پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی
همه چیز درباره ماهیت نفت خام و فرآیند استخراج آن
مقدمه
امروزه نفت خام یا پترولیوم (Petroleum)، در میدان‌های نفتی بزرگی پیدا می‌شود که این میادین در میلیون‌ها سال پیش، اقیانوس‌های بزرگی بوده‌اند. استخراج نفت خام از خشکی یا زیر دریا با استفاده از تکنولوژی‌های جدید روز به روز در حال پیشرفت است. نفت خام معمولا سیاه یا قهوه‌ای تیره است اما در برخی موارد به رنگ‌های زرد، قرمز یا سبز هم یافت می‌شود. تغییرات رنگ نفت خام نشان از ترکیبات این ماده پرارزش دارد. نفتهای با مقادیر کم از گوگرد و فلزات، رنگ‌های روشن‌تری دارند. از این ماده در تهیه سوخت‌های مهم همچون گازوئیل و محصولات دیگر مانند تایر خودروها، جلیقه‌های نجات و حتی داروهای بیهوشی نیز استفاده می‌شود. سوختن محصولات مشتق از نفت خام مانند گازوئیل، علت آزاد شدن گازهای گلخانه‌ای است که افزایش این گازها در نهایت سبب از بین رفتن تعادل طبیعی و بروز اثرات مخرب بر محیط زیست می‌شود. نفت خام و دیگر منابع فسیلی مثل زغال‌سنگ، منابع تجدیدناپذیر محسوب می‌شوند؛ زیرا برای تشکیل این منابع، میلیون‌ها سال زمان صرف شده است. این منابع روزی تمام خواهند شد و باید به فکر جایگزینی برای آنها بود.
شکل گیری نفت
شرایط زمین‌شناسی که در نهایت سبب تشکیل نفت شده است، از میلیون‌ها سال پیش و در زمان حیات پلانکتون‌ها و جلبکها نشأت می‌گیرد. این موجودات، پس از مرگ، در کف دریا و زیر میلیون‌ها تن رسوبات دفن شدند. با خشک شدن دریاها، رسوبات باقیمانده آنها تشکیل حوضه‌های رسوبی دادند و این مواد آلی در اعماق زمین، تحت فشار و دمای زیاد لایه‌های بالایی قرار گرفتند. در نبود اکسیژن، این مواد آلی تبدیل به موادی مومی شکل با نام «کروژن» (Kerogen) شدند. کروژن‌ها با گذشت از سه مرحله دیاژنز، کاتاژنز و متاژنز که حاصل زمان، فشار و دمای زیاد بود به هیدروکربن و گاز تبدیل شدند.
طبقه‌بندی نفت خام
نفت خام از هیدروکربن‌های متعددی تشکیل شده است. علاوه بر هیدروژن و کربن، عنصرهای دیگری مثل نیتروژن، گوگرد، اکسیژن و فلزاتی همچون آهن، نیکل و مس در ترکیبات نفت خام یافت می‌شوند. ساختار مولکولی نفت خام برگرفته از ساختار جلبکها، پلانکتون‌ها و گیاهانی است که آن را تشکیل داده‌اند. تغییراتی که در ساختار مولکولی نفت خام نیز مشاهده می‌شود به دلیل شرایط فشار و دمای بالا در فرآیند تشکیل شدن نفت خام است. به سبب این تغییرات در ساختار مولکولی، نفت خامی که به سطح زمین می‌رسد شامل صدها ترکیب نفتی دیگر است. نفت سبک، نفت سنگین و قیرها از جمله ترکیبات اصلی بدست آمده در استخراج نفت خام است. لازم به ذکر است که تمامی محصولات مشتق شده از نفت خام، برای استفاده در صنعت نیاز به پالایش دارند.
طبقه‌بندی
نفت خام شامل سه طبقه‌بندی کلی است:
-
طبقه‌بندی بر اساس موقعیت جغرافیایی
-
طبقه‌بندی بر اساس میزان گوگرد در آن
-
طبقه‌بندی بر اساس درجه API
طبقه‌بندی بر اساس موقعیت جغرافیایی
به طور کلی سه نوع نفت خام مرجع برای قیمت‌گذاری وجود دارد: نفت برنت، نفت تگزاس و نفت عمان. نفت برنت مخلوطی از 15 نوع نفتِ دریای شمال، از میادین اسکاتلند تا نروژ است. بیشتر اروپا از این میادین تغدیه می‌شود. نفت تگزاس، نفت مرغوب و سبکی است که بیشتر در ایالت تگزاس آمریکا تولید می‌شود که تامین نفت شمال آمریکا را بر عهده دارد. نفت عمان که در مواردی نفت دبی هم نامیده می‌شود به عنوان مرجع قیمت‌گذاری نفت در خلیج فارس شناخته می‌شود.
نفت اوپک هم مرجع دیگری از منابع نفتی است. اعضای سازمان کشورهای صادرکننده نفت (اوپک) شامل: الجزایر، آنگولا، اکوادور، ایران، عراق، گینه استوایی، گابن، کویت، لیبی، نیجریه، قطر، عربستان، امارات، اندونزی، کنگو ونزوئلا است.
طبقه‌بندی بر اساس میزان گوگرد
گوگرد به عنوان ناخالصی در نفت خام وجود دارد. گوگرد موجود در نفت خام سبب خوردگی فلزات در پالایشگاه‌ها و آلودگی هوا می‌شود. نفت خام با بیش از 0/5 درصد گوگرد، به نام «نفت ترش» (Sour Oil) و کمتر از آن به نام «نفت شیرین» (Sweet Oil)، شناخته می‌شود. نفت شیرین به خاطر ضرر کمتری که به محیط زیست وارد می‌کند و همچنین درجه خلوص بالاتر، ارزش بیشتری دارد.
طبقه‌بندی بر اساس درجه API
استاندارد API، یک شاخص پذیرفته شده در بین محصولات نفت و گاز است. درجه API نفت، واحدی برای مقایسه چگالی نفت خام با آب است. طبقه‌بندی‌های مختلفی برای نفت خام بر اساس درجه API توصیه شده است؛ ولی به طور معمول نفتهای خام زیر پانزده درجه API، به عنوان نفت سنگین و بالاتر از آن به عنوان نفت سبک در نظر گرفته می‌شوند. نفتهای سنگین به دلیل داشتن گوگرد و فلزات، نیاز به مراحل بیشتری برای پالایش دارند و از این‌رو، نفتهای سبک محبوبیت بیشتری دارند. نحوه محاسبه درجه API در زیر آورده شده است:
APIGravity=141.5SG−131.5
به طور مثال، برای محاسبه درجه API نفت سنگین با «چگالی ویژه» (Specific Gravity) برابر با 1 (در شرایط 60 درجه فارنهایت)، به صورت زیر عمل می‌کنیم:
141.51.0−131.5=10.0∘API
مخازن نفتی
نفت خام در مخازن زیرزمینی یافت می‌شود. در زیر زمین و در فشار و دمای بالا، این نفت شروع به حرکت به طرف لایه‌های بالاتر می‌کند تا به یک لایه نفوذناپذیر برسد و در تله‌های نفتی به دام بیافتد. این تله‌های نفتی ممکن است بر اثر گسل یا تنش در لایه‌های زیر زمین بوجود بیایند. همچنین در «تله‌های چینه‌شناسی» (Stratigraphic Traps)، به دلیل وجود «تخلخل» (Porosity) متفاوت بین لایه‌ها و تغییر «نفوذپذیری سنگ» (Rock Permeability)، نفت در زیر لایه‌های نفوذناپذیر به دام می‌افتد. نفت خام از میان لایه‌های ماسه‌سنگی عبور می‌کند اما در زیر «لایه‌های شیلی» (Shale Layers)، به دام می‌افتد.
استخراج نفت خام
میزان نفت موجود در یک مخزن نفتی، «نفت درجای مخزن» (Oil in Place)، نام دارد. تمامی نفت درجای مخرن قابل استخراج نیست. برای استخراج نفت از یک مخزن نفتی نیاز به حفاری لایه‌های زمین است. این حفاری می‌تواند توسعه‌ای یا اکتشافی باشد. چاه‌های توسعه‌ای به منظور توسعه بیشتر یک میدان نفتی حفر می‌شوند اما چاه‌های اکتشافی که در برخی موارد به عنوان چاه‌های Wild Cat هم شناخته می‌شوند، در ابتدای حفاری از یک میدان نفتی حفر می‌شوند.
زمانی که به صورت مستقیم امکان دسترسی به مخزن نفتی وجود نداشته باشد از «حفاری انحرافی» (Directional Drilling) استفاده می‌شود. استفاده از حفاری انحرافی در سال 1991 سبب بروز جنگ در خلیج فارس شد. عراق، کویت را به استفاده غیرقانونی از نفت خود با استفاده از حفاری انحرافی متهم کرد.
سکوهای نفتی
سکوهای نفتی به دو دسته سکوهای خشکی و دریایی تقسیم می‌شوند. سکوهای خشکی به Drilling Rig و سکوهای دریایی به Platform موسوم‌اند.
در تولید اولیه نفت از سکوها، مته حفاری و خدمه به صورت 24 ساعته در حفاری شرکت می‌کنند. قطر این مته‌ها تا 36 سانتیمتر هم می‌رسد. با حفاری مناسب مخازن، برخی از مخازن نفتی تا دهه‌ها امکان تولید نفت دارند.
با حفر چاه و تولید از مخزن، تا بیش از 90 درصد از حجم نفت مخزن همچنان در زیر زمین باقی می‌ماند. برای استخراج این منابع از روش‌های متعددی استفاده می‌شود که به «روش‌های ازیاد برداشت از مخازن» (ٍEnhanced Oil Recovery) موسوم‌اند. روش «سیلابزنی» (Water Flooding)، از جمله این روش‌ها است. این روش به طور تصادفی در سال 1870 در پنسیلوانیا کشف شد. زمانی که چاه‌های نفت ترک شده در پنسیلوانیا، آب باران را در خود جمع کردند، با انباشته شدن این آب‌ها و افزایش وزن، اعمال فشار ایجاد شده سبب افزایش برداشت در چاه‌های نفت اطراف آن شد. روش‌های مختلف دیگر همچون «تزریق متناوب آب و گاز» (Water Alternating Gas) هم به مرور به این روش‌ها اضافه شد که به عنوان ازدیاد برداشت ثانویه نام‌گذاری شدند. از معمول ترین روش‌های ازدیاد برداشت ثانویه، تزریق گاز است. در این روش، تزریق گاز مانعی برای افت فشار بیش از حد مخزن نفتی به هنگام تولید است. دسته‌بندی دقیقی بین ازدیاد برداشت ثانویه و ازدیاد برداشت ثالثیه که هر دو نیز شامل تزریق گاز است نمی‌توان انجام داد. لازم به ذکر است که استفاده از روش‌های ازدیاد برداشت از مخازن در همان ابتدای تولید مخزن، بین مهندسان بسیار توصیه شده است.
ترکیب نفت
نفت خام شام هیدروکربن‌های جامد، مایع و گاز است. در فشار و دمای سطح زمین، هیدروکربن‌های سبک شامل متان، اتان، پروپان و بوتان به حالت گاز، درحالیکه هیدروکربن‌های سنگین‌تر به صورت مایع یا جامد وجود دارند. در زیر زمین، حالت‌های جامد، مایع یا گاز هیدروکربن‌ها به نمودار فازی آنها مربوط است.
یک چاه نفت در هنگام تولید نفت خام، مقادیری گاز حل شده در نفت خام هم تولید می‌کند که زمانی که به سطح زمین می‌رسد، به علت فشار کمتر، این گاز از حالت محلول خارج می‌شود. این نوع از گاز به «گاز همراه » (Associated Gas) موسوم است. لازم به ذکر است که در چاه‌های گازی، محصول اصلی، گاز طبیعی است. در زیر زمین و تحت فشار و دمای بالا، گاز طبیعی شامل هیدروکربن‌های سنگین‌تر مانند پنتان، هگزان و هپتان است. در سطح زمین، این ترکیبات سنگین به صورت مایع از گاز جدا و گاز «میعانی» (Condensate) نام‌گذاری می‌شوند.
نسبت هیدروکربن‌های سبک در نفت خام در میدان‌های نفتی مختلف، متفاوت است. این میزان در مخازن نفت سبک، حدود 97 درصد و در مخازن نفت سنگین به 50 درصد و کمتر می‌رسد. نفت خام بیشتر شامل آلکان‌ها، سیکلوآلکان‌ها و ترکیبات آروماتیک است. اجزای دیگری در ترکیبات نفت شامل نیتروژن، اکسیژن، گوگرد و فلزات وجود دارد که در هر «سازند» (formation)، این میزان متفاوت است.
ترکیبات نفت خام در پالایشگاه‌ها توسط فرآیند «تقطیر جزء به جزء» (Fractional Distillation) به محصولات مختلفی از جلمه گازوئیل، سوخت هواپیما، کروژن و دیگر ترکیبات تبدیل می‌شود. تعداد مولکول‌های نفت در یک نمونه نفت خام در آزمایشگاه تعیین می‌شود. با استفاده از روش‌های کروماتوگرافی گاز، «آشکار ساز یونیزاسیون شعله» (Flame Ionization Detector) یا اسپکترومتر جرمی می‌توان این میزان را تعیین کرد. البته با استفاده از روش‌های بالا هم تمامی ترکیبات نفت شناسایی نمی‌شوند.
