طرق تحسين سلوكية النفط الخام الثقيل أثناء عمليات النقل

تنطلق جميع طرق ضخ الخامات غير النيوتونية من مبدأ تحسين الصفات الانسيابية أو السلوكية للسائل وفيما يلي أهم الطرق المتبعة في تحسين سلوكية الخامات النفطية الثقيلة:
1- مزج النفط الثقيل مع ( نفط خفيف ، مشتقات نفطية خفيفة )
يمكن بهذه الطريقة التي تتضمن مزج الخام النفطي الثقيل الحاوي على كميات كبيرة من البرافين والاسفلت مع النفط الخام الخفيف أو المنتجات النفطية الخفيفة ( كيروسين، بنزين، مازوت ، كوندسات ) تحسين الصفات الانسيابية لهذا الخام الثقيل المتمثلة بتخفيض كل من اللزوجة وإجهاد القص الأولي ودرجة الانصباب ، بالرغم من أن هذه الطريقة معتمدة في بعض الحقول النفطية غير أنها مكلفة بالمقارنة مع الطرق الأخرى لسببين :

وجوب مد خط خاص لنقل المنتجات النفطية من أماكن تصنيعها إلى الحقول .
بسبب كلفة فصل هذه المواد الخفيفة من جديد .

لهذا السبب أصبحت هذه الطريقة تلاقي صعوبة في التطبيق الحقلي ، ولكن هذه الطريقة تصبح مجدية إذا تم مزج نفط ثقيل مع آخر خفيف من نفس الحقل مما يختصر التكاليف وتصبح العملية اقتصادية . على أية حال إذا ُنصح بتطبيق طريقة المزج فإنه من الضروري عندئذ تركيب خط أنابيب بقطر أكبر من حالة خط الخام حتى يلائم المزيج المخفف.
1-1- ميكانيكية طريقة المزج :
عندما ُتذاب مادة صلبة أو سائلة في مذيب ما، فإن جزيئاتها تنفصل عن بعضها البعض وتشغل جزيئات المذيب الفراغات فيما بين هذه الجزيئات . ويتطلب الأمر في هذه الحالة طاقة معينة من أجل التغلب على القوى الجزيئية الداخلية. الطاقة المطلوبة لتحطيم الروابط بين الجزيئات المذابة تكون مزودة بواسطة تشكل روابط جديدة بين الجزيئات المذابة والجزيئات المذيبة . ُتحدد مميزات الذوبان لمركبات غير متأينة بشكل رئيسي بواسطة قطبية هذه المركبات حيث أن المركبات عالية القطبية تكون مذابة في مذيبات عالية القطبية.

2- النقل بواسطة الماء ( مستحلب ، خاتم مائي ، وسادة مائية )
يمكن استخدام الماء في تحسين سلوكية الخامات النفطية الثقيلة بثلاثة طرق هي :
2 - 1 - ضخ الخامات عالية اللزوجة على شكل مستحلب مع الماء :
يتم في هذه الحالة التقليل من لزوجة النفط عن طريق تشكيل مستحلب من نوع نفط في الماء بحيث تحاط كل جزيئة من النفط بغشاء من الماء الأمر الذي يحول دون تماس النفط الخام مع جدران الأنبوبة وبالتالي تخفيض قيمة مقاومة الاحتكاك الأمر الذي يؤدي إلى زيادة استطاعة الأنبوب . يضاف عادًة إلى الماء في هذه الطريقة مواد نشطة سطحيًا من أجل تشكيل مستحلب مستقر حتى لا يحدث رجوع عكسي ويتشكل مستحلب من نوع ماء في النفط ويجب أن تكون هذه المواد الفعالة المستخدمة في تحضير المستحلب قادرة على تكوين غشاء
من الماء حول الجزيء النفطي وأن لا تمتلك خصائص أكالة تؤثر على معدن الأنبوب.
والجدير بالذكر أن زيادة تركيز الماء في المزيج يساعد على تحسين استقرارية المستحلب ، غير أنها تخفض من القيمة الاقتصادية لطريقة الضخ ، وقد بينت الأبحاث والتجارب أن كمية الماء في المزيج يجب أن لا تقل عن 30 % من الحجم الكلي للمزيج المضخوخ .
تتم عملية تشكيل المستحلب بتسخين النفط إلى درجة حرارة بحدود 50 Cْ، و يدفع إلى خزان معين ، أما الماء فيؤخذ من نهر مجاور أو بئر قريب ويمرر على فلتر للتصفية ثم يعالج بالمواد المنشطة ويدفع بخط آخر ليلتقي بالنفط في نفس الخزان المجهز بخلاطات من نوع خاص بحيث تؤمن الخلط الجيد وبسرعة معينة ليتشكل المزيج المطلوب حيث يضخ بعدها عبر الأنابيب وتوضع في نهاية الأنابيب عادًة محطات لفصل الماء عن النفط.
2- 2 - ضخ النفط ضمن خاتم مائي :
تعتمد هذه الطريقة على فرق اللزوجة بين النفط والماء حيث أن الماء يتميز بلزوجة منخفضة جدًا بالنسبة للزوجة النفط الثقيل ، وبالتالي يكون ضياع الضغط بالاحتكاك بين سطح الأنبوب والماء أقل بكثير منه بين النفط وجدار الأنبوب . أما مبدأ هذه الطريقة يتخلص في أن الماء والنفط يتم ضخهما في وقت واحد إلى الأنبوب بحيث يشكل الماء خاتمًا مائيًا على جدران الأنبوبة الداخلية ويتم ذلك باستخدام أنابيب محلزنة من الداخل ومصممة لهذا النوع من الضخ وبحيث يدخل الماء إليها بشكل حلزوني وبنتيجة فرق الكثافة بين الماء والنفط فإن السائل الأثقل ( الماء ) وبفعل قوى الطرد المركزي المتشكلة سوف يتوجه نحو الجدران دائمًا
بينما يبقى السائل الأخف وهو النفط ضمن الحلقة المائية . بالرغم من أن هذه الطريقة تزيد استطاعة الأنابيب إلى حوالي 20 مرة قياسًا فيما لو ضخ النفط بنفس استطاعة المضخات المستعملة وبدون استخدام المياه غير أن هذه الطريقة لم ُتحبذ في الصناعة النفطية لعدة أسباب منها صعوبة حلزنة الجدران الداخلية للأنابيب واستحالة هذه الطريقة في الضخ لمسافات طويلة لأنه بازدياد المسافة يتخلخل استقرار الخاتم المائي وسوف يتكسر وبالتالي تنتهي العملية، وبالإضافة إلى ذلك فإنه في حال توقف مفاجىء أو عادي ينفصل الماء عن السطح الداخلي للأنبوب ويحل محله النفط وبذلك تنتهي فعالية العملية من جهة أما من جهة أخرى فإن
أي خلل في دقة تكنولوجيا الضخ سوف تؤدي إلى تشكيل مستحلب ( ماء – نفط ) مستقر تصعب معالجته فيما بعد.
2 - 3- ضخ الخامات عالية اللزوجة على وسادة مائية :
يتم في هذه الطريقة ضخ النفط والماء معًا بحيث يشغل الماء القسم السفلي من الأنبوب ويطفو فوقه النفط . تسمح هذه الطريقة بتخفيض نسبة التلامس بين النفط وجدار الأنبوب وبالتالي تخفيض المقاومة الهيدروليكية للاحتكاك ، وعيب هذه الطريقة أنه لا يمكن ضخ الخامات بسرعات عالية حتى لا يتشكل مستحلب بين الماء والنفط.
3 - التسخين
من أجل نقل الخامات النفطية عالية اللزوجة وذات درجة الانصباب العالية ، من الضروري أن يحتفظ تدفق الخام بمعدل الحرارة المسموح به أعلى من درجة الانصباب وذلك لمنع زيادة ضياع الضغط الناجم عن ارتفاع في قيمة اللزوجة الظاهرية ومنع ترسب البرافينات والشموع وتفاديًا لحالة الوصول إلى تجمد النفط داخل الأنابيب .
من أجل تحقيق هذه الأهداف يتم اللجوء إلى التسخين إما على طول الخط أو التسخين المحلي :
3 - ‎ 1- تسخين النفط الخام على طول الأنبوب :
يسخن النفط الخام في هذه الطريقة على طول خط الأنابيب ويقتصر هذا الحل عادة على خطوط الأنابيب القصيرة ويستخدم عادًة كأداة تسخين البخار ، الماء الحار، الزيت أو الكهرباء و يمكن استخدام البخار في تسخين الخط في الأماكن التي يوجد فيها بخار ويمكن استعماله بسهولة مثل مصافي النفط، معامل التكرير وغيرها، ولكن عندما يكون الخط أطول من مسافة محددة يصبح هناك صعوبة في الاحتفاظ بدرجة الحرارة المطلوبة بسبب انخفاض ضغط البخار الأمر الذي يعوق تصريف الماء المتكثف ويجعل التسخين المنتظم على طول الخط أمرًا متعذرًا.
في مثل هذه الحالة يجب وضع غلايات تسخين عند مسافات محددة الأمر الذي يجعل عندها هذه الطريقة غير ملائمة .
إن استخدام الماء الحار في تسخين الخط يكون أكثر فائدًة من استخدام البخار، ولكن يتطلب أيضًا تركيب غلايات تسخين إضافية على طول خط الأنابيب عند مسافات محددة.
‎أما طريقة التسخين باستخدام الزيت، فإنها تشبه في مشاكلها طريقة استخدام الماء الحار، و ميزة هذه الطريقة أنها تمنع تجمد النفط عندما ُتطبق في مناطق باردة ولكن كلفتها تكون أعلى من الماء الحار.
توطدت مؤخرًا طريقة أخرى في التسخين باستعمال التيار الكهربائي ويتم في هذه الطريقة لف الأنبوب بكابل كهربائي مرن أو أن تزرع مقاومة كهربائية في جسم الأنبوب يمرفيه تيار بجهد 220 فولط ، وتصل درجة التشغيل إلى 250Cْ ، غير أن هذه الطريقة غير شائعة الاستعمال لعدم اقتصاديتها مقارنة الطرق الأخرى .
3 - 2 - التسخين المحلي :
تقضي هذه الطريقة بتسخين النفط الخام في المحطة الرئيسية الأولى بهدف تخفيض لزوجته وتحسين بقية خصائصه الانسيابية ومن ثم ضخه عبر الأنابيب حيث توجد على مسار الأنابيب وفي مناطق محددة غلايات تؤمن رفع درجة حرارة النفط ، وتتراوح المسافة بين الغلايات الموزعة على مسار الأنابيب بين 25 -100 كم . أما الحرارة التي يجب تسخين النفط إليها فهي تختلف من نفط لآخر ومن تصميم إلى آخر، وهي تتعلق بما يلي:
آ – تركيب النفط ودرجة انصهار البرافين فيه .
ب – درجة حرارة تفحم الأنابيب .
ج- الخواص الترموديناميكية للغلايات والمبادلات الحرارية المستعملة .
بصورة عامة يحافظ على درجة الحرارة التي تسمح بالوصول إلى أفضل نتائج من حيث تحسين الخواص السلوكية للنفط المسخن ، وفي كافة الأحوال يجب أن تكون دائمًا أقل 100Cْ حتى لا يتفكك النفط وتتفحم الأنابيب . من ناحية أخرى يراعى أن يصل النفط إلى النقطة النهائية في الأنابيب بدرجة حرارة أعلى بمقدار 5- 10 درجات من درجة تجمد النفط.
إذا تم ضخ النفط في بداية الأنابيب بدرجة حرارة t فعلى البعد X من بداية الأنابيب ستكون درجة حرارة النفط الوسيطية بحسب معادلة شوخف :

حيث أن :
t - درجة حرارة النفط الوسطية عند النقطة عن بداية الأنابيب Cْ.
to - درجة حرارة الوسط المحيط ( الأرض) Cْ.
R - معامل انتقال الحرارة إلى الوسط الخارجي ، w/m2 .Cْ.
D -القطر الداخلي للأنابيب m.
Q - الغزارة الحجمية m3 /s.
ρ - كثافة السائل ،3 kg / m.
Cp -الحرارة النوعية للنفط Joul / kg .Cْ.
عند نهاية الأنبوب أي عندما تكون X = L تكونt = tK يمكن تعيين مواقع الغلايات عن طريق حساب X.
في هذه الطريقة ، تتناقص درجة حرارة النفط الخام المسخن على طول الخط بسب التبادل الحراري مع الوسط الخارجي ، وحتى يؤدي التسخين دوره من الضروري تخفيض الضياع الحراري حيث يستخدم من أجل ذلك عادة العزل الحراري للأنابيب .
استخدمت هذه الطريقة في بلدان مختلفة ويمكن اعتبارها إحدى الطرق الاقتصادية في نقل الخامات النفطية الثقيلة، على أية حال قد يكون من غير الملائم استخدام هذه الطريقة من أجل خطوط الأنابيب الطويلة بسبب الكلفة العالية للعزل الحراري والغلايات الموضعية.
3- 3 - ميكانيكية التسخين :
تكون الجزيئات في السوائل عالية اللزوجة في حركة مستمرة لكنها لا تملك طاقة حركية كافية للتغلب على قوى التجاذب فيما بينها، لذلك توجد هذه الجزيئات بشكل كتل وعندما ُتسخن هذه السوائل تحصل على طاقة حركية كافية لتحطيم بنيتها وبالتالي تصبح قوى التجاذب بين الجزيئات منخفضة والمسافات فيما بين هذه الجزيئات تصبح أكبر الأمر الذي يعني انخفاض لزوجة هذه السوائل.
3 -4 - المعالجة الحرارية :
تعتمد هذه الطريقة على تسخين النفط الخام إلى درجة حرارة معينة ومن ثم تبريده بسرعة معينة الأمر الذي يؤدي إلى تحسين واضح في الخواص الانسيابية للنفط ، حيث تنخفض اللزوجة ودرجة حرارة التجمد لأن بلورات البرافين تبقى عالقة في النفط ولا تتحد مع بعضها ولا تشكل بنية شبكية ، وحتى ولو حصلت ستكون غير متينة . أما الصفات المحسنة فتبقى لفترة طويلة كافية لضخ النفط قبل أن يعود النفط إلى صفاته السابقة بشكل عام ينبغي الأخذ بالأمور التالية عند تطبيق هذه الطريقة :
1"- تعتبر عملية وسرعة تبريد النفط بعد تسخينه من أهم العوامل المؤثرة في هذه الطريقة .
2"- كلما كانت نسبة البرافين الموجودة في النفط أكبر من نسبة الإسفلت والمواد الصمغية كانت فعالية المعالجة الحرارية أقل .
3"- يجب أن يسخن النفط البرافيني إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة انصهار البرافين حيث إنه إذا سخن النفط البرافيني إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة انصهار البرافين فسوف تسيء العملية إلى المواصفات الانسيابية الأساسية.
3- 5 - الدمج بين الطرق السابقة :
يتم الدمج بين هذه الطرق لكي تزداد فعالية تحسين الصفات الانسيابية للنفط الخام فعلى سبيل المثال يمكن مزج الخامات النفطية الثقيلة بمركبات خفيفة مع التسخين إلى درجة حرارة معينة الأمر الذي يؤدي إلى فاعلية أكبر من جهة، وتقليل نسبة المركبات الخفيفة ودرجة حرارة التسخين من جهة أخرى الأمر الذي يؤدي إلى تبسيط العملية تكنولوجياً وتخفيض كلفتها وزيادة مردودها اقتصادياً .
3 - 6 - المعالجة الكيميائية :
تعتمد هذه الطريقة على إضافة مواد مساعدة من البولميرات والمنشطات السطحية إلى الخامات النفطية عالية اللزوجة وبتراكيز منخفضة الأمر الذي يؤدي إلى تحسين سلوكية النفط، تخفيض درجة الانصباب ، إعاقة نمو البلورات وتقييدها الأمر الذي يحول دون التصاق البلورات مع بعضها وتكتلها.
تهدف طريقة إضافة محسنات التدفق إلى تحقيق الأغراض التالية:
آ – حماية بناء خط الأنابيب.
ب- الاحتفاظ بلزوجة معينة بمستوى اقتصادي من استهلاك الطاقة.
ج- تمتلك هذه المواد المساعدة ( محسنات التدفق ) القدرة على تخفيض درجة الانصباب واللزوجة والإجهاد الأولي للجريان في حالة العمل وكذلك عند توقف الضخ لفترة طويلة.
د – أن تكون البلورات المتشكلة صغيرة ولا تتحد مع بعضها.
أثبتت التجارب المخبرية أنه عند أي درجة حرارة أقل من درجة حرارة الغيم فإن البلورات الكبيرة تتكتل في حالة النفط الخام من دون مضافات بينما من أجل نفس النفط الخام مع المضافات فإن البلورات تبقى أصغر ولا تتكتل ويبقى تدفقها حراً. كل هذه التغيرات تتحد معاً لتخفيض درجة الحرارة التي تتشكل عندها البنية الهلامية ( اللزجة ) .
3- 7 - المعالجة بالضغط :
تنطلق هذه الطريقة من فكرة تحسين سلوكية النفط وخواصه المرنة عن طريق تكسير بنيته الداخلية بواسطة قوة الضغط ، وبالتالي تسهيل عملية نقله ، وتتم العملية على الشكل التالي كما هو موضح في الشكل رقم ( 1)

يرفع الضغط إلى قيمة معينة ( Po ) في خزان وتعزل الجملة ، ومع مرور الزمن يلاحظ هبوط تدريجي لهذا الضغط نتيجة لنقصان الحجم بسبب تكسر البنية وذلك لزمن معين ( t1 ) ، عندها يعاد رفع الضغط إلى القيمة الأساسية ( Po ) وننتظر فترة زمنية أخرى مقدارها (t1 ) ، فيلاحظ خلالها هبوط الضغط ولكن بتدرج أقل من سابقه، ثم من جديد يعاد رفع الضغط إلى القيمة ( Po) وينتظر لنفس الفترة الزمنية (t1)، ويلاحظ في كل مرة أن هبوط الضغط يحدث بتدرج أقل من الخطوة السابقة، ويستمر في ذلك حتى المرحلة التي يحدث فيها ثبات للضغط عند القيمة الضغط ( Po ) وهذا يشير إلى التكسر الكامل بالبنية الداخلية للنفط بتأثير قوة الضغط، ومن ثم يضخ النفط عبر الأنابيب، ويجب أن لا يتجاوز زمن عملية الضخ اللازم لتشكل البنية الشبكية من جديد ويتم تحديد ذلك الزمن مخبرياً.
إن سلوكية السوائل أو خواصها تنخفض بعد المعالجة بالضغط بشكل كبير ولذلك يركز على دراسة هذه الطريقة عند ضخ النفوط اللزجة، وعند تطبيق هذه الطريقة يجب مراعاة العوامل التالية :

نوع النفط : أفضل الأنواع التي تستجيب لهذه العملية هي السوائل التكسوتربية.
الضغط الأولي للمعالجة (Po):كلما كان أكبر كانت فعالية العملية أجدى.
الخطوة الزمنية (t1) :كلما كانت أقصر كلما كانت العملية أسرع وأكثر كفاءة.

هذه الطريقة تطبق في الصناعة النفطية لأنها قليلة الكلفة، غير أنه من الضروري تحديد كافة مؤشراتها مخبريًا وبدقة عالية .
3- 8 - المعالجة الكهرطيسية :
تنطلق هذه الطريقة من فكرة أن النفط البرافيني يمكن أن يستجيب إلى مجال التأثير المغناطيسي وهذا عائد إلى أن جزيئة البرافين قابلة للاستقطاب وبالتالي عند تطبيق مجال مغناطيسي على الأنبوب الذي يمر فيه النفط فإن هذه الجزيئات تستقطب وتأخذ لنفسها مسارًا مستقيمًا بدل أن يكون عشوائياً ، وينتج عن ذلك انخفاض في اللزوجة الأمر الذي يؤدي إلى سهولة ضخه عبر الأنابيب، وكما أن المجال المغناطيسي يمكن أن يعمل على تخفيض معدل ترسب البرافينات والمواد الثقيلة لأنه يساعد على منع ترسب الشحنات الكهربائية التي تسبب زيادة في ترسب تلك المواد وبالتالي تتسبب في المقاومة الهيدروليكية.
3- 9 - المعالجة بالمواد المشعة :
طبقت هذه الطريقة حديثاً في عمليات نقل النفط، وهي تعتمد على حقيقة أن المواد المشعة تعطي طاقة حرارية، وتوضع في هذه الطريقة المواد المشعة في بداية خط الأنابيب وتحسب كميتها بحيث تكون الطاقة الحرارية الناتجة عنها كافية لتخفيض اللزوجة لدرجة معينة، ولكن يجب التخلص منها فيما بعد، ولذلك تقام منشآت خاصة في نهاية الخط لفصل هذه المواد وإعادتها للاستخدام من جديد، ومن المواد المستعملة في هذا المجال نذكر (أوكسي أوران أو مشتقاته ، كوري 242 ، بلون 210 … الخ ) . ولا تزال هذه الطريقة قيد الدراسة والتجريب بسبب خطورة التعامل معها.
3- 10- اختيار التقنية المناسبة :
لقد تمت مناقشة الطرق المذكورة سابقًا لتحسين الخواص الانسيابية للخامات النفطية الثقيلة ، وعلى ضوء ذلك يمكن التمييز بين مجموعتين بارزتين بالاعتماد على حالة خط الأنابيب ( بارد أو ساخن ) . المجموعة الأولى تتطلب التسخين والنفط الخام المسخن ينقل خلال خط أنابيب حار، أما المجموعة الثانية ( المزج ، المعالجة الحرارية ، الإضافات الكيميائية ، المعالجة بالضغط ، المعالجة الكهرطيسية ) فإنها تستخدم لتحسين سلوكية الخامات النفطية الثقيلة قبل الضخ والنفط الخام المعالج ينقل بعد ذلك خلال خط أنابيب بارد (غير مسخن ) .
لاختيار التقنية الأفضل من أجل خام نفطي معين فإنه يجب إجراء اختبارات مخبرية للطرق المختلفة، ومن ثم تجرى دراسة اقتصادية تأخذ في الاعتبار المتطلبات الخاصة لكل طريقة والمعاملات المؤثرة في نقل السوائل، تتضمن هذه المعاملات طول خط الأنابيب ووضعه ( فوق أو تحت الأرض )، تأثيرات المحيط، صفات السائل المراد ضخه، حالات العمل، ضرورة محطات الضخ … وغيرها، وفي النهاية يجب اختيار الطريقة الأسهل تكنولوجياً والأفضل اقتصادياً في تحسين السلوكية.

الموضوع للمهندس / رشيد الخوري وتم نقله للاستفادة