پليمر هاي محلول در آب براي استفاده در ازدياد برداشت (EOR)

ژل هاي پليمري

در سال هاي اخير در فرآيند هاي ازدياد برداشت ژل هاي حاصل از واكنش شبكه اي كردن پليمر هاي محلول در آب در محل سازند هاي داراي نفت معمول شده است تا بر مشكلاتي مانند مخروطي شدن و كاهش نفوذ پذيري مناطقي با نفوذ پذيري بالا فائق آيد. آب احتمالاً از طريق ورود مشترك آب انتهايي (bottom) و آب تزريقي به داخل چاه توليدي حاصل مي شود كه از چاه تزريقي با عبور از كانال با نفوذ پذيري زياد به طرف چاه توليدي مي رود. نفت غالباً از سازند هاي متخلخل توليد مي شود كه اساساً توسط سازند متخلخل اشباع از آب پوشانده شده است. تحت شرايط استاتيك دانسشته آب از نفت بيشتر است كه در زير سازند توليد قرار مي گيرد. اما بخاطر جريان سيال در نقطه اي نزديك چاه فشار هيدروليكي منفي ايجاد و اين مساله سبب بالا رفتن سطح آب در آن نقطه مي شود. زيرا در جريان شعاعي گراديان فشار با سرعت در مجاورت چاه افزايش يافته، سطح آب شكل مخروطي به خود مي گيرد كه راس آن در چاه است. براي توليد نفت فشار هيدروستاتيك حاصل از سطح بالاي آب به علت هزينه زياد بالا كشيدن نفت و آب به سطح و نيز جداسازي و ته نشين كردن آب توليدي زيان ده است. افزايش توليد آب مي تواند به طور چشمگير عمر اقتصادي چاه را كاهش دهد. پل هاي پليمري مي توانند براي مسدود كردن آب در چاه هاي توليدي استفاده شوند.

ژل ها قادرند در جهت گيري مجدد جريان آب تزريقي به مناطق با نفوذ پذيري كمتر داراي نفت از طريق قرار گرفتن در لايه هاي با نفوذ پذيري بالا يا شكاف هاي نزديك چاه هاي تزريق موثر باشند. اين فرآيند به اصطلاح پروفيل تزريق يا كنترل پروفيل تزريق معروف است. اين نوع اصلاح با ژل، توليد نفت را افزايش داده و توليد آب را كاهش مي دهد.

ژل يك شبكه پليمري سه بعدي است كه از شبكه اي كردن زنجير هاي پليمري حاصل و با حلال متورم مي شود. خواص مكانيكي آن شبيه به لاستيك طبيعي است با قابليت تغيير فرم زياد و برگشت پذيري تقريباً كامل، ژل هاي مورد استفاده در بازيافت نفت، هيدروژل ها هستند كه شبكه هاي پليمري در آب متورم مي شوند و مقدار قابل ملاحظه اي آب را در ساختارشان نگه مي دارند، اما در آب حل نمي شوند. اين ژل ها حدوداً شامل 3-5/0 درصد پليمرهاي محلول در آب شبكه اي شده است كه آب را 5/99-97 درصد در حالت تعادلي نگه مي دارد. چنانچه ژل در معرض نيروهايي قرار گيرد كه درجه شبكه اي شدن يا طبيعت آن را تغيير دهد مي تواند باعث به هم خوردن اين تعادل شود كه معمولاً حاصل آن انقباض و خروج آب از ژل است. اين مشخصه syneresis ناميده مي شود كه غالباً در بسياري از سيستم هاي ژلي ميدان نفتي مشاهده شده است. ژل بر اثر انقباض به ذرات كوچكتري كه شكننده هستند، تبديل مي شود. همچنين اگر مقدار شبكه اي كننده اضافي بخصوص يون هاي فلزي استفاده شوند ممكن است پديده syneresis اتفاق بيافتد.

سيستم هاي هيدروژلي مختلف را مي تواند به دو گروه اصلي، سيستم هاي پليمر/شبكه اي كننده فلزي و پليمر/ شبكه كننده آلي تقسيم كرد. گر چه ژل شدن پليمر هاي محلول در آب مي تواند با استفاده از يون هاي فلزي چند ظرفيتي مثل كروم، آلومينيوم III و كروم III به طور كامل بررسي شده و در اصلاح ميدان نفتي مورد استفاده قرار گرفته است. شبكه اي كردن فلزي از طريق اتصال يوني بين يون هاي فلزي چند ظرفيتي مثبت و محل هاي با بار منفي پليمر مانند گروه هاي كربوكسيلات PHPA يا بايوپليمرها اتفاق افتد.

اولين بار ژل شدن پلي اكريل آميد ها با استفاده از سيترات آلومينيوم به عنوان عامل شبكه اي كننده در سال 1974 گزارس گرديد. از آن به بعد اين سيستم ژلي در چند منطقه با موفقيت اقتصادي بالا بكار رفته است. فرآيند سيترات آلومينيوم نيازمند slug هاي متناوب محلول پلي اكريل آميد جزئي هيدروليز شده و محلول سيترات آلومينيوم در آب تازه است. سون سيترات از هيدروليز آلومينيوم III جلوگيري مي كند. هيدورليز آلومينيوم III ايجاد رسوب هيدروكسيد آلومينيوم مي نمايد كه در اين صورت يون فلزي قادر به شبكه اي كردن پلي اكريل آميد نخواهد بود، يون هاي سيترات همچنين با آلومينيوم تشكيل كمپلكس مي دهند كه به آهستگي آلومينيوم III را براي سبكه اي شدن پليمر آزاد مي كند. اگر سيترات آلومينيوم از قبل با محلول پليميري مخلوط شود عمق نفوذ آن در داخل سازند بخاطر سرعت بالاي تشكيل ژل محدود خواهد بود. اين مساله دليل تزريق متناوب محلول پليمر و سيترات آلومينيوم و يكي از اسكالات اين سيستم است. اشكال مهم ديگر وجود يون هاي دو ظرفيتي موجود در آب است كه سبب مي شود آلومينيوم / پلي اكريل آميد قبل از ژل شدن، رسوب كند. اين سيستم ژلي در آب تازه تا حداقل دماي 85 متناسب است. ژل شدن پليمر هاي محلول در آب با كروم III به طور گسنرده مورد مطالعه قرار گرفته است كه اساساً شامل دو سيستم پليمر / دي كرومات / عامل احيا كننده و پليمر / سيستم كروم كمپلكس شده مي باشد. كروم موجود در كرومات به حالت VI است و در اين حالت قادر به شبكه اي كردن پليمر نيست. عامل احيا كننده با دي كرومات تشكيل تكه هاي فعال كروم III را مي دهد و ژل شدن از طريق ايجاد اتصال يوني آغاز مي شود.

Southord و همكارانش شيمي واكنش هاي ريداكس را بررسي كردند. در اين سيستم سرعت تشكيل ژل به يرعت واكنش ريداكس بستگي دارد و به اين ترتيب سرعت تشكيل ژل كنترل مي شود كه براي استفاده دز بازيافت نفت مناسب است. سيستم پلي اكريل آميد / دي كرومات / احيا كننده مي تواند در آب نمك هاي سختي قابل ملاحظه در درجه حرارت هاي 66 مورد استفاده قرار گيرد. با اين وجود نمك هاي داراي باريم مي تواند سبب ايجاد دي كرومات پتاسيم نامحلول شود و حضور آهن فرو و S مي تواند سريعاً باعث تشكيل ژل از طريق احياي دي كرومات به كروم III گردد. به دليل اينكه ذرات كروم III سرطان زاست سيستم دي كرومات / احيا كننده كمتر مورد توجه قرار گرفته و تلاش هاي تحقيقاتي اخير در جهت پيشرفت عامل شبكه اي كننده بر پايه كروم III قرار گرفته است. اصولاً تركيبات كروم III كي ليت شده مورد توجه واقع شده اند.

Mumallah و همكارانش و مالونات كروم و پروپيونات كروم را به شكل تركيبات كروم III كي ليت شده آلي تهيه كردند و Smith و Sydansk تركيبات استات كروم را به وجود آوردند. يون هاي كي ليت شده مانند استات، مالوناتپروپيونات، ذرات بسيار فعال كروم را با تشكيل كمپلكس كربوكسيلات كروم III كه به صورت كورديناس كووالانس اتصال يافته، محافظت مي كنند و از اين رو باعث تاخير در سيستم ژل مي شوند. اعتقاد بر اين است كه ژل شدن از طريق پروسه تبادل ليگاند رخ مي دهد. سرعت واكنش شبكه اي شدن پليمر تبادل ليگاند از سرعت تجزيه ليگاند كمپلكس كروم III تعيين مي شود. Lockhart و همكارانش در گزارش خود آوردند كه پروسه تبديل ليگاند بين PHPA و كروم III كمپلكس شده آلي از syneresis ژل در دماي بالاتر جلوگيري مي كند. Sydnsk گزارش داد كه ژل كردن مخلوط پلي اكريل آميد با وزن مولكولي پايين (5/0 درصد مولي هيدروليز) و استات كروم در آب درياي مصنوعي در دماي 124 سه ساعت طول مي كشد و ژل حاصل به مدت 900 روز پايدار است. عمومي ترين سيستم پليمر / عامل شبكه اي كننده آلي بكار رفته در بازيافت نفت، بر اساس واكنش كندانسيون معروف فنل يا فرم آلدئيد است. سيستم گل پلي اكريل آميد / فنل / فرم آلدئيد كه بعداً مي تواند با گروه آميدي پليمر، كندانس شده و تشكيل يك شبكه سه بعدي بدهد همچنين از كندانسيون گروه آميدي پليمر با دي ال متيلين كه از طريق واكنش فرم آلدئيد با آب تشكيل مي شود. تركيب حاصل مي تواند با فنل هيدروكسي متيل كندانس شده و تشكيل يك شبكه سه بعدي دهد. هر چند واكنش هاي ژل شدن در اين سيستم به درجخ حرارت هاي بالاي 70 نياز دارد و همو پليمر هاي اكريل آميددر اكثر آب نمك هاي مناطق نفتي در دماي بالاتر از آن ناپايدار است. بنابر اين از پليمر هاي سنزي خاصي كه در درجه حرارت هاي بالاتر باشند مانند پليمر هاي HE استفاده مي شود. اين ژل ها با سيستم شبكه اي كننده آلي فنل / فرم آلدئيد حتي بعد از كهنگي به مدت 7 سال در درجه حرارت هاي بالاي 121 و شرايط نمك بالا (آب دريا) پايدارند.

با وجود اين، نگراني هايي در مورد سميت فنل و سزطان زايي فرم آلدئيد وجود دارد. بدين ترتيب Moradi Araghi از چند تركيب آلي با سميت نسبتاً پايين براي توليد ژل استفاده و گزارش كرد كه مخلوط ژل شونده پليمر HE (كوپليميري از اكريل آميد كه از نظر هيدروليتيكي پايدار است) و هگزامتيلن تترآمين / متيلن – هيدروكسي بنزوآت در آب درياي مصنوعي، طي مدت 71 روز در دماي 121 ژل شد و زماني كه آزمايش پايان يافت ژل حاصل به مدت هزار روز پايدار بوده است. سيستم هاي شبكه اي ككننده آلي سرعت ژل شدن قابل كنترلي دارند و از آن جا كه سيستم هاي آلي از طريق اتصالات كووالانسي ژل مي شوند، مي تواند آنها را طوري طراحي كرد كه در برابر Syneresis در درجه حرارت هاي بالا كه پليمر محلول در آب از نظر هيدروليكي پايدار است، مقاومت كند.

كاربرد ژل

اصلاح چاه توسط ژل معنولاً شامل تزريق محلول پليمري 3% - 5/0 % و ماده شبكه اي كننده است. در بعضي مواقع مواد شيميايي شبكه اي كننده به طور متوالي تزريق مي شوند. روش هاي اصلاحي ديگر مستلزم پليمرزاسيون در جا از طريق تزريق منومرها و مواد شبكه اي كننده بداخل سازند است. معمولاً يك تركيب دي وينيل مانند بيس اكريل آميد به عناون عامل شبكه اي كننده در پليمرازسيون در جا يك ژل به غلظت پليمر و عامل شبكه اي كننده بستگي دارد. مقدار شبكه اي كننده طوري انتخاب مي شود كه محلول پليمري همين كه مقصد نهايي اش در مخزن برسد به ژل تبديل مي شود. زماني كه حجم اصلاح، كوچك است و شعاع كمتر 5/30 متر را در اطراف چاه در برگيرد به آن اصلاح در نزديكي چاه گفته مي شود معمولاً ژل هاي از قوي مانند ژل هاي با قدرت تنسايل و مدول الاستيستي بالا در اصلاحات نزديك چاه مورد استفاده قرار مي گيرند. چنانچه مدت زمان ژل شدن بقدر كافي آهسته باشد، محلول ژل شونده قادر است تا قبل از بي حركت شدن به فاصله چند صد فوت از چاه جابجا شود كه به آن اصلاح در عمق مي گويند. چنين اصلاحاتي با غلطت كم پليمر و عامل شبكه اي كننده قابل انجام است و ميكروژل توليد مي كند.