مقدمه ای بر مهندسی نفت 1

بدضعیفمتوسطخوبعالی (4٫75 از 5)
Loading...

مطالبی که به نظرم می تونه برای هر کسی که به مهندسی نفت علاقه داشته باشه و صد البته مهندسان نفت و زمین شناسان مرتبط با اکتشاف نفت، جالب و مفید باشه رو در این بخش می آورم و هر هفته مقداری از آن را منتشر خواهم کرد.


“مقدمه”:

از آن‌جا که هیدروکربور امروزه بیش‌ترین سهم تولید انرژی را در زندگی بشر دارد، اکتشافات و تولید منابع هیدروکربوری که به عنوان اولین حلقه از پروسه‌ی طولانی و مهم استفاده از این ماده‌ی گران‌بها است، به عنوان قابل توجه و در خور توسعه به نظر می‌رسد.

البته این‌که گفته می‌شود که هیدروکربور (پترولیوم) امروزه بیش‌ترین سهم تولید انرژی را دارد، به این سبب است که از ابتدای اکتشاف و تولید صنعتی این ماده، بیش‌ترین استفاده از آن در بخش تولید انرژی بوده است، لیکن فرآورده‌ها و مشتقات این ماده‌ی گران‌بها به قدری زیاد است که امروزه حتی در قرن بیستم باعث تحول عظیمی در صنایع مختلف گردید. به‌طوری که سوزاندن و استفاده‌ی آن در جهت تولید انرژی نشانگر دیدی سهل‌انگارانه نسبت به این ماده است، به‌طوری که مندلیف در قرن نوزدهم میل ادی در رابطه با نفت گفته است: «اگر کسی از نفت برای روشن کردن چراغ خویش (تولید انرژی) استفاده کند، گویی با اسکناس، چراغ را روشن نموده است، که این به خودی‌خود نشان‌دهنده‌ی اهمیت فرآورده‌گیری از این ماده است.» حال که به اهمیت هیدروکربور پی بردیم، به اولین حلقه از پروسه‌ی بهره‌گیری از آن یعنی اکتشاف و تولید می‌پردازیم.

این مرحله را در واقع می‌توان به تمام فرآیندهایی که منجر به اکتشاف و تولید هیدروکربور می‌شوند، اطلاق نمود که اعم از مراحل مختلف اکتشاف یعنی بررسی‌های زمین‌شناسی که شامل رسوب‌شناسی، نمک‌شناسی، تکنونیک و زمین‌شناسی ساختمان، چینه و فسیل‌شناسی و…، بررسی‌های ژئوفیزیکی و پتروفیزیکی و هم‌چنین ژئوشیمی آلی تقسیم‌بندی کرد که خود هر کدام به بخش‌های مختلف تقسیم می‌گردند. فرآیند تولید هم خود دارای بخش‌های گوناگون شامل حفاری، بهره‌برداری، پژوهش‌های مهندسی و فیزیکی مغزه (Core)، مهندسی مخزن، ازدیاد برداشت (EOR) و… است.

چگونگی تشکیل هیدروکربور

در رابطه با منشأ هیدروکربور، دو نظریه وجود دارد، که یکی منشأ معدنی و دیگری منشأ آلی آن است که نظریه‌ی تشکیل هیدروکربور با منشأ آلی با دلایلی محکم پذیرفته و تشکیل آن با منشأ معدنی رد شده است.

در محیط های رسوبی همراه با مواد معدنی (به ویژه کربنات‌ها و سیلیکات‌ها) مقادیر زیادی مواد آلی مرکب حاصل از اجساد جانوران و گیاهان (فیتوپلانکتون‌ها، زئوپلانکتون‌ها، باکتری‌ها و گیاهان عالی (رده‌ی بالا) وجود دارد که تراکم این مواد در فلات قاره به ویژه در بخش‌هایی چون مصب رودخانه‌ها و لاگون‌ها، بیش‌تر از سایر بخش‌های رسوبی است. چون از طرفی تکثیر موجودات آبزی در این مناطق بالاتر و از طرف دیگر سهم مهمی از مواد آلی حمل شده از خشکی‌ها نیز به آن وارد می‌شود.

همان‌طور که اشاره شد، باکتری‌ها، فیتوپلانکتون‌ها، زتوپلانکتون‌ها و گیاهان عالی، مهم‌ترین تشکیل‌دهندگان مواد آلی در رسوبات هستند که به این 4 دسته، توده‌های زیستی (Bio mass) گفته می‌شود که ترکیبات موجود در بدن آن‌که به 4 دسته‌ی عمده‌ی:

  1. لیگنین‌ها
  2. پروتئین‌ها
  3.  لیپیدها
  4. کربوهیدرات‌ها

تقسیم می‌شوند، نقش اصلی را در تولید و تشکیل هیدروکربور دارند.

حال به‌طور خلاصه به بررسی این 4 دسته از ترکیبات شیمیایی می‌پردازیم.

الف) پروتئین

پلیمرهای پیچیده‌ای می‌باشد که از آمینواسیدها تشکیل شده‌اند. آمینواسیدها بیش‌ترین اجزای نیتروژن در موجودات زنده را شامل می‌شوند. آنزیم‌ها که واکنش‌های داخل و خارج سلول‌های زنده را تسریع می‌بخشند، جزء پروتئین‌ها به حساب می‌آیند. در واقع از تجمع و به هم پیوستن اسید آمینه‌ها، ترکیباتی به‌نام پپتید به وجود می‌آید که پیوندهای پپتیدها ترکیبات پلی‌پپتیدی را ایجاد می‌کنند و از ترکیب پلی‌پپتیدها در یک فضای خاص سه‌بعدی، پروتئین‌ها ایجاد می‌شوند.

اسیدهای آمینه دارای یک عامل اسیدی (COOH) و یک عامل آمین یعنی  که دارای خاصیت بازی است، می‌باشند. اما بعضی از اسید آمینه‌ها دارای 2 عامل اسیدی یا 2 عامل بازی هستند.

ب) کربوهیدرات‌ها

کربوهیدرات‌ها مجموعه‌ی وسیعی هستند که در اثر فتوسنتز در گیاهان تولید می‌شوند. در این ترکیبات به ازای یک اتم کربن معمولاً دو هیدروژن و یک اکسیژن موجود است و فرمولی شبیه آب  را می‌سازد که به همین جهت است که این مواد را کربوهیدرات می‌نامند. کربوهیدرات یک نام عمومی برای قندهای منفرد و پلیمرهای آن‌هاست که شامل مونوساکاریدها، دی‌ساکاریدها، تری‌ساکاریدها (الیگوساکاریدها) و پلی‌ساکاریدها هستند.

حدود 40 درصد از مواد آلی موجود در رسوبات را کربوهیدرات‌ها تشکیل می‌دهند.

ج) لیپیدها، چربی‌ها و اسیدهای چرب

اصطلاح لیپید توسط برگمن (1963 میلادی) تعریف شده و به موادی اطلاق می‌شود که توسط جانداران (اورگانیسم) تولید شده و به‌صورت بخش غیرقابل حل در آب است ولی توسط حلال‌های چربی قابل حل می‌باشند.

به‌طور طبیعی چربی‌ها مخلوطی از تری‌گلیسیریدهای مختلف می‌باشند که از نظر شیمیایی تحت نام استرها طبقه‌بندی شده‌اند.

گلیسیریدها هیدرولیز شده (معمولاً به وسیله‌ی هیدروکسید کلسیم) به گلیسرول و اجزای اسید چرب که همان نمک‌های سدیم هستند، تقسیم‌بندی می‌شوند. اسیدهای چرب به‌صورت آزاد در طبیعت کم یافت می‌شوند، اغلب زوج کربن‌ها، راست زنجیر و بدون شاخه هستند و در حلال‌های آلی به خوبی حل شده و در ساختار بعضی از آن‌ها (اسیدهای چرب غیراشباع) پیوند دوگانه به تعداد 1 تا 4 عدد دیده می‌شود.

ترکیباتی به‌نام «ایزوپرون» که یک آلکن پنج کربنی با دو پیوند دوگانه هستند. جزء لیپیدها به‌شمار می‌روند.

واحدهای ایزوپرن به علت داشتن پیوندهای دوگانه برای تشکیل زنجیرها و حلقه‌ها با هم پلمریزه می‌شود. مونومرهای ایزوپرن منفرد نمی‌توانند در زمان‌های طولانی پایدار بمانند. به همین علت این واحدها با هم ترکیب شده و ترپن‌ها یا مونوترپن‌ها، سسکوترپن‌ها، دی‌ترپن‌ها، تری‌ترپن‌ها و تتراتوپن‌ها را تشکیل می‌دهند.

تعدادی از تری‌پنهای یافته شده در موجودات زنده، به عنوان پیش‌نیاز فسیل‌های مولکولی یا نشانه‌های زیستی (بیومارگرها) محسوب می‌شوند. یکی دیگر از ترکیبات موجود در نفت خام و بیتومن یافت می‌شود و خود دلیلی بر آلی بودن منشأ هیدروکربن است، وجود ترکیبی به‌نام پرستان است. این ترکیب از زنجیره‌ی جانبی موجود در کلروفیل گیاهان به‌نام «فیتول» حاصل می‌گردد که مراحل دیاژنزی اندکی تغییرات در ساختمان آن پدید می‌آید.

در مراحل بعدی دیاژنزیک فیتول با احیا شدن به ترکیب دیگری به‌نام «فیتان» تبدیل شده یا ممکن است اکسید شده و به شکل «پریستان» (با یک کربن کم‌تر) ظاهر گردد.

با توجه به این‌که پریستان محصول دکربوکسید از فیتول می‌باشد، لذا از نسبت پریستان به فیتان می‌توان به محیط رسوب‌گذاری سنگ منشأ پی برد. به‌طور مثال در محیط‌های اکسیدی این نسبت بالا بوده و در حالی که در محیط‌های احیایی رو به کاهش می‌گذارد. به‌طور مثال در نفت‌های تولید شده از سنگ‌های منشأ در سکانس‌های کربناته‌ی احیایی غنی از ماده‌ی آلی، این نسبت کم‌تر از 2 در حالی که در نفت‌های سنگ‌های منشأ حاصل از رسوبات دریاچه‌های فقیر از ماده‌ی آلی‏ رودخانه‌ها و رسوبات دلتایی، مقادیر آن به بیش‌تر از 3 می‌رسد.

د) لیگنین‌ها و تانین‌ها

لیگنین و تانین به وسیله‌ی ساختمان آروماتیکی (فنلی)شان تشخیص داده می‌شوند. اجزای آروماتیکی به وسیله‌ی حیوانات بیوسنتز نمی‌شوند ولی در بافت‌های گیاهی رواج دارند. لیگنین به‌صورت یک شبکه‌ی سه‌بعدی میان فسیل‌های سلولزی اندام‌های محافظتی گیاهان به وجود می‌آیند. تلنین از نظر کیفیت کم‌اهمیت‌تر از لیگنین‌ها هستند، اما دارای گسترش وسیعی هستند. از لحاظ ترکیبی و رفتاری، تانین بین لیگنین و سلولز قرار دارد.

تانین‌ها در ساختار آروماتیکی خود دارای گروه‌های فنلی و کربوکسیلی هستند.

رسوبات، تجمع و حفظ مواد آلي

اولين مرحله از فرايند طولاني و زمان‌بر تشكيل و توليد نفت (هيدروكربور) رسوبات مواد آلي است كه البته اين عمل همراه با رسوب ذرات معدني است و تكامل بلوغ حرارتي مواد آلي نيز همراه با مراحل تكامل سنگ‌شدگي و دياژنز رسوبات معدني است. بنابراين براي اين‌كه حجم زيادي از مواد آلي را به‌صورت متراكم داشته باشيم لازم است تا اين مواد به همراه رسوبات ريز ته‌نشين مي‌شوند، رسوب كنند كه اين امر برخلاف ساده بودن بيان آن، امري بسيار پيچيده است، زيرا از يك طرف بايد ميزان تراكم مواد آلي در ميان رسوبات معدني بالا باشد و از طرف ديگر اين رسوب مواد آلي علي‌رغم اين‌كه در محيطي رسوب مي‌كنند كه ميزان عوامل نابودكننده رسوبات مواد آلي به شدت بالاست، بايد در از بين رفتن اين مواد آلي نيز جلوگيري به عمل آيد كه تجمع اين 2 شرط، نمايانگر وجود نظمي دقيق و شرايطي ايده‌آل براي رسوب، تجمع و حفظ مواد آلي است كه ذيلاً به اشاره‌اي در اين مورد مي‌پردازيم: حداقل مقدار كربن آلي (TOC) براي سنگ‌هاي رسوبي آواري سيليسي كلاستيك (شيل‌ها) 5/0 درصد، براي رسوبات كربناته و تبخيري 3/0 درصد در نظر گرفته شده است. در مطالعاتي كه هانت در سال 1963 ميلادي انجام داد ، رابطه‌ي بين اندازه‌ي دانه‌هاي شيل و مقدار مواد آلي موجود در آن، به دست آمده و طبق جدول ذيل، همان‌گونه كه مشاهده مي‌شود، هر چه‌قدر كه دانه‌هاي سنگ منشأ كه عمدتاً شيل است، كوچك‌تر باشد، ميزان مواد آلي موجود در آن بيش‌تر است، چراكه كم‌تر در معرض هوازدگي قرار گرفته‌اند.

البته فقط ميزان اندازه‌ي رسوبات در سنگ منشأ مهم نيست بلكه ساير شرايط كه ذيلاً به‌صورت خلاصه مطرح مي‌شود، در حفظ و نگهداري مواد آلي حائز اهميت هستند:

1- عوامل اكسيدي

اين عامل در واقع مهم‌ترين عامل مي‌تواند باشد، زيرا براي حفظ و تجمع مواد آلي بيولوژيكي و زيستي حاصل از موجودات زنده، كه سريعاً در معرض اكسيداسيون قرار مي‌گيرند. محدود شدن عامل فساد و از بين رفتن آن‌ها يعني محدود كردن اكسيژن از عوامل ضروري اوليه‌ي تشكيل هيدروكربور مي‌باشد. رسوبات محيط‌هاي احيايي كه داراي مقادير TOC بالايي، عموماً بالاي 2 درصد و همواره بالاي يك درصد هستند و برعكس آن رسوبات اكسيدي داراي مقادير بالايي مواد آلي با منشأ چوبي و كم‌كيفيت هستند.

رنگ رسوبات احيايي معمولاً تيره و سياه‌رنگ است البته در رسوبات غيراحيايي (اكسيدي) نيز رسوبات تيره و سياه‌رنگ ديده مي‌شوند كه رنگ سياه آن بيانگر وجود پيريت دانه‌ريز و يا به‌خاطر رسوبات چربي در آن رسوبات است.

2- نرخ رسوب‌گذاري

نرخ رسوب‌گذاري بايد به مقداري باشد كه موجب نشود نسبت مواد آلي به رسوبات پايين بيايد كه در اين‌صورت غناي مواد آلي در رسوبات پايين مي‌آيد.

3- نوع مواد آلي

نوع مواد آلي از اين جهت در تجمع حفظ آن‌ها مؤثر است كه مثلاً مواد آلي با منشأ جلبكي نسبت به ساير انواع مواد آلي توسط اورگانيسم‌ها خيلي سريع مصرف مي‌شوند. چون اجزاي آلي آن‌ها قابل هضم هستند و مواد غذايي مورد نياز جانداران لاشه‌خوار، تفازي‌ها و ميكروارگانيسم‌ها را فراهم مي‌آورند. اين جانوران نياز فراواني به عناصر نيتروژن و فسفر دارند و فقدان آن‌ها در اكثر مواد آلي با منشأ خشكي به‌خصوص ساختمان چوبي آن‌ها از مقدار غذايي آن‌ها مي‌كاهد، بنابراين به همين علت انواع مواد آلي با منشأ خشكي، پايداري بيش‌تري از خود نسبت به مواد آلي با منشأ جلبكي دارند.

چگونگي مراحل توليد هيدروكربور، تكامل مواد آلي رسوبات

بعد از اين‌كه موجودات زنده‌ي رسوبات از بين رفتند، مواد آلي موجود در بدن آن‌ها و واكنش‌هاي گوناگوني را تحمل مي‌كنند، كه مهم‌ترين آن‌ها واكنش‌هاي ميكروبي مانند تشكيل متان به‌صورت غيرهوازي و بعضي فرآيندهاي فيزيكي و شيميايي خالص مانند آب‌زدايي و اكسيداسيون مي‌باشند. مواد آلي تحت تأثير عوامل تغييردهنده‌ي فازهاي غيرآلي جامه و آب‌هاي درون روزنه قرار مي‌گيرند. اين عوامل در مرحله‌ي اول، فعاليت‌هاي زيستي و در مرحله‌ي بعدي فشار و حرارت هستند.

الف) دياژنز

دياژنز فرآيندي است كه در طول آن، سيستم‌هاي رسوبي ناپايدار در اعماق كه به تعادل نزديك مي‌شوند و رسوبات به‌صورت فشرده شده و سخت درمي‌آيند. اين فرآيند تا عمق چندصد متري ادامه مي‌يابد كه البته بعضاً به 2000 متر نيز مي‌رسد. در طول دياژنز تغييرات فشار و حرارت به‌صورت ملايم صورت مي‌گيرد و فعاليت‌هاي ميكروبي به‌صورت ميكروارگانيسم‌هاي هوازي و بي‌هوازي انجام مي‌شود. pH به‌طور جزيي افزايش مي‌يابد.

در دياژنز، مواد آلي به سمت تعادل حركت مي‌كنند و پليمرهاي زيستي اوليه مانند كربوهيدرات‌‌ها و پروتئين تجزيه مي‌شوند. سپس اين اجزا تشكيل ساختار فشرده و پيچيده‌اي به‌نام «ژئوپليمر» را مي‌دهند كه پيش‌نياز تشكيل كروژن مي‌باشد. مهم‌ترين هيدروكربور توليدي در دياژنز، متان مي‌باشد. در اين مرحله، متان به عنوان گاز مردابي توليد مي‌شود و نَه از تجزيه‌ي كروژن. در دياژنز، ضريب انعكاس و تيرنيايت به 5/0 درصد مي‌رسد. در انتهاي اين مرحله از مراحل بلوغ حرارتي مواد آلي، كروژن كه عبارت است از ماده‌ي ماكرومولكولي ژئوپليمري كه به رنگ قهوه‌اي تيره تا سياه كه در حلال‌هاي آلي قابل حل نيست، توليد مي‌شود.

ب) كاتاژنز

در اين مرحله، باقي‌مانده‌ي مواد آلي دوباره از حالت تعادل خارج مي‌شوند و اين عمل در اثر افزايش فشار و دما، كه اثر قابل توجهي روي تخليل و تراوايي و اجزاي رسي كاني‌ها دارد، رخ مي‌دهد و نتيجه‌ي آن كراكينگ كروژن و در نتيجه در ابتدا نفت مايع، سپس با افزايش عمق و فشار و كراكينگ، گاز تر، نفت‌هاي ميعاني (كانديست‌ها) و بالاخره گاز خشك توليد مي‌شوند. تغييراتي كه در اين مرحله از مراحل بلوغ حرارتي كروژن، منجر به توليد هيدروكربن مي‌شود، عبارت‌اند از:

عمل دهيدروژنانسيون از تركيبات نقتن (سيكلوپارافين) و تبديل آن‌ها به تركيبات آروماتيكي. اين فعل و انفعالات در دماي 75 تا 100 درجه‌ي سانتي‌گراد رخ مي‌دهد.

  1. شكسته شدن پيوندهاي كربن، كربن كه در دماي 110 تا 160 درجه‌ي سانتي‌گراد رخ مي‌دهد.
  2. كراكينگ كروژن كه منجر به توليد تركيبات پارافيني كوتاه‌زنجير و مولكول‌هاي گازي مي‌شود و در دماهاي بالاتر از 160 درجه سلسيوس انجام مي‌شود.
  3. در پايان مرحله‌ي كاتاژنز، ضريب انعكاس ويترينايت به حدود 2 درصد مي‌رسد. در طي كتاژنز مقدار هيدروژن موجود در مواد آلي به شدت كاهش مي‌يابد.

ج) متاژنز ـ متامورفيسم (دگرگوني)

آخرين مرحله از مراحل تكامل حرارتي كروژن را متاژنز يا متامورفيسم گويند. در مراحل اوليه‌ي متاژنز فقط توليد گاز خشك مي‌نمايند و در صورت ادامه‌اي اين مرحله، كروژن كربونيزه (كربن مرده ـ كربن رزيو) تشكيل مي‌شود. در انتهاي مرحله‌ي متاژنز، انعكاس ويترينايت به حدود 4 درصد مي‌رسد.در شرايط انتهايي متاژنز، زغال‌سنگ‌هاي انتراسيتي به متاآنتراسيت و گرافيت تغيير ماهيت مي‌دهند كه اين امر به علت اين است كه با تجزيه‌ي مولكولي كروژن، هيدروژني براي تشكيل هيدروكربور باقي نمانده است.

….. ادامه در مقاله بعد……

برچسب ها: , , , , , , , , , , , , , ,

نوشته های مرتبط

9 نظر برای مقدمه ای بر مهندسی نفت 1

  1. علی مرامزاده
    مرداد ۱۲, ۱۳۹۰

    لیپیدها ترکیبات مختلف و نامتجانسی هستند که بیشتر از نظر خواص فیزیکی بویژه حلالیت با هم مشابهت دارند.خاصیت اصلی آنها نامحلول بودنشان در آب است. این که در ساختار غشای سلول وجود دارند،در داخل میتوکندری ها یافت میشوند،در ساختمان لیپوپروتئین ها وجود دارند،و حتی وظیفه نقل و انتقال چربیها را (در حالت ترکیب با پروتئین)به عهده دارند.

    رتبه دهید: Thumb up 2 Thumb down 0

  2. کمالی محمد حسن
    مرداد ۱۱, ۱۳۹۰

    مطالب شما رو خوندم. بنظرم خیلی از ابتدا شروع کردین. و مشخص نکردین که قراره تا کجا پیش برین. البته من هم مطالب خوبی در این زمینه دارم و در بعضی قسمت ها با شما اختلاف دارم . برای مثال بحث لیگنین ها، اگر تمایل داشتین ایمیل بدین تا براتون ارسال کنم.
    به هر حال سایت جالبی دارید. خیلی ممنون از لطفتون.مطالب شمکا رو دنبال می کنم. و منتظر ادامه مقاله هستم

    رتبه دهید: Thumb up 0 Thumb down 0

    • بحث مهندسی نفت رو از اکتشاف شروع کردم و می خواهم یک منظره کلی از این رشته در ذهن خوانندگان ترسیم کنم.
      خوشحال میشم که از نظرات شما و مطالبتون بیاموزم.ایمیلم [email protected] هست .
      متشکرم.

  3. SARA
    مرداد ۱۰, ۱۳۹۰

    قدم به قدم دارم باهاتون پیش می رم.
    با تشکر فراوان از زحمات شما اساتید گرانقدر.

    رتبه دهید: Thumb up 0 Thumb down 0

    • با سلام.
      متشکرم از مطالعه شما.
      بنده به مقام استادی نائل نشده ام .
      از نظرات شما کمال استفاده را خواهم نمود.

  4. SARA
    مرداد ۱۰, ۱۳۹۰

    آقای محمد علی
    با عرض سلام و خسته نباشيد ممنون از سايت بسيار خوبتون و با تشكر از آموزشتون.
    من واقعا نمیدونم از کجا باید شروع کنم. نفت خیلی گسترده است. لطفا من رو راهنمایی کنید. ضمنا آیا برای خانوم ها هم امکان رشد و ترقی در این صنعت هست یا خیر؟.
    با تشکر فرآوان

    رتبه دهید: Thumb up 0 Thumb down 0

    • سلام خدمت شما.
      در مورد سئوال ،لطفا با ایمیلم مکاتبه بفرمایید.
      [email protected]
      متشکرم.

    • کمالی محمد حسن
      مرداد ۱۱, ۱۳۹۰

      زیاد خودتون رو درگیر مسائل نفتی نکنید. این کار کاملا مردونست. ما خ مردها توش موندیم. کلی هم مشکلات دیگر داره. جدا میگم…
      من مدت 1 هفته بخاطر تنگی نفس تو بیمارستان خوابیدم.
      بزارید این کار رو به عهده مردها
      thanks

      رتبه دهید: Thumb up 1 Thumb down 0

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *