کاربرد نیتروژن مایع در صنعت نفت

بررسی کاربردهای نیتروژن در صنعت نفت و گاز

در صنعت نفت از گاز نیتروژن با خلوص بین ۹۵%  تا ۹۷ %  برای کاربردهای متنوعی مانند تخلیه دستگاه ها، مخزن‌ها و خطوط لوله حاوی بخارها و گازهای خطرناک، بهبود بازیافت و حفظ فشار در مخزن‌های گاز و نفت و … استفاده می شود. در این بخش به صورت اختصار مزایای خرید نیتروژن مایع و کاربردهای گاز نیتروژن در صنعت نفت را بررسی خواهیم کرد:

۱-   نیتروژن در تحریک چاه های نفتی و افزایش برداشت نفت

۲ – نیتروژن در پاکسازی و  انجام تست فشارخطوط نفت و گاز

۳- نیتروژن در  پیگ رانی

پیگ وسیله‌ای است مورد استفاده در لوله‌های انتقال سیالات از جمله لوله‌های آب، فاضلاب، انتقال نفت و انتقال گاز که به منظور :

– نیتروژن درتمیزکاری لوله

– نیتروژن در ایجاد حائل فیزیکی بین دو سیال متفاوت

– نیتروژن در نظارت بر بدنه لوله

– نیتروژن در ضبط اطلاعات هندسی خط لوله

در این خطوط لوله استفاده می شود

۴-  نیتروژن درخشک کردن خطوط و تجهیزات نفت و گاز

۵- نیتروژن در اطفاء حریق چاه  های نفتی و ایمن سازی چاه ها

۶-  نیتروژن در حفاری چاه ها به روش زیر فشار تعادل مخزن-UBD

۷- نیتروژن در تکمیل  چاه های نفتی

۸-  نیتروژن در تحریک چاه ها

۹-  نیتروژن درمخلوط کردن مایعات با چگالی کم هنگام سیمانکاری

۱۰  – نیتروژن در تمیزکاری ایستگاه های کمپرسور و تجهیزات پردازش گاز

۱۱-  نیتروژن در پر کردن مخازن با نیتروژن فشار بالا و پایین

۱۲ –  نیتروژن  درهوازدایی تجهیزات و لوله کشی ها

۱۳ –  نیتروژن رانی در چاه های نفت و گاز

نیتروژن مایع و کاربردهای آن در صنایع گوناگون

نیتروژن مایع یکی از پرکاربردترین محصولات گازی در جهان می باشد. در زیر به برخی از کاربردهای این محصول اشاره گردیده است:

صنایع هوایی و هوافضا

نیتروژن مایع یک ماده بسیار ضروری برای این صنایع به شمار رفته و در تونل‌های بادی با عدد رینولدز، کوره‌های حرارتی و اتوکلاوها به کار می‌رود تا مواد قوی و در عین حال بسیار سبک ساخته شوند. نیتروژن همچنین به عنوان گاز کمکی در برش‌های لیزری نیز به کار می‌رود. تجهیزات اتوماسیون‌سازی و حمل و نقلکارخانه‌های مونتاژ درجه یک و دو از ترکیب گاز نیتروژن با سایر گازها‌ی جوشکاری دیگر برای جوش دادن قسمت‌های اتوماتیک ماشین‌ها، قاب‌های فلزی، لوله‌های اگزوز و باقی بخش‌ها استفاده می‌کنند.

نیتروژن هوای لازم برای جوشکاری بر روی هر نوع ماده‌ای را تامین می‌کند. همچنین در ایربگ‌ها نیز ماده‌ای ضروری است و نقش حیاتی بازی می‌کند. شیمیایی نیتروژن مایع به عنوان یک گاز فشار به هدایت جریان سیالات داخل لوله‌ها کمک می‌کند. همچنین از آن به عنوان لایه محافظ در برابر اکسیژن برای مواد حساس به هوا و برای پاک کردن مواد شیمیایی ارگانیک (آلی) از جریان‌های پردازش استفاده می‌‌شود.

انرژی

از نیتروژن مایع به عنوان یک گاز خنثی مانند یک روکش قوی برای نرسیدن هوا به قطعات و فرآیند‌های حساس استفاده می‌شود. همچنین نیتروژن مایع یک پاک‌کننده برای لوله‌های انتقال و تجهیزات است تا آلودگی‌های محیطی وارد آن‌ها نشود.

نوشیدنی و خوراکی

نیتروژن مایع به عنوان یک عامل برودتی اصلی در صنعت خنک‌‌سازی، سرمایش و انجماد مواد غذایی به کار می‌رود. به دلیل دمای بسیار پایین این گاز، منجمد سازی از طریق غوطه‌‌ور کردن مواد در نیتروژن مایع سریع‌ترین راه شناخته شده برای تهیه‌ بسته‌های غذایی “IQF” یا «بسته‌های غذایی منجمد انفرادی» است. نیتروژن مایع همانند اکسیژن مایع همچنین نقش اصلی در جلوگیری از فساد، تغییر رنگ و تخمیر مواد غذایی را بازی می‌کند و به همین دلیل سیستم بسته‌بندی در اقتصاد خرد و فروشگاهی را بهبود بخشیده‌ است.

سلامت

از نیتروژن تری‌فلورید (NF) به عنوان یک عامل بردوتی یا «کرایوژن» برای انجماد و نگهداری خون، بافت‌ها و باقی نمونه‌های بیولوژیکی و همچنین برای منجمد و نابود‌سازی بافت‌های مریض در «جراحی کرایو» و پوستی استفاده می‌شود. همچنین، برای راه‌اندازی تجهیزات پزشکی نیز از این گاز استفاده می‌کنند.

تولیدات فلز

نیتروژن مایع به عنوان یک محافظ و گاز پاک‌کننده در صنعت فولاد،‌ از اکسیده شدن فلز جلوگیری می‌کند و در فرآیند کنترل گرمایی نقش کلیدی دارد.

نفت و گاز

در صنعت نفت و گاز طبیعی از گاز نیتروژن برای افزایش گنجایش مخازن و شکستن ترکیبات حلقه‌ای هیدروکربنی استفاده می‌شود تا تولید نفت و گاز به حد چشمگیری افزایش و بازدهی عملیات نیز بهبود یابد.

داروسازی و بیوتکنولوژی

نیتروژن گازی عموما در پاکسازی، انتقال فشار، ادغام و پوشش (محافظت از یک فرآیند در برابر نفوذ رطوبت)، اکسیداسیون، تنزل و آلودگی به کار می‌رود. از نیتروژن مایع کرایوژنیک به منظور مدیریت دما در سیستم خنک‌سازی راکتور و نگهداری نمونه‌های بیولوژیکی استفاده می‌شود.

خالص‌سازی

علاوه بر خاصیت پوششی برای مخازن و پاک‌کننده لوله‌های انتقال، از نیتروژن برای جداسازی مواد “VOC” یا «ترکیبات آلی فرار» از فرآیند‌های شیمیایی و فاضلاب‌ها و کاهش تشعشعات این دسته از مواد استفاده می‌شود.

جوشکاری و ساخت فلزات

در جوشکاری لوله‌های از جنس فولاد ضد زنگ از نیتروژن به عنوان یک گاز پاک‌کننده استفاده می‌شود. همچنین برای برش زدن با لیزر و افزایش شدت برش پلاسما نیز گاز نیتروژن به کار می‌رود.

امکان کاربرد نیتروژن در افزایش بهره‌وری مخازن نفت و گاز

امروز با اعمال روش‌های مختلف ازدیاد برداشت در مخازن نفت ایران روش‌های اولیه بازیافت طبیعی، راندمان بازیافت متوسط حدود 20% بوده که با اعمال روش‌های بازیافت ثانویه شامل تزریق گاز و یا آب این مقدار به 25% افزایش یافته است. روش‌هایی چون تزریق امتزاجی، روش‌های شیمیایی و حرارتی و تزریق CO2 به عنوان روش‌های ثالثیه ازدیاد برداشت شناخته شده‌اند، تزریق نیتروژن به عنوان یکی از روش‌های EOR در سال‌های اخیر کاربرد زیادی داشته است.

بطوری که این گاز به عنوان جانشین مناسبی برای گاز طبیعی و متان از نظر اقتصادی، برای CO2 از نظر اقتصادی و قابلیت دسترسی معرفی شده است. گزارش حاضر در همین زمینه توسط پایگاه اینترنتی مهندسی اکتشاف ارائه شده است.

تزریق نیتروژن با اهدافی مانند جابه‌جایی غیر امتزاجی، جابه‌جایی امتزاجی، تزریق با هدف تثبیت فشار و یا فشارافزایی، بالا بردن راندمان جابه‌جایی ثقلی به همراه تزریق CO2، در برداشت ثالثیه (برداشت نفت ته مانده بعد از تزریق آب)، برای بازگردانی گاز در مخازن گاز قطران و تزریق از نوع WAGدر مخازن نفتی و گازی قابل انجام است.

مقایسه‌ی خواص فیزیکی و کاربرد گاز طبیعی دی‌اکسید کربن (2CO) و ازت (N2)

گاز طبیعی جهت تزریق گاز از انواع امتزاجی و غیرامتزاجی و هم‌چنین تثبیت فشار مخزن بسته به شرایط دما، فشار و سیال مخزن، کاربرد دارد که از مهم‌ترین خصوصیات آن می توان به در دهه‌ی اخیر به عنوان تمیزترین منبع انرژی معرفی شده است.

گاز دی‌اکسید کربن (CO2) جهت تزریق گاز از نوع امتزاجی و گاه غیرامتزاجی کاربرد دارد، اما (N2) جهت تزریق گاز از نوع امتزاجی (با شرایط محدود) و غیر امتزاجی در مخازن شکافدار و بدون شکاف، جهت تثببیت فشار مخزن، در بازیافت ثالثیه بعد از تزریق آب جهت تولید نفت باقی‌مانده، تزریق به صورت WAG و هم‌چنین در مخازن گاز میعانی جهت جلوگیری از تشکیل مایعات گازی در شرایط مخزن و یا بالا بردن تحرک‌پذیری مایعات گازی تشکیل شده کاربرد دارد.

از مهم‌ترین خصوصیات آن نیتروژن جانشین مناسبی برای گاز متان بوده و در اکثر موارد کاربرد این گاز، گاز ازت بی‌اثر است، رسوب آسفالتین و خوردگی ایجاد نمی‌کند و مشکلی نیز در رابطه با تزریق‌پذیری ایجاد نمی‌کند، در کشورهای صنعتی گاز نیتروژن تزریقی را از هوا و یا از گازهای حاصله از سوخت تهیه می‌کنند.

در کشورهای صنعتی هزینه‌ی تولید ازت در فشار تزریق تقریبا یک سوم ارزش گاز طبیعی است، ذخایر بزرگ گازی ازت موجود در کشور، ضریب تراکم‌پذیری بالا سبت به CO2 و گاز طبیعی به این معنا که در شرایط مساوی از نظر فشار و دما مقدار بیشتری گاز ازت در حجم معین موجود است.

امروزه در مخازن متعددی در آمریکا و کانادا تزریق گاز ازت به طور خالص و یا همراه گاز CO2 حاصل از سوخت به صورت امتزاجی و غیرامتزاجی انجام می‌گیرد. ازت لازم برای پروژه‌های تزریق در این کشورها بیشتر از طریق جداسازی ازت از هوا (Cryogenic Air Separation) تامین می‌شود.

اکسیژن همراه با نیتروژن در هوا، می‌تواند مشکل‌ساز باشد، به این  صورت که با H2S موجود در مخزن واکنش انجام داده و ترکیبات اسیدی ایجاد می‌کند. هرقدر میزان گوگرد سیال مخزن بیشتر باشد (سیال مخزن ترش‌تر باشد) حضور اکسیژن مشکل‌سازتر است. در پروژه‌های تزریق نیتروژن که تا امروز انجام شده درجه خلوص آن گاز به طور متوسط یبن 9/99% – 93% بوده است.

تزریق ازت با هدف ازدیاد برداشت به صورت گسترده در مخازن نفتی و هم‌چنین با هدف recycling و تثبیت فشار مخزن در مخازن گازی و gas lift قابل انجام است، محدودیت‌های موجود در رابطه با استفاده از گازهای طبیعی و دی اکسید کربن، ازت را به عنوان یک جانشین اقتصادی در پروژه‌های امتزاجی مطرح می‌سازد. این مهم را باید مدنظر قرار داد که متدهای امتزاجی با گاز ازت تنها در مخازن خاصی قابل اجرا است.

حالت امتزاجی گاز ازت و نفت‌های سبک حدودا مثل گاز متان است، امتزاج گاز ازت و نفت‌های سبک از نوع تبخیری (Vaporizing Gas Drive) و به واسطه‌ی تبخیر ترکیبات سبک و میانی نفت در فاز گاز در اثر تماس‌های متوالی و مکرر گاز و نفت است.

فشار امتزاج (MMP) ازت و نفت‌های سبک از متان بالاتر بوده (اعداد 5000 تا 8000 پام در مقالات گزارش شده است) و بعضی از مطالعات نشان داده‌اند که اگر مقدار متان نفت مخزن بالاتر از 40 درصد مولی باشد MMP دو گاز ازت و متان مساوی‌اند. در مطالعات فوق مشخص شده است که با افزایش میزان گاز محلول موجود در نفت میزان MMP نفت مخزن و ازت کاهش می‌یابد.

تزریق امتزاجی گاز ازت با نفت سبک در واقع عمل امتزاج در تماس اول انجام نشده و بنا بر مکانیزم تبخیری به تدریج اجزای سبک نفت در داخل گاز ازت تبخیر می‌شوند. از این رو تزریق  امتزاجی ازت در مراحلی مانند تغییر ترکیب نفت در طی جابه‌جایی آن با گاز ازت، تغییر در خواص نفت و گاز در طی تزریق ازت، امتزاج نفت و گاز بعد از تماس‌های متوالی به وقوع می‌پیوندد.

در صورتی که شرایط ذکر شده جهت تزریق امتزاجی ازت فراهم نباشد (فشار و نوع سیال مخزن)، تزریق از نوع غیرامتزاجی و با هدف تثبیت فشار و یا در پروژه‌های ریزش ثقلی انجام می‌گیرد. یکی از قدیمی‌ترین و ساده‌ترین روش‌های بازیافت نفت تزریق گاز از نوع غیرامتزاجی می‌باشد که با توجه به قیمت بالای گاز طبیعی، گاز ازت جانشین مناسبی برای آن است.

گاه با توجه به پارامترهای سنگ مخزن از جمله فشار موئینگی و تر شوندگی، عبورپذیری نسبی و هم‌چنین مشخصات فیزیکی نفت، تزریق گاز غیرامتزاجی کارآیی مناسب را ندارد. تعدادی از مقالات جهت بهبود شرایط تزریق امتزاجی ازت راه‌حل‌هایی را ارائه کرده‌اند. از آن جمله تاثیر تزریق اولیه مقادیری C6-C2 در کاهش قابل توجه فشار امتزاجی (MMP) ازت است، گاه نیز به تزریق همزمان گازهای CO2 و N2 جهت کاهش فشار امتزاجی اشاره شده است.

در مخازن گاز میعانی با درصد مایعات گازی بالا تزریق گاز ازت جهت تثبیت فشار و عدم کاهش آن به زیر فشار نقطه شبنم از تشکیل مایعات گازی در شرایط مخزن و به تله افتادن آنها جلوگیری کرده و بسیار موثر است. بنابراین تزریق گاز ازت از کاهش راندمان تولید مایعات گازی جلوگیری کرده و با نگاه داشتن فشار مخزن در بالای فشار نقطه شبنم با سیال موجود در چاه نیز ممزوج شده و راندمان تولید گاز و میعانات را بالا می‌برد.

مورد کاربرد دیگر گاز ازت در پروژه‌های ازدیاد برداشت استفاده از این گاز در تزریق از نوع WAG است که به نظر می‌رسد می‌تواند به عنوان جانشین مناسبی برای گاز طبیعی به صورت متناوب با آب، به مخزن نفتی تزریق شده و راندمان تولید را افزایش دهد. در تعدادی از مقالات نیز به نقش ازت در برداشت ثالثیه بعد از تزریق آب اشاره شده است. به طوری که نفت‌های در تله افتاده که توسط مکانیزم تزریق آب قابل برداشت نبوده‌اند با تزریق گاز ازت قابل جابه‌جایی است.

معمولا در پروژه‌های ازدیاد برداشت با تزریق نیتروژن، فاصله چاه‌های تزریقی و تولیدی را به اندازه‌ای انتخاب می‌کنند که مسئله آلودگی با نیتروژن به تعویق بیافتد. در صورت نیاز به تولید بعد از تولید گاز آلوده به نیتروژن جداسازی (Rejection) صورت خواهد گرفت.

جداسازی نیتروژن از گاز در دمای فوق سرد انجام می‌گیرد. برای این‌که در آن دما مشکلی از لحاظ یخ زدن اجزای موجود در گاز پیش نیاید باید اجزای مورد نظر را جدا کرد. مثلا آب توسط غربال‌های مولکولی جدا خواهد شد. دی‌اکسید کربن و سولفید هیدروژن نیز توسط سیستم آمین جدا شده و نهایتا نیتروژن از گاز جدا می‌شود. نیتروژن جدا شده جهت تزریق مجدد، و گازهای با ارزش جهت فروش ارسال می‌شوند.

در مقالات موجود در رابطه با بهبود ضریب برداشت نفت و گاز به هنگام تزریق ازت اعدادی ارایه  شده‌اند که بسته به شرایط مخزن از نظر فشار، دما، مکانیزم به کار گرفته شده و خصوصیت سنگ مخزن متفاوت است. از این رو با توجه به وجود چند مخزن بزرگ گاز ازت با درصد بالا همچون مخزن گازی کبیرکوه (دهرم با حجم گاز درجای 21 تریلیون فوت مکعب (TCF)، مخزن میلاتون (سورمه با حجم گاز درجای بیش از 24 تی سی اف)، مخزن سمند (دالان بالایی با حجم گاز درجای بیش از 75 تی.سی. اف)، با در نظر گرفتن این گاز به عنوان جانشین مناسب برای گاز طبیعی بعد از انجام آزمایش‌های لازم منطقی به نظر می‌رسد.

آزمایش‌های لازم شامل اندازه‌گیری حداقل فشار امتزاج (MMP) و تعیین درصد برداشت در نمونه سنگ واقعی مخزن در شرایط فشار و درجه حرارت مخزن با نمونه سیال واقعی مخزن با اعمال مکانیزم‌های مختلف و مقایسه آنها، انجام آزمایش‌های سرچاهی، مطالعات اقتصادی و انجام پروژه‌های نمونه صنعتی (Pilot) است.