ตัวจับก๊าซ H2S และเมอร์แคปแทนชนิดใดที่สามารถแก้ปัญหาการกำจัดกำมะถันในบ่อน้ำมันที่มีปริมาณ H₂S สูง?

เหตุใดตัวจับก๊าซ H₂S และเมอร์แคปแทนแบบเดิมจึงล้มเหลวในบ่อน้ำมันที่มีความดันสูงและอุณหภูมิสูง

การเสื่อมสภาพเนื่องจากความร้อนและการย้อนกลับ: ไทรอะซีนสูญเสียประสิทธิภาพอย่างไรเมื่ออุณหภูมิเกิน 120°C

อุตสาหกรรมนี้พึ่งพาสารจับไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่มีส่วนประกอบของไทรอะซีนเป็นหลักในการกำจัดไฮโดรเจนซัลไฟด์ออกจากกระบวนการผลิต วัสดุเหล่านี้เริ่มเสื่อมสภาพเมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 120 องศาเซลเซียส (หรือราว 248 องศาฟาเรนไฮต์) เมื่อเกิดเหตุการณ์ดังกล่าว สารจับเหล่านี้จะสูญเสียประสิทธิภาพในการจับอย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้ไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่เคยถูกจับไว้หลุดคืนกลับเข้าสู่ระบบอีกครั้ง ในบ่อน้ำมันและก๊าซที่มีความดันสูงและอุณหภูมิสูง ซึ่งสภาวะโดยเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 150 องศาเซลเซียส (หรือราว 302 องศาฟาเรนไฮต์) สารจับประเภทนี้อาจสูญเสียประสิทธิภาพมากกว่าเจ็ดสิบเปอร์เซ็นต์ภายในเวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมงเท่านั้น ความดันยังทำให้สถานการณ์แย่ลงอีกด้วย โดยก่อให้เกิดวงจรการปนเปื้อนซ้ำๆ ซึ่งส่งผลให้อุปกรณ์เสียหายและเพิ่มความเสี่ยงต่อความปลอดภัยของแรงงาน สิ่งที่ทำให้ไทรอะซีนแตกต่างจากสารจับระบบอื่นๆ และน่ากังวลยิ่งขึ้นคือ เมื่อสารเหล่านี้หมดอายุการใช้งานแล้ว จะก่อให้เกิดของเสียแข็งที่ยากต่อการกำจัด ซึ่งไปอุดตันท่อส่งของไหล ปัญหานี้ส่งผลให้เกิดความล่าช้าอย่างมีนัยสำคัญต่อการดำเนินงาน ข้อมูลภาคสนามแสดงให้เห็นว่า การอุดตันดังกล่าวทำให้ต้นทุนเวลาหยุดเดินเครื่องเพิ่มขึ้นประมาณสี่สิบสองเปอร์เซ็นต์ ทั้งในโครงการพลังงานความร้อนใต้พิภพและในโครงการที่ดำเนินงานภายใต้สภาวะความดันสูงและอุณหภูมิสูง

น้ำมันดิบที่มีค่า pH ต่ำและสารเมอร์แคปแทนเป็นส่วนประกอบหลัก: ช่องว่างด้านความจำเพาะในการจับสารแบบมาตรฐาน

น้ำมันดิบที่มีความเป็นกรด (pH ต่ำกว่า 5.5) ทำให้ประสิทธิภาพของสารจับสารพิษแบบทั่วไปลดลงอย่างมาก เนื่องจากการแข่งขันกับโปรตอน: ไอออนไฮโดรเจนจะเข้าจับกับตำแหน่งที่มีปฏิกิริยาได้เร็วกว่าสารเมอร์แคปแทน ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการจับกำมะถันลดลงอย่างรุนแรง ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้:

• ความเข้มข้นของสารเมอร์แคปแทนเพิ่มขึ้นเร็วกว่า H₂S ถึง 3–5 เท่า ในแหล่งน้ำมันดิบที่มีการเกิด H₂S
• สูตรมาตรฐานแสดงความชอบจับ H₂S มากกว่าสารเมอร์แคปแทนถึง 15 เท่า
• ปริมาณกำมะถันรวมสูงกว่า 5,000 ppm — ซึ่งพบได้บ่อยในแหล่งน้ำมันดิบประเภทคาร์บอเนต — จะทำให้ตำแหน่งที่มีปฏิกิริยาอิ่มตัวภายในไม่กี่วัน

ข้อมูลภาคสนามยืนยันว่า สารเคมีแบบดั้งเดิมสามารถกำจัดสารเมอร์แคปแทนได้ต่ำกว่า 40% ในสภาพแวดล้อมที่มีค่า pH ต่ำ เมื่อเทียบกับ 85% ที่สามารถกำจัดได้ในน้ำมันดิบที่มีค่า pH เป็นกลาง ความไม่มีประสิทธิภาพนี้บังคับให้ต้องเพิ่มความถี่ในการฉีดสารและปริมาณสารเคมีอย่างไม่ยั่งยืน ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเพิ่มสูงขึ้น

สารเคมีจับ H₂S และสารเมอร์แคปแทนรุ่นขั้นสูง: ออกซาโซลิดีน สารสูตรที่กระจายตัวในน้ำมันได้ดี และสารประกอบเสริมที่ทนต่อสภาวะความดันและอุณหภูมิสูง (HPHT)

กลไกออกซาโซลิดีน: การจับสารเมอร์แคปแทนแบบโควาเลนต์ที่มีความเสถียรต่อค่า pH โดยไม่เกิดการปลดปล่อย H₂S กลับคืน

ปัญหาหลักของไทรอะซีนคือมันไม่สามารถสร้างพันธะที่คงทนกับเมอร์แคปแทนได้ ซึ่งส่งผลให้เกิดปัญหาการกลับคืนสู่สภาพเดิม (reversion) ออกซาโซลิดีนช่วยแก้ไขปัญหานี้โดยการสร้างพันธะโควาเลนต์ถาวรแทน แล้วอะไรทำให้สารประกอบเหล่านี้โดดเด่น? คำตอบคือ มันมีความเสถียรในช่วงค่า pH กว้างตั้งแต่ 4 ถึง 10 และสามารถทนต่อความร้อนอย่างต่อเนื่องได้สูงสุดประมาณ 180 องศาเซลเซียส นี่จึงเป็นเหตุผลที่ผู้ปฏิบัติงานจำนวนมากเลือกใช้สารเหล่านี้ในสภาวะแวดล้อมที่รุนแรง เช่น แหล่งน้ำมันที่มีความเป็นกรด หรือสภาวะอุณหภูมิสูงและความดันสูง (HPHT) ซึ่งการรักษาด้วยสารเคมีแบบดั้งเดิมไม่สามารถใช้งานได้ผล อีกข้อได้เปรียบหนึ่งเหนือทางเลือกดั้งเดิมคือความสามารถในการผสมเข้ากับน้ำมันได้ดีกว่ากับน้ำ ส่งผลให้สารกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วระบบไฮโดรคาร์บอน โดยไม่แยกชั้นหรือตกตะกอนตามระยะเวลา ผลลัพธ์ที่ได้คือ สารประกอบกำมะถันถูกยึดตรึงไว้อย่างถาวรผ่านพันธะเคมีที่แข็งแรงเหล่านี้ จึงลดปัญหาการปนเปื้อนที่อาจเกิดขึ้นในขั้นตอนการประมวลผลต่อไป

หลักฐานจากกรณีการใช้งานจริงของ PRO3®HT และ PROM®: ประสิทธิภาพที่ผ่านการตรวจสอบในสนามแล้วสำหรับหลุมเจาะความดันสูง-อุณหภูมิสูง (HPHT) ในอ่าวเม็กซิโก

การทดสอบที่ดำเนินการในบ่อก๊าซภายใต้สภาวะความดันสูง/อุณหภูมิสูงในอ่าวเม็กซิโกแสดงผลลัพธ์ที่น่าประทับใจ โดยสูตร PRO3®HT และ PROM® สามารถกำจัดกำมะถันได้เกือบ 98% ส่วนผสมสารกำจัดกำมะถันชนิดพิเศษที่ละลายในน้ำมันเหล่านี้ ซึ่งพัฒนาขึ้นจากเคมีของออกซาโซลิดีน ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อทนต่อสภาวะสุดขั้วใต้ผิวดิน ประเด็นที่น่าสนใจยิ่งคือ ผลิตภัณฑ์เหล่านี้สามารถรักษาระดับไฮโดรเจนซัลไฟด์ในของไหลที่ผลิตได้ให้ต่ำกว่า 5 ส่วนต่อล้านส่วน (ppm) เป็นระยะเวลาเกิน 90 วันหลังการบำบัด แม้จะเผชิญกับความดันสูงกว่า 15,000 psi และอุณหภูมิสูงกว่า 150 องศาเซลเซียส ก็ตาม ตามรายงานล่าสุดจาก Offshore Technology Report (2023) สูตรดังกล่าวมีประสิทธิภาพในการกำจัดเมอร์แคปแทนส์สูงกว่าทางเลือกแบบไทรอะซีนแบบดั้งเดิมถึงสามเท่า ภายใต้อัตราการใช้สารที่เท่ากัน นี่ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญ เนื่องจากวิธีการแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่มักประสบปัญหาเรื่องความสามารถในการแยกสารอย่างจำเพาะ (selectivity) เมื่อจัดการกับแหล่งน้ำมันและก๊าซที่มีเมอร์แคปแทนส์เป็นองค์ประกอบหลักในโปรไฟล์ทางเคมี

การเลือกสารกำจัดไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H₂S) และเมอร์แคปแทนที่เหมาะสม: การจับคู่การออกแบบโมเลกุลให้สอดคล้องกับเงื่อนไขของแหล่งน้ำมันและก๊าซ

การเลือกสารกำจัดต้องสอดคล้องกับการออกแบบโมเลกุลตามตัวแปรเฉพาะของแหล่งน้ำมันและก๊าซสามประการ ได้แก่ ช่วงอุณหภูมิ ค่า pH ของของไหล และสัดส่วนของ H₂S เทียบกับเมอร์แคปแทน วิธีการแบบใช้ได้ทั่วไปโดยไม่พิจารณาความแตกต่างจะทำให้เกิดค่าใช้จ่ายด้านสารเคมีเพิ่มขึ้น ความเสี่ยงในการปฏิบัติงานสูงขึ้น และความเสี่ยงต่อการไม่ปฏิบัติตามข้อกำหนด

เกณฑ์อุณหภูมิและข้อจำกัดด้านความเสถียรต่อความร้อน

สารประกอบไทรอะซีนมาตรฐานมักสลายตัวอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเกินประมาณ 120 องศาเซลเซียส ซึ่งเมื่อเกิดเหตุการณ์ดังกล่าว มักก่อให้เกิดปัญหาการกลับคืนของไฮโดรเจนซัลไฟด์ (hydrogen sulfide reversion) และสร้างความยุ่งยากในการรับประกันการไหล (flow assurance) ในการดำเนินการขุดเจาะ การรักษาประสิทธิภาพของสารจับ (scavenger) ให้มีประสิทธิผลจึงกลายเป็นเรื่องที่ท้าทายมาก โดยเฉพาะเมื่อดำเนินการที่อุณหภูมิสูงกว่าขีดจำกัดนี้ ทั้งในสภาพแวดล้อมของบ่อก๊าซและน้ำมันที่มีความดันสูงและอุณหภูมิสูง (HPHT) ซึ่งกำลังแพร่หลายมากขึ้นเรื่อยๆ ในปัจจุบัน โชคดีที่ทางเลือกใหม่ๆ เช่น สารประกอบออกซาโซลิดีน (oxazolidine compounds) และสารเติมแต่งแบบพิเศษที่ออกแบบมาให้มีเสถียรภาพภายใต้สภาวะ HPHT สามารถทนต่อสภาวะความร้อนรุนแรงได้ดีกว่ามาก วัสดุเหล่านี้ยังคงรักษารูปแบบโครงสร้างไว้ได้ และยังคงทำปฏิกิริยาได้อย่างมีประสิทธิภาพแม้ที่อุณหภูมิสูงเกิน 150 องศาเซลเซียส ส่งผลให้การรักษาใช้งานได้นานขึ้น กระบวนการดำเนินงานมีความน่าเชื่อถือมากขึ้นตลอดระยะเวลาการปฏิบัติงานที่ยาวนานขึ้น และยังไม่มีของเสียที่เป็นพิษร้ายแรงเกิดขึ้นเป็นผลพลอยได้จากการสลายตัวอีกด้วย

การปรับเพิ่มประสิทธิภาพการตอบสนองตามค่า pH

ประสิทธิภาพของสารจับที่ถูกกระตุ้นด้วยด่างจะลดลงอย่างมากเมื่อค่า pH ต่ำกว่า 5.5 เนื่องจากโปรตอนเริ่มรบกวนการทำงานของสารเหล่านั้น ผลที่ตามมาไม่ใช่การลดลงแบบเชิงเส้นเพียงอย่างเดียว แต่ประสิทธิภาพกลับลดลงอย่างไม่เป็นเชิงเส้นเมื่อระดับความเป็นกรดเพิ่มขึ้น ตรงข้าม สารจับที่ยึดเกาะด้วยพันธะโควาเลนต์ เช่น ออกซาโซลิดีน สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ขึ้นกับการเปลี่ยนแปลงค่า pH สารประกอบเหล่านี้สามารถจับเมอร์แคปแทนได้อย่างสม่ำเสมอ ไม่ว่าจะจัดการกับน้ำมันดิบที่มีความเป็นกรด น้ำมันดิบที่เป็นกลาง หรือแม้แต่น้ำมันดิบที่มีความเป็นด่างเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ความจริงที่ว่าสารเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องปรับค่า pH เพิ่มเติม หมายความว่าผู้ปฏิบัติงานสามารถประหยัดทั้งเวลาและต้นทุนได้ ไม่จำเป็นต้องจัดเก็บสารเคมีเพิ่มเติมสำหรับการควบคุมค่า pH และยังลดความยุ่งยากในการจัดการปัญหาการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นจากการปรับค่าต่าง ๆ อย่างต่อเนื่องในโรงงานแปรรูป

พลวัตของอัตราส่วนเมอร์แคปแทนต่อ H₂S

เมอร์แคปแทนส์มักคิดเป็นมากกว่า 60% ของสารประกอบกำมะถันทั้งหมดที่พบในแหล่งกักเก็บคาร์บอเนตที่มีกิจกรรมทางชีวภาพหรือแหล่งกักเก็บที่มีอายุมาก การจับสารพิษแบบดั้งเดิมซึ่งออกแบบมาเฉพาะเพื่อกำจัดไฮโดรเจนซัลไฟด์จะสูญเสียพลังงานในการทำปฏิกิริยาไปมากกว่าครึ่งหนึ่งเมื่อเผชิญกับเงื่อนไขเหล่านี้ สารเคมีรุ่นใหม่ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อจับเมอร์แคปแทนส์ให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าจากปริมาณผลิตภัณฑ์เท่ากัน สร้างตะกอนน้อยลงระหว่างการใช้งาน และยืดระยะเวลาระหว่างการบำรุงรักษาให้นานขึ้น ข้อมูลจากอุตสาหกรรมระบุว่าสูตรพิเศษเหล่านี้สามารถลดการใช้สารเคมีได้ประมาณ 45% ทั้งยังควบคุมกลิ่นไม่พึงประสงค์ได้ดีขึ้น และป้องกันปัญหาการกัดกร่อนอุปกรณ์ซึ่งเกิดขึ้นบ่อยในหลายกระบวนการผลิต