نقش فناوری نانو در محصولات تجاری موجود در بازار صنایع نفت و گاز: نانومواد و خواص

 1- مقدمهدر سال‌های اخیر عواملی مانند رشد جمعیت و پیشرفت صنعتی جوامع منجر به افزایش مصرف انرژی شده است که در نتیجه آن تقاضا برای استخراج از منابع نفت و گاز شدت یافته است . کاهش تعداد میادین نفت و گاز، عدم توانایی روش‌های سنتی تولید ذخایر برای استخراج بهینه، نیاز به انتخاب الگوهای به صرفه و به کارگیری سیاست‌های درست در استفاده از منابع، لزوم استفاده از فناوری‌های جدید در صنعت نفت را محسوس کرده‌اند . پیشرفت‌های حاصل در فناوری نانو این نوید را می‌دهند که می‌توان صنعت نفت را با استفاده از روش‌ها و فرایندهایی با بازدهی بالاتر و همچنین از نظر زیست‌محیطی سازگارتر به جایگاهی فراتر از وضعیت کنونی رساند . به طور کلی صنعت نفت به دو بخش بالادستی و پایین‌دستی تقسیم می‌شود. در صنایع بالادستی جستجو، اکتشاف، حفاری، و تولید نفت خام و گاز طبیعی صورت می‌گیرد. بخش پایین‌دستی نیز بر عملیات توزیع و فروش گاز طبیعی، گاز مایع (ال پی جی)، بنزین، سوخت جت، گازوئیل، روغن‌ و آسفالت تمرکز دارد. . با در نظر گرفتن استانداردهای ISO/TC 28 و ISO TS 18110 هر نوع محصول مرتبط با صنایع بالادستی و پایین‌دستی نفت و گاز حاوی نانوماده که کارکرد یا خاصیت آن با فناوری نانو بهبودیافته یا مبتنی بر فناوری نانو باشد، محصول نانویی صنعت نفت و گاز به حساب می‌آید. محصول نفت و گاز فناوری نانو می‌تواند محصول میانی بهبودیافته با نانو باشد یا محصول نهایی بهبودیافته باشد. فناوری نانو به کنترل ماده در مقیاس اتمی و مولکولی می‌پردازد که نتیجه آن تولید محصولاتی با ویژگی‌هایی است که به کمک فناوری‌های مرسوم نمی‌توان به آن‌ها رسید . حوزه‌های متعدد نفتی وجود دارند که فناوری نانو می‌تواند در آن‌ها به عنوان یک فناوری پربازده، مؤثر، ارزان و از نظر زیست‌محیطی سازگار مورد استفاده قرار گیرد . می‌توان به کمک این فناوری تغییرات کاربردی در حوزه‌های مختلف نفت و گاز نظیر اکتشاف (Exploration)؛ سیمان‌کاری (Cementation)؛ تولید (Production)؛ حفاری با مته (Drilling Reservoir Gas and Oil)؛ ازدیاد برداشت (Enhanced Oil Recovery)؛ ابزارآلات (Gas and Oil Tools)؛ عملیات مربوط به چاه مانند آزمون چاه، درمان چاه، نگهداری و تکمیل چاه؛ تجهیزات آب‌بندی (Sealing Equipments)؛ آنالیز؛ سیالات حفاری (Nanofluids) و خوردگی ایجاد کرد . از دیگر کاربردهای فناوری نانو در صنعت نفت استفاده از سیالات هوشمند است که در ازدیاد برداشت و حفاری کاربرد دارند. این سیال‌ها علاوه بر این که حفاری را ارتقا می‌دهند، باعث تغییر ترشوندگی، کاهش نیروی کششی دراگ و اتصال‌دهنده‌ها برای پیوستگی می‌شوند .در اسفند 1394 و با هدف تبدیل شدن به یک مرجع معتبر، قابل استناد و به روز، بانک محصولات فناوری نانو (NPD) به آدرس http://product.statnano.com/ آغاز به کار کرد تا اطلاعات مربوط به محصولات نانویی موجود در بازارهای جهانی را جمع‌آوری و تحلیل کند. تا ابتدای مرداد ماه 1396، تعداد 205 محصول نانویی صنعت نفت و گاز موجود در بازارهای جهانی توسط این بانک اطلاعاتی رصد شده‌اند که از میان آن‌ها محصولات 50 شرکت از 16 کشور بررسی و به ثبت رسیده‌اند. محل دفتر مرکزی شرکت‌های تولید‌کننده محصولات نانویی به عنوان کشور اصلی آن شرکت‌ها در نظر گرفته شده است. بالغ بر 23 نوع محصول متمایز نانویی در این صنعت شناسایی شده است. در جدول 1 حوزه‌های صنعتی نفت و گاز و انواع مختلف محصولات هر حوزه صنعتی آورده شده است. جدول 1- لیست حوزه‌های صنعتی نفت و گاز و انواع محصولات هر حوزه

حوزه صنعتی	نوع محصول
روغن‌ها	روان‌کننده (Lubricant)، گریس، روغن موتور، روغن گیربکس، روغن ترمز
پوشش‌ها	پوشش‌های آیروژل عایق، محافظ خوردگی، محافظ فولاد، رنگ، پوشش ضد حریق
حفاری	مته، سرمته، ابزار برش، کاتر، سیال حفاری (Drilling Fluids)، الماس‌های پلی‌کریستال
درمان چاه (Well Treatment)	روبنده سولفیدی (Well Treatment)، کاتالیست‌ها، جداکننده‌های نفت از مایع (Oil-liquid separators)، محلول‌های ضد خوردگی، مواد شیمیایی محرک چاه (Well stimulation chemicals)، عوامل نگهدارنده (Fixing agents)، عوامل ژل‌کننده (Gelling agents)، تثبیت‌کننده‌ها (Stabilizers)، عوامل تقویت شن و ماسه (Sand consolidation agents)، سورفکتانت (Surfactant)
اکتشاف	سنسور گازی
خط لوله	لوله، فولاد

 2- نانومواد مورد استفاده در محصولات تجاریبانک محصولات فناوری نانو با تحلیل شرکت‌ها و محصولات رصد شده به این نتیجه رسیده است که عمده محصولات تجاری موجود در بازارهای جهانی صنعت نفت و گاز حاوی یکی از نانوذرات سولفید‌ تنگستن، اکسید ‌روی، دی‌اکسید ‌سیلیسیم، اکسید ‌سرنیم (IV) و اکسید‌ قلع‌آنتیموآن هستند که در ادامه به تفکیک مورد بررسی قرار می‌گیرند. در میان این محصولات نانولوله‌های کربنی و فولادهای زنگ‌نزن حاوی دانه‌های نانویی نیز دیده می‌شوند. نانوذرات الماس و نقره نیز از دیگر نانومواد مورد استفاده در محصولات صنعت نفت و گاز هستند. 1-2- نانوذرات دی‌سولفید ‌تنگستننانوذرات دی‌سولفید ‌تنگستن (WS₂) در بیش از نیمی از محصولات صنعت نفت و گاز رصد شده گزارش شده‌اند. مکانیزم روان‌کنندگی این نانوذرات شامل لایه‌های لغزنده بارگذاری شده به شکل یک لایه چسبنده است که کاهش سایش و اصطکاک را به دنبال دارد. این نانوافزودنی دارای ساختار لایه‌ای بسته شش ضلعی است. هر اتم تنگستن به دو اتم سولفور متصل است. اتم تنگستن و سولفور با پیوندهای قوی شیمیایی به یکدیگر متصل شده‌اند در حالی که اتم‌های سولفور با پیوند ضعیف مولکولی به یکدیگر اتصال دارند. شرکت‌های تولیدی از این نانوذرات در انواع محصولاتی چون روغن موتور، روغن ترمز، روغن گیربکس، گریس و روان‌کننده استفاده کرده‌اند که مهمترین آن‌ها Putoline Oil، Millers Oils، Green Energy Innovations، Victoria Lub، NanoProMT، NanoProtech Asia، ARCHOIL، Roar Lubricant Singapore و XADO هستند. تحقیقات نشان می‌دهد که استفاده از نانوذرات دی‌سولفید‌ تنگستن در روغن موتور منجر به بهبودی در بهره‌وری فشرده‌سازی و کاهش در مصرف سوخت خودرو، درجه حرارت و سر و صدای موتور می‌شود. به‌علاوه باعث کاهش سایش، خوردگی و اکسیداسیون در داخل موتور می‌شود. احتراق تمیز و کاهش گازهای مضر خروجی از اگزوز از دیگر مزایای استفاده از این نانوذرات در روغن موتور خودرو است. نانوذرات WS₂ را به عنوان روان‌کننده جامد نه تنها در شرایط متعارف بلکه تحت شرایط دشوار مانند دما و فشار بالا، بار زیاد، خلأ، تابش و محیط خورنده می‌توان به کار برد . افزایش نانوذرات WS₂ به روغن‌های پایه باعث کاهش 50 درصدی ضریب اصطکاک در شرایط مختلف روانکاری می‌شود زیرا WS₂ دارای قابلیت نفوذ بسیار خوبی در منافذ بسیار ریز است و مانع تخریب سطوح در تماس با یکدیگر می‌شود . کشورهای انگلستان، ایالات متحده، روسیه، استرالیا، نیوزلند، سنگاپور، کانادا، چین، لیتوانی و اسپانیا مهمترین مصرف‎کنندگان نانوذرات WS₂ در محصولات صنعت نفت و گاز خود هستند. 2-2- نانوذرات اکسید ‌رویبه ادعای دوآن و همکارانش  نانوذرات اکسید‌ روی (ZnO) نقش بسزایی در حذف گاز سولفید هیدروژن (H₂S) تولید شده در صنعت نفت را دارند که منجر به آلودگی زیاد در هوا و محیط زیست می‌شود. این گاز در جریان حفاری نفوذ می‌کند که لازم است قبل از آزاد شدن در هوا توسط نانوذرات ZnO حذف شوند. به این ترتیب که در اثر واکنش این گاز با سطح زیاد نانوذرات، آب و سولفید روی ایجاد می‌شود. نانوذرات اکسید ‌روی دومین نانوماده پرکاربرد در میان محصولات ثبت شده در NPD هستند. روان‌کننده‌ها، روبنده‌های سولفیدی و روغن‌های موتور از جمله انواع محصولاتی هستند که در آن‌ها نانوذرات اکسید ‌روی به‌کار رفته است. دو شرکت NanoMaterials Technology و NYACOL® Nano Technologies از سنگاپور و ایالات متحده فعال‌ترین استفاده‌کنندگان نانوذرات ZnO در محصولات نفت و گاز هستند. مهمترین ویژگی که نانوذرات اکسید‌روی به این محصولات اضافه کرده‌اند، احتراق تمیز سوخت و کاهش مصرف انرژی است. 3-2- نانوذرات دی‌اکسید ‌سیلیسیمنانوذرات دی‌اکسید ‌سیلیسیم (SiO₂) در محصولاتی از انواع گریس، روغن و عایق‌های حرارتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند که توسط دو شرکت Zhengzhou Dongshen Petroch و Aerogel Technologies در کشورهای چین و آمریکا تولید و عرضه می‌شوند. خواصی چون مقاومت در برابر سایش، اصطکاک، خوردگی و اکسیداسیون در فشار و دمای بالا، روغن‌ها و گریس‌های حاوی این نانوذرات را گزینه‌ای مناسب برای کاربرد در وسایل سنگین مانند جرثقیل، تراکتور و الکتروموتور کرده است. پوشش‌های مونولیتیک آئروژل عایق حرارتی حاوی نانوذرات SiO₂ نیز قابلیت خوبی در مقاوم‌سازی لوله‌های خطوط انتقال نفت و گاز در برابر تغییرات دمایی دارند. به علاوه این عایق‌ها شفاف و مقاوم به روغن هستند. چنین کاربردهایی از نانوذرات دی‌اکسید‌ سیلیسیم به کرار مورد تحقیق قرار گرفته است. به‌عنوان مثال پنگ و همکارانش  با بررسی تأثیر اندازه ذرات این نانوذرات روی اثر تریبولوژی آن‌ها به این نتیجه رسیده‌اند که ذرات با میانگین اندازه دانه حدود 58 نانومتر دارای بهترین عملکرد در کاهش اصطکاک هستند. 4-2- نانوذرات اکسید‌ سرنیم (IV)نانوذرات اکسید‌ سریم (IV) با فرمول شیمیایی CeO₂ در بخشی از محصولات حوزه صنعت نفت و گاز رصد شده گزارش شده‌اند. روان‌کننده‌ها و روغن موتورها از انواع محصولاتی هستند که در شرکت سنگاپوری NanoMaterials Technology توسط نانوذرات CeO₂ تولید و به بازارهای جهانی عرضه شده‌اند. ویژگی مهم این محصولات احتراق تمیز است که آن‌ها را برای کاربرد در توربین‌ها، کمپرسورها و موتورهای گازوئیلی مناسب کرده است. تاکنون تحقیقات زیادی در این حوزه انجام شده است و پتنت‌های مختلفی نیز به ثبت رسیده است . می و همکارانش نشان داده‌اند که حضور نانوذرات CeO₂ با غلظت mg/L 50 تا 100 در موتور می‌تواند بهترین عملکرد را در کاهش مصرف سوخت و تولید گازهای سمی داشته باشد زیرا سطح ویژه بالای نانوذرات می‌تواند باعث افزایش واکنش هوا و سوخت شود. همچنین این نانوذرات واکنش‌های هیدروژن‌زدا را ترغیب می‌کنند. 5-2- نانوذرات اکسید ‌قلع‌آنتیموآناز مهم‌ترین محصولات حاوی نانوذرات اکسید ‌قلع‌آنتیموآن می‌توان به روغن‌موتورها و روان‌کننده‌ها اشاره کرد. حضور این نانومواد در روغن موتورها منجر به کاهش آلودگی‌های زیستی و آلودگی داخل موتور به دلیل بهبود کیفیت احتراق می‌شود. این محصولات مناسب برای انواع توربین‌ها، کمپرسورها و موتورهای گازوئیلی هستند. 3- خواص ایجاد شده توسط نانومواد در محصولات صنعت نفت و گازبه طور کلی مهمترین نقش فناوری نانو در صنعت نفت و گاز را می‌توان ازدیاد برداشت، بهبود قابلیت تجهیزات، کاهش مصرف انرژی استخراج و معرفی مواد جدید دانست . در شکل 1 سهم خواص مختلف محصولات صنعت نفت و گاز ثبت شده در NPD آورده شده‌اند. نیمی از محصولات که عموماً از نوع روغن موتور هستند، دارای خاصیت مقاومت به سایش، 34 درصد مقاوم به اصطکاک و 14 درصد مقاوم در برابر اکسیداسیون هستند که نتیجه آن کاهش مصرف سوخت، سروصدای موتور و آلودگی‌های اگزوز است. 31 درصد از محصولات منجر به کاهش مصرف انرژی و 23 درصد آن‌ها باعث بهبود احتراق تمیز موتور می‌شوند. به علاوه حضور نانومواد می‌تواند قابلیت ویسکوزیته روغن‌ها را نیز افزایش داده و کارایی آن‎ها را در شرایط کاری دما و فشار بالا افزایش دهد. 16 درصد از محصولات خطوط لوله و حفاری مانند لوله‌ها، مته‌ها، ابزار برش، سر مته‌ها و غیره دارای خواص مکانیکی خوب مانند استحکام، مقاومت در برابر خزش و خستگی و انعطاف پذیری بالا هستند. کاتالیست‌های نانویی صنعت نفت و گاز نیز علاوه بر خواص مکانیکی مناسب در دما و فشار کاری بالا، هدایت حرارتی و خواص آنتی‌باکتریال خوبی از خود نشان داده و مقاوم در برابر حریق هستند. در جدول 2 مقایسه‌ای بین انواع محصولات صنعت نفت و گاز به تفکیک ویژگی‌ها و نانومواد مهم موجود در آن‌ها صورت گرفته است. 

شکل 1- مقایسه بین سهم خواص مختلف ایجاد شده یا بهبود یافته توسط نانومواد در محصولات رصد شده.

 جدول 2- مقایسه انواع محصولات صنعت نفت و گاز به تفکیک ویژگی‌ها و نانومواد مهم موجود در آن‌ها

ویژگی	نانومواد	انواع محصولات
مقاومت به سایش	نانوذرات دی‌سولفید ‌تنگستن، نیترید بور و نقره	روغن موتور، روغن گیربکس، روغن ترمز، روان‌کننده، گریس، پوشش‌های محافظت از خطوط انتقال نفت و گاز
مقاومت به اصطکاک	نانوذرات دی‌سولفید ‌تنگستن، نیترید بور و الماس	روغن موتور، روغن گیربکس، روغن ترمز، روان‌کننده، گریس، پوشش‌های محافظت از خطوط انتقال نفت و گاز
مقاومت به اکسیداسیون وخوردگی	نانوذرات دی‌سولفید ‌تنگستن، نیترید بور، الماس و نانولوله کربنی	روغن موتور، روغن گیربکس، روغن ترمز، روان‌کننده، گریس، پوشش‌های محافظت از خطوط انتقال نفت و گاز
استحکام مکانیکی	نانوذرات دی‌سولفید ‌تنگستن، نانولوله کربنی، فولاد زنگ‌نزن نانویی	سنسور گازی، پوشش آئروژل عایق حرارتی، مته، سرمته، ابزار حفاری و برش، لوله‌ها و پوشش‌های محافظ انتقال نفت و گاز، گریس، روان‌کننده
پایداری در دمای بالا	نانوذرات دی‌سولفید ‌تنگستن، دی‌اکسید ‌سیلیسیم و نقره	روغن موتور، روغن گیربکس، روغن ترمز، روان‌کننده، گریس، پوشش‌های محافظت از خطوط انتقال نفت و گاز
پایداری در فشار بالا	نانوذرات دی‌سولفید ‌تنگستن، دی‌اکسید ‌سیلیسیم و الماس	روغن موتور، روغن گیربکس، روغن ترمز، روان‌کننده، گریس، پوشش‌های محافظت از خطوط انتقال نفت و گاز
کاهش مصرف سوخت	نانوذرات دی‌سولفید‌ تنگستن، الماس و بور	روغن موتور، روغن گیربکس، روان‌کننده
احتراق تمیز	نانوذرات دی‌سولفید ‌تنگستن، الماس، بور، اکسید‌ روی، اکسید ‌قلع‌آنتیموآن، اکسید سریم‌ (IV)	روغن موتور، روغن گیربکس، روان‌کننده

 4- بحث و نتیجه‌گیریبا توجه با سیر صعودی تقاضای مصرف انرژی از منابع نفت و گاز به دلیل افزایش جمعیت و توسعه صنعتی کشورها نیاز است تا در بهره‌برداری از این ذخایر در کنار روش‌های متداول از فناوری‌های نوین مانند فناوری نانو استفاده شود. تحلیل داده‌های به دست آمده نشان می‌دهد که بسیاری از شرکت‌های پیشرو در حوزه صنعت نفت و گاز در حال استفاده از این فناوری جهت بهبود فرآیندهای حفاری، درمان چاه، اکتشاف، خطوط لوله و همچنین ارتقای کیفیت محصولاتی چون انواع روغن موتور، گیربکس و ترمز به کمک نانوذرات سولفید ‌تنگستن، اکسید ‌روی، دی‌اکسید ‌سیلیسیم و اکسید ‌سرنیم (IV) هستند.