بصورت کلی پروسه تولید و استخراج نفت و گاز را می‌توان در دو قالب کلی جداسازی و ازدیاد برداشت مورد بررسی قرار داد. پروسه جداسازی شامل تفکیک سیالات از یکدیگر و همچنین از آلودگی‌ها و سیالات نامطلوب بوجود آمده در حین فرآیند استخراج و تولید از چاه می‌باشد. پروسه ازدیاد برداشت نیز شامل انواع عملیاتی می‌گردد که سیال تولیدی از مخزن را مورد بهره برداری بیشتر قرار می‌دهد. امروزه ثابت شده است که علم نانو توانائی بهبود فرآیندها در مقیاس مولکولی را دارا می‌باشد و تاثیر آن در حیطه فرآیندهای جداسازی و ازدیاد برداشت از مخازن نفتی و گازی نیز بسیار چشمگیر است. به گونه‌ای که با استفاده از نانوسورفکتانت‌ها، نانوغشاها، نانوذرات، نانوژل‌ها، ‌نانوسیالات و هیدروژل‌های نانوکامپوزیتی، تحول عمده‌ای در جهت بهبود فرآیند استخراج و تولید سیال از مخازن نفتی وگازی بوجود آمده است. در این مقاله به بررسی فرآیند جداسازی با استفاده از نانوفناوری پرداخته و جزئیات مربوط به کاربرد و تاثیرات نانوفناوری در عملیات ازدیاد برداشت در یک مقاله مجزا مورد بررسی قرار می‌گیرد.

2-کاربرد فناوری نانو در بهبود فرآیند تولید و استخراج چاه های نفتی و گازی:
امروزه با استفاده از نوآوری‌های عرصه نانوفناوری، روش‌های متعدد و بسیار مناسبی جهت بهبود فرآیند استخراج و تولید نفت و گاز صورت گرفته است. در این زمینه می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

2-1- استفاده از نانوغشاها
در حالت کلی غشا به ماده‌ای اطلاق می‌شود که بعنوان یک سد عمل کرده و سبب جداسازی دو فاز و همچنین محدود کردن انتقال اجزای شیمیائی معین بصورت گزینش شده می‌گردد. ضخامت غشاها می‌تواند از مقداری به کوچکی 10 میکرون تا مقادیری در محدوده چند صدمیکرومتر متغیر باشد [1]. در سالهای 1970 تا 1980، استفاده از غشاء جهت جداسازی کاربرد وسیعی پیدا کرد و در پایان سال 1980، نانوغشاء‌ها متولد شدند. از نانوغشاءها معمولا در فرآیند نانوفیلتراسیون استفاده می‌شود. این پروسه بصورت کلی در مورد مواد حل شده در مایعات و نه مواد توزیع شده در آنها کاربرد دارد. در این حالت پروسه جداسازی شامل نفوذ مولکول‌های حلال در جرم ماده غشائی بوده که توسط فشار انتقالی بالای غشاء، و نه حفرات آن صورت می‌گیرد. در حقیقت نانوفیلتراسیون نوعی پروسه جداسازی در فاز مایع است که جامدات حل شده را جدا می‌سازد [2]. امروزه نانوفیلتراسیون کاربردهای بسیاری در صنایع مختلف از جمله صنعت نفت دارد.

چندرسانه‌ای 1 :انواع روش‌های فیلتراسیون در فناوری نانو

شکل 1- انواع غشاء [1]

پروسه جداسازی و انتقال ماده در نانوفیلترها توسط نفوذ، جابجائی و مهاجرت الکترونی صورت می‌گیرد. در این حالت بارهای منفی روی سطح قرار گرفته و یون‌های مثبت جذب می‌شوند (بعلت تفاوت بین ثابت دی الکتریک در حفرات نانوفیلتر، ماده نانوغشاء و حلال) [3]. همچنین جداسازی گازهای تولیدی پروسه مهمی در صنعت تولید و استخراج به شمار می‌رود. در این حالت استفاده از غشاء به دلیل سادگی و هزینه پائین بسیار مناسب می‌باشد. ولی رابطه معکوس بین گزینش پذیری اجزای یک گاز و تراوائی آنها سبب کاهش تاثیر استفاده از غشا می‌گردد. در این حالت استفاده از غشاهای نانوکامپوزیت پلیمر- ماده غیرآلی که بصورت هماهنگ گزینش پذیری و تراوائی را بهبود می‌بخشند بسیار مناسب است. نانوکامپوزیت‌های پلیمری- ماده غیرآلی از دو ماتریس یعنی یک پلیمر و یک ماده غیرآلی تشکیل شده است. در این حالت، فاز غیر آلی در مقیاس نانومتری درون فاز پلیمری توزیع می‌شود. به دلیل ساختار مناسب ایجاد شده، خاصیت جداسازی گازی غشاهای نانوکامپوزیت پلیمر- ماده غیرآلی نسبت به پلیمرهای خالص بهبود می یابد [1].

چندرسانه‌ای 1 :صورت‌های مختلف فیلتراسیون در فناوری نانو

2-2- استفاده از نانوژل‌ها
نانوژل‌ها ذراتی با ابعاد کمتر از میکرومتر هستند که در حضور آب متورم می‌شوند. در حقیقت این ذرات از یک شبکه سه بعدی از زنجیره‌های پلیمری آبدوستی که توسط پیوندهای پایدار کوالانسی متصل شده، تشکیل شده است. همچنین از آنجائیکه اندازه و شکل این مواد مشابه تک ماکرومولکول های خطی با ساختار مارپیچی می‌باشد، می‌توان آنها را در زمره زنجیره‌های پلیمری که به صورت درونی اتصال عرضی پیدا کرده‌اند در نظر گرفت. این ترکیب خاص از لحاظ ساختار و اندازه،‌ این مواد را تبدیل به مبحث مورد علاقه محققان نموده است [4]. بیشتر مخازن موجود در ایران بصورت کربناته بوده و پس از عملیات سیلاب زنی و تزریق گاز، بسیاری از نفت موجود در آنها در شکاف‌ها باقی می‌ماند. میزان اشباع زیاد نفت در این شکاف‌ها به دلیل کم بودن ضریب جاروب در مخازن شکافدار است. عامل مهم دیگر در اشباع بالای نفت در مخازن شکافدار، این است که بدلیل فشار موئینگی آن، نفت درون حفرات نفت دوست باقی می‌ماند. دلیل اصلی استفاده از سیلاب زنی پلیمری در بهره‌برداری از چاه، کاهش روانروی آب تزریق شده به مخزن و از آنجا افزایش احتمال جاروب مخزن توسط آب می‌باشد. زیرا آبی که سرعت حرکت بیشتری دارد با سرعت بیشتری وارد نواحی با تراوائی بالا می‌شود و تاثیر کمتری در افزایش نسبت آب/نفت دارد. ولی در عین حال استفاده از پلیمرها دارای معایب خاص خود نیز می‌باشد که می‌توان با افزودن ژل و در حقیقت استفاده از ژل پلیمرها تا حدودی این معایب را برطرف نمود. علاوه برآن استفاده از ژل پلیمرها نیز معایبی مانند تخریب ژل در اثر صدمات حرارتی، مکانیکی، میکروبی، تنش و غیره بهمراه دارد. در نهایت به منظور غلبه بر محدودیت‌های موجود در استفاده از ژل پلیمرهای موجود، نانوژل‌های جدیدی بر پایه پلی اکریل آمید- خاک رس (MMT) توسعه پیدا کردند و خواص آنها بصورت آزمایشگاهی تست شده و جهت استفاده در سیلاب زنی پلیمری مورد استفاده قرار گرفتند. اینگونه نانوژل‌ها در مقایسه با ژل پلیمرهای معمولی نتایج مناسبی در تست های حرارتی، مقاومتی و مکانیکی از خود نشان دادند. این نانوژل‌ها می توانند از محلول آبی با غلظت کم تا یک جامد الاستیک طبقه‌بندی شوند و یا بعنوان عامل مسدود کننده شکاف‌ها و یا انواع منحرف کننده‌ها مورد استفاده قرار گیرند [5].

2-3- استفاده از نانوذرات
کنترل جریان سیال، یکی از مهمترین فاکتورها در استخراج سیالات هیدروکربنی می باشد. در این حالت جبهه جلوئی سیال تزریق شده باید تا حد امکان یکنواخت حرکت کند تا بتواند بصورت مناسب به درون سازند نفوذ کند. محققان به منظور بهبود این پروسه موفق به تولید عوامل سطحی و غیر نفوذ کننده بر پایه نانوذرات شده‌اند که می‌توانند میزان جریان را در عملیات استخراج و تولید بهبود دهند. در این حالت به نانوذراتی نیاز است که:
1) به هیچ وجه به بدنه ماتریس سازند نچسبد.
2) در غلظت‌های بسیار پائین نیز قابل شناسائی باشد.
3) بتوانند سبب تغییر شکل سیال درون حفره شود.
4) بتواند سبب تغییر کشش سطحی بین هیدروکربن و آب شور و یا مابین سیال و سطح سنگ مخزن گردد [6].
همچنین محققان دانشگاه MIT به تازگی کشف کرده‌اند که افزودن نانوذرات مغناطیسی که آب را دفع می‌کنند می‌توانند در صورت مخلوط شدن با نفت، و در نهایت با استفاده از یک آهنربای قوی، سبب جداسازی آسان مخلوط نفت و آب شوند و این امر در پروسه تولید و بهره‌برداری از مخازن نفتی نقش بسیار مهمی را ایفا می‌کند. این پروسه باید خارج از مخازن بازیافت نفت صورت گیرد تا از آلودگی محیط توسط نانوذرات جلوگیری شود. مطابق تحقیقات دکتر Zhan، این پروسه که در آن از ferrofluid ها استفاده می‌شود- سیالاتی که دارای نانوذرات مغناطیسی هستند- نتایج بسیار مثبتی نشان داده است. در این پروسه مخلوط آب و سیال را از درون کانال عبور داده و در خارج از کانال نیز از یک آهنربای مناسب جهت هدایت به درون مکان مورد نظر قرار می‌دهند تا عملیات جداسازی به شکل بسیار مناسبی انجام گیرد. از جمله کاربردهای مهم دیگر نانوذرات می‌توان به استفاده از نانو مواد جهت تسهیل جدایش نفت و گاز در داخل مخزن و استفاده از نانوردیاب‌ها در داخل سنگ مخزن اشاره نمود. این نانو ذرات هنگامی که با سنگ‌های حاوی نفت خام تماس پیدا می‌کنند، محموله‌های خود را رها کرده و باعث رهایش نفت خام می‌شوند [7].

2-4- استفاده از نانوسورفکتانت‌ها
مواد فعال سطحی یا همان سورفکتانت در سال 1950 از واژه surface active agent به معنای فعال کننده سطحی استخراج شده و به موادی اطلاق می‌شود که سبب کاهش کشش سطحی می‌شوند. این مواد را میتوان بر اساس ساختار و روش تولید به انواع سورفکتانت‌های زیستی (بیوسورفکتانت)، سورفکتانت با ابعاد نانو (نانوسورفکتانت) و سورفکتانت‌های پلیمری تقسیم‌بندی نمود. در حالت کلی سورفکتانت‌ها را اینگونه تعریف می‌کنند که مواد فعال سطحی و دارای یک سر آبدوست ویک دم آبگریز می‌باشند. این مواد با توجه به خصوصیت آبدوستی یا آبگریزی سایر مواد، از جهت مناسب خود به آنها متصل شده و از سر دیگر آزاد باقی می‌مانند و سبب تغییر خواص سطحی آنها می‌گردند [8]. در حقیقت زمانی که این مواد در حلال حل می‌شوند، ساختارهائی با ابعاد نانو تا میکرومتری پدید می‌آورند. این مواد اغلب از یک سر (head) آبدوست و یک دم (tail) آبگریز تشکیل شده‌اند و بر اساس خاصیت سر خود به دسته‌های: غیر یونی (nonionic) یا بدون بار، آنیونی (anionic) یا دارای بار منفی، کاتیونی (cationic) یا دارای بار مثبت و آمفوتریک (amphoteric) که هم بار مثبت و هم بار منفی دارد، تقسیم بندی می‌شوند [9]. در غلظت‌های نسبتا بالا، مولکول‌های سورفکتانت در حالت توده‌ای یا بالک تجمع می‌کنند تا به کمترین میزان نسبت حجم به سطح رسیده و از لحاظ ترمودینامیکی پایدارتر شوند. در این حالت کره‌هائی به شکل گلبول تشکیل می‌شوند که مایسل نام دارند. در مایسل‌ها، سرهای آبدوست سورفکتانت‌ها به سمت سطح کره و سرهای آبگریز یا نفت دوست به سمت مرکز کره جهت گیری شده‌اند.

شکل 2 - انواع سورفکتانت بر اساس نوع دم [9]

بنابر این سطح مایسل تشکیل شده آبدوست، و درون آن آبگریز می‌باشد. در حالت عادی ابعاد و جهت‌گیری اغلب سورفکتانت ها به گونه‌ای است که مایسل‌هائی با ابعاد نزدیک به 10-2 نانومتر ایجاد می‌کنند. معمولا این پدیده در سورفکتانت‌های غیر یونی رخ می‌دهد. همچنین زمانیکه از سورفکتانت‌های آنیونی استفاده شود، سطح مایسل تشکیل شده دارای بار منفی و زمانیکه از سورفکتانت‌های کاتیونی استفاده گردد، سطح مایسل تولیدی دارای بار مثبت می‌باشد. در محلول‌هائی که دارای آلودگی باردار خاصی بوده و یا نیاز است در آنها جداسازی صورت پذیرد از مایسل‌های با بار متضاد استفاده می‌شود. بنابراین سورفکتانت‌های کاتیونی برای جداسازی آلودگی‌های آنیونی، و سورفکتانت‌های آنیونی برای جداسازی آلودگی‌های کاتیونی بکار می‌روند. در خصوص آلودگی‌های غیر یونی نیز این مواد می‌توانند درون هسته آبگریز مایسل حل شوند. مایسل‌های با ابعاد بزرگتر نیز به اصطلاح نانوکلوئید نامیده می‌شوند [10]. هدف اولیه از استفاده از سورفکتانت‌ها در عملیات استخراج و تولید از مخازن،‌ کاهش کشش سطح و بهبود عملیات جداسازی سیال، تصحیح ترشوندگی سنگ مخزن و تبدیل آن از حالت نفت دوست به آبدوست که خود سبب تسهیل فرآیند جداسازی سیال هیدروکربوری از سازند می‌گردد، و نیزکاهش ویسکوزیته نفت می‌باشد. در عین حال این امر سبب متورم شدن و افزایش قطر و فضای بین لایه‌ها با استفاده از عرض زنجیره‌های طویل سورفکتانت می‌شود که به نوبه خود مسیر‌های فیلتراسون سیال را مسدود می‌کند. همچنین سورفکتانت‌های با ابعاد بزرگ به دلیل ساختار نامناسب در فواصل ابتدائی سازند جذب شده و یا تاثیر معکوسی بر ترشوندگی دارند. بنابراین برخی خصوصیات این مواد سبب کاهش تاثیر آنها در پائین آوردن فشار موئینگی می گردد. در حالیکه هدف، کاهش فشار موئینگی و افزایش تراوائی سازند در ازدیاد برداشت می‌باشد. امروزه استفاده از نانوسورفکتانت‌ها به دلیل اندازه کوچکتر و سطح فعال بیشتر سبب بهبود فرآیند استفاده از این مواد گردیده است. زمانیکه ابعاد این مواد در محدوده نانومتری قرار می‌گیرد، توانائی آنها برای نفوذ به درون حفرات سازند و نیز سطح فعال آنها افزایش چشمگیری می‌یابد. این مواد بصورت گسترده‌ای بر روی کشش سطحی سیال مخزن اثر گذاشته و میزان گرانروی آن را کاهش می‌دهند. در این حالت سیالی که گرانروی آن در داخل مخزن و چاه کاهش یافته باشد، سبکتر شده و بهتر در مسیر خروج از چاه جریان یافته و از سایر مواد موجود در چاه جدا می‌گردد. مطالعات نشان می‌دهند که سورفکتانت‌ها بر روی نانوکمپلکس‌ها و ترکیبات پیچیده موجود در چاه تاثیر گذاشته و ساختار مخزن را تغییر می‌دهند. در این حالت توانائی نفوذ سورفکتانت در بین لایه‌های سازند امری بسیار مهم می‌باشد [11].

بحث و نتیجه‌گیری:
در این مقاله مروری بر کاربردها و نقش فناوری نانو در زمینه استخراج و تولید مخازن هیدروکربوری انجام گرفته است. در ابتدا به اختصار روش‌ها مرسوم جداسازی مورد بررسی قرار گرفت و در هر زمینه نیز جنبه‌های بهبود هر روش توسط فناوری نانو شرح داده شد. این امر بدان معنی است که مشکلات موجود در صنایع، به ویژه صنعت نفت را با استفاده از نانو فناوری که نگرشی نوین در چینش و ساختار ماده بوده و سبب بهبود خواص آن می‌گردد، می توان تا حدود زیادی مرتفع نمود. همانگونه که با اشاره به منابع معتبر در متن ذکر شد، نتایج آزمایش‌های انجام شده توسط محققان نشان می‌دهد که می‌توان با استفاده از نانوذرات، نانوسورفکتانت‌ها، نانوغشاءها و نانوژل‌ها میزان بازده فرآیند جداسازی در مخازن را تا حد زیادی بهبود بخشید.