صنعت نفت
در صنعت نفت از گاز نیتروژن با خلوص بین ۹۵% تا ۹۷ % برای کاربردهای متنوعی مانند تخلیه دستگاه ها، مخزن‌ها و خطوط لوله حاوی بخارها و گازهای خطرناک، بهبود بازیافت و حفظ فشار در مخزن‌های گاز و نفت و … استفاده می شود. در این بخش به صورت اختصار کاربردهای گاز نیتروژن در صنعت نفت را بررسی خواهیم کرد:
۱- تحریک چاه های نفتی و افزایش برداشت نفت
روش هایی چون تزریق امتزاجی، روش های شیمیایی و حرارتی و تزریق CO۲ به عنوان روشهای ثالثیه ازدیاد برداشت(EOR) شناخته می شوند، تزریق گاز نیتروژن درون چاه نفت نیز به عنوان یکی از روشهای EOR در سال‌های اخیر در جهان کاربردهای زیادی داشته است، بطوری که این گاز به عنوان جانشین مناسبی از نظر اقتصادی برای گاز طبیعی و CO۲ در فرآیند ازدیاد برداشت مطرح است.
گاز نیتروژن در فرآیند ازدیاد برداشت، با فعال کردن مکانیزم های :
– جابجایی غیر امتزاجی
– جابجایی امتزاجی
– تثبیت فشار
– ریزش ثقلی
– جابجاکننده ی توده امتزاجی
باعث بهبود برداشت نفت می گردد. با توجه به نزدیکی مشخصات مخازن میادین نفتی ایران که عمدتا از نوع کربناته شکافدار می باشند، به مخازن مناسب جهت تزریق گاز نیتروژن، این گاز به عنوان گزینه ی مناسب جهت افزایش بهره وری از مخازن کشورمان مطرح می باشد. طبق برآوردهایی که انجام شده است، حتی در صورت استفاده از روش های گرانقیمت تولید نیتروژن (روش کرایوژنیک) ، برای استحصال گاز مورد نیاز برای تزریق، هزینه ی صرف شده در مقایسه با استفاده از گاز طبیعی بسیار کمتر خواهد بود. هزینه ی تولید هر هزار فوت مکعب نیتروژن از هوا به روش کرایوژنیک معادل ۵/. میلیون دلار بود در صورتی که قیمت گاز طبیعی بالغ بر ۲ میلیون دلار به ازای هر هزار فوت مکعب می باشد.
مزایای استفاده از گاز نیتروژن برای افزایش برداشت:
– کمترین هزینه تولید در واحد حجم نسبت به دیگر گازهای تزریقی را دارد، و قیمت آن به طور متوسط در مقایسه با گازطبیعی۱ به ۵ است.
– خنثی و غیر خورنده است و درمخازن دریایی که خوردگی عامل مهمی است، کاربردی بی ضرر دارد و با نفت نیز ترکیبات جانبی تشکیل نمی دهد.
– از هوا گرفته می شود و در همه جا به ویژه برای کاربرد در مخازن دور دست، در دسترس است. این عامل بین دیگر گازهای تزریقی یک مزیت منحصر به فرد می باشد.( از لحاظ فراوانی نیتروژن در بین عناصر موجود در طبیعت در رده ی اول قرار دارد.)
– نسبت به دی اکسید کربن ثابت گازی بالاتری دارد و در شرایط مخزن حجم بیشتری اشغال می کند.
– تزریق گاز نیتروژن این امکان را می دهد تا گاز طبیعی به فروش برسد و یا می توان امکان توسعه سریع مخزن برای به حداکثر رساندن سود آوری را فراهم کرد.
– یک ماده ی سازگار با محیط زیست است و تزریق آن از لحاظ زیست محیطی مشکلی به وجود نمی آورد.
– خصوصیات ترمودینامیکی آن به گونه ای است که برای افزایش فشار آن تا یک حد معین، نسبت به افزایش فشار گاز طبیعی تا همان حد، نیاز به صرف انرژی کمتری دارد.
۲- پاکسازی و برای انجام تست فشارخطوط نفت و گاز
۳- پیگ رانی
پیگ وسیله‌ای است مورد استفاده در لوله‌های انتقال سیالات از جمله لوله‌های آب، فاضلاب، انتقال نفت و انتقال گاز که به منظور :
– تمیزکاری لوله
– ایجاد حائل فیزیکی بین دو سیال متفاوت
– نظارت بر بدنه لوله
– ضبط اطلاعات هندسی خط لوله
در این خطوط لوله استفاده می شود. به کار استفاده از پیگ در داخل لوله ها، «پیگرانی» گفته می شود. پیگ های اولیه تنها برای تمیز کردن سطوح داخلی لوله ها، به عنوان روشی کم‌هزینه و سریع، مورد استفاده قرار می گرفته اند؛ و در حال حاضر نیز پیگ رانی معمولی، تنها برای تمیزکاری استفاده ی فراوانی دارد. پیگرانی هوشمند، توسط پیگ های هوشمند انجام می‌شود که وظایفی از قبیل نظارت بر بدنهٔ لوله و ضبط اطلاعات هندسی لوله را نیز به عهده دارند.
در فرآیند پیگ رانی ، پیگ به وسیله ی یک گاز بی اثر و یا یک مایع به جلو رانده می شود. به دلیل بی اثر بودن گاز نیتروژن و همچنین صرفه ی اقتصادی استفاده از آن، این گاز به عنوان یک گزینه بسیار مهم در این زمینه مطرح می باشد. همچنین گاز نیتروژن برای شستشو و پاکسازی تجهیزات مربوط به پیگرانی از گاز خطرناک هیدروژن سولفید نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
۴- خشک کردن خطوط و تجهیزات نفت و گاز
۵- اطفاء حریق چاه های نفتی و ایمن سازی چاه ها
استفاده از ایستگاه های تولید گاز نیتروژن برای خاموش کردن آتش سوزی، در محیط های بسته کاربرد دارد. اساس کار سیستم های اطفاء حریق نیتروژنی، جایگزین کردن اکسیژن در دسترس برای احتراق با گاز بی اثر نیتروژن می باشد. در محیط های بسته تمام آتش سوزی ها با رسیدن غلظت اکسیژن به کمتر از ۱۵% ، در زمانی کمتر از ۶۰ ثانیه خاموش می شوند. همچنین از این گاز برای ایجاد یک اتمسفر بی اثر برای جلوگیری از احتراق نیز استفاده می شود.
مزایای استفاده از گاز نیتروژن در اطفاء حریق
– توانایی عملکرد در محدوده ی دمایی گسترده(۴۰- تا ۷۰ درجه ی سلسیوس) نسبت به سیستم های اطفا دیگر مانند آب و کف
– استفاده از سیستم اطفاء حریق نیتروژنی برخلاف سیستم های آب، کف، هواپخش و … هیچ گونه خرابی و زنگ زدگی در تجهیزات و وسایل به وجود نیاورده وبه راحتی می توان با تهویه محل شرایط را به حالت نرمال بازگرداند.
– این گاز بی رنگ بوده و به همین دلیل دید افراد را دچار مشکل نخواهد کرد.
– این گاز برای بدن انسان بدون ضرر بوده و تنفس آن برای انسان مشکل ساز نیست.
– اطفاء حریق با افزایش خطرات و پیچیدگی ها در موقعیت آتش سوزی همچنان به راحتی انجام می شود.
– منابع ایجاد آتش سوزی که ممکن است به صورت مخفی بوده و از دسترس خارج باشند نیز با این روش بی اثر می شوند.
– با توجه به سرعت بالای خاموش کردن آتش با این گاز نیتروژن (استاندارد NFPA 2001) خسارات احتمالی ناشی از آتش سوزی با این روش اطفاء تا میزان زیادی کاهش می یابد.
– گاز نیتروژن دانسیته ای حدودا برابر با هوا داشته به همین دلیل مدت زمان طولانی تری در فضا معلق باقی مانده و تاثیرگذاری آن بیشتر می شود.
۶- حفاری چاه ها به روش زیر فشار تعادل مخزن(UBD)
با توجه به تجدید ناپذیر بودن ذخایر طبیعی نفت و گاز در دنیای کنونی ، لزوم بکار گیری روش های نوین و بهینه در اکتشاف ، استخراج و بهره برداری از این مخازن را امری ضروری و اجتناب ناپذیر ساخته است. بدون تردید افت فشار ناشی از برداشت زیاد از این مخازن موجب می شود تا روش های حفاری سنتی فرا تعادلی به تدریج کارآیی خود را از دست بدهند زیرا حفاری فرا تعادلی برای دستیابی به مخزن باعث بروز ضایعات جبران ناپذیر به سنگ مخزن و همچنین منجر به افزایش بیش از حد هزینه ها می شود. یکی از راه های اصلی برای بدست آوردن راندمان بالا در حفاری چاهها و نیز تکمیل و تعمیر چاههای جدید و قدیم بدون صدمه زدن به مخزن, حفاری زیر فشار تعادلی می باشد .در این روش با کم کردن وزن هیدرواستاتیک سیال حفاری از طریق گاز دار کردن آن، فشار ته چاهی، کمتر از فشار مخزن نگه داشته می شود. در چنین حالتی در هنگامی که یک لایه بهره ده حفاری می شود ، سیالات مخزن (نفت و گاز) به درون چاه جریان می یابند و فشار سر چاهی افزایش می یابد. گاز نیتروژن به دلیل خصوصیات ویژه ای که دارد، یکی از گزینه های اصلی به عنوان گاز مورد استفاده در این روش می باشد.
۷- تکمیل چاه های نفتی
روشهای تکمیل چاه بسیار متفاوت و سلیقه ای هستند. در هر چاهی ایده و طرز کار افراد مختلف برای تکمیل چاه متفاوت است. برنامه تکمیل هر چاه پیش از آغاز عملیات حفاری آن شروع شده و تا فرارسیدن تکمیل و حتی پس از آن و در هنگام در سرویس قرار گرفتن چاه ادامه می یابد. یک برنامه تکمیل باید به گونه ای اجرا شود که بیشترین تولید را برای مدت زیاد با حداقل هزینه ممکن سازد. به همین دلیل در نوشتن یک برنامه تکمیل چاه دو نکته اساسی باید مد نظر قرار گیرد :
– تولید موثر و بهینه سیالات سازند.
– صرفه جویی در هزینه ها و عملیات تعمیر چاه با آینده نگری در برنامه ریزی های آتی
اطلاعات جمع آوری شده از مخزن و مکانیک سنگ و موقعیت جغرافیایی چاه، ایده لازم را جهت تکمیل ارائه می کنند. انتخاب گزینه درست برای تکمیل باعث کاهش هزینه ها، افزایش بهره وری، افزایش عمر چاه و مخزن در نتیجه تعمیرات کمتر می شود . برای تکمیل هر چاه مسائل ذیل را باید عمیقاً مورد بررسی قرار داد:
– مناسب ترین روش تکمیل برای چاه
– مسیر جریان تولید چاه
– انتخاب سیستم تکمیل چاه برای بالا آوردن سیال تولیدی
– هزینه تکمیل در برابر قدرت بهره دهی چاه
در همین زمینه یکی از بهترین روش های تکمیل چاه، روش رشته های تکمیلی می باشد. وجود سیالات خورنده، سازندهای ماسه زا ، لایه های بهره ده با فشارهای متفاوت، گرانی و غیر قابل تعویض بودن لوله های جداری، ایمنی چاههای حومه شهری ، مسائل زیست محیطی چاه های دریایی، مخازن کم فشار، چاه های تزریقی،تکمیل های فوق پیشرفته و …باعث به وجود آمدن اینگونه تکمیل ها شده است. تزریق گاز نیتروژن نیز یکی از انواع رشته های تکمیلی می باشد.این رشته ی تکمیلی قابلیت های فوق العاده ای را به چاه می بخشد و نقش انکار ناپذیری را در آینده چاه به عهده می گیرد. وجود یک رشته تکمیلی در چاه امکانی است که هم در زمان تولید و هم در زمان تعمیر چاه باعث کارآیی فوق العاده چاه گشته و امکان عملیات های متفاوت را میسر می سازد.
۸- تحریک چاه ها
تحریک چاه های نفت، عملیاتی است که به منظور افزایش تولید از طریق افزایش جریان هیدروکربن از مخزن به سمت دیواره ی چاه انجام می گیرد. روش های تحریک لزوما ً به معنی تغییر تراوایی ناحیه ی اطراف چاه نمی باشد ، گاهی اوقات تسهیل در جریان سیال درون چاه را نیز می توان از این دسته به حساب آورد. فرازآوری به وسیله گاز را نیز می توان به گونه ای یک روش تحریک به شمار آورد. به طور کلی فرازآوری به روشی اطلاق می گردد که در آن سیال انباشته شده از درون چاه که ناشی از ورود آب سازند و یا مواد شیمیایی تزریق شده از سطح همچون متانول یا مهار کننده رسوبات می باشند از طریق به گردش درآوردن گاز نیتروژن تخلیه گردد . این سیالات با انباشته شدن در انتهای چاه فشاری معکوس بر سیال ورودی به چاه منتقل می‌کنند و در نهایت باعث قطع شدن جریان می‌گردند.
۹- مخلوط کردن مایعات با چگالی کم هنگام سیمانکاری
۱۰- تمیزکاری ایستگاه های کمپرسور و تجهیزات پردازش گاز
۱۱- پر کردن مخازن با نیتروژن فشار بالا و پایین
۱۲- هوازدایی تجهیزات و لوله کشی ها
۱۳- نیتروژن رانی در چاه های نفت و گاز
صنعت شیمی و پتروشیمی
دستگاههای مولد گاز نیتروژن جایگاه عمده‌ای در دستگاههای پردازش کننده شیمیایی دارند. گاز نیتروژن به منظور غیرفعال کردن ظرف ها و مواد شیمیایی که نسبت به اکسیژن حساس هستند استفاده می شود. همچنین باعث نقصان اکسیژن در محیط می‌شود که همین امر باعث کاهش خطرات انفجار و آتش سوزی و ایمنی بیشتر می‌گردد. همچنین گاز نیتروژن در ساخت آمونیاک که در کودسازی استفاده نیز می شود،
صنعت الکترونیک
در این صنعت گاز نیتروژن به منظور جلوگیری از اکسایش در حین عملیات ساخت نیمه رساناها و مدار های چاپی استفاده می شوند.
صنعت مراقبت‌های پزشکی
پکیج های تولید گاز نیتروژن در این صنعت به منظور بسته بندی داروها استفاده می شوند، زیرا گاز نیتروژن به عنوان یک گاز محافظ در بسته‌بندی ها عمل میکند و از فاسد شدن داروها به علت اکسایش یا رطوبت ممانعت می کند. همچنین برای منجمد کردن خون، و نیز منجمد کردن ویروسهای واکسن استفاده می‌شود.
اطفاء حریق
استفاده از ایستگاه های تولید گاز نیتروژن برای خاموش کردن آتشسوزی، در محیطهای بسته کاربرد دارد. . همچنین از گاز نیتروژن میتوان در خاموش کردن آتش سوزی ناشی از مواد قابل احتراقی مانند نفت و مشتقات نفتی، میعانات گازی و … که بدون دسترسی به هوا امکان سوختن ندارند، نیز استفاده کرد ( آتشسوزیهای نوع A,B,C) . با استفاده از گاز نیتروژن می توان درعرض چند دقیقه آتشسوزیها را مهار کرد. اساس کار سیستمهای اطفاء حریق نیتروژنی، جایگزین کردن اکسیژن در دسترس برای احتراق با گاز بی اثر نیتروژن میباشد. سرعت خاموش کردن بالای آتش، بدون هیچ تاثیر مخربی بر محیط مانند سایر سیستمهای اطفا مانند آب و کف از مهمترین ویژگی های ایستگاه های اطفاء حریق نیتروژنی می باشد.
استفاده در تایر خودروها و هواپیماها
با حذف اکسیژن از هوا باعث حذف رطوبت از داخل لاستیک می شویم که موجب کاهش اثر خورندگی سیم های فولادی داخل لاستیک خواهد شد، به دلیل کاهش میزان حمله رطوبت به سیمهای فولادی لاستیک، افزایش عمر لاستیکها امکان پذیر می‌گردد. از طرف دیگر نیتروژن در فرآیند احتراق به همراه اکسیژن شرکت نمی کند، پس از نظر ایمنی هم نسبت به هوا ارجح تر است. مولکول های نیتروژن، نسبت به اکسیژن بزرگتر هستند. احتمال خروج و فرار مولکولهای بزرگتر نیتروژن از تایر و کاهش فشار باد لاستیک و خطرهای ناشی از آن کمتر است. همچنین استفاده از نیتروژن برای تایر هواپیماها به دلیل نداشتن بخار آب از یخ زدگی در ارتفاعات بالا جلوگیری میکند.
صنعت فلز
پکیج های تولید گاز نیتروژن به منظور به عمل آوردن ماده ی مذاب در ساخت فولاد و فلزات دیگر مورد استفاده قرار می گیرند. این گاز به عنوان یک گاز محافظ در عملیات حرارتی آهن، فولاد و فلزات دیگر عمل میکند. نیتروژن در حین عملیات تاب‌کاری، کربونیزه کردن و درهم جوشی در کوره‌هایی با درجه حرارت بالا به عنوان گاز محافظ فلزاتی مثل فولاد، مس و آلومینیوم عمل میکند.