PAM في مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية واحتجاز الكربون: الاستخدامات والحدود

لا تبدو الطاقة الحرارية الأرضية وتخزين الكربون مثل محطة مياه الصرف الصحي أو مصنع الورق، ومع ذلك فإن كلا الصناعتين تعتمدان على نفس عائلة البوليمرات. يظهر بولي أكريلاميد في أربع وظائف في صناعة الطاقة الحرارية الأرضية: تقليل الاحتكاك أثناء حفر الآبار وتحفيزها، وتشكيل المواد الهلامية التي توجه التدفق تحت الأرض، وتنقية المياه المالحة الساخنة، وإغلاق المسارات حيث لا ينبغي أن ينتقل ثاني أكسيد الكربون. لا تمثل أي من هذه التكنولوجيات الرئيسية للمشروع، ولهذا السبب نادرًا ما يتم ذكر PAM.

الحذر قبل المضي قدما. لا يزال الكثير من هذا العمل في مرحلة البحث والمرحلة الميدانية المبكرة، وغالبًا ما يتم تعديل أو مزج البوليمرات المعنية، وليست درجات جاهزة للاستخدام. يوضح الجدول أدناه مكان كل وظيفة وما يُطلب من البوليمر القيام به.

◀ التحفيز والحفر: مخفضات الاحتكاك تحت الحرارة

الدور الأقدم والأكثر شهرة هو أيضًا الأبسط. عندما يتم ضخ الماء بمعدل مرتفع عبر بئر، فإن الاحتكاك يلتهم معظم الضغط. تسمح جرعة صغيرة من بولي أكريلاميد ذو الوزن الجزيئي العالي لنفس المضخة بتحريك المزيد من الماء بضغط أقل، وهذا هو مبدأ العمل وراء معالجات المياه الزلقة في النفط والغاز.

تستخدم الآبار الحرارية الأرضية نفس الفكرة ولكنها تلبي بيئة أصعب. تكون الخزانات أكثر سخونة من معظم تكوينات النفط والغاز، ولكل بوليمر درجة حرارة تبدأ سلاسله في الانهيار إذا تجاوزتها. وبمجرد حدوث ذلك، يتلاشى تأثير تقليل الاحتكاك ويتصرف السائل مثل الماء العادي. وتؤدي الملوحة والصلابة إلى تفاقم المشكلة، لأنها تؤدي إلى تجعد سلاسل البوليمر وتقصير مدى وصولها.

وهذا هو السبب في أن نفس البوليمر الذي يعمل بشكل جيد في فرك المياه العذبة يمكن أن يفشل في محلول ملحي للطاقة الحرارية الأرضية. للقراء القادمين من جانب حقول النفط، لدينا مخفض سحب المستحلب الفوري القابل للذوبان للاستخدام في حقول النفط يُظهر نوع المنتج المُصمم للترطيب السريع في الحقل. ما إذا كانت درجة معينة تناسب درجات الحرارة الحرارية الأرضية هي مسألة منفصلة يجب اختبارها، وليس افتراضها.

◀ الدوائر القصيرة والمواد الهلامية: تدفق التوجيه في الصخور الساخنة المكسورة

تعتمد أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المحسنة على ضخ الماء البارد عبر الصخور المكسورة واستعادتها ساخنة. نقطة الضعف هي الدائرة القصيرة الحرارية. إذا كانت هناك قنوات قليلة عالية النفاذية تحمل معظم التدفق، فإن الماء يمر بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يمكنه التقاط الحرارة، وتبرد تلك القنوات، وينتج الخزان أقل بمرور الوقت.

وقد تعاملت صناعة النفط مع نفس النمط لعقود من الزمن عن طريق حقن المواد الهلامية التي تسد أسرع المسارات وتدفع السوائل إلى بقية الصخور. أ ورقة حديثة عن هلام البوليمر لأنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المكسورة بشدة يلاحظ أن بولي أكريلاميد وبولي أكريلاميد المتحلل جزئيًا يُستخدمان بشكل شائع لصنع هذه المواد الهلامية، وأن نظام الجل يصبح غير مستقر حرارياً عند درجة حرارة عالية. يستجيب المؤلفون من خلال الجمع بين بوليمر أساسه مادة الأكريلاميد، ومونومر مسلفنت، ورابط متشابك مقاوم للحرارة، مما يوضح إلى أي مدى يجب أن تنتقل التركيبة من الدرجة القياسية.

خلفية حقول النفط تساعد هنا. نظرة عامة لدينا على كيف يستخدم فيضان البوليمر بولي أكريلاميد لتحسين استخلاص النفط يشرح منطق كفاءة الاجتياح، والقطعة كيف تعمل عوامل تكسير الهلام في الحفر بدرجة حرارة عالية يغطي الجانب الآخر من عمل الجل، وهو إزالة الجل عندما يقوم بعمله.

◀ تصفية المحلول الملحي: السيليكا والحديد ورابط الليثيوم

هذا هو المكان الذي تبدو فيه PAM أكثر شبهاً بشخصيتها المألوفة. ويخرج الماء المالح من الطاقة الحرارية الأرضية وهو يحمل السيليكا والحديد المذابين، ويجب تنظيفه قبل عودته إلى باطن الأرض أو قبل إخراج أي معادن ثمينة منه. إذا تركت السيليكا في الداخل، فإنها تترسب في الأنابيب وآبار الحقن وتقطع التدفق.

A براءة اختراع بشأن الإزالة الانتقائية للسيليكا من المحاليل الملحية المحتوية على السيليكا يصف التخطيط. يتم تغذية محلول ملحي يحتوي على حوالي 100 جزء في المليون من السيليكا وحوالي 500 جزء في المليون من الحديد بالهواء وقاعدة ومحلول مندف في خطوة إزالة السيليكا. يقوم المصفي بعد ذلك بفصل المحلول الملحي المنظف عن مادة صلبة من حديد السيليكا، ويتم ترشيح المادة الصلبة. يمكن أن يستمر المحلول الملحي الأنظف في استعادة الليثيوم. تمنح براءة الاختراع نطاقًا من محلول الندف يتراوح من 0.005% إلى 1% بالوزن، مع حوالي 0.025% كمثال.

أي شخص قام بتشغيل جهاز توضيح سوف يتعرف على النمط. تقوم خطوة الترسيب ببناء الجزيئات، ويربطها البوليمر، وتفصلها وحدة الترسيب. تكمن الاختلافات في الظروف: ارتفاع درجة الحرارة والملوحة العالية والمحلول الملحي الذي غالبًا ما يكون حامضيًا أو غنيًا بالمعادن. تغير هذه الظروف سلوك البوليمر، وهذا ما سنتحدث عنه في مقالتنا دور كيمياء المياه في أداء الندف يشرح لماذا يجب أن تكون كيمياء المياه هي الدافع وراء الاختيار.

◀ توافق ثاني أكسيد الكربون والتحكم في التسرب: المواد الهلامية التي يجب أن تنجو من الأحماض

يستعير تخزين الكربون أدواته من استخلاص النفط بمساعدة ثاني أكسيد الكربون. عندما يتم حقن ثاني أكسيد الكربون، فإنه يميل إلى المرور عبر المناطق الأكثر نفاذية وترك الباقي دون مساس، مما يهدر مساحة التخزين، وفي أسوأ الحالات، يجد طريقًا للخروج. تعتبر المواد الهلامية إحدى الطرق الرئيسية لسد تلك المسارات.

A دراسة هلام HPAM-chromium(III) للتحكم في مطابقة ثاني أكسيد الكربون تشير التقارير إلى أن هذا الجل قد تم تطبيقه في حقول غمر ثاني أكسيد الكربون، واختبار مدى صموده في الدورات المتناوبة لثاني أكسيد الكربون والماء. يقلل الجل من نفاذية الماء أكثر بكثير من نفاذية ثاني أكسيد الكربون. انخفضت مقاومتها خلال الدورات اللاحقة، وفي النوى عالية النفاذية أصبحت لا تذكر بعد دورتين فقط. إذا اخترق ثاني أكسيد الكربون الهلام، يتحلل الهلام ويجف، ويفشل العلاج.

تحدد هذه النتيجة ملخص التصميم لجل التخزين. ويجب أن يكون قابلاً للحقن، ويجب أن يبقى في مكانه تحت الظروف الحمضية، ويجب أن يستمر في العمل بعد التعرض المتكرر لثاني أكسيد الكربون. وتقوم مجموعات مختبرية أخرى باختبار مادة البولي أكريلاميد والمواد الهلامية المركبة المستجيبة لثاني أكسيد الكربون كبدائل، ولكن تظل هذه نتائج بحثية. الآبار مهمة أيضًا، نظرًا لأن التسرب غالبًا ما ينتقل على طول حفرة البئر، وملاحظتنا مستمرة الاستخدامات العملية للبولي أكريلاميد في عمليات الحفر والإكمال والأسمنت يغطي جانب حفرة البئر.

◀ ما لا تستطيع PAM القياسية فعله هنا

ضع هذه الوظائف الأربع جنبًا إلى جنب وسيظهر النمط. تقوم كل واحدة بدفع مادة البولي أكريلاميد خارج النافذة حيث يكون أداء الدرجات العادية أفضل.

• حرارة. تعمل درجة الحرارة على تسريع التحلل المائي، الذي يحول مجموعات الأميد إلى مجموعات كربوكسيل ويغير شحنة البوليمر. في درجات الحرارة الأرضية الحرارية، يكون التغير سريعًا، والبوليمر الذي بدأ كدرجة أنيونية خفيفة يمكن أن يتصرف بشكل مختلف تمامًا بعد بضعة أيام؛
• الملوحة والصلابة. تحتوي المحاليل الملحية على كميات كبيرة من الصوديوم والكالسيوم والمغنيسيوم. ترتبط الأيونات ثنائية التكافؤ بمجموعات الكربوكسيل، وتنهار السلاسل ويمكن أن تترسب البوليمر. مقالتنا على لماذا يكون أداء صيغ PAM القياسية ضعيفًا في مناطق الماء العسر يشرح الآلية على نطاق أصغر؛
• الحموضة وثاني أكسيد الكربون. يخفض ثاني أكسيد الكربون المذاب درجة الحموضة، ويمكن أن تفقد الشبكات الهلامية المصممة للظروف المحايدة قوتها أو تجف؛
• القص والوقت. يجب أن يتحمل الجل عملية الضخ ثم يبقى لأشهر أو سنوات، وهو اختبار أطول مما تواجهه معظم برامج معالجة المياه.

الإجابات المعتادة هي بوليمرات مشتركة تحتوي على وحدات مسلفنة لتحمل الحرارة والملح، وروابط متشابكة مختلفة، ودرجات غير أيونية أو مشحونة بخفة تقاوم الأيونات ثنائية التكافؤ. بيانات حقول النفط في كيف تؤثر درجة الحرارة والملوحة على أداء PAM في حقول النفط تعتبر نقطة انطلاق مفيدة، على الرغم من أن الظروف الحرارية الأرضية غالبًا ما تكون أكثر قسوة.

◀ أسئلة يجب طرحها على المورد قبل تحديد البوليمر

المواصفات الجيدة تبدأ بشروط المشروع، وليس باسم المنتج. الأسئلة الواردة أدناه هي تلك التي تميل إلى فصل الدرجة العملية عن درجة الفشل الباهظة الثمن.

• ما هي درجة الحرارة القصوى التي تم اختبار البوليمر عندها، وما هي المدة التي تم اختبارها فيها، وليس لدقائق فقط؛
• ماذا يحدث للزوجة أو قوة الهلام بعد التعتيق الحراري في المحلول الملحي الفعلي، وليس في المياه العذبة؛
• كيف يتصرف مع الكالسيوم والمغنيسيوم في تركيزاتك، وفي درجة الحموضة الخاصة بك؟
• هل تعرض لثاني أكسيد الكربون المذاب أو الظروف الحمضية وما تم قياسه بعد ذلك؟
• ما هو الوزن الجزيئي ونوع الشحنة وكثافتها وهل يمكن تعديلها؟
• ما هو مستوى المونومر المتبقي الذي تحمله الدرجة، وما هي البيانات التي تدعمها؛
• هل هو متاح كمسحوق أو مستحلب، وما الذي يناسب معدات الخلط والخدمات اللوجستية الخاصة بك.

من الأسهل العمل مع الموردين الذين يجيبون على هذه الأسئلة ببيانات الاختبار مقارنة بأولئك الذين يجيبون على ذلك من خلال كتيب. إذا لم يكن لدى المورد بيانات عن شروطك، فتعامل معها كحافز للاختبار، وليس كسبب للافتراض.

◀ ما يجب اختباره قبل التجربة الميدانية

العمل المخبري هو المكان الذي ينبغي اكتشاف معظم حالات الفشل فيه، لأن حالات الفشل الميدانية بطيئة ومكلفة. إن برنامج اختبار قصير وواقعي يستحق أكثر من برنامج طويل يستخدم الماء الخطأ.

1. تحضير محلول البوليمر في المحلول الملحي الحقيقي أو نسخة اصطناعية قريبة، باستخدام نفس طريقة الذوبان المخطط لها في الحقل؛
2. قياس اللزوجة أو قوة الهلام عند درجة الحرارة، ثم عمر العينات عند درجة الحرارة المستهدفة لعدة أيام وأسابيع ثم قياسها مرة أخرى؛
3. كرر ذلك مع التعرض للغاز أو الحمض الذي ينطبق، مثل تشبع ثاني أكسيد الكربون في مشاريع التخزين؛
4. لتصفية المحلول الملحي، قم بإجراء اختبارات الجرة عبر نطاق الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة، واحكم على سرعة الترسيب وقوة التلبد ووضوح المادة الطافية؛
5. قم بتسجيل النتائج كمواصفة ذات حدود، بحيث يؤدي أي تغيير في البوليمر أو المحلول الملحي إلى إعادة الاختبار.

إذا لم تصمد الدرجات القياسية، فقد تكون هناك حاجة إلى بوليمر معدل، وتقدم Hengfeng التخصيص لتطبيقات محددة. يمكنك ذلك تحدث إلى الفريق الفني حول بوليمر مخصص لمشروعك وشارك درجة الحرارة وتحليل المحلول الملحي وظروف التعرض بحيث تبدأ المناقشة من أرقام حقيقية.