تشخیص میزان سولفات در سیال شکست هیدرولیکی

مرداد ۷, ۱۴۰۲
مریم سادات مرصعی- دکتری نانو شیمی
بدون نظرات

سولفات‌ها یکی از خطرناک‌ترین آلاینده‌های محیط زیست هستند. صنایع نفت و گاز یکی از حوزه‌هایی است که به شدت تحت تاثیر اثرات سو این آلاینده قرار می‌گیرد. در این صنایع جهت استخراج نفت و گاز محبوس در سنگ‌های غیر متخلخل از فرآیند شکست هیدرولیکی استفاده می‌کنند. وجود سولفات در سیالات شکست هیدرولیکی سبب تشکیل رسوبات معدنی درون چاه یا روی تجهیزات می‌شود. این رسوبات جریان نفت و گاز را در طول فرآیند استخراج محدود می‌کنند. بنابراین مانیتورینگ سولفات در این سیالات از اهمیت بالایی برخوردار است. یکی از روش‌های قدرتمند برای نظارت بر غلظت سولفات در سیالات شکست هیدرولیکی روش طیف سنجی رامان است. برای درک بیشتر این روش تا انتهای مطلب همراه ما باشید.

اهمیت نظارت بر میزان سولفات در سیال شکست هیدرولیکی

شکست هیدرولیکی (Hydraulic fracturing) یا فرکینگ (Fracking) عملیاتی است که برای دسترسی به منابع نفت و گاز محبوس در سنگ‌های غیرمتخلخل استفاده می‌شود. در واقع شکست هیدرولیکی یک تکنیک تحریک چاه است. این تکنیک برای به حداکثر رساندن تولید نفت و گاز طبیعی در مخازن غیر متعارف مانند شیل‌ها و بسترهای زغال سنگ استفاده می‌شود. در این روش سیالات مخصوصی حاوی آب، ماسه و مواد شیمیایی دیگر تحت فشار بالا و از طریق چاه‌های حفر شده به سطح سنگ اصابت می‌کنند. لایه شیل به صورت طبیعی غیر قابل نفوذ است. این سیال با فشاری که به لایه شیل وارد می‌کند، قسمتی از این لایه سنگی را خرد می‌کند. در نتیجه شکستگی‌هایی در آرایش سنگ‌ها ایجاد می‌شود. در ادامه دانه‌های کوچک ماسه درون شکستگی‌ها قرار می‌گیرند و شکستگی‌ها را باز نگه می‌دارند. این شکاف‌ها سطوح در دسترس سنگ را در حفره حفاری افزایش می‌دهند. بنابراین گاز طبیعی و نفت خام از طریق این شکاف‌ها آزادانه‌تر جریان می‌یابند که سبب افزایش بهره وری چاه می‌شود.

سیالات مورد استفاده در شکست هیدرولیکی که سیالات فرکینگ (Fracking fluids) نیز نامیده می‌شوند مبتنی بر آب هستند. سهم عمده‌ای از هزینه این عملیات مربوط به مقدار زیاد آب مصرفی است. بنابراین یکی از چالش‌های اساسی، بازیافت این سیالات در عملیات شکست هیدرولیکی است. استفاده مجدد از این سیالات مشروط به خواص شیمیایی و فیزیکی است که به ترکیب شیمیایی آب مربوط می‌شود. فاضلاب حاصل از چاه‌های فرکینگ معمولا مقدار زیادی محتویات جامد دارد که اغلب حاوی نمک‌ها، مواد شیمیایی آلی، فلزات و مواد رادیواکتیو طبیعی است. یکی از آلاینده‌های موجود در این سیالات،‌ سولفات‌ ها هستند. غلظت بالای یون‌های سولفات در سیال می‌تواند منجر به پوسته پوسته شدن و تشکیل رسوبات معدنی درون چاه یا سایر تجهیزات شود. این جرم‌گیری به تجهیزات آسیب می‌رساند. به علاوه جریان سیالات و گاز را محدود می‌کند و کارایی فرآیند شکست هیدرولیکی را کاهش می‌دهد. یکی از راهکارهای پیشنهادی برای رفع این چالش نظارت بر سطوح سولفات درون سیال است. مانیتورینگ آنلاین مقادیر سولفات، اپراتورها را قادر می‌سازد که ترکیب سیال شکست را تنظیم کنند و از عملکرد بهینه سیال اطمینان حاصل کنند. برای این منظور می‌توان از سیستم‌های طیف سنجی رامان استفاده کرد.

مطالعه مقاله آنالیز میکروپلاستیک‌های آب با طیف سنج رامان

تعیین غلظت سولفات در سیال شکست هیدرولیکی با طیف سنجی رامان

سیستم‌های طیف سنجی رامان در حوزه استخراج نفت و گاز به عنوان یکی از ابزارهای کلیدی و پرکاربرد به شمار می‌روند. این تکنیک یک روش سریع و غیر مخرب برای آنالیز ترکیب شیمیایی سیالات است. روش رامان با اندازه‌گیری انرژی ارتعاشی مولکول‌های سولفات در سیال، اطلاعاتی مبنی بر حضور سولفات و حتی غلظت یون‌های سولفات در مایع شکست ارائه می‌دهد. با نظارت بر سطوح سولفات، می‌توان از مشکلات احتمالی مانند پوسته پوسته شدن، خوردگی و کاهش عملکرد سیال جلوگیری کرد. بنابراین طیف‌ سنج رامان یکی از مناسب ترین گزینه‌ها برای نظارت بر غلظت سولفات در سیال شکست هیدرولیکی است.

در این قسمت برای درک بهتر کاربرد طیف سنجی رامان در تعیین میزان سولفات، چند نمونه از سیالات فرکینگ را مورد بررسی قرار دادیم. در ارزیابی اولیه نمونه‌ها پیش از آنالیز به خوبی تکان داده شدند. نتایج نشان داد که پراکندگی پرتو تحریک لیزر توسط ذرات معلق موجود در محلول منجر به مجموعه‌ای از طیف‌های تقریبا یکسان می‌شود. طیف اولیه نمونه‌های تکان خورده و بسیار کدر هیچ تغییری در پیک مشخصه سولفات (^–SO_۴^۲) به عنوان تابعی از غلظت نشان نداد. در نتیجه اجازه دادیم که سوسپانسیون‌ها ته‌نشین شوند. سپس فاز محلول سوسپانسیون‌ها را آنالیز کردیم. در کنترل فرآیند، این مرحله با انعقاد الکتریکی و ته نشینی انجام می‌شود. همان گونه که در شکل ۲ مشخص است با افزایش غلظت سولفات گزارش شده، افزایش واضحی در پیک مشخصه سولفات در (cm^-۱) ۹۸۰ مشاهده می‌شود.

**شکل ۲: طیف‌های رامان سیال فرکینگ ته نشین شده با پس زمینه تصحیح شده**

مساحت پیک مشخصه سولفات تمام نمونه‌ها در (cm^-۱) ۹۸۰ به عنوان تابعی از غلظت یون سولفات ترسیم شد. نتایج یک رابطه خطی را نشان می‌دهد که بیانگر یک ارتباط کمی بین سطح پیک در (cm^-۱) ۹۸۰ و غلظت سولفات محلول در این محدوده غلظت است.

مطالعه مقاله کاربرد طیف سنج در آنالیز آثار هنری

**شکل ۳: رابطه خطی بین مساحت پیک و غلظت یون سولفات در منحنی کالیبراسیون**

جمع ‌بندی

در این مطلب شرح دادیم که طیف سنجی رامان حضور سولفات در سیالات فرکینگ را تشخیص می‌دهد. به علاوه نشان دادیم که بین مساحت پیک سولفات و غلظت سولفات محلول رابطه‌‌ای خطی وجود دارد. بنابراین از طریق این رابطه می‌توان غلظت سولفات موجود در سیال را نیز اندازه‌گیری کرد. به طور کلی این آنالیز، اپراتورها را قادر می‌سازد که ترکیب سیال شکست را تنظیم کنند و از عملکرد بهینه سیال اطمینان حاصل کنند. این کار به حفظ جریان ثابت نفت و گاز از چاه کمک می‌کند و از توقف پرهزینه عملیات برای تمیز کردن یا تعمیر تجهیزات جلوگیری می‌کند. چنانچه در این زمینه‌ها سوالی دارید می‌توانید با متخصصان شرکت تکسان در ارتباط باشید.