استخراج نفت

هر گاه چاه حفاري نفت خام توليد نکند، چاه با سيمان پر ميشود و يک درپوش در سر چاه قرار ميگيرد. همه دستگاههايي که داخل چاه وارد ميشوند، در پايان حفاري از چاه خارج ميشوند. در اين مرحله، چاه مورد لوله گذاري فلزي قرار ميگيرد و همين مسئله سبب آلودگي آب آشاميدني زيرزميني است. پس از آن چاه نفت براي استخراج گازي که همراه نفت استخراج نشده، مورد استفاده قرار ميگيرد.
تولید نفت در سازندهای زمین شناسی و در عمق های مختلفی از سطح پوسته زمین و در موقعیتهای مختلف اتفاق می افتد. برای استخراج نفت احتیاج به تجهیزات و دستگاههای گران قیمت می باشد. به طور معمول نفت در تله های نفتی از جنس ماسه سنگ و در زیر لایه چین دارگنبدی شکل وجود دارد. در سازندهای زمین شناسی نفت در گسلهای تله های نفتی و یا در شکستگی های لایه های موجود در پوسته زمین وجو دارد. گاز طبیعی هم در چینها و سازندهای گنبدی شکل در بالای لایه نفتی به وجود می آید. زیر لایه نفتی هم لایه ماسه سنگی که از آبهای شور اشباع شده قرار دارد. نفت از سازندها با استفاده از حفاری چاهها و سوراخ کردن لایه های آهکی و در چینها و لایه های گنبدی شکل به دست می آید. در نوک چین و لایه گنبدی شکلی که حاوی ذخایر نفتی می باشد فقط گاز وجود دارد و اگر پایینتر بیاییم و دورتر از مرکز چین شویم با آبهای شور می رسیم.

نفت در سازندهای زمین شناسی دارای فشار بالا و جریان طبیعی می باشد و در بعضی مواقع با نیروی بسیار زیاد از چاه خارج می شود. در بعضی مواقع که فشار نفت کم است نفت را با پمپهای مخصوص از چاه خارج می کنند. در بعضی مواقع در چاههای نفتی در موقع پمپاژ کردن آب و گاز طبیعی به جای نفت قرار می گیرد به این پدیده کاهش فشار می گویند. بعد از تکمیل شدن حفاری احتیاج به پمپ ها و لوله هایی است که نفت خام را از داخل زمین به بیرون هدایت کند. تله های نفت خام زیر زمینی دارای فشار اتوماتیک هستند. ده درصد نفت بازیابی شده دارای فشاری پایینتر از تله های نفتی هستند. پمپهای مختلفی که برای پمپاژ کردن نفت از زیر زمین به کار می روند شامل پمپهای nodding head و nodding donkey و غیره هستند. یکی از مهمترین روشها و پرکاربردتری آنها برای بازیابی نفت تزریق آب و دی اکسید کربن به داخل چاه نفتی می باشد. توسط این روش می توان آب و دی اکسید کربن را توسط پمپاژ بع زیر زمین منتقل کرد. حدود 60 درصد از روشهای بازیابی نفت در زیر زمین صورت می گیرد.

ميکروب ها در استخراج نفت
يكي از كاربردهاي بيوتكنولوژي، استفاده از ريزسازواره¬ها (ميكروارگانيزم‌ها) در صنايع نفتي مي‌باشد. اين كاربرد, با توجه به گستردگي صنعت نفت در كشور ما بايستي مورد توجه خاص قرار گيرد. مطلب زير از طرف خانم اعظم لقماني براي شبكه ارسال شده است كه در پروژة كارشناسي ارشد خود (در دانشگاه صنعتي اميركبير), بر روي ازدياد برداشت از مخازن نفتي با استفاده از ريزسازواره‌ها، تحقيقاتي آزمايشگاهي داشته و در اين رابطه مقالاتي نيز در ششمين كنفرانس ملي مهندسي شيمي و دومين همايش ملي بيوتكنولوژي ايران ارائه كرده است:
استفاده از ميكروب‌ها در ازدياد برداشت نفت بحث جديدي نيست. اولين مورد مكتوب، در سال 1913 مربوط به ج.ب.ديويس (J.B.Davis) است. در سال 1946، سي.اي.زوبل (c.a.zobell) فرايندي براي بازيافت ثانويه نفت با استفاده از ميكروب‌هاي بي‌هوازي و مكانيزم انحلال مواد معدني سولفاتي ثبت كرد.
اولين آزمايش ميداني ازدياد برداشت نفت به‌روش ميكروبي (MEOR)، در سال 1954 در يكي از ميادين نفتي آركانزاس انجام گرفت. اما با وجود موفق بودن، به‌دليل در دسترس بودن منابع نفتي ارزان‌قيمت، اين شيوه‌ها كنار گذاشته شدند. در دهة 1970 مجدداً به‌دليل ناپايداري قيمت نفت و گرايش به بيوتكنولوژي، اين شيوه‌ها مورد توجه قرار گرفتند. از 1980 به بعد به‌دليل افزايش قيمت نفت در كشورهاي گوناگون، اين روش‌ها كم و بيش متداول شدند و به‌نظر مي‌رسد كه در آينده تنها شيوة افزايش برداشت عملي باشند.
مخازن مناسب براي MEOR بايد واجد شرايط زير باشند:
دما كمتر از C ˚75، شوري تا ppm 100000، pH بين 4 تا 9 ، تراوايي بيش از mD 75، سنگيني نفت بر اساس API بيش از 18، فشار تا atm12000 و عمق كمتر از m3500. در اين ميان بيشترين تاثير مربوط به دما و تراوايي است.
ميكروب‌ها با سازوكارهاي مختلفي به شرح زير به افزايش برداشت نفت كمك مي‌كنند:
1- توليد اسيد آلي كه منجر به انحلال سنگ‌هاي كربناتي و توسعة كانال‌ها مي‌شود.
2- احياء گوگرد در تركيبات گچي و انيدريدي و مواد معدني سولفاتي كه نفت به دام افتاده درآنها را آزاد مي‌كند.
3- توليد گازهايي از قبيل متان، دي‌اكسيدكربن، هيدروژن و نيتروژن كه نفت را از فضاهاي مرده به خارج مي‌رانند.
4- توليد حلال‌هاي مختلف از قبيل اتانول، استون و الكل كه با انحلال يا تورم رسوبات آلي به تحرك فاز نفت كمك مي‌كنند.
5- توليد مواد فعال سطحي و دترجنت كه كشش سطحي وكشش فصل مشترك نفت و آب را كم مي‌كنند و نفت را از سنگ جدا مي‌كنند.
6- توليد بيوپليمر كه به‌طور انتخابي، مناطقي با تراوايي بالاتر را مسدود نموده، در نتيجه جريان سيال به طرف نقاطي با تراوايي كمتر هدايت مي‌شود.
7- تجزيه مولكول‌هاي هيدروكربني بزرگ و كاهش گرانروي نفت.
باكتري مناسب براي MEOR بايد:
1- كوچك باشد .
2- رشد سريعي داشته و از تحرك لازم براي انتقال در داخل چاه برخوردار باشد .
3- تركيبات متابوليكي مناسب از قبيل گاز و اسيد و حلال توليدكند .
4- قادر به تحمل شرايط محيطي خشن از قبيل دما و فشار و شوري بالا باشد .
5- براي رشد و متابوليسم به مواد مغذي پيچيده نياز نداشته باشد .
6- بتواند مواد ضدخوردگي و ميكروب‌كش را به خوبي تحمل كند .
7- در حضور فلور ميكروبي چاه جمعيت غالب باشد .
8- بتواند شرايط بدون اكسيژن يا غلظت اندك آن را تحمل كند.
شيوه هاي متداول استفاده از ميكروب‌ها در ازدياد برداشت به شرح زير است :
1- روش برون محل (Ex-Situ):
در اين روش محصولات ميكروبي از قبيل پلي‌ساكاريدها و سورفاكتانت‌ها (فعال‌كننده‌هاي سطحي) در فرمانتورهايي توليد شده و پس از جداسازي و خالص‌سازي به مخزن اضافه مي شود.
2- روش در محل (In-Situ ):
الف) تحريك جمعيت ميكروبي مخزن به‌وسيله تزريق مواد مغذي براي افزايش فعاليت ميكروبي
ب) تزريق ميكروب‌هايي خاص همراه با مواد مغذي به داخل مخزن. اين ميكروب‌ها مي‌توانند فعاليت مناسبي در مخزن داشته و محصولاتي را توليد نمايند كه باعث تحرك نفت مي‌شوند. (اين ميكروب‌ها را مي‌توان از مخزن جدا كرد و پس از تغييرات ژنتيكي به مخزن تزريق نمود.)
از بين روش‌هاي فوق بهترين شيوه، 2 – ب است چرا كه در شيوة 1 به‌دليل قابل تجزيه‌بودن محصولات، مواد ورودي به سرعت توسط ميكروب‌هاي موجود در مخزن تجزيه مي‌شوند. روش 2- الف هم به‌دليل اينكه تعداد، نوع و نحوه فعاليت ميكروب‌هاي مخزن مشخص نيست, روش چندان جالبي به‌شمار نمي‌رود. به‌دليل تنوع مكانيزم‌هاي MEOR، از آن مي‌توان در مواردي كه به سازند، در اثر اعمال شيوه‌هاي ديگر MEOR آسيب رسيده باشد يا كاهش تراوايي نفت اتفاق افتاده باشد يا به دليل نيروهاي موئينگي نفت به دام افتاده باشد يا در شرايطي كه در مخزن رسوب پارافيني يا نمك‌هاي حاصل از رسوب در حين تزريق آب باشد، استفاده نمود.
علي‌رغم محدوديت‌هايي كه ممكن است فعاليت ميكروبي مخزن را تحت تاثير قراردهد، گزارش‌هاي متعددي از حضور ميكروب‌ها ارائه شده‌اند و به همين علت انواع گوناگوني از باسيلوس، پسودوموناس، ميكروكوكوس، مايكوباكتريوم، كلاستريديوم، اشرشياكلي و برخي ديگر از انواع انتروباكترياسه در MEOR بكار مي‌روند. با وجود حضور ميكروب‌ها در مخازن، فعاليت آن‌ها به‌دلايل زير اندك است:

1- شرايط بي‌هوازي مخزن كه در اين شرايط امكان تجزيه تركيبات نفتي وجود ندارد و در نتيجه فقدان منبع كربن داريم.
2- در اكثر مخازن نفتي غلظت فسفر پايين است.
3- غلظت اندك نيتروژن مي‌تواند دليل كم بودن تعداد ميكروب‌ها باشد.
از آنجايي كه فعاليت ميكروب‌هاي بومي در مخزن بسيار اندك است، تغيير قابل ملاحظه‌اي در تركيب نفت مشاهده نمي‌شود. اما در صورتي‌كه منبع غذايي و فاكتورهاي مكمل مناسب فراهم شوند تركيب نفت تغيير خواهد كرد. نفت فقط شامل مواد هيدروكربوري نيست و هرگونه تغيير در محتواي آن مي‌تواند منجر به تغيير قابل ملاحظه‌اي در مشخصه‌هاي نفت خام گردد كه از آن جمله توليد گاز است كه منجر به سبك شدن نفت مي‌شود.
يك سيستم عملي MEOR شامل ميكروب و مواد غذايي است. مشكلات و راه حل‌هاي متداول در اين سيستم‌ها به شرح زير هستند:
1- آيا كاهش يا قطع تزريق به‌دليل انسداد حفره چاه ناشي از تجمع ميكروبي صورت مي‌گيرد؟
قبل از تزريق مي‌توان از مواد پركننده كه فضاهاي خالي سنگ‌ها را پر مي‌كنند يا تركيباتي كه مانع از جذب ميكروب به سطح مي‌شوند استفاده كرد تا ميكروب در يك نقطه تجمع نيابد. همچنين مي توان از اسپورها يا اولتراميكروباكتري‌ها استفاده كرد.
2- آيا انتشار موفق و انتقال تمام تركيبات ضروري به نقاط هدف صورت مي‌گيرد؟
عوامل مختلفي از قبيل خواص فيزيكي و شيميايي سنگ، خواص سلول ميكروبي و نحوة تزريق از قبيل نرخ تزريق، محتواي نمك و چگالي سوسپانسيون سلولي مهم هستند. استفاده از تزريق ضرباني از به دام افتادن سلول‌ها جلوگيري مي‌كند.
3- افزايش فعاليت متابوليكي درمحل چگونه صورت مي گيرد؟
با مطالعه دقيق شرايط ميكروب و مخزن و سازگاركردن ميكروب با شرايط مخزن اين مشكل برطرف خواهد شد.
4- از رقابت يا فعاليت نامطلوب ميكروب‌هاي بومي چگونه مي‌توان پيشگيري نمود؟
آزمايشات ميداني نشان مي‌دهد كه در MEOR كه با تزريق مواد مغذي از قبيل ملاس همراه باشد رقابت با ميكروب‌هاي بومي عامل مهمي نيست.
مزاياي اقتصادي اين روش:
مقالات متعدد اشاره دارند كه MEOR از نظر هزينه شيوه مناسبي براي افزايش توليد است.
مزاياي ديگري كه مي توان بيان كرد عبارتند از:
ميكروب‌ها و مواد مغذي تزريق شده ارزان هستند، به‌راحتي در دسترس بوده و به‌سهولت به ميادين نفتي حمل مي‌شوند.
MEOR از نظر اقتصادي براي ميادين توليد فرعي مناسب است.
هزينه سيال تزريقي به قيمت نفت وابسته نيست.
اجراي فرايند فقط نياز به اصلاحات اندكي بر روي تسهيلات ميداني موجود دارد و در نتيجه هزينة زيادي نخواهد داشت.
اين شيوه به سادگي با تجهيزات موجود براي آب‌روبي قابل اجراست.
اجراي MEOR نسبت به فرايندهاي ديگر ساده‌تر و ارزانتر است.
محصولات MEOR همگي قابليت تخريب زيستي دارند و در محيط‌زيست تجمع نمي‌يابند.
جمعيت ميكروبي را مي‌توان با مقدار ماده مغذي موجود تنظيم نمود. به عبارت ديگر اگر مواد مغذي تزريق نشود ميكروب‌ها از بين نمي‌روند و در نتيجه حضور جمعيت ميكروبي قابل كنترل است.

برخي از كاربردهاي ميداني MEOR :
ميدان نفتي كانادا Loyid minister: به‌ميزان 6% ، ميكروب لكونوستوك (هوازي) با غلظت ml / 103 – 102 و ml / 104 ميكروب بي هوازي و 11.6 مترمكعب ملاس در 120 مترمكعب آب تزريق شده است. پاسخ مخزن توليد اسيد و الكل و كاهش pH و كشش سطحي بوده است.
ميدان‌هاي نفتي روماني با شوري g/l 180 – 5: ميكروب‌هاي باسيلوس–كلاستريديوم، اشرشياكلي و…. با مخلوط .ميكروبي ml/ 109 ×9 – 108 × 4 تزريق شد. پاسخ، توليد گاز و اسيد، افزايش توليد نفت، افزايش گرانروي و چگالي نفت و افزايش كسر سبك نفت بوده است.
ميدان نفتي ليسبون آركانزاس با شوري ppm 42000: ميكروب كلاستريديوم و ملاس (gal 4000 محلول 2% وزني) تزريق شد.. پاسخ به صورت توليد گاز (عمدتاً H2 و CO2) و اسيد بوده حداكثر نرخ افزايش توليد 250% بوده است.
يكي از ميادين نفتي هلند: ميكروب كلاستريديوم و ملاس تزريق شد. پاسخ بصورت افزايش CO2 و افزايش بازيافت حدود 200 – 20% بود.
اهميت MEOR براي كشور
با توجه به قدمت چاه‌هاي نفتي ايران (نخستين چاه نفتي در ايران در سال 1287 در منطقه نفتون حفر شده است) و از آنجايي كه MEOR معمولاً پس از اجراي روش‌هاي ديگر بكار مي‌رود، به نظر مي‌رسد اهداف متعددي در ايران براي اين شيوه وجود داشته باشد. به ويژه اينكه MEOR براي چاه‌هايي كه به‌دليل تزريق آب، ديگر قادر به توليد نفت نيستند و در اصطلاح غرقاب شده‌اند و همچنين چاه‌هايي كه به‌دليل رسوب تركيبات آلي و معدني مسدود شده‌اند روش مناسبي است.
از آنجايي‌كه حتي پس از تزريق آب و گاز حداكثر 40 – 38 % از مخزن برداشت مي‌شود، اگر با بكاربردن MEOR بتوان 1% هم نفت آزاد نمود مقدار قابل ملاحظه‌اي خواهد بود.
لقماني و همكاران او تاثير اضافه كردن دو باكتري اشرشياكلي و باسيلوس ليكني فرميس را بر روي ازدياد برداشت نفت در يك مدل متخلخل حاوي نمونه‌هايي از سنگ مخزن و نفت گرفته شده از يكي از مخازن نفتي ايران مورد بررسي قرار دادند و افزايش بازده نفت را در اثر فعاليت ميكروبي مشاهده نمودند و مكانيزم‌هاي مربوطه كه در ازدياد برداشت نفت در اثر فعاليت باكتري در يك مدل آزمايشگاهي نقش داشتند را مطالعه نمودند و به نتايج خوبي در اين زمينه رسيدند. بهرحال با توجه به جديد بودن اين زمينه در ايران، انجام آزمايشات تكميلي ضروري به‌نظر مي‌رسد.

منبع: پایگاه ملی داده های علوم زمین