تقنية روسية-صينية: كبسولات خزفية لخفض كلفة استخراج النفط العميق
© Sputnik . Максим Богодвид
تابعنا عبر
طور علماء من جامعة بيرم التقنية، بالتعاون مع زملائهم من الصين، كبسولات "ذكية" مقاومة للحرارة والضغط لاستخراج النفط الذي يصعب استخراجه من أعماق تتراوح بين 4 و5 كيلومترات.
صُنعت هذه الكبسولات من "خزف الجيوبوليمر" بدلاً من البلاستيك التقليدي، وتتحمل درجات حرارة تصل إلى 150 درجة مئوية وضغوطًا تصل إلى 50 ميجا باسكال، وتُطلق مادتها الكيميائية الفعالة في المرحلة المطلوبة من التكسير الهيدروليكي، وتكلفتها أقل بنحو 3 إلى 4 مرات من البدائل البلاستيكية الحالية.
تعالج هذه التقنية مشكلة معقدة في إنتاج النفط الحديث، وهي كيفية الحفاظ على استقرار هلام التكسير السميك لفترة كافية لحمل جزيئات الدعم إلى أعماق الشقوق المتكونة حديثًا، ثم إزالة هذا الهلام قبل أن يسد المسام التي يجب أن يتدفق النفط من خلالها.
لماذا يصعب استخراج النفط من الأعماق؟
يُحتجز جزء كبير من النفط المتبقي في صخور كثيفة ولا يمكنه التدفق بحرية نحو البئر، وللوصول إلى هذه المرحلة، يستخدم المشغلون تقنية التكسير الهيدروليكي، حيث يتم ضخ سائل تحت الأرض بضغط عالٍ لإحداث شقوق في الصخور، ثم تُضاف جزيئات صلبة دقيقة تُسمى مواد التدعيم، والتي تبقى داخل الشقوق وتمنعها من الانغلاق.
يجب أن يكون السائل الحامل كثيفًا بما يكفي لتوزيع هذه الجزيئات بالتساوي، لذا يتحول إلى هلام، ولكن بمجرد وضع مادة التدعيم، يُصبح هذا الهلام نفسه مشكلة، فإذا بقي داخل التكوين، يُمكنه سدّ المسام وتقييد تدفق النفط.
لذلك، تُضاف مواد كيميائية تُعرف باسم مُكسِّرات الهلام لتدميره، ولكن توقيت إضافتها بالغ الأهمية، فإذا بدأ المُكسِّر عمله مبكرًا جدًا، يفقد الهلام لزوجته قبل أن تصل مادة التدعيم إلى وجهتها.
20 ديسمبر 2025, 12:30 GMT
لماذا قد تفشل الكبسولات البلاستيكية التقليدية؟
لتأخير التفاعل الكيميائي، تُغلَّف مُكسِّرات الهلام عادةً بكبسولات واقية، وعلى أعماق تتراوح بين 4 و5 كيلومترات، قد تصل درجات الحرارة إلى 150 درجة مئوية، ويصبح الضغط هائلاً. في ظل هذه الظروف، قد تلين الأغلفة البلاستيكية، أو تفقد إحكام إغلاقها، أو تتسرب محتوياتها قبل الأوان.
كما أن تصنيع الكبسولات البلاستيكية يُثير مشكلة أخرى، إذ قد تلتصق الجزيئات ببعضها، مما يؤدي إلى عدم انتظام الطبقة الواقية، فتصبح رقيقة جدًا في بعض الأماكن وسميكة جدًا في أماكن أخرى.
استبدل فريق من جامعة بيرم التقنية وفريق صيني البلاستيك بـ"الخزف الجيوبوليمري"، وهي مادة صلبة تُصنع من مواد خام طينية ونفايات معدنية، وتُحرق عند درجة حرارة تتراوح بين 800 و900 درجة مئوية. بعد التصلب، لا ينصهر الخزف ولا يتشوه في ظل الظروف القاسية المتوقعة في الآبار العميقة، كما أن مساميته المُتحكم بها تسمح له بالعمل ككبسولة ذات إطلاق مُؤجل.
كريات مجهرية خزفية مملوءة بمادة كيميائية فعالة
أوضح الدكتور سيرجي تشيرنيشيف، رئيس قسم تقنيات النفط والغاز في جامعة بيرم التقنية، أن الباحثين ابتكروا كريات مجهرية جيوبوليمرية مجوفة، وملأوها تحت فراغ بمحلول مُركّز لكسر الهلام، محققين بذلك قدرة تحميل تصل إلى 37% تقريبًا من المادة الفعالة، معتبرا أن هذا مؤشر ممتاز للإنتاج الفعلي، إذ يُضاهي أفضل العينات المخبرية.
طُليت الكريات المجهرية بطبقة رقيقة من "راتنج الفينول" مع إضافة "مسحوق السيليكا"، كما اختبر الباحثون عدة أنواع من الطلاءات لأن السيراميك المسامي وحده كان سيسمح بدخول الماء فورًا وإطلاق المادة الكيميائية قبل الأوان، إذ لم يكن "راتنج الإيبوكسي" مناسبًا لأن "بيروكسيد الهيدروجين" المتكون أثناء تحلل المادة الفعالة قد يُتلفه، بينما أصبح راتنج الأكريليك غير موثوق به عند تسخينه.
وأظهر "راتنج الفينول" أفضل أداء، حيثظل مستقرًا عند 150 درجة مئوية و50 ميجا باسكال مع احتفاظه بالمادة الفعالة للمدة المطلوبة.
مسحوق السيليكا يمنع التصاق الكبسولات ببعضها
كان على الفريق أيضًا منع تكتل الكريات المجهرية أثناء الإنتاج، لذا قارنوا بين ثلاث مواد تشتيت رخيصة الثمن: "التلك"، و"كربونات الكالسيوم"، و"مسحوق السيليكا".
أدى "التلك" إلى زيادة وزن الكبسولات بشكل ملحوظ، بينما تفاعلت "كربونات الكالسيوم" مع المادة الكاسرة وألحقت الضرر بالطبقة الواقية، وأثبت "مسحوق السيليكا" أنه الأنسب، لأنه منع الالتصاق دون زيادة ملحوظة في الوزن أو التفاعل مع المادة الكيميائية الفعالة.
الكبسولات تعمل على مرحلتين
من أبرز مزايا التصميم الجديد آلية الإطلاق على مرحلتين.
أثناء الضخ، يتسرب الماء من الجل ببطء عبر شقوق مجهرية في الغلاف، ويغسل تدريجيًا جزءًا من المادة الكاسرة، مما يؤدي إلى إضعاف الجل ببطء.
بعد توقف الضخ وانخفاض الضغط، تضغط الصخور المحيطة على الكبسولات، فتسحقها وتطلق المادة الكيميائية المتبقية، مما يُكمل تدمير الجل.
يسمح هذا للهلام بالبقاء كثيفًا لفترة كافية لنقل عامل التدعيم، ثم يختفي عند انتهاء مهمته. تم الاختبار عند درجة حرارة 150 درجة مئوية وضغط 50 ميجا باسكال.
أظهرت الاختبارات المعملية:
عند درجة حرارة 150 درجة مئوية، تم إطلاق حوالي 82% من المادة الفعالة خلال ساعة ونصف، وهو ما أفاد الباحثون بأنه كافٍ لإزالة الهلام بالكامل.
عند ضغط 50 ميجا باسكال، والذي يُعادل ظروفًا على عمق خمسة كيلومترات تقريبًا، بقيت 81% من الكبسولات سليمة، مما يشير إلى أن معظمها نجا من مرحلة الضخ دون أن ينكسر قبل الأوان.
عند درجة حرارة 90 درجة مئوية، احتفظ الهلام بلزوجته المطلوبة لمدة تتراوح بين 60 و90 دقيقة أطول من تلك التي تم الحصول عليها عند استخدام جهاز تكسير تقليدي، مما وفر الوقت الإضافي اللازم لإتمام عملية التكسير.
أرخص بثلاث إلى أربع مرات تقريبًا من البدائل البلاستيكية.
النتيجة الاقتصادية جديرة بالملاحظة أيضًا،فبحسب الباحثين، يبلغ سعر طن واحد من الكبسولات الخزفية الجديدة حوالي 8000 يوان، أي ما يعادل 105000 روبل تقريبًا، مقارنةً بـ 30000 إلى 50000 يوان، أو ما يعادل 390000 إلى 650000 روبل، للكبسولات البلاستيكية المماثلة.
كما أظهرت الكبسولات ثباتًا جيدًا أثناء التخزين، حيث لم تفقد سوى 2% من فعاليتها بعد ثلاثة أشهر في درجة حرارة الغرفة، و2.2% بعد أسبوعين عند 60 درجة مئوية.
وأوضح الدكتور هواجي ليو، أستاذ هندسة البترول في جامعة الصين للبترول في تشينغداو: "هذا مؤشر جيد للتطبيقات الصناعية، إذ تسمح هذه التقنية بإنتاج دفعات وتخزينها وتوصيلها إلى حقول النفط دون فقدان ملحوظ في الجودة".
أهمية هذا التطوير
تُعالج الكبسولات الجديدة عدة مشاكل في آنٍ واحد: فهي تتحمل الحرارة والضغط الشديدين في الآبار العميقة، وتؤخر تفاعل تكسير الجل حتى الحاجة إليه، وتُطلق المادة الكيميائية على مرحلتين مُتحكم بهما، وتحافظ على استقرارها أثناء التخزين، كما أنها أرخص بكثير من الكبسولات البلاستيكية المُستخدمة حاليًا.
لذا، تُعد هذه التقنية واعدة بشكل خاص لاحتياطيات النفط التي يصعب استخراجها، حيث تصبح الأنظمة البلاستيكية التقليدية غير موثوقة في ظل الظروف القاسية تحت سطح الأرض.
نُشرت الدراسة في مجلة مواد البناء والتشييد، ووفقًا للباحثين، فإن الجمع بين سيراميك الجيوبوليمر، والإطلاق المُتحكم به، وانخفاض تكلفة التصنيع، من شأنه أن يجعل عمليات التكسير الهيدروليكي العميق أكثر موثوقية وجاذبية اقتصادية.
المصدر : | بوابة روسيا العلمية |
