی هستند. این واقعیت که این مواد نیازی به تنظیمات اضافی pH ندارند، منجر به صرفه‌جویی در زمان و هزینه برای اپراتورها می‌شود. نیازی به ذخیره‌سازی مواد شیمیایی اضافی برای کنترل pH نیست و همچنین مشکلات ناشی از خوردگی در واحدهای فرآورشی که اغلب ناشی از تنظیمات مکرر pH است، کاهش می‌یابد.

پویایی نسبت مرتکتان به H₂S

مرکاپتان‌ها اغلب بیش از ۶۰٪ از کل ترکیبات گوگردی موجود در مخازن کربناته فعال از نظر زیستی یا قدیمی را تشکیل می‌دهند. مواد پاک‌کننده سنتی که صرفاً برای سولفید هیدروژن طراحی شده‌اند، در این شرایط بیش از نیمی از توان واکنشی خود را از دست می‌دهند. شیمی‌های جدیدتری که به‌طور خاص بر مرکاپتان‌ها هدف‌گیری می‌کنند، با مقدار مشابه محصول، نتایج بهتری ارائه می‌دهند، حین عملیات رسوب کمتری تولید می‌کنند و فواصل بین درمان‌ها را افزایش می‌دهند. داده‌های صنعتی نشان می‌دهد که این فرمولاسیون‌های تخصصی می‌توانند مصرف شیمیایی را حدود ۴۵٪ کاهش دهند؛ علاوه بر این، عملکرد بهتری در کنترل بوهای نامطبوع و پیشگیری از مشکلات خوردگی تجهیزات که بسیاری از عملیات را تحت تأثیر قرار می‌دهند، دارند.