برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۳/۲۶ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۱

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱۸,۶۱۷
  • بازدید این ماه ۵۹
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۲۵
  • قبول شدگان ۱۵۵
  • شرکت کنندگان یکتا ۹۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۴
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

کاربرد نانوفناوری در حفظ محیط زیست در فعالیت های صنایع بالا دستی نفت و گاز

تلاش برای استخراج و تولید بهترین جریان هیدروکربنی از مخازن زیرزمینی همواره با آلودگی های محیطی ناخواسته همراه بوده و این امر صنعتگران را ترغیب می کند تا به مطالعه و تحقیق در مورد تکنولوژی های دوست دار محیط زیست بپردازند. با توجه به طبیعت علم نانوفناوری که در آن مواد با ساختار بهتر و در مقادیر بهینه مورد استفاده قرار می گیرند، این فناوری می تواند به کاهش آلودگی های ناشی از انجام عملیات در صنایع نفت و گاز کمک شایانی نماید. برای مثال محصولات نانوفناوری زیست محیط (E-nano) را می توان به گونه وسیعی در فرآیندهای بازسازی و حفظ محیط زیست مورد استفاده قرار داد. این مقاله به بررسی کاربرد نانوفناوری در حفظ محیط زیست در فعالیت های صنایع بالا دستی نفت و گاز با استفاده از نانوموادی از جمله نانوسیلیکا، گرافن، نانوذرات اکسید روی و افزایه های پلیمری نانومتری می پردازد و کاربردهای مواد مختلف نانوساختار را در این حوزه مورد بررسی قرار می دهد.

1- مقدمه
به دلیل افزایش فعالیت های جهانی در حیطه صنایع بالادستی نفت و گاز،‌ تولید انرژی در آینده همراه با افزایش ضایعات بیشتری خواهد بود. در این زمینه ایده آل ترین حالتی که محققان برای رسیدن به آن تلاش می کنند،‌ کاهش میزان ضایعات و پسماندها به میزان صفر است. در این میان عملیات حفاری یکی از مهمترین بخش های عملیات استخراج و تولید است که سبب ایحاد ضایعات فراوان می گردد. برای مثال قطعات داخل چاه که همراه با گل حفاری به سطح زمین حمل می شوند بخصوص زمانیکه آلوده به نفت باشند،‌ برای محیط زیست بسیار خطرناک می باشند. در اولین دوره های حیات صنعت نفت، ‌اهمیت کمی به مقوله مدیریت ضایعات حفاری داده می شد ولی با افزایش تقاضای جهانی انرژی و روند رو به رشد حفاری های پیشرفته،‌ مسئله حفاظت از محیط زیست بیشتر مورد توجه قرار گرفت. بنابراین امروزه دانستن چگونگی تولید ضایعات حفاری و مدیریت آنها به بهترین روش که کمترین اثرات سوء زیست محیطی را بهمرا داشته باشد بسیار حائز اهمیت است [1]. برای مثال یکی از مهمترین مواردی که در حفاری های دریائی و عملیات تولید و استخراج باید مد نظر قرار گیرد، ‌حفظ اکوسیستم و تنوع زیستی موجود درخاک و نیز آبها و اقیانوس هاست که همواره در حین عملیات تولید و برداشت در معرض خطر قرار می گیرد. زیرا مسلما تخلیه و یا نشت ضایعات ناشی از عملیات حفاری و بهره برداری در آبهای آزاد و دریاها اثرات سوء محیط زیستی را در بر خواهد داشت که باید به حداقل برسند [2]. در این راستا محصولات نانوفناوری زیست محیطی (E-nano یا Environmental Nanotechnology) را می توان به گونه وسیعی در فرآیندهای بازسازی و حفظ محیط زیست استفاده نمود [3]. برای مثال از آنجائیکه نانوفناوری علمی است که به کاهش مصرف مواد (کاهش ضایعات) و همچنین اصلاح ساختار و بهبود فرآیند ها کمک شایانی می نماید،‌ محققان به این نتیجه رسیده اند که استفاده از نانومواد در ساختار سیالات حفاری می تواند آنها را تبدیل به موادی با مضرات بسیار پایین زیست محیطی گرداند. در این حالت غلظت نانوذرات در سیال بسیار پائین بوده (معمولا کمتر از 1%) و شرایط حفاری را در محیط های نامناسب بسیار بهبود می بخشد [4]. در این راستا این مقاله به بررسی توانائی های نانوفناوری در حفظ محیط زیست در صنایع بالادستی نفت و گاز پرداخته و چگونگی تاثیر نانوساختارها در تبدیل عملیات بالادستی بخصوص حفاری به نوعی فرآیند دوستدار محیط زیست مورد بحث قرار خواهد گرفت.

2- کاربرد نانوفناوری به منظور حفظ محیط زیست در فعالیت های صنایع بالا دستی نفت و گاز
2-1- بهبود سیمان حفاری
2-1-1- نانوسیلیکا
سیمانکاری چاه های عمیق نیاز به موادی دارد که متفاوت از مواد بکار رفته در عملیات معمولی است. بنابراین نانوذرات،‌ بخصوص نانوسیلیکا،‌ نانواکسید آهن و نانوآلومینا جهت افزایش استحکام ومقاومت سیمان بکار می روند. در این خصوص نانوسیلیکا ماده ای است که هم در سیمانکاری چاه و هم در عملیات ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرد. نانوسیلیکا از ذرات بسیار ریز که در حدود 1000 بار کوچکتر از ذرات معمولی سیمان می باشد تشکیل شده و قابلیت های آن بعنوان افزایه مناسب جهت بالا بردن استحکام، پایداری و کاهش تراوائی سیمان اثبات شده است. استفاده از نانوسیلیکا در ساختار سیمان سبب کاهش نفوذپذیری (permeability) آن و در نتیجه کاهش آلودگی های زیست محیطی می شود [5].
2-2- بهبود سیال حفاری
امروزه در صنعت حفاری سعی می شود از سیالاتی استفاده شود که کمترین اثرات سوء زیست محیطی را داشته باشند. برای مثال محققان به این نتیجه رسیده اند که حفاری سازندهای ماسه سنگی با استفاده از سیالات پایه آبی دارای فوائد زیست محیطی و اقتصادی فراوان می باشد و در این حالت سیالات حاصل به گونه ای فرموله می شوند که دارای کمترین میزان هزینه باشند. در این راستا Sharma و همکارانش به بررسی استفاده از نوعی سیال حفاری جدید پایه آبی حاوی نانوذرات پرداخته و همچنین نشان دادند که با استفاده از این نوع نانوسیالات، ‌میزان تهاجم آب به درون سازند در کمترین مقدار قرار داشته و مشکلات دهانه چاه به کمترین مقدار خواهد رسید [6]. همچنین بررسی ها نشان می دهد که سیالات پایه آبی با عملکرد بالا (HPWBF) دارای مزایائی از جمله کاهش اثرات سوء محیط زیستی،‌ هزینه های پائین تر و هرزروی کمتر می باشند. برای مثال محققان از HPWBF های دارای پلی اکریل آمید های هیدرولیز شده و افزایه های پلی آمید در عملیات حفاری چندین چاه در خلیج فارس استفاده نموده و به این نتیجه رسیدند که دارای اثرات زیست محیطی مطلوبی می باشد. همچنین نانوموادی مانند نانوگرافن و سایر مواد نانوساختار نیز بعنوان افزایه های سیال حفاری وجود دارند که می توانند سیالات حفاری را به دو دسته: نانوسیالات ساده و نانوسیالات پیشرفته دسته بندی نمایند. استفاده از این نانوذرات میزان مواد شیمیائی و جامدات موجود در سیال حفاری را به میزان چشمگیری کاهش داده و در نتیجه سبب کاهش هزینه کلی و اثرات سوء محیط زیستی عملیات می گردد [7]. در ادامه به برخی از پرکاربردترین نانومواد بکار رفته در ساختار سیال حفاری اشاره می شود.

2-2-1- گرافن
سیالات حفاری که اغلب از آنها به گل حفاری یاد می شود سیستم های پیچیده شیمیائی هستند که که در عملیات حفاری چاه های نفتی و گازی حیاتی می باشند. این سیالات وظیفه خنک سازی و روانسازی حرکت مته، ‌انتقال برش ها و قطعات داخل چاه به سطح زمین، مقاوم سازی دیواره چاه، محافظت از سازند تولیدی، ایجاد یک لایه نازک و کم تراوا که از سازندهای تولیدی تراوا محافظت می کند و غیره را بعهده دارند. هجوم سیال به خلل و فرج سازند، سبب آسیب رساندن به مخزن و کاهش تولید از طریق مسدود کردن مسیر هیدروکربن ها می شود. لذا نیاز است تا از افزایه ها و موادی در ساختار سیال حفاری استفاده گردد که تا حد ممکن از هرزروی آن که سبب آلودگی محیط زیست و نیز وارد نمودن آسیب به سازند میشود جلوگیری گردد. این افزایه ها از طریق تشکیل فیلتر کیک در اطراف دیواره چاه سبب جلوگیری از هرزروی سیال حفاری می شوند. امروزه،‌گرافن‌ بعنوان یک تک لایه از گرافیت به دلیل خواص مناسبی که دارد مورد توجه محققان قرار گرفته است. یکی از مهمترین خصوصیات این تک لایه داشتن سطح ویژه ای در حدود 2965 مترمکعب بر گرم است که می تواند به عنوان غشایی که حتی در برابر گاز هلیوم ناتراوا است عمل کند. به همین دلیل می تواند بعنوان فلیتر عمل کند. اما از آنجائیکه توزیع قطعات بزرگ این ماده در محیط های آبی مشکلاتی را در گل حفاری پایه آبی ایجاد می کند،‌ محققان پیشنهاد می کنند که از اکسید گرافن در این زمینه استفاده گردد. زیرا این ماده در محیط های آبی پایدارتر است و مورفولوژی صفحه ای خود را که سبب تشکیل فیلتر کیک مطلوب می شود حفظ می کند. یکی از خواص جالب این ماده این است که می تواند از محلول جدا شده و نوعی ماده کاغذی شکل قوی تولید نماید. این امر در تولید یک لایه ناتراوا به منظور جلوگیری از هرزروی سیال به داخل دیواره چاه بسیار موثر است. از آنجائیکه این ذرات ساختار ورقه ورقه ای مناسب و ضخامت نانومتری دارند (نانومواد دو بعدی) می توانند در مقایسه با افزایه های دیگر،‌ مانند خاک رس،‌ فیلتر کیک های نازک تر و با کارآئی بالاتری ایجاد نمایند. این نکته از این بابت نیز حائز اهمیت است که ضخامت فیلتر کیک تشکیل شده بصورت مستقیم و به شدت با گشتاور دیفرانسیلی مورد نیاز جهت چرخاندن لوله ها در حین عملیات حفاری،‌ با زمان حفاری و با هزینه حفاری همبستگی دارد. همچنین از مزایای مهم دیگر این ماده می توان به این نکته اشاره نمود که خطرات زیست محیطی بسیار پائینی دارد و فناوری آن ‌ارزان است. در شکل 1 عملکرد گرافن در حین عملیات حفاری (الف) و در حین عملیات برداشت (ب) نشان داده شده است. در حین حفاری زمانیکه فشار بالا باشد صفحات گرافن یک فیلمی را تشکیل می دهند تا از نفوذ سیال حفاری به درون سازند جلوگیری نمایند. همچنین زمانی که در حین پروسه بازیافت فشار کاهش می یابد ‌نفت و گاز موجود در سازند صفحات گرافنی را از روی دیواره چاه پس می زنند [8].

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e

شکل 1- سیال حفاری دارای صفحات گرافن در حین عملیات حفاری (الف) و در حین عملیات برداشت (ب) [8]



2-2-2- نانوذرات اکسید روی
هیدروژن سولفید گازی بسیار خطرناک،‌ سمی و خورنده است که می تواند در حین عملیات حفاری از درون سازند به داخل سیال حفاری نفوذ کرده و باعث آلودگی محیط زیست گردد. به منظور حفاظت از محیط زیست،‌ ایمنی کارکنان و نیز جلوگیری از خوردگی خط لوله و تجهیزات نیاز است تا این ماده از سیال حفاری جدا گردد. در گذشته جاذب های متنوعی جهت زدودن این گاز از سیال حفاری استفاده شده است که متداول ترین آنها ترکیبات فلز روی مانند اکسید روی و کربنات روی می باشند. اکسید روی مورد استفاده در این عملیات نیز بعنوان پسماند جامد، بی خطر می باشد. در این راستا Sayyadnejad و همکارانش به بررسی پاکسازی سیال حفاری از هیدروژن سولفید با استفاده از نانوذرات اکسید روی پرداخته اند. از آنجائیکه نانوذرات سطح ویژه بالائی دارند بسیار واکنش پذیر می باشند. آنها توانستند نشان دهند که استفاده از نانوذرات اکسید روی با ابعادی در حدود 25-14 نانومتر و سطح ویژه 56-44 متر مکعب بر گرم که توسط روش پیرولیز پاششی (spray pyrolysis) تهیه شده اند در جداسازی هیدروژن سولفید از سیال حفاری پایه آبی می تواند بسیار موثر باشد. همچنین کارآئی این نانوذرات با ذرات بالک اکسید روی نیز مقایسه گردید و نتایج حاصل بیانگر آن است که در شرایط عملیاتی یکسان، نانوذرات اکسید روی بکار برده شده قابلیت جداسازی کامل هیدروژن سولفید را در مدت 15 دقیقه از سیال حفاری پایه آبی دارا هستند،‌ در حالیکه ذرات بالک در مدت 90 دقیقه تنها قادر به جداسازی 2.5% از آلودگی هیدروژن سولفید هستند [9]. تصویر میکروسکوپ الکترون عبوری (TEM) نانوذرات اکسید روی بکار رفته در این تحقیق در شکل 2 نشان داده شده است.



filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
شکل 2- تصویر میکروسکوپ الکترون عبوری (TEM) از نانوذرات اکسید روی [9]



2-2-3- افزایه های پلیمری نانومتری
پسماند سیال حفاری، جزء اجتناب ناپذیر عملیات حفاری و اکتشافی نفت و گاز است که به نوبه خود یکی از مهمترین منابع آلودگی محیط زیستی به شمار می رود. روش های زیادی برای از بین بردن این نوع سیالات وجود دارد که در میان آنها جداسازی جامد-مایع یکی از پرکاربردترین فرآیندهاست. ولی در حفاری چاه های عمیق ترکیبات سیال حفاری پیچیده تر، ‌دانسیته آن بیشتر و پاکسازی نیز سنگین تر می شود. در این راستا Wang و همکارانش به بررسی استفاده از منعقد کننده پلی اکریل آمیدهای نانوبهبودیافته (nano-modified polyacrylamide flocculant) جهت جداسازی فازهای جامد-مایع در پسماند سیال حفاری با دانسیته زیاد پرداختند. طبق نتایج بدست آمده زمانیکه منعقدکننده پلی اکریل آمیدهای نانوبهبود یافته در شرایط بهینه جهت تصفیه پسماند گل حفاری با دانسیته بالا بکار برده شد،‌ میزان آب موجود در فیلتر کیک تشکیل شده، 24.32 درصد بود که نسبت به سایر منعقده های موجود در بازار بطور قابل توجهی بهتر است [10]. همچنین همانگونه که Manea گزارش نموده است استفاده از افزایه های پلیمری نانومتری در ساختار سیالات حفاری پایه آبی می تواند در اقتصادی کردن فرآیند حفاری و تبدیل آن به یک فرآیند دوستدار محیط زیست موثر باشد. در این تحقیق به بررسی رفتار سیال حفاری از طریق آنالیز تاثیر اندازه ذرات افزایه های موجود در آن در شرایط استاندارد پرداخته شده است. نتایج این بررسی نشان می دهد زمانیکه ابعاد ذرات پلیمری کوچکتر شده و به محدوده نانومتری می رسد،‌ سطح ویژه کل بسیار زیاد شده و از آنجا سطح برهمکنش بین ذرات زیاد شده قدرت تورم پلیمر بالا می رود. در حقیقت نانوپلیمر جدید ایجاد شده توانائی کنترل هرزروی سیال حفاری را داشته و می تواند به عنوان افزایه کاهش دهنده هرزروی گل حفاری در ساختار سیال بکار رود [11].


بحث و نتیجه گیری:
در این مقاله مروری بر کاربردها و نقش نانوفناوری در زمینه حفظ محیط زیست در فعالیت های صنایع بالا دستی نفت و گاز انجام شده است. همانگونه که در متن و با اشاره به منابع معتبر ذکر شد،‌ حفاظت از محیط زیست، اصلی ترین فاکتوری است که در هر صنعتی از جمله صنایع نفت و گاز لازم است مد نظر قرار گیرد و امروزه با پیشرفت علم محققان و صنعتگران بیش از پیش به اهمیت این امر واقف شده اند. همچنین محققان نشان داده اند که با استفاده از نانوفناوری که رویکردی در جهت اصلاح ساختار مواد بصورت بهینه و کاهش ضایعات می باشد،‌ می توان فرآیندهای موجود در صنایع بالادستی نفت و گاز بخصوص عملیات حفاری را تا حدود زیادی به فرآیندهای دوستدار محیط زیست تبدیل نمود. در این راستا استفاده از نانومواد، بخصوص نانوذرات نانوسیلیکا در ساختار سیمان و نیز نانوگرافن، نانوذرات اکسید روی و افزایه های پلیمری نانومتری در ساختار سیال حفاری سبب کاهش آلودگی های محیطی و اتلاف و هرزروی مواد به درون سازند شده و اثرات سوء زیست محیطی را کاهش می دهد.



منابـــع و مراجــــع

1. http://www.intechopen.com/books/sustainable-development-authoritative-and-leading-edge-content-for-environmental-management/overview-of-environmental-management-by-drill-cutting-re-injection-through-hydraulic-fracturing-in-u

2. http://bookings.rscspecialitychemicals.org.uk/downloads/Abstracts-final.pdf

3. Bhawana, P., Fulekar, M.H. “Nanotechnology: Remediation Technologies to clean up the Environmental pollutants”. Res.J.Chem.Sci, Vol. 2, pp. 90-96, (2012).

4. Amanullah, M., Al-Arfaj, M., Al-Abdullatif, Z. “Primary Test Results of Nano-based Drilling Fluids for Oil and Gas Field Application”. SPE/IADC 139534, (2011).

5. Ershadi, V., Ebadi, T., Rabani, A.R, Ershadi, L. “Reduction of set cement permeability in oil well to decrease the pollution of receptive environment using spherical nanosilica”. 2011 2nd International Conference on Environmental Science and Technology, IPCBEE , Vol.6 (2011), Singapore.

6. Sharma, M., Zhang, R., Chenevert, M.E., Ji, L., Guo, Q., Friedheim, J. “A New Family of Nanoparticle Based Drilling Fluids”. SPE 160045, (2012).

7. Apaleke, A.S., Al-Majed, A., Hossain, M.E.” Drilling Fluid: State of The Art and Future Trend”. SPE 149555, (2012).

8. Kosynkin,D.V., Ceriotti, G., Wilson, K.C., Lomeda, J.R., Scorsone,J.T., Patel,A.D., Friedheim, J.E., Tour, J.M. “Graphene Oxide as a High-Performance Fluid-Loss-Control Additive in Water-Based Drilling Fluids”. ACS Appl. Mater. Interfaces, V4(1),(2012).

9. Sayyadnejad, M.A., Ghaffarian, H.R., Saeidi, M. “Removal of hydrogen sulfide by zinc oxide nanoparticles in drilling fluid”. Int. J. Environ. Sci. Tech, Vol. 5, pp. 565-569, (2008).

10. Wang, F., Fan, J., Zhu, H., Han, K., Zou, J., Sun, H. “Preparation of Nano-Modified Polyacrylamide and Its Application on Solid-Liquid Separation in Waste Drilling Mud”. Advances in Chemical Engineering and Science, Vol.1, pp. 33-36, (2011).

11. Manea, M. “Designing of Drilling Fluids Using Nano Scale Polymer Additives “.Rev. Roum. Chim., Vol. 57, pp.197-202, (2011).