ژئوشیمی آلی
ژئوشیمی آلی، به عنوان یک علم بنیادی جهت بهبود بازده اکتشاف و تولید به کار می رود. این روش سریع، زودبازده و ارزان بوده وبه کمک آن می توان بسیاری از مسائل تولید و توسعه میادین نفتی را با صرف وقت و هزینه کمتر حل نمود. این روش با تعیین بسیاری از پارامترهای کنترل کننده تجمعات نفتی، کارایی اکتشاف را بالا میبرد. از کاربردهای نوین ژئوشیمی آلی میتوان به مدیریت مخازن نفتی و تولید و توسعه میادین نفتی اشاره کرد.
ژئوشیمی آلی هنوز به حد کافی کامل نشده و امروزه شاهد پیشرفتها و کاربردهای جدید آن در اکتشاف و تولید هیدروکربور میباشیم. مهمترین روش های آنالیزی در ژئوشیمی اکتشافی شامل روش های پیرولیز، روش های شیمیائی و روش های اپتیکی میباشند. از جمله کاربردهای ژئوشیمی آلی میتوان به تعیین سنگ منشا نفت و گاز، چگونگی تحولات سنگ منشأ، میزان تولید هیدروکربور از سنگ منشأ، پیجویی مسیرهای مهاجرت، انطباق نفت موجود در مخزن با نفت تولید شده و یا سنگ منشأ تولید کننده نفت و یا پیجوییهای سطحی برای یافتن مخازن جدید هیدروکربنی اشاره نمود.
روشهای اکتشافات ژئوشیمی آلی، یکی از اصلی ترین روشهای اکتشافی تا قبل از شروع عملیات حفاری به حساب می آید. حتی پس از حفاری در افزایش توان تفکیک زونهای تولیدی و تعداد لایه های مخزنی و حتی تعیین نوع و مقدار آسیب دیدگی مخزن کاربرد فراوانی یافته است.
این افزایش کاربردها منجر به توسعه تجهیزات و سخت افزارهای آزمایشگاهی مورد استفاده به همراه تولید و توسعه نرم افزارهای خاص ژئوشیمیایی بخصوص با هدف برآورد هرچه بهتر و دقیقتر مناطق امیدبخش هیدروکربوری برای کاهش ریسک حفاری گشته است.
نتایج حاصل از بررسی اطلاعات جمع آوری نشان میدهد که کاربرد ژئوشیمی آلی در امر اکتشاف شامل تعیین سنگ منشا نفت و گاز، چگونگی تحولات سنگ منشا، میزان تولید هیدروکربور از سنگ منشا، پیجویی مسیرهای مهاجرت، انطباق نفت موجود در مخزن با نفت تولید شده و یا سنگ منشا تولید کننده نفت و یا پیجویی های سطحی برای یافتن مخازن جدید هیدروکربنی است.
امروزه علوم زیادی وجود دارند که تلفیقی از ۲ یا چند علم مختلف هستند. هدف ازتلفیق این دو یا چند علم مختلف، رفع مشکلات و جواب دادن به سؤالاتی است که هیچ یک از این علوم به تنهایی توانایی انجام آن را ندارند، مانند علم ژئوفیزیک که ترکیبی از علوم زمین‌شناسی و فیزیک است. با ترکیب این دوعلم میتوان اطلاعات زمین شناسی را با کمک علم فیزیک مورد بررسی قرارداد. یکی دیگر از این علوم، علم ژئوشیمی آلی است که ترکیبی ازعلوم زمین شناسی و شیمی آلی است که در این مقاله مورد بررسی قرارمی گیرد.
همان‌طورکه درمقاله مبانی شناخت مخزن گفته شد نفت در سنگ منشأ تشکیل می‌شود. برای تشکیل نفت در سنگ منشأ فرآیندهای مختلفی بر روی مواد آلی اتفاق می‌افتد تا این مواد تغییر ماهیت داده و به نفت و گاز و دیگر فرآورده‌ها تبدیل شوند. در ابتدا لازم است اطلاعاتی درخصوص سنگ منشأ بدست آوریم؛ به عنوان نمونه سنگ منشأیی که مطالعه می‌شود چه نوع هیدروکربوری (نفت و گاز) تولید می‌کند یا اصلا توانایی ایجاد هیدروکربور را در خود دارد یا خیر؟
مواد آلی در درون سنگ منشأ تبدیل به کروژن (Kerogen) می شوند؛ کروژن به مواد آلی درشت دانه‌ای گفته می‌شود که توانایی انحلال در اسیدهای آلی را ندارند. نفت ازتغییر و تحول و بلوغ کروژن تولید می‌شود؛ به طورکلی چهار نوع کروژن داریم:
۱- کروژن نوع اول
۲- کروژن نوع دوم
۳- کروژن نوع سوم
۴- کروژن نوع چهارم
– کروژن نوع اول
محیط تشکیل این نوع کروژن محیط های آبی شیرین و دریاچه‌های آب شیرین است. این نوع کروژن مرغوب‌ترین نوع کروژن است و فقط تولید نفت می‌کند. موجودات تشکیل دهنده این نوع کروژن ، جلبک‌ها هستند.
– کروژن نوع دوم
این نوع کروژن در محیط های دریایی و اقیانوسی تشکیل می‌شود وبخش عمده‌ی تولیدات آن نفت ومقداری هم گازاست. کروژن نوع دوم فراوان‌ترین کروژن است؛ به این دلیل که در گذشته بیشتر قسمت‌های زمین را محیط های دریایی تشکیل داده بودند.
– کروژن نوع سوم
این نوع کروژن در محیط های خشکی تشکیل می‌شود. البته این نکته را باید یادآور شد که رودخانه نیز جزء محیط های خشکی به حساب می‌آید. تولید این نوع کروژن گاز است؛ زیرا این نوع کروژن از مواد آلی گیاهی و درختان به‌وجود آمده است.
– کروژن نوع چهارم
در نهایت کروژن نوع چهارم که هیچ هیدروکربوری به‌وجود نمی‌آورد و صرفاً کربن خالص یا اصطلاحاً گرافیت تولید می‌کند. برای این‌که کروژن موجود در ” سنگهای منشأ ” توانایی تولید نفت را پیدا کند، باید دانه‌های درشت مواد آلی به تدریج شکسته شوند و تبدیل به مواد آلی ریزدانه‌تر و قابل انحلال در اسیدهای آلی شوند. این مسیر تغییر و تحولات مواد آلی درون سنگ منشأ را ” بلوغ (Maturation) مواد آلی” گویند. مراحل بلوغ به شرح زیر است.
۱- دیاژنز ( Diagenesis )
این تغییرات بلافاصله بعد ازنهشته شدن مواد آلی در درون رسوبات سنگ منشأ آغاز می‌شود؛ فعالیت‌های موجودات زنده ای که در کف دریا زندگی می‌کنند و همچنین بعد از گذشت مدتی، فشار رسوبات بالایی -که روی رسوبات در برگیرنده مواد آلی نشسته‌اند- می‌توانند عامل این تغییرات باشند.در این مرحله از بلوغ ، گازی به نام گاز بیوژنیک (Biogenesis) تولید می‌شود.
۲- کاتاژنز (Katagenesis )
دراین مرحله سنگ منشأ به بلوغی می‌رسد که می‌تواند نفت و گازتولید کند در واقع دما و فشار به حدی می‌رسد که مواد آلی تولید نفت و گازمی‌کنند. در مرحله کاتاژنز در یک رنج دمایی خاص، نفت شروع به تولید می‌کند که به آن (Oil window) گویند.
۳- متاژنز (methagenesis )
در این مرحله بلوغ، فقط گاز تولید می‌شود که به گاز تولید شده دراین مرحله گاز ژنتیک (genetic gas) گویند. اگرشکسته شدن مواد آلی و تبدیل به مولکول‌های کوچکتر ادامه یابد، بلوغ به مرحله متامورفیزم (metamorphism) می‌رسد. در این مرحله کربن خالص یا گرافیت تولید می‌شود که همان ذغال‌سنگ است.
تشخیص بلوغ
برای تشخیص بلوغ هرسنگ منشأ روشهای مختلفی وجود دارد. مانند استفاده از دستگاه Rock eval که اطلاعات زیادی را در اختیارمتخصصین قرارمی‌دهد. روش دیگر استفاده از میکروسکوپ و مطالعه ماده آلی ( Vitrinite ) است که تغییرات رنگ آن منجر به تشخیص مرحله بلوغ سنگ منشأ می‌شود. روشهای دیگری نیز وجود دارد که میتوان به‌وسیله آن بلوغ سنگ منشأ را تخمین زد.
تشخیص نوع کروژن
اما برای تشخیص نوع کروژن موجود، میتوان با مطالعه “میسرالی” (macelar) که در درون آن است نوع آن را تشخیص داد. هر کروژن یک macelar خاص خود را دارد که با مشاهده آن در نمونه سنگ منشأ میتوان پی به نوع کروژن برد. به عنوان نمونه میسرال کروژن نوع دوم ویترینایت(vitrinite) نام دارد.میسرال درون سنگ منشأ یا کروژن، حکم فسیل در سنگ را دارد. همان‌طور که با دیدن فسیل یک سازند خاص میتوان به نوع سازند پی برد، با دیدن میسرال هر نوع کروژن میتوان به نوع کروژن آن پی برد.
ژئوشیمی مخزن
می توان از علم ژئوشیمی مخزن جهت پاسخ به سوالات زیر استفاده نمود:
آیا ارتباطی (فیزیکی و شیمیایی) بین لایه تولیدی در یک چاه وجود دارد؟
آیا ارتباطی بین مخازن موجود در منطقه وجود دارد؟
آیا می توان تولید در منطقه را تنها به تعدادی از مخازن اختصاص داد و ردیابی نیز شود؟
آیا مشکلات ناشی از نشت در پایپ ها و لوله های جداری وجود دارد؟
کاربردها
یکی از کاربردهای ژئوشیمی، در مطالعه سنگ منشأ است که می توان به وسیله این نوع مطالعه تشخیص داد که آیا این “سنگ منشأ” توانایی تولید هیدروکربور را دارد و اگر دارد چه نوع هیدروکربوری (نفت یا گاز) می تواند تولید کند؟ آیا تولید نفت آن مقرون به صرفه و قابل توجه است یا خیر؟ از کاربردهای دیگر ژئوشیمی آلی ، در اکتشاف نفت و مطالعه مخازن نفتی است. از کارهایی که در ژئوشیمی آلی انجام می‌شود مطابقت نفت با نفت (oil-oil correlation) یا نفت با سنگ منشأ (oil-source correlation) است، به‌این معنی که در مطابقت نفت با سنگ منشأ، نفت موجود دریک سنگ مخزن با سنگهای منشأ اطراف از جهات مختلف مطابقت داده می‌شود و به این ترتیب میتوان سنگ منشأ نفت موجود در مخزن را مشخص کرد و ازاین طریق این امکان را بررسی کرد که آیا در مسیر بین سنگ منشأ و سنگ مخزن ، تله‌ی نفتی دیگری هم وجود دارد یا خیر و به این ترتیب اولویت‌های حفاری برای اکتشاف یا حفاری‌های بعدی با حداقل ریسک را مشخص کرد و یا درمطابقت نفت با نفت (oil-oil correlation) نفت دو یا چند مخزن را با هم مقایسه و مطالعه کرد؛ به این منظورکه آیا دارای سنگ منشأ یکسانی هستند یا خیر؟ این تطبیق کمک زیادی در اکتشاف تله‌های نفتی بعدی می‌کند.
از دیگر کاربردهای ژئوشیمی آلی مطالعه نفت موجود در مخازن است. امروزه بعضی از مخازن کشور با مشکل رسوب آسفالتن روبرو هستند. به این ترتیب که در پایین این مخازن یک لایه نازک آسفالتن تشکیل می‌شود و باعث می‌شود به عنوان نمونه، قسمت آبران مخزن که در قسمت زیرین مخزن قرار دارد از قسمت نفتی جدا شود و نتواند به‌خوبی انرژی لازم برای حرکت نفت را فراهم کند.
با مطالعات ژئوشیمیایی آلی نفت موجود در مخزن میتوان عامل تشکیل آسفالتن را پیدا کرد و مانع از تشکیل آن شد. از دیگر مشکلات این است که در سطح تماس آب با نفت، آب می‌تواند قسمت‌های سبک نفت را درخود حل کند (Water washing) و با خود به جاهای دیگر ببرد و این نیز زیان آور است و باعث سنگین شدن نفت باقی مانده می‌شود و یا میکروب‌هایی که از طریق آبهای زیرزمینی به نفت وارد می‌شوند باعث سنگین‌تر شدن نفت می‌شوند.
از آن‌جا که خوراک این میکروب‌ها مواد نفتی سبک است، این میکروب‌ها با مصرف این مواد ؛ باعث می‌شوند نفت موجود در این مخازن به نفت سنگین تبدیل شود. با مطالعات ژئوشیمیایی آلی و اعمال روشهای پیشنهادی آن میتوان این آثار زیان بار را کم کرد. همچنین در ازدیاد برداشت به روش میکروبی یا MEOR ، که برای نفت سنگین باقی‌مانده در مخزن به‌کار می‌رود، نیز نیاز به مطالعه نفت موجود در آن مخزن داریم تا با پی‌بردن به ترکیب نفت و میکروب‌های موجود در آن ، شرایط را برای رشد میکروب‌هایی فراهم کنیم که با مصرف مواد نفتی و ایجاد گاز در مخزن ، فشار مخزن را افزایش می‌دهند و باعث ازدیاد برداشت نفت باقی‌مانده می‌شود
برداشت نمونه های ژئوشیمی
ارزیابی توان هیدروکربور‌زایی سنگ های مادر در حوضه‌های رسوبی
مطابقت نفت با نفت و نفت با سنگ مادر با استفاده از فسیل‌های ژئوشیمیایی (بیومارکرها) و در صورت امکان با ایزوتوپ‌های پایدار؛
تعیین نوع کانی‌های رسی موجود در مخزن و بررسی نقش آنها در تولید نفت و گاز از مخازن؛
تعیین سنگهای مادر احتمالی و نوع کروژن تولید کننده هیدروکربورهای موجود در مخزن با انواع آنالیزهای ژئوشیمیایی مانند آنالیز عنصری و پیرولیز راک-اول؛
تهیه مدل مهاجرت هیدروکربور از سنگ مادر به مخزن و تجمع آن در تله‌های ساختمانی و چینه‌ای؛
مدلسازی حرارتی و بازسازی تاریخچه تدفین رسوبات به منظور تعیین پنجره زایش نفت؛
تعیین سیستم نفتی حاکم در ناحیه و مقایسه آن با سیستمهای نفتی همجوار؛
مطالعات ژئوشیمی مخزن با هدف توسعه، تولید و ازدیاد برداشت.
توانمندی های ویژه:
ارزیابی سنگ منشاء:
تعیین میزان کربن آلی موجود در سنگ
پیرولیز راک اول
پیرولیز کروماتوگرافی گازی
تعیین انعکاس ویترینایت و توصیف انواع ماسرال های موجود
آنالیز گاز مخزن
آنالیز اجزاء
آنالیز ایزوتوپ پایدار کربن، هیدروژن، سولفور و ی اکسید کربن
شناسایی هیدروکربن های مایع و استخراج شده
خصوصیات فیزیکی نفت خام
شبیه سازی فرآیند تقطیر
آنالیز جامع نفت
کروماتوگرافی گازی طیف سنج جرمی کلیه ترکیبات
کروماتوگرافی گازی طیف سنج جرمی ترکیبات اشباع
کروماتوگرافی گازی طیف سنج جرمی ترکیبات حلقوی و شاخه دار
کروماتوگرافی گازی طیف سنج جرمی ترکیبات آروماتیکی
آنالیز ایزوتوپی کلیه ترکیبات و یا ترکیبات مورد نظر
تجهیزات این آزمایشگاه ها عبارتند از:
دستگاه Rock-Eval 6
این دستگاه ساخت شرکت فرانسوی VINCI است که جهت ارزیابی توان نفت و گاز زایی سازندهای مادر به کار می رود و توسط آن می توان میزان نفت تولیدی و قابلیت تولید سازندها را مورد ارزیابی قرار داد. از دیگر کاربردهای این دستگاه، تعیین میزان بلوغ سنگ مادر می باشد. همچنین مدلسازی حوضه های رسوبی، جهت بررسی تحولات سازندهای مرتبط با سنگ مادر و تغییرات بلوغ سنگ مادر توسط نرم افزار این دستگاه امکان پذیر می باشد.
کاربردهای دیگر این دستگاه شامل تعیین نوع سنگ و ترکیبات غیرآلی، امکان انجام مطالعت زیست محیطی و اندازه گیری مقدار آلودگی های هیدروکربوری موجود در خاک ها می باشد.
دستگاه PYRO-GC
این دستگاه ساخت شرکت فرانسوی VINCI و یک سیستم کروماتوگرافی گازی است که برای پیرولیز سنگ و آنالیز نمونه های نفتی مورد استفاده قرار می گیرد. در حرارت بالا، نمونه سنگی پیرولیز و نمونه نفتی، تبخیر شده و هیدروکربن های آزاد شده جهت آنالیز به ستون کروماتوگرافی متصل به دتکتور FID منتقل می گردند و ترکیبات اشباع آن شناسایی می شوند.
از ویژگی های منحصر به فرد این دستگاه، وجود کروماتوگرافی گازی و دستگاه پیرولیز سنگ در کنار هم می باشد که قابلیت و کارایی دستگاه را به مراتب چندین برابر بیشتر از نمونه های مشابه ساخته است. ویژگی بارز این دستگاه، تکرارپذیری بالای آن و در نتیجه کسب اطلاعات کاملا” دقیق می باشد.
دستگاه GC/MS/MS
این دستگاه ساخت شرکت هلندی VARIANمی باشد که ترکیبی از دو روش تجزیه ای است که گونه های یک مخلوط در GC جدا و سپس ساختار هر گونه بوسیله Mass شناسایی می شود. این دستگاه از دقیق ترین ابزار برای آنالیز نمونه های نفتی، هیدروکربن ها، ترکیبات آروماتیک و به ویژه biomarker ها است، که کاربرد گسترده ای در مطالعات اکتشافی نفت دارد.
مهم ترین حسن این دستگاه، تغییر کارایی آن توسط تعویض چند قطعه کوچک است. از کابرد های مهم دیگر آن می توان به شناسایی آب های آلوده، شناسایی مواد غذایی، تست های دارویی و … اشاره کرد.
دستگاه Kerogenatron
این دستگاه ساخت شرکت فرانسوی VINCI می باشد و جهت استخراج ماده آلی(کروژن و بایومارکر) موجود در نمونه های رسوبی پس از تخریب بافت معدنی آن توسط اسیدهای مختلف نظیر اسید فلوئوریک و اسید کلریک طراحی شده است. دستگاه مجهز به سیستم خنثی کننده اسید، سیستم آب، سیستم تصفیه آب و سیستم گرم کننده می باشد.
بزرگترین حسن این دستگاه، وجود محفظه ای است که مانع خروج بخارات اسیدی می شود. با استفاده از این دستگاه می توان ، مواد آلی ۸ نمونه را همزمان استخراج کرد.
دستگاه FT-IR
این دستگاه ساخت شرکت BRUKER آلمان می باشد و برای ناحیه near-infrared طراحی شده است. به دلیل این که اکثر گروه های عاملی را می توان توسط فرکانس ارتعاشی مشخصه آن گروه تعیین کرد، با بررسی طیف های مادون قرمز نمونه ها در این دستگاه، براحتی و با اطمینان کامل می توان یک ترکیب را به طبقه خودش نسبت داد.
مهم ترین مزیت دستگاه، قابلیت آزمایش نمونه های مایع و جامد است.
دستگاه CHSNO Elementar Analyzer
این دستگاه مدل Vario EL و ساخت کشور آلمان می باشد که جهت آنالیز عنصری مواد آلی (نفت، کروژن و آسفالتین) و همچنین آب و سنگ جهت اندازه گیری درصد فراوانی عناصر C, H, S, O, N بکار می رود.
دستگاه Extraction System
این دستگاه مدل B-811 و ساخت شرکت BUCHI آلمان است که متشکل از چهار ستون جهت استخراج مواد آلی از سنگ های مادر، کر(Core) و مغزه می باشد. البته می توان برای مطالعات مربوط به صنایع غذایی و دارویی نیز از این دستگاه استفاده کرد.
دستگاه Rotavapor
این دستگاه مدل R-210/215 و ساخت شرکت BUCHI آلمان است که جهت جداسازی حلال های آلی از ماده آلی استخراج شده توسط دستگاه Extraction مورد استفاده قرار می گیرد.از این دستگاه برای جداسازی حلال های آلی از یکدیگر نیز می توان استفاده کرد.
Heated Vacuum Dessicator دستگاه
این دستگاه جهت خشک کردن نمونه جامد تحت خلاء بکار می رود و ساخت شرکت VINCI فرانسه می باشد.
منبع:
۱- گروه علمی تحقیقاتی نفت تایمز
۲- حیدریان دهکردی, نسیم؛ سعید میرزائی و سیدمحمد زمانزاده، ۱۳۹۳، بررسی کاربرد ژئوشیمی آلی در اکتشاف منایع هیدروکربوری، همایش ملی زمین شناسی و اکتشاف منابع، شیراز، مرکز همایش های علمی همایش نگار
۳- مهندس بدرالدین
