ازدیاد برداشت از مخازن نفتی به روش میکروبی (MEOR)

کمبود منابع انرژی فسیلی و افزایش روزافزون مصرف آنها در دنیای امروز،اهمیت منابع نفتی را دو چندان نموده است و با توجه به درصد پایین برداشت از مخازن،بررسی روش های ازدیاد برداشت نفت مورد توجه قرار گرفته است. برداشت نفت بطور کلی به سه دسته تقسیم می گردد:

ابتدا پس از حفر چاه ها و رسیدن به مخازن نفتی،به طور طبیعی نفت موجود براساس اختلاف فشار درون مخزن به سوی دهانه ی خروجی چاه جریان می یابد که به کمک آن می توان 30 تا 50 درصد کل نفت موجود در مخازن را استخراج نمود که از آن به عنوان روش طبیعی(مرحله ی اول) یاد می گردد.

دومین مرحله ی برداشت نفت هنگامی مورد توجه قرار گرفت که در ایالت پنسیوانیای آمریکا به دلیل پایین بودن نفوذپذیری (کمتر از 50میلی دارسی) و انرژی کم مخزن که ناشی از پایین بودن مقدار گاز طبیعی آزاد بود، میزان برداشت نفت با روش های اولیه بین 5 تا 25 درصد کل نفت بوده است. به همین دلیل در این ایالت روش های ثانویه از سال 1900 بکار گرفته شده است.

که این مرحله شامل:

الف) روش های شیمیایی مانند:پلیمرروبی، جریان ماده فعال سطحی، جریان قلیایی.

ب) روش های حرارتی مانند: جریان بخار،آب داغ،احتراق.

ج) روش تزریق گاز شامل:تزریق₂co ،₂N و گازهای احتراق می باشد.

پس از استخراج به کمک روش های مرحله دوم در حدود 30 الی 50 درصد نفت موجود می تواند به صورت استخراج نشده باقی بماند. در اینجاست که استخراج نفت به کمک روش مرحله ی سوم صورت می گیرد. این مرحله شامل روش های زیر می باشد.

-استفاده از محلول های مامایسلار و در ادامه استفاده از محلول های پلیمری به عنوان بافر که به چاه تزریق می شود.(این محلول حاوی آب،مواد فعال سطحی،نمک و نفت است.)

- استفاده از روش انفجارهای هسته ایی که باعث ایجاد شکاف های مصنوعی در سنگ مخزن می شود.

- استفاده از میکروارگانیسم ها در صنایع نفت که از آن به عنوان ازدیاد برداشت نفت به روش میکروبی(MEOR) یاد می گردد. که تاریخچه آن به سال 1926 بکمن (BecKman) باز می گردد و در سال 1940 زوبل(Zobell) فرآیندی برای بازیافت نفت با استفاده از میکروب های بی هوازی و انحلال مواد معدنی سولفاتی پیشنهاد داد.

روش متداول استفاده از میکروارگانیسم در ازدیاد برداشت نفت به دو صورت برون محلی (Situ-Ex) درون محلی(Situ-In) انجام می پذیرد.

فرآیندهای ازدیاد برداشت نفت

فرآیند ازدیاد برداشت نفت به فرآیندهایی اطلاق می گردد که طی آن سعی می شود با استفاده از انرژی یا مواد خارج از مخزن، نفت در مخزن می گردد که شامل:

1-جریان بخار: که قابلیت استفاده در مخزان سنگین فشرده که جنس مخزن آن ماسه سنگ است را دارا می باشد که عملکرد آن موجب کاهش ویسکوزیته، تقطیر بخار آب و همچنین ایجاد فشار برای راندن نفت به سمت چاه های تولیدی می گردد.

2-احتراق: این روش اغلب در مخازن حاوی نفت سنگین با گرانروی بسیار بالا که با روش های مرسوم قابل استخراج نیستند صورت می گیرد

ب) روش های شیمیایی: با کاهش سطحی تماس بین آب و نفت به وسیله تقطیر کردن بخار آب در مخزن باعث کاهش درجه اشباعیت نفت باقیمانده بعد از فرآیند آبرویی می گردد (_orwS) که شامل:

1-پلیمر روبی: افزودن پلیمر در روش آبرویی می باشد که عبارت است از افزودن پلیمرهای انحلال پذیر به آب قبل از تزریق در مخزن که باعث کنترل جابجایی (بهبود ضریب رانش حجمی) می گردد.

2-سورفکتانت روبی (تزریق مواد فعال سطحی):عبارت است از تزریق توده ای محتوی آب، سورفکتانت،الکترولیت (نمک)، الکل و گاهی اوقات هیدروکربن (نفت) که توسط محلول غلیظی از پلیمر و آب به جلو رانده می شود که موجب کاهش کشش سطحی و بهبود ضریب رانش حجمی می گردد.

ج) روش تزریق گاز: با تزریق گازهای احتراق، دی اکسیدکربن و نیتروژن باعث افزایش فشار درون مخزن که باعث بالا بردن میزان جابجایی نفت در مخزن می گردد و شامل:

1- تزریق ₂ co: دی اکسید کربن می تواند ترکیبات سبک و متوسط را از نفت استخراج کند و چنانچه فشار زیاد باشد با استخراج بیشتر باعث استخراج نفت از مخزن می گردد

2- تزریق ₂N:عبارت از تزریق مقدار زیادی گاز نیتروزن که می تواند باتوجه به فشار و ترکیبات موجود بصورت امتزاج پذیر یا غیر امتزاجی انجام گردد. در این روش از گاز ارزان قیمت که می تواند قسمت زیادی از حجم مخزن را اشتغال نماید، استفاده می گردد.

د) روش بیولوژیکی: در این روش محلولی از میکروارگانیسم ها و مواد غذایی (مانند ملاس صنعتی)درون چاه تزریق می گردد که تغذیه میکروارگانیسم از مواد غذایی باعث ایجاد مواد مختلفی از جنس اسیدها و مواد فعال سطحی و گازهایی همچون دی اکسیدکربن می گردد و موجب حرکت آسانتر نفت در مخزن می شود.

شکل 1- فرآيند هاي ازدياد برداشت نفت

روش ازدیاد برداشت نفت به روش میکروبی

یکی از کاربردهای بیوتکنولوژی استفاده از میکروارگانیسم ها در صنایع نفت می باشد که شامل تحریک میکروب های بومی یا تزریق باکتری های طبیعی انتخاب شده در مخزن برای تولید مواد متابولیت که باعث افزایش برداشت می گردد، می باشد و تاریخچه آن به سال 1926 بکمن (Beckman) باز می گردد و در سال 1940 زوبل (Zobell) فرآیندی برای بازیافت نفت با استفاده از میکروب های بی هوازی و انحلال مواد معدنی و سولفات پیشنهاد داد. اولین آزمایش میدانی ازدیاد برداشت نفت به روش میکروبی (MEOR) در سال 1954 در یکی از میادین نفتی آرگانزاس انجام گرفت. اما با وجود موفق بودن به دلیل در دسترس بودن منابع نفتی ارزان قیمت این شیوه کنار گذاشته شد. در دهه 1970 مجدداً به دلیل ناپایداری قیمت نفت و گرایش به بیوتکنولوژی، روش ازدیاد برداشت نفت به روش میکروبی مورد توجه قرار گرفت. در روش ازدیاد برداشت نفت به روش میکر.بی از میکروارگانیسم ها استفاده می شود و محصولات متابولیکی آن شامل:مواد فعال سطحی بیولوژیکی (Biosurfactant)،بیوپلیمر،بیومس،اسیدها، حلال ها،گاز و اغلب آنزیم ها می باشد. این فرآیند نسبت به فرآیندهای دیگر ساده تر و ارزانتر است، محصولات آن همگی قابلیت تخریب زیستی دارند و در محیط زیست تجمع نمی یابند. جمعیت میکروبی را می توان با مقدار ماده مغذی موجود تنظیم نمود و یا به عبارت دیگر اگر مواد مغذی تزریق نشود میکروب ها از بین نمی روند و در نتیجه حضور جمعیت میکروبی قابل کنترل است.

باکتری های مورد استفاده در این روش باید دارای خصوصیات زیر باشند:1)کوچک باشند 2)رشد سریعی داشته باشند و از تحرک لازم برای انتقال در داخل چاه ها برخوردار باشند. 3)ترکیبات متابولیکی مناسب از قبیل گاز،اسید و حلال تولید کنند. 4)قادر به تحمل شرایط محیطی خشن از قبیل دما،ph و شوری بالا باشد.5)برای رشد و متابولیسم به مواد پیچیده نیاز نداشته باشد.

روش های متداول استفاده از میکروارگانیسم ها در ازدیاد برداشت نفت عبارتند از:

1)روش درون محلی (situ-In) 2) روش برون محلی (situ-Ex)

روش درون محلی (situ-In)

الف) تحریک جمعیت میکروبی به وسیله تزریق مواد مغذی برای افزایش فعالیت میکروبی:

میکروارگانیسم ها بومی برای ازدیاد برداشت نفت به روش میکروبی (MEOR) دارای مزایای زادی نسبت به میکروارگانیسم های تزریقی به داخل مخزن می باشد. ازمزیت های آن می توان به سازگار بودن با محیط و رشد راحت در مخازن نفتی اشاره نمود. باکتری های بومی به دو گروه باکتری های مفید و باکتری های مضر تقسیم می گردد. باکتری های مفید شامل: باکتری کاهنده هیدروکربن (HOB)، باکتری فاقد نیترات (DNB) و باکتری تولیدکننده متان (NPM) می باشد که با تولید حلال ها، اسیدها،گازها،مواد فعال سطحی و پلیمرها باعث افزایش برداشت نفت می گردد.

باکتری های مضر نیز شامل کاهنده سولفات (SRB)،باکتری آهن (IB) و باکتری سولفور (BS) می باشد.این باکتری ها از ترکیبات سولفور موجود در ساختار آب به عنوان خوراک استفاده می کنند و با تولید ماده سمی هیدروژن سولفید علاوه بر ایجاد سمیّت، باعث خوردگی تجهیزات استخراج نفت می گردد.

ب) تزریق میکروب هایی خاص همراه با مواد مغذی به داخل مخزن:

میکروارگانیسم های تزریق شده در چاه باعث کاهش کشش سطحی می گردد که علت آن تولید مواد فعال سطحی بیولوژیکی توسط میکروارگانیسم ها بود. این میکروارگانیسم ها باعث کاهش غلظت، ویسکوزیته و پارافین نفت خام و افزایش مقدار متان و کاهش مقدار دی اکسیدکربن می گردد.

این میکروارگانیسم ها باعث تولید مواد بیولوژیکی سطحی،اسید چرب و افزایش برداشت نفت می گردد. نتایج نشان می دهد که تکنولوژی آبروبب میکروبی پتانسیل ازدیاد برداشت نفت را در دماهای بالای مخازن دارا می باشد.

روش برون محلی (situ-Ex)

در این روش محصولات میکروبی از قبیل پلی ساکارید و فعال کننده های سطحی در فرمانتورهایی تولید شده و پس از جداسازی و خالص سازی به مخزن اضافه می گردد.

تاثیر دما،شوری و ph بر روی برخی از محصولات متابولیکی و باکتری مورد استفاده (باسیلوس سابتیلیس)در فرآیندMEOR

در روش MEOR مخلوطی از جمعیت میکروبی مورد استفاده قرار می گیرد. که محصولات متابولیک آن شامل: مواد فعال سطحی بیولوژیکی،بیوپلیمرها،بیومس،اسیدها و حلال می باشد. بطور کلی باکتری ها و تولیدات متابولیک آنها در مخازن نفتی وابسته به شرایط محیطی مانند: دما،فشار،شوری،pH،حضور یا عدم حضور اکسیژن و همچنین منبع غذایی در دسترس، می باشد.

مواد فعال سطحی بیولوژیکی (بیوسورفکتانت)

مواد فعال سطحی تولید شده بوسیله گروه های گوناگون میکروارگانیسم ها مانند:باکتری ها، مخمرها و قارچ ها به عنوان مواد فعال سطحی بیولوژیکی شناخته می شود. این ماده در تماس یا قطره های کوچک نفت محصور شده در خلل و فرج سنگ مخزن قرار می گیرد و باعث کاهش چشمگیر میزان کشش سطحی و افزایش عدد مویینگی نفت محصور گشته می گردد.

مواد فعال سطحی بیولوژیکی در برابر تغییرالت دما تا رنج 120 درجه سانتی گراد مقاوم هستند و افزایش دما هیچ تاثیری بر روش عملکرد مواد فعال سطحی بیولوژیکی نمی گذارد. (شکل2)

بدین صورت که تغییری در مقدار کشش سطحی قبل و بعد از عملیات حرارتی روی نمی دهد.

شکل2- نمودار تاثیر دما بر عملکرد مواد فعال سطحی بیولوژیکی

همچنین فعالیت مواد فعال سطحی تحت تاثیرph می باشد که نتایج بررسی محققین بیانگر این است که افزایشpH در بازه 2 تا 6 باعث کاهش مقدار فعالیت مواد سطحی بیولوژیکی می گردد. یا به عبارتی دیگر در شرایط اسیدی مواد فعال سطحی بیولوژیکی ته نشین می گردند.[8] PH مطلوب برای مواد فعال سطحی بیولوژیکی عدد 8 می باشد، ضمن اینکه افزایشpH از 8 تا 12 تاثیری بر فعالیت مواد فعال سطحی بیولوژیکی نمی گذارد. (شکل3)

شکل 3- نمودار تاثير pH بر عملكرد مواد فعال سطحي بيولوژيكي

باتوجه به مطالعات انجام گرفته افزایش مقدار شوری تا غلظت 10%، تاثیر محسوسی بر عملکرد مواد فعال سطحی بیولوژیکی نمی گذارد اما در غلظت های بالاتر (12%) کشش سطحی افزایش می یابد.(شکل4)

شکل 4- نمودار تاثیر شوری برعملکرد مواد فعال سطحی بیولوژیکی

بیوپلیمرها

بیوپلیمرها محصول متابولیک جمعیت میکروبی در روشMEOR می باشد. از بیوپلیمرها به همراه دیگر عوامل جاذب شیمیایی برای جلوگیری از جذب پلی ساکاریدها بر روی سطح سنگ مخزن استفاده گردد. خصوصیات فیزیکی همچون ویسکوزیته،مقاومت برشی، دما،تحمل شوری باعث گردیده است تا به عنوان پلیمر مناسب برای استفاده در ازدیاد برداشت نفت شناخته گردد. بیوپلیمرها دارای عملکرد مناسبی در مخازن نفتی که دمایش کمتر از 55 درجه سانتی گراد،pH بین 6 تا 9،فشار کمتر از 500 اتمسفر و غلظت شوری 4%است، می باشد.

باکتری باسیلوس سابتلیس (sabtilis.B)

یک باکتری گرم مثبت است که قابلیت تولید اسپور و بیوپلیمر را دارد. هم بصورت هوازی و هم صورت غیرهوازی عمل می کند. به همین دلیل عملکرد مناسبی در فرآیند ازدیاد برداشت نفت به روش میکروبی دارد. باتوجه به نتایج ارائه شده توسط محققین دما و شوری نقش مهمی در عملکرد باکتری باسیلوس سابتیلیس دارند.

افزایش شوری بر رشد و تولید میکروارگانیسم ها تاثیر می گذارد. بنابراین غلظت شوری یک پارامتر مهم در بهینه سازی فرآیند می باشد.

برای باکتری باسیلوس سابتیلیس بیشترین کاهش تراوایی در شوری 1% روی می دهد در حالیکه با افزایش میزان شوری کاهش تراوایی، کاهش می یابد. به عبارت دیگر میزان کاهش تراوایی توسط باکتری باسیلوس سابتیلیس به میزان شوری محیط بستگی دارد.(شکل 5)

شکل 5- نمودار کاهش تراوایی در دمای ^c0 55

افزایش دما در بازه 40 تا 70 درجه سانتی گراد کارآیی باکتری را در کاهش تراوایی،کاهش می دهد . البته باید توجه داشت که دمای بالا باعث تجزیه مواد فعال سطحی بیولوژیکی و میکروارگانیسم ها و حتی اجزاء سبک نفت می گردد.

شکل6- نمودار کاهش تراوایی در شوری 1%

بطور کلی باکتری باسیلوس سابتیلیس از پتانسیل بهتری برای کاهش تراوایی محیط متخلخل برخوردار است و استفاده از این باکتری در فرآیند ازدیاد برداشت نفت به منظور یکنواخت سازی تراوایی مخزن توصیه می گردد.

نتايج

روش MEOR به دلیل: هزینه کم، کاربردهای گسترده،پایداری فعالیت باکتری ها، سازگاری با محیط زیست،عدم وابستگی این روش به قیمت جهانی نفت و مصرف انرژی بسیار کم، نسبت به دیگر روش های ازدیاد برداشت نفت مناسب تر می باشد. عواملی همچون دما،pH و شوری بر روی عملکرد باکتری ها و مواد متابولیکی آن تأثیر می گذارند که دما بر روی مواد فعال سطحی بیولوژیکی تأثیر ناچیزی دارد. در حالیکه با افزایش دما در بازه c⁰ 40 تا c⁰ 70 کارآیی باکتری باسیلوس سابتیلیس در کاهش تراوایی کاهش می یابد.

در مورد تأثیرpH نیز می توان گفت افزایش آن در بازه 2 تا 6 باعث کاهش مقدار فعالیت مواد فعال سطحی بیولوژیکی می گردد. باید توجه داشت تغییراتpH در بازه 8 تا 12 تأثیر چندانی بر روی فعالیت مواد فعال سطحی نمی گذارد.

همچنین شوری نیز تا غلظت 10% تأثیر ناچیزی بر روی عملکرد مواد فعال سطحی بیولوژیکی دارد اما در غلظت 12% باعث افزایش کشش سطحی می گردد. باکتری باسیلوس سابتیلیس بیشترین کاهش تراوایی را در شوری 1% نشان می دهد در حالیکه با افزایش میزان شوری کاهش تراوایی، کاهش می یابد.

از بعد اقتصادی هزینه کاربرد روشMEOR با توجه به نوع میکروب،نفت و شرایط مخزن نسبت به دیگر روش های ازدیاد برداشت نفت، دارای هزینه پایین تری می باشد.