امروزه در صنعت حفاری و همچنین برای افزایش برداشت از چاه های نفت خام به جای سیال های سنتی که بر پایه پلیمر بودند از ویسکوالاستیک سورفکتنت ها (Viscoelastic surfactant) و ویسکوالاستیک دایورتینگ اسید ها (Viscoelastic diverting acid) استفاده می شود. این دسته از مواد علاوه بر ایجاد ویسکوزیته مناسب، نسبت به سیال های سنتی آسیب کمتری به چاه ها وارد می کنند و همچنین در شرایط سخت می توانند که عملکرد مناسبی داشته باشند.

برخی از سورفکتنت ها در بالای نقطه CMC خود  و در حضور الکترولیت تشکیل مایسل های کرم شکل می دهند که می تواند ویسکوزیته سیال را تا حد زیادی افزایش دهد. در سیالات سنتی پلیمرها عامل گرانروی سیال هستند که در طول زمان تخریب می شوند ولی از آن جایی که در ویسکوالاستیک سورفکتنت ها تشکیل شبکه میسلی عامل گرانروی سیالات است، بنابراین طول عمر این سیالات از سیال های سنتی بیشتر است.

ویسکوالاستیک سورفکتنت (VES)

ویسکوالاستیک سورفکتنت ها (Viscoelastic surfactant)، دسته خاصی از سورفکتنت هستند که خواص ویژه ای را به محلول می بخشند (در غلظت مناسب و در حضور سایر اجزا). این خواص ویژه باعث می شود که این دسته از سورفکتنت ها در صنایع نفت و گاز کاربرد نقش منحصر به فردی ایفا کنند.

سورفکتنت چیست؟

به طور کلی سورفکتنت ها به موادی گفته می شود که از یک بخش آبدوست (Hydrophilic group) و یک بخش آبگریز (Hydrophobic group) تشکیل شده اند و در غلظت های کمتر غلظت بحرانی خود می توانند کشش سطحی آب را کاهش دهند. سورفکتنت ها به علت خواص منحصر به فرد خود، در صنایع گوناگونی از نفت و گاز گرفته تا شوینده و دارورسانی وغیره کاربرد دارند. یکی از خواص سورفکتنت ها توانایی آن ها در تشکیل میسل است. بدین معنی که هر سورفکتنت بعد از غلظت مشخصی، در آب با یک دیگر تجمع می کنند و میسل را تشکیل می دهند. رفتار محلول حاوی سورفکتنت قبل از تشکیل میسل و بعد از تشکیل آن متفاوت است.

ویژگی و مکانیسم تشکیل ویسکوالاستیک سورفکتنت ها

همان طور که از اسم سورفکتنت های ویسکوالاستیک مشخص است، این مواد، دسته ای از سورفکتنت ها هستند که  محلول آن ها در غلظت بالای تشکیل میسل می تواند خواص الاسیته و ویسکویته را از خود نشان دهند.

 این مواد در بالای غلظت بحرانی خود تشکیل میسل های کروی می دهند ولی با افزایش غلظت و همچنین در حضور الکترولیت ها میسل ها تغییر شکل می دهند و به شکل استوانه ای در می آیند. و به  اصطلاح میسل های کرم شکل (Worm-like micelle) تشکیل می شود.

در ادامه و هنگامی که غلظت مسیل های کرم شکل از حد آستانه آن بیشتر شود، تشکیل ساختار سه بعدی می دهند که گرانروی محلول را به طور قابل ملاحظه ای افزایش می دهد. گاهی اندازه ساختار شبکه ای میسل های کرم شکل به میکرومتر نیز می رسد در حالی که اندازه میسل های کروی در حدود چند نانومتر است. ویسکوالاستیک سورفکتنت ها می تواند که سیال را به حالت ژل درآورند.

عوامل موثر بر تشکیل VES

  • غلظت سورفکتنت: میزان غلظت سورفکتنت تاثیر زیادی بر روی گرانروی و خاصیت ویسکوالاسیته سیال دارد. غلظت بیشتر سورفکتنت باعث افزایش بیشتر میسل ها می شود که بر میزان گرانروی سیال تاثیر مستقیم می گذارد.
  • نوع سورفکتنت: انواع مختلف سورفکتنت، انداه متفاوتی از میسل ها را تشکیل می دهند. همچنین در شرایط یکسان سورفکتنت های کاتیونی می توانند نسبت به سورفکتنت های آنیونی رفتار متفاوتی داشته باشند.
  • دما: یکی از عوامل مهم که تاثیر بسزایی در عملکرد ویسکوالاستیک سورفکتنت ها دارد، دماست. هریک از VES یک محدوده دمایی مربوط به خود را دارند (معمولا از ۲۴ تا ۱۷۷ درجه سانتی گراد) و با افزایش دما میزان گرانروی سیال حاوی VES تغییر می کند.
  • غلظت الکترولیت: از آن جایی که تبدیل میسل های کروی به میسل های میله ای شکل تحت تاثیر غلظت الکترولیت هستند، میزان غلظت الکترولیت یک عامل تعیین کننده محسوب می شود. در غلظت های پایین الکترولیت، معمولا میسل ها کروی شکل هستند ولی با افزایش غلظت آن، میسل ها به سمت میله ای تغییر شکل می دهند. علاوه بر غلظت الکترولیت، نوع نمک نیز می تواند اثر گذار باشد. به عنوان مثال در غلظت یکسان از نمک، مهم است که نمک تک ظرفیتی باشد یا چند ظرفیتی.
  • مقدار pH محیط: میزان pH می تواند که بر روی رفتار ویسکوالاستیک سورفکتنت تاثیر گذار باشد. به عنوان مثال به طور کلی در محیط های اسیدی، گرانروی بیشتر است و محیط های قلیایی گرانروی کمتر است.
  • نرخ برشی (Shear rate): میزان نرخ برشی که توسط پمپ ها یا حین کار اعمال می شود می تواند بر خواص ویسکوالاستیک سورفکتنت ها تاثیر بگذارد. با اعمال میان برش بالا مقدار گرانروی کاهش پیدا می کند ولی دوباره بعد از اتمام (حذف) برش، دوباره خواص خود را بازیابی می کنند.

کاربرد VES

سورفکتنت های ویسکوالاستیک به علت خواص ویژه ای که دارند در صنایع گوناگون کاربرد دارند که از جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد.

  • صنعت نفت و گاز: شاید بتوان گفت که مهم ترین کاربرد VES در صنعت نفت و گاز است. از این سورفکتنت ها به عنوان سیالات حفاری در استخراج نفت خام استفاده می شود. این سیالات به علت خواص ویژه ای که دارند می توانند در مواقعی که به کنترل دقیق جریان سیال نیاز است، به کار روند.
  • صنعت دارو: در صنایع دارویی از ویسکوالاستیک سورفکتنت ها می توان به عنوان حامل دارو استفاده کرد.
  • صنایع آرایشی و بهداشتی: می توان از خاصیت ژل کنندگی ویسکوالاستیک سورفکتنت ها استفاده کرد و از آن به عنوان پایه محصولات آرایشی و بهداشتی استفاده کرد.

مزیت VES نسبت به سیال های سنتی (پلیمرها)

یکی از روش های مرسوم و قدیمی برای بهبود عملکرد و کارایی عملیات حفاری استفاده از پلیمرهاست. همچنین از پلیمرها در تحریک چاه (Well Stimulation) کاربرد فراوانی دارند. اما امروزه استفاده از سورفکتنت های ویسکوالاستیک به جای پلیمرها باعث مزیت های زیادی شده است که در ادامه به برخی از آن ها اشاره می شود.

  • عدم آسیب زدن به مخازن: بر خلاف سیالات مبنتی بر پلیمرها، ویسکوالاستیک سورفکتنت ها به مخازن آسیب نمی زنند. این سورفکتنت ها شرایط آب دوستی مخازن ماسه ای را حفظ می کنند که برای تولید هرچه بیشتر هیدروکربن ها امری ضروری است.
  • توانایی عملکرد در شرایط سخت: ویسکوالاستیک سورفکتنت ها می تواند که در محیط های با شوری بالا عملکرد مناسبی داشته باشند. همچنین به علت رفتار رئولوژی خاص خود می توانند که انرژی مورد نیاز برای پمپاژ را کاهش دهند که به صرفه جویی در هزینه ها منجر می شود.
  • کاربرد های مختلف: ویسکوالاستیک سورفکتنت ها می توانند در اسید کاری، hydraulic fracturing  و غیره کاربرد داشته باشد.
  • اثرات محیط زیستی: این دسته از سورفکتنت ها نسبت به بسیاری از مواد شیمیایی مورد استفاده در میادین نفتی سمیت پایین تری دارند. از آن جایی امروزه مسائل مربوط به محیط زیست اهمیت زیادی پیدا کرده اند در نتیجه این یک مزیت برای ویسکوالاستیک سورفکتنت ها محسوب می شود.
  • افزایش کنترل گرانروی: همان طور که گفته شد ویسکوالاستیک سورفکتنت ها از طریق تشکیل میسل گرانروی را ایجاد می کنند که بر خلاف پلیمرها در طول زمان تخریب نمی شوند. همچنین حفظ گرانروی توسط VES در دامنه گسترده تری از دما، آن ها را برای استفاده در چاه های عمیق مطلوب تر می کند.
  • کاهش هزینه ها: شاید هزینه اولیه ویسکوالاستیک سورفکتنت ها بیشتر باشد ولی با توجه به مزیت ها و خواصی که دارند، در کل هزینه های فرآیند را کاهش می دهند.
  • عدم پر کردن منافذ: بر خلاف سیالات مبتنی بر پلیمر، ویسکوالاستیک سورفکتنت ها موادی ندارند که بعد از فرآیند منافذ چاه را مسدود کند.

چگونه ویسکوالاستیک سورفکتنت ها Hydraulic fracturing بازدهی را بهبود می دهند؟

ویسکوالاستیک سورفکتنت ها از طریق مکانیزم های متفاوتی می تواتند که باعث افزایش Hydraulic fracturing بازدهی شوند که در ادامه به مهم ترین این روش ها پرداخته خواهد شد.

  • افزایش گرانروی و الاسیته: همان طور که در بالا اشاره شد محلول های ویسکوالاستیک سورفکتنت هر دو خاصیت ویسکوزیته و الاسیته را دارند. این ویژگی باعث می شود که پروپانت ها (موادی که شکاف ها را باز نگه می دارند) بهتر در داخل محلول به صورت پراکنده باقی بمانند (باعث ایجاد یک سوسپانسیون پایدارتر می شود). در واقع ویسکوالاستیک سورفکتنت ها باعث می شوند که بدون این که پروپانت ها رسوب کنند، به شکاف ها منتقل شوند.
  • کاهش نشت سیال: در روش استفاده سیال VES نشت سیال به سازند های اطراف را به نسبت محل های مبتنی بر پلیمر کاهش می دهد. بنابراین با وجود این که هدر رفت سیال را کاهش می دهد (کاهش هزینه) ولی باعث بهبود عملکرد می شود.
  • بهبود انتقال انرژی: خواص الاستیک سیال ویسکوالاستیک باعث می شود که انتقال انرژی از سر چاه تا عمق چاه در طول مدت تزریق تسهیل شود. این پدیده نیز می‌تواند منجر به کاهش مصرف انرژی و همچنین بهبود دینامیک گسترش شکاف شود.

چرایی پایداری حرارتی VES

یکی از ویژگی های مثبت ویسکوالاستیک سورفکتنت ها توانایی استفاده از آن ها در گستره دمایی زیاد است. این ویژگی به این دلیل است که این سورفکتنت ها تشکیل میسل می دهند که نسبتا در دماهای بالا نیز می تواند که پایدار باقی بماند. علاوه بر آن ترکیب VES با پلیمرها می تواند که باعث افزایش پایداری حرارتی آن ها شود.

ویسکو الاستیک دایورتینگ اسید (Viscoelastic diverting acid)

ویسکوالاستیک دایورتینگ اسید (VDA) یکی دیگر از روش های مورد استفاده برای افزایش تولید نفت خام در چاه های نفت است. در واقع VDA یک سیال ویژه است که در اسیدکاری مخازن کربناتی به کار می رود. این سیال طوری طراحی می شود که باعث افزایش اثر بخشی تحریک با اسید در نواحی مختلف در یک مخزن کربناته شود. همچنین بعد از اتمام فرآیند، با رقیق سد ویسکویتی (که توسط VDA ایجاد شده بود) توسط مایعات شکسته می شود که این باعث حذف موثر مواد بدون نیاز به فشار بالا و کاهش آسیب به چاه می شود.

مکانیسم عملکرد VDA

  • Self-diverting: هنگامی که این سیالات به چاه تزریق می شوند به دلیل تشکیل کرم های میسل شکل و به دلیل برهمکنش با مخزن های کربناته، گرانروی را افزایش می دهند. این افزایش گرانروی باعث می شود که نواحی با نفوذپذیری بالا موقتا مسدود شود و اسید یه سمت مناطقی که نفوذ پذیری کمتری دارند، برود. در نتیجه اسید به صورت یکنواخت تر به تمام نواحی چاه می رود.
  • کنترل گرانروی: با توجه به مقدار دما و میزان pH، گرانروی سیال تغییر می کند. هنگامی که اسید با سنگ واکنش می دهد، میزان pH بالا می رود و گرانروی نیز افزایش پیدا می کند.
  • کاهش اصطکاک: مواد افزودنی موجود در فرمولاسیون VDA باعث کاهش اصطکاک در طول فرآیند پمپاژ می شود که در نتیجه مصرف انرژی را کاهش می دهد.

کاربرد ویسکوالاستیک دایورتینگ اسید

  • اسیدکاری: در مخازن کربنی به منظور کاهش از دست دادن مایعات نواحی با نفوذپذیری بالا و نیز جایگذاری بهتر اسید از VDA استفاده می شود.
  • ازدیاد برداشت نفت (EOR): در فرآیند ازدیاد برداشت نفت خام از VDA می توان به منظور بهبود جابه جایی نفت خام از طریق کنترل تحرک مایعات و تسهیل شستشوی نفت از سنگ‌های مخزن کمک گرفت.

تفاوت VES و VDA

هرچند از هر دو فرمولاسیون VES و VDA در تحریک چاه های نفت خام به ویژه در اسید کاری استفاده می شوند ولی با یک دیگر تفاوت های مهمی دارند.

  1. تفاوت در ترکیب مواد: هرچند که در فرمولاسیون VDA یکی از اجزا VES است، اما فرمولاسیون آن طوری طراحی شده است که به عنوان یک عامل دایورتینگ باشد.
  2. عملکرد: در حالی که VES اغلب برای افزایش عملکرد اسید کاری از طریق بهبود جریان سیال و جلوگیری از تشکیل امولسیون به کار می رود، فرمولاسیون VDA یک سامانه خود-دایورتینگ است که با ایجاد یک سد گرانروی جریان اسید را کنترل می کند.

در جدول زیر برخی از خواص VES و VDA با یک دیگر مقایسه شده است.

ویژگی ویسکوالاستیک سورفکتنت ویسکوالاستیک دایورتینگ اسید
ترکیبات سورفکتنت ها که تشکیل میسل می دهند سیستم هایی مبتنی بر اسید با VES
وظیفه اصلی افزایش گرانروی (ویسکوزیته) برای دایورتینگ خود دایورتینگ (self-diverting)، ویسکوز کننده
پسماند بعد فرآیند ندارد ندارد

بازار ویسکوالاستیک سورفکتنت ها در جهان

طبیعتا با افزایش میزان برداشت از مخازن نقتی، بازار ویسکوالاستیک سورفکتنت ها نیز رشد پیدا می کند. پیش بینی می شود که حجم تجارت در این حوزه از حدود ۳۰ میلیارد دلار در سال ۲۰۲۲ میلادی به بیش از ۴۹ میلیارد دلار در سال ۲۰۳۱ افزایش پیدا کند. مناطقی در جهان که از VES ها استفاده زیادی دارند در ادامه آورده می شود.

  • آمریکای شمالی: یکی ازدلایل استفاده از ویسکوالاستیک سورفکتنت ها در این منطقه، استخراج نفت شل است.
  • ایران و عربستان: این دو کشور که به عنوان بزرگترین تولید کنندگان نفت خام شناخته اوپک شناخته می شوند طبیعتا برای افزایش تولید و بهروی از چاه های خود به VES نیاز زیادی دارند.
  • چین: یکی از کشورهایی که در چندین سال اخیر به استخراج و تولید نفت خام خود توجه ویژه ای کرده است، کشور چین است. بنابراین بدیهی است که نیاز این کشور نیز به ویسکوالاستیک سورفکتنت ها افایش یابد.

ویژگی های ویسکوالاستیک سورفکتنت های شیمیایی تصفیه

شرکت دانش بنیان شیمیایی تصفیه با داشتن افرادی مجرب و همچنین آزمایشگاهی مجهز اقدام به تولید و توسعه فرمولاسیون ویسکوالاستیک سورفکتنت ها در گروه خود کرده است. برخی از ویژگی های محصول تولیدی این شرکت به شرح زیر است.

  • عملکرد مناسب: VES ها تولیدی این شرکت می توانند که در چاه های مختلف ایران با شرایط گوناگون به خوبی عمل کنند و باعث افزایش عملکرد چاه های نفتی شوند. گروه تحقیق و توسعه این شرکت سعی داشته است تا حد امکان از جدیدترین مواد مورد استفاده در دنیا و همچنین مواد اولیه با کیفیت مناسب را در فرمولاسیون خود به کارگیری کند.
  • قیمت مناسب: قیمت نهایی همیشه یکی از دغدغه های اصلی مشتریان است. شرکت شیمیایی تصفیه با استفاده از روش های کارآمد سعی داشته است که محصولات خود را با کیفیت و قیمت مناسب به بازار عرضه کند.