ارسل ملاحظاتك

ارسل ملاحظاتك لنا







الرئيسية > دور تقنيات النانو في الحد من ا...>الوصف

دور تقنيات النانو في الحد من التأثيرات البيئية: استخدام الجسيمات النانوية البولي إلكتروليت متعددة الطبقات لتحسين إنتاجية الآبار النفطية

العنوان بلغة أخرى: The Role of Nanotechnology in Reducing Environmental Impacts: Using Polyelectrolyte Multilayered Nanoparticles (Pems) to Improve Oil Wells Productivity
المصدر: مجلة النفط والتعاون العربي
الناشر: منظمة الاقطار العربية المصدرة للبترول - الأمانة العامة
المؤلف الرئيسي: الهاجري، مبارك محمد (مؤلف)
المؤلف الرئيسي (الإنجليزية): Alhajeri, Mubarak Mohammed
المجلد/العدد: مج47, ع178
محكمة: نعم
الدولة: الكويت
التاريخ الميلادي: 2021
الصفحات: 91 - 155
رقم MD: 1295560
نوع المحتوى: بحوث ومقالات
اللغة: العربية
قواعد المعلومات: EcoLink
مواضيع:
التأثيرات البيئية | تقنيات النانو | البولي إلكتروليت | الآبار النفطية
رابط المحتوى:
PDF (صورة)     
صورة الغلاف QR قانون

عدد مرات التحميل

20

حفظ في:
المستخلص: تعد عمليات التكسير الهيدروليكي من الممارسات الشائعة الاستخدام في صناعة النفط والغاز لتعزيز الإنتاج، حيث تتم معالجة التكسير الهيدروليكي كأحد تقنيات تحفيز الآبار في الخزانات منخفضة النفاذية والتكوينات الصخرية الضيقة على ضخ كميات كبيرة من السوائل (الماء والرمل والبوليمرات ومخاليط المواد المضافة الكيميائية) إلى أسفل البئر عند ضغط مرتفع للغاية. وطبقا لمبادئ وقوانين ميكانيكا الموائع (المكونات الهيدروليكية)، حيث تعمل هذه الموائع على خلق شروخا صغيرة في التكوينات الصخرية تسمى الكسور، مما يسمح لسوائل الخزان مثل الغاز الطبيعي والبترول والماء الملحي بالتدفق من التكوينات الضيقة. وتجد الإشارة بأن ما يقرب من ثلثي السوائل الهيدروليكية المستخدمة في عمليات التكسير الهيدروليكي هي عبارة عن بوليمرات قائمة على مركب الغوار Polymer-Guar-base حيث تصنف بأنها الأكثر شيوعا نظير تكلفتها التشغيلية المنخفضة وقابليتها العالية للذوبان في المياه وسهولة التعامل معها. وعلى الرغم من وجود أنواع أخرى من السوائل، مثل مستحلبات البوليمر المائية في الزيت والرغاوي المائية، فقد تم تصميمها جميعا لتعزيز تكوين الكسور عن طريق حمل الدعامات Proppant-وكذلك تقليل تأثيرها في إتلاف طبقات التكوين الصخرية. ويتم ربط البوليمرات القائمة على الغوار بواسطة أيونات معدنية، مثل البورات، لتكوين سوائل ذات لزوجة عالية لتتم عملية التكسير الهيدروليكي في إحداث الكسور في التكوينات الصخرية وكذلك حمل مادة الدعامات ونقلها داخل الكسور الضيقة. ولتقليل أضرار عمليات تكوين الكسور، تضيف شركات خدمات حقول النفط والغاز قواطع عالية التركيز تتكون من إنزيمات ومؤكسدات في السوائل لتحلل المواد الهلامية البوليمرية. والمؤكسدات هي مواد خطرة تشكل تهديدا على الصحة العامة والبيئة. لذلك يفضل استخدام قواطع الإنزيم Enzyme-breaker-على المؤكسدات في الحد من التأثيرات الصحية والبيئية لعملية التكسير كونها صديقة للبيئة. وبالإضافة إلى كونها حميدة بيئيا، فإن قواطع الإنزيم تتميز بأنها منخفضة التكلفة وغير قابلة للتآكل وسهلة التعامل معها وهي آمنة للشحن والنقل. وتهدف طرق الحقن المختلفة والمستخدمة في هذا المجال إلى زيادة التحكم في القواطع العالية التركيز وذلك لتحسين عملية تنظيف الكسر والشقوق في الطبقات الصخرية. ومع ذلك، غالبا ما يكون كفاءة أداء الطرق الحالية ضعيفا بسبب التنظيف غير الفعال للكسر أو التدهور المبكر لقواطع الإنزيمات في أسفل البئر.

وعلى مدى العقود الماضية، تم تكييف التقنيات الحديثة على نطاق واسع في مجالات مختلفة في صناعة النفط والغاز والتي تتضمن المراحل الأولى في استكشاف وإنتاج النفط والغاز، وحتى مرحلة تكرير النفط الخام والمنتجات الكيميائية. وتعد تقنية النانو من أنواع التكنولوجيا الحديثة التي اكتسبت مؤخرا قدرا كبيرا من الاهتمام. وتعرف تقنية النانو بأنها تطبيق للمواد النانوية ذات بعد واحد على الأقل في نطاق من 1 إلى 100 نانومتر. أي الاستفادة من نسبة السطح إلى الحجم العالية والتشغيل النوعي العالي للسطح، حيث تساعد تقنية النانو في إنتاج مواد لها خصائص مختلفة تماما عن المواد الأصلية. وتعتبر تقنية النانو وتطبيقاته مجال بحث نشط في جميع المجالات الهندسية، ولا نستثني من ذلك مجال هندسة البترول. كما يبذل العديد من الباحثين قصارى جهدهم لإحداث ثورة صناعية من خلال الاستفادة من تكنولوجيا النانو لإيجاد حلول للتحديات التي تواجهها التكنولوجية الحالية في صناعة النفط والغاز. ومنذ ظهور هذه التكنولوجيا، تم استخدام المواد النانوية على نطاق واسع في مجالات مختلفة بما في ذلك الحفر والإكمال وإصلاح الآبار والتحفيز ومعالجة مياه الصرف الصحي. وتعتبر تقنية النانو في مقدمة المواضيع البحثية النشطة حاليا وخاصة في مجال التكسير الهيدروليكي. وفي هذه الدراسة، تم تطوير جسيمات النانوية من البولي إلكتروليت- Polylectrolyteمتعدد الطبقات عن طريق آلية الترسيب من طبقة إلى طبقة Layer-by-Layer كطريقة لتغليف قواطع الإنزيم بحيث تؤخر إطلاق المادة الفعالة، كنوع من الإطلاق المستهدف والمحكم لقواطع الإنزيم في عمليات التكسير الهيدروليكي. وتم تجميع البولي إلكتروليت متعدد الطبقات- Polyelectrolyte-Multilayers (PEMs) عن طريق الامتصاص الكهروستاتيكي للعديد من البوليميرات التي تحمل مجموعات أيونية متعددة الشحنات الكهربائية (شحنات كهربائية موجبة وسالبة) باستخدام التركيب الغرواني للجسيمات النانوية المتكونة من مجموعات البولي إلكتروليت-Polyelectrolyte-Complexes (PECs) كنواة لبناء الطبقات الأيونية. حيث يتم إدخال تركيزات عالية من قواطع الإنزيم في مركب البولي إيثيلين أمين-Polyrthyleneimine (PEl) وهو محلول بولي إلكتروليت ذو شحنة كهربائية إيجابية، بغرض تكوين جسيمات نانوية PECs بوجود كبريتات ديسكتران Dextran-Sulfate (DS)-، وهو محلول بولي إلكتروليت ذو شحنة كهربائية سالبة. وباستخدام التركيزات الصحيحة وظروف الأس الهيدروجيني، وتم تجميع البولي إلكتروليت متعدد الطبقات بالتناوب بترسيب البولي إيثيلين أمين مع محلول كبريتات ديسكتران في التركيب الغرواني الدقيق لتجمعاتPEL-DS . وتم اختبار استقرار وإعادة إنتاج البولي إلكتروليت متعدد الطبقات بمرور الوقت. ويوضح هذا العمل أهمية الجسيمات النانوية للبولي إلكتروليت متعددة الطبقات كتقنية للإطلاق المستهدف والمحكم للإنزيمات بناء على قدرتها الفائقة على حمل تركيزات عالية من قواطع الإنزيم وكذلك كفاءة الجسميات النانوية على التحكم في إطلاق الإنزيم المحمول، وتم تقييم كفاءة الاحتجازEntrapment-Efficiency(%EE) للجسيمات النانوية للبولي إلكتروليت متعدد الطبقات باستخدام طرق قياس التركيز مثل مقايسات اللزوجة. كذلك تم تحديد التوزيع المورفولوجي والحجم على مستوى النانومتر لكل من PECs وPEMs باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ Trandmission-Electron-Microscope(TEM)، وتم التحكم في تأخير إطلاق قواطع الإنزيم المحتجز داخل البولي إلكتروليت متعدد الطبقات على مدى فترات زمنية أطول (18 ساعة) من خلال تقليل اللزوجة، ومعامل المرونة لغوار الهيدروكسي بروبيل Hydroxypropyl-guar(HPG).

وكشفت اختبارات موصلية الكسر Conductivity-testعلى المدى الطويل عند 40 درجة سيليزية وتحت ضغوط الاختبار البالغة 1000 و 2000 و 4000 رطل لكل بوصة مربعة عن كفاءة عالية في تنظيف الكسر لسائل التكسير الممزوج بالجسيمات النانوية المحملة بالإنزيم. ويشير تحسن موصلية الكسر المحتجزة من 25% إلى 60% إلى تأثير التوزيع المتحكم فيه للجسيمات النانوية في قالب المرشح وعلى طول وجه الكسر بالكامل على عكس الإنزيم الحر (الغير المحتجز) الممزوج عشوائيا في سوائل التكسير الهيدروليكي. وتم العثور على موصلية الكسر المحتجزة بنسبة 34% لأنظمة السوائل التي تحتوي على تجمعات مركب البولي إلكتروليت التقليدية المحملة بالإنزيم. بالإضافة إلى ذلك، أظهر البولي إلكتروليت متعدد الطبقات والمحمل بالإنزيم توزيعا محسنا للجسيمات النانوية على طول الكسر، وقدرة تحميل عالية، وكفاءة احتجاز في التركيب الغرواني، وإطلاقا مستداما للإنزيم عبر المغلف المتعدد الطبقات للجسيمات النانوية. ويمنح تغليف القواطع مرونة في استخدام تركيزات عالية من قواطع الإنزيم دون المساس بخصائص السوائل أثناء معالجة التكسير الهيدروليكي، وبالتالي يؤدي بشكل فعال إلى تنظيف الكسور المتكونة من بقايا الهلام المركز. كما تمت دراسة خصائص تسرب السوائل للجسيمات النانوية للبولي إلكتروليت متعدد الطبقات إلى التكوينية الصخرية في ظل ظروف ثابتة باستخدام خلية فقدان السوائل عالية الضغط Fluid-loss-cell. وتم ترشيح HPG الممزوج بالجسيمات النانوية على المقابس الأساسية ذات النفاذية المماثلة. وتمت دراسة إضافة الجسيمات النانوية متعددة الطبقات إلى سائل التكسير لتحسين تأثير منع فقدان السوائل بشكل ملحوظ. وتم تحديد قيم معامل التسريب والتي تسبب حجم ترشيح أقل من تلك التي تحتوي على محلول أساسي متشابكة. وكشفت تأثيرات التجسير المعقدة من PEL-DS في زيادة كثافة وسماكة قالب كعكة الترشيح كدلالة واضحة على التشتت المتجانس نسبيا للجسيمات ذات الحجم المناسب في قالب المرشح.

Hydraulic fracturing is a common practice in the oil and gas industry to boost production, with hydraulic fracturing being treated as a technique for stimulating wells in low-permeable reservoirs and narrow rock formations to pump large amounts of liquids (e.g. water, sand, polymers and chemical additive mixtures) down into the well at extremely high pressure. In accordance with the principles and laws of fluid mechanics (hydraulic components), these fluids create small cracks in rock formations called fractions, allowing reservoir fluids such as natural gas, oil and salt water to flow from the narrow formations. It is noted that nearly two thirds of the hydraulic fluids used in hydraulic fracturing process are Guar-based polymers, which are classified as the most common type due to their low operational cost, high water solubility and ease of handling. It also has a minimal impact in terms of damages of rock formation layers. Guar-based polymers are connected by metal ions, such as borate, to form high-viscosity liquids for hydraulic fracturing to cause fractures in rock formations as well as carrying and transporting proppants into the created fractures. To minimize the damage to fracture formation processes, oil and gas field service companies add high-concentration breakers consisting of enzymes and fluid oxidants to decompose polymer gels. Oxidants are hazardous substances that pose a threat to public health and the environment. Therefore, it is preferable to use enzyme-breaker types over oxidants to reduce the health and environmental impacts. Although this type of breakers are environmental friendly, it comes at a price of ineffective break-up or early deterioration of enzyme cutters at the bottom of the well causing lower production efficiencies.

Over the past decades, modern technologies have been widely adapted in various areas of the oil and gas industry, including the early stages in oil and gas exploration and production, and even the refining phase of crude oil and chemical products. Nanotechnology is a type of modern technology that has recently gained a great deal of attention. Nanotechnology is defined as an application of nano-materials with at least one dimension in a range of 1 to 100 nm. That is, taking advantage of the high surface-to-size ratio and the high qualitative operation of the surface, where nanotechnology helps produce materials that have completely different characteristics from the original materials. Nanotechnology and its applications are an active field of research in all engineering fields, and definitely not to exclude petroleum engineering. Many researchers are also doing their best to revolutionize industry by leveraging nanotechnology to find solutions to the challenges current technology faces in the oil and gas industry. Since the advent of this technology, nanomaterials have been widely used in various areas including drilling, completion, well repair, stimulation and wastewater treatment. Nanotechnology is currently at the forefront of research, particularly in hydraulic fracturing. In this study, polylectrolyte multilayers (PEMs) nanoparticles were developed through layer-by-Layer sedimentation mechanism as a way to encapsulate enzyme breakers to delay the release of the active substance, as a kind of targeted and controlled launch of enzyme cutters into hydraulic fracturing processes. By electrostatic absorption of many polymers carrying multi-charge ion groups (positive and negative electrical charges) using the colloidal composition of nanoparticles made up of polyelectrolyte-Complexes (PECs) as the nucleus of the construction of ion layers. High concentrations of enzyme breakers are inserted into polyethyleneimine (PEI), a poly-electrolyte solution with a positive electrical charge, for the purpose of forming nanoparticles PECs with Dextran-Sulfate (DS), a poly-electrolyte solution with a negative electrical charge. Using correct concentrations and pH conditions, multi-layer polyelectrolyte was alternately assembled with a polyethylene deposition on the dextran sulfate outer layer of the PEI-DS clusters. The stability and reproduction of polyelectrolyte multilayer has been tested over time. This work illustrates the importance of polyelectrolyte nanoparticles as a technique for targeted and binding release of enzymes based on their superior ability to carry high concentrations of enzyme breakers as well as the efficiency of nanoparticles in controlling the release of the mobile enzyme. Nanoparticles of polyelectrolyte are multilayered using concentration measurement methods such as viscosity measurements. The morphological distribution and size at the nanometer level of both PECs and PEMs were also determined using transmission-Electron-Microscope (TEM). Delayed release of enzyme breakers held within polyelectrolyte multilayers over longer periods of time (18 hours) was controlled by reducing viscosity and hydroxypropyl-guar (HPG) elastic modulus (e.g. shear and viscous modulus).

Long-term Conductivity-test break conductivity tests at 40 C degrees and under test pressures of 1,000, 2000 and 4,000 pounds per square inch revealed high clean-up efficiency in cleaning the breakage of fracking fluid mixed with enzyme-loaded nanoparticles. The improvement in retained fracture conductivity from 25% to 60% indicates the effect of controlled distribution of nanoparticles in the filter cake and along the entire face of the fracture, unlike the free enzyme (unloaded) randomly mixed in fracking fluids. A 34% retained fracture conductivity was found for fluid systems containing traditional enzyme-loaded polyelectrolyte compound clusters. In addition, polyelectrolyte multilayered and enzyme-carrying showed improved distribution of nanoparticles along the breakage, high loading capacity, colloidal retention efficiency, and sustainable release of the enzyme through the multilayer envelope of nanoparticles. The higher loading capacity gives flexibility in the use of high concentrations of enzyme breakers without compromising fluid properties during hydraulic fracturing treatment, thus effectively cleaning up fractures made up of concentrated gel residues. The properties of fluid leakage of polyelectrolyte nanoparticles into the formation were also studied under constant conditions using fluid-loss-cell high-pressure. HPG mixed with nanoparticles was filtered on similar permeable core plugs. The addition of multilayered nanoparticles to fracking fluid was found to significantly improve the effect of preventing fluid loss. Leak coefficient values that cause less filtration volume than those with a tangled primary solution were also studied. The effects of complex bridging effects from PEI-DS revealed increased density and thickness of the filter cake as a clear indication of the relatively homogeneous dispersion of appropriately sized particles in the filter cake wall.

عناصر مشابهة


© 2024 المنظومة. جميع الحقوق محفوظة.