مقدمه

کشورهایی نظیر روسیه، آمریکا، کانادا، هلند، الجزایر و اندونزی نزدیک به ۶۰ درصد از گاز طبیعـی دنیـا را تولیـد مـی-کنند. نمودارهای افت((Decline Curve از اواخر دهه ۹۰ در کشورهای آمریکا، روسیه و کانادا به پایداری رسـیدهانـد درحـالی که بسیاری از مخازن خاورمیانه در مراحل توسعه هستند .[۱] امروزه اکتشاف و بهره برداری از گاز طبیعی موجود در منابع غیر معمول با توجه به حجم بسیار زیاد گاز موجود این مخازن مورد توجه قرار گرفته است. از این منابع غیر معمول گازی میتـوان به متان موجود در بسترهای زغالسنگی (Coal Bed Methane)، مخازن گازی به هـم فشـرده (Tight Gas Reservoirs) و هیدراتهای گاز طبیعی (Natural Gas Hydrate) اشاره کرد. ذخایر هیدرات منابع بسیار عظیمی هستند که اگر ۱۵ درصد از آن مورد استفاده قرار گیرد انرژی حدود ۲۰۰ سال را تامین میکند .[۲] شکل شماره ۱ توزیع ذخایر هیدرات را در جهان نشان میدهد.

شکل :۱ توزیع مخازن کشف شده هیدرات روی کره زمین[۲]

هیدراتها ترکیبات مولکولی هستند که پیوند بین مولکولهای آب نیروی هیدروژنی و پیوند حفرات بین مولکولهای آب نیروی واندروالسی است. در صورت وجود شرایط مناسب مثل فشار بالا و دمای پایین این ترکیبات تشکیل میشوند. از جمله ساختارهای این ترکیبات میتوان به آبکش های ملکولی((Molecular Sieves، کمپلکس های کانالیزه( Channel (Complexes، کمپلکس های لایه ای(Layered Complexes،) ملکولِ در برگرفته شده (Inclusion Molecule)،
کمپلکسهای پلیمری خطی((Linear Polymeric Complexes و کلاتریت اشاره کرد.[۳] هیدراتهای گازی که بیشتر در بستر دریاها تشکیل می شوند، عمدتا از نوع هیدرات متان هستند. این ماده که از آن به عنوان یخ شعله ور یاد می شود، دارای مقدار بسیار زیادی گازمتان و مکان تشکیل آن معمولاً رسوب کف اقیانوسها و مناطق قطبی همیشه منجمد است. این مواد به طور طبیعی در دما و فشار محیط رسوبات کف اقیانوس دما و در مناطق با عمق بیش از۵۰۰ متر تشکیل می شود. در این فشار و در دماهایی بالاتر از دمای پایدار یخ، هیدرات گازی کاملاً پایدار است. همچنین درمناطق همیشه منجمد قطبی، این ماده به صورت ترکیب با یخ های محیط، به مقدار زیادی یافت می شود .[۴] برای استفاده از انرژی این ترکیبات نهفته در زمین باید

آنها را از حالت جامد به حالت سیال تبدیل کرد. تحقیقات زیادی در این زمینه صورت گرفته است. که دراین مطالعه ما به بررسی این روشها میپردازیم.

دومین همایش ملی هیدرات گازی ایران ۲۵-۲۶ اردیبهشت ۱۳۹۲، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز دانشگاه سمنان

-۲ روشهای تولید گاز طبیعی از مخازن هیدرات

با توجه به جامد بودن ذخایر هیدرات طبیعی محققان به دنبال راهکارهای موثری جهت استفاده از ایـن منـابع طبیعـی هستند. بهترین و کارآمدترین این روش، تجزیه هیدراتهای جامد و سیال شدن آن به ترکیبات گاز و آب است. در ایـن حالـت موضوعاتی چون ترآوایی، تخلخل و درجه اشباع بسیار مهم میباشد. در حالت کلی میتوان تجزیه هیـدرات بـه گـاز متـان، کـه بخش عمده گاز به دام افتاده در ذخایر هیدرات طبیعی را شامل میشود، به صورت زیر در نظر گرفت:
CH4( ) + 6H2 ( ) (1) CH4(6H2 )( )

تا به امروز سه روش برای بدست آوردن گاز طبیعی وجود دارد. (۱ کـاهش فشـار(:(Depressurization حفـر چـاه در ناحیه پایدار هیدرات و استخراج گاز آزاد این ناحیه که باعث کاهش فشار مخـزن و تخریـب و تجزیـه ترکیبـات هیـدرات را بـه همراه دارد. (۲ تحریک حرارتی :(Thermal Stimulation) یک منبع گرما را به ناحیه پایدار اعمال میکنند. در نتیجه افزایش درجه حرارت تجزیه هیدرات را به دنبال دارد. (۳ تزریق مواد بازدارنده :(Inhibitor Injection) با تزریق این مواد بـه مخـزن و قرار گرفتن آنها در کنار هیدرات باعث تجزیه میشوند. یک روش جدید جایگزینی متان به وسیله گاز کربن دیاکسید در داخل هیدرات است که آزاد شدن گاز متان را به همراه دارد. در حالت کلی این روش را میتوان زیر مجموعه روش سوم دانست.

-۱-۲ فرآیند کاهش فشار

در شکل شماره ۲ روش کاهش فشار نشان داده شده است که حفاری از پوشش یک مخـزن هیـدرات بـه گـاز آزاد وارد شده و باعث استخراج گاز آزاد این منطقه میشود. در این حال کاهش فشار مخزن را به دنبال داشته و این کاهش توسـط گـاز حاصل از تجزیه هیدرات جبران میشود. این روش تنها روشی است که به مرحله تجاری درآمده است. با این وجود محققان بـه دنبال روشهای ترکیبی از آن همراه با سایر روشها هستند.

شکل :۲ تولید گاز از مخزن هیدرات با استفاده از روش کاهش فشار

-۲-۲ فرآیند تحریک حرارتی

بررسی روشهای تولید گاز طبیعی از

در این روش به وسیله افزایش درجه حرارت در ناحیه هیدرات باعث تجزیه این ترکیبات میشوند. ایـن افـزایش درجـه حرارت میتواند به وسیله یک منبع حرارتی صورت گیرد. از جمله منابع گرما میتوان به بخار و آب داغ به صـورت مسـتقیم یـا ابزارآلات صوتی و الکتریکی به صورت غیر مستقیم اشاره کرد. در یک روش ساده میتوان بخار یا آب داغ را بـا اسـتفاده از چـاه حفر شده به داخل مخزن پمپ کرده و این گرما متان موجود در هیدرات را آزاد کند. این متان آزاد شده میتواند به وسیله یک چاه دیگر به سطح زمین انتقال یابد .[۵] شکل شماره ۳ نشان دهنده این روش است.

Cranganu درمدل خود یک چاه با فضای سه حلقوی را پیشنهاد داد. از فضای وسط چـاه بـرای رسـاندن سـوخت بـه محفظه احتراق استفاده کرد. وجود شیرهای خودکار که فرمان باز یا بسـته بـودن را از حسـگرهایی مـیگیرنـد، ایـن ارتبـاط را کنترل میکنند. از دو فضای باقیمانده گازهای حاصل از احتراق و گاز طبیعی آزاد شده خارج میشوند .[۶]

روش تحریک حرارتی در عین کارایی دارای معایبی است. اولا بخش عظیمی از گرمای اعمال شده در طول مسـیر از بـین مـی-رود. دوما همانطور که اشاره شد دو چاه باید برای این منظور حفر شود فاصـله ایـن دو چـاه و تعـداد آنهـا وابسـته بـه عوامـل متعددی است. برای مثال اگر تخلخل هیدرات کمتر از ۱۵ درصد باشد گاز استخراج شده از چاه ناچیز است.

شکل :۳ تولید گاز از مخزن هیدرات با استفاده از روش تحریک حرارتی

روش کاهش فشار همراه با حرارت دیواره چاه بسیار موثر است. در این روش کاهش فشار، فشار سیستم را تا زیر نقطه فشار تشکیل هیدرات در دمای مشخص پایین میآوریم. این روش ترکیب روشهای حرارتی و کاهش فشار میباشد که در آن به دیواره چاه حرارت میدهند و هزینه اولیه و عملیاتی کاهش مییابد.