تحقیق مقاله خوردگی در چاه های نفت و گاز

– خوردگی در چاه های نفت و گاز

مقدمه

از سال 1950 به بعد، صنعت بهره برداری و استخراج نفت و گاز ،  پیشرفت های زیادی کرده است. متاسفانه این پیشرفت ها منجر به بروز خوردگی ها و شکست های شدیدتری نیز شده است . سیستم های بهره برداری ثانویه به وسیله بخار، گاز و پلیمر ها باعث بروز شکست های غیر منتظره ای در قطعات شده است.

با کمتر شدن منابع و ذخایر نفت و گاز، نیاز به حفر چاه های عمیق تر، روز به روز افزون تر می گردد. با عمیق تر شدن چاه ها ، فشار و دمای انتهای چاه نیز افزایش می یابد و بدیهی است که مشکلات ناشی از خوردگی نیز افرایش یابد،  بطوری که گزارش شده است ، امروزه چاه هایی با عمق (9100m) 30000 ft  و دمای (400-500 F) 200-260  C  نیز حفر می شوند. خوشبختانه با پیشرفت علم و تکنولوژی در صنایع مختلف از جمله استخراج نفت و گاز ، پیشرفت های جالبی نیز در زمینه روش های مانیتورینگ ( پایش ، دیده بانی) و کنترل خوردگی ، صورت گرفته است . بروز چنین حالتی باعث می شود که نیاز به مهندسین خوردگی محسوس تر از قبل شود. با این وجود باید اعتراف کرد که هرچقدر هم که روش های خوردگی ، پیشرفت کنند باز هم شکست ها و خوردگی هایی بروز می کند که نشانگر این مهم است که شناخت خوردگی و روش های کنترل آن ، باعث کاهش خسارات می گردند نه توقف آنها!

بطور کلی خوردگی هایی که در چاه ها و وسایل مرتبط با آن رخ می دهند بسیار شبیه به خوردگی های خطوط لوله می باشند. با این تفاوت که شرایط فشار و دما، بیشتر و طبیعتا  خوردگی های شدیدتری رخ   می دهد. (24و 25)

بطور کلی مراحل استخراج را به دو دسته تقسیم می کنند. یکی بهره برداری اولیه و دیگری بهره برداری ثانویه .  در بهره برداری اولیه ، فشار ذخایر نفتی به حدی است که قادر است نفت را به سطح زمین منتقل کند. مخازن گاز نیز معمولا جزء این نوع بهره برداری قرار می گیرند، چرا که فشار گاز در ذخایر ، همواره بیشتر از فشار اتمسفر می باشد. هنگامی که مخازن نفتی دچار افت فشار شدند ( پس از گذشت سالها)  به کمک تکنیک های مختلفی نفت را به سطح زمین می رسانند. در حقیقت در بهره برداری ثانویه، با اعمال فرآیندهای جانبی ، به صورت مصنوعی ( نه طبیعی) باقیمانده نفت را استخراج می کنند. تجربه نشان داده است که بهترین تکنیک ها  تحت بهترین شرایط قادرند تا 80%  نفت موجود در مخازن را استخراج کنند.  متداول ترین روش های بهره برداری ثانویه عبارتند از : تزریق گاز (معمولاCO2) ، تزریق آب ( معمولا آب استخراج شده از خود چاه استفاده می شود، انتخاب مواد جهت تجهیزات تزریق آب در چاهها بر اساس NACE RP0475  انجام می گیرد) و پمپاژ کردن ،  لازم به ذکر است که ساختمان و طراحی انتهای چاه تاثیر زیادی بر روی نحوه تزریق ممانعت کننده های  خوردگی می گذارد ( اصلی ترین روش جنت کنترل خوردگی در تجهیزات داخل چاه ،  تزریق ممانعت کننده هایی با پایه نیتروژن / فسفر / گوگرد [N/P/S]  می باشد).  لازم به ذکر است که مشخصات لوله های حفاری در API 5D  موجود است در حالیکه مشخصات تیوب و جداره های چاه در API 5CT  موجود می باشد. (24و25)

انواع خوردگی

بطور کلی خوردگی در تجهیزات در چاه های نفت و گاز ، بسیار شبیه به خوردگی خطوط انتقال می باشد با این تفاوت که به دلیل وجود دما و فشار بیشتر،  خوردگی ها کمی شدیدتر  می باشند.  قبل از مطالعه گونه های خورنده در چاه ها ،  لازم است که بطور مختصر درباره  فازهای مختلف صحبت شود. بطور کلی در چاه ها  با سه فاز آب / گاز / نفت  مواجه هستیم .  چاه های گاز حاوی  هیدروکربنهای گازی ( متان {ماده غالب حدود 805} + اتان + پروپان + بوتان)  و آب ( بصورت مایع  و بخار که با کاهش دما و فشار در حین بالا آمدن از تیوب چاه ، کندانس می شود) و نفت ( که شامل میعانات گازی {پروپان و بوتان} نیز می شود)  می باشند.  چاه های نفت نیز حاوی هیدروکربنهای مایع و آب  و مقداری گاز ( متان و اتان) می باشند.  لازم به ذکر است که همواره عناصر مضری نظیر CO2,H2S3و نمک ،  در چاه ها موجود    می باشند که معمولا مقداری از آنها در آب چاه  حل می شوند.(23)

خوردگی میکروبی

میکروارگانیزم های موجود در کانال ، آب ( آب دریا، آب خنک کننده و ...)  و یا خاک ، نه تنها باعث بروز خوردگی در خطوط لوله خواهند شد،  بلکه پتانسیل حفاظت ( در حفاظت کاتدی)  را نیز تغییر می دهند. باکتری ها ، انواع مختلفی  داشته که جهت سهولت کار ، آنها را به دو گروه 1 SRB, 2 SRB  تقسیم میکنند.  انواع SRB، بی هوازی بوده و با مصرف کردن سولفات، تولید سولفید( سولفید هیدروژن،  H2S) کرده و باعث افزایش خوردگی و تغییر پتانسیل حفاظت ( ودر نتیجه ، پیچیده شدن و مشکلتر شدن اعمال حفاظت کاتدی) می شوند.  باکتریهای SOB،  هوازی بوده و با مصرف سولفیدها ،  تولید سولفات ( مثل اسید سولفوریک) می کنند. این نوع باکتری قادر است که درصد اسید سولفوریک را در سطح فولاد،  تا میزان 10%  نیز افزایش دهد. بدیهی است که  تحت چنین شرایطی ، خوردگیهای شدیدی در خطوط لوله ،  رخ خواهد داد. خوردگیهای میکروبی ، بطور معمول بصورت خوردگی موضعی ( حفره)  بروز می کنند.  جدول 1  اسامی باکتریهای معروف  را در دو گروه SRB, SOB  به همراه شرایط زیست محیطی  و فلزی  را که مورد هجوم قرار می دهند ، ذکر می کند. (23

یکی از راههای عملی جهت تشخیص  وقوع خوردگی میکروبی ، چکاندن یکی دو قطره  اسید کلریدریک بر روی  منطقه  خورده شده (  محصولات خوردگی )  می باشد.  چرا که  اگر خوردگی  میکروبی  رخ داده باشد، بوی گند ( تخم مرغ گندیده )  ناشی از آزاد شده H2S  به مشام می رسد.  راههای دیگر تشخیص خوردگی میکروبی ،  آزمایشگاهی می باشند و لازم است که نمونه مورد نظر را پس از خارج سازی از محیط ، سریعا  به آزمایشگاه منتقل کرد ( کمتر از بیست و چهار ساعت) تا میکروارگانیزمها  زنده مانده و بتوان آزمایشات  لازمه را روی آنها انجام داد.

بر طبق آمارها ترکیبات گوگردی ناشی از فعالیت این باکتری ها ، باعث اتلاف هزاران ماهی در سواحل انگلستان در سال 1994 میلادی شده است.  این ترکیبات همچنین می تواند باعث سوختگی شیمیایی برنج زارها و حتی مسمومیت کارگران ،  به خصوص در نقاطی مانند تاسیسات فاضلاب گردد.

اصولا در هر سیستمی که با آب سروکار دارد احتمال زیادی برای وقوع خوردگی میکروبی وجود دارد. این نوع خوردگی  در همه جا  یافت می شود از قبیل :

خاک :  در هر 1200 متر مکعب خاک ممکن است تا 5 تن باکتری وجود داشته باشد که این شامل باکتری های مضر نیز می شود. بنابراین تاسیساتی مانند لوله های انتقال آب ، سوخت و گاز  که روی خاک یا درون آن قرار دارند در معرض خطر بالقوه خوردگی میکروبی هستند.

آب :  رسوبات موجود در آب رودخانه ها و دریاها محیط های مناسب برای رشد و تکثیر میکروارگانیزم ها هستند این میکروارگانیزم ها  می توانند در سازه های دریایی از قبیل پایه های دکل های حفاری ،  بدنه  کشتی ها  و قسمت های فلزی و یا غیر فلزی  که در تماس با آب هستند  ایجاد مسکلات اساسی  نمایند. بر طبق  بررسی های جدید، حتی پلیمرها مثلا  پلی اورتان ها  نیز از اثرات  تجمع  میکروبی در امان نیستند.  تیرهای چوبی بعنوان کامپوزیت های طبیعی  نیز در نتیجه  فرسایش جلبک ها و قارچ های پوساننده چوب می توانند دچار انواع پوسیدگی ها شوند.(6و7)

صنایع و قطعات صنعتی زیر ،  در معرض خوردگی زیادی هستند:

صنعت نفت  و پتروشیمی

کشتی سازی و سازه های دریایی

کاغذ سازی

موتور هواپیما

قسمت های مختلف انواع نیروگاه های فسیلی  یا اتمی

کلیه قطعات جوش داده شده

نمونه ای از استعدادهای کشور برای خوردگی میکروبی :

چنانچه گفته شد آب دریا تنها  حاوی ترکیبات شیمیایی نظیر کلرید سدیم  که باعث خوردگی هستند نمی باشد و میکروارگانیزم های دریایی ،  خود یکی از عوامل مهم خوردگی هستند.  وجود موادی همچون اکسیژن ، دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن در آب ،  محیط مناسبی  برای رشد میکروارگانیزم های  مضری مانند SRB فراهم می کند.

نکته مهم آن است که مواد مذکور در واقع اجزاء  فرعی آب دریا هستند و مقدار آنها در مناطق مختلف دنیا و حتی در زمان های مختلف متفاوت است .  به عنوان نمونه طبق مطالعات  و بررسی های انجام شده توسط در مناطق زیر به وفور یافت SRB پژوهشگاه  صنعت نفت ،  شرایط محیطی باعث شده است که باکتری مضر شود:

اطراف دریاچه نمک قم

آب خلیج فارس (در عمق 35 متری ) و جزیره های سیری درخارک

آب دریای خزر ( در نواحی آستارا و انزلی)

آب رودخانه های اروند ،  بهمن شیر ، کارون و قره سر

آب چاه پالایشگاههای کرمانشاه  و تبریز و آب آزمایشگاه  و آموزشگاه پالایشگاه  آبادان

برخی راه های مقابله با خوردگی میکروبی :

استفاده از مواد مقاوم در مقابل خوردگی ، روکش های محافظ بر روی سطوح فلز،  آسترهای روئین ، تمیز کردن  سطوح ،  استفاده از روش های بازرسی غیر مخرب تاثیر بسیاری بر میزان خوردگی PH  و استفاده از میکروب کش ها ، از روش های معمول مقابله با خوردگی هستند.  برخی عوامل مانند غلظت اکسیژن ، دما و محیط را تا 10 افزایش داد ، کاهش خوردگی میکروبی چشمگیر خواهد بود. PH  میکروبی دارند که کنترل آنها می تواند مفید باشد مثلا اگر بتوان استفاده از تکنولوژی های جدید در مقابله  با خوردگی  میکروبی نیز رویکردی است که جدیدا  به آن توجه شده است .  بعنوان مثال  بیوتکنولوژی  می تواند در این زمینه بسیار موثر باشد.  همچنین  با استفاده از نانو تکنولوژی  می توان به روکش هایی دست یافت که محافظت از سطح فلزات را بسیار بهتر از قبل انجام دهد . (6و7)

عملا خوردگی میکروبی فرآیندی جدای از سایر موارد خوردگی نیست.  در این فرآیند میکروارگانیزمها به تسریع رخداد واکنشهای شیمیایی  خوردگی کمک می نمایند. در بسیاری موارد که احتمال رخداد خوردگی پائین محاسبه می شود ،  با دخالت میکروبها ، خوردگی در مقیاس وسیع انجام می گردد. این مسئله  که با کنترل صحیح رشد میکروبی در اغلب سیستمهای صنعتی مرتبط با آب می توان نرخ خوردگی را کاهش داد بعنوان یک قانون طلائی  همواره مد نظر اپراتورهای صنعتی بوده است .  با وجود اینکه سهم خوردگی میکروبی از کل خوردگی ، 20% تخمین زده می شود،  در برخی سیستمها ( از جمله برجهای خنک کننده) با تکیه بر تعریف : " تسریع یا تحریک واکنشهای خوردگی توسط میکروبها"  این سهم بسیار بالاتر به نظر می رسد. لذا لزوم شناخت  هرچه بیشتر این پدیده  کاملا محسوس می باشد.

میکروارگانیزمها  از طریق  انجام  واکنشهای  ذیل عامل خوردگی هستند:

دپلاریزاسیون کاتدی ، دپلاریزاسیون آندی ، تشکیل زوج گالوانیکی آهن و سولفید، تولید اسیدهای آلی و معدنی ، تشکیل تاول و اکسیداسیون مستقیم آهن .

میکروارگانیزمهای عامل خوردگی میکروبی نیز عبارتند از :  باکتریهای احیا کننده سولفات، اکسید کننده گوگرد ، احیا کننده آهن ،  اکسید کننده آهن ، اکسید کننده ترکیبات نیتروژن  و میکروبهای مولد اسیدهای آلی و بیوفیلم. (8)

خوردگی میکروبی در صنعت نفت :

با توجه به اینکه صنعت نفت ،  از صنایع مرتبط با آب محسوب می شود ، همواره در گیر رشد و فعالیت میکروبها در بخشهای مختلف می باشد.  در کلیه بخشهای تولید، فراورش ، انتقال و استفاده از نفت (وگاز) خوردگی میکروبی بشرح ذیل قابل مشاهده است :

- صنایع حفاری در خشکی و دریا و افزایش استخراج نفت :

در صنعت حفاری در خشکی ، خاک اطراف دکلها و لوله ها ،  گل حفاری و تاسیسات سرچاه           (Well Head)  اغلب درگیر خوردگی خارجی و نیز داخل لوله ای می باشند.  این مسئله با توجه به وفور باکتریهای احیاءکننده سولفات در خاک خوزستان دقت بیشتری می طلبد، از طرف دیگر لوله های همراه مته حفاری و لوله های استخراج نفت از چاه ،  می توانند درگیر خوردگی میکروبی ، بویژه توسط باکتریهای مذکور (SRB)  باشند. لذا در برخی کشورها همراه مایعات تزریق شده با مته ، از زیست کشها استفاده می شود.

صنایع حفاری در دریا (Platform)  در معرض انواع خوردگی بوده و گاهی هزینه مقابله با این پدیده حدود 10% کل هزینه احداث سکو می باشد.  از جمله نقاطی که در خصوص خوردگی میکروبی باید به آن دقت داشت، پایه های توخالی سکو است که با آب پر می شود.  با توجه به شرایط ویژه و زمان ماندگاری آب در داخل پایه ها ،  خوردگی میکروبی قابل پیش بینی می باشد. این مسئله علاوه بر خوردگی میکروبی داخلی و خارجی لوله های انتقال نفت به مخازن استفاده از زیست کش با زمان اثر طولانی در پایه ها و نیز استفاده از رنگهای حاوی زیست کش ( بعنوان یک تکنولوژی نوین مطرح می باشد) در سطح خارجی اسکله ها ،  و نیز سطح تماس تاسیسات دکل حفاری با آب دریا ،  جهت مهارخوردگی میکروبی پیشنهاد می شود. (10)

در EOR ( افزایش استخراج نفت)  از تزریق گاز یا آب به منظور فعال سازی چاههای نفت کم بازده استفاده می گردد.  سیستمهای تزریق آب به مخزن از جمله سیستمهائی  هستند که در صورت عدم کنترل صحیح و دقیق ، نه تنها با خوردگی میکروبی لوله ها ،  دستگاهها و مخازن سطح زمین در سطح درگیر خواهند شد بلکه ،  کاهش تزریق پذیری و نهایتا  انسداد  چاه نیز قابل پیش بینی خواهد بود.  این صنعت ، دقت بسیار زیاد در اجرای روشهای کنترل رشد میکروبی و انتخاب و استفاده صحیح از زیست کشها را می طلبد. (10)