سطح مقاله
نویسندگان
فایزه تاری
(نویسنده اول)
مهدی عطاپور
(نویسنده مسئول)
کلمات کلیدی
اکتشاف مخازن
لرزهنگاری
مغناطیس
ژئوفون
حسگر
امتیاز کاربران
کاربرد نانوفناوری در اکتشاف نفت و گاز
طبق بررسیهای محققان در پنجاه سال آینده میزان تقاضای جهانی انرژی دو برابر خواهد شد. بنابراین نیاز به استفاده از تکنولوژیهای جدید و نوعی بازنگری در نوع تولید و مصرف منابع انرژی به شدت احساس میشود. در این میان علم نانوفناوری با نگرشی جدید که در ساختار و چینش مواد بوجود آورده، روشهای بسیار مناسبی را در جهت استفاده از فرآیندهای مختلف در حوزه انرژی ایجاد کرده است. در حقیقت نانوفناوری میتواند با کمک به یافتن منابع هیدروکربوری بصورت دقیق تر و با جزئیات بیشتر به خصوص در فواصل عمیق تر و نیز اندازه گیری ابعاد مخزن با استفاده از روشهای لرزه نگاری و مغناطیسی پیشرفته، نقش عمدهای را در بهبود فرآیند بهره برداری و تولید سیال از چاه ایفا کند. در این مقاله به بررسی تاثیرات نانوفناوری در عملیات اکتشاف مخازن نفتی و گازی پرداخته شده و مزایای آن در مقابل روشهای سنتی ارائه خواهد شد.
1-مقدمه
در بخش بالا دستی نفت اولین مرحله برای دستیابی به نفت و بهرهبرداری از آن، اکتشاف مخازن است. با بدست آوردن مجموعه ای از اطلاعات از لایههای مختلف زمین با استفاده از روشهای زمین شناسی، ژئوفیزیکی و ژئوشیمی، محل و کیفیت نفت خام یا گاز کشف میشود و بدین ترتیب با تشخیص محل صحیح نفت و گاز موجود در اعماق زمین میتوان به حفاری و استخراج این مواد اقدام کرد. در حقیقت ابتدا با توجه به مطالعات سطحی و صحرایی محیط، مجموعهای از اطلاعات اولیه بدست میآید و اولویتهای سایر روشهای اکتشافی مشخص می شود. این روشها شامل روشهای سطحی، ثقلسنجی و مغناطیسی سنجی، لرزه نگاری، ژئوشیمی آلی و حفر چاههای اکتشافی میباشد [1].
1-1-روشهای سطحی [1]
گاه مطالعه برخی از نشانهها در سطح زمین میتواند راهنمای ما برای کشف مخازن احتمالی باشد. بخشی از لایههایی که هزاران متر زیر زمین هستند، ممکن است در اثر عوامل مختلفی به سطح زمین رسیده باشد و ما آن بخش از لایه را که برونزد (outcrop) آن نامیده میشود، مشاهده کنیم. ابتداییترین کار در اکتشاف مخازن نفت این است که با مطالعه برونزدها (outcrops) و نشانههای سطحی، اطلاعاتی در مورد سازندهای نفت بدست آورد و یا با مطالعه ساختارهای زیرزمینی که آثار آنها در روی زمین قابل مشاهده و بررسی است، تا حدودی به وجود تلههای نفتی پی برد و همچنین اگر در سطح، چشمههای نفتی (oil spring) وجود داشت با مطالعه آنها به سنگ منشأ (source rock) آن پی برد و از این طریق مخازن احتمالی را شناسایی کرد.
1-2-روشهای ثقل سنجی و مغناطیسی سنجی[1]
این دو روش برای شناسایی مخازن نفتی که ساختارهای مشخص و معینی (مثل طاقدیس) در اعماق کم دارند به کار میروند. در روش ثقل سنجی اساس کار این گونه است که تغییر شتاب جاذبه ثقل در نقاط مختلف را میتوان به تغییر ماهیت سنگ یا تغییر ساختار، مخصوصا ساختارهای طاقدیس نسبت داد. اساس کار روش مغناطیس سنجی بر این است که میدان مغناطیسی طبیعی زمین را میسنجد، اما اگر سنگی وجود داشته باشد که خود میدان مغناطیسی اضافی ایجاد کند، با استفاده از دستگاههای مغناطیس سنج شناسایی میشود. از آ ن جایی که برخی از سنگهای رسوبی خود مغناطیسه هستند و میدان مغناطیسی اضافی ایجاد می کنند، به کمک این دستگاه میتوان ضخامت این لایهها را تا حدودی مشخص کرد. باید توجه داشت که جنس سنگ مخزن و منشا از سنگهای رسوبی است.
1-3-مطالعه لرزه نگاری (seismic) از [2و1]
در روش لرزه نگاری امواج لرزهای در اثر انفجار به صورت موجهای مکانیکی در لایههای درون زمین منتشر میشوند. برای این که بازتاب این امواج از لایههای مختلف دریافت شود، گیرندههایی (Geophone) بر روی زمین تعبیه شدهاند که بازگشت این امواج را ثبت میکنند. منابعی که برای ایجاد این لرزهها بکار می رود میتواند چالههایی که از مواد منفجره پر شده و یا دستگاه vibrosize باشد. این دستگاه کامیونی است که یک صفحه در زیر خود دارد. به هنگام ایجاد لرزه این صفحه روی زمین قرار میگیرد و وزن کامیون بر روی صفحه میافتد و با لرزههایی که این صفحه ایجاد میکند امواجی پدید میآید. اساس کار این گونه است که با توجه به این که سازندهای مختلف قابلیتهای مختلفی برای عبور موج از درون خود دارند، سرعت امواج درون این لایهها با هم متفاوت است و به این وسیله میتوان سطوح بین لایهای را تشخیص داد البته به این شرط که این لایهها دارای چگالی و سرعت انتشار متفاوتی باشند این تفاوت اساس شناسایی لایهها و سازندهای مختلف است. لرزه نگاری بصورت یک بعدی، دو بعدی، سه بعدی و اخیرا چهار بعدی انجام میگیرد. لرزه نگاری چهار بعدی همان لرزه نگاری سه بعدی است که بعد چهارم آن زمان بوده ونحوه پیشروی سیالات مخزن را ارائه میدهد. از اطلاعات لرزه نگاری، ساختار کلی لایههای زمین، محدوده مخزن، نوع سیال اعم ازگاز، آب یا نفت و ... را میتوان به دست آورد.
1-4-ژئوشیمی آلی (organic Geochemistry) از [1]
امروزه از روش ژئوشیمی آلی (organic Geochemistry) برای اکتشافات مخازن، سنگ منشا و تحلیل این سنگها استفاده میشود.
1-5-حفر چاه های اکتشافی [1]
روشهای پیش گفته اطلاعات اولیه را برای حفر اولین چاه در اختیار متخصصین اکتشاف قرار میدهند این متخصصین برای دستیابی به دقت بیشتر در اطلاعات خود باید چاههای اکتشافی را در مخزن حفر کنند. از یک چاه اکتشافی میتوان به اطلاعاتی دست یافت از جمله: ترتیب قرار گرفتن سازندهای مختلف در عمق زمین، عمق واقعی مخزن در زیر زمین، ضخامت مخزن، خصوصیات سنگ و سیالهای درون مخزن (گاز، نفت و آب) که با نمونه برداری از سنگ و سیال و انجام آزمایشهای مربوطه مطالعه میشود، مرز لایههای زمین شناختی، جنس و شیب هر لایه، برخی از ویژگیهای سنگ مخزن از جمله میزان تخلخل و درجهی اشباع آن از سیالهای مختلف و دمای مخزن با انجام عملیات چاه پیمایی شناسایی میشود.
2-کاربرد نانوفناوری در اکتشاف مخازن نفتی و گازی
کاربرد نانومواد در زمینه اکتشاف سیالات هیدروکربنی را میتوان اینگونه در نظر گرفت [3]:
1) کشف هیدروکربنها
2) اندازهگیری سایز مخزن
امروزه محققان بر این باور هستند که صنعت اکتشاف مخازن زیرزمینی نیازمند تحولی است تا بتوان هیدروکربنها را در نقاط مختلف زمین شناسائی نمود. زیرا گاهی حتی لرزه نگاریهای دو و سه بعدی نیز قادر به ارائه اطلاعات روشنی از ساختار زمین شناسی برخی نواحی خاص نمیباشند. محققان بر این باورند که نانوتکنولوژی قادر است تمامی این مشکلات را به خوبی حل کند. زیرا علم نانو میتواند با تولید نانوذرات یا نانوحسگرهای قوی، اطلاعات بسیار باارزشی را از ساختار مخزن جمعآوری نموده و ارائه دهد [4]. طبق مطالعات، نانوفناوری دارای تاثیرات مهمی در بهبود فرآیند اکتشاف با استفاده از لرزه نگاری و چاه پیمائی و نیز روش مغناطیس سنجی میباشد.
2-1- کاربرد نانوفناوری در روش مغناطیس سنجی [5]
اکتشاف مغناطیسی نوعی روش جستجوی ژئوفیزیکی است که در آن از آهنرباهای بسیار دقیق جهت مکانیابی و مشخصهیابی اشیا و پدیدههای زمین شناسی استفاده میشود. اساسا دلیل تشخیص اشیا طی این روش به دلیل میدان مغناطیسی ساطع شده از خود آنها میباشد. هرچند این میدان تشکیل شده بسیار ضعیف میباشد اما میتواند تغییرات قابل اندازهگیری در توزیع میدان مغناطیسی زمین ایجاد کند. به چنین تغییری، نابهنجاری مغناطیسی (magnetic anomaly) اطلاق میشود. در شکل 1 تاثیر شی مدفون در زیر سطح زمین بصورت یک نابهنجاری نشان داده شده است. همچنین اغلب اجسامی که خاصیت غیرمغناطیسی نیز دارند مانند سنگ مخزن نیز با قرار گرفتن در میدان مغناطیسی زمین حالت مغناطیسی پیدا میکنند. دستگاهی که جهت اندازهگیری میدان مغناطیسی بکار میرود مغناطیسسنج نام دارد و شامل دو قسمت میباشد: BEarth که میدان مغناطیس زمین و BAnomaly که میدان مغناطیسی شیئ مدفون شده را می سنجد. پرکاربردترین نوع مغناطیس سنجها در زمینه اکتشاف از نوع: مغناطیس سنج پروتونی (Proton Processing Magnetometer) و مین مغناطیسی (Fluxgate magnetometer) میباشد.
شکل 1- تاثیرات شیء مدفون در داخل زمین بر روی میدان مغناطیسی [5]
با تفسیر دادههای بدست آمده با استفاده از یک مغناطیسسنج به سوالات زیر پاسخ داده میشود:
1) نابهنجاریهای مغناطیسی در دادههای جمع آوری شده کدام هستند؟
2) کدام شی مصنوعی و/ یا ساختار زمین شناسی سبب پیدایش این نابهنجاری شده است؟
3) عمق این شیئ و /یا ساختار زمینشناسی چقدر است؟
4) اندازه و شکل شیئ و/ یا ساختار زمین شناسی به چه صورتی است؟
برای تعیین میزان مغناطیس موجود در سنگ میتوان از دو نوع ابزار مغناطیسی استفاده نمود:
1) نقشهبرداری هوائی که در آن از یک مغناطیس سنج متصل به یک هواپیما استفاده میشود.
2) نقشهبرداری زمینی که در آن از یک مغناطیس سنج قابل حمل استفاده میگردد.
استفاده از نانوتکنولوژی در ساختار مغناطیسسنجها امروزه در مرحله تحقیق و بررسی قرار دارد و همانگونه که پورافشاری و همکارانش نشان دادهاند، استفاده از نانوکامپوزیتها میتواند آغازگر ایجاد تحول در این روش باشد [6].
2-2- کاربرد نانوفناوری در روش نمودار گیری و لرزه نگاری
2-2-1-کاربرد نانوحسگرها در لرزه نگاری
اصولا کشف یک منبع زیرزمینی بدون مانیتور کردن حرکت سیال درون مخزن بسیار دشوار است. در این راستا زمین شناسان با استفاده از ابزارآلات حسگر از راه دور توانستهاند تصاویری را از منابع زیرزمینی آورند. در طول سالهای اخیر تلاشهای بسیاری در جهت تولید تصویربرداری زیرزمینی از منابع هیدروکربوری انجام گرفته است. محقق کانادائی Reginlad Fessenden برای اولین بار استفاده از روش لرزه نگاری را در زمین شناسی در سال 1917 ثبت اختراع نمود. یک دهه بعد شرکت شلمبرژه (Schlumberger) اولین ابزار الکتریکی چاه پیمائی را به درون چاه وارد نمود. امروزه پیشرفتهای حاصل در دادههای لرزه نگاری و الکترومغناطیس، پردازش سیگنالها و مدلسازی با محاسبات پیشرفته و نیز انقلاب نانوتکنولوژی سبب ایجاد بهبودهای چشمگیری در تصویربرداری از مخازن گردیده است. چنانچه امروزه با استفاده از حسگرهای کنترل از راه دور میتوان تصاویر بهتر و با جزئیات بیشتر از تغییرات عمودی و عرضی لایههای سازند زیرزمینی و نیز تخلخل و تراوائی آن بدست آورد. اغلب موانعی که بر سر راه کنترل از راه دور این حسگرها وجود دارد ناشی از ساختار و فیزیک خاص سنگ مخزن است. برای مثال با افزایش عمق، ضخامت بستر و اندازه عرضی نسبت به طول موج سیگنال سبب تضعیف انرژی و چگالی و سرعت متغیر سنگ سبب پخش یا پیچیدگی سیگنال ورودی میشود. عموما منبع و گیرندههای سیگنال در فاصله دوری بر روی سطح زمین قرار دارند و همین امر سبب کاهش کیفیت تصاویر دریافتی میگردد. لرزه نگاری انعکاسی پرکاربردترین نوع استفاده از حسگرهای از راه دور در زمین شناسی میباشد. دادههای ناشی از لرزه نگاری میزان سرعت سیال زیرزمینی و تغییرات چگالی آن را تعیین میکنند و حتی اگر سنگ مخزن دارای ویژگیهای مناسبی باشد این ابزار توانائی تشخیص هیدروکرین ها از آب مخزن را نیز دارند. در حقیقت انرژی لرزهای که از لایههای درونی زمین بازتابش میشود در سطح زمین توسط ژئوفونها دریافت میگردد. برای افزایش حساسیت این گیرندهها لازم است تا امواج رسیده از داخل زمین به خوبی جمع آوری گردند. ژئوفونهای معمولی اغلب از نوع سیم پیچ الکترومغناطیسی متحرک میباشند و اساس کار آنها بدین صورت است که زمانیکه بدنه بصورت عمودی حرکت میکند، سیم پیچ ثابت مانده و آهنربا متحرک میگردد. حرکت نسبی بین سیم پیچ و میدان مغناطیسی سبب تولید ولتاژ نهائی ژئوفون میگردد. ولی در این نوع گیرندهها عموما مشکل تداخل الکترومغناطیسی و کم بودن محدوده فرکانس پاسخ وجود دارد و محققان در حال بررسی روشهای نوین در جهت بهبود این معایب میباشند [8و7].
شکل 2- استفاده از ژئوفونها در لرزهنگاری [8]
امروزه ایجاد نانوحسگرها جدید برای ثبت لرزهها بصورت دقیقتر و پربازدهتر توانسته این بخشها از صنایع بالادستی نفت را متحول کند، چرا که امکان وارد کردن نانوحسگرها در لایههای مختلف زمین و ثبت لرزهها از موقعیتهای متنوع تر بوجود آمده است. همچنین نانوتکنولوژی میتواند با نانوساختار نمودن ژئوفونها (گیرندهها) به عملکرد سریع و ثبت اطلاعات صوتی دقیقتر منجر گردد. در این راستا آزمایشهای زیادی انجام پذیرفته و توانایی نانوفناروی را در این بخش به اثبات رسانده است. از نتایج این آزمایشها میتوان به تولید ده برابر ضریب طول و دریافت اطلاعات ازاعماق دورتر اشاره کرد. آقای جونگ کیم ازدانشگاه تگزاس در کنفرانس نانوفناوری انجمن مهندسین برق آمریکا، فناروی "شناوری مغناطیسی با دقت بالا" راکه در بسیاری از زمینههای تحقیقاتی نانوفناوری و سایر فناوریهایی که براساس اندازه گیری دقیق حرکات و نیروها کار میکنند کاربرد دارد، موردبررسی قرار داده است. این فناوری ها شامل ساختن ساختارهای نانومقیاس، کاربری در مقیاس اتمی، سرهم بندی میکروقطعات و آشکارسازهای حرکات لرزهای میباشند. شرکتهای نفتی Shell وBP برای کشف واستخراج میادین جدید نفت وگاز از نانوفناوری در تصویربرداری لرزهای و لرزهنگاری چهار بعدی استفاده میکنند.
همچنین شرکت آمریکائی IncInput/Output از میکرومکانیکال سیستمها (MEMS) و نانومکانیکال سیستم ها (NEMS) جهت تهیه دادههای لرزه نگاری چاههای نفت و گاز استفاده می کند. این ابزارها دادهها را بصورت دقیقتر و کم حجم تر از ژئوفون های معمولی ثبت میکنند. به طور خلاصه کاربرد نانوفناوری در ابزارآلات مربوط به عملیات اکتشاف نفت و گاز میتواند به دریافت اطلاعات دقیق تر و به خصوص ارائه اطلاعات اعماق بسیار زیاد و به تبع آن شناخت جامعتر از مخزن کمک نماید [9و2].
2-2-2-کاربرد نانوحسگرها در نمودارگیری دقیقتر از چاه
بطور کلی در این رویکرد، ابتدا در آزمایشگاه پرتوهای مختلفی نظیر گاما، ایکس، نوترون و همچنین انواع مختلف امواج صوتی و میدان های مغناطیسی یا الکتریکی در مقابل ساختارهای سنگی مختلف اعمال، بازتابشهای مربوطه ثبت و نمودارها رسم میشود (کالیبراسیون). سپس ابزار نمودارگیری در میدان نفتی یا گازی به درون یک چاه رانده شده و فرآیند تاباندن پرتوها،امواج و میدان ها و ثبت بازتابشها صورت میپذیرد. نهایتا از مقایسه نمودارهای بدست آمده با نمودارهای استاندارد، جنس لایهها (لیتولوژی) تعیین میگردد. همچنین با استفاده از تئوریهای موجود، تخلخل و درجه اشباع سیالات نیز مشخص میشود. در این قسمت از نانوحسگرها برای تحلیل دقیق پرتوها و نیز به دلیل سطح ویژه بالای آنها، جهت تحلیل پرتوها در همه جهات استفاده میشود. علاوه بر آن از این نانوحسگرها میتوان جهت تعیین جنس لایهها و خواص سیال نیز استفاده نمود. همچنین چون بخشی از نمودارگیری درون چاه مربوط به بررسی تخلخل ها میشود، می توان باوارد نمودن یک سری نانوپودرها به داخل مخزن و دانستن مقدار و سطح ویژه آنها، میزان تخلخل سازند را تخمین زد. در این راستا میتوان نانوحسگرها را به اعماق بیشتری درون سازند نفوذ داده و تحلیل های دقیقتر و در نقاط متنوع تر را انجام داد. این حسگرها به دلیل مزایائی مانند اندازه کوچک، ایمنی در قبال تداخل الکترومغناطیسی، قابلیت کارآئی در دما و فشار بالا و محیطهای دشوار در صنعت نفت بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. محققان در دانشگاه صنعتی ویرجینیا در حال تولید نانوحسگرهائی ارزان وقابل اعتماد از فیبرهای نوری جهت اندازه گیری فشار، دما، جریان نفت و امواج اکوستیک در چاههای نفت میباشند [9]. همچنین Benischek و همکارانش نشان دادند که با استفاده از نانوذرات و/یا نانوحسگرها بعنوان نانوابزارها (nano devices) و بررسی انرژی برگشت داده شده از آنها در نقاط مختلف درون چاه میتوان مکان و مورفولوژی آنها را شناسائی و به اطلاعات مفیدی دست یافت. در حقیقت این محققین، یک سیستم انتقال و دریافتامواج الکترومغناطیسی را که از دستهای از آنتنها تشکیل شده است بکار گرفتند. این امواج به نانوابزارهای موجود در داخل چاه نفت برای شارژ منبع قدرت تعبیه شده در داخل این ابزارها و کنترل و ایجاد ارتباط با آنها فرستاده میشود. این نانوابزارها بخشی از این انرژی الکترومغناطیسی را منعکس میکنند نهایتا با دریافت این امواج برگشت داده شده و تحلیل آنها، نقشه سه یا چهار بعدی از ساختار داخلی مخزن بدست میآید[10].
بحث و نتیجهگیری:
در این مقاله مروری بر کاربردها و نقش فناوری نانو در زمینه اکتشاف مخازن هیدروکربوری انجام گرفته است. همانگونه که اشاره شد تا کنون کاربردهای نانوفناوری در حیطه استفاده از نانوکامپوزیتها طی روش مغناطیسسنجی (که هنوز در مرحله تحقیق و بررسی قرار دارد) و نیز استفاده از نانوحسگرها در لرزه نگاری و چاه پیمائی مورد بررسی و تحقیق محققان قرار گرفته است. با توجه به منابع معتبر ارائه شده اکتشاف مخازن هیدروکربوری که اولین قدم در دسترسی به سیال داخل مخزن میباشد با استفاده از نانوفناوری بهبود بسیار مناسبی از خود نشان میدهد. این امر بدان معنی است که مشکلات موجود در صنایع، به ویژه صنعت نفت را با استفاده از فناوری نانو که نگرشی نوین در چینش و ساختار ماده بوده و سبب بهبود خواص آن میگردد، میتوان تا حدود زیادی مرتفع نمود.
منابـــع و مراجــــع
1. http://vista.ir/article/350628/آشنایی-با-مبانی-اکتشاف-نفت-و-گاز
2. http://www.civilica.com/Paper-ICNPGP01-ICNPGP01_034.html
3. http://explorationist.me/2012/02/08/iptc-2011-nanotechnology-applications-in-oil-and-gas-exploration-and-production/
4. http://www.ngoilgasmena.com/article/Small-but-mighty/
5. http://frieder-roth.net/tutorials/magguide.pdf
6. http://www.onepetro.org/mslib/servlet/onepetropreview?id=SPE-126101-MS
7. http://www.spe.org/industry/.../higher-resolution_subsurface_imaging.pdf
8. http://lib.semi.ac.cn:8080/tsh/dzzy/wsqk/SPIE/vol5765/5765-1112.pdf
9. http://www.sabainfo.ir/fa/news/55184
10. V.Benischek ,U.S.Patent, US0102986A1, 2010-4-29