چرا دو سوم نفت مخازن در منافذ میکرونی محبوس می‌ماند؟ بن‌بست کشش سطحی در سیلاب‌زنی با آب

فشردن یک اسفنج خانگی خیس تقریباً تمام آب درون آن را آزاد می‌کند، زیرا منافذ آن بزرگ هستند و سیال به‌سادگی تغییر شکل می‌دهد. اما استخراج نفت خام از اعماق ماسه‌سنگ‌های زیرزمینی یک تفاوت بنیادی دارد: سیال ناچار است از گلویی‌های میکروسکوپی سنگ عبور کند، در حالی که کشش بین‌سطحی شدیدی میان آب و نفت برقرار است.

همین مقاومت میکروسکوپی تعیین‌کننده تراز عرضه جهانی انرژی است. وقتی یک میدان نفتی متعارف به پایان عمر عملیاتی استاندارد خود می‌رسد، بهره‌برداران معمولاً تنها موفق به استخراج یک‌سوم از کل نفت درجای اولیه شده‌اند.

دو سوم باقی‌مانده—میلیاردها بشکه نفت خام—برای همیشه در زیر زمین محبوس می‌ماند. بنا بر یک تحلیل تاریخی که در پایگاه Semantic Scholar منتشر شده است، «روش‌های سنتی اولیه و ثانویه تولید معمولاً تنها یک‌سوم نفت درجا را بازیافت می‌کنند و دو سوم آن دست‌نخورده باقی می‌ماند».[1]

محدودیت‌های فنی سیلاب‌زنی با آب

هنگامی که بهره‌برداری از یک مخزن نفتی آغاز می‌شود، فشار طبیعی زمین‌شناسی نفت خام را به سطح هدایت می‌کند. این مرحله بازیافت اولیه بسیار کارآمد اما کوتاه‌مدت است و معمولاً پس از تخلیه تنها ۱۰ تا ۲۰ درصد از حجم کل مخزن، توان طبیعی خود را از دست می‌دهد.

مهندسان نفت برای تثبیت فشار و هدایت نفت خام باقی‌مانده به‌سمت چاه‌های تولیدی، از روش بازیافت ثانویه بهره می‌گیرند که در سراسر جهان به نام سیلاب‌زنی با آب (Waterflooding) شناخته می‌شود. در این شیوه، میلیون‌ها گالن آب به چاه‌های تزریقی پمپاژ می‌شود تا دیواره‌ای فیزیکی از سیال تشکیل دهد و نفت را پیش براند.

سیلاب‌زنی با آب فراگیرترین روش استخراج در سطح جهان است و بیشترین سهم را در تولید کنونی دارد. با این حال، این فرایند ذاتاً با محدودیت‌های ناشی از خواص فیزیکی سیالات روبه‌روست. ویسکوزیته آب معمولاً کمتر از نفت خام است و همین اختلاف پدیده‌ای موسوم به «انگشتی‌شدن گرانروی» (Viscous Fingering) ایجاد می‌کند.

در جریان پدیده انگشتی‌شدن، آب رقیق‌تر نفت غلیظ‌تر را دور می‌زند و به‌جای جاروب یکنواخت سنگ، کانال‌های باریکی در آن باز می‌کند. به‌محض آنکه آب به چاه تولیدی رخنه کند، چاه عملاً شروع به پمپاژ آب می‌کند و ادامه استخراج توجیه اقتصادی خود را از دست می‌دهد.

حتی در مناطقی که جاروب کاملاً انجام شده و آب با نفت تماس مؤثر یافته است، فاز بازیافت ثانویه متوقف می‌شود. جبهه آب صرفاً توان فیزیکی لازم برای رهاسازی نفت خام از ساختار میکروسکوپی سنگ را ندارد و به این ترتیب ۶۰ تا ۷۰ درصد از نفت درجای اولیه محبوس می‌ماند.

فیزیک به دام افتادن مویینگی در منافذ

شکست سیلاب‌زنی با آب در مقیاس میکرومتر رقم می‌خورد. سنگ مخزن یک حفره توخالی نیست، بلکه ماتریکسی فشرده از ماسه یا کربنات است که پر از حفرات پیوسته بسیار کوچک است. معابری که این حفرات را به هم متصل می‌کنند و به «گلویی منافذ» مشهورند، اغلب تنها چند میکرون پهنا دارند.

نانجی هادیا، پژوهشگر آژانس علم، فناوری و تحقیقات سنگاپور، توضیح می‌دهد: «در بیشتر مخازن نفتی، حجم عظیمی از نفت غیرقابل‌برداشت باقی می‌ماند زیرا در گلویی‌های میکرونی منافذ سنگ مخزن به دام افتاده است».[4]

با ورود آب به مخزن، کانال‌های پیوسته نفت شکسته می‌شوند و نفت خام به قطرات منفرد و ناپیوسته‌ای به نام «گانگلیا» (Ganglia) بدل می‌گردد. از آنجا که آب و نفت امتزاج‌ناپذیرند، مرز صلبی میان این دو سیال شکل می‌گیرد که تحت حاکمیت کشش بین‌سطحی است.

کشش بین‌سطحی همچون پوستی کشسان و محکم پیرامون هر قطره نفت عمل می‌کند. زمانی که سیلاب آب می‌کوشد یک قطره نفت را از میان گلویی منفذی باریک‌تر از خود قطره عبور دهد، قطره باید تغییر شکل یابد تا بتواند رد شود.

نیروهای مویینگی که در برابر این تغییر شکل مقاومت می‌کنند بسیار قدرتمندند. هادیا یادآور می‌شود: «نیروهای مویینگی عاملی کلیدی هستند که نفت را در این گلویی‌های باریک نگه می‌دارند». آب به‌سادگی از کنار قطره محبوس عبور می‌کند و نفت خام را برای همیشه در ماتریکس سنگ قفل می‌نماید.[4]

مهندسان همچنین «عدد باند» را اندازه‌گیری می‌کنند که نسبت نیروهای گرانشی به نیروهای مویینگی را می‌سنجد. با این حال، در این گلویی‌های افقی میکروسکوپی، جاذبه بسیار ضعیف‌تر از آن است که بتواند نفت را به بالا بکشد و در نتیجه، به دام افتادن مویینگی به نیروی حاکم و مانع اصلی استخراج بدل می‌شود.[2]

نقش تعیین‌کننده عدد مویینگی در بازیافت

مهندسان نفت این بن‌بست میکروسکوپی را با یک معیار بی‌بعد موسوم به «عدد مویینگی» (Capillary Number) اندازه‌گیری می‌کنند. عدد مویینگی نمایانگر نسبت ریاضی میان نیروهای ویسکوز (که نفت را به پیش می‌رانند) و نیروهای مویینگی (که آن را به دام می‌اندازند) است.[2]

در رابطه عدد مویینگی، حاصل‌ضرب ویسکوزیته و سرعت سیال جابه‌جاکننده بر کشش بین‌سطحی میان آب و نفت تقسیم می‌شود. بالاتر بودن عدد مویینگی به این معناست که نیروهای پیش‌ران بر نیروهای بازدارنده غلبه کرده‌اند.

سیلاب‌زنی استاندارد با آب در اعداد مویینگی بسیار پایینی کار می‌کند که معمولاً بین 10⁻⁷ تا 10⁻⁶ در نوسان است. در این نسبت، نیروهای مویینگی به‌طور کامل بر محیط فیزیکی تسلط دارند و اشباع نفت پسماند صرف‌نظر از مدت‌زمان تزریق آب، در سطحی بسیار بالا باقی می‌ماند.[2]

برای متحرک‌سازی قطرات محبوس، مهندسان ناگزیرند عدد مویینگی را دو تا سه مرتبه بزرگی (orders of magnitude) افزایش دهند. پژوهش‌های بنیادین انجمن مهندسان نفت (SPE) نشان می‌دهد در سازندهایی با ترشوندگی شدید با آب، رهاسازی نفت پسماند تنها زمانی آغاز می‌شود که عدد مویینگی به محدوده 10⁻⁵ تا 10⁻⁴ برسد.[2]

دستیابی به این آستانه بحرانی، قوانین فیزیکی مخزن را دگرگون می‌کند. اگر اپراتورها بتوانند عدد مویینگی را از 10⁻⁴ فراتر ببرند، اشباع نفت پسماند به‌شدت سقوط می‌کند و امکان استحصال ۱۵ تا ۲۵ درصد بیشتر از نفت درجای اولیه فراهم می‌شود.

چرا فشار بیشتر به سنگ پاسخگو نیست؟

با توجه به فرمول عدد مویینگی، اپراتورها از نظر تئوری سه متغیر برای تحرک‌بخشی به نفت در اختیار دارند: افزایش سرعت آب تزریقی، افزایش ویسکوزیته آب، یا کاهش کشش بین‌سطحی.

افزایش سرعت سیلاب‌زنی شاید ساده‌ترین راهکار برای بالا بردن نیروی ویسکوز به‌نظر برسد، اما در میدان‌های واقعی از نظر فیزیکی ناممکن است. پمپاژ سریع‌تر آب مستلزم افزایش شدید فشار تزریق در سرچاه است.

هر سازند زمین‌شناسی آستانه شکست هیدرولیکی مشخصی دارد. چنانچه مهندسان از این حد فراتر روند، سنگ از نظر فیزیکی دچار شکستگی شده و شکاف‌های مصنوعی بزرگی ایجاد می‌شود. آب تزریقی بی‌درنگ از این شکاف‌ها فرار می‌کند، منافذ حاوی نفت را کاملاً دور می‌زند و راندمان جاروب را به‌کلی از بین می‌برد.

افزایش ویسکوزیته سیال تزریقی گزینه واقع‌بینانه‌تری است. اپراتورها برای غلیظ کردن آب و بهبود کارایی جاروب و مهار انگشتی‌شدن، مرتباً به آب پلیمرهای سنگین می‌افزایند. با این حال، سیلاب‌زنی با پلیمر به‌تنهایی ضریب برداشت را نهایتاً ۵ درصد بهبود می‌بخشد که برای رسیدن به آستانه بحرانی مویینگی کافی نیست.

روش‌های شیمیایی ازدیاد برداشت نفت

از آنجا که مکانیک سنگ اجازه افزایش صورت کسر عدد مویینگی را نمی‌دهد، مهندسان باید مخرج کسر را هدف قرار دهند. تنها راهکار فیزیکی عملی برای پر کردن این شکاف سه مرتبه بزرگی، کاهش چشمگیر کشش بین‌سطحی میان آب و نفت است.[5]

این دقیقاً مبنای روش‌های شیمیایی ازدیاد برداشت نفت (Chemical EOR) است. در این فرایند، مواد فعال سطحی یا سورفکتانت‌های ویژه‌ای—مشابه شوینده‌های صنعتی—به درون مخزن تزریق می‌شوند. این مولکول‌ها در مرز مشترک آب و نفت تجمع یافته و پوسته الاستیک محافظ قطرات را در هم می‌شکنند.

میزان کاهش کشش بین‌سطحی شگفت‌آور است. در حالی که کشش بین‌سطحی طبیعی میان نفت خام و آب در حدود ۳۰ میلی‌نیوتن بر متر است، تزریق فرمولاسیون مناسب سورفکتانت می‌تواند این مقدار را به زیر ۰.۰۱ میلی‌نیوتن بر متر برساند.[3]

برای دستیابی به حداکثر کارایی، اپراتورها معمولاً از ترکیب آلکالی-سورفکتانت-پلیمر (ASP) بهره می‌برند. بخش قلیایی (آلکالی) با اسیدهای طبیعی نفت خام واکنش داده و در محل سورفکتانت تولید می‌کند، در حالی که پلیمر با غلیظ کردن آب تضمین می‌کند که پلاگ شیمیایی به‌طور یکدست تمام مخزن را جاروب نماید.

در این کشش‌های بین‌سطحی فوق‌العاده ناچیز، نیروهای مویینگی عملاً خنثی می‌شوند. قطرات نفت به‌آسانی تغییر شکل می‌دهند، از میان گلویی‌های میکرونی عبور می‌کنند و دوباره به جریان پیوسته سیال می‌پیوندند. در این حالت، عدد مویینگی جهش می‌یابد و نفت محبوس به‌سمت چاه تولیدی حرکت می‌کند.[5]

چالش‌های اقتصادی و ملاحظات زیست‌محیطی

به‌رغم وضوح این سازوکار فیزیکی، روش‌های شیمیایی ازدیاد برداشت در سطح جهان همچنان کاربرد محدودی دارند. سورفکتانت‌های سنتزی لازم برای رسیدن به این کشش‌های بین‌سطحی بسیار گران‌قیمت هستند و تزریق هزاران تن مواد شیمیایی در سازندهای زیرزمینی، به‌ویژه در صورت ناشناخته بودن جزئیات زمین‌شناسی مخزن، ریسک مالی هنگفتی دارد.

دغدغه‌های زیست‌محیطی نیز مانع دیگری برای این روش‌ها به شمار می‌روند. بسیاری از سورفکتانت‌های سنتی بر پایه سولفات‌ها و سولفونات‌ها ساخته شده‌اند که در برابر تجزیه زیستی مقاوم‌اند و در بلندمدت سفره‌های آب زیرزمینی مجاور را تهدید می‌کنند. نهادهای ناظر پیش از تایید پروژه‌های تزریق مواد شیمیایی، ارزیابی‌های سخت‌گیرانه‌تری طلب می‌کنند.[4]

صنعت نفت برای دستیابی به دو سوم نفت محبوس مخازن، در حال چرخش به‌سوی جایگزین‌های زیستی است. پژوهشگران روی توسعه «بیوسورفکتانت‌های» زیست‌تخریب‌پذیری کار می‌کنند که بتوانند به همان میزان کاهش کشش بین‌سطحی مواد سنتزی دست یابند، تا رهاسازی نفت بدون باقی گذاشتن ردپای سمی در اعماق سنگ انجام پذیرد.[3]