هیچ محصولی در سبد خرید نیست.
در ابتدای توضیح انتقال نفت خام سنگین و قیر طبیعی، باید گفت که طبق اعلام موسسه انرژي ایالات متحده، آژانس بین المللی انرژي IEA و انجمن جهانی انرژي تقاضا بـراي انرژي همراه با افزایش جمعیت جهان به طور سالیانه افزایش می یابد. تقاضاي جهانی براي نفت خـام در طـی 20سال گذشته از 60 میلیون بشکه در روز به 84 میلیون بشکه در روز افزایش یافته اسـت.
در گذشـته، به دلیل هزینه هاي زیاد استخراج، انتقال، پالایش و قیمت کم در بازار، تولید نفت خام سنگین و قیر طبیعـی غیر اقتصادي ارزیابی می شد. از سوي دیگر، کاهش منابع نفتی متوسط و سبک همراه بـا تقاضـاي روزافـزون انرژي در جهان انگیزه اي براي استخراج و بهره برداري از این منابع هیدروکربنی شده است. در کانـادا، حـدود 700000 بشکه در روز نفت سنتزي از نفت خام سنگین و شنهاي نفتی تولید شده و از طریق خطوط لولـه به پالایشگاه هایی در کانادا و امریکا منتقل می شود.
استخراج و فرآوری نفت خام هاي سنگین و قیر طبیعی به دلیل گرانـروي (به عبـارت دیگـر مقاومـت در برابـر جریان یافتن) زیاد آنها در شرایط مخزن، که موجب کم شدن قابلیت جابجایی آنها مـی شـود ، و همچنـین نسبت هاي زیاد کربن به هیدروژن، سخت و دشوار است. با این وجود بـا افـزایش قیمـت نفـت خـام، کـاهش ذخایر نفت خام متوسط و سبک و فراوانی نفت خامهاي غیر متعارف (یعنی نفـت هـاي سـنگین و شـن هـاي نفتی یا قیر طبیعی) استخراج و بهره برداري از این منابع مورد توجه قرار گرفته اسـت .
بـا ایـن وجـود، بهـره برداري از منابع نفت خام سنگین و قیر طبیعی به لحاظ تکنولـوژي در تمـامی مراحـل از جملـه اسـتخراج و تولید از مخزن تا انتقال و پالایش در پالایشگاه با مشکلات متعددي همراه است. به دلیل چگـالی و گرانـروي زیاد نفت خام سنگین و قیر طبیعی (گرانروي بیشتر از cP 1000) و قابلیت جابجـایی بسـیار کـم در دمـاي مخزن، انتقال آنها از طریق خطوط لوله معمولا با چالش همراه خواهد بود.
انتقال و پالایش این ترکیبات بـه دلیل حضور رسوب آسفالتین، فلزات سنگین، گوگرد و نمک با استفاده از روش هاي متداول پالایشی و بـدون ارتقاء کیفیت اولیه آنها به منظور رسیدن به خصوصیات معمول نفت خام سـبک بسـیار دشـوار خواهـد بـود.
گرانروي زیاد 10 cP تا 6 و میزان API کم نفتهاي سنگین (در مورد نفت سنگین کمتر از 20 و براي نفت فوق سنگین کمتر از 10 ) از میزان زیاد آسفالتین و سهم نسبی کم ترکیبـاتی بـا جـرم مولکـولی کم ناشی می شود. نفت خام هاي سنگین و فوق سنگین ممکن اسـت حـاوي مقـادیر زیـادي گـوگرد، نمـک و فلزاتی از قبیل نیکل و وانادیم باشند. انتقال ایـن ترکیبـات از طریـق خـط لولـه همـراه بـا مشـکلاتی نظیـر ناپایداري آسفالتینها، رسوب پارافین و گرانروي زیاد که موجب ایجاد جریان چندفازي، گرفتگی لوله ها، افت فشارهاي زیاد و ایجاد وقفه در مسیر تولید شود. با این وجود، این دسته از مواد نفتی توجه رو به رشدي را از سوي صنعت نفت به خود جلب کرده است. روند موجود در افزایش بهره برداري از نفـت خـام سـنگین و قیـر طبیعی به علت کاهش ذخایر نفت خام متوسط و سبک، عرضه محدود و افزایش قیمت نفت خام بوده اسـت .
در حال حاضر کانادا و ونزوئلا اصلی ترین کشورهایی هستند کـه از ذخـایر نفـت خـام سـنگین بهـره بـرداري می کنند. 95درصد نفت خام سنگین تولید شده در کانادا و ونزوئلا از طریق خطوط لوله انتقال می یابد. علت این امر آن است که خط لوله کم هزینه، سازگار با محیط زیست و موثرترین ابزار جهت انتقال نفت خام از میدان بهره برداري تا پالایشگاه است.
روشهاي بازیافت اصلی مانند روش بازیافت اولیـه، کـه بـه انـرژي طبیعـی موجـود در مخـزن بـراي بیـرون فرستادن نفت خام از چاه وابسته است، جهت برداشت نفت خام سنگین و قیر طبیعی ناکافی است کـه علـت این موضوع نیز گرانروي بینهایت زیاد و مقاومت سیال در برابر جـاري شـدن اسـت . بنـابراین، بعـد از انجـام روشهاي اولیه و ثانویه بازیافت جهت تولید و استخراج نفت باقیمانده روش هـاي ازدیـاد برداشـت از طریـق اعمال انرژي گرمایی یا تزریق یک سیال مورد استفاده قرار می گیرد. روشهاي ازدیـاد برداشـت بـه طـور کلی به روش هاي گرمایی، به کارگیري حلال (هیدروکربنهاي سبک، گـاز، دي اکسـید کـربن، نیتـروژن و …)، شیمیایی (تزریق مواد سـورفکتانت، ترکیبـات آلکـالین، مـواد پلیمـري و …) و روشهـاي بیولـوژیکی تقسـیم گرانروي نفت خام سنگین و قیر طبیعی، بر خلاف سایر روشهاي غیر حرارتی که روند کاهش گرانروي کاملا آهسته و وابسته به میزان انتشار و پراکندگی مایعات خواهد بود، به سرعت تا چندین مرتبه کاهش مـی یابـد .
در این میان متداولترین روش حرارتی ازدیاد برداشت کـه در صـنعت نفـت مـورد اسـتفاده قـرار مـی گیـرد،
1 – سیلزنی بخار، چرخه تشدید بخار
2- (CSS) ،تزریق بخار همراه با جـدایش ثقلـی
3- (SAGD) ،احتـراق درجـا
4- (ISC )،روش تزریق هوا و ایجاد آتش (THAI )است.
در تمام ایـن مـوارد هـدف افـزایش قابلیـت حرکـت و تحرك نفت خام سنگین و قیر از طریق کاهش گرانروي به منظور بهبود بازیابی یا تولید و به دنبـال آن بهبـود شرایط انتقال از طریق خط لوله است. تمایل موجود به بهره برداري از منابع نفت خام سنگین و قیـر طبیعـی در صنعت نفت منجر شده تا به مرور روشها و تکنولوژيهاي مختلفی جهت انتقال این ترکیبات توسعه یابد.
نکته مهم در مورد نفت خام سنگین سهم بالاي ترکیباتی با وزن مولکولی بالا از جمله آسفالتینهـا اسـت . در همین راستا ممکن است مشکلاتی به دلیل ناپایداري آسفالتین از قبیل ایجاد رسوب آسفالیتن در اثر کـاهش فشار تا زیر فشار شروع رسوب آسفالتین به هنگام انتقال نفت خام سنگین بـروز نمایـد.همچنـین بـروز گرفتگی در دیواره لوله در نتیجه ته نشینی آسفالتین نیز ممکن است رخ داده که موجب کاهش سطح مقطـع لوله براي عبور سیال نفتی شده و ضمن کاهش شدت جریـان، موجـب افـزایش افـت فشـار و ایجـاد جریـان چندفازي می شود.
روشهاي مختلفی به منظور بهبود و تسهیل انتقال نفت سـنگ ین از طریـق خـط لولـه وجـود دارد کـه از آن جمله می توان به پیش گرم کردن نفت در کنار گرم نمودن خط لوله، اختلاط و رقیق سازي نفت با استفاده از هیدروکربنهاي سبک، تشکیل امولسیون نفت سنگین در آب، ارتقاء کیفیت نسبی و ایجاد جریان حلقوي در مرکز لوله اشاره نمود.
در این مقاله سعی شده است تا تکنولوژيهاي مختلف موجـود بـراي انتقـال نفـت خام سنگین از نظر مزایا و معایب هر روش مورد بررسی شده است با این هـدف کـه بتوانـد در جهـت انجـام تحقیقات و آزمایشهاي تکمیلی به منظور رسیدن به راه حلی عملی براي بهبود انتقال اقتصادي نفـت سـنگین مورد استفاده قرار گیرد.
به منظور انتقال بهینه و اقتصادي نفت خام سنگین، می بایست از طریق کم کردن افت فشار خط لولـه تـوان مورد نیاز پمپ جهت پمپاژ نفت در یک مسیر طولانی را به حداقل رساند. با ایـن وجـود، بـه علـت گرانـروي بالاي این ترکیبات در شرایط مخزن در مقایسه با نفـت خـام هـاي سـبک معمـول، اسـتفاده از خطـوط لولـه متداول جهت انجام انتقال نفت خام سنگین و قیر طبیعی به پالایشگاه مناسب نبوده و حتما می بایست ابتـدا گرانروي این ترکیبات کاهش یابد. همانطوري که در شکل نیز نشان داده شـده اسـت، بـه طـور کلـی روشهاي مورد استفاده جهت بهبود انتقال نفت سنگین و قیر طبیعی از طریق خط لوله را مـی تـوان بـه سـه دسته تقسیم نمود:
شکل 1 .دسته بندي روشهاي مختلف بهبود انتقال نفت سنگین و قیر طبیعی با استفاده از خط لوله
الف- کاهش گرانروي (براي مثال پیشگرم نمودن نفت خام سنگین و قیر طبیعی و به دنبال آن گرم نمـودن خط لوله، اختلاط و رقیقسازي به کمک ترکیبات هیدروکربنی سبک یا حلال، ایجاد امولسیون نفت در آب و 1 کاهش نقطه ریزش نفت بهوسیله عامل کاهش دهنده نقطه ریزش ،(PPD)
ب- کاهش اصطکاك (براي مثال روانکاري خط لوله با استفاده از یک جریان مرکزي از افزودنیهاي کـاهش
دهنده اصطکاك)
ج- ارتقا و تبدیل درجاي
نفت سنگین و تولید یک نفت مصنوعی با گرانروي و درجه API بهبود یافتـه و بـا کمترین میزان آسفالتین، گوگرد و فلزات سنگین.
روشهاي کاهش گرانروي
رقیق سازي
رقیق سازي نفت خام سنگین بـه منظـور کـاهش گرانـروي یکـی از ابزارهـاي بهبوددهنـده انتقـال از طریـق خطلوله است که به عنوان یک روش معمول از دهه 1930 در صنعت نفـت اسـتفاده مـی شـود . سـیال رقیـق کننده همیشه نسبت به نفت خام سنگین و قیر طبیعی از گرانروي کمتري برخوردار است. به خوبی مشخص است که هرچه گرانروي سیال رقیق کننده کمتر باشد به همان میزان گرانروي مخلـوط حاصـل نیـز کـاهش بیشتري خواهد داشت. عمده ترین رقیق کننده هاي مورد استفاده میعانات گاز طبیعی، نفتا، نفـت سـفید و نفت خامهاي سبکتر می باشند. با این حال، استفاده از حلالهاي آلی از قبیل الکل، متیـل ترشـیو بوتیـل اتر، ترشیو آمیل متیل اتر نیز مورد بررسی قرار گرفته است. استفاده از این حـلال هـاي آلـی بـر اسـاس کاربرد آنها بعنوان بهبود دهنده عدد اکتان بنزین مـورد توجـه قـرار گرفـت . مخلـوطی از هیـدروکربن هـا و حلالهاي آلی که داراي گروه قطبی در ساختار مولکولی خود هسـتند، تـاثیرات مثبتـی را در جهـت کـاهش گرانروي نفت خام سنگین در میزان رقیق سازي ثابت نشان داده اند بـا اسـتفاده از رقیـق سـازي امکـان انتقال مقادیر زیادي نفت خام سنگین فراهم می شود. مخلوط حاصل از اختلاط نفـت خـام سـنگین و عامـل
رقیق کننده گرانروي کمتري داشته و در نتیجه با صرف هزینه کمتري به راحتی توسط پمپ منتقل می شـود .
رقیق سازي نفت خام سنگین به منظور بهبود بخشیدن به فرآیند انتقـال آن از طریـق خـط لولـه نیازمنـد دو سري خط لوله است، یکی براي نفت و دیگري جهت انتقال رقیق کننده بازیافت شده به ابتداي مسیر انتقـال.
البته مشخص است که استفاده از رقیق کننده جهت بهبود شرایط انتقال نفت خام سنگین تنها در صورتی که عامل رقیق سازي نسبتا ارزان و به راحتی در دسترس باشد، به لحاظ اقتصادي مقرون به صـرفه خواهـد بـود .
میزان رقیق کننده مورد نیاز براي نفت خام سنگین یا به عبارت دیگر نسبت رقیق کننده در مخلـوط نهـایی از 0 تا 20 % متغیر بوده در حالیکه در مورد قیر طبیعی این میزان در بازه 25 تا 50 %قرار می گیرد.
میعانات سبک گاز طبیعی (ترکیبات +C5 (مخلوط از هیدروکربنهاي مایع با چگالی و گرانروي کم است که به عنوان یک محصول جانبی در فرآوري گاز طبیعی بدست می آید. این میعانات که از گاز طبیعی بازیابی مـی شود به عنوان عامل رقیق سازي نفت خام سنگین و قیر طبیعی در میدان هاي نفتی کانادا و ونـزوئلا بـا هـدف بهبود شرایط انتقال این ترکیبات سنگین از طریق خط لوله مورد استفاده قرار گرفته است.
اگرچه از اخـتلاط نفت خام سنگین و قیر طبیعی با میعانات گازي گرانروي به میزان قابل توجهی کاهش می یابـد، امـا رسـوب، تفکیک و تجمع آسفالتین موجب بروز ناپایداري در حین انتقال و ذخیره سازي خواهد شـد علـت ایـن موضوع آن است که آسفالتین موجود در نفت خام سنگین در آلکانها نظیر نرمال پنتان و هپتانها نـامحلول بوده و میعانات نیز بعنوان یک نفت سبک غنی از پارافین شناخته می شود. همچنین ذرات آسـفالتین تمایـل دارند با یکدیگر برهم کنش داشته و تجمع یابند.
گرانروي مخلـوط حاصـل از نفـت و میعانـات بـه مـواردي از جمله خصوصیات نفت خام سنگین یا قیر، خصوصیات میعانات، میزان رقیق سازي، نسـبت نفـت سـنگین بـه میعانات و همچنین دماي عملیاتی بستگی دارد.
در دسترس بودن آن که وابسته به تقاضا براي گاز طبیعی است، بـه علـت تولیـد در حال رشد نفت خام سنگین و قیر طبیعی تولید میعانات بـه انـدازه اي نیسـت کـه بتوانـد پاسـخگوي نیـاز موجود جهت استفاده بعنوان رقیق کننده باشـد . همچنـین بیشـتر اجـزاي آن نیـز حـلال هـاي خـوبی بـراي آسفالتین نبوده و در نتیجه ممکن است ته نشینی و رسوب افزایش یابد. ناپایداري میعانات در هنگام ذخیره سازي نیز از دیگر محدویت هاي آن است.
در این زمینه استفاده از نفت خام سبک نیز مورد بررسی قرار گرفته اما در مقایسه با میعانـات از اثـر بخشـی کمتري در کاهش گرانروي نفت خام سنگین و قیر طبیعی برخوردار است. سازگاري نفت سبک در کنار در دسترس بودن آن در مقابل کاهش ذخایر نفـت هـاي خـام سـبک معمـولی، کـاربرد و اسـتفاده آن به عنوان ترکیب رقیق کننـده نفـت خـام سـنگین محـدود سـاخته اسـت . بـر ا سـاس مطالعـات انجـام شـده هیدروکربنهاي سبک مانند نفت سفید نیز در بهبود شرایط انتقال نفت خام سنگین و قیر طبیعـی از طریـق خط لوله موثر هستند. لدرر یک رابطه تجربی مشابه رابطه کلاسیک آرنیوس جهت تخمین گرانروي مخلـوط حاصل از اختلاط نفت خام سنگین و مواد رقیق کننده ارائه نمود. بر این اساس گرانـروي مخلـوط حاصـل محاسبه خواهد بود.
در این رابطه Vo و Vd به ترتیب کسر حجمی نفت خام سنگین و رقیق کننده، µo و µd نیز به ترتیب گرانروي نفت خام سنگین یا قیر و رقیق کننده هستند. α نیز یک ثابت تجربی بوده که مقـدار آن بـین 0 تـا 1 متغیـر است. شو فرمولی تجربی را جهت تعیین ثابت α براي مخلوط حاصل از اختلاط نفت خام سنگین یـا قیـر بـا رقیق کنندههاي هیدروکربنی سبک پیشنهاد نمود. رابطه مورد نظر به ترتیب به نسبت گرانروي نفت به رقیق کننده (هیدروکربنهاي سبک) و چگالی آنها بستگی دارد.
اغلب هیدروکربنهاي سبکی که براي رقیق سازي نفت خام سنگین و قیر مورد استفاده قرار می گیرنـد گـران بوده و به آسانی در مقادیر زیاد در دسترس نیستند. به همین دلیل بازیابی رقیـق کننـده هـا و برگشـت آن هـا جهت استفاده مجدد ضروري خواهد بود. با این حـال، جداسـازي رقیـق کننـده هـا از نفـت نیازمنـد نصـب و بکارگیري خطوط لوله اضافی است که البته منجر به افزایش هزینه هاي عملیاتی می شود. عـلاوه بـر ایـن، بـه منظور انتقال ساده و راحت نفت خام سنگین و قیر از طریق خطوط لوله گرانروي نفت رقیق شده یـا مخلـوط شده می بایست کمتر از s.Pa 2/0 باشد رقیق کننده دیگري که معمولا مورد استفاده قرار می گیرد یـک برش نفتی به نام نفتا است. نفتا از درجه API زیادي برخوردار بوده و سازگاري خوبی با آسـفالتین هـا نشـان می دهد. گاتو پیشنهاد کرد که مخلوطی از نفتا و حلال آلی می تواند میزان رقیق کننـده مـورد نیـاز را کـاهش دهد. در شکل روند کاهشی گرانروي نسبی نفت خام سنگین که توسط مخلوطی از نفتا و یک حـلال آلـی رقیق شده است به خوبی مشاهده می شود. علت این موضوع میتواند افـزایش قطبیـت یـا پیونـد هیـدروژنی حلالها و توانایی حلال قطبی براي اثر گذاري بـر ترکیبـات آسـفالتینی نفـت خـام سـنگین باشـد . در ایـن مجموعه آزمایشها نمونه نفت خام با 15 درصد وزنی رقیق کننده مخلوط شده و سپس گرانروي آن انـدازه گیري می شود. ویسکوزیته نمونه نفت خام در ابتدا و قبل از افزودن نفتا به عنوان رقیق کننـده معـادل
s.Pa 440 گزارش شده است.
گرم کردن
روش دیگري که معمولا براي کاستن از گرانروي نفت خام سنگین و قیـر و بهبـود بخشـیدن جریـان پـذیري
آنها استفاده میشود
استفاده از تاثیر دماست. گرم کردن خط لولـه موجـب افـت سـریع گرانـروي و کـاهش مقاومت نفت در برابر جاري شدن میشود. تاثیر دما بر روي گرانروي چند نمونه نفت خام سـنگین در شـکل نمایش داده شده است. همانطور که مشاهده می شود میتوان به خوبی از گرم کردن به عنوان ابزاري جهت کاهش گرانروي ترکیبات سنگین نفتی استفاده کرد. با افزایش دما گرانروي نفتهاي سنگین چنـدین مرتبـه کاهش می یابد. در این روش از پیش گرم کردن نفت خام سنگین و در ادامه آن گرم کردن خـط لولـه جهـت بهبود جریان استفاده می شود.
تاثیر مخلوط نفتا و حلالهاي آلی مختلف بر گرانروي یک نمونه نفت خام سنگین در دماي C °20 . اعداد بیانگر کسر حجمی حلال استفاده شده در مخلوط نفتا و حلال است.
با این وجود گرم کردن با هدف افزایش دماي سیال نیازمند صرف مقادیر زیادي انرژي و هزینه خواهـد بـود .
همچنین در دماهاي بالاتر خوردگی داخلی خطوط لوله نیز افزایش می یابد. گرمکردن خط لوله ممکن اسـت تغییراتی را در خواص رئولوژیکی نفت خام ایجاد کند که می تواند موجب ناپایـداري جریـان شـود . عـلاوه بـر اتلاف حرارت که در طول خط لوله و به دلیل جریان کم نفت اتفاق می افتـد، تعـداد زیـادي ایسـتگاه جهـت گرم کردن مورد نیاز بوده که هزینه ها را افزایش می دهد. البته در اغلب موارد خط لوله عـایق شـده تـا بتوانـد دماي بالا را حفظ کرده و اتلاف حرارت به محیط اطراف را کاهش دهد.
همچنین انبساط و انقبـاض ناگهـانی در طول خط لوله می تواند مشکلاتی را ایجاد نماید. در نتیجه همه این موارد موجب می شوند تـا هزینـه هـاي عملیاتی روش گرم کردن در کنار سیستمهاي پمپاژ براي یک فاصله طـولانی میـان میـدان نفتـی تـا محـل ذخیره سازي یا پالایشگاه نهایی افزایش یابد.
این روش در مورد انتقال نفت خـام از طریـق خطـوط لولـه زیـر دریا مناسب نبوده و قابل استفاده نیست. باید توجه داشت که اثر خنک کنندگی آب و زمین اطراف خط لوله موجب بازدهی این روش می شود.
امولسیون نفت خام در آب در مخازن نفتی، درون چاه، هنگام حفاري و حین انتقـال حضـور دارد . ایـن روش یکی از جدیدترین ابزارها جهت انتقال نفت خام سنگین از طریق خط لوله و بصورت امولسـیون نفـت در آب (W/O )،آب در نفت (O/W) یا به شکل امولسـیون دو گانـه ماننـد نفـت در آب در نفـت (O/W/O ) و آب در نفت در آب (W/O/W ) با اندازه ذراتی در حدود میکرون است. ایجاد امولسیون نفت در اّب بعنوان یـک روش جایگزین جهت بهبود انتقال نفت خام سنگین از طریق خطوط لوله مطرح شده است.
در این روش نفت خـام سنگین در آب بصورت امولسیون درآمده و به کمک مواد فعال سطحی پایدار می شود. نفـت بـه کمـک مـواد فعال سطحی به شکل قطراتی در آب پراکنده شده و یک امولسـیون پایـدار نفـت در آب بـا گرانـروي کمتـر تولید می شود. روشهایی که براي ایجاد قطرات نفت استفاده می شوند شامل استفاده از ابزاري از قبیل هم زنهاي دور بالا، هم زدن با روتور استاتور، آسـیاب کلوئیـدي، دسـتگاه هـاي هموژنـایزر فشـار بـالا، ایجـاد امولسیون به کمک غشا و امواج اولتراسونیک می باشد.
لایه اي از مواد فعال سطحی که در فصل مشترك آب- نفت قرار می گیرد از رشد قطرات و ایجاد جدایی فاز و تشکیل فازهاي نفت و آب مجزا از یکدیگر جلوگیري می نمایند. تک لایه ماده فعال سطحی در سطح مشترك امولسیون نفت در آب به گونهاي قرار دارد که بخش قطبی آن (سر آب دوست) در تماس با آب و قسمت انتهایی و غیر قطبی آن (بخش آب گریز) در تماس با نفت قرار گرفته است.
این ویژگی و خصوصیت لایه ماده فعال سطحی است که موجب پایداري سطح تماس نفت و آب شده و رفتار امولسیون را کنترل می نماید نفت خام سنگین مخلوطی پیچیده از هـزاران ترکیـب مختلـف اسـت . در ایـن میـان آسـفالتین هـا بعنـوان امولسیفایرهاي طبیعی عمل می کنند. سایر ترکیبـات فعـال سـطحی موجـود در نفـت خـام شـامل نفتنیـک اسیدها، رزینها، پرفیرینها و … می باشند.
حضـور ایـن ترکیبـات پیچیـدگی امولسـیون نفـت خـام را افزایش می دهد. انتقال نفت خام سنگین با استفاده از تکنولوژي امولسـیون شـامل سـه مرحلـه اسـت ایجـاد امولسیون نفت/آب، انتقال امولسیون تشکیل شده و جداسازي فاز نفتی از فاز آبی. البته بازیـابی و جدا سـازي نفت خام مستلزم شکستن امولسیون نفت در آب است.
در مرحلـه جداسـازي مـی تـوان از روش هـایی ماننـد امولسیونزدایی حرارتی، امولسیونزدایی الکتریکی، امولسیون زدایـی شـیمیایی، تغییـر pH ،افـزودن حـلال و امولسیون زدایی به کمک غشـا اسـتفاده نمـود. اسـتفاده از مـواد فعـال سـطحی و آب بـا هـدف ایجـاد امولسیون پایدار نفت در آب با نفت خام سنگین به منظور بهبود انتقال آن بـا اسـتفاده از خـط لولـه موضـوع تحقیقات مختلف و پتنتهاي متعددي بوده است.
رئولـوژي امولسـیون ایجـاد شـده شـرط مهمـی در بهبـود انتقال از طریق خط لوله است. رئولوژي امولسیون بطور عمده به حجم نفت توزیع یافته و توزیع اندازه قطرات بستگی دارد. توزیع اندازه قطرات نیز به نوع مواد فعال سطحی، انرژي اختلاط و فشار بستگی دارد. مواد فعال سطحی که معمولا مورد استفاده قرار می گیرند ترکیبات غیر یونی مانند تریتون 114-X بوده کـه بـر اسـاس توانایی خود از قابلیتهاي مختلفی از قبیل پایداري در برابر شوري آب همراه، ارزان بودن، جداسـازي آسـان امولسیون ناشی از آنها و عدم تشکیل ترکیبات آلی نامطلوب که موجب تغییر خصوصیات نفـت مـی شـوند، برخوردار هستند. با این وجود امولسیون نفت خام سنگین هم در تنش هاي برشـی بـالا ر فتـار نیـوتنی داشته و هم در تنشهاي برشی کم رفتار رقیق گردانـی بـرش از خـود نشـان مـی دهنـد. خصوصـیات جریانی امولسیون ایجاد شده به ویژگیهاي قسمت قطبی آب دوست و انتهاي غیـر قطبـی آب گریـز مـواد فعـال سطحی استفاده شده بستگی خواهد داشت.
چالشهاي اساسی مختلفی در ارتباط با به کارگیري این تکنولوژي به منظور انتقال نفت خـام سـنگین وجـود دارد که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد: هزینه و انتخاب ماده فعال سطحی؛ توانـایی مـاده فعـال سطحی به منظور حفظ پایداري امولسیون در حین انتقال از طریق خط لوله؛ سهولت انجـام جداسـازي مـواد فعال سطحی از نفت خام در نقطه پایانی به ویژه با توجه به اینکه چگالی نفت سنگین به چگالی آب نزدیـک است؛ ویژگیهاي مختلف امولسیون تشکیل شده از قبیل خصوصیات رئولوژیکی و پایداري که به پارامترهـاي مختلفی مانند توزیع اندازه ذرات، دما، میزان شوري و pH آب، اجزاي موجود در نفـت خـام سـنگین، انـرژي صرف شده براي اختلاط و نسبت حجمی نفت/آب بستگی دارد.
لازم بـه ذکـر اسـت کـه حضـور ذرات و ترکیبات آب دوست طبیعی مانند رس و سیلیکا در نفت خام می تواند موجب ناپایداري امولسیون شـود.
در ارتباط با خصوصیات رئولوژیکی امولسیونها مطالعات مختلفی انجام شده است .بر اسـاس یکـی از جدیدترین کارهاي صورت گرفته در این زمینه عوامـل مختلفـی شـامل دمـا، میـزان غلظـت نمـک، کسـر حجمی نفت و تعداد دور همزن میتواند بر رئولوژي امولسیون نفت خام تاثیر گذار باشد. مکانیسمهـاي مختلفی که طی آن ممکن است.
ناپایـداري در امولسـیون نفـت در آب بـروز نمایـد عبـارت اسـت از :
1- فرآینـد تکاملی اسوالد
2- ته نشینی یا خامه اي شدن به دلیل اختلاف دانسیته و بـه هـم پیوسـتگی قطـرات . امـا لـزوم و کاهش تنش استفاده از ماده فعال سطحی پایدار ساختن امولسیون در برابر برش هاي بین سـطحی اسـت .
در بعضی زمانها سیستم امولسیون نفت در آب ممکن است حاوي ذرات جامد و گاز باشد که موجب افزایش پیچیدگی فرآیند خواهد شد.
3- به طور کلی، هر میزان که اندازه قطرات کوچکتر باشد، حـدود 10 میکرومتـر یـا کمتر، پایداري امولسیون بهتر خواهد بود. رفتار امولسیون حاصل از نفت خام سنگین در آب بـه دلیـل برهم کنش میان اجزاي مختلف موجود در سیستم و بسیاري فاکتورهاي دیگر که به آنها اشاره شـد پیچیـده است. این روش انتقال نفت خام سنگین در فرآیند امولسیون
به کار گرفته شـده کـه توسـط شـرکت نفـت ونزوئلا (PDVSA ) در دهه 1980 توسـعه یافتـه اسـت . جزییـات بیشـتر ایـن فرآینـد از سـوي افـراد و گروه هاي تحقیقاتی مختلفی ارائه شده است.
کاهش نقطه ریزش
نفت خام هاي سنگین به عنوان یک سوسپانسیون کلوئیدي حاوي آسفالتینهاي قابل انحلال و فـاز مـایع ی از مالتنها توصیف می شوند. به هم پیوستگی و ترسیب مـاکرومولکول هـاي آسـفالتین در نفـت بـه دلیـل گرانروي و دانسیته بالاي آن بوده و مقاومت بزرگـی را در برابـر جریـان داخـل خـط لولـه ایجـاد مـی نمایـد .
بنابراین، کاهش این اثر از طریق استفاده از کاهش دهنده هاي نقطه ریزش می تواند سبب بهبـود خصوصـیات
جریانی نفت شود. نقطه ریزش نفت پایین ترین دمایی است که در آن جریان سیال متوقف شده و خصوصیات
جریانی خود را از دست می دهد.
براي مثال، انتقال نفت خامهاي واکسی در هواي سـرد از طریـق خـط لولـه بسیار دشوار است. علت این امر آن است که کاهش دما موجب رشد کریستالهـایی مـی شـود کـه از جریـان یافتن مولکولهاي نفت ممانعت می کنند. فرآیند کریستالیزاسیون به آب و هوا، ساختار و ترکیبات نفت، دمـا و فشار در حین انتقـال بسـتگی دارد . روشهـاي مختلفـی جهـت کمینـه سـاختن عوامـل رسـوب واکـس و آسفالتین وجود داشته و در این میان استفاده از بازدارندههاي پلیمري بعنوان یک جایگزین مورد توجـه قـرار گرفته است.
افزودن کو پلیمرهایی مانند پلی اکریلات، پلی متاکریلات، متاکریلات و … از بروز رسوب ممانعت کرده و موجب پایدار شدن انتقال می شود . ماکادو بر اساس دادههاي اندازهگیري گرانـ روي دریافـت که در دمایی کمتر از دماي شروع تشکیل کریستالهاي واکـس ، کـوپلیمر تـاثیر زیـادي در کـاهش گرانـروي خواهد داشت. به منظور جلوگیري از تشکیل کریستالهاي واکس که می توانند موجـب گرفتگـی خـط لوله شوند، از عوامل کاهش دهنده نقطه ریزش، که حاوي گروه آلکیلی با طول زنجیر بلند و محلول در نفـت و یک نیمه قطبی در ساختار مولکولی خود اسـت ، اسـتفاده مـی شـود . گـروه آلکیلـی زنجیـر بلنـد بـه درون کریستال واکس نفوذ کرده و بخش قطبی در سطح واکس قرار می گیرد و انـدازه کریسـتال واکـس را کـاهش میدهد.
در اغلب موارد ترکیبات کاهش دهنده نقطه ریزش داراي گروههاي عاملی بسیار قطبی است.
روشهاي کاهش اصطکاك
گرانروي زیاد نفت خام موجب بروز مشکلات فراوانی در تولید، پالایش و انتقال آن از میان چاه ها و خطوط لوله می شود. نیروي درگ، اصطکاك دیواره و افت فشار در خط لوله در مورد نفت خام سنگین در مقایسه با نفتهاي سبک متداول بسیار بیشتر است. درگ در نتیجه تنش هایی است که در دیواره بواسطه سیال ایجاد شده و موجب بروز افت فشار سیال می شود. این عامل موجب می شود تا انتقال نفت از طریق خط لوله به مسافتهاي طولانی با مشکلاتی همراه باشد.
بر همین اساس، کاهش درگ یک روش روانکاري بر اساس جریان هسته – حلقوي است تا موجب کاهش افت فشار در انتقال نفت سنگین از طریق خطوط لوله شود.
متداول ترین روش کاهش اصطکاك به منظور بهبود شرایط انتقال نفت سنگین از طریق خط لوله شامل افزودن مواد کاهنده درگ و ایجاد جریان هسته- حلقوي است. هر دو روش از طریق تغییر میدان سرعت به عنوان مثال با کاستن از اغتشاشات توربولنت در نزدیکی ناحیه دیواره خط لوله موجب کاهش درگ جریان می شوند. با این وجود در بیشتر مطالعات انجام گرفته در مورد کاهش درگ بیشتر به کاهش گرانروي از طریق روشهاي فیزیکی یا شیمیایی پرداخته شده است، اما بر اساس قانون گرانروي نیوتن درگ جریان به گرانروي سیال و پروفایل سرعت وابسته است.
افزودنیهاي کاهش دهنده درگ
افت فشاري که به هنگام انتقال نفت خام سنگین از طریق خط لوله ایجاد میشود در مسافتهاي طـولانی از اهمیت بیشتري برخوردار بوده و اثر آن شدیدتر خواهد بود. در این حالـت اسـتفاده از افزودنـی هـاي کـاهش دهنده درگ به عنوان یک گزینه جهت کاستن از اثرات منفی افت فشار مطرح می شود. در انتقال نفـت خـام از طریق خط لوله جریان اغلب در شرایط متلاطم قرار دارد. همچنین زیاد بـودن اتـلاف اصـطکاکی ناشـی از گرانروي زیاد موجب اتلاف بخش زیادي از انرژي صرف شده جهت انتقال نفت خـام مـی شـود . درگ زیـاد در جریان متلاطم در پی انتقال شعاعی ممنتوم جریان توسط گردابه هاي کوچک سیال ایجاد می شود. تکنولوژي کاهش درگ پلیمري در دهههاي گذشته ارائه شد. بر اساس مشاهدات صورت گرفتـه افـزودن مـاده پلیمـري (متیل متااکریلات) به خط لوله حاوي جریان متلاطم مونوکلروبنزن، موجب کاهش درگ به میزان 30 تا 40 درصد شده است. بر این اساس، افزودنیهاي کاهش دهنده درگ کمک مـی کننـد تـا اصـطکاك در نزدیکـی دیواره هاي خط لوله و درون جریان متلاطم در مرکز جریان سیال کـاهش یابـد .
افزودنـی هـاي کـاهش دهنده درگ به سه دسته تقسیم بندي میشوند:
1- پلیمرهـا 2- فیبرهـا 3- مـواد فعـال سـطحی .
نقـش اصـلی ایـن افزودنیها کاستن از رشد گردابه هاي جریان متلاطم از طریق جذب انرژي آزاد شده حاصل از شکستن و فروریخته شدن لایه هاي جریان آرام است. همچنین این افزودنیها کمـک مـی کننـد تـا اصـطکاك نزدیـک دیواره هاي خط لوله و درون هسته مرکزي و متلاطم جریان کاهش یافته که این موضوع شـدت جریـان هـاي زیادتري را در یک فشار پمپاژ ثابت در پی خواهد داشت. با توجه به مطالب عنوان شده حلالیت ماده افزودنی کاهش دهنده درگ در نفت خام سنگین یک عامل مهم و اصـلی در انتخـاب افزودنـی مناسـب خواهـد بـود .
همچنین یک افزودنی مناسب می بایست در برابر تجزیه شدن، عوامل شیمیایی و حرارت مقاوم و پایدار باشد.
در ارتباط با مشکلات رایج مربوط به استفاده از این افزودنیها می توان به تمایل این ترکیبات به جدا شدن از فاز اصلی به هنگام ذخیره سازي، مشکلات مربوط به انحلال این مواد در نفت خام سـنگین و مشـکل تخریـب برشی به هنگام انحلال، اشاره نمود. همچنین تعیین میزان ماده افزودنی مورد نیاز جهـت ثابـت نگـه داشـتن افت فشار نیز از جمله دشواريهاي این روش است.
ایجاد جریان هسته – حلقوي
گرانروي بالاي قیر و نفت سنگین افت فشار زیادي را در حین انتقال از طریـق خـط لولـه سـبب شـده و بـه همین دلیل پمپ کردن نفت خام در شرایط جریان تکفاز را با دشواري هاي فراوانی همراه میسازد. از دیگـر روش هاي کاهش افت فشار ناشی از اصطکاك در خطوط لولـه بـه منظـور تسـهیل انتقـال قیـر و نفـت خـام سنگین، توسعه جریان هسته- حلقوي است. ایده اصلی این روش شامل احاطه کردن هسته و بخش مرکـزي نفت خام سنگین به هنگام جریان داشتن درون خط لوله توسط فیلم نازکی از آب یا حلال در نزدیکی دیواره لوله است که به عنوان یک روان کننده عمل کرده و موجب می شود فشار پمپ تقریبا به اندازه فشار مورد نیاز براي پمپ نمودن آب یا حلال حفظ شود. در این حالـت آب یا حلال مانند یک حلقه جریان داشته و نفت خام سنگین نیز هسته جریان را تشکیل می دهد.
در ایـن روش آب یا حلال مورد نیاز بین 10 تا 30 درصد جریان نفت می باشد. در این شـرایط افـت فشـار در طـول
خط لوله تابعیت ضعیفی از گرانروي نفت سنگین پیدا کرده و بیشتر تابع گرانروي آب خواهد بـود . همچنـین در شرایطی که نفت سنگین در مرکز لوله و آب نزدیک سطح دیواره لوله جریان داشته باشند افـت فشـار بـه میزان 90 درصد در مقایسه با شرایط بدون روانکاري با آب کاهش می یابد جریان هسته- حلقوي یکی از رژیم هاي جریانی است که در جریان دو فازي خطوط لوله مشاهده می شود.
در این رژیم جریان، حلال در سطح دیواره لوله جاري بوده و نفت سنگین را که در هسته جریان دارد روانکاري می کند. در این حالت جریان نفت سنگین در هسته تقریبا یک جریان لوله اي اسـت . بـا ایـن وجـود در مـورد جریان دو فازي آب و نفت در خط لوله، رژیمهاي جریان مختلفی بسته به خصوصیات نفت از قبیـل چگـالی، کشش سطحی، نرخ برش جریان و شدت جریان تزریق سیال، ممکن است مشاهده شود.
با وجود آنکه با استفاده از این روش امکان کاهش افت فشار جریان تا میزان افت فشار انتقال آب وجـود دارد اما رسیدن به جریان هسته- حلقوي کامل به ندرت و تنها براي سیالهایی که چگالی آنهـا بـه هـم نزدیـک باشد اتفاق می افتد. هنگامی که اختلاف چگالی بین نفت و آب زیاد اسـت، نیـروي ارشـمیدس موجـب ایجاد حرکت شعاعی هسته نفتی می شود.
این اثر، موجـب انتقـال هسته به دیواره بالایی خط لوله می شود. علاوه بر این، پایداري سیستم جریان همچنان تحت بررسـی اسـت .
سرعت جریان و ناپایداري مویین ناشی از کشش سطحی موجب شکسته شدن هسته مـی شـود . امـا افـزایش سرعت پایداري هسته را بهبود می بخشد.
روش ارتقاء کیفیت درجا
افزایش اکتشاف منابع عظیم نفت سنگین و قیر با هدف رفع تقاضاهاي جهانی و نگرانی هاي زیسـت محیطـی منجر به مشارکت و همراهی روشهاي ارتقاء کیفیت درجا همراه با افزایش بازیابی نفـت شـده اسـت . ارتقـاء درجاي نفت در زمان به کـارگیري روش هـاي حرا رتـی بازیافـت از قبیـل ISC ،SAGD ،CSS و روش جدیـد THAI و فرآیند کاتالیستی ارتقاء کیفیت درجاي مربوط به آن، امکان پذیر خواهد بود. این فرآینـدها بـر اساس کاهش گرانروي نفت خام سنگین از طریق گرما به منظور بهبود جریان از مخزن تا چاه تولیـد اسـتوار هستند. ارتقاء کیفیت بواسطه تفکیک و تجزیه حرارتی مولکولهاي سنگین به مولکـول هـاي کـوچکتر انجـام می شود. واکنش شکست حرارتی درجا موجب کاهش گرانروي نفت سنگین و قیر شده و در نتیجـه جریـان و تولید را بهبود می بخشد. با این وجود، از میان تمام این فرآیندها، فرآیند THAI یک فرآینـد ارتقـاء کیفیـت کاتالیستی را با روش بازیابی نفت همراه کرده است.
نتیجه گیري
به منظور افزایش استخراج نفت سنگین و قیر، توسعه تکنولوژي هایی در جهت انتقال این ترکیبـات از طریـق خطوط لوله ضروري است. در مقاله حاضر، روشها و تکنولوژي هـاي مختلـف جهـت انتقـال نفـت خـام هـاي سنگین و فوق سنگین از مناطق اکتشاف و تولید بـه محـل فـرآورش و پـالایش مـورد بررسـی قـرار گرفـت .
تکنولوژي هاي کاملا کاربردي به همراه روشهاي جدید جهت انتقال نفت خامهاي سنگین عمـدتا بـر مبنـاي کاهش گرانروي نفت خام، کاهش نیروي درگ در خط لوله و ارتقاي کیفیت نسبی نفت هاي خام به نفت هـاي سنتزي شکل گرفته اند. هر یک از سه دسته اشاره شده در زمینه روشهاي کاهش گرانـروي و افـت فشـار بـا هدف تسهیل انتقال نفت خام سنگین از طریق خط لوله همراه با مزایا و معایب هر یک بیان گردید.
با توجـه به مطالعه صورت گرفته، بهبود نحوه عملیات، قابلیت اطمینان، هزینه، ابعاد و اندازه تجهیزات، قابلیت تعمیـر
و نگهداري، زیر ساختها و منابع مورد نیاز، نوع نفت خام و تغییرات کیفیت نفت خام را می تـوان بـه عنـوان عوامل مهم و اثر گذار در این زمینه بر شمرد.
با افزایش میزان تولید نفت خامهاي سنگین و فوق سـنگین در مناطق مختلف دنیا، به منظور دستیابی به راه حل مناسب جهت انتقال نفت خام سنگین نـوآوري بیشـتري در تکنولوژي و تحقیق و توسعه مورد نیاز خواهد بود. در حقیقت پاسخ هاي موجود و همچنـین راه حـل هـاي آینده می بایست در بر گیرنده مواردي از جمله ساختار و خصوصیات فیزیکی شیمیایی نفت هاي تولیـد شـده، انتقال منطقی میان چاه تولید و محل صادرات یا پالایش، زیـر سـاخت موجـود و مسـایل عملیـاتی، مسـافت انتقال، کیفیت نفت خام به منظور صادرات یا پالایش، هزینه هاي عملیاتی و تعمیر و نگهداري، مسایل زیست محیطی، باشند. در این میان انتقال نفت خام به روش کاهش گرانروي در مناطق عملیاتی که مقادیر کافی از نفتهاي سبکتر، میعانات یا آب در دسترس بوده و زیر ساختهاي لازم براي اختلاط مهیا باشد، مقـرون بـه صرفه خواهد بود.
البته در این ارتباط بررسی و تعیین مشخصات نفت خامهاي رقیقسـازي شـده بـه منظـور دستیابی به راه حل اقتصادي و مناسب نیز می بایست در نظر گرفته شود. تحقیق و توسعه در ارتباط با مواد فعال سطحی، بهبود دهنده هاي جریان، ترکیبات کاهنده درگ، کاتالیستها و سایر افزودنیهـاي بـا ارزش از جمله زمینههاي تحقیقاتی در انتقال ترکیبات نفتی سنگین است.
در کنار انجام تحقیقات بنیادي و بـا هـدف ایجاد اطمینان در مخاطبین و کاربران تکنولوژيهاي جدید، توسعه روش هاي انتقال نفت خام می بایسـت بـر اساس نتایج بدست آمده از تست هاي پایلوتی و واحدهاي نیمه صنعتی همراه باشد.
بـا بررسـی رونـد توسـعه روشهاي مختلف این انتظار وجود دارد که در آیندهاي نزدیـک مسـیر تک نولـوژي هـاي انتقـال نفـت خـام از روش هاي خارج از چاه به روشهاي درون چاهی هدایت شده و به عبارت دیگر امولسیون نفت- آب می توانـد درون مخزن تشکیل شده یا نفت خام داخل مخزن ارتقاء یافته و شرایط مناسب تري براي انتقال پیدا کند.
