انرژی پیشنیاز اساسی برای بقا و توسعه انسان و همچنین نیروی محرکه پیشرفت تمدن بشری است. سوختهای فسیلی، که در درجه اول شامل زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی میشوند، منابع انرژی غالب هستند. یخ قابل احتراق، نوع جدیدی از انرژی فسیلی که در بستر دریا یافت میشود، جدیدترین مورد اضافه شده به این دسته است. این سوختهای فسیلی همگی منابع انرژی تجدیدناپذیر هستند. مصرف زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی در کشورهای اصلی مصرفکننده سوختهای فسیلی در سراسر جهان نسبتاً متعادل است. ایالات متحده آمریکا و کشورهای اتحادیه اروپا در درجه اول به نفت و گاز طبیعی به عنوان منابع اصلی انرژی خود متکی هستند. در مقایسه، ترکیب انرژی چین تحت سلطه زغال سنگ است. با وجود کاهش مختصر سهم سوختهای فسیلی در کل مصرف انرژی در دورههای اضطراری بهداشت عمومی جهانی، انتظار میرود تقاضا برای سوختهای فسیلی در کشورهای جهان با بهبود تدریجی اقتصاد همچنان افزایش یابد.
با توجه به توزیع لایههای زغال سنگ، استخراج زیرزمینی و استخراج روباز روشهای اصلی مورد استفاده برای استخراج زغال سنگ هستند. با افزایش شدت فعالیتهای استخراج زغال سنگ، عمق عملیات استخراج به تدریج افزایش یافته است. نوآوری در فناوری استخراج عمیق زغالسنگ باید مسائل مربوط به ایمنی، حفاظت از محیط زیست و پایداری اقتصادی را در نظر بگیرد. از منظر ایمنی استخراج زغالسنگ، عواملی مانند بیثباتی سقف و کف لایههای زغالسنگ، بلایای هجوم آب، فوران زغالسنگ و گاز، فرونشست معدن زغالسنگ و انفجار سنگ، تهدیدهای قابل توجهی برای عملیات استخراج زیرزمینی محسوب میشوند. برعکس، در استخراج روباز زغالسنگ، تجمع آب و بیثباتی شیب از نگرانیهای اصلی ایمنی هستند.
بنابراین، نوآوری و توسعه روشهای استخراج پر کردن و تکنیکهای استخراج حفاظت از آب ضروری است. برای لایههای ضخیم یا با شیب ملایم زغالسنگ، استفاده از فناوری کاملاً مکانیزه تخریب زغالسنگ از بالا میتواند نرخ بازیابی منابع را بهبود بخشد، آلودگی گرد و غبار را کاهش دهد و از آتشسوزی جلوگیری کند. در استخراج روباز، توسعه فناوریهای جدید برای دوغابریزی مسدود کردن آب و تقویت شیب باید در اولویت قرار گیرد. از دیدگاه زیستمحیطی، مسائلی مانند آسیب به سنگهای زیرزمینی، آلودگی آبهای سطحی، نشت آبهای زیرزمینی و تخریب پوشش گیاهی در مناطق معدنی به طور فزایندهای جدی میشوند.
در نتیجه، ترویج فناوریهای جامع استخراج سبز و مدیریت، و همچنین بررسی روشهایی برای کاهش و استفاده از آب معدن متروکه، گانگ زغالسنگ و تصفیه مواد زائد بسیار مهم است. همزمان، مطالعه چگونگی بهبود محیط زیست اکولوژیکی مناطق معدنی، از جمله احیای اکولوژیکی مناطق فرونشست سطحی ناشی از استخراج زغال سنگ، ضروری است. از منظر اقتصادی، نوآوری در فناوری استخراج زغال سنگ عمیق نیازمند توسعه تجهیزات و فرآیندهای کارآمدتر، هوشمندتر و خودکارتر، و همچنین ایجاد پلتفرمهای پیشرفتهتر کنترل از راه دور و مدیریت جامع است. هدف این پیشرفتها افزایش بهرهوری استخراج منابع، کاهش هزینههای تولید، به حداقل رساندن بلایا و حوادث، تضمین ایمنی پرسنل و حفاظت از محیط زیست اکولوژیکی است.
نفت منبعی است که به طور گسترده در حوزههای مختلف مورد استفاده قرار میگیرد و برای بقا و توسعه انسان ضروری است. با ادامه روند تکامل استخراج نفت، ذخایر قابل بازیابی نفت به طور فزایندهای کمیاب میشوند و استخراج ذخایر نفتی عمیق به عنوان یک روند حیاتی برای پیشرفتهای آینده ظهور کرده است. با این حال، پیچیدگی روزافزون استخراج نفت، کارایی فرآیندهای استخراج را به شدت به پیشرفت تجهیزات بهرهبرداری وابسته کرده است. بنابراین، این موضوع مستلزم توسعه تجهیزات پیشرفته سازگار با محیطهای اعماق دریا است که قادر به غلبه بر چالشهای بیشمار ناشی از شرایط دما و فشار بالا باشند.
در حوزه فناوری استخراج نفت، تزریق آب برای تولید نفت فرآیندی بسیار پیچیده است. در نتیجه، نوآوری و پیشرفت فناوریهای اکتشاف و توسعه برای ذخایر نفتی عمیقتر، با هدف افزایش بهرهوری تولید و بازیابی نفت، ضروری است. این فرآیند مستلزم اجرای تشخیص دقیقتر مخزن نفت از طریق فناوریهای پیشرفته دیجیتال، هوشمند و خودکار است. همزمان، توسعه فناوریهای جدید شکست هیدرولیکی برای کنترل بهتر ترکهای زیرزمینی ضروری است. علاوه بر این، در طول فرآیند استخراج نفت، باید به حفاظت از محیط زیست توجه ویژهای شود.
نقش و اهمیت نفت و گاز غیرمتعارف در چشمانداز انرژی جهانی همچنان به طور پیوسته در حال افزایش است. نفت شیل، یک منبع نفتی غیرمتعارف با پتانسیل قابل توجه، به طور فزایندهای مورد توجه قرار گرفته است. به طور مشابه، توسعه نفت فشرده به تدریج در حال پیشرفت بوده است. در حالی که ایالات متحده و کانادا در واقع فناوریهای نسبتاً بالغی را برای اکتشاف و توسعه گاز غیرمتعارف پرورش دادهاند، استخراج کارآمد گاز طبیعی غیرمتعارف در محیطهای پیچیده اعماق دریا همچنان با چالشهای متعددی دست و پنجه نرم میکند.
متان زغالسنگ مرز مهمی برای توسعه منابع گاز طبیعی غیرمتعارف است. با این حال، اکتشاف و توسعه متان زغالسنگ با چالشهای متعددی مانند ساختار زمینشناسی پیچیده و متغیر لایههای زغالسنگ روبرو است که به طور قابل توجهی مانع تلاشهای اکتشافی میشود. ارزیابی دقیق محتوای متان زغالسنگ در لایههای زغالسنگ نه تنها برای استخراج متان زغالسنگ از اهمیت بالایی برخوردار است، بلکه برای ارزیابی خطر فوران زغالسنگ و گاز نیز مفید است. ارزیابی ذخایر منابع متان بستر زغالسنگ مستلزم بررسی جامع زمینههای مختلف، از جمله زمینشناسی، ژئوشیمی و فیزیک است که چالشهای مهمی را برای ارزیابی دقیق منابع ایجاد میکند. نوآوری و تحقیق مداوم در توسعه تجهیزات و فرآیندهای استخراج متان بستر زغالسنگ که میتوانند به طور مؤثر با محیطهای متنوع معدنی سازگار شوند، ضروری است.
گاز شیل در حال حاضر یک حوزه حیاتی برای توسعه منابع گاز طبیعی غیرمتعارف است. نکته قابل توجه این است که ایالات متحده آمریکا با ذخیره گاز شیل قابل بازیابی تقریبی 13.64 × 1012 متر مکعب، به عنوان رهبر جهانی در کاربرد بالغ فناوری اکتشاف و توسعه گاز شیل ظهور کرده است [16]. فایتویل به عنوان یک میدان گاز شیل در مقیاس بزرگ و از نظر تجاری موفق، پس از میدان پیشگام بارنت، در رتبه دوم قرار دارد. علاوه بر تکنیکهای سنتی شکست هیدرولیکی که برای استخراج گاز شیل استفاده میشود، فناوری شکست CO2 که به تدریج در حال تکامل است نیز برای بازیابی گاز شیل به کار میرود. استفاده از CO2 برای افزایش راندمان استخراج گاز شیل نویدبخش است. با این حال، استقرار تجاری در مقیاس بزرگ این فناوری هنوز در مرحله اکتشافی است.
به طور کلی پذیرفته شده است که جریانهای گاز صنعتی که در ماسهسنگهای طبیعی تنگ رخ میدهند و استخراج آنها بدون استفاده از شکست هیدرولیکی یا شکست CO2 چالش برانگیز است، به عنوان گاز ماسهسنگ تنگ شناخته میشوند. این تعریف ذاتاً نسبی است. وزارت انرژی ایالات متحده، مخازن ماسهسنگی حاوی گاز با تخلخل کمتر از 10٪، نفوذپذیری اولیه سازند کمتر از 0.1 × 10−3 میکرومتر مربع و اشباع آب بیشتر از 40٪ را به عنوان مخازن ماسهسنگی گازی تنگ تعیین میکند.
مروری بر فناوریهای اکتشاف و توسعه زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی
مروری بر فناوریهای اکتشاف و توسعه زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی
درجه توسعه شکستگی در مخزن میتواند به طور قابل توجهی بر خواص فیزیکی و مکانیکی توده سنگ تأثیر بگذارد و منجر به تغییرات در تولید گاز ماسهسنگ تنگ شود. مخازن گازی تنگ با تخلخل کم، نفوذپذیری کم و ریزساختار پیچیده، با وجود مهاجرت موادی مانند آب و گاز در منافذ مشخص میشوند. ایالات متحده آمریکا بیش از ۹۰۰ میدان گازی متراکم در ۲۳ حوزه کشف کرده است که ذخایر قابل برداشت آنها ۵ × ۱۰۱۲ متر مکعب تخمین زده میشود.
ذخایر جهانی بالقوه یخ قابل احتراق بیش از 1.5 × 1016 متر مکعب تخمین زده میشود. یخ قابل احتراق حاوی منابع گاز طبیعی قابل توجهی است و ارزش حرارتی بالایی دارد. در محیطهای پرفشار در بستر دریا، یخ قابل احتراق در حالت جامد باقی میماند. با این حال، پس از استخراج، به گاز تجزیه میشود. تکنیکهای رایج مورد استفاده برای استخراج یخ قابل احتراق شامل کاهش فشار، تزریق گرما، جابجایی و تزریق مهارکننده شیمیایی است.
بیش از 30 کشور در سراسر جهان در حال تحقیق در مورد استخراج یخ قابل احتراق هستند و ایالات متحده آمریکا، کانادا و ژاپن تلاشهای پیشرو و سرمایهگذاریهای زیادی در توسعه فناوریهای استخراج انجام میدهند. با وجود نوآوریها و پیشرفتهای مداوم در فناوری معدن، استخراج یخ قابل احتراق همچنان نسبتاً پرهزینه است. علاوه بر این، تحقیقات فعلی در مورد استخراج یخ قابل احتراق در درجه اول بر آزمایشهای داخلی و شبیهسازیهای عددی متمرکز است و تحقیقات محدودی در مورد آزمایشهای میدانی در مقیاس صنعتی انجام شده است.
تحقیقات در مورد توسعه فناوریهای کارآمد و سازگار با محیط زیست برای استخراج سوختهای فسیلی شامل رشتههای مختلفی از جمله مکانیک سنگ، مکانیک نشت، شیمی فیزیک و مکانیک شکست است. ما موضوع تحقیقاتی «فناوری پیشرفته اکتشاف زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی، ویرایش دوم» را راهاندازی کردیم و پنج مطالعه مرتبط در این زمینه منتشر کردهایم. این مطالعات نویدبخش پیشرفت نوآوریهای تکنولوژیکی و تلاشهای اکتشافی در توسعه منابع سوخت فسیلی هستند.
وان و همکارانش تأثیر غوطهوری سیال شکست در دما و فشار بالا را بر روی مخازن شیل بررسی کردند. آنها آزمایشهای غوطهوری را بر روی نمونههای سنگی با ترکیبات معدنی متفاوت، بر اساس شرایط محیطی مخزن، دما و تنظیمات فشار و همچنین آزمایشهای مکانیک فشار سه محوری انجام دادند. محققان تغییرات تنش آسیب شکستگی و تنش انحرافی اوج را تحت بارگذاری مکانیکی شیل با سیالات شکست با ویسکوزیته مختلف در طول زمان تجزیه و تحلیل کردند. نتایج نشان میدهد که جذب هیدراتاسیون در دما و فشار بالا، اثر نرمکننده قابل توجهی بر مقادیر مشخصه تنش مخازن گاز شیل دارد.
علاوه بر این، زمان جذب و استفاده از سیالات شکست با ویسکوزیتههای مختلف تأثیر قابل توجهی بر ویژگیهای تنش دارند. وان و همکارانش دادههای تجربی مخازن هیدرات گاز طبیعی را در یک منطقه خاص از چین تجزیه و تحلیل کردند و شبیهسازیهای عددی را تحت طرحهای مختلف توسعه دادند. آنها یک مطالعه شبیهسازی برای ارزیابی راندمان تولید گاز طبیعی این مخازن هیدرات انجام دادند. نتایج نشان داد که عملکرد تولید زمانی بهینه است که جهتهای شعاعی و عرضی در یک پیکربندی لایه سه فازی (TPL) قرار گیرند. علاوه بر این، شاخصهای مختلفی برای پیشبینی درصد افزایش تولید گاز طبیعی محاسبه شد.
لی و همکارانش مطالعهای را با تمرکز بر توسعه دستگاه آغاز کردند که منجر به ایجاد نوع جدیدی از دستگاه شمع مکش هادی شد. سپس آنها عملکرد پایداری جانبی شمع هادی را بررسی کردند. این مطالعه شامل تجزیه و تحلیل نظری، استخراج معادلات ریاضی و توسعه یک برنامه حل مربوطه با استفاده از MATLAB بود. در نهایت، از یک چاه در دریای چین جنوبی به عنوان یک مورد مهندسی برای تأیید اثربخشی روش استفاده شد. علاوه بر این، محققان خواص مکانیکی دستگاه توسعه یافته را به دست آوردند.
لین و همکارانش مقالهای مروری منتشر کردند که تجزیه و تحلیل دقیقی از وضعیت تحقیقات فعلی و روندهای توسعه آینده تزریق گاز برای افزایش بازیابی نفت در مخازن گازی ارائه میدهد. نویسندگان وضعیت تزریق و استخراج گاز مخزن گاز را از سه جنبه تجزیه و تحلیل کردند: آزمایشها، شبیهسازیهای عددی و مهندسی میدانی. برخی از نتایج کلیدی استخراج شدند، از جمله تشکیل یک گاز بافر مؤثر در مخزن تحتانی پس از تزریق گاز، راندمان تولید بالاتر و هزینه کمتر تزریق N2، اثرات قابل توجه بازیابی در مخازن گازی با رانش آب و مخازن گاز میعانی، و پتانسیل افزایش نرخ بازیابی بیش از 10٪ از طریق تزریق گاز طبیعی به مخازن با رانش آب و مخازن تخلیه شده. علاوه بر این، نویسندگان نظرات خود را مطرح کردند، مانند نیاز به مطالعه توانایی نفوذ گاز از طریق آزمایشها و فقدان فعلی مدلهای جریان فاز مختلط.
زنگ و همکارانش عمدتاً از روشهای تجربی داخلی برای بررسی راههایی برای بهبود بازیابی نفت در مخازن تنگ، به ویژه با انجام تحقیق در مورد سورفکتانتها، استفاده کردند. نویسندگان آزمایشی را برای بررسی مکانیسم حذف نفت توسط میکرولوسیون درجا طراحی کردند. محققان از طریق آزمایشهای اسکن شوری، رابطه بین سورفکتانتهای مختلف و نفت خام از مخزن ماهو را مقایسه کردند. سپس آنها ویژگیهای جذب و رفلاکس محلولهای میسل سورفکتانت را مطالعه کردند. در نهایت، محققان نتیجه گرفتند که با بهبود کانالها بین محیطهای مختلف، میتوان حرکت فصل مشترک نفت-آب را افزایش داد و در نتیجه نفوذپذیری فاز نفت را افزایش داد.
به طور خلاصه، برای اکتشاف و توسعه سوختهای فسیلی مانند زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی، لازم است که در آینده هم به بهرهوری معدن و هم به حفاظت از محیط زیست توجه شود و تحقیقات عمیقتری انجام شود. انرژی فسیلی شامل زمینههای متعددی مانند استخراج نفت است که در آن خواص فیزیکی و مکانیکی سنگها بر راندمان حفاری و پایداری چاه تأثیر میگذارد، که برای اکتشاف و توسعه نفت بسیار مهم است. انجام تحقیقات در مورد اثرات اتصال چند میدانی انتشار ترک سنگ در مهندسی زیرزمینی ضروری است. نویسندگان مطالعات قبلی خواص مکانیکی، رفتار شکستگی و قوانین خردایش سنگها را تحت تأثیر عوامل محیطی خاص بررسی کردهاند و پایهای برای تحقیقات عمیق در مورد انتشار ترک فراهم کردهاند. علاوه بر این، در استخراج زغال سنگ، ویژگیهای برجسته محیط تنش در شرایط عمیق و پر تنش، تحقیق در مورد دستیابی به استخراج زغال سنگ کارآمد و ایمن را ضروری میسازد. تبدیل مخازن گاز طبیعی غیرمتعارف یکی دیگر از فناوریهای کلیدی است که نیاز به تحقیقات گسترده از دیدگاههای مختلف دارد.
