فراپلیمر شریف

این مقاله به جهت بزرگ‌داشت سال‌روز ملی شدن صنعت نفت ایران به کاربرد پلیمرها در این صنعت پرداخته است.

 یکی از رسالت‌های پژوهش‌گران فعال در زمینه پلیمر در این مرکز، بومی‌سازی مواد و فناوری‌های پلیمری مورد استفاده در صنعت نفت کشور است. در دو دهه اخیر که اقبال بیش‌تری به نتایج فعالیت‌های تحقیقاتی در کشور وجود داشته است، مراحل دست‌یابی به دانش فنی تولید و ساخت، افزایش مقیاس و خودکفایی در طیف قابل توجهی از مواد و ادوات وارداتی پایه پلیمری که در صنعت نفت کاربرد داشته اند، حاصل شده است.

امروزه پلیمرها در فازهای مختلف صنعت نفت از حفاری گرفته تا تصفیه نفت و گاز، در سطح جهانی مورد استفاده قرار می‌گیرند. کاربرد پلیمرها در صنایع بالادستی نفت و گاز در حوزه‌های زیر قابل دسته‌بندی است.

قطعات پلیمری: درزگیرها و آب‌بندی‌های قطعات مختلف حفاری، استخراج و انتقال نفت و گاز، میل‌گردها، پروفیل‌های کامپوزیتی و بتن‌های پلیمری مورد استفاده در ساخت تأسیسات نفتی از جمله سکوها و اسکله‌های نفتی، دکل‌های حفاری، سازه‌های مشبک و…

پوشش‌های پلیمری: پوشش‌دهی و تعمیرات سطوح داخلی و خارجی خطوط لوله و مخازن

لوله‌های پلیمری: انتقال سیالات نفتی

غشاهای پلیمری: تصفیه پساب‌های صنعتی، شیرین‌سازی گازهای ترش، راکتورهای غشایی

افزایه‌های پلیمری: پلیمرهای مختلف مورد استفاده در بهبود عمل‌کرد سیال و سیمان حفاری و عملیات اسیدکاری و سیلاب‌زنی، پلیمرهای کاهنده نیروی درگ، پلیمرهای بازدارنده رسوب و هیدرات

جاذب‌های پلیمری: رسوب‌گیرها و جاذب‌های نم‌زدا از گاز طبیعی، جاذب‌های فلز و آسفالتین از نفت خام، جاذب‌های لکه‌های نفتی، ژل‌های پلیمری مورد استفاده در کنترل تولید آب همراه مخازن.

استفاده از پلیمرها در صنعت نفت و گاز ابتدا با هدف بهبود عمل‌کرد فرآیندهای موجود و کاهش هزینه‌های مربوطه آغاز شد و امروزه تا مرحله جای‌گزینی قطعات و فناوری‌های پایه پلیمری در برخی حوزه‌های توسعه یافته است.

با توجه به قدمت نه چندان طولانی علوم و فناوری پلیمر در مقایسه با علوم پایه و براساس این روند رو به رشد آن، می‌توان دید که پلیمرها با تسهیل فرآیندهای نفت و گاز و کاهش هزینه‌های تولید نقش قابل توجهی در صنعت نفت داشته‌اند. جایگاه کنونی این پلیمرها در سبد تولید شرکت‌های عظیم تولید‌کننده‌های مواد شیمیایی ویژه برای صنایع نفت و گاز، اهمیت آن‌ها را آشکار می‌نماید.

با گسترش روزافزون و نیاز به انرژي، عملیات ازدیاد برداشت روي مخازن هیدروکربوري روشی است که با استفاده از موارد خارج از میدان نفتی انجام می‌شود و نفت خامی که استخراج آن از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نیست انسان را به این امر وا داشته است. ازدیاد برداشت شامل روش‌هاي گرمایی (بخارروبی، تحریک دوره‌اي با بخار آب، احتراق درجا)، روش‌هاي آب روبی، روش‌هاي شیمیایی (سورفکتنت‌ها، بازها و پلیمرهاي مسیلی، رانش با پلیمرها)، روش‌هاي امتزاجی و سایر روش‌ها صورت می‌گیرد. محلول‌هاي پلیمري در آب و تزریق متناوب آن‌ها باعث افزایش ویسکوزیته نفت خام نمی‌شوند، بلکه مشکل انگشتی شدن گران‌روي در صنعت نفت را رفع می‌کنند. به عنوان نمونه‌اي از این پلیمرها می‌توان به پلیمر پلی‌وینیل‌الکل (C₂H₄O) اشاره کرد که یک پلیمر پلی‌هیدروکسی است و از طریق افزودن آلکیل به محلول شفاف الکلی پلی‌وینیل استات به وجود آمد است و به صورت تجاري از هیدرولیز پلی وینیل استات به وجود می آید. پلی وینیل استات باعث افزایش گران‌روي نفت سنگین در مخزن نمی‌شود و حتی در مواردي آن را کاهش می‌دهد. افزودن این محلول پلیمري با غلظت‌هاي مختلف باعث کاهش ویسکوزیته می‌شود و با افزایش درصد وزنی پلیمر در محلول تأثیر مثبتی در کاهش ویسکوزیته دارد.

کاربرد پلیمرها در تهیه آسفالت پلیمری

امروزه با توجه به گسترش پروژه‌های عمرانی و صنایع مختلف از جمله راه و ساختمان، قیرهاي پلیمري کاربرد ویژه‌ای در به سرانجام رسیدن این پروژه‌ها دارند. نقش این پلیمرها در اصلاح و کیفیت نهایی قیرهاست. اصلاح خواص قیر باعث بهبود کیفیت آن و بالارفتن طول عمر کیفیت مخلوط آسفالتی می‌شود. اصلاح خواص ذکر شده به دو صورت فیزیکی و شیمیایی صورت می‌گیرد، اما انجام واکنش‌هاي شیمیایی بر روي قیر منجر به تولید واکنش‌هایی پیش‌بینی نشده و ناخواسته می‌شود که در رسیدن به استاندارد مادة مورد نظر و خواص مطلوب مشکل ایجاد می‌کند. در مقابل روش‌هاي شیمیایی، روش‌های فیزیکی زیادی وجود دارند که می‌توانند خواص قیر از جمله چسبندگی آن را افزایش دهند. در ادامه به انواع متدوال این پلیمرها اشاره می‌شود.

پلیمر استایرن-بوتادین-استایرن (SBS): این پلیمر که داراي خصوصیات لاستیکی و ترموپلاستیکی است، قادر به ارائۀ خاصیت چسبندگی، مقاومت و ارتجاعی نسبت به قیر است و به افزایش دوام روسازي کمک می‌کند و ویسکوزیته آن در دماي اختلاط به ویسکوزیته قیر نزدیک است. این پلیمر نیاز به سرماي اولیه بالایی دارد، ولی این افزایش هزینه طول عمر بالاي آسفالت را به همراه دارد و در به‌سازي دوباره از جمله لکه‌گیري و نیروي انسانی به صرفه است.

آلیاژ PS و SBR: افزایش آلیاژ پلی‌استایرن و کوپلیمر بوتادین-استایرن منجر به بهبود چسبندگی قیر در دماهاي پایین و بالا می‌شود؛ به طور مثال افزایش درصد وزنی پلی استایرن تا 30% افزایش نقطۀ نرمی و کاهش درجۀ نفوذ را به همراه دارد.

کاربرد پلیمرها براي بهبود خواص بتن پلیمری

استفاده از بتن هاي پلیمري با توجه به نیازها روزبه روز در حال افزایش است. از پلیمرهاي گوناگون براي ساخت

بتن هاي پلیمري استفاده می شود که متداول ترین آن ها پلی استر و اپوکسی است. بتن هاي پلیمري که کامپوزیت هستند، گفته (PCC) در دو فاز جامد و ماده چسبنده اند و اگر مادة چسبنده شامل پلیمر و سیمان باشد به آن سیمان پرتلند می شود. از مزایاي این بتن هاي پلیمري نسبت به بتن هاي سنتی، مقاومت کششی بالا، جلوگیري از ترك و افزایش عمق ترك در بتن و دوام بالا است به طوري که این دوام بالا در فصول سرد سال نمایان تر است.

کاربرد پلیمرها در شیرین‌سازی گاز طبیعی

گازهاي اسیدي همراه با گاز طبیعی (متان) مانند دي‌اکسیدکربن و سولفید هیدروژن، باعث خوردگی لوله‌هاي انتقال می‌شود. یکی از روش‌هاي جداسازي این مواد، جداسازي با غشا است. اکثر غشاهایی که براي جداسازي و شیرین‌سازي گاز طبیعی به کار می‌روند غشاهاي پلیمري اند که به دو دستۀ شیشه‌اي و پلاستیکی تقسیم می‌شوند. غشاهاي پلیمري که براي جداسازي گازها مورد استفاده قرار می‌گیرند غشاهاي پلیمري صفحه‌اي یا فیبر توخالی هستند. متداول‌ترین پلیمرهایی که در جداسازي دي اکسید کربن همراه با گاز طبیعی مورد استفاده قرار می‌گیرند پلی‌سولفون، از مخلوط حاوي گاز H₂S پلی‌استایرن، پلی‌آمید (نایلون) و دیگر موارد است. استفاده دیگر این نوع پلیمرها در جداسازي طبیعی به وسیله پلیمرهاي بلوکی پلی‌یورتان است.

کاربرد پلیمرها در گِل حفاری – افزاینده‌های پلیمری

ترکیبات شیمیایی با مولکول‌های بزرگ هستند که از بسیاری واحدهای کوچک تکراری که مونومر نامیده می‌شوند، تشکیل شده‌اند. پلیمرها به هنگام اضافه شدن در گِل، تغییرات کم‌تری در محتویات جامد گِل ایجاد می‌کنند و به منظور کنترل صافی، اصلاح ویسکوزیته، لختگی و مقاومت شیلی به گِل اضافه می‌شوند.

سیال حفاری را می توان به عنوان هر گونه سیالی تعریف کرد که در طول عملیات حفاری درون چاه به گردش درمی‌آید و پس از عبور از رشته حفاری و مته از طریق فضای حلقوی به سطح برمی‌گردد.

پمپ‌های گِل نقطه آغاز گردش گِل می باشند که قدرت و نیروی لازم این پمپ‌ها از موتورها تأمین می‌گردد. در دکل‌های الکتریکی موتورهای گرمایی درون‌سوز با استفاده از انرژی مواد سوختی مثل گازوئیل، جریان الکتریکی مستقیم تولید می‌کنند، این جریان تبدیل به یک جریان متناوب می شود و در اختیار پمپ قرار می‌گیرد و نیروی لازم را برای عملیات پمپاژ فراهم می‌کند.

پمپ‌های گل حفاری از نوع پمپ‌های جابه‌جایی مثبت می‌باشند و قادر هستند تا 5000 پا فشار تولید کنند.

انتخاب پیستون ولاینر با سایز مناسب و همچنین نازل مته با اندازه، صحیح نقش اساسی در بهینه‌سازی سیستم

هیدرولیکی سیال حفاری و تأمین فشار و دبی خروجی از پمپ را دارد و موجب بهبود راندمان عملیات حفاری

می‌گردد.

حفاری به طور کلی به دو دسته تقسیم می‌شود:

On shore یا دکل‌های خشکی

Off shore یا دکل‌های دریایی

وظایف گل حفاری و موارد مهم انتخاب آن

وظایف متعددی برای یک سیال حفاری در نظر گرفته شده است. کنترل فشارهای زیرزمینی، بالا آوردن کنده‌ها و پایداری چاه از مهم‌ترین وظایف یک سیال حفاری می‌باشد.

1. پاکسازی کنده‌های حفاری از ته چاه و انتقال آن‌ها به سطح
2. معلق نگه داشتن کنده‌ها و مواد وزن‌افزا در هنگامی که چرخش سیال متوقف می‌شود
3. کنترل فشارهای زیرزمینی
4. 4. ایزوله کردن سیال از سازند (سازند (به انگلیسی Formation) مهم‌ترین واحد تقسیمات سنگ‌شناسی و واحد سنگی اصلی چینه‌شناسی است و شامل مجموعه لایه‌هایی است که صفات مشخص سنگ‌شناسی دارند. بالا و پایین یک سازند مشخص است ولی ضخامت آن حد معینی ندارد.)
5. خنک‌کاری و روان‌کاری مته حفاری
6. تحمل بخشی از وزن لوله‌های حفاری و لوله‌های جداری
7. ارتقا سرعت نفوذ مته
8. کنترل‌ کردن خوردگی
9. محافظت از سازند
10. داده‌گیری از حفره

سیالات حفاری اکثراً shear thin وthixotrope  هستند. تیکسوتروپ بدین معنا که با گذر زمان در حالت استاتیک خاصیت ژله مانند دارند و با تشکیل یک ساختار سه بعدی structure از ته نشین‌ شدن کنده‌ها و مواد وزن‌افزا در زمانی که چرخش در سیستم نیست، جلوگیری می‌کنند.

دسته‌بندی پلیمرها در سیالات حفاری

پلیمرها در سیالات حفاری به سه روش می‌توانند دسته‌بندی شوند. می‌توان آن‌ها را بر اساس

الف: شیمی آن‌ها همچون آنیونی یا کاتیونی بودن

ب: با توجه به نوع کاربرد یا خصوصیت آن‌ها به طور مثال عامل ویسکوزیته بودن یا اینکه افزاینده‌ای جهت کنترل هرزروی گل

ج: یا به صورت ساده بر اساس مبدأ و مبنای تولیدی، آنها را دسته بندی کرد. 

در زیر افزایندهای پلیمری از نظر مبنای تولیدی آن‌ها تقسیم‌بندی می‌شود‌:

1- پلیمرهای طبیعی (نشاسته، صمغ زانتان)

2- پلیمرهای طبیعی اصلاح یافته (برای سیالات حفاری، پلیمرهای طبیعی غیر یونی، همچون سلولز و نشاسته به صورت پلی‌الکترولیت‌ها اصلاح می‌یابند. مشتقات سلولز، مشتقات نشاسته،

3- پلیمرهای مصنوعی (کوپلیمر پلی‌اکریل‌آمید، پلی‌اکریلات)

روش‌های برداشت ازدیاد نفت

تزریق پلیمر

این فرآیند که یک روش بازیابی ثانویه محسوب می‌شود، از پرکاربردترین روش‌های EOR برای بازیابی نفت پس از طی کردن مراحل معمولی است. برای انجام این عمل از تزریق پلیمرهایی با وزن مولکولی بالا مانند پلی‌اکریل‌آمید، مواد قلیایی مانند سدیم‌هیدروکسید یا کاستیک استفاده می‌شود که آن را به همراه آب تزریق می‌کنند. در نتیجه ویسکوزیته این ترکیب بالا رفته و راندمان تبادل حجمی را ارتقاء می‌بخشد.

این مجموعه روش‌ها بر اساس نظریه نیروی موئینگی و کشش سطحی است که باعث نگه‌داری نفت در خلل و فرج سنگ مخرن می‌شود استوار است. در نتیجه برای کم کردن این عوامل باید موادی را برای تزریق انتخاب کنیم که این دلایل را به حداقل برساند. این مواد درآمیختگی بین نفت و سنگ مخزن را کاهش داده و باعث افزایش استخراج می‌شوند. استفاده از سورفکتانت‌ها نمونه خوبی برای کاربرد این نظریه در بازیابی استخراج نفت هستند.

معایب تزریق پلیمر

تقریباً نیمی از ذخایر زیرزمینی در طی استفاده از این روش دست‌نخورده خواهد ماند و تأثیری روی این دسته از ذخایر نخواهد داشت. بعد از استفاده مدوام از روش تزریق پلیمر مثلاً برای 2 تا 3 سال مخازن زیرزمینی چاه دچار آسیب‌های جدی مانند آلودگی تجهیزات استخراج خواهند شد. ملزومات پیچیده و قیمت نسبتاً بالای مواد باعث می‌شود این روش برای شرکت‌های کوچک و متوسط قابل اجرا نباشد.

روش‌های دیگر تزریق کردن دی‌اکسید مایع، روش‌ها‌ی فیزیکی (بازیابی حرارتی، تزیریق بخار، روش احتراق (احتراق به جلو، احتراق معکوس، مرطوب)، تزریق گاز.

احیای مخازن پیر نفتی با پلیمر

با توجه به افت تولید طبیعی مخازن در کشور، برای دست‌یابی به اهداف بخش تولید نفت خام و همچنین تولید 5 میلیون و 100 هزار بشکه تا پایان برنامه پنج توسعه، بايد به فکر روش‌های نوین برای ازدیاد برداشت بود. یکی از این روش‌ها كه طی سال‌های گذشته در دستور کار قرار داشت تزریق آب معمولی به میدان‌های دریایی بود، اما چون آب، ویسکوزیته پایینی دارد، باید به آن یک پلیمر محلول اضافه شود که با این کار به دلیل ايجاد ویسکوزیته بالاتر، غلظت جاروب آب بیش‌تر می‌شود و می‌تواند با قدرت بهتری، در مخزن تزریق شده و نفت بیش‌تری را به سطح زمین بیاورد. تزریق پلیمر محلول به آب‌هایی که قرار است به چاه‌های نفتی تزریق شوند، می‌تواند عمل‌کرد آب را برای ازدیاد برداشت نفت چند برابر افزايش دهد. بر این اساس، ابتدا تزریق محلول پلیمری باید روی یک بستر شنی صورت گیرد، زیرا بستر شنی می‌تواند جزئیات بیش‌تری از محیط متحول را به پژوهش‌گران نشان دهد. اقدام بعدی دریافت مغزه‌های واقعی نفت از شرکت‌های عملیاتی و ارزیابی کارایی پلیمر به کار رفته است، سپس از شبیه‌سازهای معروفی مانند HP که میزان کارایی محلول را مشخص می‌سازد، استفاده می‌شود. نباید فراموش کرد که این پروژه تحقیقاتی، باید از سوی یک پیمان‌کار مجرب اجرا شود.

استفاده از کامپوزیت‌های پلیمری

پژوهشگاه صنعت نفت ایران قصد دارد پلیمرهای سبک را جای‌گزین سازه‌های فلزی کند. این مواد، سبک و قابل فرآورش هستند و عایق‌های مناسبی محسوب می‌شوند، اما عدم استحکام بالا یکی از معایب اصلی آن‌هاست، بنابراین نمی‌توانند جای‌گزین سازه‌های فلزی شوند. برای تقویت این مواد، از کامپوزیت‌های پلیمری استفاده می‌شود که در پی آن، حدود 30% الیاف شیشه‌ای تقویت‌کننده به این مواد اضافه می‌شود. این کار گرچه در بیش‌تر مواقع نتایج مطلوبی داشته است، اما باعث افزایش وزن مواد شده که البته فناوری نانو در اینجا به کمک آمده است.

تولید ژل‌های پلیمری با استفاده از فناوری نانو

معمولاً به همراه تولید نفت در میدان‌های نفتی، آب نيز تولید می‌شود. مقدار آب توليدي تا کم‌تر از 10% طبیعی است، اما برخی اوقات این مقدار به بالای 20%  می‌رسد. در دنیا، برای جلوگیری از این مشکل، فناوری‌های متفاوتی به کار می‌رود که یکی از آ ن‌ها تزریق ژل است. هم‌اکنون با توجه به نوع تولید آب، 4 تا 5 نوع ژل برای تزریق وجود دارد. این فناوری از سال 1980 تاکنون در دنیا استفاده می‌شود، اما با توجه به شرایط ویژه مخازن نفتی و گازی ایران، همچون دمای نزدیک به 100 درجه سانتی‌گراد و شوری حدود 200 هزار، PPM ژل‌های معمولی نمی‌توانند کاربرد آن‌چنانی داشته باشند، از این رو پژوهشکده پلیمر پژوهشگاه صنعت نفت در قالب یک پروژه 2 ساله توانست ژل‌های پلیمری تولید کند که بتوانند در مخازن ایران دوام بیاورند، در حالی که فناوری ساخت این نوع ژل، تنها در اختیار شرکت‌های بزرگی مانند شل و ماراتن اویل است.

شایان ذکر است، فناوری ژل پلیمر مقاوم در برابر آب‌های شور، از سوی ايران و به نام دکتر جمال اعلایی، محقق ایرانی در سطح بین المللی ثبت شده است. به گفته اعلایی، هم اکنون پژوهشگاه صنعت نفت ایران در حال مذاکره با شرک تهای بهر هبردار نفت و گاز ایران، همچون شرکت نفت فلات قاره، شرکت نفت مناطق مرکزی و سایر شرک تهاست تا با ارائه طرحی کلان در این زمینه، این فناوری‌ را بومی کند.

هزینه ژل‌های پلیمری این اختراع برای تزریق در چاه‌های نفتی، بسیار کم‌تر از ژل‌های معمولی است که این موضوع، اهمیت زیادی برای شرکت‌های نفتی فعال در این زمینه دارد. علاوه بر این، بر اساس مطالعات انجام شده و ظرفیت ها و نیاز صنعت نفت، درخت فناوری نانو کامپوزیت‌های پلیمری تهیه و طرح دست‌یابی به فناوری ساخت و به کارگیری نانو کامپوزیت‌های پلیمری در صنایع نفتی در چند فاز اجرا شد. در فاز اول این طرح، با استفاده از فناوری نانو، استحکام و کارایی هیدروژل‌های پلیمری برای به کارگیری در شرایط سخت مخازن نفتی افزایش یافت. در فاز دوم، غشاهای نانوکامپوزیتی برای فرآیندهای جداسازی و خالص‌سازی گازها تولید شد و در فاز سوم نیز تولید نانوکامپوزیت‌های پلیمری با خواص ویژه‌ای مانند مقاومت در برابر نفوذ گاز و مقاومت در

برابر رشد باکتری و زیست‌تخریب‌پذیر با استفاده از فناوری نانو مورد بررسی قرار گرفت. این محقق با اشاره به کاربرد نانو پلیمرهای کامپوزیتی اضافه می کند: این نوع مواد، قابلیت توسعه دارند، ضمن این که می‌توانند مقیاس و تولید صنعتی را افزایش دهند و در حوزه‌های مختلف صنعت نفت، همچون مدیریت آب چاه‌های نفتی و گازی، ازدیاد برداشت از مخازن نفتی، خالص‌سازی و جداسازی گازها، سبک‌سازی و افزیش مقاومت در برابر شعله سازه‌های نفتی، تسهیل انتقال نفت خام و کاهش آلودگی‌های زیست محیطی قابل استفاده باشند.