بازیابی و تقویت پیشرفته چاه های نفت

(EOR) Enhanced Oil Recovery

✍️اسدالله غلام‌پور

گفته می شود که ضریب بازیافت نفت، در بازیافت اولیه بیشتر از ۳۰ درصد از کل مقدار نفت خام موجود در زمین نیست. اگرچه بازیافت ثانویه، ضریب بازیافت را تا حدود ۴۰ درصد افزایش می دهد، اما هنوز ۶۰ تا ۷۰ درصد نفت خام در زیر زمین باقی می ماند. برای افزایش بیشتر ضریب بازیابی، بازیابی سوم به نام بازیابی پیشرفته نفت(EOR) استفاده می شود.

بسیاری از موسسات تحقیقاتی و شرکت های توسعه نفت در حال توسعه فناوری هایی برای تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی سنگ ها و سیالات سازند و بازیابی نفت خام باقی مانده در زمین هستند. بازیابی پیشرفته نفت (Enhanced Oil Recovery (EOR) یک فناوری برای افزایش ضریب بازیافت نفت خام است. این فناوری در سازندهای با ضریب بازیافت پایین با روش‌های تولید معمولی و چاه‌های تولیدی با راندمان تولید پایین ناشی از گذشت سال‌ها از شروع تولید اعمال می‌شود. نفت خام از چاه‌های حفر شده به سازند (مخزن) که وجود نفت در آن تأیید می‌شود، که ناشی از انرژی (فشار) مخزن است، آشکار می شود.

با این حال، گفته می شود، مقدار نفت خامی که تنها با انرژی مخزن قابل بازیافت است، کمتر از ۳۰ درصد کل نفت خام موجود در زمین است. بر این اساس، فناوری افزایش ضریب بازیافت میادین نفتی موجود به اندازه کشف میادین نفتی جدید اهمیت دارد و فناوری‌های مختلفی در حال استفاده و مطالعه است. به طور کلی توسعه میدان نفت و گاز به سه مرحله زیر طبقه بندی می شود: ۱)بازیافت اولیه: نفت خام ناشی از انرژی مخزن خارج می شود. ۲)بازیافت ثانویه: برای بیرون راندن نفت خام، آب یا گاز به مخزن تزریق می شود، یا نفت خام به صورت مکانیکی توسط پمپی که در چاه نصب شده است، خارج می شود. ۳)بازیافت سوم: خواص فیزیکی و شیمیایی سنگ ها و سیالات سازند برای بازیابی نفت خام باقی مانده در زیر زمین تغییر می کند.

هر میدان نفتی که مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد، دارای یک چرخه است.

چرخه‌ی فعالیت هر میدان را به طور کلی می‌توان به پنج مرحله شامل فاز اکتشاف، فاز ارزیابی، فاز برنامه‌ریزی برای بهره‌برداری، فاز تولید، فاز از کار افتادگی، تقسیم بندی کرد که از اکتشاف آغاز می‌شود و معمولاً به اتمام ذخیره هیدروکربنی (یا عدم صرفه اقتصادی استخراج) منتهی می‌شود. طول عمر اقتصادی یک میدان به طور معمول در یک مرحله متوقف می‌شود و دیگر بهره‌برداری صرفۀ اقتصادی نخواهد داشت. به این مرحله، از کار افتادگی میدان می‌گویند. از کار افتادگی اقتصادی به عنوان مرحله‌ای است که در آن، درآمد کلی، هزینه‌های عملی را پوشش نمی‌دهد. البته هنوز به طور تکنیکی امکان ادامه تولید میدان وجود دارد، ولی سودی در آن موجود نیست. حداقل دو روش برای به تأخیر انداختن از کار افتادگی یک میدان وجود دارد: اول کاهش هزینه‌های عملی و دوم افزایش تولید هیدروکربن. در مرحلۀ از کار افتادگی میدان، می‌توان از طریق روش‌های بازیافتی مثل فرآیندهای آب‌روبی، فرایندهای شیمیایی و غیره، آن قسمت از هیدروکربن را که بعد از تولید اولیه در مخزن باقی‌مانده بازیافت کرد. ولی نهایتاً همۀ ذخایری که از نظر اقتصادی قابل بازیافت هستند به اتمام خواهند رسید و میدان از کار خواهد افتاد.
مخازن نفت معمولاً با فشار سازندی بالا شروع می شوند که نفت خام را به داخل چاه و گاهی از طریق لوله به سطح می رساند. با این حال، از آنجایی که تولید همواره با کاهش فشار مخزن همراه است، “بازیابی اولیه” از طریق درایو طبیعی به زودی به پایان می رسد. علاوه بر این، بسیاری از مخازن نفت با فشار تشکل به حدی بالا وارد تولید می شوند که نفت را به داخل چاه فشار دهد، اما از طریق لوله به سطح بالا نمی رود. در این موارد باید وسایلی برای “بالابر مصنوعی” تعبیه شود. رایج ترین حالت از نصب پمپ در پایین تولید استفاده می کند. با این حال، از آنجایی که تولید همواره با کاهش فشار مخزن همراه است، “بازیابی اولیه” از طریق درایو طبیعی به زودی به پایان می رسد. در سیستم های بالابر هیدرولیک، نفت خام یا آب از مخزن ذخیره گرفته شده و به پمپ سطحی تغذیه می شود. سیال تحت فشار به یک یا چند سر چاه توزیع می شود.
بازیابی ثانویه: تزریق گاز یا آب هنگامی که بخش بزرگی از نفت خام موجود در یک مخزن را نمی توان با وسایل اولیه بازیافت کرد، باید روشی برای تامین انرژی اضافی پیدا کرد. بیشتر مخازن دارای مقداری گاز در حالت امتزاج پذیر هستند، شبیه به حالتی که در یک بطری نوشابه که تحت فشار قبل از آزاد شدن حباب های گاز هنگام باز شدن درب آن بسته می شود. همانطور که مخزن در شرایط اولیه تولید می کند، گاز محلول خارج می شود که فشار مخزن را کاهش می دهد. یک “بازیابی ثانویه” برای تجدید انرژی یا “فشار” مخزن مورد نیاز است.

این امر با تزریق گاز یا آب به مخزن برای جایگزینی سیالات تولید شده و در نتیجه حفظ یا افزایش فشار مخزن انجام می شود. هنگامی که گاز به تنهایی تزریق می شود، معمولاً در بالای مخزن قرار می گیرد، جایی که معمولاً گازهای نفتی جمع می شوند تا درپوش گاز را تشکیل دهند. تزریق گاز می تواند یک روش بازیابی بسیار موثر در مخازنی باشد که در آن نفت قادر به جریان آزادانه به کف، توسط گرانش است. با این حال، زمانی که این تفکیک گرانشی رخ نمی دهد، باید به دنبال راه های دیگری بود. تولید روغن و آب با هم به سطح پمپ می شوند. یک روش بازیابی ثانویه که حتی بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد، سیلابی است. پس از درمان برای حذف هرگونه ماده ای که ممکن است در حرکت آن در مخزن اختلال ایجاد کند، آب از طریق برخی از چاه های یک میدان نفتی تزریق می شود. سپس از طریق سازند حرکت می کند و نفت را به سمت چاه های تولیدی باقی مانده می راند. چاه هایی که برای تزریق آب مورد استفاده قرار می گیرند معمولاً به گونه ای قرار می گیرند که به بهترین وجه نفت را به سمت چاه های تولیدی سوق می دهد. تزریق آب اغلب بازیافت روغن را تا دو برابر آنچه که از روش اولیه به تنهایی انتظار می رود افزایش می دهد. برخی از مخازن نفت به مخازن بزرگ و فعال آب یا سفره های زیرزمینی در همان سازند متصل هستند. در چنین مواردی فقط لازم است آب مجدداً به داخل سفره آب تزریق شود تا به حفظ فشار مخزن کمک شود.
بازیابی سوم به نام بازیابی پیشرفته نفت(EOR))برای تسریع تولید نفت از یک چاه طراحی شده است. سیلاب، تزریق آب برای افزایش فشار مخزن، یکی از روش های EOR است. اگرچه طغیان آب، بازیابی از یک مخزن خاص را تا حد زیادی افزایش می دهد، معمولاً تا یک سوم نفت را در جای خود باقی می گذارد. ESP ها به گونه ای پیکربندی شده اند که از نیروی گریز از مرکز برای بلند کردن مصنوعی نفت به سطح، از چاه های عمودی یا افقی استفاده کنند. ESP ها مفید هستند زیرا می توانند حجم عظیمی از روغن را بلند کنند. در میادین قدیمی، با تولید آب بیشتر، ESP ها برای “پمپ کردن” چاه، ترجیح داده می شوند تا حداکثر تولید نفت را فراهم کنند.

بهبود پیشرفته بازیافت نفت (EOR) برای تسریع تولید نفت از یک چاه طراحی شده است. سیلاب، تزریق آب برای افزایش فشار مخزن، یکی از روش های EOR است. اگرچه طغیان آب بازیابی از یک مخزن خاص را تا حد زیادی افزایش می دهد، معمولاً تا یک سوم نفت را در جای خود باقی می گذارد. همچنین مخازن کم عمق حاوی روغن ویسکوز به خوبی به طغیان آب پاسخ نمی دهند. چنین مشکلاتی صنعت را بر آن داشته است تا به دنبال روش‌های بهبودیافته برای بازیابی عرضه نفت خام باشد. از آنجایی که بسیاری از این روش‌ها به سمت نفتی هستند که در اثر تزریق آب باقی می‌ماند، اغلب به آنها «بازیابی سوم» می‌گویند.

چند دسته اصلی بهبود پیشرفته بازیافت نفت (EOR) به درجات مختلف از نظر تجاری موفق هستند: ۱) بازیابی حرارتی، که شامل وارد کردن گرما مانند تزریق بخار برای کاهش ویسکوزیته یا رقیق شدن روغن چسبناک سنگین و بهبود توانایی آن برای جریان در مخزن است. تکنیک‌های حرارتی بیش از ۴۰ درصد از تولید EOR ایالات متحده، عمدتاً در کالیفرنیا را تشکیل می‌دهند. ۲) تزریق گاز، که از گازهایی مانند گاز طبیعی، نیتروژن یا دی اکسید کربن (CO₂) استفاده می کند که در یک مخزن منبسط می شود تا نفت اضافی را به چاه تولید فشار دهد، یا گازهای دیگری که در نفت حل می شوند تا ویسکوزیته آن کاهش یابد و جریان آن بهبود یابد. یکی از روش‌هایی که به نظر می‌رسد در سنگ کربناته کار می‌کند، بازیافت نفت با دی اکسید کربن (CO₂ EOR) است که در آن دی اکسید کربن به تنهایی یا همراه با گاز طبیعی به سنگ تزریق می‌شود.

بازیافت نفت با دی اکسید کربن (CO₂ EOR) می تواند بازیابی را تا حد زیادی بهبود بخشد، اما مقادیر بسیار زیادی دی اکسید کربن موجود با قیمت مناسب ضروری است. اکثر پروژه های موفق از این نوع به برداشت و انتقال (از طریق خط لوله) دی اکسید کربن از مخازن زیرزمینی بستگی دارد. نرخ تزریق گاز تقریباً ۶۰ درصد از تولید EOR در ایالات متحده را تشکیل می دهد.

روش های امتزاج پذیر یکی از روش‌های بازیابی پیشرفته، بر پایه تزریق گاز طبیعی با فشار کافی بالا یا حاوی گازهای نفتی کافی در فاز بخار است که گاز و نفت را قابل امتزاج می‌کند. این روش مقدار کمی روغن در پشت گاز محرک باقی می گذارد یا اصلاً روغنی باقی نمی گذارد، اما ویسکوزیته نسبتاً پایین گاز می تواند منجر به دور زدن مناطق وسیعی از نفت، به ویژه در مخازنی که همگن نیستند، شود. ۳) یکی دیگر از روش‌های تقویت‌شده، بازیابی روغنی است که در اثر سیلاب باقی مانده است، با قرار دادن نواری از مواد سورفکتانت صابونی جلوتر از آب.

تزریق مواد شیمیایی، که می‌تواند شامل استفاده از مولکول‌های با زنجیره بلند به نام پلیمر برای افزایش اثربخشی سیلاب‌ها یا استفاده از سورفکتانت‌های شوینده مانند برای کمک به کاهش کشش سطحی باشد که اغلب از حرکت قطرات نفت در مخزن جلوگیری می‌کند. سورفکتانت کشش سطحی بسیار کمی بین ماده تزریق شده و روغن مخزن ایجاد می کند، بنابراین اجازه می دهد سنگ تمیز شود. اغلب، آب پشت سورفکتانت با افزودن یک پلیمر چسبناک می شود تا از نفوذ آب و دور زدن سورفکتانت جلوگیری شود. سیلاب سورفکتانت معمولاً در سنگ های غیر کربناته خوب عمل می کند، اما مواد سورفکتانت گران است و مقادیر زیادی مورد نیاز است. ۴) یکی دیگر از روش های پیشرفته دیگر برای باز یابی نفت، روش های حرارتی است. مخازن زیادی وجود دارند که معمولاً کم عمق هستند و حاوی روغنی هستند که برای تولید خوب بسیار چسبناک است. با این وجود، از طریق اعمال گرما، بازیابی اقتصادی از این مخازن امکان پذیر است.

نفت خام سنگین، که ممکن است ویسکوزیته ای تا یک میلیون برابر آب داشته باشد، به ازای هر افزایش دما به میزان ۵۰ درجه سانتیگراد (۹۰ درجه فارنهایت) ۱۰ برابر ویسکوزیته کاهش می یابد. موفق ترین راه برای افزایش دمای یک مخزن تزریق بخار است. در رایج‌ترین روش، به نام چرخه بخار، مقداری بخار از طریق چاهی به داخل سازند تزریق می‌شود و زمان می‌دهد تا متراکم شود. چگالش در مخزن گرمای تبخیر را که برای ایجاد بخار لازم بود آزاد می کند. سپس همان چاه به تولید می رسد. پس از مقداری تولید آب، روغن گرم شده به داخل چاه جریان می یابد و به سطح بالا می رود. اغلب چرخه را می توان چندین بار در یک چاه تکرار کرد. یک روش کمتر رایج شامل تزریق بخار از یک گروه از چاه ها است در حالی که نفت به طور مداوم از چاه های دیگر تولید می شود. ۵) چرخه گاز یکی دیگر از روش های پیشرفته بازیافت نفت (EOR) است.

مخازن گاز طبیعی اغلب حاوی مقادیر قابل توجهی از هیدروکربن های سنگین تر هستند که در حالت گازی نگهداری می شوند. اگر فشار مخزن در طول تولید گاز کاهش یابد، این هیدروکربن ها در مخزن متراکم می شوند و به گاز مایع (LPG) تبدیل می شوند و غیرقابل بازیافت می شوند. برای جلوگیری از کاهش فشار، مایعات از گاز تولید شده خارج شده و “گاز خشک” دوباره به مخزن بازگردانده می شود. این فرآیند که چرخه گاز نامیده می شود تا زمانی که مقدار بهینه مایعات بازیابی شود ادامه می یابد. سپس فشار مخزن کاهش می یابد در حالی که گاز خشک برای فروش تولید می شود. در واقع، چرخه گاز استفاده از گاز طبیعی را تا زمانی که مایعات تولید شوند به تعویق می اندازد.
روند فاز تولید و حجم تولید در یک میدان نفت و گاز معمولی، به شکل زیر است: