-۱ مقدمه

هیدرات های گازی برای اولین بار توسط Humphrey Drury در سال ۱۸۱۱ به حوزه نفت و گاز معرفی شد. هیدرات های گازی شامل مولکول های آب هستند که در یک ساختار بلورین به یکدیگر متصل شده اند . این مواد به صورت میزبان مولکول های غیر قطبی یا اندکی قطبی را که نسبتا بزرگ بوده و ارتباطات مستحکمی را در شبکه بلورین ایجاد می کنند در بر گرفته است. این ارتباطات درونی استحکام و پایداری نسبتا بالایی را در ساختار هیدرات های گازی ایجاد می نماید. هیدرات های گازی در شرایط فشار بالا و دمای پایین پایدار بوده و عمدتا در نواحی اقیانوسی در اعماق پایین تر از ۳۰۰ متر و یا در نواحی منجمد قطبی یافت می شوند. اگرچه تاکنون تخمین های متعددی از مقدار کل انرژی موجود در هیدرات های گازی در سرتاسر جهان زده شده است، لکن اجماع عمومی بر این اعتقاد استوار است که این ذخائر می توانند اهمیت بالایی در جهت تامین انرژی با حداقل تولید آلودگی های زیست محیطی در آینده به شمار آیند. اگر مقدار ۲۰ x 1015 m3 را که در بیشتر مطالعات موردی به آن اشاره شده است را به عنوان حجم نهایی این ذخائر تلقی کنیم، مقدار انرژی بدست آمده از این مقدار دو برابر مصرف تمامی سوخت های فسیلی موجود در سایر مخازن موجود در دنیا هستند.

هیدراتهای گازی همواره دارای پیچیدگی های خاصی از دیدگاه یک ذخیره مناسب برای تامین انرژی به شمار می رود. علاوه بر این در استحصال گاز از این منابع در بیشتر موارد مسائل ایمنی و مشکلات محیط زیستی حائز اهمیت هستند. روش های رایج حفاری در این ذخائر باعث ایجاد حرارت و در نتیجه تجزیه ساختار هیدرات می گردد. در نتیجه این فرایند سیال حفاری با محتوای گاز بالا ایجاد شده و باعث بروز مشکلاتی در کنترل و نگهداری چاه می گردد. علاوه بر این تجزیه هیدراتها باعث فرونشست سطح دریا می گردد. حفر یک چاه افقی در ساختارهای هیدراتی و در راستای تنش افقی حداقل معمولا به منظور تولید گاز از این ذخائر انجام می شود.

افزایش فشار گاز باعث ایجاد شکستگی در سنگ شده و ممکن است انسجام لایه های ناتراوای اطراف مخزن را به مخاطره بیاندازد و در نهایت بخشی از گاز تولیدی از دست برود. و یا همچنین گاز تولیدی با فشار بالا ممکن است به تاسیسات درون چاهی و … خساراتی وارد کند.

در این تحقیق تلاش شده است تا با بررسی و مطالعه شرایط ناپایداری هیدرات های گازی بر اثر کاهش فشار یا افزایش حرارت بررسی شده و پیامدهای ژئومکانیکی ناشی از این فرایند ترمودینامیکی که اغلب در قالب تراکم سنگ مخزن، فرونشست زمین، ناپایداری شیب، رانش زمین، تخریب چاه ها و لوله های جداری و فعالیت مجدد گسل ها نمود پیدا می کنند مورد ارزیابی قرار گیرد.

-۲ پایداری ژئومکانیکی بلورهای هیدرات گازی در شرایط تولید گاز

بهترین منابع هیدرات های گازی جهت استحصال گاز هیدرات هایی هستند که در رسوبات انسجام نیافته (unconsolidated) وجود دارند. از نقطه نظر ژئومکانیکی، هیدرات های گازی ممکن است در برخی نواحی مانند لایه های منجمد قطبی و در زیر بستر دریا نقش قابل توجهی در حفظ مقاومت سنگ ایفا نموده و در نتیجه استحکام کافی را به رسوبات در برگیرنده آن ایجاد نمایند. از این رو هیدرات های گازی پایداری بستر دریا را به طرق مختلف و با شدت های متفاوت بسته به میزان اشباع هیرات در سنگ تحت تاثیر قرار می دهند. اشکال متفاوت بلورهای هیدرات ممکن است نقش مهمی در پایداری ساختار رسوبات در برگیرنده داشته باشد. هیدرات های گازی معمولا در مقایسه با یخ ۲۰ برابر از مقاومت بیشتری برخوردارند. لذا در شرایطی که مقاومت برشی بواسطه تجزیه هیدرات ها کاهش می یابد، نیروهای ثقلی باعث افزایش پتانسیل

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

گسیختگی در بستر دریا و نهایتا رانش زمین می گردد. بنابراین معمولا از حفاری در رسوبات در بردارنده هیدرات های گازی با سیال با حرارت بالا اجتناب می گردد. چراکه حرارت در لوله های حفاری که از این رسوبات عبور کرده اند می تواند پایداری هیدراتها در در نواحی نزدیک به چاه تحت تاثیر قرار دهد.

-۱-۲ ناپایداری شیب و رانش زمین در اثر استحصال گاز

تجمع هیدرات های گازی معمولا نقش سیمانشدگی بین رسوبات انسجام نیافته را ایفا نموده و متعاقبا استحکام و پایداری بالایی را به کل سازند القا می کنند. با این وجود، در حالی که این نوع سیمان شدگی ممکن است در مقیاس میکروسکوپی قابل قبول باشد، هیدرات ها قادر به ایجاد ارتباط بین سطوح کانی ها ناسازگاری سطح هیدروژن آب و اتم های سایر ذرات نیستند.

بنابراین ۴ تا ۶ لایه از مولکول های آب با درجات مختلف ساختاری هیدراتها را از سطوح کانی ها جدا می کنند. این کانال های ایجاد شده در مقیاس نانو ممکن است تاثیر ناچیزی روی خواص سیمان شدگی داشته یاشند لکن نقش مهمی در پایداری ترمودینامیکی هیدرات دارد. در شکل۱ همانطور که ملاحظه می شود، یک نمونه مغزه از رسوبات هیدراته دریایی مشاهده می شود که کاملا در شرایط ایزوله قرار دارد. با تولید گاز از هیدرات های واقع در مرکز رسوبات انسجام یافته، رفتار سیال مانند هیدراتها منجربه اضمحلال تدریجی مقاومت کل نمونه بواسطه از بین رفتن سیمانشدگی بین ذرات شده است.

شکل :۲ یک نمونه مغزه از رسوبات هیدراته دریایی[۱]

تحلیل فرآیندهای ژئومکانیکی بوجود آمده ناشی

مادامیکه این پایداری در ساختار هیدراتی وجود دارد، هیدرات گازی منسجم باقی می ماند. اما با تداوم رسوبگذاری و در نتیجه افزایش دما این شرایط تغییر خواهد کرد. با تجزیه هیدرات گازی آب و گاز تولید شده و در نتیجه فشار منفذی افزایش می یابد. این امر باعث تغییر رژیم تنش ها و در نتیجه القای شکستگی های ثانویه در سنگ شده که به نوبه خود می توانند مجاری برای نشت گاز محسوب شوند. آزادسازی گاز از ساختارهای هیدراتی باعث ایجاد عدم ثبات در این ساختارها و تشکیل لغزش لایه های بالای این سازندها گردد. رانش زمین در بستر دریا که در ادامه این فرایند اتفاق می افتد با عث ابجایی حجم عظیمی از آب دریا و در نتیجه ایجاد تسونامی گردد. رانش زمین در Storegga کشور نروژ حاصل پدیده فوق است که می تواند مثال خوبی برای این قضیه باشد. از دیگر معایب آزادسازی گاز از ساختارهای هیدراتی می توان به افزایش ناگهانی گازهای گلخانه ای و تاثیرات مخرب آن بر روی چاه ها و تاسیسات واقع در سطح زمین اشاره کرد.

-۳ روش های تولید گاز از مخازن هیدرات های گازی و تحلیل فرایندهای ژئومکانیکی ناشی از تولید گاز

اغلب مطالعات موردی انجام شده در زمینه هیدرات های گازی اشاره به دو روش مجزا برای تولید گاز از این ذخائر کرده اند. اولین روش بر اساس تجزیه هیدرات ها در اثر تغییر شرایط مخزن است که به طور کلی خود به روش های فشار زدایی، تحریک حرارتی و تزریق بازدارنده ها تقسیم می شوند.

فشارزدایی بهترین روش و تنها روش موفق تولیدی محسوب می شود. این روش تولیدی بر اساس تجزیه هیدرات های گازی با رساندن فشار مخزن به کمتر از فشار هیدراسیون و در دمای ثابت انجام می گیرد. با این وجود کاهش اشباع هیدرات در سازند منجر به کاهش فشار منفذی و در نتیجه افزایش تنش موثر قائم می گردد. این امر سبب می شود تا مخزن متراکم شده و رفتار برشی در امتداد لایه های دربردارنده آن افزایش یابد. این شرایط در نواحی نزدیک به چاه بواسطه تجزیه کامل هیدرات ها در این مناطق شدیدتر است.

بنابراین تغییر شکل های برشی از نواحی نزدیک به چاه شروع شده و تدریجا به سایر نقاط مخزن نیز گسترش می یابد. از سویی دیگر تراکم سنگ مخزن، تراوایی سازند را تحت تاثیر قرار داده و سازند را مستعد شرایط تولید ماسه می نماید. حرکت گاز تولیدی در سازند باعث تغییر گرادیان حرارتی و ذوب محلی هیدرات ها می گردد. از طرفی تولید گاز منجر به کاهش فشار و خنک شدگی مضاعف آن شده و در نتیجه انجماد مجدد هیدرات ها در نواحی نزدیک به چاه اتفاق می افتد. تزریق متانول برای ذوب هیدرات هایی که مجددا متبلور شده اند به عنوان یک راهکار اساسی برای حل این مشکل است و این در حالی است که ذوب و انجماد مجدد هیدرات های گازی پایداری ژئومکانیکی این ذرات را به شدت تقلیل می دهد.

دومین گروه تولیدی از هیدرات ها بر اساس تزریق یک گاز خارجی است به گونه ای که بتواند از لحاظ ترمودینامیکی منجربه افزایش پایداری ساختار هیدارتی شود. نتایج بدست آمده از تست های آزمایشگاهی نشان دادند که با جایگزینی گاز CO2 به جای CH4 در هیدرات یک تبادل مولکولی مناسب در ساختار هیدرات اتفاق می افتد به گونه ای که پایداری ترمودینامیکی هیدرات حفظ شده و در برخی موارد بسته به شرایط تبادل گازها حتی بشتر هم شود. هیدرات گازی تشکیل شده از گاز CO2 اگرچه نمی توانند همانند هیدرات های گازی متانی باعث کاهش مقاومت مکانیکی سنگ شوند، با این وجود همچنان نسبت به ذرات یخ طبیعی مقاوم تر بوده و قادر به حفظ شرایط پایداری در فشارهای پایین و همچنین در دماهای کمتر از ۱۰ درجه سلسیوس هستند.

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

-۱-۳ مطالعات آزمایشگاهی و شبیه سازی هیدرات های گازی و تاثیر آنها بر پایداری ژئومکانیکی سنگ

هیدرات های گازی عمدتا در رسوبات انسجام نیافته جاییکه مقاومت محیط متخلخل به تنهایی پایین است یافت می شوند. وجود هیدرات های گازی تاثیر مستقیمی بر پایداری ژئومکانیکی این رسوبات دارد. اما میزان این پایداری بسته به درجه اشباع هیدرات، الگوی رشد هیدرات و مینرالوژی رسوبات دارد. هلگراد چهار الگوی رشد متفاوت را برای هیدرات های گازی ارائه کرده است: